基于飞轮的储能系统介绍

在住宅、商业、校园甚至电网级别进行更大规模的储能是一项挑战，没有明确的最佳解决方案。选项包括电化学(电池)、势能(升高的水或重量)、氢(通过燃料电池)、相变材料(熔盐)和机械功(在巨大的水箱或洞穴中压缩/减压空气)几种可能性。

还有通过动能进行的存储，通常以飞轮的形式。这是一项成熟的技术，“在纸面上”看起来非常有前途，但在实践中存在一些非常困难的问题。尽管如此，尽管存在这些挑战和缺点，但正如陈词滥调所说，“希望永远存在”。

简要背景：飞轮储能系统(通常称为 FES 系统或 FESS)的基本原理是一个历史悠久的基础物理学。使用可用能量通过电动机/发电机 (M/G) 旋转转子轮(陀螺仪)，将能量存储在旋转质量中(图 1)。电机/发电机本身、系统控制、功率转换等也需要电子设备;基本的转子组件是系统的核心，但还有更多需要。

旋转质量是基于飞轮的储能和回收系统的核心;虽然这是系统中最具技术挑战性的部分，但还需要大量额外的电子设备。资料来源：MDPI

当由于停电或低迷而需要能量时，M/G 的发电机功能会迅速从该转子汲取能量，这当然会减慢速度;除了瞬态或意外事件外，FES 系统还可用于有计划的长期供应。与其他一些储能方法不同，这种充电/放电循环是可重复的，没有明显的磨损或老化机制。有什么不喜欢的?

挑战和障碍

FESS 设计的最初吸引力是强烈而多样的。事实上，它在 1950 年代至 1970 年代曾作为一些市政公交车的移动电源进行测试，但没有成功，全部退役。在引用的各种原因中，在车间启动/停止传统发动机以检查其性能是一回事，而必须旋转转子并等待是另一回事。甚至有人谈论在带有小型燃气发动机的普通汽车中使用 FESS 来旋转转子，即使汽车没有移动。然而，即使增加了安全外壳，人们也不愿意在后备箱中使用旋转转子，这也增加了自重。然后是陀螺仪引起的处理问题。

尽管具有第一眼的吸引力，但基于飞轮的储能仍存在多个重大挑战。存储的能量与转子轮的转动惯量和转速的平方成正比，因此您希望转速相当高：50 到 100k rpm 是不常见的。由于转子上存在明显的材料应力，因此对微观故障和宏观灾难的短期和长期影响是显着的。

转子在其中旋转的腔室需要抽真空，因为空气引起的摩擦会使转子过热。传统的滚珠或其他机械轴承也无法使用，因此使用了主动闭环磁悬浮轴承。甚至还有二阶效应，例如由于地球自转而在转子轴上产生的弯矩，因此一些装置将旋转轴与地球轴对齐。

设计案例研究

有一些成功的安装，也有一些不成功的。小空间内的所有动能都是潜在的“爆炸”，因此整个转子组件需要放在一个超强的外壳中。使用其固有惯性控制转子轮的加速和减速——有利于存储指标，但不利于控制和安全——意味着电子设备也必须相当复杂。

即便如此，坏事还是会发生。2011 年，Beacon Power 的一个广受好评的系统在启动后不久就遭遇了其 700 个转子组件中的两个的灾难性故障。分解转子的不平衡触发了自动水冷系统，水过热变成蒸汽并引起爆炸，幸运的是，爆炸被包含在防护罩内。

启动后不久，这个 200 个单元的飞轮存储系统遭遇了两个 7 英尺高、3,000 磅的飞轮以 16,000 rpm 的转速旋转的重大故障。资料来源：时代联合

那么，我们该何去何从?尽管存在许多挑战和障碍，FESS 的设计仍然很有吸引力，因为社区声称有创新和突破。例如，位于德克萨斯州的初创公司Revterra表示，它已经克服了 FESS 的缺点，使飞轮能够长期储存能量。

Revterra 的一个小型演示系统声称已经解决了现有基于飞轮的系统的三个主要问题。资料来源：Revterra

该公司声称在三个关键领域取得了进展。首先，改进了转子的金属和复合材料，因此它可以以更高的速度旋转而不会出现故障。其次，低损耗电动机/发电机基于先进的磁阻原理。第三，无源磁轴承装置基于高温超导体 (77 K/-196⁰C)。简而言之，这一切在现实中变得相当复杂。毕竟，我们现在应该拥有超导电力线，但这并没有成功。

Revterra 方法听起来很有希望，但我们之前曾使用 FESS。FESS 设计最终会成为短期和长期储能的可行选择吗?它们会永远成为“下一件大事”和“指日可待”，有点像利用核聚变发电吗?” 他们会在一定容量的应用中占有一席之地，例如住宅或办公楼，还是他们在校园和电网层面的真正机会?他们是否会继续遇到将其使用限制在少数特定情况下的问题(如果有的话)?

我不知道，谁也不知道。有时，好的想法在反复尝试使它们发挥作用后最终会消失;有时，他们终于有了突破。我知道所有高密度储能方法都有其固有的危险，而且似乎公众对某些方法比其他方法更满意。即使在地下加固的拱顶中，以数万转/分的速度在附近旋转的巨大转子的想法是否令人无法接受?

五年或十年后再回来看看，答案可能会更清楚——也可能不会。