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1、飞轮储能技术及产业发展概况 作者：墨柯 来源：新材料产业 2013 年第 7 期 飞轮储能（F l y w h e e l E n e r g yStorage）是将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮中，它主要由高强度合金和复合材料的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换器和真空安全罩（真空室）组成，如图 1 所示。其基本原理是由电能驱动飞轮高速旋转，将电能转变为飞轮动能进行储存。当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能，飞轮的加速和减速实现了充电和放电，因此也被称为飞轮电池。飞轮储能的理论其实早在 100 多年前就有人提出，但直到 20 世纪 90 年代，由于技
2、术上的不断突破，飞轮储能才开始进入到商业化应用阶段。主要的技术突破包括 3 个方面：一是高强度碳素纤维复合材料（抗拉强度高达 8.27G P a）的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。二是磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。三是电力电子技术的新进展，如电动/发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。一、飞轮储能系统简介 在飞轮储能系统中，飞轮本体是最核心的部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子质量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。轴承系统的性能直
3、接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前多应用于永磁轴承、电磁轴承、超导悬浮轴承等非接触式的磁轴承或其他低摩擦功耗轴承支承飞轮，并采用机械保护轴承。非接触式的磁轴承可以减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，飞轮的转速可以达到很高（高达 200 000r/min），提高储能效率。电动/发电机一般为直流永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的，电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。飞
4、轮储能系统工作过程可划分为 3 种工作模式：飞轮充电模式：交流电源给飞轮控制器供电，飞轮控制器控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速。飞轮能量保持模式：飞轮系统依靠最小的交流电输入，保持飞轮在最高工作转速运行。飞轮放电模式：交流电源中断，飞轮给飞轮控制器供电，控制器提供不间断电源给用户负载，飞轮转速下降。表 1 是飞轮储能技术性能参数。与传统的化学电池（如铅酸电池、锂离子电池等）相比，飞轮储能具有储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长（20 年以上）、无需特殊维护、无污染、应用范围广、适应性强等优点。系统在任何时点的实际电量信息可直接准确获得。此外，飞轮储能的占地面积不大，系统还可以埋在地下
5、。以不间断电源（UP S）应用来说，同等电量下飞轮储能的占地面积只有铅酸电池的 1/4 1/3。关于飞轮储能与铅酸电池的成本比较，清华大学工程物理系副研究员戴兴建曾在 2011 年12 月对媒体表示，电池的运行需要空调作保证，因此需要额外的电费；两三年更换电池，又是一笔费用；同样容量的储能，飞轮储能占地面积小。综合起来，两者在寿命期内的竞争成本差不多。从表 1 来看，飞轮储能技术也存在明显的不足，主要是能量密度不高、放电时间短（一般不超过 15m in）、自放电率较高（大约每小时自放电 0.1%）。这意味着 1 000k Wh 的飞轮存储电量，如果一直不用，大约 41 天就会消耗殆尽。空载损耗
6、大（自放电率高）是制约其进一步发展的决定因素。二、飞轮储能的主要应用领域 从飞轮储能的技术特点来看，它最适合那些高功率、应用次数频繁但应用时间又不长的 U P S、电力调峰调频等需求市场。不间断电源由于能确保不间断供电和保证供电质量而在通讯枢纽、国防指挥中心、工业生产控制中心、大型体育赛事场地、医院、金融机构、商场、大型饭店等地方得到广泛使用。这些地方目前通常使用柴油发电机组或蓄电池不间断电源，以应对临时停电等突发情况。但是，蓄电池通常都存在对工作温度、工作湿度、输入电压、以及放电深度等条件要求，同时蓄电池也不允许频繁的关闭和开启，瞬间启动也不够，因此蓄电池在一些不间断电源场合就不是很适合。如
