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 電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存，再轉化為電能輸出，它價格低廉，技術成熟，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

飛輪電 池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的 驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池"充電"增 加了飛輪的轉速從而增大其功能;放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài) 運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電 能的轉換。當飛輪電池發(fā)出電的時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉的，轉速極高(高達200000r/min， 使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，飛輪電池比能量可達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電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，由靜止到96km/h加速時間為6.5秒。

飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點，主要表如下幾個方面:

(1)能量密度高:儲能密度可達100~200 wh/kg，功率密度可達5 000~l0 000 w/kg。

(2)能量轉換效率高:工作效率高達百分之90。

(3)體積小、重量輕:飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。

(4)工作溫度范圍寬:對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。

(5)使用壽命長:不受重復深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預期壽命20年以上。

(6)低損耗、低維護:磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護周期長。

(1)由于在實際工作中，飛輪的轉速可達40000~50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，容易解體，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴，成本比較高。

(2)飛輪一旦充電，就會不停轉動下去。當我不用電時，飛輪還在那里轉動，浪費了能量。例如給一輛飛輪電池汽車充電后，該汽車可以行駛三小時，汽車走了兩個小時后，車主需要就餐半小時，那么，這半小時，飛輪就在那里白白轉動。不過，也有人說，飛輪空轉時，由于沒有負載，能量損失不會太大，比目前存放一段時間不用的蓄電池損失的能量還要小。如果靜止不動，幾乎沒有能量損失。解決的辦法:給飛輪電池配備化學充電電池，當不需要用電時，可把飛輪轉動的電能充進化學電池中。但是給飛輪電池配備化學電池帶來的問題是，增加了汽車或設備的重量。

由于技術和材料價格的限制，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。

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。據估計相比化學電池，可節(jié)約200萬美元左右。

包括火車和汽車，這種車輛采用內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·h的能量，能加速滿載車輛到100Km/h。在火車方面，德國西門子公司已研制出長1.5m，寬0.75m的飛輪電池，可提供3MW的功率，同時，可儲存30%的剎車能。

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內可提供或吸收5MW的電能。

美國國防部預測未來的戰(zhàn)斗車輛在通信、武器和防護系統(tǒng)等方面都廣泛需要電能，飛輪電池由于其快速的充放電，獨立而穩(wěn)定的能量輸出，重量輕，能使車輛工作處于最優(yōu)狀態(tài)，減少車輛的噪聲(戰(zhàn)斗中非常重要)，提高車輛的加速性能等優(yōu)點，已成為美國軍方首要考慮的儲能裝置。

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 旋轉時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電 能的。高技術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，在外電源的 驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池"充電"增 加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài) 運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電 能的轉換。當飛輪電池發(fā)出電的時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉的，轉速極高（高達200000r/min， 使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，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動電動機旋轉，電動機帶動飛輪旋轉，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，將動能轉化為電能，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，飛輪的轉速可達40000~50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，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為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀和重量有關； 為飛輪的旋轉角速度。

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，它將電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存，再轉化為電能輸出，它價格低廉，技術成熟，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 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的發(fā)展方向。飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外，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?？梢灶A見，伴隨著技術和材料學的進步，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。飛輪技術由于是電能和機械能的相互轉化，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系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉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化，所以飛輪的壽命和放電的深度沒有關系，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，當設備需要能量突然增加或者在能量轉換時需要平穩(wěn)過渡的時候，經?？紤]到使用飛輪技術，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)實用化產品。并且飛輪電池的發(fā)展相當迅速，并已經出現(xiàn)了利用超導磁懸浮的高新技術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，這樣飛輪就能轉的非?？?，而且損耗極小，存幾年轉速也不會降低很多，這就是磁懸浮飛輪電池。