플라이휠 에너지 저장소

플라이휠 에너지 저장소(FES)는 회전자(플라이휠)를 매우 빠른 속도로 가속하고 시스템의 에너지를 회전 에너지로 유지함으로써 작동합니다.시스템에서 에너지가 추출되면 에너지 보존 원리의 결과로 플라이휠의 회전 속도가 감소합니다. 따라서 시스템에 에너지를 추가하면 플라이휠 속도가 증가합니다.

대부분의 FES 시스템은 플라이휠을 가속하고 감속하기 위해 전기를 사용하지만, 기계적 에너지를 직접적으로 사용하는 장치가 ^[1]개발되고 있다.

첨단 FES 시스템은 고강도 탄소 섬유 복합 재료로 만들어진 로터가 있으며, 자기 베어링에 의해 매달려 진공 ^[2]인클로저 내에서 20,000~50,000rpm의 속도로 회전합니다.이러한 플라이휠은 몇 분 만에 속도를 낼 수 있으며,^[2] 다른 스토리지 형태보다 훨씬 더 빠르게 에너지 용량에 도달할 수 있습니다.

주요 컴포넌트

일반적인 시스템은 모터-발전기에 연결된 롤링-엘리먼트 베어링에 의해 지지되는 플라이휠로 구성됩니다.플라이휠과 때로는 모터-발전기는 마찰 및 에너지 손실을 줄이기 위해 진공 챔버에 밀폐될 수 있다.

1세대 플라이휠 에너지 저장 시스템은 기계식 베어링 위에서 회전하는 큰 강철 플라이휠을 사용합니다.새로운 시스템은 강철보다 인장 강도가 높고 동일한 ^[3]질량에 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 탄소 섬유 복합 로터를 사용합니다.

마찰을 줄이기 위해 기계식 베어링 대신 자기 베어링을 사용하는 경우가 있습니다.

향후 초전도 베어링의 사용 가능성

냉동 비용 때문에 저온 초전도체를 자기 베어링에 사용하기 위해 조기에 폐기했다.그러나 고온 초전도체(HTSC) 베어링은 경제적이고 경제적으로 에너지를 ^[4]저장할 수 있는 시간을 연장할 수 있습니다.하이브리드 베어링 시스템은 가장 먼저 사용될 가능성이 높습니다.고온 초전도체 베어링은 역사적으로 큰 설계에 필요한 인양력을 제공하는 데 문제가 있었지만 쉽게 안정력을 제공할 수 있습니다.따라서 하이브리드 베어링은 영구 자석이 하중을 지지하고 이를 안정시키기 위해 고온 초전도체를 사용한다.초전도체가 부하를 안정시키는 데 잘 작동할 수 있는 이유는 완벽한 반자성체이기 때문이다.로터가 중심을 벗어나 드리프트를 시도하면 플럭스 핀에 의한 복원력이 로터를 복원합니다.이를 베어링의 자기 강성이라고 합니다.회전축 진동은 초전도 자석의 고유한 문제인 낮은 강성 및 감쇠로 인해 발생할 수 있으며 플라이휠 용도로 완전히 초전도 자기 베어링을 사용할 수 없습니다.

플럭스 핀 접속은 안정화 및 인양력을 제공하는 중요한 요소이기 때문에 HTSC는 다른 용도보다 FES용으로 훨씬 쉽게 만들 수 있습니다.HTSC 분말은 플럭스 핀 접속이 강한 한 임의의 형태로 형성될 수 있습니다.초전도체가 FES 시스템에 완전한 인양력을 제공하기 전에 극복해야 할 지속적인 과제는 초전도 물질의 플럭스 크리프에 의해 야기되는 부상력의 감소와 작동 중 로터의 점진적인 추락을 억제하는 방법을 찾는 것입니다.

물리적 특성

일반

전기를 저장하는 다른 방법들과 비교하여, FES 시스템은 긴 수명(유지보수가 ^[2]거의 없거나 전혀 없는 수십 년 지속; 플라이휠의 전체 수명 범위는⁵ 10을 초과하여 최대⁷ 10까지),^[5] 높은 비 에너지(100–130 W·h/kg 또는 360–500 kJ/kg)^[5][6] 및 큰 최대 출력을 가집니다.왕복 효율이라고도 하는 플라이휠의 에너지 효율(에너지 당 출력 비율)은 최대 90%까지 높을 수 있습니다.일반적인 용량은 3kWh에서 133kWh까지입니다.^[2]시스템의 급속 충전은 15분 ^[7]이내에 이루어집니다.플라이휠과 함께 자주 인용되는 높은 비에너지는 11 W/h/kg 또는 40 kJ/^[8]kg과 같이 상용 시스템의 비에너지가 훨씬 낮기 때문에 약간 오해의 소지가 있습니다.

