全國熱線：010-62104249
地址：北京市密雲區高嶺鎮政府辦公樓
王經理 13393261468
Q Q：514468705/1049705527
郵箱：jhcxkj@163.com
現代的飛輪儲能技術一般是指利用電機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成動能儲存在飛輪裏，在需要的時候利用飛輪的動能帶動發電機發電並向外輸出能量的儲能方式。
1 飛輪儲能技術的原理及組成
人們利用飛輪的慣性闖過機械設備死點,使設備保持勻速旋轉，如古代有紡車、近代的蒸汽機、現代的汽油柴油發動機等。飛輪旋轉的周期很短，其風阻和軸承摩擦等能量消耗都比較小，可以忽略不計。但是如果要利用飛輪來儲備較長時間的能量，以備後續的使用，其能耗問題就變得突出了。
為了減小能耗，人們通過改變軸承結構，比如把滑動軸承改變為滾動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承等，並且通過抽真空的辦法來減小空氣阻力，滾動軸承的摩擦係數可以達到10-3，這種情況下，飛輪能量每天也要損失接近一半左右。
若要維持一個10萬千瓦電廠穩定運行，就需要一個10萬噸的鋼製飛輪來儲能，其機械能和電能之間的轉換，還需要複雜的轉換裝置，所以這種儲能方式幾乎不能實現。
飛輪在轉動時的動能為:
式中:J為飛輪的轉動慣量;
ω為飛輪旋轉角速度.
飛輪轉動時動能與飛輪的轉動慣量成正比。而飛輪的轉動慣量又正比於飛輪的直徑和飛輪的質量,過於龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時,會受到極大的離心力作用,一般的飛輪是由鋼鐵製成的，由於其抗拉能力有限，如果主要以其質量大小來決定儲能大小，高速旋轉的飛輪得到的離心力往往超過飛輪材料的極限強度,很不安全。所以要增大飛輪的轉速成為解決飛輪儲能的主要手段。
飛輪儲能係統主要包括3個部分:
（1）轉子係統，主要指儲能飛輪;
（2）軸承係統，用於支撐轉子，比如超導磁懸浮技術;
（3）電動/發電機係統，用於能量轉換.
另外還包括真空容器、製冷及控製係統，其結構如圖1所示：
目前主要的材料是高碳纖維材料來保障飛輪的強度:
一般的飛輪儲能裝置中有一個內置電機，在儲能時,它作為電動機給飛輪加速;當釋放能量時,它作為發電機給外部供電,飛輪的轉速不斷下降，動能轉化為電能和其它形式的能量;當飛輪空轉時,整個裝置低功耗運行。
目前的飛輪儲能技術具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能、充放電快捷、可以無限次充放電以及沒有汙染等特點。適用於電網調頻、電能質量保障、UPS。
2 當前飛輪儲能係統的主要應用
飛輪儲能主要應用在以下三個方麵：
①高品質不間斷電源；
②磁懸浮飛輪儲能發電車；
③在新能源中的應用
(1)高品質不間斷電源。
數據顯示，發達國家95%以上的停電都由分秒級的電網波動導致。電網的波動使得數據機房不得不采用配備大量的傳統鉛酸電池的UPS，隨著業務增長的需求，運營成本也越來越高，為了給機房降溫，需配備大量的空調設備，數據中心及其電源管理係統建設越來越麵臨巨大的挑戰；另外傳統UPS所使用的鉛酸蓄電池，使用年限短，更換成本高，管理不善會在生產和使用中產生環境汙染，所以人們逐漸傾向於綠色環保節能的UPS係統。
而磁懸浮式飛輪儲能UPS係統則無需空調來製冷,節省了運營電費成本;而且,其占用的空間也大幅減小;維護成本低,更不需更換電池;壽命長達20年。圖2是一款櫃式磁懸浮飛輪儲能型UPS的外觀：
