國產(chǎn)“風火輪”，或成儲能最佳方案！

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導語：全球首個二氧化碳+飛輪儲能示范項目在四川德陽試運行，能在兩小時內(nèi)存夠兩萬度電，足夠六十多個家庭使用一個月。整個“充放電”過程都不會產(chǎn)生任何廢棄物，是飛輪儲能這一理論落地的突破性進展。

一、技術進步推動飛輪儲能進入“臨界點”

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，利用飛輪的轉動作為儲能的介質：在充能階段，電能通過電機帶動飛輪加速轉動，以飛輪上動能的形式把能量儲存起來；在放能階段，高速旋轉的飛輪利用自身的動能拖動電機來重新發(fā)電，系統(tǒng)通過控制飛輪的轉速來控制電能與動能的轉換輸出。

飛輪儲能裝置結構圖

飛輪儲能的思想早在一百年前就有人提出，但是由于各個方面技術條件的制約，在很長時間內(nèi)都沒有實質性突破。主要是由于三方面的問題：

作為飛輪儲能的核心，對轉子材料的性能要求嚴苛，越高的轉速帶來越高的儲能極限，但高轉速卻極大考驗了轉子材料的力學性能。如果極高轉速帶來轉子的形變，則會降低效率，而基于高強度碳纖維復合材料的轉子提高了材料的極限，相比于之前的合金材料，它能夠極大增加單個轉子的動能儲量。

碳纖維轉子極大提升了儲能極限

轉子在極高轉速過程中，受到的阻尼越大（時間越長），則這套系統(tǒng)所做的無用功越多，儲能效率越低。過去的轉子基于軸承，物理摩擦造成的損耗很大，此外空氣本身的阻尼也會消耗存儲的動能。隨著磁懸浮穩(wěn)定（磁支撐）技術和真空技術的發(fā)展和普及化，飛輪轉子的機械摩擦損耗和空氣阻尼損耗已經(jīng)最大程度地下降。

人類的電控技術在新世紀以來得到了極大的發(fā)展。在信息化系統(tǒng)的加持下，能夠精準地控制充放電及其對應的轉子動能，避免了過去只能“滿充滿放”的問題。其響應速度已經(jīng)達到了毫秒級，作用在電網(wǎng)上，能夠使得充放電策略能夠更加靈活。

飛輪儲能系統(tǒng)工作原理

人類其他方面技術的進步使飛輪儲能從理論變?yōu)榱爽F(xiàn)實?？傮w來看，相關技術的普及化已經(jīng)讓飛輪儲能突破了工程化和商業(yè)化的臨界點，而我國在該技術的推廣中無疑占得了先機。

二、電力“削峰填谷”要靠它

我國的電網(wǎng)系統(tǒng)是全世界最大的電網(wǎng)系統(tǒng)，如何保障國民生產(chǎn)生活中的電力供應，同時減少電量的浪費是一個永恒的課題。清潔能源是大勢所趨，但是它天生的不穩(wěn)定性需要通過一塊巨大的“海綿”來平衡，如何讓電能盡可能多地留在電網(wǎng)中需要眾多方法來實現(xiàn)。為了兼顧清潔和高效，電網(wǎng)中必須配備足夠“削峰填谷”的儲能手段。

“削峰填谷”需要依賴大量儲能裝置

傳統(tǒng)的儲能方式主要是基于電池，具有制造和維護成本高、污染大、能量密度低、安全性差、充放電速度慢等劣勢。以上的種種原因使得我國著力探索更高效的物理儲能方案。

飛輪儲能被視作最具發(fā)展前途的短時大功率儲能技術之一，在實驗室條件下能做到約10kW/kg的功率密度，大約是傳統(tǒng)鋰電池的三十倍。它具有充放電迅速、工作效率高、使用壽命長、儲能密度高等優(yōu)點，同時它的內(nèi)部沒有任何化學反應、安全性高、整體系統(tǒng)相對小巧，相比于電池儲能更不受地理條件限制，修建和維護更方便。由于不同的原理，它可以輕松實現(xiàn)大功率的快速充放電，飛輪儲能在電力系統(tǒng)快速負荷的消納上具有獨特優(yōu)勢，突破了化學能的極限。相對而言，電池的充放電則有功率上的限制。因此對于電網(wǎng)調控來說，飛輪儲能能夠有效平滑電網(wǎng)波動性，解決間歇性的用電峰谷，實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運營，這條技術路線的上限要高得多。

三、大功率電磁技術與之息息相關

在軍事領域，技術領先的強國也同樣在探索飛輪儲能方案的應用。傳統(tǒng)的化學能方案都有一個功率極限，一旦能量的爆發(fā)功率超出了這一個極限，就面臨著成本和可靠性的問題，甚至在理論上都無法實現(xiàn)，而軍事裝備通常都對重量和體積敏感，因此尋找大能量密度、大輸出功率的方案是一個亟待解決的問題。

我國正加緊研發(fā)電磁炮

結合軍事裝備的使用場景來看，飛輪這種儲能裝置具備很大的應用前景，它的檢修成本低、壽命高、充放電速度快，對運行環(huán)境和溫度完全不敏感，極端條件下可靠性高。例如中美都在著力發(fā)展的航母電磁彈射和戰(zhàn)艦電磁炮方面的技術，能夠克服傳統(tǒng)方案的很多先天問題，但都需要動用超越傳統(tǒng)方法理論極限級別的功率：航母電磁彈射器做功一次的瞬間輸出超過六萬千瓦，基本相當于萬噸驅逐艦峰值功率；電磁炮發(fā)射的時間極短，但瞬間功率更為驚人，超過三百萬千瓦，基本相當于一個大型水電站的瞬間發(fā)電功率。

類似的電磁裝置的瞬間功率都超過了普通電網(wǎng)的極限，為了實現(xiàn)瞬間的強大放電能力，海軍先進國家均采用了飛輪作為儲能方案保障電磁裝置工作。

我國“福建”號的電磁彈射裝置上配備了飛輪儲能系統(tǒng)，充分滿足了峰值功率的輸出要求（為美國電磁彈射系統(tǒng)的兩倍）。飛輪儲能能量利用效率更高、啟動時間更快，有了飛輪儲能提前儲存電能，艦載機可以在需要時快速升空。且儲能飛輪的壽命至少可以滿足幾十萬次充放電循環(huán)，其壽命遠超傳統(tǒng)的蒸汽彈射方案，是質的突破。

航母電磁彈射裝置可使用飛輪儲能系統(tǒng)

結語：

乘著新技術的“東風”，飛輪儲能這一超過百年的理論設計越來越多地被實際應用，開始走進人們的生活中。在政策的支持下，飛輪儲能這項高效儲能技術正被積極研發(fā)、逐步推廣，應用于電網(wǎng)“削峰填谷”的節(jié)奏有望持續(xù)加快。我們有理由相信，飛輪儲能方案在未來會更多地被應用在高端領域中。