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华北电力大学能源动力与机械工程学院教授柳亦兵接受《中国科学报》专访

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    8月19日,作为飞轮储能行业的知名企业北京泓慧国际能源发展有限公司飞轮科技实验过程中,实验设备意外脱落,造成3死1重伤3轻伤的事故。这次事故让“飞轮储能”这一相对小众的物理储能技术引起了公众关注。

     与以往我们熟悉的电池等化学储能不同,飞轮储能是一种历史悠久的物理储能方式,原理极其简单,即利用旋转体高速旋转时的动能实现能量存储,但其工程实现又十分复杂,存在一定的安全风险。为此,华北电力大学能源动力与机械工程学院教授柳亦兵接受了《中国科学报》的专访。

     柳教授解释道,飞轮储能系统的旋转体由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机既是电动机,又是发电机。作为电动机可以驱动飞轮加速旋转,将电能转换成动能,进行“充电”;作为发电机又可将动能转换成电能,降低飞轮转速,进行“放电”。就像“陀螺”,给它施加外力就会以一定的速度旋转起来;如果不抽它,也不会立刻停止,而是过一段时间,等能量消耗完了再停下。飞轮转子的动能等于1/2倍的转动惯量乘以转速的平方。即飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比,与转子最高转速的平方成正比。所以,提高飞轮储能量的技术途径,一是提高转子的转动惯量,二是提高飞轮转子的转速。

    柳教授进一步解释道,作为一种物理储能方式,飞轮储能是通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储,因此并没有燃烧和爆炸的风险,但却存在飞轮转子脱落等安全隐患。“高速飞轮转子采用复杂的轴承支撑结构,轴向主要采用磁悬浮轴承支撑,将转子悬浮在真空中运行,减小转子旋转的能量损耗。”柳教授告诉记者,“转子在高速旋转状态下,如果发生轴承失效,转子从悬浮状态中脱落,可能与底部或外壳结构发生剧烈接触摩擦,消耗转子动能,造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒,产生次级危害。”

    柳教授强调,当飞轮转子发生超速事故时,转子内部应力超过材料强度极限,导致转子部件内部产生裂纹损伤,极端情况下转子会发生爆裂,引发严重的安全事故。

柳教授认为,飞轮储能系统应配置转速监测和安全保护系统,使发生转子爆裂事故的风险降至最低并且可以加以监控。同时强调,飞轮储能单元的外壳和基础设计应具有安全裕度,特别是对于大容量功率型飞轮储能产品,基础结构应尽量采取地井结构形式,将飞轮储能本体设备放置在钢筋混凝土结构的地井中,万一发生转子爆裂故障,也可以发挥安全防护作用,就地消纳能量,有效避免发生次生事故。

    柳教授继续谈到,“飞轮储能的充放电速率取决于双向电机的额定功率,额定功率越大,充放电速率越高,可以实现快速充放电。由于飞轮充放电过程是飞轮转子加速和减速的物理过程,因此可以通过配置较大额定功率的电机,实现能量快速充放,这是飞轮储能的突出优势。”不仅如此,飞轮储能还具有超多循环充放次数和超长使用寿命,充放电循环次数可达100万次,使用寿命超过20年。此外,飞轮转子转速和储能量成精确关系,飞轮储能系统可以实现飞轮转子转速精确测量和控制,通过将多个飞轮储能单元组成阵列,实现较大容量的能量快速精确充放。

    柳教授坦言,飞轮储能产品的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或最高转速。对于储能量较小的飞轮储能产品,技术上相对容易实现。但是对于大容量功率型飞轮储能产品,当飞轮转子的转动惯量和最高转速超过一定数值,就会面临许多技术瓶颈。然而,飞轮储能在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势,可以广泛应用于电网独立调频、火电+储能、新能源(风光)+储能、微电网及综合能源等,具有广阔发展前景。除了电力系统,大容量功率型飞轮储能也可以在其他电能快充快放领域发挥更大作用。“目前,我国在这些关键技术领域的研究积累不足,限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发。”

    柳教授建议,国家一方面应该在关键技术研发领域加大投入,通过精准资助国内从事该类产品生产的企业,与从事相关研究的高校深入开展校企合作,突破技术瓶颈,不断提升产品技术水平,实现科技成果真正落地示范,为新型电力系统提供高可靠性、性能优质的飞轮储能产品;另一方面,应尽快明确储能在电力系统的定位,根据承担的辅助服务业务,制定合理细化的收益支持政策,使从事储能的厂商具有可以预期的投入产出效益,促进储能事业的健康发展。


柳亦兵1999年毕业于德国汉诺威大学机械工程专业,获博士学位。华北电力大学能源与动力工程学院教授,动力机械及工程专业博士生导师。

主要从事机械设备动态特性分析与故障诊断、机电系统状态监测与控制等领域研究工作,曾主持或参加过原水电部八五科技攻关项目"火电厂噪声综合治理"、德国政府研究项目(SFB261"火电厂设备故障诊断"和SFB1761"高性能零件精密锻造技术-精密锻造齿轮加工过程监测与运行状态评估")、教育部重点项目"大型风电机组先进控制相关技术研究"及其它大型旋转机械振动监测与故障诊断等方面的工业项目多项。在机械系统故障机理与诊断方法、火电厂和核电厂大型旋转机械设备振动监测与故障诊断技术、先进工业检测技术与系统等方面具有丰富的研究积累,完成研究著作1部,发表研究论文40余篇



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