在傳統UPS供電係統中,當電力發生中斷時,蓄電池會支撐係統正常運轉,與此同時,柴油發動機開始啟動,以此保證數據中心主機正常工作、空調連續運轉。蓄電池型UPS在此過程中,提供了“分鍾級”的電力供電。而飛輪儲能型UPS受製於機械儲能,僅僅能夠提供30s到1min電力供電,這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而,專家指出,如今,市電電源的可靠性達到99.9%,有些重要的負載都采用雙路市電供電,市電的可靠性可以說已經達到了99.99%。萬一市電中斷,後備電源的可靠性也可以達到99.9%,從市電到後備電源的切換,在技術上隻需要10s的時間,這是一個公開的標準。目前,歐洲可做到8s。可以斷定,飛輪儲能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿足從市電到後備電源的可靠切換的要求。圖3給出了櫃式磁懸浮飛輪儲能型UPS的運行示意圖。
(2)磁懸浮飛輪儲能發電車
目前國內已經開發出磁懸浮飛輪儲能移動電源設備，其容量可以達到200~500kVA）。多項專利填補國內空白，使我國電源車製造能力達到國際領先水平。使用該種車可以顯著提升企業的應急反應能力及供電質量，增強機動性能，提高效益，是城市應急機製中的核心硬件設備之一。電源車外形美觀，功率、重量配置合理，使用方便靈活，具有極大實用性，更能提升企業形象。
傳統的發電車在保供電作業的時候，無法做到市電斷電時，發電車立即投入到送電狀態，在這之間需要至少3~10s的時間來起動發電機組再切換。存在這個問題的發電車在實際使用的時候是一個不完美的發電車。在這個市電斷電的3~10s時間裏很重要，特別是在重要會議、執行政治任務或是用電設備對電源要求高的時候。而磁懸浮飛輪儲能發電車在這種情況下就可以起到關鍵作用，在市電斷電的瞬間由磁懸浮飛輪儲能係統（UPS）提供電能，同時啟動發電機組。機組啟動成功運行穩定後，由機組經過磁懸浮飛輪儲能係統（UPS）向負載供電。這樣來達到市電與發電機組供電之間的零秒切換。
圖4為移動式飛輪儲能應急電源車的實物照片。
(4)飛輪儲能技術在新能源中的應用
太陽能、風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。僅以風能為例,中國風能儲量很大、分布麵廣,僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。近幾年來,中國的並網風電迅速發展,截至2011年3月中旬,我國風電累計裝機容量達4450萬千瓦,風電建設的規模居全球之首。這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊,預計未來很長一段時間都將保持高速發展。
在我國風電建設規模高居世界第一的同時,風電並網問題卻始終製約著我國風電的發展。我國風電裝機容量中仍然有近三成風電沒有並網。這是由於風能隨機性和間歇性的特點,造成風電機組的出力頻繁波動,從而風電場的出力可靠性也差,風電比重過大,會使電網的調頻、調峰壓力加大,因此,風電場大規模的並網接入對電力係統的運行帶來一些新問題。光伏發電、風力發電等綠色新能源自身所固有的隨機性、間歇性、不可控性的特點,使得可再生能源電廠不可能像其它傳統電源一樣製定和實施準確的發電計劃,這給電網的運行調度帶來巨大壓力。同時,可再生能源的大規模接入所帶來的局部電網無功功率和頻率問題,電能質量問題不容忽視,會對電網調峰和係統安全運行帶來不利影響。研究表明,如果風電裝機占裝機總量的比例在10%以內,依靠傳統電網技術以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網安全;但如果所占比例達到20%甚至更高,電網的調峰能力和安全運行將麵臨巨大挑戰。儲能技術在很大程度上解決了新能源發電的隨機性、波動性問題,可以實現新能源發電的平滑輸出,能有效調節新能源發電引起的電網電壓、頻率及相位的變化,使大規模風電及太陽能發電方便可靠地並入傳統電網。高速飛輪儲能係統可以在瞬間釋放出巨大電力以穩定電網波動。可實現對電網的調峰功能,從而替代水力、燃氣發電廠,為電網運營商創造更可靠的供電係統。由此可見,飛輪儲能技術能夠提高電網對可再生能源的接納能力。
