基于飛輪的儲(chǔ)能系統(tǒng)介紹

在住宅、商業(yè)、校園甚至電網(wǎng)級(jí)別進(jìn)行更大規(guī)模的儲(chǔ)能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，沒有明確的最佳解決方案。選項(xiàng)包括電化學(xué)(電池)、勢(shì)能(升高的水或重量)、氫(通過(guò)燃料電池)、相變材料(熔鹽)和機(jī)械功(在巨大的水箱或洞穴中壓縮/減壓空氣)幾種可能性。

還有通過(guò)動(dòng)能進(jìn)行的存儲(chǔ)，通常以飛輪的形式。這是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，“在紙面上”看起來(lái)非常有前途，但在實(shí)踐中存在一些非常困難的問題。盡管如此，盡管存在這些挑戰(zhàn)和缺點(diǎn)，但正如陳詞濫調(diào)所說(shuō)，“希望永遠(yuǎn)存在”。

簡(jiǎn)要背景：飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(通常稱為 FES 系統(tǒng)或 FESS)的基本原理是一個(gè)歷史悠久的基礎(chǔ)物理學(xué)。使用可用能量通過(guò)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī) (M/G) 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子輪(陀螺儀)，將能量存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中(圖 1)。電機(jī)/發(fā)電機(jī)本身、系統(tǒng)控制、功率轉(zhuǎn)換等也需要電子設(shè)備;基本的轉(zhuǎn)子組件是系統(tǒng)的核心，但還有更多需要。

旋轉(zhuǎn)質(zhì)量是基于飛輪的儲(chǔ)能和回收系統(tǒng)的核心;雖然這是系統(tǒng)中最具技術(shù)挑戰(zhàn)性的部分，但還需要大量額外的電子設(shè)備。資料來(lái)源：MDPI

當(dāng)由于停電或低迷而需要能量時(shí)，M/G 的發(fā)電機(jī)功能會(huì)迅速?gòu)脑撧D(zhuǎn)子汲取能量，這當(dāng)然會(huì)減慢速度;除了瞬態(tài)或意外事件外，F(xiàn)ES 系統(tǒng)還可用于有計(jì)劃的長(zhǎng)期供應(yīng)。與其他一些儲(chǔ)能方法不同，這種充電/放電循環(huán)是可重復(fù)的，沒有明顯的磨損或老化機(jī)制。有什么不喜歡的?

挑戰(zhàn)和障礙

FESS 設(shè)計(jì)的最初吸引力是強(qiáng)烈而多樣的。事實(shí)上，它在 1950 年代至 1970 年代曾作為一些市政公交車的移動(dòng)電源進(jìn)行測(cè)試，但沒有成功，全部退役。在引用的各種原因中，在車間啟動(dòng)/停止傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)以檢查其性能是一回事，而必須旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子并等待是另一回事。甚至有人談?wù)撛趲в行⌒腿細(xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的普通汽車中使用 FESS 來(lái)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，即使汽車沒有移動(dòng)。然而，即使增加了安全外殼，人們也不愿意在后備箱中使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，這也增加了自重。然后是陀螺儀引起的處理問題。

盡管具有第一眼的吸引力，但基于飛輪的儲(chǔ)能仍存在多個(gè)重大挑戰(zhàn)。存儲(chǔ)的能量與轉(zhuǎn)子輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此您希望轉(zhuǎn)速相當(dāng)高：50 到 100k rpm 是不常見的。由于轉(zhuǎn)子上存在明顯的材料應(yīng)力，因此對(duì)微觀故障和宏觀災(zāi)難的短期和長(zhǎng)期影響是顯著的。

轉(zhuǎn)子在其中旋轉(zhuǎn)的腔室需要抽真空，因?yàn)榭諝庖鸬哪Σ習(xí)罐D(zhuǎn)子過(guò)熱。傳統(tǒng)的滾珠或其他機(jī)械軸承也無(wú)法使用，因此使用了主動(dòng)閉環(huán)磁懸浮軸承。甚至還有二階效應(yīng)，例如由于地球自轉(zhuǎn)而在轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生的彎矩，因此一些裝置將旋轉(zhuǎn)軸與地球軸對(duì)齊。