에너지 저장소의 형태

관성 모멘트:	$\displaystyle J_{m}=\int _{m}r^{2},\mathrm {d}m$
각속도:	$\displaystyle \mega _{m}=2\pi \cdot n_{m}$
저장된 회전 에너지:	${\displaystyle W_{\text{kin}}=param frac {1}{2}}J_{m}\Omega ^{2}}$

$여기$서 m${displaystyle$ m$}$은 플라이휠 질량의 $적분$이고 ${\displaystyle n_{}}$m{$displaystyle n_{$m$$}은 회전 속도(초당 회전수)입니다.

비에너지

플라이휠 로터의 최대 비에너지는 주로 두 가지 요소에 따라 달라집니다. 첫 번째 요소는 로터의 형상이고 두 번째 요소는 사용되는 재료의 특성입니다.단일 재료, 등방성 로터의 경우 이 관계는 다음과^[9] 같이 표현될 수 있습니다.

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

어디에

${\displaystyle E}${\$displaystyle$ E$}$는 회전자 [J]의 운동 에너지입니다.

${\displaystyle m}${\$displaystyle$ m$}$은 로터의 질량[kg]입니다.

$(\displaystyle$ K$)$는 로터의 기하학적 형상 계수(차원 없음)입니다.

$§$ ${\displaystyle$ \sigma$}$는 재료의 인장 강도 [Pa],

$②(\displaystyle$\rho$)$는 재료의 밀도[kg³/m]입니다.

지오메트리(쉐이핑 팩터)

플라이휠 로터의 형상^[10] 계수에 대해 가능한 가장 ${\displaystyle \mathrm{높은}}$ 값은 K ${\displaystyle =}$ 1$(\displaystyle$ K$=1$이며, 이는 이론적인 상시 회전 디스크 ^[11]기하학적 구조를 통해서만 달성할 수 있습니다.일정 두께 디스크 지오메트리의 형상 계수는 ${\displaystyle \mathrm{K}}$= 0$.$({$디스플레이 스타일$K=0.606$)$이고, 일정한 두께의 로드의 경우 K $({디스플레이 스타일$ K$=0.333$입니다. 대부분의 플라이휠에서 얇은 실린더의 형상 계수는 K ${\displaystyle =\mathrm{}}$0.$({디스플레이 스타일$ K$=0.$5$\})$입니다.$({텍스트 스타일$ K$=0.33$ 샤프트리스^[12] 디자인은 정전압 디스크($$ $=0$.6$({텍스트 스타일$ K$=0.6})$와 유사한 형상 계수를 가지며, 에너지 밀도를 두 배로 높일 수 있습니다.

재료 특성

에너지 저장에는 강도가 높고 밀도가 낮은 재료가 바람직합니다.이러한 이유로 복합 재료는 고급 플라이휠에 자주 사용됩니다.재료의 강도 대 밀도비는 Wh/kg(또는 Nm/kg)로 나타낼 수 있으며, 특정 복합 재료에 의해 400 Wh/kg 이상의 값을 얻을 수 있습니다.

회전자재

몇몇 현대의 플라이휠 로터는 복합 재료로 만들어집니다.예를 들어 Beacon Power^[13] Corporation의 탄소 섬유 복합 플라이휠과 Phillips Service ^[14]Industries의 PowerThru 플라이휠이 있습니다.Calnetix는 플라이휠 ^[15]구조에 항공우주용 고성능 강철을 사용합니다.

이러한 로터의 경우 재료 특성, 기하학 및 에너지 밀도 간의 관계는 가중 평균 ^[16]접근법을 사용하여 표현할 수 있습니다.

인장 강도 및 고장 모드

플라이휠 설계의 주요 한계 중 하나는 로터의 인장 강도입니다.일반적으로 디스크가 강할수록 회전 속도가 빨라지고 시스템이 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다(플라이휠의 강도를 증가시키지 않고 플라이휠을 더 무겁게 하면 플라이휠이 파열되지 않고 회전할 수 있는 최대 속도가 느려지므로 플라이휠이 저장할 수 있는 에너지의 총량은 증가하지 않습니다).

