2小时储能 (飞轮储能技术有着巨大的意义)

知情郎·眼|侃透天下专利事儿

占地两个半足球场大的飞轮储能项目见过没？

听着，可能比较抽象、玄幻，但确实国内有人搞了这么大的飞轮储能项目来做实验。

日前，在四川德阳，全球首个二氧化碳+飞轮储能示范项目开始运行。

据介绍，该项目利用25万立方米的二氧化碳作为循环工质进行充放电，能在2小时内存满2万度电，足够60多个家庭使用1个月。

德阳示范项目

整个“充放电”过程，都不会用到化石燃料，也不会产生固体废弃物。

有网友吐糟，二个足球场大的体积，这多占地儿，只能放没人住的乡下荒野吧！

从外面看，这装置就是个巨大无比的充电宝。

据说，该装备将在2022世界清洁能源装备大会上亮相，由东方电气集团东方汽轮机有限公司、百穰新能源科技（深圳）有限公司、西安交通大学能源与动力工程学院、北京泓慧国际能源技术发展有限公司共同打造。

今天，就来聊聊飞轮储能！

01 飞轮储能是啥黑科技？

储能，这些年被讲烂了。

大家都懂，通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程。

按照能量储存方式，储能可分为物理储能、化学储能、电磁储能三类；

01 物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；

02 化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等；

03 电磁储能主要包括超级电容器储能、超导储能。

飞轮储能，则属于比较传统的物理储能方式，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，通过控制飞轮转速实现电能与动能的转换。

这玩意儿就像个自转陀螺，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。

最著名的的飞轮储能其实就是地球自转。

潮汐发电的原理就是增大潮汐的摩擦力，地球自转速度减慢，能量变成电能。地球自转的能量来源是太阳系形成初期太阳核聚变时抛射出来能量，像抽陀螺一样加速了地球自转。所以潮汐发电的能量来源依然是核聚变。

飞轮储能的原理就是如此，电力加速飞轮的转动，储入能量，需要放电时则飞轮减速。

02 简单模式为何如今才有发展

很多人觉得，飞轮储能的工作原理很简单。

是的，它的运作逻辑百年前就有人提出了， 但难的不是动能转换逻辑，而是无法制造结构硬件。

什么样的飞轮本体才能在高速转动承受住压力，且能增加单位储能效率？百年前的材料不足以支撑技术理念实现。

轴承不足以支撑高速飞转的转子，转子内部应力超过材料强度极限，容易导致转子部件内部产生裂纹损伤，极端情况下转子会发生爆裂。

直到20世纪60~70年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。

到了90年代后，由于在以下3个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。

(1) 高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8．27GPa)的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。

(2) 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。

(3) 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。储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。

03 飞轮储能结构

最基础的飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统， 如真空、深冷、外壳和控制系统。

基本结构如图所示：

1、转子系统

飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮直径的2次方和飞轮的质量（J=(0.5~1)*M*R^2,飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取1）。

当过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全。因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。

2、轴承系统

支撑转子的轴承，支撑转子运动，降低摩擦阻力，使整个装置则以最小损耗运行。

3、转换能量系统

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。

飞轮储能器中没有任何化学活性物质，也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能为：

E =1/2Jω/2

式中： J为飞轮的转动惯量、ω为飞轮旋转的角速度

与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有充放电迅速、工作效率高、使用寿命长、储能密度高等优点，被视作最具发展前途的短时大功率储能技术之一，同时它没有电化学部件，安全环保，也不受地理条件的限制，可以建在任何地方。

但是，飞轮储能密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。适用于电网调频和电能质量保障。

国内大型飞轮储能装置不多。

搜了下新闻，2022年4月11日，2台1兆瓦飞轮储能装置在青岛地铁3号线万年泉路站完成安装调试，并顺利并网应用，这是我国轨道交通行业首台具有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置。

据媒体报道，飞轮储能方面，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、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等单位。

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。

业内专家表示，飞轮储能产品的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或最高转速。对于储能量较小的飞轮储能产品，技术上相对容易实现。但是对于大容量功率型飞轮储能产品，当飞轮转子的转动惯量和最高转速超过一定数值，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、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。

直白说，大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。

根据中国能源研究会储能专委会数据，截至2021年底，全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%，未来发展空间巨大。

部分A股公司已有布局。

04 专利看国内谁在研究飞轮储能

在德高行全球专利数据库中，以飞轮储能技术为关键词检索，中国专利2685件。

究主力是高校机构，申请人排名如下；

企业方面专利相对少些，专利申请人排名如下：

北京泓慧国际能源技术发展有限公司，这在业内相对知名！专门搞飞轮储能技术的。

查了下，这公司最近刚推了新款FW50160 飞轮储能产品，单机储能量为 160 度电，在工作转速范围内可在额定功率下放电时间达 15 分钟，基本满足了国内大多数地区 AGC 辅助调频的能量需求，既可以辅助火电机组联合调频，也可作为电网侧的独立储能电站参与电网调频。

公司在飞轮储能方面专利布局丰富，飞轮电池、飞轮电池的充放电方法、飞轮转子运动状态的监测系统、储能飞轮保护装置、飞轮供电系统、UPS电源车、磁悬浮储能飞轮防爆环、飞轮储能设备、飞轮磁轴承的控制系统等。

分享个他家专利！

背景技术与解决的现实问题

飞轮储能是一种机械储能技术，用于新能源汽车可实现快充快放、安全环保，可以消除车用锂电池存在的起火、充放电寿命短、电池性能受环境温度影响大、充电时间长、电池材料污染环境、电池面临回收等问题。

现有的飞轮电池包括飞轮转子以及与所述飞轮转子连接的轴杆。飞轮转子呈盘状，当飞轮转子旋转时，越靠近轴芯位置处的转动惯量越低，对充放电的贡献越低，反而增加了飞轮转子的质量，从而导致现有的飞轮电池的储能密度低，并且，现有的飞轮转子的体积也比较大。

本发明的目的在于提供一种飞轮电池，以缓解了现有的飞轮电池储能密度低和体积大的技术问题。

【转载请注明德高行·知情郎】