飞轮储能如何不“疯狂”
飞轮储能就是利用旋转体高速旋转时的动能存储能量。
储能又出事了。不同于以往多次发生的电化学储能起火事件，此次意外是由高速转动的“飞轮”引起的机械事故。
8月19日，北京泓慧国际能源发展有限公司正在进行一场飞轮科技实验，在此过程中，实验设备意外脱落，击中该公司多名员工，造成人员伤亡。
这场“夺命”的科技实验再次敲响储能安全的警钟，同时也将“飞轮储能”这一相对小众的物理储能技术带到了聚光灯下。
那么，什么是飞轮储能？这一“疯狂的陀螺”又会给储能产业带来哪些变革？
与以往我们熟悉的电池等化学储能不同，飞轮储能是一种比较传统的物理储能方式，原理也很简单，就是利用旋转体高速旋转时的动能实现能量存储。
华北电力大学能源动力与机械工程学院教授柳亦兵对《中国科学报》解释道，飞轮储能系统的旋转体由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机既是电动机，又是发电机。作为电动机可以驱动飞轮加速旋转，将电能转换成动能，进行“充电”；作为发电机又可将动能转换成电能，降低飞轮转速，进行“放电”。
就像“陀螺”，给它施加外力就会以一定的速度旋转起来；如果不抽它，也不会立刻停止，而是过一段时间，等能量消耗完了再停下。
记者采访了解到，飞轮转子的动能等于1/2倍的转动惯量乘以转速的平方。即飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比，与转子最高转速的平方成正比。所以，提高飞轮储能量的技术途径，一是提高转子的转动惯量，二是提高飞轮转子的转速。
可以说，作为一种物理储能方式，飞轮储能是通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储，因此并没有燃烧和爆炸的风险，但却存在飞轮转子脱落等安全隐患。
“高速飞轮转子采用复杂的轴承支撑结构，轴向主要采用磁悬浮轴承支撑，将转子悬浮在真空中运行，减小转子旋转的能量损耗。”柳亦兵告诉记者，“转子在高速旋转状态下，如果发生轴承失效，转子从悬浮状态中脱落，可能与底部或外壳结构发生剧烈接触摩擦，消耗转子动能，造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒，产生次级危害。”
不仅如此，飞轮转子也有可能会发生超速事故，使转子内部应力超过材料强度极限，导致转子部件内部产生裂纹损伤，极端情况下转子会发生爆裂。
因此，在柳亦兵看来，飞轮储能系统应配置转速监测和安全保护系统，使发生转子爆裂事故的风险降至最低并且可以加以监控。同时，飞轮储能单元的外壳和基础设计应具有安全裕度，特别是对于大容量功率型飞轮储能产品，基础结构应尽量采取地井结构形式，将飞轮储能本体设备放置在钢筋混凝土结构的地井中，万一发生转子爆裂故障，也可以发挥安全防护作用，就地消纳能量，有效避免发生次生事故。
具有独特优势
虽然有一定的安全风险，但飞轮储能这一“疯狂的陀螺”仍然能够飞速“转”出一片应用市场。不久前，我国《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》中的兆瓦级飞轮储能技术应用就取得重大突破——首次将飞轮储能应用到电气化铁路领域。
“有了飞轮储能装置，火车进站刹车时产生的巨大电能会加速飞轮旋转，相当于把电能储存起来，当火车提速出站时，飞轮则可以释放能量给火车。”中国铁路北京局集团唐山供电段副段长李彦吉在接受媒体采访时说，“这不仅改善了铁路供电系统电能质量，还减少了电能消耗。仅一个铁路牵引变电站，每天就可节约3000度电能。”
可以说，相比于电化学储能，飞轮储能具有很多独特优势。“飞轮储能的充放电速率取决于双向电机的额定功率，额定功率越大，充放电速率越高，可以实现快速充放电。由于飞轮充放电过程是飞轮转子加速和减速的物理过程，因此可以通过配置较大额定功率的电机，实现能量快速充放，这是飞轮储能的突出优势。”柳亦兵说。
不仅如此，飞轮储能还具有很高功率密度和很快响应时间，额定功率响应时间低于0.1秒。同时具有超多循环充放次数和超长使用寿命，充放电循环次数可达100万次，使用寿命超过20年。另外，由于飞轮转子转速和储能量成精确关系，因此飞轮储能系统还可以实现飞轮转子转速精确测量和控制，通过将多个飞轮储能单元组成阵列，实现较大容量的能量快速精确充放。
当前，以风光为主的新能源系统，随机波动性和间歇性是其主要局限性，这对电力系统快速灵活调节提出新的挑战，需要大力发展各种类型的储能资源，全面提升电力系统的负荷调控能力，同时也对发电企业的灵活调节能力提出更高要求。
柳亦兵表示，飞轮储能由于可以实现大功率快速充放电，在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势，可以广泛应用于电网独立调频、火电+储能、新能源（风光）+储能、微电网及综合能源等，具有广阔发展前景。除了电力系统，大容量功率型飞轮储能也可以在其他电能快充快放领域发挥更大作用。