복합 플라이휠의 외측 바인딩 커버의 인장 강도가 초과되면 바인딩 커버가 파손되고 외측 휠 압축이 전체 원주 주변에서 손실되면서 휠이 산산조각 나 저장된 모든 에너지가 한꺼번에 방출됩니다. 휠 조각이 키네에 도달할 수 있기 때문에 일반적으로 "플라이휠 폭발"이라고 합니다.총알에 버금가는 틱 에너지겹겹이 감겨 접착된 복합 재료는 처음에는 서로 엉키고 느리게 만드는 작은 직경의 필라멘트로, 그 다음에는 붉게 달궈진 가루로 빠르게 분해되는 경향이 있습니다. 주물 플라이휠은 고속 파편의 큰 덩어리를 내던집니다.

주물 금속 플라이휠의 경우 고장 한계는 다결정 성형 금속의 입자 경계의 결합 강도이다.특히 알루미늄은 피로에 시달리고 반복적인 저에너지 스트레칭으로 미세골절이 발생할 수 있습니다.각도 힘에 의해 금속 플라이휠의 일부가 바깥쪽으로 휘어지면서 외부 격납 용기 위에서 끌리기 시작하거나 완전히 분리되어 내부 주위로 무작위로 튀어오를 수 있습니다.플라이휠의 나머지 부분은 현재 심각하게 불균형 상태이며, 이로 인해 진동으로 인한 급격한 베어링 기능 상실과 플라이휠의 큰 부분의 갑작스러운 충격 파열이 발생할 수 있습니다.

기존의 플라이휠 시스템은 안전 예방책으로 강력한 격납 용기를 필요로 하며, 이는 장치의 총 질량을 증가시킨다.고장 시 방출되는 에너지는 젤라틴 상태의 액체 내부 하우징 라이닝 또는 캡슐화된 액체 내부 하우징 라이닝으로 감쇠할 수 있으며, 이 라이닝은 파괴 에너지를 끓여 흡수합니다.그러나 대규모 플라이휠 에너지 저장 시스템의 많은 고객은 격납용기를 빠져나갈 수 있는 모든 물질을 정지시키기 위해 지면에 매립하는 것을 선호합니다.

에너지 스토리지 효율

기계식 베어링을 사용하는 플라이휠 에너지 저장 시스템은 2시간 ^[17]내에 에너지의 20~50%를 잃을 수 있습니다.이러한 에너지 손실에 책임이 있는 마찰의 대부분은 지구의 회전에 의한 플라이휠의 방향 변경에서 발생한다(푸코 진자에 의해 나타나는 것과 유사한 효과).이러한 방향 변화는 플라이휠의 각운동량에 의해 가해지는 자이로스코프 힘에 의해 저항되며, 따라서 기계 베어링에 힘을 가합니다.이 힘은 마찰을 증가시킨다.이것은 플라이휠의 회전축을 ^{[citation needed]}지구의 회전축과 평행하게 정렬함으로써 피할 수 있다.

반대로 자기 베어링과 고진공 플라이휠은 기계 효율 97%, 왕복 ^[18]효율 85%를 유지할 수 있습니다.

차량에서 각운동량의 영향

플라이휠은 각운동량이 일반적으로 움직이는 차량에 작용하는 힘과 유사한 크기이기 때문에 자이로스코프로도 작동한다.이러한 특성은 거친 지면에서 회전하거나 주행하는 동안 차량의 핸들링 특성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 경사진 제방을 따라 주행하면 플라이휠이 측면 틸팅 힘에 반대하여 휠이 지면에서 부분적으로 들어올릴 수 있습니다.한편, 이 성질을 이용해 ^[19]급커브 시에 차가 넘어지지 않도록 균형을 유지할 수 있다.

플라이휠이 에너지 저장 대신 차량의 자세에 미치는 영향만을 위해 사용될 때, 그것은 반응 바퀴 또는 제어 모멘트 자이로스코프라고 불립니다.

각도 기울기의 저항은 플라이휠이 차량에 영향을 미치지 않고 원래 방향을 유지할 수 있도록 적절히 적용된 짐벌 세트 내에 장착하면 거의 완전히 제거할 수 있습니다(자이로스코프의 속성 참조).이것은 짐벌 잠금의 복잡성을 피할 수 없기 때문에 짐벌의 수와 각도의 자유도 사이의 타협이 필요합니다.

