飞轮储能的优势与不足
陀螺我们小时候都玩过，只要给予它一些启动的能量，就能在一个平面上转动很久。其实早在上世纪五十年代，瑞士的工程师就利用类似的原理，制造了一个电能驱动的大陀螺并用于储存能量。这种飞轮储能技术在过去的几十年间有了长足的发展，并且一直具有很强大的生命力。
（来源：电影《盗梦空间》）
简单来说，飞轮储能是利用高速旋转的飞轮将电能以动能形式储存起来，在需要时飞轮反向带动电机并输出电能的能量储存装置。典型的飞轮储能系统的基本结构如下图所示, 主要由五部分组成：飞轮转子、支撑轴承、高速电机、双向变流器、真空室。
飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，主要为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速以及飞轮储能装置的效率。同时电机和飞轮都被密封在一个真空容器内以降低运行时的空气阻力。为了降低成本，也为了让系统更加一体化，发电机和电动机通常公用一台，通过轴承直接和飞轮连接在一起。由于飞轮的能量和转速有关，充放过程中也伴随着变速，所以飞轮和电网之间还必须通过变流器来连接。
（来源：华中大电气研究生微信号）
飞轮储能的优点
和目前讨论较多的化学能电池不同，飞轮储能是用物理方法储存电能，其大类下还有抽水蓄能和压缩空气储能两种。对比其他储能技术，飞轮储能主要有以下几种优势：
1. 寿命长
使用寿命超过20年，循环寿命非常长，是目前所有储能技术中寿命最长的技术之一。
2. 绝对能量密度和功率密度高
能量密度通常在15到100 Wh/kg之间，随着新材料和新技术的发展，目前先进的飞轮储能能量密度已经超过了150 Wh/kg。功率密度根据电机大小及应用场景有很大差别，最高功率密度可以超过10 kW/kg。
3. 充放效率高
充放效率超过90%，超过几乎所有化学电池的充放效率。
4. 适应性强
对工作温度和运行环境没有太大要求，适应性非常强。
应用于太空的飞轮储能设备（来源：NASA）
5. 启动速度快
启动速度在毫秒级，在所有储能系统中排名前列。
6. 无污染
飞轮储能制造和运行过程中都没有污染，环境友好。
飞轮（来源：www.energieleben.at）
7. 维护成本低
运行时几乎没有损耗，维护成本较低。
8. 模块化
利用最新技术可以将飞轮的体积做得非常小，根据需要可以将许多小模块连接在一起。
模块化的飞轮储能设备（来源：FactSheetmechanisch Schwungradspeicher）
飞轮储能的缺点
当然飞轮储能也有一些缺点：
1. 静态损失较大
由于飞轮在充电状态必须保持几万转的高速旋转状态，自放电率高。一般每个充满状态下静态损失超过10%/小时。
2. 相对能量密度低
由于大多数应用场景的功率密度要求较高，飞轮储能一般只能保持几秒到几分钟的放电，相对能量密度较低。
飞轮储能的应用场景
可见，飞轮储能的优缺点明显，有着其他储能设备无法替代的特点。在这些特点下，飞轮储能也已经有了很多成熟的应用场景：
1. 不间断电源
由于启动速度快，稳定可靠，飞轮储能可以用于不间断电源的构建。在对电能质量要求非常高的工厂和医院，都可以利用飞轮储能搭建UPS系统。目前，飞轮储能在这一领域正在逐渐替代铅酸电池。
2. 太空
在太空中，环境相对恶劣，飞轮储能的应用场景更多。且飞轮储能一次充电可以提供同重量化学电池的两倍功率，同负载的使用时间为化学电池的3-10倍。同时，因为它的转速是可测可控的，可以更精准方便地查看电量的多少。
3. 交通运输
在不少交通工具中，飞轮储能的应用已经非常广泛，在火车、公交和不少轿车的刹车以及启动过程中，飞轮能够平滑发动机的出力，节省燃料消耗。
4. 风电系统辅助电池
风电系统通常都有着间歇性大、发电不稳定的特点，飞轮储能能够很好地平抑风电系统的不稳定出力，让风场的运行更平稳，也能够在未来直接通过风电场给用户提供可靠的电源。
目前，飞轮储能系统越来越多地得到行业的重视，很多技术正在逐渐从航空和军事领域转移到民用领域。在许多储能系统的应用导致一系列的环境问题时，飞轮储能的优势将具备更大的价值。
参考资料：
1．华中大电气研究生微信号
2．TechnologischerÜberblick zur Speicherung von Elektrizität, ISEA RWTH Aachen
3．https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/oekostrom/energiespeicher.html
