플라이휠 에너지 저장

플라이휠 에너지 저장(Flywheel energy storage, FES)은 로터(플라이휠)를 회전시키고 시스템의 에너지를 회전 에너지 형태로 유지하는 방식으로 작동한다. 시스템에서 에너지가 추출되면, 에너지 보존 법칙에 따라 플라이휠의 회전 속도가 감소한다. 시스템에 에너지를 추가하면 플라이휠의 속도가 증가한다. 일부 시스템은 낮은 질량/고속 로터를 사용하는 반면, 다른 시스템은 200톤과 같은 매우 무거운 로터를 사용하며^[1][2] 그에 따라 훨씬 낮은 회전 속도를 사용하는데, 이를 계통 규모 플라이휠 에너지 저장이라고 한다^[3].

NASA G2 플라이휠

대부분의 FES 시스템은 전기를 사용하여 플라이휠을 가속 및 감속하지만, 역학적 에너지를 직접 사용하는 장치도 개발되고 있다.^[왜?][4]

첨단 FES 시스템은 고강도 탄소섬유 복합재로 만든 로터를 사용하며, 자기 베어링으로 지지되어 진공 용기 안에서 20,000rpm에서 50,000rpm 이상의 속도로 회전한다.^[5] 이러한 플라이휠은 몇 분 만에 속도를 올릴 수 있으며, 다른 형태의 저장 방식보다 훨씬 빠르게 에너지 용량에 도달한다.^[5]

주요 구성 요소

일반적인 플라이휠의 주요 구성 요소

일반적인 시스템은 전동 발전기에 연결된 구름 베어링으로 지지되는 플라이휠로 구성된다. 플라이휠과 때로는 전동 발전기가 마찰 및 에너지 손실을 줄이기 위해 진공 챔버에 밀봉될 수 있다.

1세대 플라이휠 에너지 저장 시스템은 기계식 베어링 위에서 회전하는 대형 강철 플라이휠을 사용한다. 최신 시스템은 강철보다 인장 강도가 높고 동일한 질량에 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 탄소 섬유 복합 로터를 사용한다.^[6]

마찰력을 줄이기 위해 때때로 기계식 베어링 대신 자기 베어링이 사용된다.

초전도 베어링의 미래 활용 가능성

냉동 비용 때문에 저온 초전도체는 자기 베어링에 사용되는 것이 조기에 기각되었다. 그러나 고온 초전도체 (HTSC) 베어링은 경제적일 수 있으며 에너지를 경제적으로 저장할 수 있는 시간을 연장할 수 있다.^[7] 하이브리드 베어링 시스템이 먼저 사용될 가능성이 높다. 고온 초전도체 베어링은 역사적으로 더 큰 설계에 필요한 양력을 제공하는 데 문제가 있었지만, 안정화력을 쉽게 제공할 수 있다. 따라서 하이브리드 베어링에서는 영구 자석이 하중을 지지하고 고온 초전도체가 이를 안정화하는 데 사용된다. 초전도체가 하중 안정화에 잘 작동하는 이유는 완벽한 반자성체이기 때문이다. 로터가 중심에서 벗어나려고 하면 자기 선속 고정으로 인한 복원력이 로터를 제자리로 되돌린다. 이를 베어링의 자기 강성이라고 한다. 저강성과 댐핑으로 인해 회전축 진동이 발생할 수 있으며, 이는 초전도 자석의 고유한 문제로, 플라이휠 응용 분야에 완전히 초전도 자기 베어링을 사용하는 것을 방해한다.

자기 선속 고정은 안정화 및 양력을 제공하는 데 중요한 요소이므로 HTSC는 다른 용도보다 플라이휠 에너지 저장에 훨씬 더 쉽게 만들 수 있다. 자기 선속 고정이 강하면 HTSC 분말은 임의의 형태로 형성될 수 있다. 초전도체가 FES 시스템에 완전한 양력을 제공하기 전에 극복해야 할 과제는 초전도 재료의 자기 선속 흐름으로 인해 작동 중 부상력 감소와 로터의 점진적인 낙하를 억제하는 방법을 찾는 것이다.

물리적 특성

 플라이휠 § 물리학 문서를 참고하십시오.

