“奪命”事故！飛輪儲能，如何安全高效

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動(dòng)的“飛輪”引起的機械事故。

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(chǎng)飛輪科技實(shí)驗，在此過(guò)程中，實(shí)驗設備意外脫落，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)驗再次敲響儲能安全的警鐘，同時(shí)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(huì )給儲能產(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)儲能不同，飛輪儲能是一種比較傳統的物理儲能方式，原理也很簡(jiǎn)單，就是利用旋轉體高速旋轉時(shí)的動(dòng)能實(shí)現能量存儲。

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機械工程學(xué)院教授柳亦兵對《中國科學(xué)報》解釋道，飛輪儲能系統的旋轉體由同軸的飛輪轉子和雙向電機轉子組成。

雙向電機既是電動(dòng)機，又是發(fā)電機。作為電動(dòng)機可以驅動(dòng)飛輪加速旋轉，將電能轉換成動(dòng)能，進(jìn)行“充電”；作為發(fā)電機又可將動(dòng)能轉換成電能，降低飛輪轉速，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(fǎng)了解到，飛輪轉子的動(dòng)能等于1/2倍的轉動(dòng)慣量乘以轉速的平方。即飛輪的儲能量與飛輪轉子的轉動(dòng)慣量成正比，與轉子最高轉速的平方成正比。

所以，提高飛輪儲能量的技術(shù)途徑，一是提高轉子的轉動(dòng)慣量，二是提高飛輪轉子的轉速。

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

“高速飛輪轉子采用復雜的軸承支撐結構，軸向主要采用磁懸浮軸承支撐，將轉子懸浮在真空中運行，減小轉子旋轉的能量損耗?！?/span>

柳亦兵告訴記者，“轉子在高速旋轉狀態(tài)下，如果發(fā)生軸承失效，轉子從懸浮狀態(tài)中脫落，可能與底部或外殼結構發(fā)生劇烈接觸摩擦，消耗轉子動(dòng)能，造成結構高溫或整個(gè)飛輪本體移動(dòng)傾倒，產(chǎn)生次級危害?！?/span>

不僅如此，飛輪轉子也有可能會(huì )發(fā)生超速事故，使轉子內部應力超過(guò)材料強度極限，導致轉子部件內部產(chǎn)生裂紋損傷，極端情況下轉子會(huì )發(fā)生爆裂。

因此，在柳亦兵看來(lái)，飛輪儲能系統應配置轉速監測和安全保護系統，使發(fā)生轉子爆裂事故的風(fēng)險降至最低并且可以加以監控。

同時(shí)，飛輪儲能單元的外殼和基礎設計應具有安全裕度，特別是對于大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品，基礎結構應盡量采取地井結構形式，將飛輪儲能本體設備放置在鋼筋混凝土結構的地井中，萬(wàn)一發(fā)生轉子爆裂故障，也可以發(fā)揮安全防護作用，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”出一片應用市場(chǎng)。

不久前，我國《能源技術(shù)革命創(chuàng )新行動(dòng)計劃（2016—2030年）》中的兆瓦級飛輪儲能技術(shù)應用就取得重大突破——首次將飛輪儲能應用到電氣化鐵路領(lǐng)域。

“有了飛輪儲能裝置，火車(chē)進(jìn)站剎車(chē)時(shí)產(chǎn)生的巨大電能會(huì )加速飛輪旋轉，相當于把電能儲存起來(lái)，當火車(chē)提速出站時(shí)，飛輪則可以釋放能量給火車(chē)?！?/span>

中國鐵路北京局集團唐山供電段副段長(cháng)李彥吉在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“這不僅改善了鐵路供電系統電能質(zhì)量，還減少了電能消耗。僅一個(gè)鐵路牽引變電站，每天就可節約3000度電能?！?/span>

可以說(shuō)，相比于電化學(xué)儲能，飛輪儲能具有很多獨特優(yōu)勢?！帮w輪儲能的充放電速率取決于雙向電機的額定功率，額定功率越大，充放電速率越高，可以實(shí)現快速充放電。由于飛輪充放電過(guò)程是飛輪轉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，實(shí)現能量快速充放，這是飛輪儲能的突出優(yōu)勢。”柳亦兵說(shuō)。

不僅如此，飛輪儲能還具有很高功率密度和很快響應時(shí)間，額定功率響應時(shí)間低于0.1秒。同時(shí)具有超多循環(huán)充放次數和超長(cháng)使用壽命，充放電循環(huán)次數可達100萬(wàn)次，使用壽命超過(guò)20年。

另外，由于飛輪轉子轉速和儲能量成精確關(guān)系，因此飛輪儲能系統還可以實(shí)現飛輪轉子轉速精確測量和控制，通過(guò)將多個(gè)飛輪儲能單元組成陣列，實(shí)現較大容量的能量快速精確充放。

當前，以風(fēng)光為主的新能源系統，隨機波動(dòng)性和間歇性是其主要局限性，這對電力系統快速靈活調節提出新的挑戰，需要大力發(fā)展各種類(lèi)型的儲能資源，全面提升電力系統的負荷調控能力，同時(shí)也對發(fā)電企業(yè)的靈活調節能力提出更高要求。

柳亦兵表示，飛輪儲能由于可以實(shí)現大功率快速充放電，在電力系統快速負荷調節方面具有獨特優(yōu)勢，可以廣泛應用于電網(wǎng)獨立調頻、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，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(tīng)起來(lái)比較陌生，但我國自上世紀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。

但是與國外相比，我國自主研發(fā)的飛輪儲能技術(shù)及工程應用還相對落后。多數公司主要生產(chǎn)容量較小的飛輪儲能設備產(chǎn)品，充放電時(shí)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子的轉動(dòng)慣量或最高轉速。對于儲能量較小的飛輪儲能產(chǎn)品，技術(shù)上相對容易實(shí)現。

但是對于大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品，當飛輪轉子的轉動(dòng)慣量和最高轉速超過(guò)一定數值，就會(huì )面臨許多技術(shù)瓶頸。

例如，高強度飛輪轉子材料及結構設計制造技術(shù)、支撐高速重載飛輪轉子的長(cháng)壽命復合軸承設計制造技術(shù)、寬轉速范圍運行的高速雙向電機設計制造技術(shù)、真空狀態(tài)下的電機及軸承冷卻技術(shù)、飛輪儲能單元能量快速轉換控制技術(shù)及系統、大規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)?！绷啾f(shuō)，大容量功率型飛輪儲能是一種具有很高技術(shù)含量的復雜機電設備，這類(lèi)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，國家一方面應該在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域加大投入，通過(guò)精準資助國內從事該類(lèi)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)現科技成果真正落地示范，為新型電力系統提供高可靠性、性能優(yōu)質(zhì)的飛輪儲能產(chǎn)品；另一方面，應盡快明確儲能在電力系統的定位，根據承擔的輔助服務(wù)業(yè)務(wù)，制定合理細化的收益支持政策，使從事儲能的廠(chǎng)商具有可以預期的投入產(chǎn)出效益，促進(jìn)儲能事業(yè)的健康發(fā)展。

《中國科學(xué)報》 (2021-08-30 第3版 能源化工 原標題為《飛輪儲能如何不“瘋狂”》)

編輯 | 趙路
排版 | 志海