转动的“飞轮”，纯物理的“电池”，保值好的“银行”

“双碳”背景下，“飞轮电池”真的来了！从电厂到电网，从轨道交通到汽车交通……“飞轮电池”正在步入应用的大舞台。那么，它能为我们的生活带来什么呢？

对环境友好的“飞轮电池”

首先要搞清楚什么是“飞轮电池”。大凡电池，几乎都是基于电化学原理而释放能量的。怎么，还有“飞轮电池”？

没错，“飞轮电池”也叫飞轮储能。说起旋转的“飞轮”，或许会自然而联想到陀螺。的确，这里所说的“飞轮”与玩具中的陀螺还有些类似。不过，“飞轮”作为一种储能装置，往往具有复杂的结构。

“飞轮电池”示意图

我们知道，转动的陀螺会承载或多或少的动能，用鞭子抽打还能使其转得更快……那转动的“飞轮”呢，在原理上也是如此的，但吸能和释能的方式有所不同。

由于飞轮的储能机制不涉及化学反应和变化，仅仅是转的快慢不同罢了。因此具有纯物理的“电池”属性，意味着其对环境极为友好。

在迄今的物理储能技术中，“飞轮电池”的能源效率高达85%-95%，要高于抽水蓄能和压缩空气储能。因此“飞轮电池”是保值率很高的“能量银行”。

“飞轮电池”是如何运作的？

飞轮储能系统主要包括转子系统、电机系统和电力电子装置三大部分。

转子系统的作用就是储存能量；电机系统的作用就是能量转换；电力电子装置的作用就是电力变换，目的是提高飞轮储能系统的灵活性和可控性。比如，在输入电能时需要转化为直流电供给电机，还能将输出电能变换为满足负荷供电要求的电能。

飞轮的储能多少则与飞轮转速的平方成正比，与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量取决于飞轮的质量分布和半径。对于特定的飞轮装置来说，飞轮转速才是一个最为核心的指标。

“飞轮电池”工作原理示意图

目前应用的磁悬浮飞轮储能装置，实际上是一套“电能—动能—电能”高效转换的技术系统。采用磁悬浮的结构设计，可以保证飞轮转子在真空腔体内工作，这样可以减少运行中的能量损耗，因此可以提高飞轮的转速。

在应用情境下，“飞轮”在储能时提速，在释能时减速，从而完成机械能与电能的相互转换。那么，“飞轮”是如何储能和释能的呢？

“飞轮”的储能和释能是借助于电机来完成的。充电时，电机相当于电动机，可将电能转换为动能而存储起来，表现形式就是提速；放电时，电机相当于发电机，可将动能转换为电能而对负载进行释放，表现形式就是减速。

飞轮来了，风光电走好

风能、太阳能等新能源具有清洁环保和可以再生等方面的优势，有望在未来低碳能源体系中占有重要的地位。然而，新能源也对电网的安全稳定运行提出了挑战。

原来，风能和太阳能具有波动性和间歇性的特点，大规模接入电力系统将会给并网控制、运行调度、功率预测、供电质量等带来严重影响。

比如，风力发电会受到风电场风力大小的影响，因此具有随机性和不可控性。对于风电场来说，一般夜间的风力会大一些，而此时 却是用电负荷的低谷。把不稳定的风电接入电网，就会影响到电网的稳定性。

太阳能也是一种调节能力很差的能源，这是由太阳能的间歇性决定的。昼夜的交替、气象条件的变化以及季节的变换，都会对光伏发电的功率产生影响。

如何破解风光电消纳困局，就成为了一个亟待解决的问题。发展包括飞轮储能在内的大规模储能技术，则可以提高电网对新能源的消纳水平，提高电网的安全稳定运行水平。

目前应用的储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能等。其中，抽水蓄能是最为成熟的储能技术。飞轮储能技术以其独特的优势将成为储能技术中的“新秀”，并在参与电网“削峰填谷”的过程中发挥作用，而不存在二氧化碳以及污染物的排放。

对于风光储一体化能源基地，飞轮储能可在新能源发电高峰时作为用电负荷充满电量，在发电低谷时作为发电电源释放电量，对于平缓新能源的波动性，减少弃风弃光率具有重要的意义。

