目錄: 1、簡介 2、起源 3、工作原理 4、性能 5、優(yōu)點、6、用途、7、趨勢
1、簡介
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，充電時電機以電動機形式運轉；就是在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，這就是用電給飛輪電池“充電”的意思，此舉增加了飛輪的轉速，從而增大其能量；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉，它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。當飛輪電池處于放電狀態(tài)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(jù)稱，飛輪電池的功率密度（比能）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，由零起步到96km/h加速時間為6.5秒。
2、起源
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,由于以下因素：
1、電路拓撲思想的發(fā)展；
2、碳纖維材料的廣泛應用；
3、全世界范圍對污染的重視；
4、磁軸承技術的發(fā)展；
因此，這種新型電池又得到了高速發(fā)展，并且伴隨著磁軸承技術的不斷進步，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�，F(xiàn)在歐美國家已出現(xiàn)實用化產品，而我國在這方面的研究才剛剛起步。
3、工作原理
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：
1、飛輪；
2、電動機—發(fā)電機；
3、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=jw2決定。式中j為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀和重量有關；w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，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。
4、性能
飛輪電池與其它電池的比較：
現(xiàn)在，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，雖然現(xiàn)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。三者的優(yōu)缺點比較。
化學電池 飛輪電池 超導電池
儲能方式 化學能 機械能 電磁能
使用壽命 3～5 >20 ～20
技術成熟度 成熟 驗證 驗證
溫度范圍 限制 不限 不限
比尺寸（同功率） 大 最小 中間
儲能密度 小 大 大
放電（能）深度 淺 深 深
成本 低 高 較高
環(huán)境影響 存在污染 無污染 無污染
5、優(yōu)點
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，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：
1、能量密度高：儲能密度可達100～200 wh/kg，功率密度可達5 000～10000 w/kg。
2、能量轉換效率高：工作效率高達百分之90以上；
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。
6、用途
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。
A、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。
B、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。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。
C、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。
D、軍用戰(zhàn)斗車輛
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。
7、趨勢
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。目前，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�，F(xiàn)在，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。
在2010美國勒芒系列賽最后一輪中，保時捷911GT3混合動力賽車首次正式使用了該項技術（該車成績在比賽中排名中游）。911 GT3是保時捷第一輛混合動力賽車，它是918 Spyder混合動力車的前身，而后者將于2012年推出。保時捷北美區(qū)執(zhí)行總裁德特勒夫·馮普拉滕（Detlev Von Platen）表示，用于這兩款車型的飛輪技術代表著保時捷的未來�！斑@輛車將明確保時捷未來60年的走向”，馮普拉滕說道。保時捷918 Spyder混合動力車飛輪技術在前輪使用兩個電動馬達以補充引擎的動力（在本文的車型中，后置引擎的動力為480馬力）。飛輪技術將制動所收集的動能轉化為電能，并將能量貯存于一個飛輪之中。在加速過程中，該能量將轉移至前輪，前輪載有內燃機。這一過程將大大減少燃料消耗，并增加行駛范圍；在賽車中，飛輪技術的一大優(yōu)勢在于賽車加油的次數(shù)較少，為其在賽場上贏得了寶貴的時間。 在不犧牲速度和敏捷性的前提下，讓汽車更有效率，這是一個令人振奮的進步——保時捷918 Spyder混合動力車可不是畏縮不前的小車，它有500加馬力的全輪驅動，僅需3.2秒即能將速度從0提至62英里每秒。保時捷公司表示，已有900名準買家簽約購買該車。 |
