现代的飞轮储能技术一般是指利用电机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存在飞轮里，在需要的时候利用飞轮的动能带动发电机发电并向外输出能量的储能方式。
　　
　　1 飞轮储能技术的原理及组成
　　
　　人们利用飞轮的惯性闯过机械设备死点,使设备保持匀速旋转，如古代有纺车、近代的蒸汽机、现代的汽油柴油发动机等。飞轮旋转的周期很短，其风阻和轴承摩擦等能量消耗都比较小，可以忽略不计。但是如果要利用飞轮来储备较长时间的能量，以备后续的使用，其能耗问题就变得突出了。
　　
　　为了减小能耗，人们通过改变轴承结构，比如把滑动轴承改变为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等，并且通过抽真空的办法来减小空气阻力，滚动轴承的摩擦系数可以达到10-3，这种情况下，飞轮能量每天也要损失接近一半左右。
　　
　　若要维持一个10万千瓦电厂稳定运行，就需要一个10万吨的钢制飞轮来储能，其机械能和电能之间的转换，还需要复杂的转换装置，所以这种储能方式几乎不能实现。
　　
　　飞轮在转动时的动能为:
　　
　　  式中:J为飞轮的转动惯量;
　　
　　  ω为飞轮旋转角速度.
　　
　　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的直径和飞轮的质量,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,一般的飞轮是由钢铁制成的，由于其抗拉能力有限，如果主要以其质量大小来决定储能大小，高速旋转的飞轮得到的离心力往往超过飞轮材料的极限强度,很不安全。所以要增大飞轮的转速成为解决飞轮储能的主要手段。
　　
　　飞轮储能系统主要包括3个部分:
　　
　　（1）转子系统，主要指储能飞轮;
　　
　　（2）轴承系统，用于支撑转子，比如超导磁悬浮技术;
　　
　　（3）电动/发电机系统，用于能量转换.
　　
　　另外还包括真空容器、制冷及控制系统，其结构如图1所示：
　　
　　
　　目前主要的材料是高碳纤维材料来保障飞轮的强度:
　　
　　一般的飞轮储能装置中有一个内置电机，在储能时,它作为电动机给飞轮加速;当释放能量时,它作为发电机给外部供电,飞轮的转速不断下降，动能转化为电能和其它形式的能量;当飞轮空转时,整个装置低功耗运行。
　　
　　目前的飞轮储能技术具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、可以无限次充放电以及没有污染等特点。适用于电网调频、电能质量保障、UPS。
　　
　　2 当前飞轮储能系统的主要应用
　　
　　飞轮储能主要应用在以下三个方面：
　　
　　①高品质不间断电源；
　　
　　②磁悬浮飞轮储能发电车；
　　
　　③在新能源中的应用
　　
　　(1)高品质不间断电源。
　　
　　数据显示，发达国家95%以上的停电都由分秒级的电网波动导致。电网的波动使得数据机房不得不采用配备大量的传统铅酸电池的UPS，随着业务增长的需求，运营成本也越来越高，为了给机房降温，需配备大量的空调设备，数据中心及其电源管理系统建设越来越面临巨大的挑战；另外传统UPS所使用的铅酸蓄电池，使用年限短，更换成本高，管理不善会在生产和使用中产生环境污染，所以人们逐渐倾向于绿色环保节能的UPS系统。
　　
　　而磁悬浮式飞轮储能UPS系统则无需空调来制冷,节省了运营电费成本;而且,其占用的空间也大幅减小;维护成本低,更不需更换电池;寿命长达20年。图2是一款柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的外观：
　　
　　　　
　　在传统UPS供电系统中,当电力发生中断时,蓄电池会支撑系统正常运转,与此同时,柴油发动机开始启动,以此保证数据中心主机正常工作、空调连续运转。蓄电池型UPS在此过程中,提供了“分钟级”的电力供电。而飞轮储能型UPS受制于机械储能,仅仅能够提供30s到1min电力供电,这也是飞轮UPS被诟病的主要原因。然而,专家指出,如今,市电电源的可靠性达到99.9%,有些重要的负载都采用双路市电供电,市电的可靠性可以说已经达到了99.99%。万一市电中断,后备电源的可靠性也可以达到99.9%,从市电到后备电源的切换,在技术上只需要10s的时间,这是一个公开的标准。目前,欧洲可做到8s。可以断定,飞轮储能型UPS能提供30s的电力完全能够满足从市电到后备电源的可靠切换的要求。图3给出了柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的运行示意图。
　　
　　　　
　　(2)磁悬浮飞轮储能发电车
　　
　　目前国内已经开发出磁悬浮飞轮储能移动电源设备，其容量可以达到200~500kVA）。多项专利填补国内空白，使我国电源车制造能力达到国际领先水平。使用该种车可以显著提升企业的应急反应能力及供电质量，增强机动性能，提高效益，是城市应急机制中的核心硬件设备之一。电源车外形美观，功率、重量配置合理，使用方便灵活，具有极大实用性，更能提升企业形象。