플라이휠의 중앙 축은 단일 짐벌 역할을 하며, 수직으로 정렬되면 수평면에서 360도 요가 가능합니다.단, 예를 들어 오르막길 주행에는 제2의 피치 짐발이 필요하며, 경사진 제방을 주행하려면 제3의 롤 짐발이 필요합니다.

풀모션 짐벌

플라이휠 자체는 평평한 링 형태일 수 있지만, 차량 내부에 자유자재로 움직이는 짐벌 장착은 플라이휠이 내부에서 자유롭게 회전할 수 있는 구형 볼륨을 필요로 한다.자동차에서 회전하는 플라이휠은 지구의 자전에 따라 천천히 세차하고, 지구의 구부러진 구형 표면 위를 먼 거리를 이동하는 차량에서는 세차한다.

풀 모션 짐벌은 플라이휠이 하루에 한 번 완전히 뒤집힐 수 있기 때문에 플라이휠 안팎으로 동력을 전달하는 방법에 대한 추가적인 문제가 있습니다.완전한 자유 회전을 위해서는 전력 도체의 각 짐벌 축 주위에 슬립 링이 필요하기 때문에 설계가 복잡해집니다.

제한된 동작의 짐벌

공간 사용을 줄이기 위해 짐벌 시스템은 충격 흡수기를 사용하여 일정 수의 평면 외 각도 회전 범위 내에서 갑작스러운 급격한 움직임을 완충한 다음 플라이휠이 차량의 현재 방향을 채택하도록 점진적으로 강제하는 제한된 이동 설계일 수 있습니다.이렇게 하면 링 모양의 플라이휠 주위의 짐벌 이동 공간이 전체 구체에서 짧고 두꺼워진 실린더로 감소합니다. 예를 들어 ± 30도의 피치와 ± 30도의 플라이휠 주위의 모든 방향에서 ± 30도의 롤을 포함합니다.

각운동량 평형

이 문제에 대한 대안적 해결책은 두 개의 결합된 플라이휠이 반대 방향으로 동시에 회전하는 것입니다.총 각운동량은 0이고 자이로스코프 효과는 없습니다.이 솔루션의 문제는 각 플라이휠의 운동량 차이가 0이 아닌 경우 두 플라이휠의 하우징에서 토크가 발생한다는 것입니다.각 속도를 0으로 유지하려면 양쪽 휠을 동일한 속도로 유지해야 합니다.엄밀히 말하면, 두 개의 플라이휠은 중심점에서 엄청난 토크 모멘트를 발휘하여 차축을 구부리려고 합니다.그러나 차축이 충분히 강하면 자이로스코프 힘이 밀폐된 용기에 영향을 미치지 않으므로 토크가 느껴지지 않습니다.

힘의 균형과 스트레인을 더욱 분산시키기 위해 하나의 대형 플라이휠을 양쪽에 2개의 반사이즈 플라이휠로 균형을 잡거나 플라이휠을 크기를 줄여 일련의 교대로 회전하는 층으로 만들 수 있다.그러나 이로 인해 하우징 및 베어링의 복잡성이 증가합니다.

적용들

교통.

자동차

1950년대에 이버돈(스위스)과 겐트(벨기에)에서 자이로버스로 알려진 플라이휠 구동 버스가 사용되었고 더 작고 가볍고 저렴하며 더 큰 용량을 가진 플라이휠 시스템을 만들기 위한 연구가 진행 중이다.플라이휠 시스템이 전기 자동차와 같은 모바일 애플리케이션을 위한 기존의 화학 배터리를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.제안된 플라이휠 시스템은 저용량, 긴 충전 시간, 무거운 무게 및 짧은 사용 수명 등 기존 배터리 전원 시스템의 많은 단점을 제거할 수 있습니다.플라이휠은 논란이 ^[20]되고 있지만 실험용 크라이슬러 패트리엇에 사용되었을 수 있다.

플라이휠은 또한 연속 가변 변속기에 사용하기 위해 제안되었습니다.펀치 파워트레인은 현재 이런 ^[21]장치를 개발하고 있다.

1990년대에 Rosen Motors는 55,000rpm 플라이휠을 사용하여 소형 가스터빈 엔진으로는 제공할 수 없는 가속 버스트를 제공하는 가스터빈 동력식 하이브리드 자동차 파워트레인을 개발했습니다.플라이휠은 또한 회생제동을 통해 에너지를 저장했다.플라이휠은 탄소 섬유 실린더가 있는 티타늄 허브로 구성되었으며 차량 핸들링에 대한 자이로스코프의 악영향을 최소화하기 위해 짐벌에 장착되었습니다.시제품 차량은 1997년 도로 주행 테스트에 성공했지만 ^[22]양산되지는 않았다.

