轉(zhuǎn)動的“飛輪”，純物理的“電池”，保值好的“銀行”

“雙碳”背景下，“飛輪電池”真的來了！從電廠到電網(wǎng)，從軌道交通到汽車交通……“飛輪電池”正在步入應(yīng)用的大舞臺。那么，它能為我們的生活帶來什么呢？

對環(huán)境友好的“飛輪電池”

首先要搞清楚什么是“飛輪電池”。大凡電池，幾乎都是基于電化學(xué)原理而釋放能量的。怎么，還有“飛輪電池”？

沒錯(cuò)，“飛輪電池”也叫飛輪儲能。說起旋轉(zhuǎn)的“飛輪”，或許會自然而聯(lián)想到陀螺。的確，這里所說的“飛輪”與玩具中的陀螺還有些類似。不過，“飛輪”作為一種儲能裝置，往往具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

“飛輪電池”示意圖

我們知道，轉(zhuǎn)動的陀螺會承載或多或少的動能，用鞭子抽打還能使其轉(zhuǎn)得更快……那轉(zhuǎn)動的“飛輪”呢，在原理上也是如此的，但吸能和釋能的方式有所不同。

由于飛輪的儲能機(jī)制不涉及化學(xué)反應(yīng)和變化，僅僅是轉(zhuǎn)的快慢不同罷了。因此具有純物理的“電池”屬性，意味著其對環(huán)境極為友好。

在迄今的物理儲能技術(shù)中，“飛輪電池”的能源效率高達(dá)85%-95%，要高于抽水蓄能和壓縮空氣儲能。因此“飛輪電池”是保值率很高的“能量銀行”。

“飛輪電池”是如何運(yùn)作的？

飛輪儲能系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)和電力電子裝置三大部分。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的作用就是儲存能量；電機(jī)系統(tǒng)的作用就是能量轉(zhuǎn)換；電力電子裝置的作用就是電力變換，目的是提高飛輪儲能系統(tǒng)的靈活性和可控性。比如，在輸入電能時(shí)需要轉(zhuǎn)化為直流電供給電機(jī)，還能將輸出電能變換為滿足負(fù)荷供電要求的電能。

飛輪的儲能多少則與飛輪轉(zhuǎn)速的平方成正比，與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量取決于飛輪的質(zhì)量分布和半徑。對于特定的飛輪裝置來說，飛輪轉(zhuǎn)速才是一個(gè)最為核心的指標(biāo)。

“飛輪電池”工作原理示意圖

目前應(yīng)用的磁懸浮飛輪儲能裝置，實(shí)際上是一套“電能—動能—電能”高效轉(zhuǎn)換的技術(shù)系統(tǒng)。采用磁懸浮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以保證飛輪轉(zhuǎn)子在真空腔體內(nèi)工作，這樣可以減少運(yùn)行中的能量損耗，因此可以提高飛輪的轉(zhuǎn)速。

在應(yīng)用情境下，“飛輪”在儲能時(shí)提速，在釋能時(shí)減速，從而完成機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換。那么，“飛輪”是如何儲能和釋能的呢？

“飛輪”的儲能和釋能是借助于電機(jī)來完成的。充電時(shí)，電機(jī)相當(dāng)于電動機(jī)，可將電能轉(zhuǎn)換為動能而存儲起來，表現(xiàn)形式就是提速；放電時(shí)，電機(jī)相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，可將動能轉(zhuǎn)換為電能而對負(fù)載進(jìn)行釋放，表現(xiàn)形式就是減速。

飛輪來了，風(fēng)光電走好

風(fēng)能、太陽能等新能源具有清潔環(huán)保和可以再生等方面的優(yōu)勢，有望在未來低碳能源體系中占有重要的地位。然而，新能源也對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。

原來，風(fēng)能和太陽能具有波動性和間歇性的特點(diǎn)，大規(guī)模接入電力系統(tǒng)將會給并網(wǎng)控制、運(yùn)行調(diào)度、功率預(yù)測、供電質(zhì)量等帶來嚴(yán)重影響。

