飞轮储能

飞轮储能（FES）通过将转子（飞轮）加速到非常高的速度并将系统中的能量保持为旋转能量来工作。当从系统中提取能量时，由于能量守恒原理，飞轮的转速会降低；向系统增加能量相应地导致飞轮速度的增加。大多数飞轮储能系统使用电力来加速和减速飞轮，但正在开发直接使用机械能的设备。先进的飞轮储能系统具有由高强度碳纤维复合材料制成的转子，由磁性轴承悬挂，并在真空外壳中以20,000到50,000rpm以上的速度旋转。这种飞轮可以在几分钟内达到速度——比其他一些存储形式更快地达到其能量容量。

一个典型的系统包括一个飞轮，该飞轮由连接到电动发电机的滚动轴承支撑。飞轮和有时电动发电机可能被封闭在真空室中，以减少摩擦和能量损失。xxx代飞轮储能系统使用在机械轴承上旋转的大型钢制飞轮。较新的系统使用碳纤维复合材料转子，其抗拉强度高于钢，并且可以在相同质量的情况下储存更多能量。为了减少摩擦，有时使用磁轴承代替机械轴承。

制冷的费用导致早期淘汰用于磁轴承的低温超导体。然而，高温超导体(HTSC)轴承可能是经济的，并且可能会延长能源的经济储存时间。混合轴承系统最有可能首先得到使用。高温超导轴承历来在提供较大设计所需的提升力方面存在问题，但很容易提供稳定力。因此，在混合轴承中，永磁体支撑负载并使用高温超导体来稳定负载。超导体能够很好地稳定负载的原因是它们是完美的抗磁体。如果转子试图偏离中心漂移，则由于磁通钉扎产生的恢复力会将其恢复。这被称为轴承的磁刚度。由于低刚度和阻尼会发生旋转轴振动，这是超导磁体的固有问题，阻碍了在飞轮应用中使用完全超导磁轴承。由于助焊剂钉扎是提供稳定和提升力的重要因素，因此HTSC可以更容易地用于FES，而不是用于其他用途。只要助焊剂钉扎强，HTSC粉末可以形成任意形状。在超导体能够为FES系统提供全部升力之前，必须克服的一个持续挑战是找到一种方法来抑制由超导材料的通量蠕变引起的悬浮力降低和转子在运行期间逐渐下降的情况。

与其他储存电力的方式相比，FES系统具有较长的使用寿命（持续数十年，几乎不需要维护；引用的飞轮的全周期寿命范围从超过105次到107次使用周期）、高比能量（100–130W·h/kg，或360–500kJ/kg)，xxx功率输出大。飞轮的能量效率（能量输出/能量输入的比率），也称为往返效率，可高达90%。典型容量范围为3kWh至133kWh。系统的快速充电可在15分钟内完成。飞轮经常引用的高比能可能有点误导，因为建造的商业系统具有低得多的比能，例如11W·h/kg或40kJ/kg。

对于能量存储，具有高强度和低密度的材料是可取的。出于这个原因，复合材料经常用于先进的飞轮。材料的强度密度比可以用Wh/kg（或Nm/kg）表示；某些复合材料可以达到大于400Wh/kg的值。

几种现代飞轮转子由复合材料制成。例如，BeaconPowerCorporation的碳纤维复合材料飞轮和PhillipsServiceIndustries的PowerThru飞轮。或者，Calnetix在其飞轮结构中使用航空级高性能钢。对于这些转子，材料特性、几何形状和能量密度之间的关系可以通过使用加权平均方法来表示。

