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儲能又出事了。不同于以往多次發(fā)生的電化學儲能起火事件，此次意外是由高速轉動的“飛輪”引起的機械事故。

8月19日，北京泓慧國際能源發(fā)展有限公司正在進行一場飛輪科技實驗，在此過程中，實驗設備意外脫落，擊中該公司多名員工，造成人員傷亡。

這場“奪命”的科技實驗再次敲響儲能安全的警鐘，同時也將“飛輪儲能”這一相對小眾的物理儲能技術帶到了聚光燈下。

那么，什么是飛輪儲能？這一“瘋狂的陀螺”又會給儲能產(chǎn)業(yè)帶來哪些變革？

擰緊“安全”閥門

與以往我們熟悉的電池等化學儲能不同，飛輪儲能是一種比較傳統(tǒng)的物理儲能方式，原理也很簡單，就是利用旋轉體高速旋轉時的動能實現(xiàn)能量存儲。

華北電力大學能源動力與機械工程學院教授柳亦兵對記者解釋道，飛輪儲能系統(tǒng)的旋轉體由同軸的飛輪轉子和雙向電機轉子組成。雙向電機既是電動機，又是發(fā)電機。作為電動機可以驅動飛輪加速旋轉，將電能轉換成動能，進行“充電”；作為發(fā)電機又可將動能轉換成電能，降低飛輪轉速，進行“放電”。

就像“陀螺”，給它施加外力就會以一定的速度旋轉起來；如果不抽它，也不會立刻停止，而是過一段時間，等能量消耗完了再停下。

記者采訪了解到，飛輪轉子的動能等于1/2倍的轉動慣量乘以轉速的平方。即飛輪的儲能量與飛輪轉子的轉動慣量成正比，與轉子最高轉速的平方成正比。所以，提高飛輪儲能量的技術途徑，一是提高轉子的轉動慣量，二是提高飛輪轉子的轉速。

可以說，作為一種物理儲能方式，飛輪儲能是通過高速旋轉的飛輪轉子實現(xiàn)能量存儲，因此并沒有燃燒和爆炸的風險，但卻存在飛輪轉子脫落等安全隱患。

“高速飛輪轉子采用復雜的軸承支撐結構，軸向主要采用磁懸浮軸承支撐，將轉子懸浮在真空中運行，減小轉子旋轉的能量損耗。”柳亦兵告訴記者，“轉子在高速旋轉狀態(tài)下，如果發(fā)生軸承失效，轉子從懸浮狀態(tài)中脫落，可能與底部或外殼結構發(fā)生劇烈接觸摩擦，消耗轉子動能，造成結構高溫或整個飛輪本體移動傾倒，產(chǎn)生次級危害。”

不僅如此，飛輪轉子也有可能會發(fā)生超速事故，使轉子內部應力超過材料強度極限，導致轉子部件內部產(chǎn)生裂紋損傷，極端情況下轉子會發(fā)生爆裂。

因此，在柳亦兵看來，飛輪儲能系統(tǒng)應配置轉速監(jiān)測和安全保護系統(tǒng)，使發(fā)生轉子爆裂事故的風險降至最低并且可以加以監(jiān)控。同時，飛輪儲能單元的外殼和基礎設計應具有安全裕度，特別是對于大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品，基礎結構應盡量采取地井結構形式，將飛輪儲能本體設備放置在鋼筋混凝土結構的地井中，萬一發(fā)生轉子爆裂故障，也可以發(fā)揮安全防護作用，就地消納能量，有效避免發(fā)生次生事故。

具有獨特優(yōu)勢

雖然有一定的安全風險，但飛輪儲能這一“瘋狂的陀螺”仍然能夠飛速“轉”出一片應用市場。不久前，我國《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》中的兆瓦級飛輪儲能技術應用就取得重大突破——首次將飛輪儲能應用到電氣化鐵路領域。

“有了飛輪儲能裝置，火車進站剎車時產(chǎn)生的巨大電能會加速飛輪旋轉，相當于把電能儲存起來，當火車提速出站時，飛輪則可以釋放能量給火車。”中國鐵路北京局集團唐山供電段副段長李彥吉在接受媒體采訪時說，“這不僅改善了鐵路供電系統(tǒng)電能質量，還減少了電能消耗。僅一個鐵路牽引變電站，每天就可節(jié)約3000度電能。”

