飛輪（動力）儲能裝置如何佈置和工作

FES是flywheel energy storage的簡稱，意思是利用飛輪進行儲能。這意味著當一個巨大的輪子高速旋轉時，機械能以動能的形式積累和儲存。

這樣積累的機械能隨後可以轉化為電能，為此飛輪系統與能夠在電動機和發電機模式下運行的可逆電機相結合。

當需要儲存能量時，電機用作電動機並使飛輪旋轉到所需的角速度，同時消耗來自外部來源的電能，實際上是將電能轉換為機械（動能）能。當需要將存儲的能量轉移到負載時，電機進入發電機模式，並在飛輪減速時釋放機械能。

基於飛輪的最先進的儲能係統具有相當高的功率密度，可以與傳統的儲能係統競爭。

基於超級飛輪的動力電池裝置，其中旋轉體由高強度石墨烯帶製成，被認為在這方面特別有前途。這種存儲設備每 1 千克質量可以存儲高達 1200 W * h（4.4 MJ！）的能量。

超級飛輪領域的最新發展已經讓開發人員放棄了使用整體式驅動器的想法，轉而使用危險性較低的皮帶系統。

事實上，單片系統在緊急破裂的情況下是危險的，並且可以積累更少的能量。斷裂時，膠帶不會散成大片，只是部分斷裂；在這種情況下，皮帶的獨立部分通過摩擦外殼的內表面來停止飛輪，並防止其進一步損壞。

由纏繞帶或乾擾干擾纖維製成的超級飛輪的高比能量強度是由於多種因素而實現的。

首先，飛輪在真空中運行，與空氣相比大大減少了摩擦。為此，外殼中的真空必須由真空產生和維持系統持續維持。

其次，系統必須能夠自動平衡旋轉體。採取了特殊的技術措施來減少振動和陀螺振動。簡而言之，從設計的角度來看，飛輪系統要求很高，因此它們的開發是一個複雜的工程過程。

它們似乎更適合作為軸承 磁性（包括超導）懸浮液......然而，工程師不得不放棄懸浮液中的低溫超導體，因為它們需要大量能量。具有陶瓷體的混合滾動軸承更適合中等轉速。至於高速飛輪，已發現在懸架中使用高溫超導體在經濟上是可接受的並且非常經濟。

FES 存儲系統的主要優勢之一是其比能量強度高後，使用壽命相對較長，可達 25 年。順便說一句，基於石墨烯條的飛輪系統的效率達到 95%。此外，值得注意的是充電速度。當然，這取決於電氣裝置的參數。

例如，地鐵飛輪上的能量回收器在列車加速和減速過程中運行，充電和放電時間為 15 秒。據信，為了從飛輪儲能係統中獲得高效率，標稱充放電時間不應超過一小時。

FES系統的適用範圍相當廣泛。它們可以成功地用於各種起重設備，在裝卸過程中可節省高達 90% 的能源。這些系統可以有效地用於電動運輸電池的快速充電、穩定電網中的頻率和功率、不間斷電源、混合動力汽車等。

儘管如此，飛輪存儲系統具有顯著的特點。因此，如果使用高密度材料，則存儲設備的特定功耗會因標稱轉速的降低而降低。

如果使用低密度材料，則由於速度的提高，功耗會增加，但這會增加對真空以及支撐和密封件的要求，並且電轉換器變得更加複雜。

超級飛輪的最佳材料是高強度鋼帶和纖維材料，如凱夫拉爾和碳纖維。如上所述，最有前途的材料仍然是石墨烯帶，這不僅是因為強度和密度參數可接受，而且主要是因為它在斷裂時的安全性。

破損的可能性是高速飛輪系統的主要障礙。層層捲繞和粘合的複合材料會迅速分解，首先分層成小直徑的細絲，這些細絲會立即相互纏繞和減速，然後變成發光的粉末。在不損壞船體的情況下控制破裂（在發生事故時）是工程師的主要任務之一。

破裂能量的釋放可以通過封裝的流體或凝膠狀內殼襯裡來減輕，如果飛輪破裂，它們將吸收能量。

防止爆炸的一種方法是將飛輪放在地下，以阻止在發生事故時以子彈速度飛來的任何碎片。然而，在某些情況下，碎片會從地面向上飛行，不僅會破壞船體，還會破壞相鄰的建築物。

最後，讓我們看看這個過程的物理特性。旋轉體的動能由以下公式確定：

其中 I 是旋轉體的轉動慣量

角速度可以表示如下：

例如，對於連續圓柱體，其轉動慣量為：

然後通過頻率 f 的實心圓柱體的動能等於：

其中 f 是頻率（以每秒轉數為單位），r 是以米為單位的半徑，m 是以千克為單位的質量。

我們舉一個粗略的例子來理解。一個 3 kW 的鍋爐在 200 秒內將水煮沸。一個質量為 10 kg、半徑為 0.5 m 的連續圓柱形飛輪必須以什麼速度旋轉，以便在其停止過程中有足夠的能量將水煮沸？讓我們的發電機轉換器（能夠以任何速度運行）的效率為 60%。

回答。燒開水壺所需的總能量為 200 * 3000 = 600,000 J。考慮到效率，600,000 / 0.6 = 1,000,000 J。應用上述公式，我們得到每秒 201.3 轉的值。

也可以看看：電力行業動能儲能裝置

另一種現代的能量儲存方式： 超導磁能存儲系統 (SMES)