又到了使用飞轮储能系统的时候了吗?
文章作者:Bill Schweber
基于飞轮的储能技术在理论上看起来很有前景，但在实际应用中存在一些非常困难的问题。
在住宅、商业、校园甚至电网层面进行大规模的能源储存是一个挑战，目前还没有确定的最佳解决方案。选择包括电化学(电池)，势能(升高的水或重量)，氢(通过燃料电池)，相变材料(熔融盐)，机械工作(在巨大的储罐或洞穴中压缩/减压空气)，举几个例子。
也可以通过动能储存，通常是飞轮的形式。这是一项已经确立的技术，“理论上”看起来很有前途，但在实践中存在一些非常困难的问题。然而，尽管有这些挑战和缺点，正如cliché所言，“希望是永恒的”。
简要的背景:飞轮储能系统的基本原理(通常称为FES系统或fess)是一个建立已久的基础物理学。利用可用的能量通过电动机/发电机(M/G)使转子轮(陀螺)旋转，发电机将能量储存在旋转的质量中(图1)．电机/发电机本身、系统控制、功率转换等也需要电子学;基本的转子组件是系统的核心，但还需要更多的组件。
图1旋转质量是飞轮储能回收系统的核心;虽然这是该系统最具技术挑战性的部分，但仍需要大量额外的电子设备。来源:MDPI
当由于停电或衰退而需要能量时，M/G的发电机功能迅速从转子吸取能量，当然减速;FES系统还可以用于计划的、长期的供应，以及瞬变或意外事件。与其他一些能量存储方法不同，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。有什么理由不喜欢呢?
挑战和障碍
FESS设计的最初吸引力是强大而多样的。万博投注网址事实上，在20世纪50年代到70年代，它曾被测试为一些市政公交车的移动电源，但没有一个成功，所有的都已退休。在列举的各种原因中，在工厂里启动/停止常规发动机检查其性能是一回事，而不得不向上/向下旋转转子并等待又是另一回事。甚至有人说，在装有小型燃气发动机的普通汽车上使用FESS，即使在汽车不动时也能使转子旋转。然而，人们不舒服的想法，一个旋转的转子在后备箱，即使增加了安全外壳，这也增加了自重。然后是陀螺仪引起的操作问题。
尽管飞轮储能乍一看很有吸引力，但它面临着多重挑战。储存的能量与转轮的惯性矩和转速的平方成正比，所以你想要转速相当高:50到100k rpm并不常见。由于转子上明显的材料应力，对微观失效和宏观突变的短期和长期影响是显著的。
转子旋转的腔必须是真空的，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生存，因此采用主动闭环磁悬浮轴承。甚至还有二阶效应，如由于地球自转而产生的转轴弯矩，因此一些装置使旋转轴与地轴对齐。
设计案例研究
有一些成功的安装，也有一些不成功的。所有的动能在一个小空间是一个潜在的“爆炸”，所以整个转子组件需要在一个超强的外壳。用固有惯性控制转轮的上、下自旋——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，信标电力(Beacon Power)一个广受赞誉的系统在启动后不久，其700个转子组件中的两个发生了灾难性故障。图2)．解体的转子的不平衡触发了自动水冷却系统，水过热变成蒸汽，并引起了爆炸，所幸爆炸被控制在保护壳内。
图2在启动后不久，这个200单元的飞轮存储系统就遭受了两个7英尺高、3000磅重、转速16000转的飞轮的重大故障。来源:联合时报》
那我们接下来该怎么办?尽管有许多挑战和障碍，FESS设计仍然具有吸引力，共产党要求创新和突破。万博投注网址例如,Revterra该公司表示，他们已经克服了FESS的缺点，使飞轮能够长期储存能量(图3)．
图3Revterra公司的一个小规模演示系统声称已经解决了现有飞轮系统的三个主要问题。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发生故障。第二，低损耗电机/发电机是基于先进的磁阻原理。第三，一种基于高温超导体(77 K/-196⁰C)的被动磁轴承装置。简而言之，现实中一切都变得相当复杂;毕竟，我们现在应该有超导电线了，但那没有成功。
Revterra的方法听起来很有前途，但我们以前用过FESS。FESS设计最终会成万博投注网址为短期和长期能源储存的可行选择吗?它们会永远是“下一个大事件”和“即将到来”吗?就像核聚变发电一样?它们是否会在具有一定能力的应用(如住宅或办公楼)中占有一席之地，或者它们真正的机会是在校园和网格层面?如果有的话，它们是否会继续存在限制其使用的问题?
我不知道，谁也不知道。有时候，好的想法在反复尝试后最终会消失;有时，他们终于有了突破。我知道所有高密度能源储存方法都有其固有的危险，而且公众似乎对其中一些更满意。即使是在一个地下加固的拱顶里，附近以数万转/分的速度旋转的巨大转子会让人无法接受吗?
5年或10年后再来看看，答案可能会更清晰——也可能不会。
这篇文章最初发表于经济日报．
比尔Schweber是一位EE作者，他撰写了三本教科书、数百篇技术文章、观点专栏和产品特性。
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