3 國內外飛輪儲能技術發展現狀分析
(1) 大容量儲能技術呈多元化發展
全球儲能技術主要有化學儲能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等)、物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)和電磁儲能(如超導電磁儲能等)三大類。目前技術進步最快的是化學儲能，其中鈉硫、液流及鋰離子電池技術在安全性、能量轉換效率和經濟性等方麵取得重大突破，產業化應用的條件日趨成熟。鈉硫電池的充電效率已可達到80%，能量密度是鉛酸蓄電池的3倍，循環壽命更長。日本在此項技術上處於國際領先地位，2004年日本在本國Hitachi自動化工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫電池係統，容量是9.6MW/57.6MWh。液流釩電池的基礎材料是釩，該電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、壽命長等優點，已進入商業化階段。鋰離子電池的基礎材料是鋰，已開始在電動自行車、電動汽車等領域應用，近年來由於磷酸亞鐵鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開發與應用，大大改善了鋰離子電池的安全性能和循環壽命，大容量鋰電池儲能電站正逐漸興起。
物理儲能中最成熟也是世界應用最普遍的是抽水蓄能，主要用於電力係統的調峰、填穀、調頻、調相、緊急事故備用等。其能量轉換效率在70%~75%。目前世界範圍內抽水蓄能電站總裝機容量9000萬千瓦，約占全球發電裝機容量的3%。壓縮空氣技術早在1978年就實現了應用，但由於受地形、地質條件製約，沒有大規模推廣。飛輪蓄能的特點是壽命長、無汙染，動態特性好，但超大容量的飛輪，目前技術尚不成熟。電磁儲能技術現在仍很昂貴，還沒有商業化。
(2) 國外飛輪儲能技術的發展處於領先地位
美國、德國、日本等發達國家的飛輪儲能技術的發展處於領先地位。日本已經製造出容量26.5MVA、係統輸出電壓1100V,轉速510690r/min的變頻調速飛輪蓄能發電係統。美國馬裏蘭大學也已研究出用於電力調峰的24kWh的電磁懸浮飛輪係統,其飛輪重172.8kg,工作轉速範圍11,610—46,345rpm,破壞轉速為48,784rpm,係統輸出恒壓110～240V,全程效率為81%。經濟分析表明,運行3年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術在美國發展得很成熟,已製造出一種裝置,在空轉時的能量損耗達到每小時0.1%。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能係統研究。2011年10月30日,全球大規模飛輪儲能應用先驅BeaconPower申請破產保護。BeaconPower開創了飛輪儲能係統與電力公司合作的先例,使電力市場開始接受飛輪儲能技術。從這個角度講,在飛輪儲能技術發展的曆史上,甚至於儲能發展的曆史上,BeaconPower的成就無人可以替代。盡管公司麵臨破產,但去年6月在紐約Stephen鎮,仍為20MW的飛輪儲能項目舉行一個建成投運儀式。該飛輪儲能電源係統用於電廠儲能調頻,能做到15min的儲能規模。而一般應用於UPS的飛輪儲能時間都不超過100s。可以說這是美國目前最先進的飛輪儲能係統。這也說明美國的很多項目還處在示範階段。
表1給出了美國、西歐和日本幾個著名的飛輪儲能電源係統的廠商。
(3) 我國飛輪儲能技術的現狀落後國外十年
