中國儲能網訊：當前，風電光伏滲透率的快速提升對電力系統(tǒng)提出了嚴峻考驗，現(xiàn)有靈活性資源已逐漸無力支持電網接納如此高比例的波動性能源。儲能作為更優(yōu)質的靈活性資源，可以使得新能源成為電網友好型的優(yōu)質電源，可以有效平滑新能源出力、提供調頻調峰等輔助服務。
在眾多儲能技術中，飛輪儲能系統(tǒng)以效率高、容量大、響應快和對環(huán)境友好等優(yōu)點，越來越受到國內外學者的重視。飛輪儲能是用物理的方法儲能的技術，原理是利用高速旋轉的飛輪所擁有的慣性來儲存能量。從飛輪儲存的能量公式（圖片2）可以看出，能量與飛輪的質量成正比，與飛輪的轉速二次方成正比。因此，一般采用增加飛輪的轉速來提高儲存的能量。
01、飛輪儲能的基本結構
飛輪儲能包括三個核心部分：飛輪、電動機-發(fā)電機和電力電子變換裝置。其中，飛輪是整個產品的核心部件，直接決定著儲存能量的多少；電力電子變換裝置，決定了輸入輸出能量的大小。
圖2 飛輪儲能的系統(tǒng)架構簡圖
02、飛輪儲能的工作原理
與電池一樣，飛輪儲能有三種工作狀態(tài)，即充電、放電和浮充。飛輪儲能的能量狀態(tài)（0≤SOC≤1）圖片可以用荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）來描述：當SOC=0時，表示飛輪儲能系統(tǒng)放電完全，當前可用的能量為0；當SOC=1時，表示飛輪儲能系統(tǒng)完全充滿，當前可用的能量為1。
在飛輪儲能系統(tǒng)充電時，從外部輸入的電能通過電力電子變換裝置，驅動電動機帶動飛輪旋轉以儲存動能。此時，飛輪從低轉速向高轉速加速運行，SOC上升；放電時，即當外部負載需要能量時，旋轉的飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，從而將動能轉化為電能，再通過電力電子變換裝置轉化成負載所需的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的用電需求。此時，飛輪從高轉速向低轉速減速，SOC下降；浮充時，飛輪處于充滿電的待機狀態(tài)，圖片，此時飛輪處于（額定）最高轉速，為了維持這一狀態(tài)，外界需要給飛輪儲能系統(tǒng)提供涓流充電，但這個涓流很小，在很多情況下可以忽略不計。
03、飛輪儲能安全與可靠性、經濟與環(huán)保性
眾所周知，安全與可靠性緊密相關，安全的反面是風險。從“風險=失敗概率＊失敗后果=（1-可靠性）＊失敗后果”可以看出，安全由兩個因素決定，即可靠性和失敗后果。根據(jù)IEEE標準的規(guī)定，可靠性是在一定的時間窗口內及一定的外界環(huán)境下，能夠滿足規(guī)定功能的能力，其度量指標包括可靠度、故障率、平均壽命、維修度和工作時間。
經研究證明，電池的可靠性會隨著時間和使用程度而下降（圖3），不能滿足時間窗口的要求。同時，電池的可靠性受外界環(huán)境（溫度和濕度等）的影響較大，也不能滿足外界環(huán)境的要求，因此電池的可靠性并不能得到保障。圖片
圖3 電池的容量與溫度和循環(huán)次數(shù)的關系
據(jù)了解，失效后果由所存儲的能量決定，即存儲的能量越大，失效后果則越嚴重。為了彌補電池可靠性的不足，UPS配置電池使用時通常搭載了冗余技術，使得其能量成倍增加。一般來說，電池的功率密度低，但為了達到一定的放電功率，電池的存儲能量往往很大，一旦失效很容易引發(fā)起火爆炸等風險，非常不安全。
飛輪儲能作為物理（或機械）的儲能手段，在安全性和可靠性方面都比電池更具優(yōu)勢。經研究發(fā)現(xiàn)，飛輪儲能不隨時間窗口而退化，也不受外界環(huán)境的影響。因此，飛輪儲能的可靠性能夠得到保證（圖4）。此外，飛輪儲能作為一種功率性器件，在同樣大小的放電功率下，存儲的能量顯著地低于電池，其失效后果也比電池要小得多（圖5）。
圖4 飛輪和電池在可靠性方面的對比
圖5 飛輪和電池和柴油發(fā)電機的功率密度對比
飛輪儲能是一項綠色環(huán)保的技術，不含有任何有害的化學物質，也不會產生任何化學反應；其從生產到使用，再到壽命終結后的處理，也不會產生任何污染環(huán)境和危害人體的物質。作為一種機械產品，它沒有記憶效應，不會隨著使用次數(shù)和時間而退化，使用壽命可達20年以上；對外界的溫度并不敏感，在一般環(huán)境下不需要額外的設備進行制冷或加熱；安全性、可靠性高，不需要為安全配置額外的冗余設備，并基本可以實現(xiàn)免維護，同時功率密度大、體積小，還可減少占地面積。
04、飛輪儲能的應用
總體而言，飛輪儲能具有安全可靠、經濟環(huán)保的優(yōu)點，是最有發(fā)展前景的儲能技術之一。飛輪儲能技術在發(fā)達國家已有幾十年的發(fā)展歷史，并在諸多領域獲得了應用，如F1賽車能量回收、軌道牽引能量回收、微電網調壓及并網，超低溫余熱回收利用、應急UPS電源、高速離心風機等。目前，飛輪儲能技術正廣泛應用于國內外的數(shù)據(jù)中心、精密制造生產線、UPS后備鉛酸電池的替代、電網儲能調頻等領域。
在數(shù)據(jù)中心領域，飛輪儲能主要是取代鉛酸電池，并配合UPS電源使用。一些大型的重要的數(shù)據(jù)中心，如Yahoo著名的雞窩型數(shù)據(jù)中心、HP的移動一站式CleanSource數(shù)據(jù)中心、Verizon的數(shù)據(jù)中心、佐治亞理工大學的超算中心、上海證券交易所、富士康華南數(shù)據(jù)中心、光大銀行數(shù)據(jù)中心等都在應用飛輪儲能技術進行能量的存儲利用。
另外，國家電網公司和南方電網公司的高規(guī)格應急保電中也都在應用飛輪儲能技術，這為奧運會、世博會、G20、春晚等大型重要活動提供了非?？煽康碾娫幢Ｕ稀?
其實，飛輪儲能技術與人們生活密切相關，如地鐵列車進出站時的能量轉換，列車進站剎車時將多余能量輸入飛輪，列車出站提速時需要能量，飛輪將能量輸出，這個系統(tǒng)可為地鐵節(jié)省20%左右的能量消耗。
在飛輪儲能技術持續(xù)發(fā)展的當下，我國工業(yè)和信息化部發(fā)布了《新能源汽車生產企業(yè)及產品準入管理規(guī)則》，特別將高效儲能器作為解決新能源途徑之一，作為高效儲能技術的代表，未來飛輪儲能在汽車領域也將有著巨大的應用潛力。
