飞轮能量储存

**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。

高能的 FES 系統所使用的轉子是由高強度碳纖維製成的，並通過磁懸浮軸承實現懸浮，在真空罩內轉子的轉速可達到 20,000 到 50,000 rpm。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。

## 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和發電機。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。

為了減少摩擦力，有時會使用磁懸浮軸承替代機械軸承。

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，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

### 能量密度

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

　
: ${\frac {E}{m}}=K\left({\frac {\sigma }{\rho }}\right)$ ,

其中的變量的定義如下：

　
: $E$ - 轉子的動能 [J]

　
: $m$ - 轉子的質量 [kg]

　
: $K$ - 轉子的幾何形狀係數 [無量綱]

　
: $\sigma $ - 材料的拉伸強度 [Pa]

　
: $\rho $ - 材料的密度 [kg/m^3]

#### 幾何（形狀因子）

#### 材料

#### 飛輪

### 抗張強度

### 能量效率

### 陀螺效應

#### 萬向環

## 應用

### 交通

#### 公路

#### 軌道交通

#### 電氣化軌道

### 實驗室

### 娛樂

在環球冒險島的綠巨人浩克雲霄飛車中，設有快速加速上坡啟動，而不是典型的重力下降。 這是通過強大的牽引電機將賽車投入賽道實現的。 要實現加快雲霄飛車全速上坡需要短暫的非常高的電流，園區利用多種電動發電機組大飛輪。 如果沒有這些儲能單元，園區將不得不投資新的變電站，否則每次搭乘時都有可能使當地電網發生故障。

### 脈衝電源

由於 FES 可以快速充放電，他們適用於補償脈衝發電機

Flywheel Energy Storage Systems (FESS) are found in a variety of applications ranging from grid-connected energy management to uninterruptible power supplies. With the progress of technology, there is fast renovation involved in FESS application. Examples include high power weapons, aircraft powertrains and shipboard power systems, where the system requires a very high-power for a short period in order of a few seconds and even milliseconds.Compensated pulsed alternator (compulsator) is one of the most popular choices of pulsed power supplies for fusion reactors, high-power pulsed lasers, and hypervelocity electromagnetic launchers because of its high energy density and power density, which is designed for FESS.

### 摩托車

### 電網

### 風力發電機

## 參見

* 儲能技術
* 插電式混合動力汽車（Plug-in hybrid, or PHEV）
* 發射環
* 蓄電池
* 再生制動（Regenerative braking）
* 雙電層電容器（EDLC） - 有時也被稱為_電雙層電容器_，或_超級電容器_。
* 旋轉動能

## 參考

## 擴展閱讀

* Beacon Power Applies for DOE Grants to Fund up to 50% of Two 20 MW Energy Storage Plants, Sep. 1, 2009 [1]
* 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. 2002-06, **42** (6–7): 357–362. ISSN 0011-2275. doi:10.1016/S0011-2275(02)00057-7.
* 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 [2013-02-01]. （原始內容存檔於 2019-12-07）.
* A New Look at an Old Idea: The Electromechanical Battery (PDF). Science & Technology Review (Lawrence Livermore National Laboratory). April 1996: 12–19 [2013-02-01]. （原始內容 (PDF) 存檔於 2008-04-05）.
* Janse van Rensburg, P.J. Energy storage in composite flywheel rotors. University of Stellenbosch, South Africa. December 2011.

## 外部連結

* Ricardo Kinergy project http://www.greencarcongress.com/2009/11/kinergy-20091124.html （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Magnetal Whitepaper for its Green Energy Storage System - GESS http://www.magnetal.se/GESS.pdf （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Magnetal analysis on gyro forces induced by flywheel energy storage - http://www.magnetal.se/MagnetalGyro.pdf （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）