比如，風(fēng)力發(fā)電會受到風(fēng)電場風(fēng)力大小的影響，因此具有隨機(jī)性和不可控性。對于風(fēng)電場來說，一般夜間的風(fēng)力會大一些，而此時(shí) 卻是用電負(fù)荷的低谷。把不穩(wěn)定的風(fēng)電接入電網(wǎng)，就會影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

太陽能也是一種調(diào)節(jié)能力很差的能源，這是由太陽能的間歇性決定的。晝夜的交替、氣象條件的變化以及季節(jié)的變換，都會對光伏發(fā)電的功率產(chǎn)生影響。

如何破解風(fēng)光電消納困局，就成為了一個(gè)亟待解決的問題。發(fā)展包括飛輪儲能在內(nèi)的大規(guī)模儲能技術(shù)，則可以提高電網(wǎng)對新能源的消納水平，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

目前應(yīng)用的儲能技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能等。其中，抽水蓄能是最為成熟的儲能技術(shù)。飛輪儲能技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢將成為儲能技術(shù)中的“新秀”，并在參與電網(wǎng)“削峰填谷”的過程中發(fā)揮作用，而不存在二氧化碳以及污染物的排放。

對于風(fēng)光儲一體化能源基地，飛輪儲能可在新能源發(fā)電高峰時(shí)作為用電負(fù)荷充滿電量，在發(fā)電低谷時(shí)作為發(fā)電電源釋放電量，對于平緩新能源的波動性，減少棄風(fēng)棄光率具有重要的意義。

盤活了電，中和了碳

儲能作為能源革命的重要組成部分，近年來步入快速發(fā)展的軌道。其中，兆瓦級飛輪儲能技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用就是一個(gè)成功的案例。

2019年，飛輪儲能裝置在北京地鐵房山線投入運(yùn)營，填補(bǔ)了國內(nèi)應(yīng)用飛輪儲能裝置解決城市軌道交通再生制動能量回收方式的空白。

2021年，我國電氣化鐵路首次使用了飛輪儲能裝置。如果全國有20％的電氣化鐵路牽引變電所應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，每年至少可以節(jié)電10億度，碳排放減少百萬噸以上。

無論是地鐵還是高鐵，在進(jìn)站剎車時(shí)都會產(chǎn)生巨大的能量。如果讓其浪費(fèi)掉那是十分可惜的，因此利用儲能裝置將其變廢為寶具有重要的意義。

兆瓦級飛輪儲能技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

A.回收制動能量，B.釋放利用電能

（圖片來源：央視新聞截圖）

據(jù)悉，用碳纖維制成的飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)40000-50000轉(zhuǎn)/分鐘；使用磁懸浮軸承可以減少機(jī)械摩擦；將飛輪和電機(jī)置于真空容器，可以減少空氣摩擦。

利用電力電子技術(shù)把制動能量轉(zhuǎn)化為電能并儲存于飛輪電池之中，當(dāng)列車出站啟動時(shí)再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能而釋放出來。飛輪充電時(shí)轉(zhuǎn)速加快，放電時(shí)轉(zhuǎn)速減慢。

瞬間放電，聯(lián)合火電調(diào)頻

享受電氣化的品質(zhì)生活，離不開理想的電能質(zhì)量。按照規(guī)定，電能應(yīng)滿足恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)的電壓以及正弦波形。我國電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率（工頻）為50Hz,一般允許偏差范圍50Hz±（0.2Hz-0.5Hz）。

頻率質(zhì)量作為電能質(zhì)量中的一個(gè)敏感指標(biāo),偏差一旦超出允許范圍就會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并對電廠以及人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生不利的影響。