일반

다른 전기 저장 방식과 비교할 때 FES 시스템은 수명이 길고(거의 또는 전혀 유지보수 없이 수십 년 지속)^[5][8](플라이휠의 전체 사이클 수명은 10⁵에서 10⁷회 이상의 사용으로 언급됨),^[9] 비에너지가 높으며 (100–130 W·h/kg, 또는 360–500 kJ/kg),^[9][10] 최대 전력 출력이 크다. 플라이휠의 에너지 효율(입력 에너지 대비 출력 에너지 비율)은 왕복 효율이라고도 불리며 최대 90%에 달할 수 있다. 일반적인 용량은 3 kWh에서 133 kWh이다.^[5] 시스템의 급속 충전은 15분 이내에 이루어진다.^[11] 플라이휠과 함께 자주 언급되는 높은 비에너지는 상업적으로 구축된 시스템의 비에너지가 훨씬 낮기 때문에 약간 오해의 소지가 있을 수 있다. 예를 들어 11 W·h/kg 또는 40 kJ/kg이다.^[12]

에너지 저장 형태

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

여기서 ${\displaystyle m}$은 플라이휠 질량의 적분이고, ${\displaystyle n_{m}}$은 회전 속도(초당 회전수)이다.

비에너지

플라이휠 로터의 최대 비에너지는 주로 두 가지 요인에 따라 달라진다: 첫째는 로터의 형상, 둘째는 사용되는 재료의 특성이다. 단일 재료, 등방성 로터의 경우 이 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.^[13]

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

여기서

${\displaystyle E}$는 로터의 운동 에너지 [J],

${\displaystyle m}$은 로터의 질량 [kg],

${\displaystyle K}$는 로터의 기하학적 형상 계수 [무차원],

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

${\displaystyle \rho }$는 재료의 밀도 [kg/m³].

형상(형상 계수)

플라이휠 로터의 형상 계수^[14]에 대한 최고 가능한 값은 ${\displaystyle K=1}$이며, 이는 이론적인 등응력 원반 형상으로만 달성될 수 있다.^[15] 일정한 두께의 원반 형상은 ${\displaystyle K=0.606}$의 형상 계수를 가지며, 일정한 두께의 막대의 경우 값은 ${\displaystyle K=0.333}$이다. 얇은 실린더는 ${\displaystyle K=0.5}$의 형상 계수를 가진다. 샤프트가 있는 대부분의 플라이휠의 경우 형상 계수는 ${\textstyle K=0.333}$ 이하 또는 그 정도이다. 샤프트 없는 설계^[16]는 일정한 두께의 원반과 유사한 형상 계수(${\textstyle K=0.6}$)를 가지며, 이는 두 배의 에너지 밀도를 가능하게 한다.

재료 특성

에너지 저장을 위해서는 고강도 및 저밀도 재료가 바람직하다. 이러한 이유로 복합 재료가 고급 플라이휠에 자주 사용된다. 재료의 비강도는 Wh/kg (또는 Nm/kg)으로 표현될 수 있으며, 특정 복합 재료는 400 Wh/kg 이상의 값을 달성할 수 있다.

로터 재료

몇몇 현대 플라이휠 로터는 복합 재료로 만들어진다. 예를 들어, 비콘 파워 코퍼레이션(Beacon Power Corporation)의 탄소섬유 복합 플라이휠^[17]과 필립스 서비스 인더스트리(Phillips Service Industries)의 파워스루(PowerThru) 플라이휠이 있다.^[18] 다른 한편, 캘네틱스(Calnetix)는 플라이휠 제작에 항공우주 등급의 고성능 강철을 사용한다.^[19]

이러한 로터의 경우 재료 특성, 형상 및 에너지 밀도 사이의 관계는 가중 평균 접근법을 사용하여 표현될 수 있다.^[20]

인장 강도와 파괴 모드

플라이휠 설계의 주요 한계 중 하나는 로터의 인장 강도이다. 일반적으로 디스크가 강할수록 더 빠르게 회전할 수 있으며 시스템이 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. (강도 증가 없이 플라이휠을 더 무겁게 만들면 파열 없이 플라이휠이 회전할 수 있는 최대 속도가 느려지므로 플라이휠이 저장할 수 있는 총 에너지량이 증가하지는 않는다.)

복합 플라이휠의 외부 바인딩 커버의 인장 강도가 초과되면 바인딩 커버가 파손되고 바깥쪽 휠 압축이 전체 원주를 따라 손실되면서 휠이 산산조각 나며 저장된 모든 에너지가 한 번에 방출된다. 이를 일반적으로 "플라이휠 폭발"이라고 하는데, 휠 조각들이 총알과 맞먹는 운동 에너지를 가질 수 있기 때문이다. 층층이 감겨 붙어 있는 복합 재료는 먼저 서로 얽히고 속도를 늦추는 작은 직경의 필라멘트로 빠르게 분해된 다음, 뜨거운 붉은색 가루로 변한다. 주조 금속 플라이휠은 고속 파편의 큰 덩어리를 튕겨낸다.

