在住宅、商業(yè)、校園甚至電網(wǎng)級別進行更大規(guī)模的儲能是一項挑戰(zhàn)，沒有明確的最佳解決方案。選項包括電化學(xué)(電池)、勢能(升高的水或重量)、氫(通過燃料電池)、相變材料(熔鹽)和機械功(在巨大的水箱或洞穴中壓縮/減壓空氣)幾種可能性。

還有通過動能進行的存儲，通常以飛輪的形式。這是一項成熟的技術(shù)，“在紙面上”看起來非常有前途，但在實踐中存在一些非常困難的問題。盡管如此，盡管存在這些挑戰(zhàn)和缺點，但正如陳詞濫調(diào)所說，“希望永遠存在”。

簡要背景：飛輪儲能系統(tǒng)(通常稱為 FES 系統(tǒng)或 FESS)的基本原理是一個歷史悠久的基礎(chǔ)物理學(xué)。使用可用能量通過電動機/發(fā)電機 (M/G) 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子輪(陀螺儀)，將能量存儲在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中(圖 1)。電機/發(fā)電機本身、系統(tǒng)控制、功率轉(zhuǎn)換等也需要電子設(shè)備;基本的轉(zhuǎn)子組件是系統(tǒng)的核心，但還有更多需要。

旋轉(zhuǎn)質(zhì)量是基于飛輪的儲能和回收系統(tǒng)的核心;雖然這是系統(tǒng)中最具技術(shù)挑戰(zhàn)性的部分，但還需要大量額外的電子設(shè)備。資料來源：MDPI

當(dāng)由于停電或低迷而需要能量時，M/G 的發(fā)電機功能會迅速從該轉(zhuǎn)子汲取能量，這當(dāng)然會減慢速度;除了瞬態(tài)或意外事件外，F(xiàn)ES 系統(tǒng)還可用于有計劃的長期供應(yīng)。與其他一些儲能方法不同，這種充電/放電循環(huán)是可重復(fù)的，沒有明顯的磨損或老化機制。有什么不喜歡的?

挑戰(zhàn)和障礙

FESS 設(shè)計的最初吸引力是強烈而多樣的。事實上，它在 1950 年代至 1970 年代曾作為一些市政公交車的移動電源進行測試，但沒有成功，全部退役。在引用的各種原因中，在車間啟動/停止傳統(tǒng)發(fā)動機以檢查其性能是一回事，而必須旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子并等待是另一回事。甚至有人談?wù)撛趲в行⌒腿細獍l(fā)動機的普通汽車中使用 FESS 來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，即使汽車沒有移動。然而，即使增加了安全外殼，人們也不愿意在后備箱中使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，這也增加了自重。然后是陀螺儀引起的處理問題。

盡管具有第一眼的吸引力，但基于飛輪的儲能仍存在多個重大挑戰(zhàn)。存儲的能量與轉(zhuǎn)子輪的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速的平方成正比，因此您希望轉(zhuǎn)速相當(dāng)高：50 到 100k rpm 是不常見的。由于轉(zhuǎn)子上存在明顯的材料應(yīng)力，因此對微觀故障和宏觀災(zāi)難的短期和長期影響是顯著的。

轉(zhuǎn)子在其中旋轉(zhuǎn)的腔室需要抽真空，因為空氣引起的摩擦?xí)罐D(zhuǎn)子過熱。傳統(tǒng)的滾珠或其他機械軸承也無法使用，因此使用了主動閉環(huán)磁懸浮軸承。甚至還有二階效應(yīng)，例如由于地球自轉(zhuǎn)而在轉(zhuǎn)子軸上產(chǎn)生的彎矩，因此一些裝置將旋轉(zhuǎn)軸與地球軸對齊。

設(shè)計案例研究

有一些成功的安裝，也有一些不成功的。小空間內(nèi)的所有動能都是潛在的“爆炸”，因此整個轉(zhuǎn)子組件需要放在一個超強的外殼中。使用其固有慣性控制轉(zhuǎn)子輪的加速和減速——有利于存儲指標，但不利于控制和安全——意味著電子設(shè)備也必須相當(dāng)復(fù)雜。

即便如此，壞事還是會發(fā)生。2011 年，Beacon Power 的一個廣受好評的系統(tǒng)在啟動后不久就遭遇了其 700 個轉(zhuǎn)子組件中的兩個的災(zāi)難性故障。分解轉(zhuǎn)子的不平衡觸發(fā)了自動水冷系統(tǒng)，水過熱變成蒸汽并引起爆炸，幸運的是，爆炸被包含在防護罩內(nèi)。

啟動后不久，這個 200 個單元的飛輪存儲系統(tǒng)遭遇了兩個 7 英尺高、3,000 磅的飛輪以 16,000 rpm 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的重大故障。資料來源：時代聯(lián)合

那么，我們該何去何從?盡管存在許多挑戰(zhàn)和障礙，F(xiàn)ESS 的設(shè)計仍然很有吸引力，因為社區(qū)聲稱有創(chuàng)新和突破。例如，位于德克薩斯州的初創(chuàng)公司Revterra表示，它已經(jīng)克服了 FESS 的缺點，使飛輪能夠長期儲存能量。

Revterra 的一個小型演示系統(tǒng)聲稱已經(jīng)解決了現(xiàn)有基于飛輪的系統(tǒng)的三個主要問題。資料來源：Revterra

該公司聲稱在三個關(guān)鍵領(lǐng)域取得了進展。首先，改進了轉(zhuǎn)子的金屬和復(fù)合材料，因此它可以以更高的速度旋轉(zhuǎn)而不會出現(xiàn)故障。其次，低損耗電動機/發(fā)電機基于先進的磁阻原理。第三，無源磁軸承裝置基于高溫超導(dǎo)體 (77 K/-196?C)。簡而言之，這一切在現(xiàn)實中變得相當(dāng)復(fù)雜。畢竟，我們現(xiàn)在應(yīng)該擁有超導(dǎo)電力線，但這并沒有成功。

Revterra 方法聽起來很有希望，但我們之前曾使用 FESS。FESS 設(shè)計最終會成為短期和長期儲能的可行選擇嗎?它們會永遠成為“下一件大事”和“指日可待”，有點像利用核聚變發(fā)電嗎?” 他們會在一定容量的應(yīng)用中占有一席之地，例如住宅或辦公樓，還是他們在校園和電網(wǎng)層面的真正機會?他們是否會繼續(xù)遇到將其使用限制在少數(shù)特定情況下的問題(如果有的話)?

我不知道，誰也不知道。有時，好的想法在反復(fù)嘗試使它們發(fā)揮作用后最終會消失;有時，他們終于有了突破。我知道所有高密度儲能方法都有其固有的危險，而且似乎公眾對某些方法比其他方法更滿意。即使在地下加固的拱頂中，以數(shù)萬轉(zhuǎn)/分的速度在附近旋轉(zhuǎn)的巨大轉(zhuǎn)子的想法是否令人無法接受?

五年或十年后再回來看看，答案可能會更清楚——也可能不會。