Introduction to HTS Flywheel Energy Storage
1. 儲能方式介紹
2. 飛輪儲能介紹
2.1 飛輪儲能軸承
從圖中可以看出疲吸，一個飛輪儲能系統(tǒng)大致分為以下幾個部分：
- 真空殼體
真空殼體是飛輪儲能裝置中的輔助系統(tǒng)灶挟。將高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子至于真空狀態(tài)下坏逢，主要是為了減少飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的風阻損耗赃承。Acamley 等的研究結(jié)果表明:真空度過高會降低儲能系統(tǒng)內(nèi)部的散熱能力妙黍，導致飛輪轉(zhuǎn)子的溫度升高。相比于高真空度的狀態(tài),氦氣環(huán)境下更有利于減小風損瞧剖。 - 飛輪轉(zhuǎn)子
早期的飛輪轉(zhuǎn)子多使用鋼或鋁合金材料,這類轉(zhuǎn)子具有重量大拭嫁、轉(zhuǎn)速慢、儲能密度低等缺點抓于。為了提高其性能做粤，目前多以高性能連續(xù)纖維作為增強體，以樹脂材料作為基體捉撮，采用預應(yīng)力纏繞技術(shù)與多環(huán)過盈配合相結(jié)合的工藝制造出重量輕怕品、儲能密度大的復合材料飛輪轉(zhuǎn)子。法國Socomec 公司和美國 Beacon Power 公司生產(chǎn)的儲能系統(tǒng)均采用了復合材料飛輪轉(zhuǎn)子呕缭。 - 支撐系統(tǒng)
輪儲能系統(tǒng)的軸承支撐方式主要包括：機械軸承堵泽、被動磁軸承和主動磁軸承。當飛輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)的時候恢总，傳統(tǒng)的機械軸承會消耗較多的能量迎罗，為了提高整個儲能系統(tǒng)的效率，多采用磁軸承作為低能耗的支撐方式片仿，但為了避免磁軸承失效對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)造成的損傷纹安，目前多選用機械輔助軸承配合磁軸承的支撐方案。 - 動/發(fā)一體機
動/發(fā)一體機是整個飛輪儲能系統(tǒng)的核心動力源砂豌。機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換就是通過動/發(fā)一體機的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的厢岂。使用動/發(fā)一體機可以大大提高整個系統(tǒng)的空間使用率，降低儲能系統(tǒng)的總體重量阳距。 - 電力轉(zhuǎn)換器
電力轉(zhuǎn)換器是儲能飛輪系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換控制的關(guān)鍵部件塔粒，它具有調(diào)頻、恒壓筐摘、整流等功能卒茬。電力轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用提高了飛輪系統(tǒng)的靈活性和可控性船老。在充電過程中，電力轉(zhuǎn)換器采用恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制兩種變頻控制方式,將交流電轉(zhuǎn)換成直流電圃酵，驅(qū)動電機使飛輪加速旋轉(zhuǎn)柳畔。當飛輪達到最高轉(zhuǎn)速時，電力轉(zhuǎn)換裝置提供低壓以便維持飛輪轉(zhuǎn)速郭赐，降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自身能量損耗薪韩。
2.2 高溫超導軸承
早在 1945 年便有人提出了應(yīng)用超導體實現(xiàn)磁懸浮軸承的設(shè)想，但直到 1987 年發(fā)現(xiàn)可工作在液氮溫區(qū)(77 K)的 YBCO 高溫超導體材料后捌锭，才使這一想法得以成為現(xiàn)實俘陷。高溫超導體材料獨具的磁通釘扎特性，使 SMB 在無任何外界控制的條件下就可以實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮舀锨，向研究者展示出巨大的吸引力岭洲。
基于高溫超導體材料的磁通釘扎特性，SMB 展現(xiàn)出許多優(yōu)點：
- 無源自穩(wěn)定懸浮坎匿，無需額外控制環(huán)節(jié)盾剩。
- 轉(zhuǎn)速高，已實現(xiàn) 520 000 r/min 實驗速度替蔬。