7、果大型体育赛事在进行期间突然断电，由蓄电池提供电源的 UPS 设备就难以迅速提供电源，这时，具有大储能量、高储能密度、充电快捷的飞轮储能将最为适合。在现代电力系统中，储能电源的容量一般需达到总装机容量的 10%以上，才可以起到调峰的目的，且不至于对电网造成太大的冲击。目前广泛使用的调峰手段是建设抽水蓄能电站，或采用铅酸蓄电池组的不间断电源设备，压缩空气储能电站的应用也在逐渐增多。基于飞轮储能的储能电站由于具有响应快捷，可就近分散放置，无污染等优点，国际上许多研究机构都将飞轮储能系统应用于调峰电站作为开发目标。在风力发电系统中，由于风时起时停、时强时弱造成供电不稳定，目前一般采用风力/柴油机组、
8、风力/蓄电池机组进行储能调节。但由于柴油机本身的特殊要求，在启动后 30m i n 内才能停止。而风力常常间断数秒，数分钟。不仅柴油机组频繁启动，影响使用寿命，而且风机重启后柴油机同时作用，会造成电能过剩。由于铅酸电池 U P S 存在启动瞬间功率不够等不足，如果频繁启停也会严重影响铅酸电池的使用效果和使用寿命，因此，高性能、长寿命的飞轮储能系统日益受到关注，而且，从技术和经济角度考虑，飞轮储能也会优于柴油发电和铅酸电池。混合动力汽车（H E V），也是飞轮储能一个可以考虑的应用市场，飞轮电池 H E V 系统结构如图 2 所示。飞轮电池在混合动力驱动系统中主要可以起到以下 2 个方面的作用：
9、稳定主动力源的功率输出。在混合动力汽车起步、爬坡和加速时，飞轮电池能够快速、大能量的放电，为主动力源提供辅助动力，并减少主动力源的动力输出损耗。提高能量回收的效率。在混合动力电动汽车下坡、滑行和制动时，飞轮电池能够快速、大量的存储动能，充电速度不受“活性物质”化学反应速度的影响，可提高再生制动时能量回收的效率。飞轮储能技术还被设想用于航空航天（低轨道卫星、火箭发射等）和军工（军用装甲车辆、电磁炮、鱼雷等）等领域。美国宇航局（N A S A）G l e n n 研究中心（原为 Le w is 研究中心）就是这方面的代表性机构，该机构从 20 世纪六七十年代开始，就一直致力于国际空间站飞轮储能系统
10、的技术开发、用于中型低轨道（L E O）卫星的“世纪飞轮”（Century Flywheel EnergyStorage System）技术开发等。此外，港口、地铁等特殊场合的电制动能量再生，也是飞轮储能技术主攻的一个市场。制动能量巨大的港口起重机、地铁列车等都可以配备飞轮电池这样的动能回收系统。清华大学工程物理系副研究员戴兴建 2011 年底曾对媒体表示，中国的很多港口起重机的动能回收方式已经从早期的化学电池转变为飞轮电池。这块市场也将会很大。三、飞轮储能产业现状 进入到本世纪以来，飞轮储能已经逐渐形成了一个产业，且处在快速发展中。真锂研究估计，2012 年飞轮储能的市场规模已经达到了数亿美
11、元，主要企业有美国 Be a c o n P owe r公司、Active Power 公司、Pentadyne 电力公司、KTC（Kinetic TractionS y s t e m s I n c.）公司、卡特彼勒公司、A F S T r i n i t y 电源公司等，以及欧洲 U r e n c o 集团、加拿大 F l y w h e e lEnergy Systems Inc.公司等，其中以 Beacon Power 公司和 Active Power 公司最具代表性。其中，Be a c o n P owe r 公司主攻电力系统电网级的大型储能业务。在 2000 年初，Beacon
12、 Power 公司的 20C1000 飞轮储能系统面向扩展试验销售并首次进行了安装，C o x 电讯公司、M e d i a O n e 公司和 A B B 公司安装并测试了生产型的早期飞轮储能单元。早期飞轮储能单元的系统指标为：工作转速 30 10k r/m i n，最高线速度 700m/s，放电深度90%，电机效率 96%，输出可用储量 2kWh；输出电压为直流 36V、48V 或 96V，额定输出功率1.0kW；输入电压 120/240V D C，50/60H z，最大输入功率 4kW；转子质量 68k g，飞轮模块质量 383k g，电子模块质量 90k g；设计寿命 20 年，平均故
13、障间隔时间 1105h。2011 年春，全球首个大型“飞轮计划”宣告展开Beacon Power 公司在纽约州史蒂芬镇（Stephentown）的 20MW 项目上装了 200 个飞轮，见图 3。为了这个项目，该公司 2010 年申请了美国能源部 4 300 万美元的贷款担保并获得批准。这座电厂将为纽约州的智能电网提供频率调节，并为当地发电厂提供 20MW 的缓冲储电。简单理解就是：该项目可在城市用电量少时储存多余电力，并在用电需求上升时便将电力注入电网，令更多太阳能、风力发电产生的电力不致于浪费。2011 年 11 月 1 日，Beacon Power 公司 CEO Bill Capp 在公