如頻率太低，電廠交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速就會降低,從而影響火力發(fā)電廠的出力,使得頻率進(jìn)一步下降，甚至可能引發(fā)安全或停電事故。對于用戶來說，交流電機(jī)轉(zhuǎn)速會降低,變頻調(diào)速裝置等都會受到影響，并影響工農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量和質(zhì)量。

高頻運(yùn)行也會對系統(tǒng)和用戶產(chǎn)生不利的影響。

其實(shí)，電網(wǎng)的頻率是由發(fā)電功率與用電負(fù)荷的平衡狀態(tài)決定的，二者平衡時(shí)電網(wǎng)頻率是穩(wěn)定的。一旦發(fā)電功率大于用電負(fù)荷，頻率就會升高；反之電網(wǎng)頻率就會降低。

發(fā)電功率與用電負(fù)荷的平衡關(guān)系影響頻率的穩(wěn)定

用電負(fù)荷隨時(shí)變化，如何保持頻率穩(wěn)定？看來，提高對頻率的監(jiān)測精度和調(diào)節(jié)的快速反應(yīng)是至關(guān)重要的。

飛輪儲能具有高頻次瞬間精準(zhǔn)放電的能力，并且充放電深度可達(dá)100%，接受指令后可在毫秒級執(zhí)行到位。飛輪儲能的調(diào)頻性能要比火電機(jī)組好上許多，因此可以協(xié)同火電機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻。這是頻率控制的第一道防線，其地位和意義是十分重要的。

11月10日，我國第一個(gè)全容量飛輪儲能-火電聯(lián)合調(diào)頻工程在寧夏正式開工。此次開工的光火儲耦合22兆瓦／4.5兆瓦時(shí)飛輪儲能工程，是全球單體儲電量最大、單體功率最大的飛輪儲能項(xiàng)目。

飛輪儲能以其出色的調(diào)頻性能，將協(xié)助和改善火電機(jī)組的調(diào)頻性能，為我國煤炭高效清潔利用以及新能源消納和提高供電質(zhì)量等提供堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)支撐。

電動汽車的“飛輪緣”

說起汽車與飛輪的緣分，還真有一個(gè)故事值得回味。

1946年，瑞士工程師比雅恩·斯托桑提出了“陀螺巴士”的概念，并獲得了專利權(quán)。該“陀螺巴士”是用一個(gè)轉(zhuǎn)動的飛輪來驅(qū)動的。

瑞士的“陀螺巴士”

（圖片來源：wonderfulengineering.com）

在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，飛輪裝置還是十分笨拙的。飛輪直徑160厘米，質(zhì)量為1.5噸，被封閉在一個(gè)充滿氫氣的氣密室內(nèi)。鋼制飛輪最大轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，充一次電一般可行駛6公里。因此沿途需要設(shè)置多個(gè)充點(diǎn)電，充電一般需要2到5分鐘。

盡管“陀螺巴士”完成了異想天開的“首秀”，不過在運(yùn)行了幾年之后還是消聲匿跡了。這其中既有技術(shù)方面的原因，也有商業(yè)等方面的原因。

如今的飛輪技術(shù)已經(jīng)十分完善，不僅飛輪電池體量減了，而且能源效率也大幅度提高了，甚至可高達(dá)95%。

事實(shí)證明，飛輪電池作為汽車儲能的一種有效方式，為汽車帶了一股清潔高效之風(fēng)，既可以輔助為系統(tǒng)提供能量，又可以回收制動能量。

處于十字路口的電動汽車，能否垂青飛輪電池？這不僅取決于飛輪電池本身的進(jìn)步，而且也取決于與其他動力體系的比較優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 央視新聞客戶端，飛輪儲能系統(tǒng)首次在電氣化鐵路實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，2021-08-11。

[2] 寧夏新聞網(wǎng).國內(nèi)首個(gè)全容量“飛輪儲能+火電聯(lián)合調(diào)頻”工程開工 ，2021-11-10。

[3]黃志堅(jiān).電動汽車結(jié)構(gòu)原理應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社.2014年版。