- 損耗小告私，摩擦系數(shù)僅 10-7，比機械軸承(10?3)和常導(電磁)磁懸浮軸承(10^?4)的摩擦系數(shù)低幾個數(shù)量級承桥。與現(xiàn)有的機械軸承和主動磁軸承相比驻粟，SMB 優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以上三點。
飛輪儲能軸承主要分為三大類：機械軸承凶异，AMB主動磁軸承蜀撑，SMB超導磁軸承。它們的比較如下：
表1：機械軸承剩彬、主動磁軸承和SMB性能比較
| 超導磁軸承 | 主動磁軸承 | 機械軸承
--------|------|-----|-----
摩擦系數(shù) | 1e-7 | 1e-4 | 1e-3
磨損 | 無 | 無 | 有
控制系統(tǒng) | 無 | 有 | 無
輔助部件 |低溫裝置|傳感器|無
速度極限| 無 | 無 | 有
承載能力| 低 | 高 | 高
剛度 | 低 | 高 | 高
那么這里的數(shù)量級到底是什么概念呢酷麦？
2.3 碳纖維飛輪
飛輪轉(zhuǎn)子材料性能比較
| 材料名稱 | 材料強度GPa | 材料密度kg/m3 | 儲能密度Wh/kg |
|---|---|---|---|
| 鋁合金 | 0.6 | 2800 | 36.1 |
| 高強度鋼 | 2.7 | 8000 | 56.8 |
| E玻璃纖維 | 3.5 | 2540 | 231.9 |
| S玻璃纖維 | 4.8 | 2520 | 320.6 |
| Kevlar纖維 | 3.8 | 1450 | 441.1 |
| 光譜纖維 | 3.0 | 970 | 520.6 |
| 碳纖維T700 | 7.0 | 1780 | 662.0 |
| 碳纖維T1000 | 10.0 | 1780 | 945.7 |
[1] 中國繼續(xù)“白菜化”碳纖維 T700級200元每公斤
當時國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的較大的碳纖維企業(yè)包括：上海石化公司腈綸事業(yè)部、中復神鷹碳纖維有限公司喉恋、浙江巨鑫碳纖維有限公司沃饶、西安康本材料有限公司、沈陽中恒新材料有限公司轻黑、吉林市碳纖維高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地糊肤、哈爾濱天順化工科技開發(fā)有限公司、金發(fā)科技碳纖維氓鄙、中國石油天然氣集團公司等馆揉。
2.4 電力電子部分
2.5 模塊化和集群設(shè)計
成本測算
特斯拉 Powerwall
10 kWh 1.3萬美元
10度電 3500美元
作為對照，Primus Power生產(chǎn)的250kW液流電池價格為500美元/kWh抖拦，Aquion的納離子電池價格大致相當把介。穆迪2015年1月的報告估計勤讽，“今天的電池投資成本接近500-600 美元/kWh∞痔撸”
儲能主要分為兩種，能量型和功率型向臀。能量型儲能容量大巢墅，反應(yīng)速度慢，充放電次數(shù)受限券膀。功率型響應(yīng)速度快君纫，容量小。
無論是超導磁儲能還是高溫超導飛輪儲能芹彬，最主要的優(yōu)勢都在于放電功率大蓄髓。自放電率比起化學儲能優(yōu)勢不明顯，但也可以做到差不多舒帮，超導線圈和高溫超導軸承会喝，GM制冷技術(shù)也比較成熟，國內(nèi)T-800碳纖維線材玩郊，YBCO帶材都能量產(chǎn)肢执。
最主要的問題就是價格上。特斯拉的Powerwall可以做到3500美金译红，10kWh的電池预茄，一般化學電池500美金/kWh。SMES國內(nèi)樣機能做到1MJ侦厚，美帝100MJ耻陕，日本2.4GJ。注意1kWh=3.6MJ刨沦，而1MJ的樣機無論是體積還是重量還是價格都高于Powerwall诗宣，其優(yōu)勢只在于循環(huán)次數(shù)、放電深度和放電功率等已卷。高溫超導飛輪儲能也是如此梧田，其單位質(zhì)量/體積能量甚至不如SMES，但是它的電力電子部分要簡單些侧蘸，畢竟飛輪+電機裁眯，還不需要屏蔽強磁。HTS-FESS國內(nèi)樣機1MJ讳癌，美帝波音10kWh穿稳。
給大家算臂章，2GJ=555度電晌坤，一度電5毛錢逢艘，功率型最大也就存280塊錢的電旦袋，然而這個造價至少幾百萬RMB。所以功率型儲能作為大規(guī)模儲能的成本還是太高它改。（不然咋叫功率型）
所以目前有的應(yīng)用都是軍事領(lǐng)域和示范工程疤孕，大規(guī)模應(yīng)用的話成本高了點。目前的出路在于多元復合儲能央拖，錯配能量型和功率型儲能以達到能量管理和動態(tài)調(diào)節(jié)的平衡彭谁。
重新讀了遍題目冰悠，倍感驚恐，全篇跑題，重新作答如下：
技術(shù)性問題個人認為沒有罚舱，畢竟美帝日德都花錢砸出一條道了俭识。
