高温超导飞轮储能介绍

Introduction to HTS Flywheel Energy Storage

1. 储能方式介绍

储能技术有哪几种，各自的特点是什么？

2. 飞轮储能介绍

2.1 飞轮储能轴承

从图中可以看出，一个飞轮储能系统大致分为以下几个部分：

1. 真空壳体
   真空壳体是飞轮储能装置中的辅助系统。将高速旋转的飞轮转子至于真空状态下，主要是为了减少飞轮转子系统的风阻损耗。Acamley 等的研究结果表明:真空度过高会降低储能系统内部的散热能力，导致飞轮转子的温度升高。相比于高真空度的状态,氦气环境下更有利于减小风损。
2. 飞轮转子
   早期的飞轮转子多使用钢或铝合金材料,这类转子具有重量大、转速慢、储能密度低等缺点。为了提高其性能，目前多以高性能连续纤维作为增强体，以树脂材料作为基体，采用预应力缠绕技术与多环过盈配合相结合的工艺制造出重量轻、储能密度大的复合材料飞轮转子。法国Socomec 公司和美国 Beacon Power 公司生产的储能系统均采用了复合材料飞轮转子。
3. 支撑系统
   轮储能系统的轴承支撑方式主要包括：机械轴承、被动磁轴承和主动磁轴承。当飞轮转子在高速旋转的时候，传统的机械轴承会消耗较多的能量，为了提高整个储能系统的效率，多采用磁轴承作为低能耗的支撑方式，但为了避免磁轴承失效对转子系统造成的损伤，目前多选用机械辅助轴承配合磁轴承的支撑方案。
4. 动/发一体机
   动/发一体机是整个飞轮储能系统的核心动力源。机械能与电能之间的转换就是通过动/发一体机的相互转换实现的。使用动/发一体机可以大大提高整个系统的空间使用率，降低储能系统的总体重量。
5. 电力转换器
   电力转换器是储能飞轮系统中能量转换控制的关键部件，它具有调频、恒压、整流等功能。电力转换器的应用提高了飞轮系统的灵活性和可控性。在充电过程中，电力转换器采用恒转矩控制和恒功率控制两种变频控制方式,将交流电转换成直流电，驱动电机使飞轮加速旋转。当飞轮达到最高转速时，电力转换装置提供低压以便维持飞轮转速，降低转子系统的自身能量损耗。

2.2 高温超导轴承

早在 1945 年便有人提出了应用超导体实现磁悬浮轴承的设想，但直到 1987 年发现可工作在液氮温区(77 K)的 YBCO 高温超导体材料后，才使这一想法得以成为现实。高温超导体材料独具的磁通钉扎特性，使 SMB 在无任何外界控制的条件下就可以实现稳定的悬浮，向研究者展示出巨大的吸引力。

基于高温超导体材料的磁通钉扎特性，SMB 展现出许多优点：

1. 无源自稳定悬浮，无需额外控制环节。
2. 转速高，已实现 520 000 r/min 实验速度。
3. 损耗小，摩擦系数仅 10^{-7，比机械轴承(10}−3)和常导(电磁)磁悬浮轴承(10^−4)的摩擦系数低几个数量级。与现有的机械轴承和主动磁轴承相比，SMB 优越性主要体现在以上三点。

飞轮储能轴承主要分为三大类：机械轴承，AMB主动磁轴承，SMB超导磁轴承。它们的比较如下：

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表1：机械轴承、主动磁轴承和SMB性能比较

| 超导磁轴承 | 主动磁轴承 | 机械轴承
--------|------|-----|-----
摩擦系数 | 1e-7 | 1e-4 | 1e-3
磨损 | 无 | 无 | 有
控制系统 | 无 | 有 | 无
辅助部件 |低温装置|传感器|无
速度极限| 无 | 无 | 有
承载能力| 低 | 高 | 高
刚度 | 低 | 高 | 高

那么这里的数量级到底是什么概念呢？

2.3 碳纤维飞轮

碳纤维飞轮

飞轮转子材料性能比较

材料名称	材料强度GPa	材料密度kg/m3	储能密度Wh/kg
铝合金	0.6	2800	36.1
高强度钢	2.7	8000	56.8
E玻璃纤维	3.5	2540	231.9
S玻璃纤维	4.8	2520	320.6
Kevlar纤维	3.8	1450	441.1
光谱纤维	3.0	970	520.6
碳纤维T700	7.0	1780	662.0
碳纤维T1000	10.0	1780	945.7

[1] 中国继续“白菜化”碳纤维 T700级200元每公斤

当时国内已经出现的较大的碳纤维企业包括：上海石化公司腈纶事业部、中复神鹰碳纤维有限公司、浙江巨鑫碳纤维有限公司、西安康本材料有限公司、沈阳中恒新材料有限公司、吉林市碳纤维高新技术产业化基地、哈尔滨天顺化工科技开发有限公司、金发科技碳纤维、中国石油天然气集团公司等。

2.4 电力电子部分

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2.5 模块化和集群设计

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成本测算

特斯拉 Powerwall
10 kWh 1.3万美元

10度电 3500美元

作为对照，Primus Power生产的250kW液流电池价格为500美元/kWh，Aquion的纳离子电池价格大致相当。穆迪2015年1月的报告估计，“今天的电池投资成本接近500-600 美元/kWh。”

储能主要分为两种，能量型和功率型。能量型储能容量大，反应速度慢，充放电次数受限。功率型响应速度快，容量小。

无论是超导磁储能还是高温超导飞轮储能，最主要的优势都在于放电功率大。自放电率比起化学储能优势不明显，但也可以做到差不多，超导线圈和高温超导轴承，GM制冷技术也比较成熟，国内T-800碳纤维线材，YBCO带材都能量产。

最主要的问题就是价格上。特斯拉的Powerwall可以做到3500美金，10kWh的电池，一般化学电池500美金/kWh。SMES国内样机能做到1MJ，美帝100MJ，日本2.4GJ。注意1kWh=3.6MJ，而1MJ的样机无论是体积还是重量还是价格都高于Powerwall，其优势只在于循环次数、放电深度和放电功率等。高温超导飞轮储能也是如此，其单位质量/体积能量甚至不如SMES，但是它的电力电子部分要简单些，毕竟飞轮+电机，还不需要屏蔽强磁。HTS-FESS国内样机1MJ，美帝波音10kWh。

给大家算臂章，2GJ=555度电，一度电5毛钱，功率型最大也就存280块钱的电，然而这个造价至少几百万RMB。所以功率型储能作为大规模储能的成本还是太高。（不然咋叫功率型）

所以目前有的应用都是军事领域和示范工程，大规模应用的话成本高了点。目前的出路在于多元复合储能，错配能量型和功率型储能以达到能量管理和动态调节的平衡。

重新读了遍题目，倍感惊恐，全篇跑题，重新作答如下：
技术性问题个人认为没有，毕竟美帝日德都花钱砸出一条道了。