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飛輪儲能就是利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時的動能存儲能量

2021-08-30 13:02:20 來源：中國科學(xué)報

儲能又出事了。不同于以往多次發(fā)生的電化學(xué)儲能起火事件，此次意外是由高速轉(zhuǎn)動的“飛輪”引起的機(jī)械事故。

8月19日，北京泓慧國際能源發(fā)展有限公司正在進(jìn)行一場飛輪科技實驗，在此過程中，實驗設(shè)備意外脫落，擊中該公司多名員工，造成人員傷亡。

這場“奪命”的科技實驗再次敲響儲能安全的警鐘，同時也將“飛輪儲能”這一相對小眾的物理儲能技術(shù)帶到了聚光燈下。

那么，什么是飛輪儲能？這一“瘋狂的陀螺”又會給儲能產(chǎn)業(yè)帶來哪些變革？

擰緊“安全”閥門

與以往我們熟悉的電池等化學(xué)儲能不同，飛輪儲能是一種比較傳統(tǒng)的物理儲能方式，原理也很簡單，就是利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時的動能實現(xiàn)能量存儲。

華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院教授柳亦兵對《中國科學(xué)報》解釋道，飛輪儲能系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)體由同軸的飛輪轉(zhuǎn)子和雙向電機(jī)轉(zhuǎn)子組成。雙向電機(jī)既是電動機(jī)，又是發(fā)電機(jī)。作為電動機(jī)可以驅(qū)動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成動能，進(jìn)行“充電”；作為發(fā)電機(jī)又可將動能轉(zhuǎn)換成電能，降低飛輪轉(zhuǎn)速，進(jìn)行“放電”。

就像“陀螺”，給它施加外力就會以一定的速度旋轉(zhuǎn)起來；如果不抽它，也不會立刻停止，而是過一段時間，等能量消耗完了再停下。

記者采訪了解到，飛輪轉(zhuǎn)子的動能等于1/2倍的轉(zhuǎn)動慣量乘以轉(zhuǎn)速的平方。即飛輪的儲能量與飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量成正比，與轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速的平方成正比。所以，提高飛輪儲能量的技術(shù)途徑，一是提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，二是提高飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

可以說，作為一種物理儲能方式，飛輪儲能是通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子實現(xiàn)能量存儲，因此并沒有燃燒和爆炸的風(fēng)險，但卻存在飛輪轉(zhuǎn)子脫落等安全隱患。

“高速飛輪轉(zhuǎn)子采用復(fù)雜的軸承支撐結(jié)構(gòu)，軸向主要采用磁懸浮軸承支撐，將轉(zhuǎn)子懸浮在真空中運行，減小轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的能量損耗。”柳亦兵告訴記者，“轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，如果發(fā)生軸承失效，轉(zhuǎn)子從懸浮狀態(tài)中脫落，可能與底部或外殼結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈接觸摩擦，消耗轉(zhuǎn)子動能，造成結(jié)構(gòu)高溫或整個飛輪本體移動傾倒，產(chǎn)生次級危害。”

不僅如此，飛輪轉(zhuǎn)子也有可能會發(fā)生超速事故，使轉(zhuǎn)子內(nèi)部應(yīng)力超過材料強(qiáng)度極限，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋損傷，極端情況下轉(zhuǎn)子會發(fā)生爆裂。

因此，在柳亦兵看來，飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)配置轉(zhuǎn)速監(jiān)測和安全保護(hù)系統(tǒng)，使發(fā)生轉(zhuǎn)子爆裂事故的風(fēng)險降至最低并且可以加以監(jiān)控。同時，飛輪儲能單元的外殼和基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)具有安全裕度，特別是對于大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采取地井結(jié)構(gòu)形式，將飛輪儲能本體設(shè)備放置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地井中，萬一發(fā)生轉(zhuǎn)子爆裂故障，也可以發(fā)揮安全防護(hù)作用，就地消納能量，有效避免發(fā)生次生事故。

具有獨特優(yōu)勢

雖然有一定的安全風(fēng)險，但飛輪儲能這一“瘋狂的陀螺”仍然能夠飛速“轉(zhuǎn)”出一片應(yīng)用市場。不久前，我國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》中的兆瓦級飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用就取得重大突破——首次將飛輪儲能應(yīng)用到電氣化鐵路領(lǐng)域。

“有了飛輪儲能裝置，火車進(jìn)站剎車時產(chǎn)生的巨大電能會加速飛輪旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于把電能儲存起來，當(dāng)火車提速出站時，飛輪則可以釋放能量給火車。”中國鐵路北京局集團(tuán)唐山供電段副段長李彥吉在接受媒體采訪時說，“這不僅改善了鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，還減少了電能消耗。僅一個鐵路牽引變電站，每天就可節(jié)約3000度電能。”