주조 금속 플라이휠의 경우 파괴 한계는 다결정 성형 금속의 결정립계의 결합 강도이다. 특히 알루미늄은 피로에 시달리며 반복적인 저에너지 신축으로 미세 균열이 발생할 수 있다. 각도 힘으로 인해 금속 플라이휠의 일부가 바깥쪽으로 구부러져 외부 격납 용기에 끌리거나 완전히 분리되어 내부에서 무작위로 튀어 다닐 수 있다. 나머지 플라이휠은 이제 심하게 불균형 상태가 되어 진동으로 인한 베어링의 급속한 고장과 플라이휠의 큰 부분의 갑작스러운 충격 파손으로 이어질 수 있다.

기존의 플라이휠 시스템은 안전 예방 조치로 강력한 격납 용기를 필요로 하며, 이는 장치의 총 질량을 증가시킨다. 파괴로 인한 에너지 방출은 젤라틴 또는 캡슐화된 액체 내부 하우징 라이닝으로 완화될 수 있는데, 이는 끓어 파괴 에너지를 흡수할 것이다. 그럼에도 불구하고 대규모 플라이휠 에너지 저장 시스템의 많은 고객들은 격납 용기를 벗어날 수 있는 물질을 막기 위해 이를 땅속에 매설하는 것을 선호한다.

에너지 저장 효율

기계식 베어링을 사용하는 플라이휠 에너지 저장 시스템은 두 시간 동안 에너지의 20%에서 50%를 손실할 수 있다.^[21] 이 에너지 손실의 주된 마찰은 지구의 회전으로 인해 플라이휠이 방향을 바꾸는 것(이는 푸코의 진자에서 보이는 것과 유사한 효과)에서 발생한다. 이 방향 변화는 플라이휠의 각운동량이 가하는 자이로스코프 힘에 의해 저항을 받으며, 따라서 기계식 베어링에 힘을 가한다. 이 힘은 마찰을 증가시킨다. 이는 플라이휠의 회전축을 지구의 회전축과 평행하게 정렬함으로써 피할 수 있다.

반대로, 자기 베어링과 고진공을 사용하는 플라이휠은 97%의 기계적 효율과 85%의 왕복 효율을 유지할 수 있다.^[22]

차량 내 각운동량의 영향

차량에 사용될 때 플라이휠은 자이로스코프 역할도 한다. 왜냐하면 플라이휠의 각운동량이 일반적으로 움직이는 차량에 작용하는 힘과 비슷한 크기이기 때문이다. 이러한 특성은 회전하거나 험한 길을 주행할 때 차량의 핸들링 특성에 해로울 수 있다. 경사면으로 주행하면 플라이휠이 측면으로 기울어지는 힘에 저항하여 바퀴가 부분적으로 지면에서 떨어질 수 있다. 반면에 이 특성을 활용하여 급회전 시 차량의 균형을 유지하여 전복을 방지할 수 있다.^[23]

플라이휠이 에너지 저장보다는 차량의 자세에 미치는 영향만을 위해 사용될 때, 이를 반작용 휠 또는 제어 모멘트 자이로스코프라고 부른다.

각도 기울어짐에 대한 저항은 짐벌 세트에 플라이휠을 적절히 장착함으로써 거의 완전히 제거할 수 있으며, 플라이휠이 차량에 영향을 미치지 않고 원래 방향을 유지할 수 있게 한다(자이로스코프의 속성 참조). 이는 짐벌 록의 복잡성을 피하지 못하므로, 짐벌 수와 각도 자유도 사이의 절충이 필요하다.

플라이휠의 중앙 축은 단일 짐벌 역할을 하며, 수직으로 정렬되면 수평면에서 360도의 요잉을 허용한다. 그러나 예를 들어 오르막길을 주행하려면 두 번째 피치 짐벌이 필요하며, 경사면을 주행하려면 세 번째 롤 짐벌이 필요하다.

완전 동작 짐벌

플라이휠 자체는 평평한 링 형태일 수 있지만, 차량 내부에서 자유롭게 움직이는 짐벌 마운트는 플라이휠이 자유롭게 회전할 수 있도록 구형 부피를 필요로 한다. 차량 내에서 회전하는 플라이휠은 자체적으로 지구의 자전을 따라 천천히 세차 운동하며, 지구의 곡면을 따라 장거리를 이동하는 차량에서는 더욱 세차 운동한다.