　　
　　传统的发电车在保供电作业的时候，无法做到市电断电时，发电车立即投入到送电状态，在这之间需要至少3~10s的时间来起动发电机组再切换。存在这个问题的发电车在实际使用的时候是一个不完美的发电车。在这个市电断电的3~10s时间里很重要，特别是在重要会议、执行政治任务或是用电设备对电源要求高的时候。而磁悬浮飞轮储能发电车在这种情况下就可以起到关键作用，在市电断电的瞬间由磁悬浮飞轮储能系统（UPS）提供电能，同时启动发电机组。机组启动成功运行稳定后，由机组经过磁悬浮飞轮储能系统（UPS）向负载供电。这样来达到市电与发电机组供电之间的零秒切换。
　　
　　图4为移动式飞轮储能应急电源车的实物照片。
　　
　　　　
　　(4)飞轮储能技术在新能源中的应用
　　
　　太阳能、风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。仅以风能为例,中国风能储量很大、分布面广,仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。近几年来,中国的并网风电迅速发展,截至2011年3月中旬,我国风电累计装机容量达4450万千瓦,风电建设的规模居全球之首。这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展。
　　
　　在我国风电建设规模高居世界第一的同时,风电并网问题却始终制约着我国风电的发展。我国风电装机容量中仍然有近三成风电没有并网。这是由于风能随机性和间歇性的特点,造成风电机组的出力频繁波动,从而风电场的出力可靠性也差,风电比重过大,会使电网的调频、调峰压力加大,因此,风电场大规模的并网接入对电力系统的运行带来一些新问题。光伏发电、风力发电等绿色新能源自身所固有的随机性、间歇性、不可控性的特点,使得可再生能源电厂不可能像其它传统电源一样制定和实施准确的发电计划,这给电网的运行调度带来巨大压力。同时,可再生能源的大规模接入所带来的局部电网无功功率和频率问题,电能质量问题不容忽视,会对电网调峰和系统安全运行带来不利影响。研究表明,如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全;但如果所占比例达到20%甚至更高,电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入传统电网。高速飞轮储能系统可以在瞬间释放出巨大电力以稳定电网波动。可实现对电网的调峰功能,从而替代水力、燃气发电厂,为电网运营商创造更可靠的供电系统。由此可见,飞轮储能技术能够提高电网对可再生能源的接纳能力。
　　
　　3  国内外飞轮储能技术发展现状分析
　　
　　(1) 大容量储能技术呈多元化发展
　　
　　全球储能技术主要有化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)三大类。目前技术进步最快的是化学储能，其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟。钠硫电池的充电效率已可达到80%，能量密度是铅酸蓄电池的3倍，循环寿命更长。日本在此项技术上处于国际领先地位，2004年日本在本国Hitachi自动化工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是9.6MW/57.6MWh。液流钒电池的基础材料是钒，该电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、寿命长等优点，已进入商业化阶段。锂离子电池的基础材料是锂，已开始在电动自行车、电动汽车等领域应用，近年来由于磷酸亚铁锂、纳米磷酸铁锂等新材料的开发与应用，大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命，大容量锂电池储能电站正逐渐兴起。
　　
　　物理储能中最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能，主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。其能量转换效率在70%~75%。目前世界范围内抽水蓄能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。压缩空气技术早在1978年就实现了应用，但由于受地形、地质条件制约，没有大规模推广。飞轮蓄能的特点是寿命长、无污染，动态特性好，但超大容量的飞轮，目前技术尚不成熟。电磁储能技术现在仍很昂贵，还没有商业化。
　　
　　(2)  国外飞轮储能技术的发展处于领先地位
　　