飞轮设计的主要限制之一是转子的抗拉强度。一般来说，光盘越坚固，它旋转的速度就越快，系统可以存储的能量就越多。（在没有相应增加强度的情况下使飞轮变重会减慢飞轮在不破裂的情况下可以旋转的xxx速度，因此不会增加飞轮可以存储的总能量。）当复合材料飞轮外结合套的抗拉强度超过时，结合套会断裂，飞轮会随着外轮在整个圆周上的压缩损失而破碎，将其储存的能量一次性释放出来；这通常被称为飞轮爆炸，因为车轮碎片可以达到与子弹相当的动能。分层缠绕粘合的复合材料往往会快速分解，首先变成相互缠绕和减速的小直径细丝，然后变成炽热的粉末；铸造金属飞轮抛出大块高速弹片。对于铸造金属飞轮，失效极限是多晶模制金属晶界的结合强度。铝尤其容易疲劳，并且会因反复低能拉伸而产生微裂缝。角力可能导致金属飞轮的一部分向外弯曲并开始在外部安全壳上拖曳，或者完全分离并在内部随机弹跳。飞轮的其余部分现在严重不平衡，这可能导致轴承因振动而迅速失效，以及飞轮的大段突然冲击断裂。传统的飞轮系统需要坚固的安全壳作为安全预防措施，这会增加设备的总质量。失效时释放的能量可以用凝胶状或封装的液体内衬来抑制，它会沸腾并吸收破坏的能量。尽管如此，许多大型飞轮储能系统的客户还是更愿意将它们嵌入地下，以阻止任何可能从安全壳逃逸的物质。

使用机械轴承的飞轮储能系统可以在两小时内损失20%到50%的能量。造成这种能量损失的大部分摩擦力是由于地球自转导致飞轮改变方向（类似于傅科摆所示的效果）。飞轮的角动量施加的陀螺力会阻止这种方向变化，从而对机械轴承施加力。这种力会增加摩擦力。这可以通过将飞轮的旋转轴与地球的旋转轴平行对齐来避免。相反，带有磁轴承和高真空的飞轮可以保持97%的机械效率和85%的往返效率。

在车辆中使用时，飞轮也可以用作陀螺仪，因为它们的角动量通常与作用在移动车辆上的力具有相似的数量级。当转弯或在崎岖不平的地面上行驶时，该特性可能会损害车辆的操控特性；在倾斜的路基一侧行驶可能会导致车轮部分抬离地面，因为飞轮会抵抗侧向倾斜力。另一方面，这个特性可以用来保持汽车平衡，以防止它在急转弯时翻车。当飞轮完全用于影响车辆的姿态而不是用于能量存储时，它被称为反作用轮或控制力矩陀螺仪。通过将飞轮安装在一组适当应用的万向节中，几乎可以完全消除角度倾斜的阻力，使飞轮保持其原始方向而不影响车辆（参见陀螺仪的属性）。这并不能避免云台锁定的复杂性，因此需要在云台数量和角度自由度之间进行折衷。飞轮的中心轴充当单个万向节，如果垂直对齐，则允许在水平面上进行360度偏航。但是，例如上坡行驶需要第二个俯仰云台，而在斜坡路堤一侧行驶则需要第三个滚动云台。

虽然飞轮本身可以是扁平的环形，但安装在车辆内部的自由运动万向节需要一个球形体积，以便飞轮在其中自由旋转。任由其自己，车辆中的旋转飞轮将随着地球的自转而缓慢进动，并且在在地球弯曲的球面上长距离行驶的车辆中进动更远。全动万向架还有其他问题，即如何将动力输入和输出飞轮，因为飞轮可能每天完全翻转一次，随着地球旋转而进动。完全自由旋转将需要围绕每个万向节轴的滑环用于电力导体，进一步增加了设计的复杂性。

为减少空间使用，云台系统可采用限动设计，在一定度数的平面外角旋转内使用减震器来缓冲突然的快速运动，然后逐渐迫使飞轮采用车辆的当前方向。这将环形飞轮周围的万向节运动空间从一个完整的球体减少到一个短的加厚圆柱体，包括飞轮周围所有方向的例如±30度的俯仰和±30度的滚动。

该问题的另一种解决方案是使两个连接的飞轮沿相反方向同步旋转。它们的总角动量为零，没有陀螺效应。这种解决方案的一个问题是，当每个飞轮的动量之差不为零时，两个飞轮的外壳会产生扭矩。两个轮子必须保持相同的速度以保持角速度为零。严格来说，两个飞轮会在中心点施加一个巨大的扭矩，试图弯曲车轴。但是，如果轴足够强，则不会有陀螺力对密封容器产生净影响，因此不会注意到扭矩。为了进一步平衡力和分散应变，单个大飞轮可以通过每侧两个半尺寸飞轮来平衡，或者可以将飞轮的尺寸减小为一系列交替旋转的相反方向的层。然而，这增加了外壳和轴承的复杂性。