완전 동작 짐벌은 플라이휠이 하루에 한 번 완전히 뒤집혀 지구 회전에 따라 세차 운동할 수 있으므로 플라이휠 안팎으로 동력을 전달하는 방법에 대한 추가적인 문제가 있다. 완전한 자유 회전을 위해서는 각 짐벌 축 주위에 전력 도체를 위한 슬립링이 필요하여 설계 복잡성을 더욱 증가시킨다.

제한된 동작 짐벌

공간 사용을 줄이기 위해 짐벌 시스템은 제한된 움직임 디자인을 사용할 수 있으며, 충격 흡수 장치를 사용하여 특정 각도 범위 내의 갑작스러운 빠른 움직임을 완화하고 점진적으로 플라이휠이 차량의 현재 방향을 채택하도록 강제한다. 이는 링 모양의 플라이휠 주위의 짐벌 움직임 공간을 전체 구형에서 짧고 두꺼운 실린더로 줄여 예를 들어 플라이휠 주위의 모든 방향에서 ±30도 피치 및 ±30도 롤을 포함한다.

각운동량의 균형 잡기

이 문제에 대한 대안적인 해결책은 서로 반대 방향으로 동기적으로 회전하는 두 개의 연결된 플라이휠을 사용하는 것이다. 이들은 총 각운동량이 0이고 자이로스코프 효과가 없을 것이다. 이 해결책의 문제점은 각 플라이휠의 운동량 차이가 0이 아닌 경우 두 플라이휠의 하우징이 토크를 나타낸다는 것이다. 각속도를 0으로 유지하려면 두 휠 모두 동일한 속도로 유지되어야 한다. 엄밀히 말하면, 두 플라이휠은 축을 구부리려는 엄청난 돌림힘 모멘트를 중심점에 가할 것이다. 그러나 축이 충분히 강하면 자이로스코프 힘이 밀폐된 용기에 순 영향을 미치지 않으므로 토크가 감지되지 않을 것이다.

힘의 균형을 더욱 맞추고 변형을 분산시키기 위해 단일 대형 플라이휠은 양쪽에 두 개의 절반 크기 플라이휠로 균형을 맞출 수 있거나, 플라이휠을 줄여 반대 방향으로 회전하는 일련의 교번 층이 될 수 있다. 그러나 이는 하우징 및 베어링 복잡성을 증가시킨다.

응용 분야

운송

자동차

1950년대에 자이로버스라고 알려진 플라이휠 동력 버스가 스위스 이베르동과 벨기에 헨트에서 사용되었고, 더 작고 가벼우며 저렴하고 용량이 큰 플라이휠 시스템을 만들기 위한 연구가 진행 중이다. 플라이휠 시스템이 전기 자동차와 같은 이동식 응용 분야에서 기존 화학 전지를 대체할 수 있기를 바라고 있다. 제안된 플라이휠 시스템은 낮은 용량, 긴 충전 시간, 무거운 중량, 짧은 유효 수명과 같은 기존 배터리 전력 시스템의 많은 단점을 제거할 것이다. 플라이휠은 실험용 크라이슬러 패트리어트에 사용되었을 수도 있지만, 이는 논란이 있다.^[24]

안트베르펜 박물관에 주차된 구형 자이로버스 중 하나.

플라이휠은 또한 연속 가변 변속기에 사용될 것이 제안되었다. 펀치 파워트레인(Punch Powertrain)은 현재 그러한 장치를 개발 중이다.^[25]

1990년대에 로젠 모터스는 소형 가스 터빈 엔진이 제공할 수 없는 가속 폭발을 제공하기 위해 55,000rpm 플라이휠을 사용하는 가스 터빈 동력 직렬 하이브리드 자동차 파워트레인을 개발했다. 플라이휠은 또한 회생 제동을 통해 에너지를 저장했다. 플라이휠은 티타늄 허브와 탄소 섬유 실린더로 구성되었으며, 차량 핸들링에 대한 불리한 자이로스코프 효과를 최소화하기 위해 짐벌 장착되었다. 시제품 차량은 1997년에 성공적으로 도로 시험을 마쳤지만 대량 생산되지는 않았다.^[26]