可以說，相比于電化學(xué)儲能，飛輪儲能具有很多獨特優(yōu)勢。“飛輪儲能的充放電速率取決于雙向電機(jī)的額定功率，額定功率越大，充放電速率越高，可以實現(xiàn)快速充放電。由于飛輪充放電過程是飛輪轉(zhuǎn)子加速和減速的物理過程，因此可以通過配置較大額定功率的電機(jī)，實現(xiàn)能量快速充放，這是飛輪儲能的突出優(yōu)勢。”柳亦兵說。

不僅如此，飛輪儲能還具有很高功率密度和很快響應(yīng)時間，額定功率響應(yīng)時間低于0.1秒。同時具有超多循環(huán)充放次數(shù)和超長使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)100萬次，使用壽命超過20年。另外，由于飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲能量成精確關(guān)系，因此飛輪儲能系統(tǒng)還可以實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速精確測量和控制，通過將多個飛輪儲能單元組成陣列，實現(xiàn)較大容量的能量快速精確充放。

當(dāng)前，以風(fēng)光為主的新能源系統(tǒng)，隨機(jī)波動性和間歇性是其主要局限性，這對電力系統(tǒng)快速靈活調(diào)節(jié)提出新的挑戰(zhàn)，需要大力發(fā)展各種類型的儲能資源，全面提升電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)控能力，同時也對發(fā)電企業(yè)的靈活調(diào)節(jié)能力提出更高要求。

柳亦兵表示，飛輪儲能由于可以實現(xiàn)大功率快速充放電，在電力系統(tǒng)快速負(fù)荷調(diào)節(jié)方面具有獨特優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)獨立調(diào)頻、火電+儲能、新能源（風(fēng)光）+儲能、微電網(wǎng)及綜合能源等，具有廣闊發(fā)展前景。除了電力系統(tǒng)，大容量功率型飛輪儲能也可以在其他電能快充快放領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

瓶頸待突破

飛輪儲能雖然聽起來比較陌生，但我國自上世紀(jì)90年代就已經(jīng)開展相關(guān)技術(shù)研究，走在前列的有上海航天控制技術(shù)研究所、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華北電力大學(xué)等單位。但是與國外相比，我國自主研發(fā)的飛輪儲能技術(shù)及工程應(yīng)用還相對落后。多數(shù)公司主要生產(chǎn)容量較小的飛輪儲能設(shè)備產(chǎn)品，充放電時間也比較短。

柳亦兵坦言，飛輪儲能產(chǎn)品的儲能量取決于飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量或最高轉(zhuǎn)速。對于儲能量較小的飛輪儲能產(chǎn)品，技術(shù)上相對容易實現(xiàn)。但是對于大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和最高轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值，就會面臨許多技術(shù)瓶頸。例如，高強(qiáng)度飛輪轉(zhuǎn)子材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)、支撐高速重載飛輪轉(zhuǎn)子的長壽命復(fù)合軸承設(shè)計制造技術(shù)、寬轉(zhuǎn)速范圍運行的高速雙向電機(jī)設(shè)計制造技術(shù)、真空狀態(tài)下的電機(jī)及軸承冷卻技術(shù)、飛輪儲能單元能量快速轉(zhuǎn)換控制技術(shù)及系統(tǒng)、大規(guī)模飛輪儲能陣列運行優(yōu)化控制與先進(jìn)運維技術(shù)等。

“目前，我國在這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研究積累不足，限制了大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品的研發(fā)。”柳亦兵說，大容量功率型飛輪儲能是一種具有很高技術(shù)含量的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，這類產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)是一項高投入、高風(fēng)險的事業(yè)。

對此，他建議，國家一方面應(yīng)該在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域加大投入，通過精準(zhǔn)資助國內(nèi)從事該類產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)，與從事相關(guān)研究的高校深入開展校企合作，突破技術(shù)瓶頸，不斷提升產(chǎn)品技術(shù)水平，實現(xiàn)科技成果真正落地示范，為新型電力系統(tǒng)提供高可靠性、性能優(yōu)質(zhì)的飛輪儲能產(chǎn)品；另一方面，應(yīng)盡快明確儲能在電力系統(tǒng)的定位，根據(jù)承擔(dān)的輔助服務(wù)業(yè)務(wù)，制定合理細(xì)化的收益支持政策，使從事儲能的廠商具有可以預(yù)期的投入產(chǎn)出效益，促進(jìn)儲能事業(yè)的健康發(fā)展。

標(biāo)簽：電化學(xué)儲能國際能源儲能安全飛輪儲能