飞轮电池

20世纪90年代才提出的新概念电池

飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。

简介

背景

使用化学电池的电动汽车目前已试验过几十年，太阳能、风能、潮夕能、海浪能，都存在储存问题，目前主要靠化学电池，但受到化学蓄电池寿命及效率的制约，至今尚不能广泛应用。以上诸多问题，促使人们寻求一种效率高、寿命长、储能多、使用方便，而且无污染的绿色储能装置。出乎意料，古老的“飞轮”变成了首选对象。[1]

“飞轮”这一储能元件，已被人们利用了数千年，从古老的纺车，到工业革命时的蒸汽机，以往主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”，由于它们的工作周期都很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12～24小时的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了。能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到10-3。即使如此微小，飞轮所储的能量在一天之内仍有25%被损失，仍不能满足高效储能的要求。再一个问题是常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！另外要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置，因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。

近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。为进一步减少轴承损耗，人们曾梦想去掉轴承，用磁铁将转子悬浮起来，但试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全悬浮（Earnshaw定理），颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦却在超导技术中得以实现，真像是大自然对探索者的慰藉。

超导磁悬浮原理是这样的：当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。

利用超导这一特性，我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边，飞轮兼作电机转子。当给电机充电时，飞轮增速储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。图1是储能飞轮装置的示意图，图中超导体是由钡钇铜合金制成，并用液氮冷却至77K，飞轮腔抽至10-8托的真空度（托为真空度单位，1Torr（托）=133.332Pa），这种飞轮能耗极小，每天仅耗掉储能的2%。

飞轮储能大小除与飞轮的质量（重量）有关外，还与飞轮上各点的速度有关，而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度（转速）比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制。转速过高，飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高强度、低密度的高强复合纤维飞轮，能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合材料，其轮缘线速度可达1000米/秒，比子弹速度还要高。正是由于高强复合材料的问世，飞轮储能才进入实用阶段。

研究进展

1994年，美国阿贡（ANL）国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮：直径38厘米，质量为11千克，采用超导磁悬浮，飞轮线速度达1000米/秒。它储的能量可将10个100瓦灯泡点燃2～5小时。该实验室目前正在开发储能为50千瓦小时的储能轮，最终目标是使其储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率为100万千瓦的电厂，约需这样的储能轮200个。

1992年美国飞轮系统公司（AFS）开发了一种用于汽车上的机-电电池（EMB），每个“电池”长18厘米，直径23厘米，质量为23千克。电池的核心是一个以20万转/分旋转的碳纤飞轮，每个电池储能为1千瓦小时，它们将12个“电池”放在IMPACT轿车上，能使该车以100千米/小时的速度行驶480千米。机-电电池共重273千克，若采用铅酸电池，则共重396千克。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍，使用寿命是铅酸电池的8倍，且它的“比功率”（即爆发力）极高，是铅酸电池的25倍，是汽油发动机的10倍，它可将该车在8秒钟内由静止加速至100千米/小时。

日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置，如图2所示。该装置的飞轮直径达6.45米，高1米，重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100千米/小时的速度行驶时所具有的能量相当。故将这些能量在极短时间释放出来足以引发核聚变。

我国对飞轮的研究，始于1993年，在理论分析及模型试验方面也已取得不小的进展。以飞轮作储能装置，其可行性目前已无人怀疑。

由英利集团投资研究的飞轮储能技术，目前已经取得了阶段性成果，并且有望在十二五期间实现量产。2011年1月，英利自主研发出1kWh储能飞轮样机。同年9月，国内首台20kWh磁悬浮飞轮储能样机也在英利下线。此后，由英利投资的北京奇峰聚能科技有限公司经过国家科技部审批，在国家高技术研究发展计划（863）高性能物理储能项目中承担了磁悬浮储能飞轮技术研究课题研究工作。“飞轮磁悬浮储能装备是英利集团驾驭新能源产业发展，培育新的经济增长点、提升整体竞争力的战略选择。”北京奇峰聚能科技有限公司总经理蒋涛表示，英利集团在“十二五”期间将重点投入大容量储能飞轮研发，争取实现大储能装置的规模化生产。

21及22世纪，太阳能（包括其派生的风能、浪能）可能变为唯一允许使用的能源，再辅以飞轮储能，太阳能电厂即可提供全天候的能源，这时，也只有这时，地球村的天空才会变得蔚蓝，水才会清莹，人类“绿色能源”之梦才会彻底实现。

工作原理

何谓飞轮储能电池

飞轮储能电池系统包括三个核心部分：一个飞轮，电动机—发电机和电力电子变换装置。

电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。同时由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）达95%左右。

实际使用的飞轮装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器。飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量由公式E=1/2jω^2决定。式中j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮的旋转角速度。

电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向逆变器，它们的原理不再叙述，它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。

性能比较

飞轮电池与其它电池的比较

使用最多最广的储能电池无疑是化学电池，它将电能转变为化学能储存，再转化为电能输出，它价格低廉，技术成熟，但污染严重，效率低下，充电时间长，用电时间短，使用过程中电能不易控制。

另一储能电池是超导电池，它把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中，由于超导状态下线圈没有电阻，所以能量损耗非常小，效率也高，对环境污染也小。但由于超导状态是线圈处于极低温度下才能实现，维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源，而且维持装置过大，不易小型化，所以家用市场前景不强。

飞轮电池则兼顾了两者的优点，虽然近阶段的价格较高，但伴随着技术的进步，必将有一个非常广阔的前景。下面通过表—1来具体比较三者的优缺点。

表—1三种电池性能比较

优缺点

优点

飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表如下几个方面：

(1)能量密度高：储能密度可达100～200wh/kg，功率密度可达5000～l0000w/kg。

(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。

(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。

(4)工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。

(5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。

(6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。

缺点

（1）由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，容易解体，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵，成本比较高。

（2）飞轮一旦充电，就会不停转动下去。当我不用电时，飞轮还在那里转动，浪费了能量。例如给一辆飞轮电池汽车充电后，该汽车可以行驶三小时，汽车走了两个小时后，车主需要就餐半小时，那么，这半小时，飞轮就在那里白白转动。不过，也有人说，飞轮空转时，由于没有负载，能量损失不会太大，比目前存放一段时间不用的蓄电池损失的能量还要小。如果静止不动，几乎没有能量损失。解决的办法：给飞轮电池配备化学充电电池，当不需要用电时，可把飞轮转动的电能充进化学电池中。但是给飞轮电池配备化学电池带来的问题是，增加了汽车或设备的重量。

应用领域

由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。但在下列一些需大型储能装置的场合，使用化学电池的价格也非常昂贵，飞轮电池已得到逐步应用。

太空

包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的3～10倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池，可节约200万美元左右。

交通运输

包括火车和汽车，这种车辆采用内燃机和电机混合推动，飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，发动机的维护，延长发动机的寿命。美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时，可提供150KW·h的能量，能加速满载车辆到100Km/h。在火车方面，德国西门子公司已研制出长1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能。

不间断电源

飞轮电池可提供高可靠的稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足已保证工厂进行电源切换。德国GmbH公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内可提供或吸收5MW的电能。

军用车辆

美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能，飞轮电池由于其快速的充放电，独立而稳定的能量输出，重量轻，能使车辆工作处于最优状态，减少车辆的噪声（战斗中非常重要），提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置。

未来展望

飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是，化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。

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