飞轮储能技术及产业发展概况

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1、作者：墨柯 来源：新材料产业 2013年第7期飞轮储能（F l y w h e e l E n e r g yStorage ）是将能量以动能的形式储存在高速旋 转的飞轮中，它主要由高强度合金和复合材料的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换 器和真空安全罩（真空室）组成，如图1所示。其基本原理是由电能驱动飞轮高速旋转，将电 能转变为飞轮动能进行储存。当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转 换成电能，飞轮的加速和减速实现了充电和放电，因此也被称为飞轮电池。飞轮储能的理论其实早在100多年前就有人提出，但直到20世纪90年代，由于技术上的 不断突破，飞轮储能才开始进入到商业

2、化应用阶段。主要的技术突破包括3个方面：一是高强 度碳素纤维复合材料（抗拉强度高达8.27G P a）的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。 二是磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦 损耗和风损耗都降到了最低限度。三是电力电子技术的新进展，如电动/发电机及电力转换技术 的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。一、飞轮储能系统简介在飞轮储能系统中，飞轮本体是最核心的部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子质量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。

3、目前多应用于永磁轴承、 电磁轴承、超导悬浮轴承等非接触式的磁轴承或其他低摩擦功耗轴承支承飞轮，并采用机械保 护轴承。非接触式的磁轴承可以减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，飞轮的转速可以 达到很高（高达200 000r/min），提高储能效率。电动/发电机一般为直流永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。飞轮储能系统的机械能 与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的，电动/发电机集成一个部件，在储 能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速； 在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。飞轮储能系统工作过程可划分为3种

4、工作模式：飞轮充电模式：交流电源给飞轮控制器 供电，飞轮控制器控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速。飞轮能量保持模式：飞轮系 统依靠最小的交流电输入，保持飞轮在最高工作转速运行。飞轮放电模式：交流电源中断， 飞轮给飞轮控制器供电，控制器提供不间断电源给用户负载，飞轮转速下降。fl I令0町丫 - io屣醉* 耐如40 -Z30瞬利何馴7Q H0苫jsa电tti可逊0L25 -15毎X旣in*-Ci)D-I表1是飞轮储能技术性能参数。与传统的化学电池（如铅酸电池、锂离子电池等）相比， 飞轮储能具有储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长（20年以上）、无需特殊维护、无 污染、应用范围广、适应性

5、强等优点。系统在任何时点的实际电量信息可直接准确获得。此外 飞轮储能的占地面积不大，系统还可以埋在地下。以不间断电源（UP S）应用来说，同等电量 下飞轮储能的占地面积只有铅酸电池的1/41/3。关于飞轮储能与铅酸电池的成本比较，清华大学工程物理系副研究员戴兴建曾在2011年 12月对媒体表示，电池的运行需要空调作保证，因此需要额外的电费；两三年更换电池，又是 一笔费用；同样容量的储能，飞轮储能占地面积小。综合起来，两者在寿命期内的竞争成本差 不多。从表1来看，飞轮储能技术也存在明显的不足，主要是能量密度不高、放电时间短（一般 不超过15m in）、自放电率较高（大约每小时自放电0.1%）。这

6、意味着1 000k Wh的飞轮存储 电量，如果一直不用，大约4 1天就会消耗殆尽。空载损耗大（自放电率高）是制约其进一步发 展的决定因素。二、飞轮储能的主要应用领域从飞轮储能的技术特点来看，它最适合那些高功率、应用次数频繁但应用时间又不长的U P S、电力调峰调频等需求市场。不间断电源由于能确保不间断供电和保证供电质量而在通讯枢纽、国防指挥中心、工业生 产控制中心、大型体育赛事场地、医院、金融机构、商场、大型饭店等地方得到广泛使用。这 些地方目前通常使用柴油发电机组或蓄电池不间断电源，以应对临时停电等突发情况。但是， 蓄电池通常都存在对工作温度、工作湿度、输入电压、以及放电深度等条件要求，同时

7、蓄电池 也不允许频繁的关闭和开启，瞬间启动也不够，因此蓄电池在一些不间断电源场合就不是很适 合。如果大型体育赛事在进行期间突然断电，由蓄电池提供电源的UPS设备就难以迅速提供电 源，这时，具有大储能量、高储能密度、充电快捷的飞轮储能将最为适合。在现代电力系统中，储能电源的容量一般需达到总装机容量的10%以上，才可以起到调峰 的目的，且不至于对电网造成太大的冲击。目前广泛使用的调峰手段是建设抽水蓄能电站，或 采用铅酸蓄电池组的不间断电源设备，压缩空气储能电站的应用也在逐渐增多。基于飞轮储能 的储能电站由于具有响应快捷，可就近分散放置，无污染等优点，国际上许多研究机构都将飞 轮储能系统应用于调峰电

8、站作为开发目标。在风力发电系统中，由于风时起时停、时强时弱造成供电不稳定，目前一般采用风力/柴油 机组、风力/蓄电池机组进行储能调节。但由于柴油机本身的特殊要求，在启动后30m i n内才 能停止。而风力常常间断数秒，数分钟。不仅柴油机组频繁启动，影响使用寿命，而且风机重 启后柴油机同时作用，会造成电能过剩。由于铅酸电池UP S存在启动瞬间功率不够等不足， 如果频繁启停也会严重影响铅酸电池的使用效果和使用寿命，因此，高性能、长寿命的飞轮储 能系统日益受到关注，而且，从技术和经济角度考虑，飞轮储能也会优于柴油发电和铅酸电池。混合动力汽车（H E V）,也是飞轮储能一个可以考虑的应用市场，飞轮电池

