【所属领域】
能源环保
【技术背景】
飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是，化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。
【痛点问题】
传统电化学储能充放电速度慢、充放电深度浅、服役寿命短、环境适应性差；决化学电池爆燃；化学电池、抽水蓄能、压缩空气等储能方式存在的环境污染和生态影响问题等缺陷。
传统电化学储能充放电速度慢、充放电深度浅、服役寿命短、环境适应性差；决化学电池爆燃；化学电池、抽水蓄能、压缩空气等储能方式存在的环境污染和生态影响问题等缺陷。
【解决方案】
新型飞轮储能电机结构如下图所示，该电机转子和飞轮融为一体，为高强度实心结构钢制造，转子上没有永磁体和绕组，亦无滑环等附加部件。上下端盖上均有永磁环，永磁励磁和磁悬浮。定子铁芯和电枢绕组位于机壳内侧，与常规电机绕组结构相同。飞轮电池是一种基于机电能量转换的机械储能装置，利用电动/发电互逆式双向电机实现电能与飞轮动能之间的相互转换，实现能量的储存和释放。实现电能的快速充放和高效存储，在动态不间断电源、制动能量再生、新能源发电调频、电能质量调节等。它是一种新概念电池，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能，具有充放电速度快、放电深度高、服役寿命长、绿色环保、环境适应性强、安全可靠等独特特点，既可以模块化、分布式、即插即用，也可以在混合储能系统中弥补传统储能方式存的不足。
电机结构示意图
【技术优势】
1) 结构简单：部件复用、高度集成、结构简洁，转子动力学性能好，成本低。
2) 轴系可靠性高：采用永磁与机械混合轴系，相对全磁悬浮轴系，可靠性高。
3) 待机损耗低：抽真空运行，消除风摩损耗；混合磁悬浮轴承，减小轴承损耗。
4) 创新度高：结构原创，工艺特殊，不易被模仿。
【技术指标】
【熟化程度】
已完成工程样机验证，改进后可作为产品销售。
【成果展示】
【应用场景】
飞轮储能产品根据其材质、特点、性能及应用不同，可分为两类：功率型飞轮和能量型飞轮。前者主要采用高比强度材料飞轮及磁悬浮轴承等结构，具有质量轻体积小、转速快、能够快速频繁充放电及适合平滑功率波动的特性。而后者主要采用合金钢飞轮及滚珠轴承等结构，具有体积大、转速慢、每分钟可充放电3次至4次、适合平缓能量的储存的特性。
当前，在城市轨道交通再生制动能量利用领域、微电网/电网、UPS电源等电能质量调节领域，需要储能装置能提供快速、频繁、大功率的充放电性能，而传统储能方式，包括传统的能量型飞轮技术，均无法满足该需求，这主要受到其充放电速率和循环使用寿命的影响。而功率型飞轮储能作为快速、频繁、大功率的充放电装置，可以解决城市轨道交通再生制动能量利用、微电网/电网、UPS电源等电能质量调节等问题。
飞轮储能具体应用案例说明如下：
（1）提高电网对可再生能源接纳能力
风力发电、光伏发电具有间歇性特点，可再生能源的大规模接入给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。为了解决风电接入后电网的安全稳定运行，需根据并网的风电容量留出与风力发电装机容量相当的备用热机发电容量，在孤岛电网中一般需要配备相当比重的柴油发电机。备用电厂的出力要随着风电出力的变化频繁调节，严重影响其运行经济性。飞轮储能与风力发电相配合供电，可以避免柴油发电机频繁起停，提高风能利用效率，降低发电成本和电价。
（2）提高电网的安全稳定水平和运行经济性
随着我国电网互联规模的不断扩大，电网之间的联系将越来越紧密。近年来电网瓦解和大面积停电事故在世界各国时有发生，大规模电力系统的安全高效运行已成为各国电力系统发展的主要问题之一。在我国东北、华北、华中和川渝电网的联网试验中，就观察到了一些国际上从未报道过的电网异常动态行为。
电力系统的绝大多数稳定问题是暂态稳定问题，对储能装置需求的特点是：瞬间功率大、持续时间短。飞轮储能系统作为一个可灵活调控的有功源，主动参与系统的动态行为，并能在扰动消除后缩短暂态过渡过程，使系统迅速恢复稳定状态。
电网有功负荷变化必然导致电网频率波动，传统的电网频率调节通过抽水蓄能电站、火电站、燃气轮发电站的功率调整、投切来实现，但对于快速的电网频率波动常规电站来不及响应，采用飞轮储能电站可以满足需求，利用其快速调节特性，可以在同样容量下获得双倍的调节效果。随着技术进一步成熟，飞轮储能技术还可以用于负荷中心的削峰填谷，提高电网的运行经济性。
（3）高品质供电
自20 世纪80 年代以来，新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高，而电能质量的问题却日益突出：一方面用电负荷的非线性、冲击性和非平衡性，使得电网的电压波形畸变、电压波动和电压闪变以及三相不平衡等电能质量问题日益严重；另一方面电气化和微机化程度越来越高，越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备，电力用户对电能质量的要求在不断提高，特别是半导体制造、精密加工、医疗卫生、金融、计算机中心、重要场馆会所对电能质量要求更是严格，几十毫秒内的电压暂降都可能造成设备损坏停产，给企业带来极大经济损失。
