Introduction to HTS Flywheel Energy Storage
1. 储能方式介绍
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：
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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：
- 无源自稳定悬浮，无需额外控制环节。
- 转速高，已实现 520 000 r/min 实验速度。
- 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：
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
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 |
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
2.5 模块化和集群设计
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。
