【所屬領(lǐng)域】
能源環(huán)保
【技術(shù)背景】
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種新興的電能存儲(chǔ)技術(shù)，它與超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、燃料電池技術(shù)等一樣，都是近年來(lái)出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)存在著諸如充放電次數(shù)的限制、對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重以及對(duì)工作溫度要求高等問(wèn)題。這樣就使新興的儲(chǔ)能技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。尤其是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的許多行業(yè)中。
【痛點(diǎn)問(wèn)題】
傳統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能充放電速度慢、充放電深度淺、服役壽命短、環(huán)境適應(yīng)性差；決化學(xué)電池爆燃；化學(xué)電池、抽水蓄能、壓縮空氣等儲(chǔ)能方式存在的環(huán)境污染和生態(tài)影響問(wèn)題等缺陷。
傳統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能充放電速度慢、充放電深度淺、服役壽命短、環(huán)境適應(yīng)性差；決化學(xué)電池爆燃；化學(xué)電池、抽水蓄能、壓縮空氣等儲(chǔ)能方式存在的環(huán)境污染和生態(tài)影響問(wèn)題等缺陷。
【解決方案】
新型飛輪儲(chǔ)能電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示，該電機(jī)轉(zhuǎn)子和飛輪融為一體，為高強(qiáng)度實(shí)心結(jié)構(gòu)鋼制造，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有永磁體和繞組，亦無(wú)滑環(huán)等附加部件。上下端蓋上均有永磁環(huán)，永磁勵(lì)磁和磁懸浮。定子鐵芯和電樞繞組位于機(jī)殼內(nèi)側(cè)，與常規(guī)電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)相同。飛輪電池是一種基于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械儲(chǔ)能裝置，利用電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能與飛輪動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。實(shí)現(xiàn)電能的快速充放和高效存儲(chǔ)，在動(dòng)態(tài)不間斷電源、制動(dòng)能量再生、新能源發(fā)電調(diào)頻、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等。它是一種新概念電池，突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，具有充放電速度快、放電深度高、服役壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠等獨(dú)特特點(diǎn)，既可以模塊化、分布式、即插即用，也可以在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中彌補(bǔ)傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式存的不足。
電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
【技術(shù)優(yōu)勢(shì)】
1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：部件復(fù)用、高度集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)性能好，成本低。
2) 軸系可靠性高：采用永磁與機(jī)械混合軸系，相對(duì)全磁懸浮軸系，可靠性高。
3) 待機(jī)損耗低：抽真空運(yùn)行，消除風(fēng)摩損耗；混合磁懸浮軸承，減小軸承損耗。
4) 創(chuàng)新度高：結(jié)構(gòu)原創(chuàng)，工藝特殊，不易被模仿。
【技術(shù)指標(biāo)】
【熟化程度】
已完成工程樣機(jī)驗(yàn)證，改進(jìn)后可作為產(chǎn)品銷售。
【成果展示】
【應(yīng)用場(chǎng)景】
飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品根據(jù)其材質(zhì)、特點(diǎn)、性能及應(yīng)用不同，可分為兩類：功率型飛輪和能量型飛輪。前者主要采用高比強(qiáng)度材料飛輪及磁懸浮軸承等結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕體積小、轉(zhuǎn)速快、能夠快速頻繁充放電及適合平滑功率波動(dòng)的特性。而后者主要采用合金鋼飛輪及滾珠軸承等結(jié)構(gòu)，具有體積大、轉(zhuǎn)速慢、每分鐘可充放電3次至4次、適合平緩能量的儲(chǔ)存的特性。
當(dāng)前，在城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用領(lǐng)域、微電網(wǎng)/電網(wǎng)、UPS電源等電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域，需要儲(chǔ)能裝置能提供快速、頻繁、大功率的充放電性能，而傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式，包括傳統(tǒng)的能量型飛輪技術(shù)，均無(wú)法滿足該需求，這主要受到其充放電速率和循環(huán)使用壽命的影響。而功率型飛輪儲(chǔ)能作為快速、頻繁、大功率的充放電裝置，可以解決城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用、微電網(wǎng)/電網(wǎng)、UPS電源等電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等問(wèn)題。
飛輪儲(chǔ)能具體應(yīng)用案例說(shuō)明如下：
（1）提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源接納能力
風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電具有間歇性特點(diǎn)，可再生能源的大規(guī)模接入給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了解決風(fēng)電接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需根據(jù)并網(wǎng)的風(fēng)電容量留出與風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量相當(dāng)?shù)膫溆脽釞C(jī)發(fā)電容量，在孤島電網(wǎng)中一般需要配備相當(dāng)比重的柴油發(fā)電機(jī)。備用電廠的出力要隨著風(fēng)電出力的變化頻繁調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。飛輪儲(chǔ)能與風(fēng)力發(fā)電相配合供電，可以避免柴油發(fā)電機(jī)頻繁起停，提高風(fēng)能利用效率，降低發(fā)電成本和電價(jià)。