在1950年代，飞轮驱动的公共汽车，称为陀螺巴士，在Yverdon（瑞士）和根特（比利时）使用，并且正在进行研究以制造更小、更轻、更便宜且容量更大的飞轮系统。希望飞轮系统可以取代传统的化学电池用于移动应用，例如电动汽车。提出的飞轮系统将消除现有电池动力系统的许多缺点，例如容量低、充电时间长、重量大和使用寿命短。飞轮可能已用于实验性克莱斯勒爱国者，尽管这一直存在争议。飞轮也被提议用于无级变速器。PunchPowertrain目前正在开发这种设备。在1990年代，RosenMotors开发了一种燃气涡轮驱动的串联混合动力汽车动力系统，该动力系统使用55,000rpm的飞轮来提供小型燃气涡轮发动机无法提供的加速爆发。飞轮还通过再生制动存储能量。飞轮由带有碳纤维气缸的钛轮毂组成，并安装在万向节上，以xxx限度地减少陀螺仪对车辆操纵的不利影响。原型车于1997年成功进行了道路测试，但从未量产。2013年，沃尔沃宣布在其S60轿车的后桥上安装飞轮系统。制动动作使飞轮以高达60,000rpm的速度旋转并停止前置发动机。飞轮能量通过特殊的传动装置施加，为车辆提供部分或全部动力。20厘米（7.9英寸）、6公斤（13磅）的碳纤维飞轮在真空中旋转以消除摩擦。与四缸发动机配合使用时，与性能相当的涡轮六缸发动机相比，它可将油耗降低多达25%，提供80马力（60千瓦）的增压，并使其达到每小时100公里（62英里/小时）)在5.5秒内。该公司没有宣布将该技术纳入其产品线的具体计划。2014年7月，GKN收购了WilliamsHybridPower(WHP)部门，并打算在未来两年内向城市公交运营商提供500套碳纤维Gyrodrive电动飞轮系统正如前开发商名称所暗示的那样，这些系统最初是为一级方程式赛车应用而设计的。2014年9月，牛津巴士公司宣布将在其布鲁克斯巴士运营中引入14辆由AlexanderDennis设计的Gyrodrive混合动力巴士。

飞轮系统已在小型电力机车中试验性地用于分流或切换，例如Sentinel-Oerlikon陀螺机车。较大的电力机车，例如英国铁路70级，有时会配备飞轮助推器，以将它们运过第三条铁轨的间隙。先进的飞轮，例如德克萨斯大学奥斯汀分校的133kWh组，可以让火车从静止启动到巡航速度。ParryPeopleMover是一种由飞轮驱动的轨道车。它于2006年和2007年在英格兰西米德兰兹郡的斯托布里奇镇支线于周日进行了为期12个月的试验，并打算在订购两台机组后于2008年12月由火车运营商伦敦米德兰郡作为一项全面服务推出。2010年1月，两台机组均投入运行。

FES可用于电气化铁路的线路侧，以帮助调节线路电压，从而提高未改装电动火车的加速度和再生制动期间回收回线路的能量，从而降低能源费用。试验已在伦敦、纽约、里昂和东京进行，纽约MTA的长岛铁路目前正在投资520万美元在LIRR的西亨普斯特德支线的试点项目中。这些试验和系统将动能存储在转子中，转子由碳玻璃复合圆柱体组成，圆柱体中填充有形成永磁体的钕铁硼粉末。这些旋转速度高达37800转/分钟，每个100千瓦的单元可以存储11兆焦耳（3.1千瓦时）的可重复使用能量，大约足以将200公吨的重量从零加速到38公里/小时。

