科尔尼：飞轮储能、方兴未艾-飞轮储能的技术、应用与潜力（2023）（13页）.pdf

1、Photo by Rachael Rinchiuso Kearney,Chicago飞轮储能、方兴未艾 飞轮储能的技术、应用与潜力飞轮是一种新的储能技术利用飞轮转子的高速旋转，将电能转化为机械能存储，再进行能量释放。相比锂电池等其他储能技术，飞轮具有充放电频次高、响应速度快、功率大、且放电时间短的特点，适合应用在地铁能量回馈、UPS 不间断电源、电网调频三种场景中。科尔尼预测，若飞轮储能成本能够在未来 3-5 年内下降 50%、且绿色环保政策进一步引导，飞轮储能技术应用在未来几年将实现高速增长，科尔尼中性测算，到 2026 年飞轮储能累计装机量可增长至 572MW，到 2030 年可进一步增长

2、至1.62GW。2飞轮储能、方兴未艾一、飞轮储能技术不断突破并逐步成熟高质量而使用沉重的飞轮在高速旋转时容易产生极大的离心力，如超过飞轮材料极限强度就会出现较大的安全隐患。进一步提高角速度（w）则大有可为，可通过提升轴承技术和真空技术实现。一方面，通过更优的磁悬浮控制技术使轴承在高速旋转中保持可靠性、承载力，提高可应许的角速度上限；另一方面，通过提高真空度和真空散热，减少飞轮高速转动中的风阻（摩擦力），提高角速度。飞轮储能是一种源于航天领域的先进物理储能技术，利用电机驱动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能进行存储，并在需要的时候利用高速旋转的飞轮惯性，经功率变换器输出用于负载的电流与电压，又将机

3、械能转化为电能输出（如图 1）。飞轮储能装置的核心结构包括电机、飞轮转子、轴承和真空室四部分，其储存能量（E）的大小主要与转动惯量（J）和角速度（w）相关。由于 J=mr2，因此为获得更大的转动惯量（J），需要采用大直径和大质量的飞轮。然而单纯提?1?：?3飞轮储能、方兴未艾?3?115?1?4?7?10?13?2?5?8?11?14?3?6?9?OTA?12?152345678149101112?JiraJiraRED HATANSIBLEAutomationBambooConfluenceJenkinsBitbucket?：?2?另外选用材料的强度与密度将深刻影响飞轮储能的储能量(E），材

4、料强度越高、同等质量下密度越低，储能能量就越大。可见，提升飞轮的轴承技术、真空技术和材料性能是提高可储能量的关键（如图 2）。中外之间由于不同的应用场景，在飞轮技术路线的选择方面也存在较大差异：欧美国家受到更严格的环保政策驱动，对 UPS 和地铁节能场景的储能装置的体积和质量有较严格的限制，欧美的发电系统多采用燃气轮机发电，本身具有较好的调频性能，因此更注重将飞轮应用于 UPS 和地铁能量回馈，其技术发展方向更偏轻量化与高能量密度，而非单机能量容量最大化。中国目前 UPS 储能电池仍以铅酸电池为主，对飞轮的刚需不强；但电网调频是中国发电体系的刚需，对单机能量容量要求更高，因此国内更倾向于研发高

5、单机储能能量的飞轮装置，并应用于电网调频场景方向。另外飞轮面临与锂离子电池的竞争，因此产品的成本竞争力也尤为重要。技术路线选择方面，中国多选择应用广泛的主动悬浮和混合悬浮技术，而欧美国家更注重适用于轻量化飞轮的被动悬浮技术。在转子材料技术和真空散热技术方面，中国与欧美相比仍有较大差距。4飞轮储能、方兴未艾?3?0.93-0.95?ms-h?W/kg?0.85-0.951,00050-800?5-150ms-15m?-20-50?0-40?1,500-4,500100%0.5-8h?-?-?5-1515-2020,0000.1-0.3%二、飞轮储能的应用场景不断打开，尤其在地铁、电网和UPS相关

6、领域1.地铁能量回馈地铁进站刹车时会产生能量造成网压提升，而离站启动时网压瞬间下降，因此对电网的稳定性造成冲击，不仅增加了制动系统相关回路的安全隐患、也会造成大量的能源浪费。地铁储能装置具有循环次数多、瞬时功率高的技术特点。以飞轮储能与超级电容为代表的储能装置，节能效果比中压回馈系统更强。对比飞轮与超级电容，飞轮的节电量更大，占地面积更小、且可靠性更高，但也存在初始成本高与回收周期长的劣势。相比市场主流的锂电池，飞轮储能在循环次数、瞬时功率、响应速度、安全性等方面优势突出，但也存在能量密度低、自放电率高的劣势（如图 3）。基于飞轮储能的特点，其最适用于充放电频次高、响应速度快、功率大、且放电时