　　美国、德国、日本等发达国家的飞轮储能技术的发展处于领先地位。日本已经制造出容量26.5MVA、系统输出电压1100V,转速510690r/min的变频调速飞轮蓄能发电系统。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kWh的电磁悬浮飞轮系统,其飞轮重172.8kg,工作转速范围11,610—46,345rpm,破坏转速为48,784rpm,系统输出恒压110～240V,全程效率为81%。经济分析表明,运行3年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,已制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到每小时0.1%。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。2011年10月30日,全球大规模飞轮储能应用先驱BeaconPower申请破产保护。BeaconPower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,BeaconPower的成就无人可以替代。尽管公司面临破产,但去年6月在纽约Stephen镇,仍为20MW的飞轮储能项目举行一个建成投运仪式。该飞轮储能电源系统用于电厂储能调频,能做到15min的储能规模。而一般应用于UPS的飞轮储能时间都不超过100s。可以说这是美国目前最先进的飞轮储能系统。这也说明美国的很多项目还处在示范阶段。
　　
　　表1给出了美国、西欧和日本几个著名的飞轮储能电源系统的厂商。
　　
　　　　　　
　　　　　　　　
　　　
　　(3) 我国飞轮储能技术的现状落后国外十年
　　
　　目前国内从事与飞轮研究相关的单位有清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中国科学院电工研究所、天津核工业理化工程研究院等组成)、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列。其中,北航针对航天领域研制的“姿控/储能两用磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。华北电力大学和中国科学院电工研究所、河北省电力局合作,已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进行研究，预计能够取得可喜的成果。从总体上来看，国内飞轮储能技术的发展现状落后国外十年，许多成果尚处于研究阶段，在推广应用上还会有一段路要走。
　　
　　随着超导技术的发展和高强度复合材料的出现以及电力电子技术的新进展,开发飞轮储能技术已经成为可能。从经济和技术角度看,飞轮储能机组作为一种重要的调峰手段分散接入电网是可行的。由于飞轮机组运行控制的灵活性,可使电力系统的运行可靠性和稳定性得到提高。
　　
　　飞轮的发展方向及研究热点：
　　
　　①超大储能量、大功率飞轮的研制;
　　
　　②进一步降低储能飞轮系统的能耗;
　　
　　③系统的安全性、可靠性分析;
　　
　　④机电参数匹配问题;
　　
　　⑤ 强力充放电系统的稳定性。
　　
　　4 飞轮储能技术在现代汽车中的应用
　　
　　目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾,研发环保型汽车成为当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充电时间短、循环寿命长的新型储能电源系统,是电动汽车与汽油车比拼的关键。而飞轮储能电源系统,因具有清洁、高效、充放电快速、可无限制的充放电、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。
　　
　　4.1 电动汽车的飞轮电池储能技术
　　
　　开发节能及采用替代能源的环保型汽车-电动汽车飞轮储能应用技术得到支持，图5是其原理图。
　　
　　　　
　　飞轮电池电动汽车利用储存在随车飞轮中的机械能驱动汽车前进。它的推进系统由飞轮电池、电机控制器、电机和传动系统等组成。
　　
　　飞轮电池能量比镍氢电池大2~3倍，飞轮电池的功率也高于一般化学蓄电池和内燃机，其快速充电可在18min内完成,且能量储存时间长,能超快速充电而无化学电池的损寿问题，整个电池的使用寿命远长于各种化学蓄电池。更重要的是，飞轮为纯机械结构，不会像内燃机产生排气污染，同时也没有化学蓄电池的化学反应过程，不会引起腐蚀，也无废料的处理回收问题。
　　
　　一辆用二十节直径为230mm，质量为13.64kg的飞轮电池的汽车，用市电充电需要6h，快速充电只需15min，一次充电行驶里程可达560km。电机有双重功能,充电时飞轮中的电机以电动机的形式运行，在外接电源的驱动下带动飞轮旋转，达到极高的转速，从而完成电能－机械能转换的储能过程；放电时，飞轮中的电机以发电机的状态运行，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能－电能转换的释放过程。