目前國內從事與飛輪研究相關的單位有清華大學工程物理係飛輪儲能實驗室、華北電力大學、北京飛輪儲能柔性研究所(由中國科學院電工研究所、天津核工業理化工程研究院等組成)、北京航空航天大學、南京航空航天大學、中國科大、中科院力學所、東南大學、合肥工業大學等,主要集中在小容量係列。其中,北航針對航天領域研製的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術發明一等獎。華北電力大學和中國科學院電工研究所、河北省電力局合作,已經開始就電力係統調峰用飛輪儲能係統的課題進行研究，預計能夠取得可喜的成果。從總體上來看，國內飛輪儲能技術的發展現狀落後國外十年，許多成果尚處於研究階段，在推廣應用上還會有一段路要走。
隨著超導技術的發展和高強度複合材料的出現以及電力電子技術的新進展,開發飛輪儲能技術已經成為可能。從經濟和技術角度看,飛輪儲能機組作為一種重要的調峰手段分散接入電網是可行的。由於飛輪機組運行控製的靈活性,可使電力係統的運行可靠性和穩定性得到提高。
飛輪的發展方向及研究熱點：
①超大儲能量、大功率飛輪的研製;
②進一步降低儲能飛輪係統的能耗;
③係統的安全性、可靠性分析;
④機電參數匹配問題;
⑤ 強力充放電係統的穩定性。
4 飛輪儲能技術在現代汽車中的應用
目前隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾,研發環保型汽車成為當今世界汽車產業發展的一個重要趨勢。汽車製造行業紛紛把目光轉向電動汽車的研製。能找到儲能密度大、充電時間短、循環壽命長的新型儲能電源係統,是電動汽車與汽油車比拚的關鍵。而飛輪儲能電源係統,因具有清潔、高效、充放電快速、可無限製的充放電、不汙染環境等特點而受到汽車行業的廣泛重視。預計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業的研究熱點。
4.1 電動汽車的飛輪電池儲能技術
開發節能及采用替代能源的環保型汽車-電動汽車飛輪儲能應用技術得到支持，圖5是其原理圖。
飛輪電池電動汽車利用儲存在隨車飛輪中的機械能驅動汽車前進。它的推進係統由飛輪電池、電機控製器、電機和傳動係統等組成。
飛輪電池能量比鎳氫電池大2~3倍，飛輪電池的功率也高於一般化學蓄電池和內燃機，其快速充電可在18min內完成,且能量儲存時間長,能超快速充電而無化學電池的損壽問題，整個電池的使用壽命遠長於各種化學蓄電池。更重要的是，飛輪為純機械結構，不會像內燃機產生排氣汙染，同時也沒有化學蓄電池的化學反應過程，不會引起腐蝕，也無廢料的處理回收問題。
一輛用二十節直徑為230mm，質量為13.64kg的飛輪電池的汽車，用市電充電需要6h，快速充電隻需15min，一次充電行駛裏程可達560km。電機有雙重功能,充電時飛輪中的電機以電動機的形式運行，在外接電源的驅動下帶動飛輪旋轉，達到極高的轉速，從而完成電能－機械能轉換的儲能過程；放電時，飛輪中的電機以發電機的狀態運行，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能－電能轉換的釋放過程。
(2)飛輪動能回收係統在F1賽車中的應用
熟悉F1的人對動能回收係統（KERS）應該不會陌生。這是國際汽聯為了順應低碳這一國際形勢而采取的重大舉措。KERS係統能將車身製動能量存儲起來，並在賽車加速過程中作為輔助動力釋放利用。現在已經麵世的KERS係統就是采用飛輪回收。國際汽聯主席莫斯利曾表示，鋰電池適合於長期的能量儲存，而飛輪則更適合吸收汽車大力製動下短時間內釋放的巨大能量。
保時捷918Spyder概念車(見圖7)上前衛且符合人體工程學的中控台及觸摸式用戶界麵均被取消，918RSR駕駛室采用了充分體現簡約主義的控製台及蹺板開關。在控製台右側，第二個座椅的位置被飛輪儲能裝置所取代。飛輪儲能裝置相當於一個電動馬達，其轉子的最高轉速可達36,000rpm，用以儲存能量。