設(shè)計(jì)案例研究

有一些成功的安裝，也有一些不成功的。小空間內(nèi)的所有動(dòng)能都是潛在的“爆炸”，因此整個(gè)轉(zhuǎn)子組件需要放在一個(gè)超強(qiáng)的外殼中。使用其固有慣性控制轉(zhuǎn)子輪的加速和減速——有利于存儲(chǔ)指標(biāo)，但不利于控制和安全——意味著電子設(shè)備也必須相當(dāng)復(fù)雜。

即便如此，壞事還是會(huì)發(fā)生。2011 年，Beacon Power 的一個(gè)廣受好評(píng)的系統(tǒng)在啟動(dòng)后不久就遭遇了其 700 個(gè)轉(zhuǎn)子組件中的兩個(gè)的災(zāi)難性故障。分解轉(zhuǎn)子的不平衡觸發(fā)了自動(dòng)水冷系統(tǒng)，水過(guò)熱變成蒸汽并引起爆炸，幸運(yùn)的是，爆炸被包含在防護(hù)罩內(nèi)。

啟動(dòng)后不久，這個(gè) 200 個(gè)單元的飛輪存儲(chǔ)系統(tǒng)遭遇了兩個(gè) 7 英尺高、3,000 磅的飛輪以 16,000 rpm 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的重大故障。資料來(lái)源：時(shí)代聯(lián)合

那么，我們?cè)摵稳ズ螐?盡管存在許多挑戰(zhàn)和障礙，F(xiàn)ESS 的設(shè)計(jì)仍然很有吸引力，因?yàn)樯鐓^(qū)聲稱有創(chuàng)新和突破。例如，位于德克薩斯州的初創(chuàng)公司Revterra表示，它已經(jīng)克服了 FESS 的缺點(diǎn)，使飛輪能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量。

Revterra 的一個(gè)小型演示系統(tǒng)聲稱已經(jīng)解決了現(xiàn)有基于飛輪的系統(tǒng)的三個(gè)主要問題。資料來(lái)源：Revterra

該公司聲稱在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得了進(jìn)展。首先，改進(jìn)了轉(zhuǎn)子的金屬和復(fù)合材料，因此它可以以更高的速度旋轉(zhuǎn)而不會(huì)出現(xiàn)故障。其次，低損耗電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)基于先進(jìn)的磁阻原理。第三，無(wú)源磁軸承裝置基于高溫超導(dǎo)體 (77 K/-196?C)。簡(jiǎn)而言之，這一切在現(xiàn)實(shí)中變得相當(dāng)復(fù)雜。畢竟，我們現(xiàn)在應(yīng)該擁有超導(dǎo)電力線，但這并沒有成功。

Revterra 方法聽起來(lái)很有希望，但我們之前曾使用 FESS。FESS 設(shè)計(jì)最終會(huì)成為短期和長(zhǎng)期儲(chǔ)能的可行選擇嗎?它們會(huì)永遠(yuǎn)成為“下一件大事”和“指日可待”，有點(diǎn)像利用核聚變發(fā)電嗎?” 他們會(huì)在一定容量的應(yīng)用中占有一席之地，例如住宅或辦公樓，還是他們?cè)谛@和電網(wǎng)層面的真正機(jī)會(huì)?他們是否會(huì)繼續(xù)遇到將其使用限制在少數(shù)特定情況下的問題(如果有的話)?

我不知道，誰(shuí)也不知道。有時(shí)，好的想法在反復(fù)嘗試使它們發(fā)揮作用后最終會(huì)消失;有時(shí)，他們終于有了突破。我知道所有高密度儲(chǔ)能方法都有其固有的危險(xiǎn)，而且似乎公眾對(duì)某些方法比其他方法更滿意。即使在地下加固的拱頂中，以數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)/分的速度在附近旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)子的想法是否令人無(wú)法接受?

五年或十年后再回來(lái)看看，答案可能會(huì)更清楚——也可能不會(huì)。