目錄: 1、簡(jiǎn)介 2、起源 3、工作原理 4、性能 5、優(yōu)點(diǎn)、6、用途、7、趨勢(shì)
1、簡(jiǎn)介
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)電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)；就是在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，這就是用電給飛輪電池“充電”的意思，此舉增加了飛輪的轉(zhuǎn)速，從而增大其能量；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，它在飛輪的帶動(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)飛輪電池處于放電狀態(tài)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，飛輪電池的功率密度（比能）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電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛600km，由零起步到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。
2、起源
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)汽車上，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，并沒有得到發(fā)展。直到上世紀(jì)90年代,由于以下因素：
1、電路拓?fù)渌枷氲陌l(fā)展；
2、碳纖維材料的廣泛應(yīng)用；
3、全世界范圍對(duì)污染的重視；
4、磁軸承技術(shù)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(shù)的不斷進(jìn)步，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)。現(xiàn)在歐美國(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。
3、工作原理
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：
1、飛輪；
2、電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)；
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(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=jw2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)；w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(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)線圈的磁場(chǎng)中，由于超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，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)是線圈處于極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)，維持線圈處于超導(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)，雖然現(xiàn)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。三者的優(yōu)缺點(diǎn)比較。
化學(xué)電池 飛輪電池 超導(dǎo)電池
儲(chǔ)能方式 化學(xué)能 機(jī)械能 電磁能
使用壽命 3～5 >20 ～20
技術(shù)成熟度 成熟 驗(yàn)證 驗(yàn)證
溫度范圍 限制 不限 不限
比尺寸（同功率） 大 最小 中間
儲(chǔ)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(wú)污染 無(wú)污染
5、優(yōu)點(diǎn)
飛輪電池兼顧了化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲(chǔ)能裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
1、能量密度高：儲(chǔ)能密度可達(dá)100～200 wh/kg，功率密度可達(dá)5 000～10000 w/kg。
2、能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達(dá)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(duì)環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求；
5、使用壽命長(zhǎng)：不受深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬(wàn)次運(yùn)行，預(yù)期壽命20年以上；
6、低損耗、低維護(hù)：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)。
6、用途
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。
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(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。
B、交通運(yùn)輸
包括火車和汽車，這種車輛采用內(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)的車輛中。車輛在正常行使時(shí)和剎車制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時(shí)，給車輛提供動(dòng)力，保證車輛運(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)已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時(shí)，可提供150KW的能量，能加速滿載車輛到100Km/h。在火車方面，德國(guó)西門子公司已研制出長(zhǎng)1.5m，寬0.75m的飛輪電池，可提供3MW的功率，同時(shí)，可儲(chǔ)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(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。
D、軍用戰(zhàn)斗車輛
美國(guó)國(guó)防部預(yù)測(cè)未來(lái)的戰(zhàn)斗車輛在通信、武器和防護(hù)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(dú)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(diǎn)，已成為美國(guó)軍方首要考慮的儲(chǔ)能裝置。
7、趨勢(shì)
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。目前，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�，F(xiàn)在，最可能出現(xiàn)的是手機(jī)電池�？梢灶A(yù)見，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。
在2010美國(guó)勒芒系列賽最后一輪中，保時(shí)捷911GT3混合動(dòng)力賽車首次正式使用了該項(xiàng)技術(shù)（該車成績(jī)?cè)诒荣愔信琶杏危?11 GT3是保時(shí)捷第一輛混合動(dòng)力賽車，它是918 Spyder混合動(dòng)力車的前身，而后者將于2012年推出。保時(shí)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(shù)代表著保時(shí)捷的未來(lái)�！斑@輛車將明確保時(shí)捷未來(lái)60年的走向”，馮普拉滕說(shuō)道。保時(shí)捷918 Spyder混合動(dòng)力車飛輪技術(shù)在前輪使用兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)以補(bǔ)充引擎的動(dòng)力（在本文的車型中，后置引擎的動(dòng)力為480馬力）。飛輪技術(shù)將制動(dòng)所收集的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并將能量貯存于一個(gè)飛輪之中。在加速過(guò)程中，該能量將轉(zhuǎn)移至前輪，前輪載有內(nèi)燃機(jī)。這一過(guò)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(shù)的一大優(yōu)勢(shì)在于賽車加油的次數(shù)較少，為其在賽場(chǎng)上贏得了寶貴的時(shí)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(gè)令人振奮的進(jìn)步——保時(shí)捷918 Spyder混合動(dòng)力車可不是畏縮不前的小車，它有500加馬力的全輪驅(qū)動(dòng)，僅需3.2秒即能將速度從0提至62英里每秒。保時(shí)捷公司表示，已有900名準(zhǔn)買家簽約購(gòu)買該車。 |