9、H E V系统结 构如图2所示。飞轮电池在混合动力驱动系统中主要可以起到以下2个方面的作用：稳定主 动力源的功率输出。在混合动力汽车起步、爬坡和加速时，飞轮电池能够快速、大能量的放电， 为主动力源提供辅助动力，并减少主动力源的动力输出损耗。提高能量回收的效率。在混合 动力电动汽车下坡、滑行和制动时，飞轮电池能够快速、大量的存储动能，充电速度不受“活 性物质”化学反应速度的影响，可提高再生制动时能量回收的效率。飞轮储能技术还被设想用于航空航天（低轨道卫星、火箭发射等）和军工（军用装甲车辆、 电磁炮、鱼雷等）等领域。美国宇航局（N A S A）G l e n n研究中心（原为Le w is研究中

10、心）就是这方面的代表性机构，该机构从20世纪六七十年代开始，就一直致力于国际空间站飞 轮储能系统的技术开发、用于中型低轨道（L E 0）卫星的“世纪飞轮”（Cen tury Flywheel EnergyS to rage Sys tem） 技术开发等。此外，港口、地铁等特殊场合的电制动能量再生，也是飞轮储能技术主攻的一个市场。制 动能量巨大的港口起重机、地铁列车等都可以配备飞轮电池这样的动能回收系统。清华大学工 程物理系副研究员戴兴建2011年底曾对媒体表示，中国的很多港口起重机的动能回收方式已经 从早期的化学电池转变为飞轮电池。这块市场也将会很大。三、飞轮储能产业现状进入到本世纪以来，飞轮

11、储能已经逐渐形成了一个产业，且处在快速发展中。真锂研究估 计，2012年飞轮储能的市场规模已经达到了数亿美元，主要企业有美国Be a c o n P owe r 公司、Active Power 公司、Pentadyne 电力公司、KTC （Kinetic TractionS y s t e m s I n c .）公司、卡特彼勒公司、A F S T r i n i t y电源公司等，以及欧洲U r e n c o集团、 加拿大 F l y w h e e lEnergy Systems Inc.公司等，其中以 Beacon Power 公司和 Active Power公司最具代表性。其中，Be

12、 a c o n P owe r公司主攻电力系统电网级的大型储能业务。在2000年初， Beacon Power公司的20C1000飞轮储能系统面向扩展试验销售并首次进行了安装，C o x电讯 公司、M e d i a 0 n e公司和A B B公司安装并测试了生产型的早期飞轮储能单元。早期飞 轮储能单元的系统指标为：工作转速3010k r / m i n,最高线速度700m / s,放电深度 90%，电机效率96%，输出可用储量2kWh；输出电压为直流36V、48V或96V,额定输出功率 1.0kW；输入电压120/240V D C，50/60H z,最大输入功率4kW；转子质量68k g,

13、飞轮模块质 量383k g,电子模块质量90k g；设计寿命20年，平均故障间隔时间1 X105ho2011年春，全球首个大型“飞轮计划”宣告展开Beacon Power公司在纽约州史蒂芬镇(Ste phen town )的20MW项目上装了 200个飞轮，见图3。为了这个项目，该公司2010年申请 了美国能源部4 300万美元的贷款担保并获得批准。这座电厂将为纽约州的智能电网提供频率 调节，并为当地发电厂提供20MW的缓冲储电。简单理解就是：该项目可在城市用电量少时储存 多余电力，并在用电需求上升时便将电力注入电网，令更多太阳能、风力发电产生的电力不致 于浪费。2011年11月1日，Beac

14、on Power公司CEO Bill Capp在公司官方网站上发表声明指 出，Beacon Power在纽约州的20MW飞轮储能项目依旧处于全负荷运行状态并持续赢利。Active Power公司主攻UPS业务，主要目的是取代U P S系统中的铅酸电池，满足当今社 会对于电力品质的高要求。应用对象主要为那些数据中心、医院、大型工业设备和广播站等。 该公司的飞轮材料为4340锻铁，其飞轮转子与电动/发电机、磁轴承整合在一起，用磁铁卸去 80%的质量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮的工作转速在7 0007 700r/min,工作 维持时间为几十秒到几分钟，具体指标见表2。目前，该公司的飞轮储能产

15、品已经实现了规模 化销售，而且，在为数不多的飞轮储能企业中，财务状况表现较好。1為TB.FIB血口TiVl机弊曲3J%ftfiS-oa*將：i事iIMIW4ltiuiwITW|H giw.MW中国对飞轮储能技术的研究大致始于20世纪80年代，但一直研究者甚少，政府也不太重 视。资料显示，到现在为止的30多年来，飞轮储能只获得过2个国家科技部“863”计划探索 项目和一个“八五”攻关项目的支持，除国防领域外，公开的总共投入经费不足500万元。与 美国政府持续50多年对飞轮储能研究的支持相比，反差巨大。在媒体对飞轮储能的报道中，北 京航空航天大学教授房建成的一句话引用颇多：“目前，我国的飞轮储能技术还停留在实验室 研究阶段，与国外技术水平差距在10年以上。 ”至于开发飞轮储能技术和产品的中国企业，目前阶段同样少得可怜，真锂研究所知的也只 有英利集团。国内媒体2012年7月初报道，由英利集团投资研究的飞轮储能技术，目前已经取 得了阶段性成果。英利集团计划“十二五”期间(2011-2015年)，将投入10多亿元(另有一 说是61亿元），至少生产45万台套1 kWh飞轮电池产品，其中2012年计划生产1 000台套。 同时，到2015年末，形成5万台套20kWh产品的年产能