2013년, 볼보는 S60 세단의 리어 액슬에 장착된 플라이휠 시스템을 발표했습니다.제동 동작은 플라이휠을 최대 60,000rpm으로 회전시키고 전면에 장착된 엔진을 정지시킵니다.플라이휠 에너지는 특수 변속기를 통해 차량의 일부 또는 전체에 동력을 공급합니다.20cm(7.9인치), 6kg(13파운드)의 탄소섬유 플라이휠은 진공상태에서 회전해 마찰을 없앱니다.4기통 엔진과 제휴하면 성능이 비슷한 터보 6기통보다 연료 소비량이 최대 25% 절감되며, 80마력(60kW)이 향상되고 5.5초 만에 시속 100km(62mph)에 도달할 수 있습니다.이 회사는 이 기술을 자사 ^[23]제품군에 포함시킬 구체적인 계획을 발표하지 않았다.

2014년 7월 GKN은 WHP(Williams Hybrid Power) 사업부를 인수하여 향후 2년간^[24] 500개의 탄소 섬유 자이로드라이브 전기 플라이휠 시스템을 도시 버스 사업자에게 공급할 예정입니다. 이전 개발자의 이름에서 알 수 있듯이 이 시스템은 원래 포뮬라 원 자동차 경주 애플리케이션용으로 설계되었습니다.2014년 9월, 옥스포드 버스 회사는 브룩스 버스 ^[25][26]운영에 알렉산더 데니스의 자이로드라이브 하이브리드 버스 14대를 도입한다고 발표했습니다.

철도 차량

플라이휠 시스템은 Sentinel-Oerlickon 자이로 로코모티브와 같은 분쇄 또는 전환을 위한 소형 전기 기관차에 실험적으로 사용되었습니다.영국 철도 등급 70과 같은 대형 전기 기관차는 종종 플라이휠 부스터를 장착하여 세 번째 레일의 틈새로 운반해 왔습니다.오스틴에 있는 텍사스 대학의 133kWh 팩과 같은 첨단 플라이휠은 서서 출발하여 순항 ^[2]속도까지 기차를 탈 수 있습니다.

패리 피플 무버는 플라이휠로 움직이는 철도 차량이다.2006년과 2007년 사이에 영국 웨스트 미들랜즈의 Stourbridge Town Branch Line에서 12개월 동안 일요일에 트라이얼을 실시했으며, 열차 운영사인 London Midland가 두 대의 차량을 주문하면 2008년 12월에 정식 서비스로 도입할 예정이었다.2010년 1월에는 두 유닛이 모두 ^[27]가동되고 있습니다.

레일 전화

FES는 전기 철도의 선로 측에서 사용되어 선로 전압 조절에 도움이 될 수 있습니다. 따라서 개조되지 않은 전기 열차의 가속도와 회생 제동 중에 선로로 회수되는 에너지의 양을 개선하여 에너지 ^[28]요금을 낮출 수 있습니다.런던, 뉴욕, 리옹,^[29] 도쿄에서 시험운행이 이루어졌으며, 뉴욕 MTA의 롱 아일랜드 레일 로드는 현재 LIRR의 웨스트 헴스테드 지점 ^[30]라인의 파일럿 프로젝트에 520만 달러를 투자하고 있다.이러한 시험과 시스템은 영구 자석을 형성하는 네오디뮴-철-보론 분말로 채워진 탄소-유리 복합 실린더로 구성된 로터에 운동 에너지를 저장합니다.이들은 최대 37800rev/min의 속도로 회전하며, 각 100kW 장치는 약 200 미터톤의 무게를 0에서 38 km/^[29]h로 가속하기에 충분한 11 메가줄(3.1 kWh)의 재사용 에너지를 저장할 수 있다.

무정전 전원 장치

2001년 현재^[update] 생산 중인 플라이휠 전력 저장 시스템은 배터리에 필적하는 저장 용량과 더 빠른 방전 속도를 가지고 있습니다.주로 대용량 배터리 시스템의 부하 평준화에 사용됩니다.예를 들어 배터리 ^[31]시스템에 비해 공간을 대폭 절약할 수 있기 때문에 데이터센터의 무정전 전원장치 등입니다.