截至2001年生产的飞轮储能系统具有与电池相当的存储容量和更快的放电速率。它们主要用于为大型电池系统提供负载均衡，例如为数据中心提供不间断电源，因为它们与电池系统相比可以节省大量空间。一般来说，飞轮维护的成本约为传统电池UPS系统的一半。xxx的维护是基本的年度预防性维护例行程序，每五到十年更换一次轴承，大约需要四个小时。较新的飞轮系统使用免维护磁轴承完全悬浮旋转质量，从而消除机械轴承维护和故障。完全安装的飞轮UPS（包括电源调节）的成本（2009年）约为每千瓦330美元（15秒满载容量）。

飞轮动力系统长期存在的利基市场是测试断路器和类似设备的设施：即使是小型家用断路器也可能额定中断10000或更多安培的电流，而较大的单元可能具有100000或更大的中断额定值1000000安培。如果这些测试是直接从建筑电源中进行的，那么故意强制此类设备展示其中断模拟短路的能力所产生的巨大瞬态负载将对当地电网产生不可接受的影响。通常，这样的实验室会有几台大型电动发电机组，它们可以在几分钟内加速运转；然后在测试断路器之前断开电机。

托卡马克聚变实验需要在短时间内使用非常高的电流（主要是为大型电磁体供电几秒钟）。

• JET（联合欧洲圆环）有两个775吨的飞轮（安装于1981年），转速高达225rpm。每个飞轮可存储3.75GJ，最高可输送400MW。
• 威斯康星大学麦迪逊分校的螺旋对称实验有18个重达1吨的飞轮，使用改造后的电动火车电机将其旋转到10,000rpm。
• ASDEX升级版有3个飞轮发电机。
• DIII-D（托卡马克）和通用原子
• 普林斯顿等离子体物理实验室的普林斯顿大环面(PLT)

非托卡马克装置：卢瑟福阿普尔顿实验室的Nimrod同步加速器也有两个30吨的飞轮。

GeraldR.Ford级航空母舰将使用飞轮从舰载电源中收集能量，以便快速释放到电磁飞机发射系统中。舰载电源系统无法单独提供发射飞机所需的高功率瞬变。四个转子中的每一个都将在6400rpm时存储121MJ(34kWh)。它们可以在45秒内储存122MJ(34kWh)并在2-3秒内释放。飞轮能量密度为28kJ/kg（8W·h/kg）；包括定子和外壳，不包括扭矩框架，这降至18.1kJ/kg(5W·h/kg)。

这是由美国宇航局格伦研究中心资助的设计，旨在用于实验室环境中的组件测试。它使用带有钛轮毂的碳纤维轮辋，设计为以60,000rpm的速度旋转，安装在磁性轴承上。重量限制在250磅。存储容量为525W-hr(1.89MJ)，可在1kW下充电或放电，这意味着比能为5.31W-hr/kg，功率密度为10.11W/kg。页面顶部照片中显示的工作模型在2004年9月2日以41,000rpm的速度运行。

位于Knott'sBerryFarm的Montezooma'sRevenge过山车是世界上xxx个飞轮发射的过山车，也是目前仍在美国运营的最后一个此类过山车。这次骑行使用一个7.6吨的飞轮在4.5秒内将火车加速到每小时55英里（89公里/小时）。环球冒险岛的不可思议的绿巨人过山车具有快速加速的上坡发射，而不是典型的重力下降。这是通过强大的牵引电机实现的，该电机将汽车推向轨道。为了实现将过山车列车加速到全速上坡所需的短暂非常高的电流，公园使用了几台带有大飞轮的电动发电机组。如果没有这些储能装置，公园将不得不投资新的变电站，否则每次骑行启动时都会冒着使当地电网断电的风险。

飞轮储能系统(FESS)可用于从并网能源管理到不间断电源的各种应用。随着技术的进步，FESS的应用也出现了快速的革新。示例包括高功率武器、飞机动力系统和舰载动力系统，其中系统需要在几秒甚至几毫秒的短时间内提供非常高的功率。补偿脉冲交流发电机（compulsator）由于其高能量密度和功率密度，是聚变反应堆、高功率脉冲激光器和超高速电磁发射器的脉冲电源最受欢迎的选择之一，通常是为FESS设计的。脉冲发生器（低电感交流发电机）的作用类似于电容器，它们可以旋转起来为轨道炮和激光提供脉冲功率。没有单独的飞轮和发电机，只有交流发电机的大转子储存能量。另见单极发生器。