2013년, 볼보는 S60 세단 후륜에 플라이휠 시스템을 장착했다고 발표했다. 제동 동작으로 플라이휠이 최대 60,000rpm으로 회전하고 전방 엔진을 정지시킨다. 플라이휠 에너지는 특수 변속기를 통해 차량에 부분적으로 또는 완전히 동력을 공급한다. 20-센티미터 (7.9 in), 6-킬로그램 (13 lb) 탄소 섬유 플라이휠은 마찰을 없애기 위해 진공 상태에서 회전한다. 4기통 엔진과 결합될 경우, 유사한 성능의 터보 6기통 엔진에 비해 연료 소비를 최대 25% 절감하고, 80 마력 (60 kW)의 출력을 추가하여 5.5초 만에 100 킬로미터 매 시 (62 mph)에 도달할 수 있다. 볼보는 이 기술을 자사 제품 라인에 포함시킬 구체적인 계획은 발표하지 않았다.^[27]

2014년 7월, GKN은 윌리엄스 하이브리드 파워(WHP) 사업부를 인수했으며, 향후 2년 동안 도시 버스 운영업체에 500개의 탄소 섬유 자이로드라이브(Gyrodrive) 전기 플라이휠 시스템을 공급할 계획이다.^[28] 이전 개발자 이름에서 알 수 있듯이, 이 시스템은 원래 포뮬러 원 자동차 경주 애플리케이션용으로 설계되었다. 2014년 9월, 옥스포드 버스 컴퍼니는 브룩스 버스(Brookes Bus) 운영에 알렉산더 데니스의 자이로드라이브 하이브리드 버스 14대를 도입한다고 발표했다.^[29][30]

철도 차량

플라이휠 시스템은 작은 전기 기관차에 시험적으로 사용되어 입환 또는 차량 교환에 사용되었다(예: 센티넬-욀리콘 자이로 기관차). 더 큰 전기 기관차(예: 영국 철도 70형)에는 때때로 제3궤조의 간격을 통과할 수 있도록 플라이휠 부스터가 장착되기도 했다. 텍사스 대학교 오스틴의 133 kWh 팩과 같은 첨단 플라이휠은 정지 상태에서 열차를 순항 속도까지 가속시킬 수 있다.^[5]

패리 피플 무버는 플라이휠에 의해 구동되는 동차이다. 2006년과 2007년에 잉글랜드 웨스트미들랜즈주의 스토어브리지 타운 지선에서 12개월 동안 일요일마다 시험 운행되었으며, 2대가 주문되면 2008년 12월에 철도 운영사 런던 미들랜드에 의해 정식 서비스로 도입될 예정이었다. 2010년 1월 현재 두 대의 유닛이 모두 운행 중이다.^[31]

철도 전철화

FES는 전철화된 철도 선로변에서 선로 전압을 조절하여 개조되지 않은 전기 열차의 가속을 개선하고 회생 제동 시 선로로 회수되는 에너지 양을 증가시켜 에너지 비용을 절감하는 데 사용될 수 있다.^[32] 런던, 뉴욕, 리옹, 도쿄에서 시험이 진행되었으며,^[33] 뉴욕 MTA의 롱아일랜드 철도는 현재 LIRR의 웨스트 헴프스테드 지선에 520만 달러를 투자하여 파일럿 프로젝트를 진행하고 있다.^[34] 이러한 시험 및 시스템은 네오디뮴-철-붕소 분말이 채워져 영구 자석을 형성하는 탄소-유리 복합 실린더로 구성된 로터에 운동 에너지를 저장한다. 이 로터는 최대 37,800rpm으로 회전하며, 각 100 kW (130 hp) 장치는 11 메가줄 (3.1 kWh)의 재사용 가능한 에너지를 저장할 수 있다. 이는 약 200 미터톤 (220 쇼트톤; 197 롱톤)의 무게를 0에서 38 km/h (24 mph)까지 가속시키는 데 충분한 양이다.^[33]

무정전 전원 장치

2001년 현재 생산되는 플라이휠 전력 저장 시스템은 배터리와 비슷한 저장 용량과 더 빠른 방전율을 가지고 있었다. 이들은 주로 데이터 센터의 무정전 전원 장치와 같은 대규모 배터리 시스템의 부하 평준화를 제공하는 데 사용되는데, 이는 배터리 시스템에 비해 상당한 공간을 절약할 수 있기 때문이다.^[35]

플라이휠 유지보수는 일반적으로 기존 배터리 UPS 시스템 비용의 절반 정도이다. 유일한 유지보수는 기본적인 연간 예방 유지보수 루틴과 5~10년마다 베어링을 교체하는 것으로, 약 4시간이 소요된다.^[11] 최신 플라이휠 시스템은 유지보수가 필요 없는 자기 베어링을 사용하여 회전하는 질량을 완전히 부상시키므로 베어링 유지보수 및 고장을 줄인다.^[11]

