鋰電世界 一、大規模發展新能源和推動節能環保亟須發展大容量儲能產業
傳統能源的日益匱乏和環境日趨惡化，極大地促進了新能源的發展，新能源發電的規模也快速攀升。但風電、太陽能發電自身所固有的隨機性、間歇性特征，決定了其規模化發展必然會對電網調峰和系統安全運行帶來顯著影響，必須要有先進的儲能技術作支撐。國外有關研究表明，如果風電裝機占裝機總量的比例在10%以內，依靠傳統電網技術以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網安全;但如果所占比例達到20%甚至更高，電網的調峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰。儲能技術在很大程度上解決了新能源發電的隨機性、波動性問題，可以實現新能源發電的平滑輸出，能有效調節新能源發電引起的電網電壓、頻率及相位的變化，使大規模風電及太陽能發電方便可靠地并入常規電網。
中國新能源大發展在即，對儲能產業有更急迫的現實需求。預計到2020年風電和太陽能發電裝機會突破1.7億千瓦，占全國發電裝機總量的比例會超過15%。但由于目前我國電力系統煤電比例較高，在部分地區又主要是調峰能力差的供熱機組，核電發展很快但卻不能參與調峰，水電、燃氣發電等調峰性能優越的電源所占比例過低，導致現有電力系統接納新能源的能力很弱。再加上我國能源資源所在地多遠離負荷地，不得不實施風電、光電的“大規模集中開發、遠距離輸送”，這更進一步加大了電網運行和控制風險。隨著國內新能源發電規模的快速擴大，電網與新能源的矛盾越來越突出，對儲能的需求更為迫切。
大容量儲能還可提高能源利用效率，為國家節約巨額投資。為應對城市尖峰負荷，電力系統每年都要新增大量投資用于電網和電源后備容量建設，但利用率卻非常低。以上海為例，2004—2006年間，為解決全市每年只有183.25小時的尖峰負荷，僅對電網側的投資每年就超過200億元，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2%。同樣是為了應對尖峰負荷，轉而采用大容量儲能技術，不僅投資會成倍減少，而且由于儲能設施占地少、無排放，其節地、節能、減排的效果是其他調峰措施無法比擬的。
二、全球大容量儲能技術呈多元化發展格局，中國企業已掌握關鍵技術，擁有自主知識產權
全球儲能技術主要有化學儲能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等)、物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)和電磁儲能(如超導電磁儲能等)三大類。目前技術進步最快的是化學儲能，其中鈉硫、液流及鋰離子電池技術在安全性、能量轉換效率和經濟性等方面取得重大突破，產業化應用的條件日趨成熟。鈉硫電池的充電效率已可達到80%，能量密度是鉛酸蓄電池的3倍，循環壽命更長。日本在此項技術上處于國際領先地位，2004年日本在本國Hitachi自動化工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫電池系統，容量是9.6MW/57.6MWh。液流釩電池的基礎材料是釩，該電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、壽命長等優點，已進入商業化階段。鋰離子電池的基礎材料是鋰，已開始在電動自行車、電動汽車等領域應用，近年來由于磷酸亞鐵鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開發與應用，大大改善了鋰離子電池的安全性能和循環壽命，大容量鋰電池儲能電站正逐漸興起。
物理儲能中最成熟也是世界應用最普遍的是抽水蓄能，主要用于電力系統的調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用等。其能量轉換效率在70%—75%左右。目前世界范圍內抽水蓄能電站總裝機容量9000萬千瓦，約占全球發電裝機容量的3%。壓縮空氣技術早在1978年就實現了應用，但由于受地形、地質條件制約，沒有大規模推廣。飛輪蓄能的特點是壽命長、無污染，動態特性好，但超大容量的飛輪，目前技術尚不成熟。電磁儲能技術現在仍很昂貴，還沒有商業化。
三、國外飛輪儲能技術發展現狀
美國、德國、日本等發達國家對飛輪儲能技術的開發和應用比較多。日本已經制造出在世界上容量最大的變頻調速飛輪蓄能發電系統(容量26.5MVA，電壓1100V，轉速510690r/min，轉動慣量710t·m2) 。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統。飛輪重172.8kg, 工作轉速范圍11, 610—46, 345rpm，破壞轉速為48, 784rpm, 系統輸出恒壓110-240V ，全程效率為81%。經濟分析表明，運行3 年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術在美國發展得很成熟，他們制造出一種裝置，在空轉時的能量損耗達到0. 1 %每小時。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統研究。