14、司官方网站上发表声明指出，Beacon Power 在纽约州的 20MW 飞轮储能项目依旧处于全负荷运行状态并持续赢利。Active Power 公司主攻 UPS 业务，主要目的是取代 U P S 系统中的铅酸电池，满足当今社会对于电力品质的高要求。应用对象主要为那些数据中心、医院、大型工业设备和广播站等。该公司的飞轮材料为 4340 锻铁，其飞轮转子与电动/发电机、磁轴承整合在一起，用磁铁卸去80%的质量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮的工作转速在 7 000 7 700r/min，工作维持时间为几十秒到几分钟，具体指标见表 2。目前，该公司的飞轮储能产品已经实现了规模化销售，而且，在为
15、数不多的飞轮储能企业中，财务状况表现较好。中国对飞轮储能技术的研究大致始于 20 世纪 80 年代，但一直研究者甚少，政府也不太重视。资料显示，到现在为止的 30 多年来，飞轮储能只获得过 2 个国家科技部“863”计划探索项目和一个“八五”攻关项目的支持，除国防领域外，公开的总共投入经费不足 500 万元。与美国政府持续 50 多年对飞轮储能研究的支持相比，反差巨大。在媒体对飞轮储能的报道中，北京航空航天大学教授房建成的一句话引用颇多：“目前，我国的飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差距在 10 年以上。”至于开发飞轮储能技术和产品的中国企业，目前阶段同样少得可怜，真锂研究所
16、知的也只有英利集团。国内媒体 2012 年 7 月初报道，由英利集团投资研究的飞轮储能技术，目前已经取得了阶段性成果。英利集团计划“十二五”期间（2011-2015 年），将投入 10 多亿元（另有一说是 61 亿元），至少生产 45 万台套 1kWh 飞轮电池产品，其中 2012 年计划生产 1 000 台套。同时，到 2015 年末，形成 5 万台套 20kWh 产品的年产能。报道称，英利集团历时 3 年对磁悬浮飞轮储能技术进行研发，攻克了磁悬浮支撑技术、飞轮系统控制技术、高速高效永磁机技术等 5 项关键技术，已申报 15 项国家发明专利，7 项实用新型专利，其中发明专利已授权 7 项，实
17、用新型专利已经全部授权。2011 年 1 月，英利自主研发出 1kWh 储能飞轮样机（图 4），据称其技术国产化率达到了 80%。同年 9 月，国内首台20kWh 磁悬浮飞轮储能样机也在英利集团下线。英利集团的飞轮储能设备市场定位有 2 个：一个是智能电网市场，另一个是新能源汽车的动力源市场。至于前者，英利集团针对的是分布式独立太阳能光伏供电系统市场。英利集团旗下企业北京奇峰聚能科技有限公司的总经理蒋涛表示，“应用于智能电网的市场需要小质量的储能设备，例如对家用或者商场用的太阳能发电进行储能，需要相匹配的飞轮储设备；同时，20kW 左右的小储量飞轮储能设备，质量轻，放在车顶上，就可以作为其太阳
18、能发电一体化的储能设备，成为新能源汽车的动力源。”四、飞轮储能未来市场 2011 年的 10 月 30 日，飞轮储能产业领域最具代表性的企业 B e a c o nP o w e r 宣布申请破产保护。此前其股票价格连续数月在 0.5 美元左右徘徊，远低于纳斯达克（NASDAQ）要求的最低股价连续 30 日不得低于 1 美元的预警线。根据 Beacon Power 公司在破产申请文件中的声明：公司现拥有 7 200 万美元资产，4 700 万美元债务，其营运收入已不足以支持亏损连连的业务，终究摆脱不了破产的命运。在储能技术百花齐放、储能市场化迹象微微抬头的今天，B e a c o nPower
19、 的破产或许将成为储能业界永难忘怀的事件。Beacon Power 开创了飞轮储能系统与电力公司合作的先例，使电力市场开始接受飞轮储能技术。从这个角度讲，在飞轮储能技术发展的历史上，甚至于储能发展的历史上，Beacon Power 的成就无人可以替代。不过，在早期的大规模新兴储能市场，技术成本过高，商业化应用处于空白，储能公司欲求实现盈利，基本上是不太可能的。目前看来，选择合适的市场似乎是唯一有效的解决办法。与之相对应的 A c t i v e P o w e r 发展得还算不错，就是因为它选择了 U P S 市场（图 5）。Beacon Power 公司 CEO Bill Capp 表示，B
20、eacon Power 与其他的飞轮储能公司定位不同，导致其难以在当前环境下实现赢利，但大规模电网级储能应用的市场总需要有公司去开拓。言下之意该公司既愿意当先驱，也有勇气当先烈。但是，真要成了先烈，还怎么继续为这个产业发展作贡献？不过，即使选择合适的市场是必须的，但如何选择，却也是一个难以解决的问题。任何一项新技术，谁也不知道它究竟更适合于哪一个市场，似乎只能撞大运。磷酸铁锂电池的代表性企业美国 A123 系统公司，一开始把宝押在电动汽车市场，投入了大量的精力和财力，但成绩一直很一般，虽然后来转型主攻电网级储能市场并取得了较好的营收业绩，也已经难以填补前者所带来的财务窟窿，最后只能破产。A123 系统和 Beacon Power 先后破产保护，引起了美国媒体的广泛关注和讨论。尽管获得了政府的政策与资金支持，但囿于成本过高，新型储能技术的应用市场依然未打开，创新公司的赢利能力一直以来难以有较好表现。如何保障这些新技术公司的生存，以促进新型储能技术和产业的发展，成为美国乃至全球储能业界急需加速解决的问题。