瓶颈待突破
飞轮储能虽然听起来比较陌生，但我国自上世纪90年代就已经开展相关技术研究，走在前列的有上海航天控制技术研究所、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等单位。但是与国外相比，我国自主研发的飞轮储能技术及工程应用还相对落后。多数公司主要生产容量较小的飞轮储能设备产品，充放电时间也比较短。
柳亦兵坦言，飞轮储能产品的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或最高转速。对于储能量较小的飞轮储能产品，技术上相对容易实现。但是对于大容量功率型飞轮储能产品，当飞轮转子的转动惯量和最高转速超过一定数值，就会面临许多技术瓶颈。例如，高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转速范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术及系统、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。
“目前，我国在这些关键技术领域的研究积累不足，限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发。”柳亦兵说，大容量功率型飞轮储能是一种具有很高技术含量的复杂机电设备，这类产品的研发、生产是一项高投入、高风险的事业。
对此，他建议，国家一方面应该在关键技术研发领域加大投入，通过精准资助国内从事该类产品生产的企业，与从事相关研究的高校深入开展校企合作，突破技术瓶颈，不断提升产品技术水平，实现科技成果真正落地示范，为新型电力系统提供高可靠性、性能优质的飞轮储能产品；另一方面，应尽快明确储能在电力系统的定位，根据承担的辅助服务业务，制定合理细化的收益支持政策，使从事储能的厂商具有可以预期的投入产出效益，促进储能事业的健康发展。
记者 李惠钰
来源： 《中国科学报》
比电磁干扰严重100倍! 福特号电弹没那么废物 但问题却更严重了
本文是因粉丝要求探讨一个问题，福特号航母的电磁弹射器到底是不是网友传闻的那么废物，比如故障率奇高，最大弹射吨位不能超过25吨，连E-2D和F-35C都没弹射过，并且指出F-35C是因为电磁弹射器干扰太严重无法上舰服役，甚至连满弹满油的F/A-18E/F都无法弹射，这事儿是不是真的？
种花家经过查找多方资料，确认以上都是谣言，但却发现了一个更严重的问题，只用了一套储能系统的传闻被石锤，连带一起的还有个高频电源系统居然也只有一套，这个问题就扯大了，追究到底，这问题居然就是娘胎里带出来的，无法解决！
福特号电弹没大家说那么废：以上飞机都弹过
本文来源于一个粉丝+朋友的求证，对方给出的问题是美军的CVN-78“福特号”航母到底有没有弹射过E-2D预警机，说实话，这个问题把种花家给问懵了，E-2D是福特号的舰载固定翼预警机，怎么可能会没有弹射过？但对方却表示，确实搜不到网上有福特号弹射E-2D的视频，而且在美军给出的资料中都是含糊其辞，所以他认为美军的福特号没有弹射过E-2D！
他还表示之所以无法弹射E-2D，完全是因为福特号的电弹最大载荷只能弹射25吨的飞行器，除了轻载状态下的F/A-18E/F，重载是无法弹射的，因为轻载刚好低于25吨，属于卡BUG的存在！
另一个问题F-35C也无法上舰，这有两个问题，一个是F-35C满载重量超过31吨无法弹射，但轻载也无法弹射，因为电磁弹射器在工作时电磁干扰实在太强，会让F-35C机载电子设备失灵，因此迟迟无法上舰，目前该计划已经被推迟到2029年，留出时间来解决电磁屏蔽的问题。
福特号电弹真有那么废物？
种花家直接告诉这位朋友，如果福特号电弹的载荷真只有25吨，那么这破玩儿意就是个废物，然而这个信息确实在种花家的知识盲区内，完全没听过这事！上网一搜，简中科普文章圈内确实有25吨的说法，一个作者是“瀚海狼山”，另一个作者是“申鹏”，不过“瀚海狼山”应该最早，其他都是引用了他的说法！
但这25吨的说法确实无法在英文页面搜索到，最后种花家换了个思路，按西方比较习惯的磅来搜索，接近25吨的磅数在55000磅搜到资料，只是很可惜是英国“伊丽莎白女王号”航母的电弹招标数据，弹射55000磅（24.9吨），拦阻47000磅，最后这艘航母还放弃了改装弹射器，而且这数据也不能拿来判定福特号的电弹就是25吨！
并且种花家在随后搜索资料时找到了美军在2021年和2023年发布的公开数据，确定T-45A/C、F/A-18E/F、EA-18G、C-2A、E-2C+和E-2D都已经弹射过，粉丝@dengtao1688dt还提供了视频链接，如下：
视频加载中...
