飞轮储能兴起

• 超导飞轮储能系统

　　7月初，在南非世界杯上大出风头的保定英利集团透露了下一个高投入、高风险和高产出项目——飞轮储能设备，预计年底推出第一批样机，“十二五”期间将生产至少45万台。

　　当然，一个不容忽视的现实是，即便国际上最先进的飞轮储能设备，其储能时间也仅有十几分钟。英利的此番投入，恐怕不会像世界杯上的广告牌一样，取得立竿见影的效果。

　　F1赛车场宠儿

　　所谓飞轮储能技术，是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。

　　早在上个世纪50年代，瑞士欧瑞康公司就开发出飞轮储能巴士。但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承摩擦等问题都难以解决，飞轮储能技术的发展非常缓慢。

　　据清华大学工程物理系戴兴建教授介绍，以不间断供电备用电源（UPS）为突破点，飞轮储能设备从2000年开始实现商业示范应用。

　　特别地，超导技术和高强度材料为飞轮储能提供了支撑。西南交通大学超导技术研究所林群煦博士说，高温超导磁悬浮轴承具有旋转损耗小、无需控制即可实现自稳定悬浮等优点。

　　飞轮储能系统主要包括三个部分：储存能量用的转子系统、支撑转子的轴承系统以及转换能量和功率的发电机系统。与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点。

　　代理美国艾泰沃（active power）公司产品的北京中诚安源电力技术有限公司尹志强总经理说，现在能够实现飞轮储能商用的，包括美国艾泰沃和法国索克曼（Socomec）等公司。艾泰沃用精钢材质，其转速大概是每分钟7700转；索克曼用碳纤维材质，转速接近每分钟3万转。上海世博会和即将召开的广州亚运会上均采用了艾泰沃的飞轮发电车。

　　据尹志强分析，一家三甲医院采用蓄电池可能要花六七十万元人民币，用飞轮UPS大概100多万元，但使用和维护成本低得多，20年内不需要任何更换。

　　目前，德国ATZ公司、美国波音公司、日本新能源产业技术开发机构（NEDO）等都在研制容量更大、功率更高的飞轮系统。

　　在上一赛季的世界一级方程式汽车（F1）大赛中，允许各个车队采用动能回收系统。这种系统中将刹车时的动能回收后，可以选择储存在飞轮或电池，并在6秒内释放出相当于80匹马力的能量，为赛车助力。当时的国际汽联主席科斯·莫斯利（Max Mosley）表示，锂电池更适合于长期的能量储存，飞轮则适合吸收汽车大力制动下释放的巨大能量流。

　　助力风能输出

　　在全球风电场开发的热潮中，飞轮储能寻找到了新的发挥空间。

　　风能具有随机性、间歇性特点，风电场输送到电网的能量也是随机波动的，给电网运行调度、系统安全运行带来巨大压力，这也成为制约风力发电规模的主要因素之一。

　　北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院院长房建成教授说，飞轮储能可以在很大程度上解决新能源发电的随机性、波动性问题，实现风电和太阳能发电等新能源的平滑输出，方便可靠地并入常规电网。

　　林群煦博士说，风能发电功率不稳定，可以用飞轮储能将过多的能量储存起来，能量过少的时候则释放出来，作为一个整体系统，对外输出的功率就是恒定的。

　　根据四川大学电气信息学院汤凡博士的模拟结果，加入飞轮储能系统后，当风电场功率处于波峰时，飞轮加速旋转，将波峰能量以机械能的形式储存起来，当风电场功率处于波谷时将能量释放出来，从而提高供电质量。

　　目前，国外有公司或研究机构已尝试将飞轮储能引入风力发电。其中，德国琵乐公司（Piller）的飞轮储能具备在15秒内提供1.65兆瓦电力的能力；美国Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场，建成后可以满足纽约州10%的储能需要。

　　当然，飞轮储能还具有很大的局限性。中国电力科学研究院副总工程师胡学浩表示，对于电网来说，可根据时间长短将储能可分为三大块。时间最长的是能源管理，包括抽水蓄能电站、压缩空气储能和蓄电池；时间稍短的是过渡能源，通常靠蓄电池解决；时间最短的则是超级电容和飞轮。

　　他举例说，电动汽车用锂电池充电，但启动时需要的电压非常大，在这一瞬间就用超级电容，“没有它不行，只有它也不行。”

　　7月初，财新记者受到德国博世基金会邀请，到意大利都灵参加欧洲开放科学论坛（ESOF）时，也感受到了各国科学家对飞轮储能等储能技术的热情。据参会的科学家表示，接纳可再生能源的智能电网中，储能设备的投资将占到将近一半。

　　西班牙巴塞罗那材料研究所的玛利亚·罗莎·帕拉辛（Maria Rosa Palacin）说，飞轮和超级电容的储能时间最短，其主要用途是改善电能质量和提供不间断电源（UPS）。

　　一般而言，飞轮储能需要电能的持续输入，以维持转子的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。这也意味着，飞轮储能优势不在于时间的长短，而是充放的快捷。

　　与超级电容、电池等储能装置相比，飞轮储能是最昂贵的。正因为此，飞轮储能在太空飞行器反而获得了更多的应用。比如，国际空间站上有飞轮储能系统，中国也有储能和陀螺定位两用飞轮，美国还推出了飞轮储能UPS和应急供电车。

　　中国力量

　　如果不是英利的飞轮储能计划被媒体报道，很多公众和投资人或许还不知道，中国也有一些机构在从事相关研究。

　　据戴兴建教授介绍，早在上世纪80年代初期，中国科学院电工研究所就开始了飞轮储能系统的探索，但之后国内没有开展实质性的研究工作。直到上世纪90年代中期，在国外技术进步的影响下，国内的飞轮储能技术研发才逐步兴起。

　　其中，清华大学在1997年首次实现0.3千瓦时飞轮储能样机的充放电实验。几年后，该校研究人员完成了0.5千瓦时飞轮储能不间断电源原理样机，飞轮转速达到每分钟42000转。

　　近年来，北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等机构还开展了飞轮储能电源的航天应用研究。房建成教授带领的团队所完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目，还获得了2007年度国家技术发明一等奖。

　　房建成教授说，现在全球至少有3000套基于飞轮储能的大功率绿色电源安全运行上千万小时，但中国的飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差距在十年以上。

　　西南交通大学超导技术研究所王素玉教授也曾经表示，该研究所诞生了世界上第一辆高温超导磁悬浮列车，但在研究高温超导磁悬浮轴承方面，中国起步比较晚，美国、日本和德国都领先十年以上。

　　戴兴建教授及其同事在今年年初撰文指出，低速飞轮作为UPS储能元件在十年前开始产业化应用，但高速飞轮因其技术难度大而至今仍然没有获得商业应用。他们还指出，国内飞轮储能技术研究广泛，理论研究丰富，但工程应用研究进展缓慢。

　　根据英利首席执行官苗连生此前透露的情况，当前英利的飞轮储能电机中飞轮转速达6万转，将来会达到14万转，第一批飞轮储能样机功率将在20千瓦至60千瓦之间。该公司选择了日本的小储能研发路线，而没有采取欧美的大储能研发路线。

　　《21世纪经济报道》称，英利准备大规模生产飞轮储能电池设备的想法已经引起多个地方政府的注意，天津、北京、河北三地都希望英利将飞轮储能设备生产线放到当地。■