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飞轮储能系统概述

1飞轮储能产品结构及工作原理

飞轮储能技术是利用互逆式双向电机（电动/发电机）实现电

能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的一种储能技术。

飞轮储能系统除了飞轮转子以外，还必须拥有电磁悬浮轴承、

高速永磁同步电动/发电机、电力电子整流逆变控制装置、真空室

及真空维持系统等五大部分组成，用以保证储能飞轮转子系统在

无摩擦、无磨损的环境中高效运转。

图1飞轮储能装置结构示意图

飞轮转子是飞轮储能系统的关键核心部件。目前市场上较为常

见的是钢制飞轮，采用碳纤维材料制造的飞轮转子比较少，主要原

因是碳纤维飞轮设计存在比较大的技术难度，再加上国内目前技术

开发能力主要是模仿、引进、消化国外技术，真正能做到自主研发

的企业不多。常见飞轮外形分为轮式、盘式或柱式等。

电磁悬浮轴承是飞轮转子系统的支承部件，这种支承方式的主

要特点是无摩擦、无损耗、高效率。可以显著降低飞轮储能过程中

的自耗电能量损失。

电动/发电机是一种可逆高速永磁同步电机，即具有电动机和发

电机双重功能。当由外部电力接入时，电机可以拖动飞轮升速达到

最大储能转速，到达这个转速即表示飞轮储能充电完成（充满了

电）。此时切断外部电源，电能已经转化成了机械能保持惯性高速

旋转。当外部有负载接入时，高速永磁同步电机在飞轮机械转矩的

作用下对外发电。电机的电动/发电状态是通过电力电子整流逆变控

制装置来实现的。真空室及真空维持系统主要作用是为飞轮提供真

空环境以降低风阻损耗。

飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存

储起来的装置。它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。

充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能

的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转

速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化

为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实

现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断

降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时

既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能

量保持不变。由此，整个飞轮系统实现了能量的输入、输出以及存

储。

2飞轮储能系统分类

从产品技术上看，根据转子旋转速度、转子材料选择、轴承类型

的不同，飞轮储能系统有多种不同的分类方式。其中根据飞轮储能系

统中飞轮转子旋转速度的不同，飞轮储能系统分为中低速飞轮储能系

统及高速飞轮储能系统两大类；根据飞轮轴系轴承的不同，飞轮分为

机械轴承飞轮储能系统、磁悬浮轴承飞轮储能系统和组合式轴承飞轮

储能系统等；根据飞轮转子材料的不同，飞轮分为复合材料转子飞轮

以及金属材料飞轮两大类。

另外还可以根据飞轮应用场景不同，将飞轮储能产品分为能量型

飞轮储能技术及功率型飞轮储能技术。

功率型飞轮储能产品特点是单体飞轮储能电池容量小，功率大，

充放电时间短。从目前调研的产品参数来看，最大单体容量在50千

瓦时，充放电时间不超过20分钟，这种参数非常适用于数据中心应

急电源应用，在市电断电，柴发还未达到供电要求之间的十几分钟作

为电源补充。

而能量型飞轮储能产品特点是单体飞轮储能电池容量大，功率小，

充放电时间达到1-2小时，小时级别的充电时长更适用于新能源电站

入网的要求。能量型飞轮储能产品的技术难点在于大容量飞轮的设计

与制造，目前普遍采用的钢制飞轮因其能量密度低，并不适用，必须

要采用碳纤维飞轮，而大容量碳纤维飞轮设计技术之前国内外并没有

攻克。

3飞轮储能技术特点

目前大规模电储能以抽水储能为主，各种正在研发的新型储能技

术具有良好的应用前景，如飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能、

压缩空气储能、锂离子电池、液流电池和钠硫电池储能等。

电能存储按容量可分为长时大能量、短时高功率两种，长时大容

量的抽水储能电站可以在电网规模上提供数小时的电能供给；而短时

高功率的飞轮储能可为高端用户端提供高品质不间断电能供给。高品

质电能供给、过渡电源、能源管理对储能时间尺度分别为秒分、分时

和数小时。

各种储能方式的技术对比下表所示。从中可以看出，飞轮储能具

有效率高（达90%）、瞬时功率大（单台兆瓦级）、响应速度快（数

毫秒）、使用寿命长（10万次循环和15年以上）、