완전히 설치된 플라이휠 UPS(전력 조절 포함)의 비용은 (2009년 기준) 킬로와트당 약 330달러였다(15초 풀로드 용량 기준).^[36]

시험 연구실

플라이휠 전력 시스템의 오랜 틈새 시장은 회로 차단기 및 유사한 장치를 테스트하는 시설이다. 심지어 작은 가정용 회로 차단기도 10,000 암페어 이상의 전류를 차단하도록 정격화될 수 있으며, 더 큰 장치는 100,000 또는 1,000,000 암페어의 차단 용량을 가질 수 있다. 이러한 장치가 시뮬레이션된 단락 회로를 차단하는 능력을 입증하기 위해 의도적으로 강제할 때 발생하는 엄청난 과도 부하는 이러한 테스트가 건물 전력에서 직접 수행되면 지역 그리드에 용납할 수 없는 영향을 미 미칠 것이다. 일반적으로 이러한 실험실에는 몇 분에 걸쳐 속도를 높일 수 있는 여러 대형 전동 발전기 세트가 있으며, 회로 차단기를 테스트하기 전에 모터는 분리된다.

물리학 연구실

토카막 핵융합 실험에는 짧은 시간 동안 매우 높은 전류가 필요하다(주로 대형 전자석에 몇 초 동안 전력을 공급하기 위함).

• JET(공동 유럽 토러스)에는 9미터(29.53피트) 직경의 775 t (854 쇼트톤; 763 롱톤) 플라이휠 두 개(1981년 설치)가 있으며, 이들은 최대 225rpm으로 회전한다.^[37] 각 플라이휠은 3.75 GJ를 저장하며 최대 400 MW (540,000 hp)의 전력을 공급할 수 있다.^[38]
• 위스콘신-매디슨 대학교의 헬리컬 대칭 실험에는 1톤짜리 플라이휠 18개가 있으며, 이들은 재활용된 전기 열차 모터를 사용하여 10,000rpm으로 회전한다.
• ASDEX 업그레이드에는 3개의 플라이휠 발전기가 있다.
• 제너럴 아토믹스의 DIII-D (토카막)
• 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 프린스턴 대형 토러스 (PLT)

또한 토카막이 아닌: 러더포드 애플턴 연구소의 님로드 싱크로트론에는 30톤 플라이휠 두 개가 있었다.

항공기 발사 시스템

제럴드 R. 포드급 항공모함은 플라이휠을 사용하여 함선 전원 공급 장치에서 에너지를 축적하여 전자기 항공기 발사 시스템으로 빠르게 방출할 것이다. 함선 전원 시스템은 항공기를 발사하는 데 필요한 높은 전력 과도 전류를 자체적으로 공급할 수 없다. 4개의 로터는 각각 6400rpm에서 121 MJ (34 kWh)를 저장할 것이다. 이들은 45초 만에 122 MJ (34 kWh)를 저장하고 2~3초 만에 방출할 수 있다.^[39] 플라이휠 에너지 밀도는 28 kJ/kg (8 W·h/kg)이며, 고정자와 케이스를 포함하면 18.1 kJ/kg (5 W·h/kg)으로 감소하며 토크 프레임은 제외한다.^[39]

미국 항공 우주국 G2 우주선 에너지 저장 플라이휠

이것은 미국 항공 우주국의 글렌 연구 센터에서 자금을 지원받아 실험실 환경에서 부품 테스트를 위해 설계된 것이다. 자기 베어링에 장착되어 60,000rpm으로 회전하도록 설계된 티타늄 허브가 있는 탄소 섬유 림을 사용했다. 무게는 250 파운드 (110 킬로그램)으로 제한되었다. 저장 용량은 525 Wh (1.89 MJ)이며 1 kW (1.3 hp)으로 충전 또는 방전할 수 있었고, 이로 인해 비에너지는 5.31 W⋅h/kg, 전력 밀도는 10.11 W/kg이었다.^[40] 페이지 상단 사진에 보이는 작동 모델은 2004년 9월 2일에 41,000rpm으로 작동했다.^[41]

놀이기구

너츠베리팜의 몬테주마의 복수 롤러코스터는 세계 최초의 플라이휠 발사 롤러코스터이며 미국에서 여전히 운행 중인 유일한 종류의 놀이기구이다. 이 놀이기구는 7.6톤의 플라이휠을 사용하여 4.5초 만에 열차를 시속 55마일(89km/h)로 가속시킨다.