盘活了电，中和了碳

储能作为能源革命的重要组成部分，近年来步入快速发展的轨道。其中，兆瓦级飞轮储能技术在轨道交通领域的应用就是一个成功的案例。

2019年，飞轮储能装置在北京地铁房山线投入运营，填补了国内应用飞轮储能装置解决城市轨道交通再生制动能量回收方式的空白。

2021年，我国电气化铁路首次使用了飞轮储能装置。如果全国有20％的电气化铁路牵引变电所应用该项技术，每年至少可以节电10亿度，碳排放减少百万吨以上。

无论是地铁还是高铁，在进站刹车时都会产生巨大的能量。如果让其浪费掉那是十分可惜的，因此利用储能装置将其变废为宝具有重要的意义。

兆瓦级飞轮储能技术在轨道交通领域的应用

A.回收制动能量，B.释放利用电能

（图片来源：央视新闻截图）

据悉，用碳纤维制成的飞轮转速可达40000-50000转/分钟；使用磁悬浮轴承可以减少机械摩擦；将飞轮和电机置于真空容器，可以减少空气摩擦。

利用电力电子技术把制动能量转化为电能并储存于飞轮电池之中，当列车出站启动时再把机械能转化为电能而释放出来。飞轮充电时转速加快，放电时转速减慢。

瞬间放电，联合火电调频

享受电气化的品质生活，离不开理想的电能质量。按照规定，电能应满足恒定的频率、标准的电压以及正弦波形。我国电力系统的标准频率（工频）为50Hz,一般允许偏差范围50Hz±（0.2Hz-0.5Hz）。

频率质量作为电能质量中的一个敏感指标,偏差一旦超出允许范围就会影响系统的稳定性,并对电厂以及人们的生产和生活产生不利的影响。

如频率太低，电厂交流电动机转速就会降低,从而影响火力发电厂的出力,使得频率进一步下降，甚至可能引发安全或停电事故。对于用户来说，交流电机转速会降低,变频调速装置等都会受到影响，并影响工农业的产量和质量。

高频运行也会对系统和用户产生不利的影响。

其实，电网的频率是由发电功率与用电负荷的平衡状态决定的，二者平衡时电网频率是稳定的。一旦发电功率大于用电负荷，频率就会升高；反之电网频率就会降低。

发电功率与用电负荷的平衡关系影响频率的稳定

用电负荷随时变化，如何保持频率稳定？看来，提高对频率的监测精度和调节的快速反应是至关重要的。

飞轮储能具有高频次瞬间精准放电的能力，并且充放电深度可达100%，接受指令后可在毫秒级执行到位。飞轮储能的调频性能要比火电机组好上许多，因此可以协同火电机组进行一次调频。这是频率控制的第一道防线，其地位和意义是十分重要的。

11月10日，我国第一个全容量飞轮储能-火电联合调频工程在宁夏正式开工。此次开工的光火储耦合22兆瓦／4.5兆瓦时飞轮储能工程，是全球单体储电量最大、单体功率最大的飞轮储能项目。

飞轮储能以其出色的调频性能，将协助和改善火电机组的调频性能，为我国煤炭高效清洁利用以及新能源消纳和提高供电质量等提供坚强的技术支撑。

电动汽车的“飞轮缘”

说起汽车与飞轮的缘分，还真有一个故事值得回味。

1946年，瑞士工程师比雅恩·斯托桑提出了“陀螺巴士”的概念，并获得了专利权。该“陀螺巴士”是用一个转动的飞轮来驱动的。

瑞士的“陀螺巴士”

（图片来源：wonderfulengineering.com）

在当时的技术条件下，飞轮装置还是十分笨拙的。飞轮直径160厘米，质量为1.5吨，被封闭在一个充满氢气的气密室内。钢制飞轮最大转速为3000转/分，充一次电一般可行驶6公里。因此沿途需要设置多个充点电，充电一般需要2到5分钟。

尽管“陀螺巴士”完成了异想天开的“首秀”，不过在运行了几年之后还是消声匿迹了。这其中既有技术方面的原因，也有商业等方面的原因。

如今的飞轮技术已经十分完善，不仅飞轮电池体量减了，而且能源效率也大幅度提高了，甚至可高达95%。

事实证明，飞轮电池作为汽车储能的一种有效方式，为汽车带了一股清洁高效之风，既可以辅助为系统提供能量，又可以回收制动能量。

处于十字路口的电动汽车，能否垂青飞轮电池？这不仅取决于飞轮电池本身的进步，而且也取决于与其他动力体系的比较优势。

参考文献

[1] 央视新闻客户端，飞轮储能系统首次在电气化铁路实现应用，2021-08-11。

[2] 宁夏新闻网.国内首个全容量“飞轮储能+火电联合调频”工程开工 ，2021-11-10。

[3]黄志坚.电动汽车结构原理应用，化学工业出版社.2014年版。