（2）提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性
隨著我國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)之間的聯(lián)系將越來(lái)越緊密。近年來(lái)電網(wǎng)瓦解和大面積停電事故在世界各國(guó)時(shí)有發(fā)生，大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行已成為各國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。在我國(guó)東北、華北、華中和川渝電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)中，就觀察到了一些國(guó)際上從未報(bào)道過(guò)的電網(wǎng)異常動(dòng)態(tài)行為。
電力系統(tǒng)的絕大多數(shù)穩(wěn)定問(wèn)題是暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)儲(chǔ)能裝置需求的特點(diǎn)是：瞬間功率大、持續(xù)時(shí)間短。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一個(gè)可靈活調(diào)控的有功源，主動(dòng)參與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，并能在擾動(dòng)消除后縮短暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。
電網(wǎng)有功負(fù)荷變化必然導(dǎo)致電網(wǎng)頻率波動(dòng)，傳統(tǒng)的電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)通過(guò)抽水蓄能電站、火電站、燃?xì)廨啺l(fā)電站的功率調(diào)整、投切來(lái)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于快速的電網(wǎng)頻率波動(dòng)常規(guī)電站來(lái)不及響應(yīng)，采用飛輪儲(chǔ)能電站可以滿足需求，利用其快速調(diào)節(jié)特性，可以在同樣容量下獲得雙倍的調(diào)節(jié)效果。隨著技術(shù)進(jìn)一步成熟，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)還可以用于負(fù)荷中心的削峰填谷，提高電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
（3）高品質(zhì)供電
自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，新型電力負(fù)荷迅速發(fā)展以及它們對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，而電能質(zhì)量的問(wèn)題卻日益突出：一方面用電負(fù)荷的非線性、沖擊性和非平衡性，使得電網(wǎng)的電壓波形畸變、電壓波動(dòng)和電壓閃變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重；另一方面電氣化和微機(jī)化程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的用戶采用了性能好、效率高但對(duì)電源特性變化敏感的高科技設(shè)備，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求在不斷提高，特別是半導(dǎo)體制造、精密加工、醫(yī)療衛(wèi)生、金融、計(jì)算機(jī)中心、重要場(chǎng)館會(huì)所對(duì)電能質(zhì)量要求更是嚴(yán)格，幾十毫秒內(nèi)的電壓暫降都可能造成設(shè)備損壞停產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)極大經(jīng)濟(jì)損失。
為解決用戶暫態(tài)電能質(zhì)量（一般持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1min）影響的動(dòng)態(tài)UPS（不間斷電源）以及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等裝置的需求獲得了快速增長(zhǎng)。目前，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用最成功的領(lǐng)域是基于飛輪儲(chǔ)能的UPS 實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)供電。
（4）車輛制動(dòng)動(dòng)能再生
城市軌道交通的特點(diǎn)是：站距短，車輛的動(dòng)能巨大，制動(dòng)頻繁，且起動(dòng)、制動(dòng)加速度大。一般為了減少閘瓦磨耗和對(duì)環(huán)境的污染，制動(dòng)方式從能耗制動(dòng)方式向再生—能耗復(fù)合制動(dòng)過(guò)渡，車組的常用制動(dòng)一般都采用電力制動(dòng)，空氣制動(dòng)只作為制動(dòng)力的補(bǔ)充或作為后備制動(dòng)。由于地鐵的供電系統(tǒng)都是由交流整流而來(lái)的直流系統(tǒng)，一般變電站也不設(shè)逆變裝置，所以再生的能量只能隨機(jī)靠鄰近車輛吸收。當(dāng)電力制動(dòng)引起供電接觸網(wǎng)的電壓升高到一定值時(shí)，必須轉(zhuǎn)換到電阻制動(dòng)或空氣制動(dòng)，這就造成了能量的浪費(fèi)、設(shè)備的磨損和隧道溫度的上升。
采用了高儲(chǔ)能量、大功率的儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)，就可以提高接觸網(wǎng)供電電壓的穩(wěn)定性，在車輛起動(dòng)時(shí)，輸出電能提供給車輛轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在制動(dòng)時(shí)間（持續(xù)15s 左右）又通過(guò)再生制動(dòng)將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)入飛輪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的回收。
（5）高功率脈沖電源
脈沖功率技術(shù)，是把較小功率的能量以較長(zhǎng)時(shí)間輸入到儲(chǔ)能設(shè)備中，將能量進(jìn)行壓縮與轉(zhuǎn)換，然后在較短的時(shí)間以極高的功率密度向負(fù)載釋放的電物理技術(shù)，在國(guó)防科研和高技術(shù)領(lǐng)域有著重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。
基于飛輪儲(chǔ)能的脈沖電源還可以應(yīng)用于軍用電磁發(fā)射。電磁發(fā)射物體不僅局限于彈頭，也可以是飛機(jī)、防空導(dǎo)彈，電磁發(fā)射的技術(shù)瓶頸之一就是高功率脈沖電源。
【市場(chǎng)前景】
根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，除UPS外，應(yīng)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域的飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，自2010年以來(lái)，規(guī)劃、在建和已經(jīng)投運(yùn)共14個(gè)，共計(jì)81MW，主要應(yīng)用在電力市場(chǎng)調(diào)頻、分布式發(fā)電及微網(wǎng)、軌道能量回收等領(lǐng)域。