可以說，相比于電化學儲能，飛輪儲能具有很多獨特優(yōu)勢。“飛輪儲能的充放電速率取決于雙向電機的額定功率，額定功率越大，充放電速率越高，可以實現(xiàn)快速充放電。由于飛輪充放電過程是飛輪轉子加速和減速的物理過程，因此可以通過配置較大額定功率的電機，實現(xiàn)能量快速充放，這是飛輪儲能的突出優(yōu)勢。”柳亦兵說。

不僅如此，飛輪儲能還具有很高功率密度和很快響應時間，額定功率響應時間低于0.1秒。同時具有超多循環(huán)充放次數(shù)和超長使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達100萬次，使用壽命超過20年。另外，由于飛輪轉子轉速和儲能量成精確關系，因此飛輪儲能系統(tǒng)還可以實現(xiàn)飛輪轉子轉速精確測量和控制，通過將多個飛輪儲能單元組成陣列，實現(xiàn)較大容量的能量快速精確充放。

當前，以風光為主的新能源系統(tǒng)，隨機波動性和間歇性是其主要局限性，這對電力系統(tǒng)快速靈活調節(jié)提出新的挑戰(zhàn)，需要大力發(fā)展各種類型的儲能資源，全面提升電力系統(tǒng)的負荷調控能力，同時也對發(fā)電企業(yè)的靈活調節(jié)能力提出更高要求。

柳亦兵表示，飛輪儲能由于可以實現(xiàn)大功率快速充放電，在電力系統(tǒng)快速負荷調節(jié)方面具有獨特優(yōu)勢，可以廣泛應用于電網(wǎng)獨立調頻、火電+儲能、新能源（風光）+儲能、微電網(wǎng)及綜合能源等，具有廣闊發(fā)展前景。除了電力系統(tǒng)，大容量功率型飛輪儲能也可以在其他電能快充快放領域發(fā)揮更大作用。

瓶頸待突破

飛輪儲能雖然聽起來比較陌生，但我國自上世紀90年代就已經(jīng)開展相關技術研究，走在前列的有上海航天控制技術研究所、清華大學、北京航空航天大學、華北電力大學等單位。但是與國外相比，我國自主研發(fā)的飛輪儲能技術及工程應用還相對落后。多數(shù)公司主要生產(chǎn)容量較小的飛輪儲能設備產(chǎn)品，充放電時間也比較短。

柳亦兵坦言，飛輪儲能產(chǎn)品的儲能量取決于飛輪轉子的轉動慣量或最高轉速。對于儲能量較小的飛輪儲能產(chǎn)品，技術上相對容易實現(xiàn)。但是對于大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品，當飛輪轉子的轉動慣量和最高轉速超過一定數(shù)值，就會面臨許多技術瓶頸。例如，高強度飛輪轉子材料及結構設計制造技術、支撐高速重載飛輪轉子的長壽命復合軸承設計制造技術、寬轉速范圍運行的高速雙向電機設計制造技術、真空狀態(tài)下的電機及軸承冷卻技術、飛輪儲能單元能量快速轉換控制技術及系統(tǒng)、大規(guī)模飛輪儲能陣列運行優(yōu)化控制與先進運維技術等。

“目前，我國在這些關鍵技術領域的研究積累不足，限制了大容量功率型飛輪儲能產(chǎn)品的研發(fā)。”柳亦兵說，大容量功率型飛輪儲能是一種具有很高技術含量的復雜機電設備，這類產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)是一項高投入、高風險的事業(yè)。

對此，他建議，國家一方面應該在關鍵技術研發(fā)領域加大投入，通過精準資助國內從事該類產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)，與從事相關研究的高校深入開展校企合作，突破技術瓶頸，不斷提升產(chǎn)品技術水平，實現(xiàn)科技成果真正落地示范，為新型電力系統(tǒng)提供高可靠性、性能優(yōu)質的飛輪儲能產(chǎn)品；另一方面，應盡快明確儲能在電力系統(tǒng)的定位，根據(jù)承擔的輔助服務業(yè)務，制定合理細化的收益支持政策，使從事儲能的廠商具有可以預期的投入產(chǎn)出效益，促進儲能事業(yè)的健康發(fā)展。

原標題：硬核裝備助力冬奧！電力“大黃蜂”來咯！