加大力度:新型飞轮引发人们对储能技术突破的希望

用旋转的飞轮储存电力并不新鲜,但一种新的设计可能会使其价格足够低廉,足以与其他技术竞争

如果有人能够解决储能问题——如何在广阔的范围内廉价地储存大量电力?——可再生能源可能成为世界主要的能源来源。电池太昂贵且寿命不够长。抽水蓄能很便宜,但对大多数地区来说不可行。热能储存很有前景,但仍然太昂贵或难以扩展。压缩空气便宜且可扩展,但效率还不够高(尽管由彼得·蒂尔、维诺德·科斯拉和比尔·盖茨支持的新公司LightSail希望改变这一点)。那么飞轮呢?最大的参与者Beacon Power在2011年破产

然而,飞轮可能正在获得第二次生命。硅谷发明家比尔·格雷设计了一种新型飞轮,它将以每千瓦约1,333美元的价格提供分布式和高度可扩展的储能,使其在价格上与抽水蓄能和压缩空气具有竞争力。其效率超过80%,可与最佳储能替代方案相媲美,并提供10年保修。它将完美地补充配备太阳能光伏(PV)系统的离网住宅,能够在五小时内充满电——在大多数太阳能光伏系统的充电时间内——并储存15千瓦时的电力,足以维持一个普通住宅从日落到日出的用电。

格雷称他的发明为Velkess(代表超大型动能存储系统)。他目前正在Kickstarter上为原型筹集资金。


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Velkess改进了传统飞轮,更好地管理了旋转质量的自然“摆动”。传统的飞轮一直非常昂贵,因为工程师将车轮自然旋转轴与发电机所需的旋转对齐。因此,他们一直在努力使用非常昂贵的磁铁和轴承、高精度工程和材料(如高级碳纤维或刚性钢)来最大限度地减少车轮的自然摆动。Beacon用于电网储能的飞轮成本高达每兆瓦时300万美元。

格雷没有试图对抗摆动,而是通过将车轮悬挂在万向节内来重新引导它——这与陀螺仪的工作原理相同。

Velkess中的万向节是不对称的,因此两个旋转轴——飞轮轴以及驱动无刷感应直流电机的转子轴——不在同一平面上,并且具有不同的频率周期。这抑制了使传统飞轮难以控制的共振效应(一个平面中的共振扰动会增强,直到设备破碎)。有了万向节,一个平面中的共振被转化为另一个平面,该平面在同一频率下是非共振的。因此,建造该设备仅需要非常宽松的工程公差——大约十六分之一英寸。

格雷依靠机械工程师约翰·万斯的开创性工作,他是德克萨斯A&M大学的退休教授,他对飞轮、机器振动和转子动力学进行了广泛的研究。格雷还降低了材料成本。格雷没有用昂贵的钢或碳纤维制造车轮,而是用廉价的“E-玻璃”级玻璃纤维制造了他的车轮——这种材料与淋浴门和鱼竿等东西中使用的一样。由于玻璃纤维是一种更柔韧的材料,当其旋转速度改变时,玻璃纤维车轮比钢或碳纤维更容易翘曲和摆动。

当其他飞轮制造商专注于提高密度和发电能力时,格雷专注于降低储能的资本成本,这似乎已获得回报。格雷说,Velkess可以以每兆瓦时30万美元的价格储存电力,约为Beacon装置成本的十分之一。“我很高兴看到这个概念得到宣传,因为我相信它在成功方面具有一定的希望,”万斯在谈到Velkess时说。

格雷的设计还使其更容易控制其最关键部件的可能故障:车轮本身和轴承。由于飞轮是由数千根纤维捆绑而成,如果一根纤维断裂,它只会从束中摆脱出来,而不会直接对车轮的其余部分施加压力并导致其断裂。飞轮只会“脱落”轻质材料。

对于轴承,Velkess使用“角接触陶瓷混合” (氮化硅)滚珠轴承,在不锈钢轨道中运行,其中轴承和推力载荷都漂浮在磁铁上。如果轴承开始失效,它们产生的热量将通过简单的温度传感器及早检测到。

任何类型的故障都可以在灾难性事件发生之前很容易地检测到,从而使设备发出警告并触发关闭。在离网关闭时,设备将排出热空气,直到它旋转停止——大致相当于一个1500瓦的吹风机运行10小时。在并网应用中,它可以简单地将电力倾倒到电网中。

整个设备都包含在一个真空密封的钢箱中,其占地面积与家用冰箱大致相同,只是稍矮一些。飞轮本身的高度和直径约为66厘米乘66厘米,重量约为340公斤。

它将被优化为以27安培提供高达3千伏安的连续功率输出,但可以处理更高的“突发”功率负载,当诸如水泵和圆锯之类的重型电器启动时会发生这种情况。该装置可以以高达3千瓦的任何速率放电,直到飞轮旋转到其“完全放电”的每分钟9,000转的速度。

格雷计划最初针对48伏离网住宅市场,Velkess将在该市场中作为典型48伏电池系统的直接替代品。之后将是240伏住宅和小型商业市场,在电网断电时,Velkess可以为并网太阳能光伏系统提供备用电源。最终,他希望进入600伏公用事业规模的太阳能市场。

Velkess可能在Beacon失败的几个方面取得成功。后者的设备与大多数竞争对手一样,只能在很短的时间内释放大量电力,而格雷的设备则相反:它可以根据需要缓慢放电数小时。并且由于Beacon的系统非常昂贵,以至于它实际上只对工业应用有意义,而格雷的系统将足够便宜,以至于在住宅和小型商业市场中具有良好的经济意义。

此外,Velkess满足了电力存储的最终关键因素——可扩展性。多个单元可以并联连接在一起。

据波士顿Lux Research的一位分析师称,到2017年,全球储能服务市场可能达到315亿美元。如果Velkess原型能够以广告宣传的价格和性能制造出来,它可能会占据该市场的一大块份额,并一劳永逸地解决可再生能源的间歇性问题。

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