調(diào)頻是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。自Beacon Power在美國(guó)Hazle安裝20MW的飛輪系統(tǒng)后，加拿大安大略省也分別規(guī)劃一個(gè)5MW和2MW的飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，為安大略省電力市場(chǎng)提供輔助服務(wù)。
2015年上半年,愛(ài)爾蘭EirGrid公司規(guī)劃了歐洲首個(gè)飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，規(guī)模同樣達(dá)到20MW，這說(shuō)明繼北美電力市場(chǎng)之后，歐洲電力市場(chǎng)也開(kāi)始呈現(xiàn)出對(duì)調(diào)頻資源的需求，而飛輪作為快速調(diào)節(jié)資源已經(jīng)開(kāi)始獲得歐洲電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可。
隨著儲(chǔ)能成本的下降，根據(jù)國(guó)防證券的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2025年當(dāng)儲(chǔ)能成本下降為1500元/KWh時(shí)，我國(guó)用戶側(cè)儲(chǔ)能大部分地區(qū)基本可實(shí)現(xiàn)平價(jià)。這意味著在存量市場(chǎng)滲透率為30%的情況下，儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到435GWh，市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)6256億元。
2030年左右預(yù)計(jì)市場(chǎng)儲(chǔ)能成本下降為1000元/KWh時(shí)，我國(guó)的光儲(chǔ)結(jié)合儲(chǔ)能大部分地區(qū)可實(shí)現(xiàn)平價(jià)，這意味著在存量市場(chǎng)滲透率為60%的情況下，儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到1186GWh，市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)12070億元。
全球儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)量將從2019年的11GW/22GWh增至2050年1,676GW/5,827GWh，未來(lái)三十年間全球投資額預(yù)計(jì)達(dá)6620億美元。
中國(guó)、美國(guó)和印度的儲(chǔ)能累計(jì)部署規(guī)模名列前茅，占2050年全球儲(chǔ)能累計(jì)規(guī)模的三分之一以上。到2050年，全球電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能項(xiàng)目占比約70%，其余約四分之一為居民及工商業(yè)用戶側(cè)儲(chǔ)能。儲(chǔ)能的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到萬(wàn)億級(jí)別，飛輪儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能方式將成為國(guó)家重點(diǎn)支撐的發(fā)展方向。
飛輪儲(chǔ)能單機(jī)容量達(dá)到200kWh，飛輪儲(chǔ)能電站達(dá)到10MWh以上，成本降低至5000元/kWh以下。數(shù)據(jù)中心、芯片生產(chǎn)線、醫(yī)院等重要場(chǎng)所飛輪儲(chǔ)能高端不間斷電源將成標(biāo)配。地鐵、港口、車輛飛輪儲(chǔ)能制動(dòng)能量再生系統(tǒng)將推廣。新能源發(fā)電場(chǎng)及電力系統(tǒng)調(diào)頻用飛輪儲(chǔ)能電站將大規(guī)劃使用。
【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】
該成果已申請(qǐng)多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利，下表是部分展示：
【合作方式】
技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)入股、技術(shù)服務(wù)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、技術(shù)許可、面談
【專家介紹】
葉才勇，工學(xué)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)獲得者，新型電機(jī)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程技術(shù)研究中心副主任，國(guó)家自然科學(xué)基金評(píng)審專家，教育部學(xué)位論文評(píng)審專家，兼職江蘇省（華源）節(jié)能電機(jī)工程研究中心主任，中國(guó)電力科學(xué)研究院期刊中心第一屆“青年專家團(tuán)成員”。長(zhǎng)期從事新型電機(jī)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用研究，特別是高速電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能電機(jī)、永磁電機(jī)、磁阻電機(jī)等新型電機(jī)的研究，主持和參與研制新型電機(jī)多臺(tái)套。在新型電機(jī)運(yùn)行理論、電機(jī)本體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)仿真、特種電磁裝置研發(fā)等方面研究成果獲2018年教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，山東省淄博市技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。主持設(shè)計(jì)的MW級(jí)飛輪儲(chǔ)能電機(jī)及系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于地鐵再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，經(jīng)鑒定為國(guó)際先進(jìn)水平。主持多項(xiàng)課題，包括：國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金4項(xiàng)、校自主創(chuàng)新基金2項(xiàng)，企業(yè)橫向課題多項(xiàng)。參與國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、預(yù)先研究重點(diǎn)項(xiàng)目、教學(xué)研究及校企合作課題20余項(xiàng)課題研究。發(fā)表SCI、EI收錄論文80余篇，其中SCI論文40余篇，JCR一區(qū)期刊論文10余篇，H指數(shù)11。獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利32項(xiàng)，實(shí)用新型專利17項(xiàng)，軟件著作權(quán)2項(xiàng)。
【聯(lián)系方式】
成果編號(hào)：CG21067