为解决用户暂态电能质量（一般持续时间不超过1min）影响的动态UPS（不间断电源）以及动态电压恢复器等装置的需求获得了快速增长。目前，飞轮储能技术应用最成功的领域是基于飞轮储能的UPS 实现高品质供电。
（4）车辆制动动能再生
城市轨道交通的特点是：站距短，车辆的动能巨大，制动频繁，且起动、制动加速度大。一般为了减少闸瓦磨耗和对环境的污染，制动方式从能耗制动方式向再生—能耗复合制动过渡，车组的常用制动一般都采用电力制动，空气制动只作为制动力的补充或作为后备制动。由于地铁的供电系统都是由交流整流而来的直流系统，一般变电站也不设逆变装置，所以再生的能量只能随机靠邻近车辆吸收。当电力制动引起供电接触网的电压升高到一定值时，必须转换到电阻制动或空气制动，这就造成了能量的浪费、设备的磨损和隧道温度的上升。
采用了高储能量、大功率的储能飞轮系统，就可以提高接触网供电电压的稳定性，在车辆起动时，输出电能提供给车辆转化为动能，在制动时间（持续15s 左右）又通过再生制动将车辆动能转换成电能储入飞轮系统，实现能量的回收。
（5）高功率脉冲电源
脉冲功率技术，是把较小功率的能量以较长时间输入到储能设备中，将能量进行压缩与转换，然后在较短的时间以极高的功率密度向负载释放的电物理技术，在国防科研和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值。
基于飞轮储能的脉冲电源还可以应用于军用电磁发射。电磁发射物体不仅局限于弹头，也可以是飞机、防空导弹，电磁发射的技术瓶颈之一就是高功率脉冲电源。
【市场前景】
根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)的项目数据库，除UPS外，应用于电网储能领域的飞轮储能项目，自2010年以来，规划、在建和已经投运共14个，共计81MW，主要应用在电力市场调频、分布式发电及微网、轨道能量回收等领域。
调频是飞轮储能系统在电网中最主要的应用领域。自Beacon Power在美国Hazle安装20MW的飞轮系统后，加拿大安大略省也分别规划一个5MW和2MW的飞轮储能项目，为安大略省电力市场提供辅助服务。
2015年上半年,爱尔兰EirGrid公司规划了欧洲首个飞轮储能项目，规模同样达到20MW，这说明继北美电力市场之后，欧洲电力市场也开始呈现出对调频资源的需求，而飞轮作为快速调节资源已经开始获得欧洲电网运营商的认可。
随着储能成本的下降，根据国防证券的数据，预计2025年当储能成本下降为1500元/KWh时，我国用户侧储能大部分地区基本可实现平价。这意味着在存量市场渗透率为30%的情况下，储能装机规模有望达到435GWh，市场规模可达6256亿元。
2030年左右预计市场储能成本下降为1000元/KWh时，我国的光储结合储能大部分地区可实现平价，这意味着在存量市场渗透率为60%的情况下，储能装机规模有望达到1186GWh，市场规模可达12070亿元。
全球储能市场累计装机量将从2019年的11GW/22GWh增至2050年1,676GW/5,827GWh，未来三十年间全球投资额预计达6620亿美元。
中国、美国和印度的储能累计部署规模名列前茅，占2050年全球储能累计规模的三分之一以上。到2050年，全球电网级储能项目占比约70%，其余约四分之一为居民及工商业用户侧储能。储能的市场规模将达到万亿级别，飞轮储能等物理储能方式将成为国家重点支撑的发展方向。
飞轮储能单机容量达到200kWh，飞轮储能电站达到10MWh以上，成本降低至5000元/kWh以下。数据中心、芯片生产线、医院等重要场所飞轮储能高端不间断电源将成标配。地铁、港口、车辆飞轮储能制动能量再生系统将推广。新能源发电场及电力系统调频用飞轮储能电站将大规划使用。
【知识产权】
该成果已申请多项中国发明专利，下表是部分展示：
【合作方式】
技术开发、技术入股、技术服务、技术转让、技术许可、面谈
【专家介绍】
叶才勇，工学博士，副教授，博士生导师，教育部科技进步一等奖获得者，新型电机技术国家地方联合工程技术研究中心副主任，国家自然科学基金评审专家，教育部学位论文评审专家，兼职江苏省（华源）节能电机工程研究中心主任，中国电力科学研究院期刊中心第一届“青年专家团成员”。长期从事新型电机设计原理及应用研究，特别是高速电机、飞轮储能电机、永磁电机、磁阻电机等新型电机的研究，主持和参与研制新型电机多台套。在新型电机运行理论、电机本体设计、系统级动态仿真、特种电磁装置研发等方面研究成果获2018年教育部科技进步一等奖，山东省淄博市技术发明二等奖。主持设计的MW级飞轮储能电机及系统在国内首次应用于地铁再生制动能量回收系统，经鉴定为国际先进水平。主持多项课题，包括：国家自然科学基金3项、国家重点实验室开放基金4项、校自主创新基金2项，企业横向课题多项。参与国家自然科学基金重点项目、预先研究重点项目、教学研究及校企合作课题20余项课题研究。发表SCI、EI收录论文80余篇，其中SCI论文40余篇，JCR一区期刊论文10余篇，H指数11。获授权国家发明专利32项，实用新型专利17项，软件著作权2项。
【联系方式】
成果编号：CG21067