F/A-18E/F和E2-D都参与了弹射，所以这25吨就不攻自破了，不过F-35C只找到了在陆基电磁弹射测试现场的视频，如下：
视频加载中...
这个是陆基弹射的画面，另外种花家也在油管找到了F-35C在航母上弹射的视频，如下：
视频加载中...
比较有争议的是在航母上弹射的视频，有网友肯定是福特号电磁弹射在操作，因为也看不到舷号，无法确定是哪艘航母，不过从舰桥来看与福特号差一不小，另外一个分辨特征是弹射时蒸汽腾腾，这绝壁就是蒸弹，不可能是电弹，后来种花家确定这就是尼米兹级航母的蒸汽弹射器正在弹射F-35C。
到这里关于福特号的几个谣言都被证伪了，但有一个事情还未确定，就是福特号上似乎真没有弹射过F-35C，在油管上完全找不到甚至是疑似的视频，似乎坐实了电磁屏蔽没做好导致F-35C无法入役福特号！那么问题果真如此吗？种花家的这位朋友+粉丝提供了一个说法：
“The reliability concerns are amplified by the fact that the crew cannot readily electrically isolateEMALS components during flight operations because of the shared nature of the Energy Storage Groups and Power Conversion Subsystem inverters on board CVN78. ”“由于CVN78上的储能组和功率转换子系统逆变器的共享性质，机组人员在飞行操作期间无法轻易对EMALS组件进行电气隔离，这加剧了可靠性问题。”
问题就在这里，确实有文科的朋友将电气隔离理解成了电磁屏蔽，似乎从字面上理解也没问题，但在电气领域的电气隔离却不是这个意思，而是将某一路功能独立，一边出故障时不会影响另一边，简单的说就是独立运行操作。
所以F-35C并不是因为电磁屏蔽的问题无法上舰的，那么问题来了，F-35C到底为什么不能上舰的？种花家找了多方资料，结果给出的答案令大家大跌眼镜：居然是福特号上根本就没有为F-35C的上舰做过专门的设计！
在国外QUORA上就有这样一个问题，“福特号航空母舰上为何没有驻扎F-35C型飞机？”，回答这个问题的是哈尔·贝伦森，他表示福特号航母技术路线固定时F-35C还未出世，航母上的维护系统并没有考虑F-35C，另外武器系统也没有为F-35C准备。
另一位回答者凯文·梅森则表示，飞机中级维护部门 (AIMD) 还必须配备专门的测试台、试验台和设备，并培训维护人员进行维护，而福特号没有为此准备，建造时就已经被冻结，目前只支持F/A-18，不过也不是不能改装，比如林肯号和卡尔文森号就已经装备了，但到目前为止只有两个F-35C中队装备，未来大规模上舰需要等到CVN-79之后，这个在美军公开的资料中也有提及，最快也要2025年之后，不过根据下一艘航母的服役，这个时间可能会更久。
这个说法在在线军事媒体Almashareq中2023年4月5日的一篇标题为《F-35 战机能力将使福特号航空母舰成为全球海上令人畏惧的航母》得到了证实，CVN-79将是福特级中第一艘装备F-35C的航母，所以CVN-78是不要想了。
比电磁干扰严重100倍：福特好电弹这问题，无法解决！
上文中留了一个巨坑，看起来关于福特号电磁弹射的问题都解决了，全是谣言而已！但事实上问题却更大了，仔细看上文那段英文描述，这里再重复下中文翻译：
“由于CVN78上的储能组和功率转换子系统逆变器的共享性质，机组人员在飞行操作期间无法轻易对EMALS组件进行电气隔离，这加剧了可靠性问题。”