유니버설 아일랜드 오브 어드벤처의 인크레더블 헐크 코스터는 일반적인 중력 낙하 방식 대신 빠르게 가속하는 오르막 발사를 특징으로 한다. 이는 강력한 견인 전동기를 통해 차량을 트랙 위로 던져 올리는 방식으로 이루어진다. 전체 코스터 열차를 오르막에서 최고 속도까지 가속시키는 데 필요한 짧고 매우 높은 전류를 달성하기 위해, 공원은 대형 플라이휠이 장착된 여러 전동 발전기 세트를 활용한다. 이러한 에너지 저장 장치가 없으면 공원은 새로운 변전소에 투자하거나 놀이기구가 발사될 때마다 지역 에너지망의 브라운아웃 위험을 감수해야 할 것이다.

펄스 전원

보상 펄스 교류 발전기(compulsator)는 높은 에너지 밀도와 전력 밀도로 인해 핵융합 원자로, 고출력 펄스 레이저, 고속 전자기 발사기를 위한 펄스 전원 공급 장치로 가장 인기 있는 선택 중 하나이다.^[42] 별도의 플라이휠과 발전기 대신, 낮은 유도계수 교류 발전기의 대형 로터만이 에너지를 저장한다. (또한 단극 발전기 참조).^[43]

모터스포츠

 이 부분의 본문은 KERS입니다.

포뮬러 원에 사용하기 위해 제작된 플라이브리드 시스템즈(Flybrid Systems)의 운동 에너지 회수 시스템

연속 가변 변속기 (CVT)를 사용하여 제동 중 구동계에서 에너지를 회수하여 플라이휠에 저장한다. 이 저장된 에너지는 CVT의 비율을 변경하여 가속 중에 사용된다.^[44] 모터스포츠 응용 분야에서는 이 에너지를 이산화탄소 배출량 감소 – 보다는 가속 성능 향상에 사용한다. 물론 동일한 기술을 일반 자동차에 적용하여 연료 효율을 개선할 수도 있다.^[45]

매년 르망 24시 경기와 르망 시리즈를 주최하는 오토모빌 클럽 드 웨스트는 현재 "운동 에너지 회수 시스템을 장착할 LMP1에 대한 특정 규정을 연구 중"이다.^[46]

윌리엄스 F1 레이싱 팀의 자회사인 윌리엄스 하이브리드 파워(Williams Hybrid Power)^[47]는 포르쉐의 911 GT3 R 하이브리드^[48]와 아우디의 R18 e-트론 콰트로^[49]를 위해 플라이휠 기반 하이브리드 시스템을 공급했다. 아우디가 2012년 르망 24시에서 우승한 것은 하이브리드(디젤-전기) 차량으로는 처음이다.^[50]

계통 에너지 저장

 이 부분의 본문은 플라이휠 저장 전력 시스템 및 계통 에너지 저장입니다.

뉴욕주 비콘 파워 20 MW 플라이휠 에너지 저장 발전소

플라이휠은 순간적인 계통 상용 주파수 조절 및 공급과 소비 간의 갑작스러운 변화 균형을 위한 단기 회전 예비력으로 사용되기도 한다. 탄소 배출이 없고, 반응 시간이 더 빠르며, 비수기 시간에 전력을 구매할 수 있다는 점은 천연가스 터빈과 같은 전통적인 에너지원 대신 플라이휠을 사용하는 장점 중 하나이다.^[51] 작동은 동일한 응용 분야의 배터리와 매우 유사하며, 그 차이는 주로 경제적이다.

비콘 파워는 2011년 뉴욕주 스테펜타운에 5 MWh(15분 동안 20 MW)^[22] 규모의 플라이휠 에너지 저장 발전소를 개설했으며^[52] 200개의 플라이휠을 사용하고^[53] 2014년에는 헤이즐 타운십, 펜실베이니아주에 유사한 20 MW 시스템을 구축했다.^[54]

온타리오 주, 캐나다 민토에 0.5MWh(15분 동안 2 MW)^[55] 플라이휠 저장 시설이 2014년에 개장했다.^[56] 이 플라이휠 시스템(NRStor 개발)은 자기 베어링에 10개의 회전하는 강철 플라이휠을 사용한다.^[56]

앰버 키네틱스(Amber Kinetics, Inc.)는 퍼시픽 가스 앤드 일렉트릭(PG&E)과 캘리포니아 프레즈노에 위치한 20 MW / 80 MWh 규모의 플라이휠 에너지 저장 시설에 대한 계약을 체결했으며, 이는 4시간 동안 방전이 가능하다.^[57]

2024년 중국에서는 30 MW 규모의 플라이휠 계통 시스템이 가동을 시작했다.^[58]

풍력 터빈

플라이휠은 비수기 또는 강풍 시 풍력 터빈이 생성하는 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있다.