使用无级变速器(CVT)，在制动期间从传动系统中回收能量并存储在飞轮中。然后通过改变CVT的比率在加速期间使用该存储的能量。在赛车运动应用中，这种能量用于提高加速度而不是减少二氧化碳排放——尽管同样的技术可以应用于公路汽车以提高燃油效率。汽车俱乐部del'Ouest是一年一度的勒芒24小时耐力赛和勒芒系列赛的组织者，目前正在研究将配备动能回收系统的LMP1的具体规则。WilliamsF1Racing车队的子公司WilliamsHybridPower为保时捷和奥迪提供了基于飞轮的混合动力系统，用于保时捷的911GT3RHybrid和奥迪的R18e-TronQuattro。奥迪在2012年勒芒24小时耐力赛中的胜利是混合动力（柴油-电动）汽车的xxx场胜利。

飞轮有时用作短期旋转备用，用于瞬时电网频率调节和平衡供需之间的突然变化。没有碳排放、更快的响应时间和在非高峰时间购买电力的能力是使用飞轮而不是天然气涡轮机等传统能源的优势之一。操作与同一应用中的电池非常相似，它们的区别主要是经济上的。BeaconPower于2014年在宾夕法尼亚州HazleTownship使用200个飞轮和类似的20MW系统，于2011年在纽约斯蒂芬敦开设了一个5MWh（20MW超过15分钟）的飞轮储能工厂。位于加拿大安大略省明托市的0.5MWh（2兆瓦，15分钟）飞轮存储设施于2014年投入使用。飞轮系统（由NRStor开发）在磁轴承上使用10个旋转钢飞轮。

飞轮可用于在非高峰期或高风速期间存储风力涡轮机产生的能量。2010年，BeaconPower开始在加利福尼亚州Tehachapi的一个风电场测试他们的SmartEnergy25(Gen4)飞轮储能系统。该系统是为加州能源委员会进行的风能/飞轮示范项目的一部分。

用于为许多玩具汽车、卡车、火车、动作玩具等提供动力的摩擦电机是简单的飞轮电机。

在工业中，肘杆式压力机仍然很受欢迎。通常的布置包括一个非常坚固的曲轴和一个驱动压力机的重型连杆。大而重的飞轮由电动机驱动，但飞轮仅在离合器启动时才转动曲轴。

飞轮不受温度变化的不利影响，可以在更宽的温度范围内运行，并且不会受到化学充电电池的许多常见故障的影响。它们对环境的潜在破坏也较小，主要由惰性或良性材料制成。飞轮的另一个优点是，通过简单地测量转速，就可以知道储存的确切能量。与大多数只能在有限时间内运行的电池不同（例如，锂离子聚合物电池大约为36个月），飞轮可能具有无限的工作寿命。作为詹姆斯瓦特蒸汽机的一部分制造的飞轮已经连续工作了两百多年。在非洲、亚洲和欧洲的许多地方都可以找到主要用于铣削和陶器的古代飞轮的工作示例。大多数现代飞轮通常是密封装置，在其整个使用寿命期间需要最少的维护。真空外壳中的磁性轴承飞轮，例如上面描述的NASA模型，不需要任何轴承维护，因此在总寿命和能量存储容量方面都优于电池。由于磨损，带有机械轴承的飞轮系统的使用寿命有限。高性能飞轮可能会爆炸，用高速弹片杀死旁观者。虽然电池会着火并释放毒素，但旁观者通常有时间逃离并避免受伤。电池的物理布置可以设计成与多种配置相匹配，而飞轮至少必须占据一定的面积​​和体积，因为它存储的能量与其角质量和转速的平方成正比。随着飞轮变小，它的质量也会减少，因此速度必须增加，因此材料上的应力也会增加。在尺寸受到限制的情况下（例如在火车底盘下），飞轮可能不是可行的解决方案。