各位有没有发现什么问题？CVN-78（福特号）上的电磁弹射器的储能组件和功率转换组件是共享的，也就是说福特号上四条电磁弹射器只用了一套储能设备与高频电源，这意味着什么？就是毫无冗余，一旦储能或者高频电源检修，那么四条电弹全部瘫痪，而且由于使用频度高，维护时间短，故障率很高，这也是2020年6月份4条电磁弹射器全部瘫痪5天的主要原因，难怪特朗普当年要用蒸弹换掉电弹，原因就在于此！
电弹故障新闻
为什么福特号电弹这么废？因为这是从娘胎里带来的问题
电磁弹射原理大家应该都知道一点，简单了说就是一个摊平的电机，或者称为直线电机，如果要专业一点，那就是重接线圈电磁轨道发射装置，也可以作为电磁炮的发射弹丸，不过这种结构特别适合用来发射重载低速物体，因此各国都不约而同的拿来制造发射战斗机的电磁弹射器。
这种发射装置的要求是至少能将一架40吨重的重型战机在2~3秒内加速到240千米时速的起飞速度，耗电量倒是不大，最多也就25~32度左右，但功率能高达几十兆瓦以上，航母上很难安装大型发电机为电弹提供电源，因此在电磁弹射器中，除了能适应极高能量冲击的弹射器以外还需要有一种储能装置，能在弹射间隔里为其充满电，充满后能可以弹射多个循环。
另一个是需要一个为弹射器提供合乎要求的高频电源，当然弹射也少不了反馈与控制装置，因为电弹可以根据弹射器上传回的每个信号进行实时调节，根据弹射飞行器的性质、重量以及当前速度等作出反应，调节弹射器的输出功率，从另加速到240千米/小时有一个平缓的过程。
这也是电磁弹射要比蒸弹的加速度更柔和的原因，并且还可以根据飞行器的重量调节，可以弹射2-3吨的无人机，也可以弹射40吨的重型舰载机，灵活性非常高，飞行员也将舒适很多，当然其他因素是体积小，出勤率更高，当然前提是弹射器稳定，然而美军的弹射器却非常不稳定，其原因路线图错了！
中压交流与中压直流路线，哪个才是正确方向？
所谓的中压交流与中压直流，其实就是电弹的电源选择问题，究其源头还是舰载全电推进系统的选择问题，这是将舰载主机动力发电后再由电机电动推进轴转动推动船舶前进的一种方式，优点很多，可以将舰载各种机械动力用电气设备来代替，不需要在每个动力设备区域单独配置一台内燃机，并且还少了推进大轴，震动与噪音也少了，冗余动力配置也更简单了，近些年来船舶的全电系统都在普及，中美与英法等国进展都不错。
一般而言舰载全电有中压直流与中压交流两种系统，大家都知道，配电系统中使用交流体制为多，比如我国的工业用电是50HZ/380V三相体制，民用电就是单相50HZ/220V，高压部分有10KV，30KV与50KV和110KV、220KV、330KV、500KV、750KV、及1000KV。
交流变配电非常方便，因为交流电压可以通过变压器很方便的升高与降低，高压可以小电流高电压输送高密度电能，到目的地后使用变压器即可变换电压，美国在上世纪末开始研发舰载全电系统时直接就选用了交流体制，比如美军采用了全电系统的DDG-1000上使用的标准是13.8KV，频率为60HZ。
电磁弹射系统则是舰载全电系统的一个子系统，舰载全电用交流就是交流体制，舰载全电用直流就是直流体制，早期功率电子设备IGBT技术不成熟，用交流并没啥毛病，但后期IGBT成熟了也可以使用直流体制代替，并且在近些年来SiC技术成熟之后功率电子设备可以大大缩小，功率密度可以做得很高，舰载全电系统中直流要比交流体制更有优势！
