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飛輪儲(chǔ)能就是利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能存儲(chǔ)能量

2021-08-30 13:02:20 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

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

8月19日，北京泓慧國(guó)際能源發(fā)展有限公司正在進(jìn)行一場(chǎng)飛輪科技實(shí)驗(yàn)，在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備意外脫落，擊中該公司多名員工，造成人員傷亡。

這場(chǎng)“奪命”的科技實(shí)驗(yàn)再次敲響儲(chǔ)能安全的警鐘，同時(shí)也將“飛輪儲(chǔ)能”這一相對(duì)小眾的物理儲(chǔ)能技術(shù)帶到了聚光燈下。

那么，什么是飛輪儲(chǔ)能？這一“瘋狂的陀螺”又會(huì)給儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)帶來(lái)哪些變革？

擰緊“安全”閥門(mén)

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

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院教授柳亦兵對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋道，飛輪儲(chǔ)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(dòng)機(jī)，又是發(fā)電機(jī)。作為電動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，進(jìn)行“充電”；作為發(fā)電機(jī)又可將動(dòng)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(huì)以一定的速度旋轉(zhuǎn)起來(lái)；如果不抽它，也不會(huì)立刻停止，而是過(guò)一段時(shí)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(dòng)能等于1/2倍的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量乘以轉(zhuǎn)速的平方。即飛輪的儲(chǔ)能量與飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǔ)能量的技術(shù)途徑，一是提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，二是提高飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

可以說(shuō)，作為一種物理儲(chǔ)能方式，飛輪儲(chǔ)能是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，因此并沒(méi)有燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，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(yùn)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(dòng)能，造成結(jié)構(gòu)高溫或整個(gè)飛輪本體移動(dòng)傾倒，產(chǎn)生次級(jí)危害。”

不僅如此，飛輪轉(zhuǎn)子也有可能會(huì)發(fā)生超速事故，使轉(zhuǎn)子內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)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(huì)發(fā)生爆裂。

因此，在柳亦兵看來(lái)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)配置轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)系統(tǒng)，使發(fā)生轉(zhuǎn)子爆裂事故的風(fēng)險(xiǎn)降至最低并且可以加以監(jiān)控。同時(shí)，飛輪儲(chǔ)能單元的外殼和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)具有安全裕度，特別是對(duì)于大容量功率型飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能本體設(shè)備放置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地井中，萬(wàn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)

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

“有了飛輪儲(chǔ)能裝置，火車進(jìn)站剎車時(shí)產(chǎn)生的巨大電能會(huì)加速飛輪旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于把電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)火車提速出站時(shí)，飛輪則可以釋放能量給火車。”中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)唐山供電段副段長(zhǎng)李彥吉在接受媒體采訪時(shí)說(shuō)，“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(gè)鐵路牽引變電站，每天就可節(jié)約3000度電能。”

可以說(shuō)，相比于電化學(xué)儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。“飛輪儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)快速充放電。由于飛輪充放電過(guò)程是飛輪轉(zhuǎn)子加速和減速的物理過(guò)程，因此可以通過(guò)配置較大額定功率的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)能量快速充放，這是飛輪儲(chǔ)能的突出優(yōu)勢(shì)。”柳亦兵說(shuō)。

不僅如此，飛輪儲(chǔ)能還具有很高功率密度和很快響應(yīng)時(shí)間，額定功率響應(yīng)時(shí)間低于0.1秒。同時(shí)具有超多循環(huán)充放次數(shù)和超長(zhǎng)使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次，使用壽命超過(guò)20年。另外，由于飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能量成精確關(guān)系，因此飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速精確測(cè)量和控制，通過(guò)將多個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元組成陣列，實(shí)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(dòng)性和間歇性是其主要局限性，這對(duì)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(chǔ)能資源，全面提升電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)控能力，同時(shí)也對(duì)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(chǔ)能由于可以實(shí)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)獨(dú)立調(diào)頻、火電+儲(chǔ)能、新能源（風(fēng)光）+儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能雖然聽(tīng)起來(lái)比較陌生，但我國(guó)自上世紀(jì)90年代就已經(jīng)開(kāi)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(guó)外相比，我國(guó)自主研發(fā)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用還相對(duì)落后。多數(shù)公司主要生產(chǎn)容量較小的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備產(chǎn)品，充放電時(shí)間也比較短。

柳亦兵坦言，飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品的儲(chǔ)能量取決于飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或最高轉(zhuǎn)速。對(duì)于儲(chǔ)能量較小的飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品，技術(shù)上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于大容量功率型飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和最高轉(zhuǎn)速超過(guò)一定數(shù)值，就會(huì)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(jì)制造技術(shù)、支撐高速重載飛輪轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)壽命復(fù)合軸承設(shè)計(jì)制造技術(shù)、寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行的高速雙向電機(jī)設(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)能陣列運(yùn)行優(yōu)化控制與先進(jìn)運(yùn)維技術(shù)等。

“目前，我國(guó)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(chǔ)能產(chǎn)品的研發(fā)。”柳亦兵說(shuō)，大容量功率型飛輪儲(chǔ)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(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的事業(yè)。

對(duì)此，他建議，國(guó)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(guò)精準(zhǔn)資助國(guó)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(kāi)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(shí)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(chǔ)能產(chǎn)品；另一方面，應(yīng)盡快明確儲(chǔ)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(chǔ)能的廠商具有可以預(yù)期的投入產(chǎn)出效益，促進(jìn)儲(chǔ)能事業(yè)的健康發(fā)展。

標(biāo)簽：電化學(xué)儲(chǔ)能國(guó)際能源儲(chǔ)能安全飛輪儲(chǔ)能