在車輛製動時，充電在前橋上的兩個電動馬達以逆向原理進行工作時，與發電機工作方式相似。隻要按下按鈕，駕駛者就可以調用飛輪儲能裝置中儲存的能量，用於車輛加速或超車。此時，飛輪會被電磁製動，以便通過前橋上的兩個電動馬達提供2×75kW的額外動力。當係統能量儲存充沛時，這些附加動力的提供可以持續約8s。
(3) 港口、地鐵等特殊場合的電製動能量再生。
除了F1賽車，製動能量巨大的港口起重機、地鐵列車等都可以配備類似的動能回收係統。
據悉，國內的很多港口起重機的動能回收方式已經從早期的電池轉變為飛輪。Vycon公司更是將飛輪儲能係統納入港口起重機的製造，成為其中一個部件。預計市場需求量很大。
(4) 儲能飛輪在現代城市公交車上的應用的預期
機械式儲能飛輪可回收公交汽車在製動時所浪費的製動能量，並將其用於汽車的再次起步過程，這樣既能回收製動能量，也能避免汽車起步時的巨大油耗，還可以減少汽車的尾氣排放。
由於城市中公交運輸團體的龐大，決定了它的能源消耗一直是城市能源消耗的主體之一。所以公交汽車的節能運行越來越受到社會的關注。在現代城市公交的運行工況下，公交車難免走走停停。在這樣的運行狀態下，汽車的很大一部分能量被浪費在汽車的刹車過程中，而且汽車在起步過程中的油耗也相當高。設計儲能飛輪製動能量再生係統回收製動能量並用於汽車再次起步加速過程，這樣既能使浪費能量回收再利用，又起到降低油耗、節約能源、保護環境的目的。而且，與傳統的混合動力汽車相比，該儲能飛輪製動能量回收係統在運行過程中並不需要儲能電池及充放電機構，這樣就延長了係統的運行維護周期性，降低了廢舊電池的處理壓力。所以該係統是一種能夠較好的降低公交運行成本的節能係統。
可以在類似的交通工具上進行大範圍推廣，如地鐵、輕軌以及無軌電車等。製動能量再生是混合動力汽車節油最有效的途徑之一，通過Advisor2002以及AMESin-Sinulink仿真結果表明，製動能量再生可節油5%~8%甚至更高。在北京的循環工況下，傳統客車燃油消耗為56.4L/100km。根據以上信息可大概估算：汽車每運行100km可節約4L左右燃油，假設每輛汽車每天運行的總裏程數為200km，那麽每天每一輛車將節油8L。一座中型城市按1000輛公交汽車來計算，節油總量為8000L，一年將節油2880000L，減少CO2排放約為10000噸。
5 用於可再生能源並網的分秒級儲能電源
風力發電的波動很大，為了穩定輸出往往會為風機配備柴油機組，但柴油機並不適合頻繁啟動，而這恰恰是飛輪的強項。國外現在采用的一種解決方案是同時配備飛輪儲能係統用於分秒級的儲能，減少柴油機啟動次數。跟UPS隻有幾百千瓦到幾兆瓦的容量相比，風力發電的容量大、規模大，因此市場也更大。百兆瓦級別的風電場配備供電容量20%~50%的飛輪儲能就能解決柴油機頻繁啟動問題並保障輸出穩定問題。
6 家庭化的飛輪儲能模式
對於普通家庭，儲能式飛輪也有廣闊的應用前景。家庭用電係統可以采用電力公司供電、太陽能電池組、風力發電機組及微型汽油發電機來保障家庭的電源的不間斷供應。而平時多餘的太陽能和風能首先可以給後備的飛輪儲能機構以及電池組充電，其次也可以用來給室內加熱取暖，再次可以通過逆變器給電網反饋，並取得收益。圖7為家庭用飛輪輪能機構的示意圖。
7 結束語
飛輪儲能電源係統所具有的高效、節能、建設短周期、使用長壽命、存取方便快捷以及充放無限次並且沒有汙染碳排放的優點，必將得到社會的認可和迅速發展以及推廣應用。
作者簡介
馬李紅,電力工程師,就業於北寧電力電子(北京)有限公司,從事電源行業20多年,曾發表多篇綠色節能技術文章,參與多項中石油、中石化、中國核電、中廣核電國家重點項目建設。
編輯：Harris
關鍵詞：ups電源參數http://www.ywyd5.com/list-3-1.html