为什么会这样？原因是舰载设备中绝大部分设别最终都是用直流，比如舰载设备中最常用的变频电机都是先从交流转直流再转换成合乎设备要求的变频电源，电子设备也是，无论是雷达还是舰载电子系统最终用的都是直流电，当然电磁弹射系统用的也是直流电，只不过会在高频电源部分整流成直流电再变换成高频电源，在小功率电子设备中也没啥问题，但在超大功率环境中，特别有储能系统中问题就大了。
交流电是无法直接储存的，只能转换成直流电存放在电池或者电容中，对于储能设备来说，电池与电容对空间适应性很好，并且很容易就可以做成冗余甚至在线更换单个损坏的设备！但交流储能难度就比较大了，尽管可以使用高速转动的离心盘设计的电机储能，这种进出都是交流电，不过这种离心电机就不如电容与电池随便布置了，因为体积与重量都很大，并且还有陀螺效应，必须成对布置，比如福特号航母就用了四台离心储能的盘形电机，每台能提供121MJ的能量（大约33.6度电），可以弹射一次战斗机，之后需要大约45秒的弹射间隔内充满电。
另一个复杂系统是为直线电机提供电源的高频电源系统，输出功率高达几十兆瓦，转换子系统会将盘形电机释放的交流电转换成直流电，再用变频设备以及换流器对某个时刻特定的定子线圈供电，并且还会因为速度的不同输出不同频率的电流，但由于系统及其复杂以及需要大功率散热设计，福特号的电弹将高频电源系统设计成了四条弹射器共用。
从储能系统到电源转换子系统其实都有冗余设计的，但这套体系实在太复杂，体积太大，无法完全电气隔离，这就造成了在特殊情况下必须全部停机才能检修，比如离心储能电机，单独让它释放能量完全停机就得几个小时，这种问题在电池+电容的中压直流舰载全电系统中完全不存在，在电池+电容储能中甚至可以做到在线维护！而且中压直流中还有一个好处是完全不需要各种电源端的整流设备，省掉了中间环节，提高了电源效率。尽管目前并不知道福建舰的电弹到底是个什么结构，但至少交流电这个从娘胎里带来的问题绝对是没有了。
福特号的电磁弹射系统问题到底有多大？
下文可不是种花家杜撰的，纯粹就是偷懒引用WIKI英文版资料，这些资料在美军公开的EMALS的报告中就有，WIKI就是汇集了这些数据：
1、2013年，在新泽西州莱克赫斯特试验场，1,967次试射中有 201 次失败，整个试验系列的失败率为10%，EMALS 的平均“故障间隔时间”率为1/240。2、2015年3月的一份报告指出，“根据预期的可靠性增长，上次报告的临界故障间隔时间的故障率比预期高出五倍；3、2021年1月的一份DOT&E报告指出：“在3,975次弹射发射中有181平均任务失败间隔 (MCBOMF) ，这一可靠性远低于4,166个MCBOMF的要求；4、2022年6月的一份GAO（美国国家审计）报告指出，“海军还在继续努力提高电磁发射系统和先进拦阻装置的可靠性，以满足快速部署飞机的要求。”该报告还指出，海军预计电磁弹射系统和先进拦阻装置要到“2030 年代”才能达到可靠性目标各位看到了吗，从2013年以来其实可靠性并没多少进步，而且在2022年的美国家审计报告中指出，福特号电弹的的可靠性要到2030年代才能满足要求！
看到这里有很多网友都指出，美军福特号都弹射了上万次了，还质疑他们有问题？没错，2022年6月25日，福特号自装备以来已经完成10000次弹射！但问题是可靠性与弹射次数多少并没有什么关系，设计有问题，弹射100万次还是一样有毛病！
美军要解决也不是什么难事，但是问题是这个中压直流的体系，没有十年八年完全无法形成这个复杂的体系，美军现在面临一个相当尴尬的问题，如果一条道走到黑，那么故障率偏高，可靠新偏低，如果回过头来搞中压直流，那么至少落后中国10年以上，现在改也不是不改也不是！
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