일반적으로 플라이휠 유지보수는 기존 배터리 UPS 시스템 비용의 약 1/2을 사용합니다.유일한 유지보수는 연간 기본 예방 유지보수와 5~10년마다 베어링을 교체하는 것으로 약 ^[7]4시간이 소요됩니다.최신 플라이휠 시스템은 유지보수가 필요 없는 자기 베어링을 사용하여 회전 질량을 완전히 부양하여 기계적 베어링 유지보수와 ^[7]고장을 제거합니다.

완전히 설치된 플라이휠 UPS(전원 조절 포함)의 비용은 (2009년) 킬로와트당 약 330달러(15초 풀로드 용량)^[32]이다.

시험소

플라이휠 전력 시스템의 오랜 틈새 시장은 회로 차단기 및 유사한 장치를 테스트하는 시설입니다. 소규모 가정용 회로 차단기라도 10,000암페어 이상의 전류를 차단하는 것으로 평가될 수 있으며, 대형 장치의 차단 정격은 100,000암페어 또는 100,000암페어입니다.그러한 장치가 시뮬레이션 단락을 차단할 수 있는 능력을 입증하도록 의도적으로 강제함으로써 발생하는 엄청난 과도 부하는 이러한 시험이 건물 전력에서 직접 수행될 경우 국부 그리드에 허용할 수 없는 영향을 미칠 것이다.일반적으로 그러한 실험실은 몇 분에 걸쳐 속도까지 회전할 수 있는 여러 개의 대형 모터-발전기 세트를 가지고 있다. 그런 다음 회로 차단기를 테스트하기 전에 모터를 분리한다.

물리학 연구소

토카막 핵융합 실험에서는 짧은 시간(주로 대형 전자석에 몇 초간 전력을 공급하기 위해) 동안 매우 높은 전류가 필요합니다.

• JET(유럽 조인트 토러스)에는 최대 ^[33]225rpm까지 회전하는 2개의 775톤 플라이휠(1981년 장착)이 있습니다.각 플라이휠은 3.75GJ를 저장하며 최대 400MW의 ^[34]전력을 공급할 수 있습니다.
• 위스콘신-매디슨 대학의 헬리컬 대칭 실험에는 18개의 1톤 플라이휠이 있으며, 플라이휠은 전용 전기 열차 모터를 사용하여 10,000rpm으로 회전합니다.
• ASDEX 업그레이드에는 3개의 플라이휠 제너레이터가 있습니다.
• General Atomics의 DII-D(토카막)
• 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 프린스턴 대형 토러스(PLT)

또한 비토카막: 러더포드 애플턴 연구소의 님로드 싱크로트론은 30톤 플라이휠 두 개를 가지고 있었다.

항공기 발진 시스템

제럴드 R. 포드급 항공모함은 플라이휠을 이용해 선박의 전력 공급으로부터 에너지를 축적해 전자 항공기 발사 시스템으로 신속하게 방출할 예정이다.선상 전력 시스템은 항공기 발사에 필요한 높은 과도 전력을 자체적으로 공급할 수 없습니다.4개의 로터 각각은 6400rpm에서 121MJ(34kWh)를 저장합니다.122 MJ(34 kWh)를 45초에 저장하고 2~3초 ^[35]만에 방출할 수 있습니다.플라이휠 에너지 밀도는 28kJ/kg(8W·h/kg)이며, 이는 ^[35]토크 프레임을 제외하고 18.1kJ/kg(5W·h/kg)까지 감소합니다.

NASA G2 우주선 에너지 저장용 플라이휠

이 설계는 NASA의 Glenn Research Center가 자금을 지원했으며 실험실 환경에서 구성 요소 테스트를 위해 고안되었습니다.60,000rpm으로 회전하도록 설계된 티타늄 허브가 있는 탄소 섬유 림을 사용했으며, 자기 베어링에 장착되었습니다.무게는 250파운드로 제한되었다.저장공간은 525 W-hr(1.89 MJ)이었으며 1 kW에서 충전 또는 방전이 가능했으며 이는 5.31 W-hr/kg의 비 에너지와 10.11 W/^[36]kg의 전력 밀도를 의미합니다.페이지 상단에 있는 사진에 표시된 작동 모델은 2004년 ^[37]9월 2일 41,000rpm으로 작동했습니다.

놀이 기구

노트의 베리 팜에 있는 몬테주마의 리벤지 롤러코스터는 세계 최초의 플라이휠 발사 롤러코스터이며 미국에서 여전히 운행되고 있는 마지막 롤러코스터이다.이 승차감은 7.6톤의 플라이휠을 사용하여 4.5초 만에 열차를 시속 55마일(89km/h)까지 가속합니다.

