磁懸浮飛輪電池飛輪電池

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學電池 的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。眾所周知，當飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電 能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪電 池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的 驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池"充電"增 加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài) 運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電 能的轉(zhuǎn)換。當飛輪電池發(fā)出電的時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達200000r/min， 使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達150W ·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電 動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪池 成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛 600km，由到96km/h加速時間為6.5秒。

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

何謂飛輪儲能電池

飛輪儲能電池系統(tǒng)包括三個核心部分：一個飛輪，電動機－發(fā)電機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)動電動機旋轉(zhuǎn)，電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨立的，設(shè)計時常將電動機和發(fā)電機用一臺電機來實現(xiàn)，輸入輸出變換器也合并成一個，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時由于在實際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達40000~50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強，進一步減少了整個系統(tǒng)的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦；同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達95%左右。

實際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個電池裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的儲能多少，它儲存的能量由公式E=jw^2決定。式中j為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，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

使用最多最廣的儲能電池無疑是化學電池，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存，再轉(zhuǎn)化為電能輸出，它價格低廉，技術(shù)成熟，但污染嚴重，效率低下，充電時間長，用電時間短，使用過程中電能不易控制。

另一儲能電池是超導電池，它把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在超導線圈的磁場中，由于超導狀態(tài)下線圈沒有電阻，所以能量損耗非常小，效率也高，對環(huán)境污染也小。但由于超導狀態(tài)是線圈處于極低溫度下才能實現(xiàn)，維持線圈處于超導狀態(tài)所需要的低溫需耗費大量能源，而且維持裝置過大，不易小型化，所以家用市場前景不強。

飛輪電池則兼顧了兩者的優(yōu)點，雖然近階段的價格較高，但伴隨著技術(shù)的進步，必將有一個非常廣闊的前景。下面通過表－1來具體比較三者的優(yōu)缺點。

表－1 三種電池性能比較

技術(shù) 成熟 驗證 驗證

溫度范圍 限制 不限 不限

相對尺寸（同功率） 大 最小 中間

儲能密度 小 大 大

放能深度 淺 深 深

價格 低 高 較高

環(huán)境影響 污染 無污染 無污染

飛輪電池的應用場合及現(xiàn)狀

由于技術(shù)和材料價格的限制，飛輪電池的價格相對較高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢。但在下列一些需大型儲能裝置的場合，使用化學電池的價格也非常昂貴，飛輪電池已得到逐步應用。

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電池兩倍的功率，同負載的使用時間為化學電池的3~10倍。同時，因為它的轉(zhuǎn)速是可測可控的，故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150KW的電能。據(jù)估計相比化學電池，可節(jié)約200萬美元左右。

2、交通運輸 包括火車和汽車，這種車輛采用內(nèi)燃機和電機混合推動，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時，給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩(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)動機的維護，延長發(fā)動機的壽命。美國TEXAS大學已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時，可提供150KW的能量，能加速滿載車輛到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，這段時間足已保證工廠進行電源切換。德國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)斗車輛

作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向。飛輪電池除了上面介紹的應用領(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)的是手機電池。可以預見，伴隨著技術(shù)和材料學的進步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。

隨著人們環(huán)保意識的增強，全世界人們都在尋找一種無污染或污染小的能量供給方式。飛輪技術(shù)由于是電能和機械能的相互轉(zhuǎn)化，不會造成污染，飛輪儲能電池的概念起源于上世紀70年代早期，最初只是想將其應用在電動汽車上，但限于當時的技術(shù)水平，并沒有得到發(fā)展。直到上世紀90年代由于電路拓撲思想的發(fā)展，碳纖維材料的廣泛應用，以及全世界范圍對污染的重視，這種新型電池又得到了高速發(fā)展，在飛輪儲能裝置中，決定輸入輸出能量的是外接的電力電子裝置，而與外部的負載沒有關(guān)系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來控制飛輪的充電，這種特點在化學電池中實現(xiàn)起來要困難得多。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用前景，現(xiàn)正迅速地從實驗室走向社會。飛輪技術(shù)的發(fā)展速度很快，再加上飛輪儲能系統(tǒng)的充電速度可以非常快，飛輪儲能裝置的儲能密度越來越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時候，是機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有關(guān)系，這樣飛輪可以應用的放電深度范圍非常寬，特別適用于放電深度不規(guī)則的場合，由于飛輪的快速充放電和獨立而且穩(wěn)定的能量輸出，當設(shè)備需要能量突然增加或者在能量轉(zhuǎn)換時需要平穩(wěn)過渡的時候，經(jīng)常考慮到使用飛輪技術(shù)，雖然我國在這方面的研究才剛剛起步，但是歐美國家已出現(xiàn)實用化產(chǎn)品。并且飛輪電池的發(fā)展相當迅速，并已經(jīng)出現(xiàn)了利用超導磁懸浮的高新技術(shù)讓飛輪和包裹容納它的真空容器沒有物理接觸減小摩擦損耗，這樣飛輪就能轉(zhuǎn)的非?？?，而且損耗極小，存幾年轉(zhuǎn)速也不會降低很多，這就是磁懸浮飛輪電池。