飛輪儲能

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NASA G2飛輪

飛輪能量儲存英語:Flywheel energy storage,縮寫:FES)系統是一種能量儲存方式,它通過加速轉子(飛輪)至極高速度的方式,用以將能量以旋轉動能的形式儲存於系統中。當釋放能量時,根據能量守恆原理,飛輪的旋轉速度會降低;而向系統中貯存能量時,飛輪的旋轉速度則會相應地升高。

大多數FES系統使用電流來控制飛輪速度,同時直接使用機械能的設備也正在研發當中。[1]

高能的FES系統所使用的轉子是由高強度碳纖維製成的,並通過磁懸浮軸承英語Magnetic bearing實現懸浮,在真空罩內轉子的轉速可達到20,000到50,000 rpm。[2]這類飛輪可以在幾分鐘內達到所需的速度——遠遠快於其他形式的能量存儲。[2]

主要元件[編輯]

典型飛輪的主要元件

一個典型的FES系統包括一個用以減少摩擦力的真空室,內部配有由軸承支撐的轉子,以及與之連接的一體化電動機發電機。其中的軸承可以是滾珠、磁懸浮軸承等。

第一代FES系統使用大型鋼質飛輪,並配以機械軸承。新型系統則採用了碳纖維強化樹脂英語Carbon-fiber-reinforced polymer複合飛輪,後者擁有更高的強度,質量上還比前者減輕了一個數量級[3]

為了減少摩擦力,有時會使用磁懸浮軸承英語Magnetic bearing替代機械軸承。

由於早期的磁懸浮軸承需要在極低的溫度下工作以達到超導(SC)狀態,受限於高昂的造價故一直未得到發展,後來高溫超導體(HTSC)的出現改變了這一狀態。然而單純的高溫超導體磁懸浮軸承雖然能提供穩定可靠的支撐,但面對大型結構卻難以提供必須的提升力。因此,目前多採用混合型磁懸浮軸承,即以永磁體支撐重載荷,而超導體使載荷穩定。超導體能保持載荷穩定是因為其卓越的抗磁性:如果飛輪偏離中心,由於磁通釘扎英語Flux pinning效應,會產生一個回復力使之歸中,這就是所謂的軸承的磁鋼度。如果磁鋼度和阻尼較低的話,則可能會發生轉軸振動——這種超導磁體的固有問題,也使得純超導體磁懸浮軸承難以在FES中應用。

磁通釘扎效應是飛輪能夠穩定懸浮的重要因素,這也使得高溫超導體相較其它材料更適於FES系統。只要磁通釘扎效應足夠強,高溫超導體粉末就能形成任意形狀。但在FES系統的實際運行中,由於超導材料的磁通蠕動(flux creep英語Flux pinning,或磁通運動(flux motion))效應,飛輪會逐漸下降、懸浮力也會減弱,如何克服這些問題則是FES中完全由超導體提供懸浮支撐力所要面臨的持續挑戰。

物理特性[編輯]

能量密度[編輯]

飛輪轉子的最大能量密度主要依賴於兩個因素,第一個是轉子的幾何形狀,而第二個是所使用的材料的屬性。對於單一材料,各向同性轉子這種關係可表示為[4]

,

其中的變量的定義如下:

- 轉子的動能[J]
- 轉子的質量[kg]
- 轉子的幾何形狀係數[無量綱]
- 材料的拉伸強度[Pa]
- 材料的密度[kg/m^3]

幾何(形狀因子)[編輯]

材料[編輯]

飛輪[編輯]

抗張強度[編輯]

能量效率[編輯]

陀螺效應[編輯]

萬向環[編輯]

應用[編輯]

交通[編輯]

公路[編輯]

軌道交通[編輯]

電氣化軌道[編輯]

實驗室[編輯]

娛樂[編輯]

脈衝電源[編輯]

由於FES可以快速充放電,他們適用於補償脈衝發電機

摩托車[編輯]

電網[編輯]

風力發電機[編輯]

與一般電池的比較[編輯]

參見[編輯]

參考[編輯]

  1. ^ Torotrak Toroidal variable drive CVT 網際網路檔案館存檔,存檔日期2011-05-16., retrieved June 7, 2007.
  2. ^ 2.0 2.1 Castelvecchi, Davide. Spinning into control: High-tech reincarnations of an ancient way of storing energy. Science News. May 19, 2007, 171 (20): 312–313. doi:10.1002/scin.2007.5591712010. 
  3. ^ Flybrid System KERS using carbon fiber flywheel
  4. ^ Genta, Giancarlo. Kinetic Energy Storage. London: Butterworth & Co. Ltd. 1985. 

擴展閱讀[編輯]

  • Beacon Power Applies for DOE Grants to Fund up to 50% of Two 20 MW Energy Storage Plants, Sep. 1, 2009 [1][失效連結]
  • Sheahen, T., P. Introduction to High-Temperature Superconductivity. New York: Plenum Press. 1994: 76–78, 425–431. ISBN 0-306-44793-2. 
  • El-Wakil, M., M. Powerplant Technology. McGraw-Hill. 1984: 685–689. 
  • Koshizuka, N.; Ishikawa, F.,Nasu, H., Murakami, M., Matsunaga, K., Saito, S., Saito, O., Nakamura, Y., Yamamoto, H., Takahata, R., Itoh, Y., Ikezawa, H., Tomita, M. Progress of superconducting bearing technologies for flywheel energy storage systems. Physica C. 2003, (386): 444–450. 
  • Wolsky, A., M. The status and prospects for flywheels and SMES that incorporate HTS. Physica C. 2002, (372–376): 1495–1499. 
  • Sung, T., H.; Han, S., C., Han, Y., H., Lee, J., S., Jeong, N., H., Hwang, S., D., Choi, S., K. Designs and analyses of flywheel energy storage systems using high-Tc superconductor bearings. Cryogenics. 2002, 42 (6–7): 357–362. doi:10.1016/S0011-2275 (02)00057-7 請檢查|doi=值 (幫助). 
  • Akhil, Abbas; Swaminathan, Shiva; Sen, Rajat K. Cost Analysis of Energy Storage Systems for Electric Utility Applications (PDF). Sandia National laboratories. February 2007. (原始內容 (pdf)存檔於2007-06-21). 
  • Larbalestier, David; Blaugher, Richard D.; Schwall, Robert E.; Sokolowski, Robert S.; Suenaga, Masaki; Willis, Jeffrey O.;. Flywheels. Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany. World Technology Evaluation Center. September 1997. 
  • A New Look at an Old Idea: The Electromechanical Battery (PDF). Science & Technology Review (Lawrence Livermore National Laboratory). April 1996: 12–19. 
  • Janse van Rensburg, P.J. Energy storage in composite flywheel rotors. University of Stellenbosch, South Africa. December 2011. 

外部連結[編輯]