國產(chǎn)“風(fēng)火輪”，或成儲(chǔ)能最佳方案！

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導(dǎo)語：全球首個(gè)二氧化碳+飛輪儲(chǔ)能示范項(xiàng)目在四川德陽試運(yùn)行，能在兩小時(shí)內(nèi)存夠兩萬度電，足夠六十多個(gè)家庭使用一個(gè)月。整個(gè)“充放電”過程都不會(huì)產(chǎn)生任何廢棄物，是飛輪儲(chǔ)能這一理論落地的突破性進(jìn)展。

一、技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)入“臨界點(diǎn)”

飛輪儲(chǔ)能是一種比較傳統(tǒng)的物理儲(chǔ)能方式，原理也很簡(jiǎn)單，利用飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作為儲(chǔ)能的介質(zhì)：在充能階段，電能通過電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，以飛輪上動(dòng)能的形式把能量?jī)?chǔ)存起來；在放能階段，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪利用自身的動(dòng)能拖動(dòng)電機(jī)來重新發(fā)電，系統(tǒng)通過控制飛輪的轉(zhuǎn)速來控制電能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換輸出。

飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)圖

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

作為飛輪儲(chǔ)能的核心，對(duì)轉(zhuǎn)子材料的性能要求嚴(yán)苛，越高的轉(zhuǎn)速帶來越高的儲(chǔ)能極限，但高轉(zhuǎn)速卻極大考驗(yàn)了轉(zhuǎn)子材料的力學(xué)性能。如果極高轉(zhuǎn)速帶來轉(zhuǎn)子的形變，則會(huì)降低效率，而基于高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料的轉(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能儲(chǔ)量。

碳纖維轉(zhuǎn)子極大提升了儲(chǔ)能極限

轉(zhuǎn)子在極高轉(zhuǎn)速過程中，受到的阻尼越大（時(shí)間越長），則這套系統(tǒng)所做的無用功越多，儲(chǔ)能效率越低。過去的轉(zhuǎn)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(huì)消耗存儲(chǔ)的動(dòng)能。隨著磁懸浮穩(wěn)定（磁支撐）技術(shù)和真空技術(shù)的發(fā)展和普及化，飛輪轉(zhuǎn)子的機(jī)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(shù)在新世紀(jì)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(zhǔn)地控制充放電及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)能，避免了過去只能“滿充滿放”的問題。其響應(yīng)速度已經(jīng)達(dá)到了毫秒級(jí)，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(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

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

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(yīng)，同時(shí)減少電量的浪費(fèi)是一個(gè)永恒的課題。清潔能源是大勢(shì)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(shí)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(chǔ)能手段。

“削峰填谷”需要依賴大量?jī)?chǔ)能裝置

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

飛輪儲(chǔ)能被視作最具發(fā)展前途的短時(shí)大功率儲(chǔ)能技術(shù)之一，在實(shí)驗(yàn)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(chǔ)能密度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它的內(nèi)部沒有任何化學(xué)反應(yīng)、安全性高、整體系統(tǒng)相對(duì)小巧，相比于電池儲(chǔ)能更不受地理?xiàng)l件限制，修建和維護(hù)更方便。由于不同的原理，它可以輕松實(shí)現(xiàn)大功率的快速充放電，飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)快速負(fù)荷的消納上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，突破了化學(xué)能的極限。相對(duì)而言，電池的充放電則有功率上的限制。因此對(duì)于電網(wǎng)調(diào)控來說，飛輪儲(chǔ)能能夠有效平滑電網(wǎng)波動(dòng)性，解決間歇性的用電峰谷，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)營，這條技術(shù)路線的上限要高得多。

三、大功率電磁技術(shù)與之息息相關(guān)

在軍事領(lǐng)域，技術(shù)領(lǐng)先的強(qiáng)國也同樣在探索飛輪儲(chǔ)能方案的應(yīng)用。傳統(tǒng)的化學(xué)能方案都有一個(gè)功率極限，一旦能量的爆發(fā)功率超出了這一個(gè)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(shí)現(xiàn)，而軍事裝備通常都對(duì)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(gè)亟待解決的問題。

我國正加緊研發(fā)電磁炮

結(jié)合軍事裝備的使用場(chǎng)景來看，飛輪這種儲(chǔ)能裝置具備很大的應(yīng)用前景，它的檢修成本低、壽命高、充放電速度快，對(duì)運(yùn)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(shù)，能夠克服傳統(tǒng)方案的很多先天問題，但都需要?jiǎng)佑贸絺鹘y(tǒng)方法理論極限級(jí)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(dāng)于萬噸驅(qū)逐艦峰值功率；電磁炮發(fā)射的時(shí)間極短，但瞬間功率更為驚人，超過三百萬千瓦，基本相當(dāng)于一個(gè)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(shí)現(xiàn)瞬間的強(qiáng)大放電能力，海軍先進(jìn)國家均采用了飛輪作為儲(chǔ)能方案保障電磁裝置工作。

我國“福建”號(hào)的電磁彈射裝置上配備了飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能能量利用效率更高、啟動(dòng)時(shí)間更快，有了飛輪儲(chǔ)能提前儲(chǔ)存電能，艦載機(jī)可以在需要時(shí)快速升空。且儲(chǔ)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(yuǎn)超傳統(tǒng)的蒸汽彈射方案，是質(zhì)的突破。

航母電磁彈射裝置可使用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

結(jié)語：

乘著新技術(shù)的“東風(fēng)”，飛輪儲(chǔ)能這一超過百年的理論設(shè)計(jì)越來越多地被實(shí)際應(yīng)用，開始走進(jìn)人們的生活中。在政策的支持下，飛輪儲(chǔ)能這項(xiàng)高效儲(chǔ)能技術(shù)正被積極研發(fā)、逐步推廣，應(yīng)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(chǔ)能方案在未來會(huì)更多地被應(yīng)用在高端領(lǐng)域中。