能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展離不開強(qiáng)有力的能源保障,能源問題是當(dāng)今世界熱點(diǎn)關(guān)注問題之一。為解決能源問題,從環(huán)境中提取能量已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。相對(duì)于太陽能、溫差、風(fēng)能及噪聲等環(huán)境能源,從環(huán)境機(jī)械制動(dòng)中俘獲能量是一種比較理想的模式。

地鐵儲(chǔ)能，就是在地鐵進(jìn)站剎車的時(shí)候，回收能量，并把這部分能量儲(chǔ)存在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪裝置上，等到地鐵列車要出站啟動(dòng)的時(shí)候，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)把能量再輸出到地鐵上。

近日，湘電股份宣布已實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域批量商用化，提供了青島地鐵相關(guān)裝置，也在積極與其他城市軌道交通推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用。

城市的軌道交通，比如地鐵，車站間的距離不長，列車剎車、啟動(dòng)的次數(shù)相對(duì)比較頻繁，列車在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量，往往就被浪費(fèi)掉了。若這部分能源可以回收利用，軌道交通列車制動(dòng)產(chǎn)生的能量，可達(dá)到牽引系統(tǒng)耗能的20%-40%，降低軌道交通的運(yùn)營能耗。國內(nèi)首臺(tái)兆瓦級(jí)的飛輪儲(chǔ)能裝置在青島地鐵3號(hào)線投入使用，這是一套完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

｜什么是飛輪儲(chǔ)能？

飛輪儲(chǔ)能是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能儲(chǔ)存起來，在需要的時(shí)候再用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

地鐵列車通過直流母排提供直流電，直流母排相當(dāng)于地鐵的電源，飛輪系統(tǒng)與直流母排相關(guān)。列車進(jìn)站時(shí)，母排的電壓升高，為飛輪系統(tǒng)提供電能，飛輪系統(tǒng)吸收能量，將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能儲(chǔ)存起來，轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘20000轉(zhuǎn)。列車啟動(dòng)時(shí)，母排電壓下降，飛輪系統(tǒng)釋放能量，把動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，反饋到母排中，供列車使用。

由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)自身有一定的重量，為了減輕列車的負(fù)擔(dān)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)被制成模塊化產(chǎn)品，安裝在各個(gè)地鐵站點(diǎn)。通常情況下，一個(gè)地鐵站點(diǎn)需要配備1-2套飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

地鐵進(jìn)站制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量損耗，而“飛輪”就像是一個(gè)節(jié)能系統(tǒng)，將原先被損耗的能源回收起來，又再次反饋到列車中，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。如果按照三五分鐘一趟地鐵來計(jì)算，每一輛地鐵可節(jié)約3-4度電，一天下來可以節(jié)約500-600度電。保守估計(jì)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以幫助一個(gè)地鐵站點(diǎn)一年大約節(jié)約50萬度電。

飛輪裝置依靠機(jī)械裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，使用壽命長。理論上，飛輪本身可以無限使用，但其中的電子軸承、電力電子器件需要定期維護(hù)和更換。電力電子器件使用10年左右要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，而電子軸承在好的情況下可以正常運(yùn)行20年至30年。

｜飛輪儲(chǔ)能未來發(fā)展空間巨大

飛輪儲(chǔ)能是一種高功率密度、高可靠性、長壽命、環(huán)境友好的儲(chǔ)能技術(shù)，除應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域外，還可應(yīng)用于電力能源、石油化工和船舶等行業(yè)、電網(wǎng)調(diào)頻、UPS不間斷電源等領(lǐng)域，目前市場滲透率仍處于低位，未來發(fā)展空間巨大。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域，作為衛(wèi)星姿控、儲(chǔ)能一體化使用，其關(guān)鍵技術(shù)也逐漸轉(zhuǎn)化到民用領(lǐng)域。根據(jù)中國能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)數(shù)據(jù)，截止至2021 年底，全球飛輪儲(chǔ)能在儲(chǔ)能裝機(jī)中占比僅0.22%，未來發(fā)展空間巨大。

飛輪儲(chǔ)能用于UPS不間斷電源。在電力系統(tǒng)中，存在大量對(duì)電能質(zhì)量要求高的用戶，例如半導(dǎo)體制造業(yè)、銀行的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、醫(yī)院的精密醫(yī)療設(shè)備等。當(dāng)外部電網(wǎng)中斷或供電質(zhì)量異常時(shí)，為確保這些用戶連續(xù)可靠供電，可配備飛輪儲(chǔ)能UPS 不間斷電源。目前，美國Active Power 公司生產(chǎn)的飛輪儲(chǔ)能UPS產(chǎn)品已經(jīng)在全球被各大數(shù)據(jù)中心、電信運(yùn)營商等廣泛采用。國內(nèi)飛輪儲(chǔ)能UPS 產(chǎn)品市場正處于起步階段，國機(jī)重裝生產(chǎn)的200kW飛輪儲(chǔ)能裝臵已在四川移動(dòng)德陽分公司投入使用。

在地鐵等城市軌道交通的運(yùn)營成本中，電費(fèi)占40%左右，列車牽引動(dòng)力占地鐵運(yùn)營總電力成本的45%-60%，其中17%為可回收的再生制動(dòng)能量。未來我國更多的城市有望采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為節(jié)能裝備，市場空間約為204 億元。