国产“风火轮”，或成储能最佳方案！

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导语：全球首个二氧化碳+飞轮储能示范项目在四川德阳试运行，能在两小时内存够两万度电，足够六十多个家庭使用一个月。整个“充放电”过程都不会产生任何废弃物，是飞轮储能这一理论落地的突破性进展。

一、技术进步推动飞轮储能进入“临界点”

飞轮储能是一种比较传统的物理储能方式，原理也很简单，利用飞轮的转动作为储能的介质：在充能阶段，电能通过电机带动飞轮加速转动，以飞轮上动能的形式把能量储存起来；在放能阶段，高速旋转的飞轮利用自身的动能拖动电机来重新发电，系统通过控制飞轮的转速来控制电能与动能的转换输出。

飞轮储能装置结构图

飞轮储能的思想早在一百年前就有人提出，但是由于各个方面技术条件的制约，在很长时间内都没有实质性突破。主要是由于三方面的问题：

作为飞轮储能的核心，对转子材料的性能要求严苛，越高的转速带来越高的储能极限，但高转速却极大考验了转子材料的力学性能。如果极高转速带来转子的形变，则会降低效率，而基于高强度碳纤维复合材料的转子提高了材料的极限，相比于之前的合金材料，它能够极大增加单个转子的动能储量。

碳纤维转子极大提升了储能极限

转子在极高转速过程中，受到的阻尼越大（时间越长），则这套系统所做的无用功越多，储能效率越低。过去的转子基于轴承，物理摩擦造成的损耗很大，此外空气本身的阻尼也会消耗存储的动能。随着磁悬浮稳定（磁支撑）技术和真空技术的发展和普及化，飞轮转子的机械摩擦损耗和空气阻尼损耗已经最大程度地下降。

人类的电控技术在新世纪以来得到了极大的发展。在信息化系统的加持下，能够精准地控制充放电及其对应的转子动能，避免了过去只能“满充满放”的问题。其响应速度已经达到了毫秒级，作用在电网上，能够使得充放电策略能够更加灵活。

飞轮储能系统工作原理

人类其他方面技术的进步使飞轮储能从理论变为了现实。总体来看，相关技术的普及化已经让飞轮储能突破了工程化和商业化的临界点，而我国在该技术的推广中无疑占得了先机。

二、电力“削峰填谷”要靠它

我国的电网系统是全世界最大的电网系统，如何保障国民生产生活中的电力供应，同时减少电量的浪费是一个永恒的课题。清洁能源是大势所趋，但是它天生的不稳定性需要通过一块巨大的“海绵”来平衡，如何让电能尽可能多地留在电网中需要众多方法来实现。为了兼顾清洁和高效，电网中必须配备足够“削峰填谷”的储能手段。

“削峰填谷”需要依赖大量储能装置

传统的储能方式主要是基于电池，具有制造和维护成本高、污染大、能量密度低、安全性差、充放电速度慢等劣势。以上的种种原因使得我国着力探索更高效的物理储能方案。

飞轮储能被视作最具发展前途的短时大功率储能技术之一，在实验室条件下能做到约10kW/kg的功率密度，大约是传统锂电池的三十倍。它具有充放电迅速、工作效率高、使用寿命长、储能密度高等优点，同时它的内部没有任何化学反应、安全性高、整体系统相对小巧，相比于电池储能更不受地理条件限制，修建和维护更方便。由于不同的原理，它可以轻松实现大功率的快速充放电，飞轮储能在电力系统快速负荷的消纳上具有独特优势，突破了化学能的极限。相对而言，电池的充放电则有功率上的限制。因此对于电网调控来说，飞轮储能能够有效平滑电网波动性，解决间歇性的用电峰谷，实现电网安全稳定运营，这条技术路线的上限要高得多。

三、大功率电磁技术与之息息相关

在军事领域，技术领先的强国也同样在探索飞轮储能方案的应用。传统的化学能方案都有一个功率极限，一旦能量的爆发功率超出了这一个极限，就面临着成本和可靠性的问题，甚至在理论上都无法实现，而军事装备通常都对重量和体积敏感，因此寻找大能量密度、大输出功率的方案是一个亟待解决的问题。

我国正加紧研发电磁炮

结合军事装备的使用场景来看，飞轮这种储能装置具备很大的应用前景，它的检修成本低、寿命高、充放电速度快，对运行环境和温度完全不敏感，极端条件下可靠性高。例如中美都在着力发展的航母电磁弹射和战舰电磁炮方面的技术，能够克服传统方案的很多先天问题，但都需要动用超越传统方法理论极限级别的功率：航母电磁弹射器做功一次的瞬间输出超过六万千瓦，基本相当于万吨驱逐舰峰值功率；电磁炮发射的时间极短，但瞬间功率更为惊人，超过三百万千瓦，基本相当于一个大型水电站的瞬间发电功率。

类似的电磁装置的瞬间功率都超过了普通电网的极限，为了实现瞬间的强大放电能力，海军先进国家均采用了飞轮作为储能方案保障电磁装置工作。

我国“福建”号的电磁弹射装置上配备了飞轮储能系统，充分满足了峰值功率的输出要求（为美国电磁弹射系统的两倍）。飞轮储能能量利用效率更高、启动时间更快，有了飞轮储能提前储存电能，舰载机可以在需要时快速升空。且储能飞轮的寿命至少可以满足几十万次充放电循环，其寿命远超传统的蒸汽弹射方案，是质的突破。

航母电磁弹射装置可使用飞轮储能系统

结语：

乘着新技术的“东风”，飞轮储能这一超过百年的理论设计越来越多地被实际应用，开始走进人们的生活中。在政策的支持下，飞轮储能这项高效储能技术正被积极研发、逐步推广，应用于电网“削峰填谷”的节奏有望持续加快。我们有理由相信，飞轮储能方案在未来会更多地被应用在高端领域中。