유니버설 어드벤처 섬의 인크레더블 헐크 롤러코스터는 일반적인 중력 강하와는 달리 빠르게 오르막 발사를 하는 것이 특징이다.이는 차량을 트랙 위로 던지는 강력한 트랙션 모터를 통해 이루어집니다.코스터 열차를 최대 속도로 오르막까지 가속하는 데 필요한 짧은 매우 높은 전류를 달성하기 위해, 이 공원은 대형 플라이휠이 있는 여러 모터 발전기 세트를 사용합니다.이렇게 저장된 에너지 장치가 없다면, 공원은 새로운 변전소에 투자하지 않으면 놀이기구가 가동될 때마다 지역 에너지 그리드가 사라질 위험을 감수해야 할 수 있습니다.

펄스 파워

플라이휠 에너지 스토리지 시스템(FESS)은 그리드 연결 에너지 관리에서 무정전 전원 공급 장치까지 다양한 애플리케이션에서 볼 수 있습니다.기술이 발전함에 따라 FESS 적용에 대한 신속한 리노베이션이 이루어지고 있습니다.예로는 고출력 무기, 항공기 파워트레인 및 선상 동력 시스템이 있으며, 이 시스템에서는 단기간 몇 초, 심지어 밀리초 단위로 매우 높은 출력을 필요로 한다.보상 펄스 교류 발전기(압축기)는 일반적으로 ^[38]FESS용으로 설계된 높은 에너지 밀도와 전력 밀도로 인해 핵융합로, 고출력 펄스 레이저 및 고속 전자파 발사대에 가장 많이 사용되는 펄스 전원 공급 장치 중 하나입니다.강제 장치(저유도 교류 발전기)는 콘덴서와 같이 작동하며, 레일건과 레이저에 펄스 전력을 공급하기 위해 회전할 수 있습니다.별도의 플라이휠과 발전기가 있는 대신 교류발전기의 큰 회전자만 에너지를 저장합니다.동극 ^[39]발생기를 참조하십시오.

모터스포츠

연속 가변 변속기(CVT)를 사용하여 제동 중에 드라이브 트레인에서 에너지가 회수되어 플라이휠에 저장됩니다.이 저장된 에너지는 가속 중에 CVT의 ^[40]비율을 변경하여 사용됩니다.모터 스포츠 분야에서 이 에너지는 이산화탄소 배출량을 줄이는 대신 가속력을 향상시키는 데 사용됩니다. 하지만 동일한 기술을 도로 차량에 적용하여 ^[41]연비를 개선할 수 있습니다.

매년 열리는 르망 24시간 행사와 르망 시리즈의 주최자인 자동차 클럽 드 루에스트는 현재 "운동 에너지 회수 시스템을 갖춘 LMP1에 대한 구체적인 규칙을 연구하고 있다."^[42]

Williams F1 ^[43]Racing 팀의 자회사인 Williams Hybrid Power는 포르쉐의 911 GT3 R^[44] 하이브리드와 아우디의 R18 e-Tron Quattro에 ^[45]플라이휠 기반의 하이브리드 시스템을 공급했다.아우디의 2012년 르망 24시간 우승은 하이브리드(^[46]디젤 전기) 차량으로는 처음이다.

그리드 에너지 저장소

플라이휠은 순간적인 그리드 주파수 조절과 공급과 소비 사이의 갑작스러운 변화의 균형을 맞추기 위한 단기 회전 예비로 사용되기도 한다.천연 가스 ^[47]터빈과 같은 전통적인 에너지원 대신 플라이휠을 사용하면 탄소 배출이 없고, 응답 시간이 빨라지며, 비수기 시간대에 전력을 구입할 수 있다는 장점이 있습니다.작동은 동일한 애플리케이션의 배터리와 매우 유사하며, 그 차이는 주로 경제적입니다.

Beacon Power는 ^[50]2014년 펜실베이니아 주 해즐 타운십에 플라이휠^[49] 200개와 유사한 20MW 시스템을 사용하여 2011년^[48] 뉴욕 스티븐타운에 5MWh(15분 ^[18]20MW) 플라이휠 에너지 저장 공장을 열었다.

캐나다 온타리오 주 민토에 0.5MWh(15분 ^[51]동안 2MW) 플라이휠 저장 시설이 ^[52]2014년에 문을 열었습니다.플라이휠 시스템(NRStor에 의해 개발됨)은 자기 ^[52]베어링에 10개의 회전 강철 플라이휠을 사용합니다.