　　
　　(2)飞轮动能回收系统在F1赛车中的应用
　　
　　熟悉F1的人对动能回收系统（KERS）应该不会陌生。这是国际汽联为了顺应低碳这一国际形势而采取的重大举措。KERS系统能将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中作为辅助动力释放利用。现在已经面世的KERS系统就是采用飞轮回收。国际汽联主席莫斯利曾表示，锂电池适合于长期的能量储存，而飞轮则更适合吸收汽车大力制动下短时间内释放的巨大能量。
　　
　　保时捷918Spyder概念车(见图7)上前卫且符合人体工程学的中控台及触摸式用户界面均被取消，918RSR驾驶室采用了充分体现简约主义的控制台及跷板开关。在控制台右侧，第二个座椅的位置被飞轮储能装置所取代。飞轮储能装置相当于一个电动马达，其转子的最高转速可达36,000rpm，用以储存能量。
　　
　　　　
　　在车辆制动时，充电在前桥上的两个电动马达以逆向原理进行工作时，与发电机工作方式相似。只要按下按钮，驾驶者就可以调用飞轮储能装置中储存的能量，用于车辆加速或超车。此时，飞轮会被电磁制动，以便通过前桥上的两个电动马达提供2×75kW的额外动力。当系统能量储存充沛时，这些附加动力的提供可以持续约8s。
　　
　　(3) 港口、地铁等特殊场合的电制动能量再生。
　　
　　除了F1赛车，制动能量巨大的港口起重机、地铁列车等都可以配备类似的动能回收系统。
　　
　　据悉，国内的很多港口起重机的动能回收方式已经从早期的电池转变为飞轮。Vycon公司更是将飞轮储能系统纳入港口起重机的制造，成为其中一个部件。预计市场需求量很大。
　　
　　(4) 储能飞轮在现代城市公交车上的应用的预期
　　
　　机械式储能飞轮可回收公交汽车在制动时所浪费的制动能量，并将其用于汽车的再次起步过程，这样既能回收制动能量，也能避免汽车起步时的巨大油耗，还可以减少汽车的尾气排放。
　　
　　由于城市中公交运输团体的庞大，决定了它的能源消耗一直是城市能源消耗的主体之一。所以公交汽车的节能运行越来越受到社会的关注。在现代城市公交的运行工况下，公交车难免走走停停。在这样的运行状态下，汽车的很大一部分能量被浪费在汽车的刹车过程中，而且汽车在起步过程中的油耗也相当高。设计储能飞轮制动能量再生系统回收制动能量并用于汽车再次起步加速过程，这样既能使浪费能量回收再利用，又起到降低油耗、节约能源、保护环境的目的。而且，与传统的混合动力汽车相比，该储能飞轮制动能量回收系统在运行过程中并不需要储能电池及充放电机构，这样就延长了系统的运行维护周期性，降低了废旧电池的处理压力。所以该系统是一种能够较好的降低公交运行成本的节能系统。
　　
　　可以在类似的交通工具上进行大范围推广，如地铁、轻轨以及无轨电车等。制动能量再生是混合动力汽车节油最有效的途径之一，通过Advisor2002以及AMESin-Sinulink仿真结果表明，制动能量再生可节油5%~8%甚至更高。在北京的循环工况下，传统客车燃油消耗为56.4L/100km。根据以上信息可大概估算：汽车每运行100km可节约4L左右燃油，假设每辆汽车每天运行的总里程数为200km，那么每天每一辆车将节油8L。一座中型城市按1000辆公交汽车来计算，节油总量为8000L，一年将节油2880000L，减少CO2排放约为10000吨。
　　
　　5  用于可再生能源并网的分秒级储能电源
　　
　　风力发电的波动很大，为了稳定输出往往会为风机配备柴油机组，但柴油机并不适合频繁启动，而这恰恰是飞轮的强项。国外现在采用的一种解决方案是同时配备飞轮储能系统用于分秒级的储能，减少柴油机启动次数。跟UPS只有几百千瓦到几兆瓦的容量相比，风力发电的容量大、规模大，因此市场也更大。百兆瓦级别的风电场配备供电容量20%~50%的飞轮储能就能解决柴油机频繁启动问题并保障输出稳定问题。
　　
　　6  家庭化的飞轮储能模式
　　
　　对于普通家庭，储能式飞轮也有广阔的应用前景。家庭用电系统可以采用电力公司供电、太阳能电池组、风力发电机组及微型汽油发电机来保障家庭的电源的不间断供应。而平时多余的太阳能和风能首先可以给后备的飞轮储能机构以及电池组充电，其次也可以用来给室内加热取暖，再次可以通过逆变器给电网反馈，并取得收益。图7为家庭用飞轮轮能机构的示意图。
　　
　　　　
　　7 结束语
　　
　　飞轮储能电源系统所具有的高效、节能、建设短周期、使用长寿命、存取方便快捷以及充放无限次并且没有污染碳排放的优点，必将得到社会的认可和迅速发展以及推广应用。
　　
　　作者简介
　　
　　马李红,电力工程师,就业于北宁电力电子(北京)有限公司,从事电源行业20多年,曾发表多篇绿色节能技术文章,参与多项中石油、中石化、中国核电、中广核电国家重点项目建设。
　　
　　编辑：Harris