1、美國宇航局(NASA)Glenn 研究中心及其合作單位
NASA飛輪主要應用于航空航天，以及軍用裝甲車輛上，用途主要是：能量儲存；動力和姿態控制；峰值功率調節等。設計儲能量：300-700W3S;儲能密度44wh/kg；轉速：60000rpm;線速度：不小于880m/s。目標建立和測試大型飛輪儲能系統，目標：儲能密度大于100wh/kg；線速度不小于1260m/s。工作高低轉速比：3：1；放電深度：90%；運行轉速內無臨界模態，后期研究控制模態可能性。
2、Bescon Power 公司
Bescon Power 公司生產的飛輪電池產品用以滿足迅速增長的可靠的、分布式電源需求。建立為通訊應用提供后備電源的商業基礎，估計每年擁有10000套飛輪系統需求。為電信/ 電纜設備提供備用電力供應的20C1000飛輪儲能系統為主。
飛輪采用采用高強度復合材料輪緣，高速、長壽命、無需維護、低損耗永磁偏置主動/被動磁軸承，直流永磁無刷高效率、低損耗電動/發電機，正弦波脈寬調制實現驅動電壓、電流一體化控制的雙向換流器，真空密封，埋入地下，運行狀況可以通過互聯網進行監視。
指標：工作轉速：30000-100000rpm，最高線速度：700m/s，放電深度：90%，電機效率：96%,輸出可用儲量2000wh；輸出電壓為直流36V、48V 或96V，額定輸出功率1kw；輸入電壓120/240 DC，50/60HZ，最大輸入功率kw；轉子重量：68kg,飛輪模塊重量：383kg，電子模塊重量90kg；設計壽命：20年，平均故障間隔時間：10萬小時。
3、Active Power 公司
公司主要生產作為不間斷電源(UPS) 的飛輪電池系統,以取代傳統的鉛- 酸電池,解決當今對于電力品質的高要求。公司產品的應用對象主要是廣大工業用戶,比如:先進的數據中心、工業設備和廣播站等。目前，公司擁有29 項發明專利,主要產品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飛輪材料為4340 鍛鐵,其飛輪轉子與電動/ 發電機、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸去80 %的重量以延長飛輪軸承的壽命和減小損耗。飛輪的工作轉速在7000～7700rpm。工作維持時間為幾十秒到幾分鐘。目前公司飛輪已經產品化出售，并在北京設有辦事處。
4、德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司
德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年著手設計5MWh/100MW超導飛輪儲能電站的概念設計。電站由10個飛輪模塊組成，每個模塊儲能0.5MWh，功率10MW，重30t，直徑3.5m、高6.5m，用同步電動/發電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發電機子模塊、4個碳纖維復合材料制成的轉子模塊和6個SMB子模塊。每個飛輪轉子儲能125kwh，重3t，能量密度42wh/kg,運行轉速為2250-4500rpm，最大外緣線速度600m/s，最大拉應力810Mpa。SMB由YBCO塊材料和稀土鐵棚型高強度永磁材料構成，耗用10t的YBCO塊材和5t的永磁材料。系統效率96%。
5、日本
日本已投資3500 萬美元進行高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能研究，由三菱、日立、精工等公司和多個研究所、高校組成3 個研究組合作承擔。已研制出3 種試驗模型機，并進行了儲能8MW.h 容量1000kW 的飛輪儲能機組的概念設計。日本原子能研究所一座大型核融合實驗爐采用了飛輪儲能發電裝置，其主要參數為：功率235MVA、電壓18kv、電流6898A、飛輪轉速420-600rpm、可釋放能量為020MJ，轉子為碳素鋼鍛造的實心圓盤，重1000t。
四、國內飛輪儲能技術的發展現狀
目前國內從事與飛輪研究相關的單位有:清華大學工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學、北京飛輪儲能柔性研究所(由中科院電工所、天津核工業理化工程研究院等組成) 、北京航空航天大學、南京航空航天大學、中國科大、中科院力學所、東南大學、合肥工業大學等,主要集中在小容量系列，其中，北航針對航天領域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術發明一等獎。華北電力大學和中國科學院電工研究所、河北省電力局合作，已經開始就電力系統調峰用飛輪儲能系統的課題進行研究， 預計能夠取得可喜的成果。
五、結束語
隨著超導技術的發展和高強度復合材料的出現以及電力電子技術的新進展, 開發飛輪儲能技術已經成為可能。從經濟和技術角度看, 飛輪儲能機組作為一種重要的調峰手段分散接入電網是可行的。由于飛輪機組運行控制的靈活性, 可使電力系統的運行可靠性和穩定性得到提高。
飛輪的發展方向及研究熱點：
1) 超大儲能量、大功率飛輪的研制；
2) 進一步降低儲能飛輪系統的功耗；
3) 系統的安全性、可靠性分析；
4) 機電參數匹配問題；
5) 強力充放電系統的穩定性。