Amber Kinetics, Inc.는 캘리포니아주 프레즈노에 위치한 20MW/80MWh 플라이휠 에너지 저장 설비에 대해 PG&E(Pacific Gas and Electric)와 4시간의 방전 기간을 ^[53]두고 계약을 체결했습니다.

풍력 터빈

플라이휠은 비수기 또는 높은 풍속 동안 풍력 터빈에 의해 생성된 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있다.

2010년 Beacon Power는 캘리포니아 테하차피에 있는 풍력 발전소에서 Smart Energy 25(4세대) 플라이휠 에너지 스토리지 시스템의 테스트를 시작했습니다.이 시스템은 캘리포니아 에너지 ^[54]위원회를 위해 수행 중인 풍력/플라이휠 시연 프로젝트의 일부였다.

완구

많은 장난감 자동차, 트럭, 기차, 액션 장난감 등에 사용되는 마찰 모터는 단순한 플라이휠 모터입니다.

작업 누름 전환

업계에서는 토글 액션 프레스가 여전히 인기입니다.일반적인 배열에는 매우 강한 크랭크축과 프레스를 구동하는 헤비듀티 커넥팅 로드가 포함됩니다.크고 무거운 플라이휠은 전기 모터에 의해 구동되지만 플라이휠은 클러치가 작동될 때만 크랭크축을 회전시킵니다.

전기 배터리와 비교

플라이휠은 온도 변화에 의해 부정적인 영향을 받지 않으며 훨씬 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있으며 화학 충전 ^[55]배터리의 일반적인 고장에도 영향을 받지 않습니다.또한 불활성 또는 양성 물질로 만들어져서 환경에 덜 해를 끼친다.플라이휠의 또 다른 장점은 단순한 회전 속도 측정으로 저장된 에너지의 정확한 양을 알 수 있다는 것입니다.

한정된 기간(예를 들어 리튬 이온 폴리머 배터리의 경우 약 36개월) 동안만 작동하는 대부분의 배터리와 달리 플라이휠은 잠재적으로 무기한 작동 수명을 가집니다.제임스 와트 증기 엔진의 일부로 만들어진 플라이휠은 200년 ^[56]이상 동안 계속 작동해 왔다.주로 제분이나 도자기에 사용된 고대 플라이휠의 작동 예는 아프리카, 아시아,^[57][58] 유럽의 많은 지역에서 찾아볼 수 있다.

대부분의 현대식 플라이휠은 일반적으로 봉인된 장치이며 서비스 수명 동안 유지보수가 거의 필요하지 않습니다.위에 표시된 나사 모델과 같은 진공 인클로저의 자기 베어링 플라이휠은 베어링 유지보수가 필요하지 않으므로 총 수명 및 에너지 저장 ^{[citation needed]}용량 면에서 배터리보다 우수합니다.기계식 베어링이 있는 플라이휠 시스템은 마모로 인해 수명이 제한됩니다.

고성능 플라이휠이 폭발하여 고속 파편으로 구경꾼을 죽일 수 있습니다.배터리에 불이 붙고 독소를 방출할 수 있지만, 일반적으로는 사람이 도망쳐 부상을 면할 수 있는 시간이 있습니다.

배터리의 물리적 배열은 광범위한 구성에 맞게 설계될 수 있지만 플라이휠이 저장하는 에너지는 각질량과 회전 속도의 제곱에 비례하기 때문에 최소한 특정 면적과 부피를 차지해야 합니다.플라이휠이 작아지면 질량도 줄어들기 때문에 속도가 빨라져야 하고, 따라서 재료에 가해지는 스트레스도 커집니다.치수가 (열차의 섀시 아래 등) 제약이 되는 경우, 플라이휠은 실행 가능한 ^{[citation needed]}해결책이 아닐 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

추가 정보

• Beacon Power는 2개의 20MW 에너지 저장 플랜트의 최대 50%를 기금화하는 DOE 보조금에 적용, 2009년 9월 1일 [1]^{[permanent dead link]}
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• Devitt, Drew (March 2010). "Making a case for flywheel energy storage". Renewable Energy World Magazine North America.

외부 링크

• 연방 기술 경고, 플라이휠 에너지 저장소
• 그린 에너지 스토리지 시스템용 마그네탈 화이트 페이퍼– GESS
• 플라이휠 에너지 저장에 의해 유도되는 자이로력에 대한 자기해석