飞轮（动力）储能装置如何布置和工作

FES是flywheel energy storage的简称，意思是利用飞轮进行储能。这意味着当一个巨大的轮子高速旋转时，机械能以动能的形式积累和储存。

这样积累的机械能随后可以转化为电能，为此飞轮系统与能够在电动机和发电机模式下运行的可逆电机相结合。

当需要储存能量时，电机用作电动机并使飞轮旋转到所需的角速度，同时消耗来自外部来源的电能，实际上是将电能转换为机械（动能）能。当需要将存储的能量转移到负载时，电机进入发电机模式，并在飞轮减速时释放机械能。

基于飞轮的最先进的储能系统具有相当高的功率密度，可以与传统的储能系统竞争。

基于超级飞轮的动力电池装置，其中旋转体由高强度石墨烯带制成，被认为在这方面特别有前途。这种存储设备每 1 千克质量可以存储高达 1200 W * h（4.4 MJ！）的能量。

超级飞轮领域的最新发展已经让开发人员放弃了使用整体式驱动器的想法，转而使用危险性较低的皮带系统。

事实上，单片系统在紧急破裂的情况下是危险的，并且可以积累更少的能量。断裂时，胶带不会散成大片，只是部分断裂；在这种情况下，皮带的独立部分通过摩擦外壳的内表面来停止飞轮，并防止其进一步损坏。

由缠绕带或干扰干扰纤维制成的超级飞轮的高比能量强度是由于多种因素而实现的。

首先，飞轮在真空中运行，与空气相比大大减少了摩擦。为此，外壳中的真空必须由真空产生和维持系统持续维持。

其次，系统必须能够自动平衡旋转体。采取了特殊的技术措施来减少振动和陀螺振动。简而言之，从设计的角度来看，飞轮系统要求很高，因此它们的开发是一个复杂的工程过程。

它们似乎更适合作为轴承 磁性（包括超导）悬浮液......然而，工程师不得不放弃悬浮液中的低温超导体，因为它们需要大量能量。具有陶瓷体的混合滚动轴承更适合中等转速。至于高速飞轮，已发现在悬架中使用高温超导体在经济上是可接受的并且非常经济。

FES 存储系统的主要优势之一是其比能量强度高后，使用寿命相对较长，可达 25 年。顺便说一下，基于石墨烯条的飞轮系统的效率达到 95%。此外，值得注意的是充电速度。当然，这取决于电气装置的参数。

例如，地铁飞轮上的能量回收器在列车加速和减速过程中运行，充电和放电时间为 15 秒。据信，为了从飞轮储能系统中获得高效率，标称充放电时间不应超过一小时。

FES系统的适用范围相当广泛。它们可以成功地用于各种起重设备，在装卸过程中可节省高达 90% 的能源。这些系统可以有效地用于电动运输电池的快速充电、稳定电网中的频率和功率、不间断电源、混合动力汽车等。

尽管如此，飞轮存储系统具有显着的特点。因此，如果使用高密度材料，则存储设备的特定功耗会因标称转速的降低而降低。

如果使用低密度材料，那么由于速度的提高，功耗会增加，但这会增加对真空以及支撑和密封件的要求，并且电转换器变得更加复杂。

超级飞轮的最佳材料是高强度钢带和纤维材料，如凯夫拉尔和碳纤维。如上所述，最有前途的材料仍然是石墨烯带，这不仅是因为强度和密度参数可接受，而且主要是因为它在断裂时的安全性。

破损的可能性是高速飞轮系统的主要障碍。层层卷绕和粘合的复合材料会迅速分解，首先分层成小直径的细丝，这些细丝会立即相互缠绕和减速，然后变成发光的粉末。在不损坏船体的情况下控制破裂（在发生事故时）是工程师的主要任务之一。

破裂能量的释放可以通过封装的流体或凝胶状内壳衬里来减轻，如果飞轮破裂，它们将吸收能量。

防止爆炸的一种方法是将飞轮放在地下，以阻止在发生事故时以子弹速度飞来的任何碎片。然而，在某些情况下，碎片会从地面向上飞行，不仅会破坏船体，还会破坏相邻的建筑物。

最后，让我们看看这个过程的物理特性。旋转体的动能由以下公式确定：

其中 I 是旋转体的转动惯量

角速度可以表示如下：

例如，对于连续圆柱体，其转动惯量为：

然后通过频率 f 的实心圆柱体的动能等于：

其中 f 是频率（以每秒转数为单位），r 是以米为单位的半径，m 是以千克为单位的质量。

我们举一个粗略的例子来理解。一个 3 kW 的锅炉在 200 秒内将水煮沸。一个质量为 10 kg、半径为 0.5 m 的连续圆柱形飞轮必须以什么速度旋转，以便在其停止过程中有足够的能量将水煮沸？让我们的发电机转换器（能够以任何速度运行）的效率为 60%。

回答。烧开水壶所需的总能量为 200 * 3000 = 600,000 J。考虑到效率，600,000 / 0.6 = 1,000,000 J。应用上述公式，我们得到每秒 201.3 转的值。

也可以看看：电力行业动能储能装置

另一种现代的能量储存方式： 超导磁能存储系统 (SMES)