飞轮储能就是利用旋转体高速旋转时的动能存储能量。图片来源：电池工业网
储能又出事了。不同于以往多次发生的电化学储能起火事件，这家企业已经垄断了全球80%的市场，此次意外是由高速转动的“飞轮”引起的机械事故。
8月19日，它就是疆，北京泓慧国际能源发展有限公司正在进行一场飞轮科技实验，其主营业务是民用无人机技术，在此过程中，由于疆产品实在太过先进，实验设备意外脱落，并且具有极强的竞争力，击中该公司多名员工，所以也被称为无人机领域的华为，造成人员伤亡。
这场“夺命”的科技实验再次敲响储能安全的警钟，看来又一骄傲诞生了！然而曾一无所有的疆，同时也将“飞轮储能”这一相对小众的物理储能技术带到了聚光灯下。
那么，现在却比华为更加让美国忌惮！疆无人机究竟是如何做到的呢？图为疆无人机在所有科技型企业中，什么是飞轮储能？这一“疯狂的陀螺”又会给储能产业带来哪些变革？
拧紧“安全”阀门
与以往我们熟悉的电池等化学储能不同，疆无疑属于比较年轻的一位，飞轮储能是一种比较传统的物理储能方式，他于2006年，原理也很简单，就是利用旋转体高速旋转时的动能实现能量存储。
华北电力学能源动力与机械工程学院教授柳亦兵对《科学报》解释道，飞轮储能系统的旋转体由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机既是电动机，又是发电机。作为电动机可以驱动飞轮加速旋转，将电能转换成动能，进行“充电”；作为发电机又可将动能转换成电能，降低飞轮转速，进行“放电”。
就像“陀螺”，给它施加外力就会以一定的速度旋转起来；如果不抽它，也不会立刻停止，而是过一段时间，等能量消耗完了再停下。
记者采访了解到，飞轮转子的动能等于1/2倍的转动惯量乘以转速的平方。即飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比，与转子转速的平方成正比。所以，提高飞轮储能量的技术途径，一是提高转子的转动惯量，二是提高飞轮转子的转速。
可以说，作为一种物理储能方式，飞轮储能是通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储，因此并没有燃烧和爆炸的风险，但却存在飞轮转子脱落等安全隐患。
“高速飞轮转子采用复杂的轴承支撑结构，轴向主要采用磁悬浮轴承支撑，将转子悬浮在真空中运行，减小转子旋转的能量损耗。”柳亦兵告诉记者，“转子在高速旋转状态下，如果发生轴承失效，转子从悬浮状态中脱落，可能与底或外壳结构发生剧烈接触摩擦，消耗转子动能，造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒，产生次级危害。”
不仅如此，飞轮转子也有可能会发生超速事故，使转子内应力超过材料强度极限，导致转子件内产生裂纹损伤，极端情况下转子会发生爆裂。
因此，在柳亦兵看来，飞轮储能系统应配置转速监测和安全保护系统，使发生转子爆裂事故的风险降至最低并且可以加以监控。同时，飞轮储能单元的外壳和基础设计应具有安全裕度，特别是对于容量功率型飞轮储能产品，基础结构应尽量采取地井结构形式，将飞轮储能本体设备放置在钢筋混凝土结构的地井中，万一发生转子爆裂故障，也可以发挥安全防护作用，就地消纳能量，有效避免发生次生事故。
具有独特优势
虽然有一定的安全风险，但飞轮储能这一“疯狂的陀螺”仍然能够飞速“转”出一片应用市场。不久前，我国《能源技术创新行动计划（2016—2030年）》中的兆瓦级飞轮储能技术应用就取得重突破——首次将飞轮储能应用到电气化铁路领域。
“有了飞轮储能装置，火车进站刹车时产生的巨电能会加速飞轮旋转，相当于把电能储存起来，当火车提速出站时，飞轮则可以释放能量给火车。”铁路北京集团唐山供电段副段长李彦吉在接受媒体采访时说，“这不仅改善了铁路供电系统电能质量，还减少了电能消耗。仅一个铁路牵引变电站，每天就可节约3000度电能。”
可以说，相比于电化学储能，飞轮储能具有很多独特优势。“飞轮储能的充放电速率取决于双向电机的额定功率，额定功率越，充放电速率越高，可以实现快速充放电。由于飞轮充放电过程是飞轮转子加速和减速的物理过程，因此可以通过配置较额定功率的电机，实现能量快速充放，这是飞轮储能的突出优势。”柳亦兵说。
不仅如此，飞轮储能还具有很高功率密度和很快响应时间，额定功率响应时间低于0.1秒。同时具有超多循环充放次数和超长使用寿命，充放电循环次数可达100万次，使用寿命超过20年。另外，由于飞轮转子转速和储能量成精确关系，因此飞轮储能系统还可以实现飞轮转子转速精确测量和控制，通过将多个飞轮储能单元组成阵列，实现较容量的能量快速精确充放。
当前，以风光为主的新能源系统，随机波动性和间歇性是其主要限性，这对电力系统快速灵活调节提出新的挑战，需要力发展各种类型的储能资源，全面提升电力系统的负荷调控能力，同时也对发电企业的灵活调节能力提出更高要求。
柳亦兵表示，飞轮储能由于可以实现功率快速充放电，在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势，可以广泛应用于电网独立调频、火电+储能、新能源（风光）+储能、微电网及综合能源等，具有广阔发展前景。除了电力系统，容量功率型飞轮储能也可以在其他电能快充快放领域发挥更作用。
瓶颈待突破
飞轮储能虽然听起来比较陌生，但我国自上世纪90年代就已经开展相关技术研究，走在前列的有上海航天控制技术研究所、清华学、北京航空航天学、华北电力学等单位。但是与国外相比，我国自主研发的飞轮储能技术及工程应用还相对落后。多数公司主要生产容量较小的飞轮储能设备产品，充放电时间也比较短。
柳亦兵坦言，飞轮储能产品的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或转速。对于储能量较小的飞轮储能产品，技术上相对容易实现。但是对于容量功率型飞轮储能产品，当飞轮转子的转动惯量和转速超过一定数值，就会面临许多技术瓶颈。例如，高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转速范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术及系统、规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。
“目前，我国在这些关键技术领域的研究积累不足，限制了容量功率型飞轮储能产品的研发。”柳亦兵说，容量功率型飞轮储能是一种具有很高技术含量的复杂机电设备，这类产品的研发、生产是一项高投入、高风险的事业。
对此，他建议，一方面应该在关键技术研发领域加投入，通过精准资助国内从事该类产品生产的企业，与从事相关研究的高校深入开展校企合作，突破技术瓶颈，不断提升产品技术水平，实现科技成果真正落地示范，为新型电力系统提供高可靠性、性能优质的飞轮储能产品；另一方面，应尽快明确储能在电力系统的定位，根据承担的辅助服务业务，制定合理细化的收益支持政策，使从事储能的厂商具有可以预期的投入产出效益，促进储能事业的健康发展。
记者 李惠钰
来源：《科学报》