2010년에 비콘 파워는 캘리포니아 테하차피의 풍력 발전소에서 자사의 스마트 에너지 25(Gen 4) 플라이휠 에너지 저장 시스템을 시험하기 시작했다. 이 시스템은 캘리포니아 에너지 위원회를 위해 수행되는 풍력 발전 및 플라이휠 시연 프로젝트의 일부였다.^[59]

장난감

많은 장난감 자동차, 트럭, 기차, 액션 장난감 등에 동력을 공급하는 마찰 전동기는 단순한 플라이휠 모터이다.

토글 액션 프레스

산업 분야에서는 토글 액션 프레스가 여전히 인기가 있다. 일반적인 배열은 매우 강한 크랭크축과 프레스를 구동하는 고성능 커넥팅 로드를 포함한다. 크고 무거운 플라이휠은 전기 모터에 의해 구동되지만, 플라이휠은 클러치가 활성화될 때만 크랭크축을 회전시킨다.

전기 배터리와의 비교

플라이휠은 온도 변화의 영향을 덜 받으며, 훨씬 더 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있고, 화학 이차 전지의 많은 일반적인 고장에 영향을 받지 않는다.^[60] 또한, 대부분 화학적으로 불활성이거나 무해한 물질로 만들어져 환경에 잠재적으로 덜 해롭다. 플라이휠의 또 다른 장점은 회전 속도를 간단히 측정하여 저장된 에너지의 정확한 양을 알 수 있다는 것이다.

대부분의 배터리가 유한한 기간(예를 들어 리튬 인산철 배터리의 경우 약 10년^[61]) 동안만 작동하는 것과는 달리, 플라이휠은 잠재적으로 무한한 작업 수명을 가진다. 제임스 와트 증기 기관의 일부로 만들어진 플라이휠은 200년 이상 연속적으로 작동해 왔다.^[62] 아프리카, 아시아, 유럽의 여러 지역에서 주로 제분 및 도예에 사용된 고대 플라이휠의 작동 예시를 찾을 수 있다.^[63][64]

대부분의 현대 플라이휠은 일반적으로 서비스 수명 동안 최소한의 유지보수만 필요한 밀봉된 장치이다. 위에 묘사된 NASA 모델과 같이 진공 인클로저에 있는 자기 베어링 플라이휠은 베어링 유지보수가 필요 없으므로 총 수명 및 에너지 저장 용량 면에서 배터리보다 우수하다. 그들의 유효 서비스 수명은 아직 알려지지 않았기 때문이다. 기계식 베어링이 있는 플라이휠 시스템은 마모로 인해 수명이 제한될 것이다.

고성능 플라이휠은 폭발하여 고속 파편으로 주변 사람들에게 부상을 입힐 수 있다.^[65] 이러한 위험을 줄이기 위해 플라이휠은 지하에 설치될 수 있다. 배터리는 화재를 일으키고 독성 물질을 방출할 수 있지만, 일반적으로 주변 사람들이 대피하고 부상을 피할 시간이 있다.

배터리의 물리적 배열은 다양한 구성에 맞게 설계될 수 있지만, 플라이휠은 최소한 특정 면적과 부피를 차지해야 한다. 왜냐하면 저장하는 에너지가 회전 관성과 회전 속도의 제곱에 비례하기 때문이다. 플라이휠이 작아질수록 질량도 감소하므로 속도는 증가해야 하며, 따라서 재료에 가해지는 응력이 증가한다. 치수가 제약이 되는 경우(예: 기차 섀시 아래) 플라이휠은 실현 가능한 해결책이 아닐 수 있다.

같이 보기

• 비콘 파워
• 보상 펄스 교류 발전기
• 전기 이중층 축전기
• 에너지 저장
• 계통 에너지 저장
• 인버터
• 런치 루프
• 에너지 저장 프로젝트 목록
• 에너지 주제 목록
• 플러그인 하이브리드
• 이차 전지
• 회생 제동
• 회전 에너지
• STATCOM
• 미국 에너지부 국제 에너지 저장 데이터베이스