磁懸浮飛輪電池

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池 的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。眾所周知，當(dāng)飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電 能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電 池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的 驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池"充電"增 加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃涔δ?；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能（動(dòng)能）到電 能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池發(fā)出電的時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r/min， 使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱(chēng)，飛輪電池比能呈可達(dá)150W ·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年，可供電 動(dòng)汽車(chē)行駛500萬(wàn)公里。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪池 成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車(chē)改成電動(dòng)轎車(chē)，一次充電可行駛 600km，由到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。

歐美國(guó)家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品，而我國(guó)在這方面的研究才剛剛起步。

何謂飛輪儲(chǔ)能電池

飛輪儲(chǔ)能電池系統(tǒng)包括三個(gè)核心部分：一個(gè)飛輪，電動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。

電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能（機(jī)械能），當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電力電子變換裝置變成負(fù)載所需要的各種頻率、電壓等級(jí)的電能，以滿(mǎn)足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨(dú)立的，設(shè)計(jì)時(shí)常將電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)用一臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入輸出變換器也合并成一個(gè)，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時(shí)由于在實(shí)際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)40000~50000r/min，一般金屬制成的飛輪無(wú)法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強(qiáng)，進(jìn)一步減少了整個(gè)系統(tǒng)的重量，同時(shí)，為了減少充放電過(guò)程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機(jī)和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機(jī)械摩擦；同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達(dá)95%左右。

實(shí)際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個(gè)電池裝置的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量由公式E=jw^2決定。式中j為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)； 為飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

電力電子變換器通常是由MOSFET 和IGBT組成的雙向逆變器，它們的原理不再敘述，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。

飛輪電池與其它電池的比較

使用最多最廣的儲(chǔ)能電池?zé)o疑是化學(xué)電池，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存，再轉(zhuǎn)化為電能輸出，它價(jià)格低廉，技術(shù)成熟，但污染嚴(yán)重，效率低下，充電時(shí)間長(zhǎng)，用電時(shí)間短，使用過(guò)程中電能不易控制。

另一儲(chǔ)能電池是超導(dǎo)電池，它把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在超導(dǎo)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)中，由于超導(dǎo)狀態(tài)下線(xiàn)圈沒(méi)有電阻，所以能量損耗非常小，效率也高，對(duì)環(huán)境污染也小。但由于超導(dǎo)狀態(tài)是線(xiàn)圈處于極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)，維持線(xiàn)圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需要的低溫需耗費(fèi)大量能源，而且維持裝置過(guò)大，不易小型化，所以家用市場(chǎng)前景不強(qiáng)。

飛輪電池則兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，雖然近階段的價(jià)格較高，但伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，必將有一個(gè)非常廣闊的前景。下面通過(guò)表－1來(lái)具體比較三者的優(yōu)缺點(diǎn)。

表－1 三種電池性能比較

技術(shù) 成熟 驗(yàn)證 驗(yàn)證

溫度范圍 限制 不限 不限

相對(duì)尺寸（同功率） 大 最小 中間

儲(chǔ)能密度 小 大 大

放能深度 淺 深 深

價(jià)格 低 高 較高

環(huán)境影響 污染 無(wú)污染 無(wú)污染

飛輪電池的應(yīng)用場(chǎng)合及現(xiàn)狀

由于技術(shù)和材料價(jià)格的限制，飛輪電池的價(jià)格相對(duì)較高，在小型場(chǎng)合還無(wú)法體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。但在下列一些需大型儲(chǔ)能裝置的場(chǎng)合，使用化學(xué)電池的價(jià)格也非常昂貴，飛輪電池已得到逐步應(yīng)用。

1、太空 包括人造衛(wèi)星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3~10倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測(cè)可控的，故可以隨時(shí)查看電能的多少。美國(guó)太空總署已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過(guò)150KW的電能。據(jù)估計(jì)相比化學(xué)電池，可節(jié)約200萬(wàn)美元左右。

2、交通運(yùn)輸 包括火車(chē)和汽車(chē)，這種車(chē)輛采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合推動(dòng)，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應(yīng)用于混合能量推動(dòng)的車(chē)輛中。車(chē)輛在正常行使時(shí)和剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時(shí)，給車(chē)輛提供動(dòng)力，保證車(chē)輛運(yùn)行在一種平穩(wěn)、最優(yōu)的狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。美國(guó)TEXAS大學(xué)已研制出一汽車(chē)用飛輪電池，電池在車(chē)輛需要時(shí)，可提供150KW的能量，能加速滿(mǎn)載車(chē)輛到100Km/h。

3、不間斷電源 飛輪電池可提供高可靠的穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時(shí)間足已保證工廠進(jìn)行電源切換。德國(guó)GmbH 公司制造了一種使用飛輪電池的UPS，在5s內(nèi)可提供或吸收5MW的電能。

4、軍用戰(zhàn)斗車(chē)輛

作為一種新興的儲(chǔ)能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學(xué)電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)已被人們廣泛認(rèn)同，它非常符合未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。飛輪電池除了上面介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展。最可能出現(xiàn)的是手機(jī)電池?？梢灶A(yù)見(jiàn)，伴隨著技術(shù)和材料學(xué)的進(jìn)步，飛輪電池將在未來(lái)的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，全世界人們都在尋找一種無(wú)污染或污染小的能量供給方式。飛輪技術(shù)由于是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，不會(huì)造成污染，飛輪儲(chǔ)能電池的概念起源于上世紀(jì)70年代早期，最初只是想將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，并沒(méi)有得到發(fā)展。直到上世紀(jì)90年代由于電路拓?fù)渌枷氲陌l(fā)展，碳纖維材料的廣泛應(yīng)用，以及全世界范圍對(duì)污染的重視，這種新型電池又得到了高速發(fā)展，在飛輪儲(chǔ)能裝置中，決定輸入輸出能量的是外接的電力電子裝置，而與外部的負(fù)載沒(méi)有關(guān)系，還可以很方便地通過(guò)控制飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制飛輪的充電，這種特點(diǎn)在化學(xué)電池中實(shí)現(xiàn)起來(lái)要困難得多。并且伴隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，這種電池顯示出更加廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)正迅速地從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)。飛輪技術(shù)的發(fā)展速度很快，再加上飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電速度可以非?？?，飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度越來(lái)越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時(shí)候，是機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化，所以飛輪的壽命和放電的深度沒(méi)有關(guān)系，這樣飛輪可以應(yīng)用的放電深度范圍非常寬，特別適用于放電深度不規(guī)則的場(chǎng)合，由于飛輪的快速充放電和獨(dú)立而且穩(wěn)定的能量輸出，當(dāng)設(shè)備需要能量突然增加或者在能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要平穩(wěn)過(guò)渡的時(shí)候，經(jīng)?？紤]到使用飛輪技術(shù)，雖然我國(guó)在這方面的研究才剛剛起步，但是歐美國(guó)家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品。并且飛輪電池的發(fā)展相當(dāng)迅速，并已經(jīng)出現(xiàn)了利用超導(dǎo)磁懸浮的高新技術(shù)讓飛輪和包裹容納它的真空容器沒(méi)有物理接觸減小摩擦損耗，這樣飛輪就能轉(zhuǎn)的非?？欤覔p耗極小，存幾年轉(zhuǎn)速也不會(huì)降低很多，這就是磁懸浮飛輪電池。