飛輪儲能電池應用展望

劉春娜

飛輪儲能電池應用展望

劉春娜

飛輪儲能電池是一種機電能量轉換的儲能裝置，是一種新興的電能存儲技術。它與超導儲能技術、燃料電池技術等一樣，都是近年來出現的具有很大發展前景的儲能技術。

1 結構及原理

典型的飛輪儲能系統由飛輪本體、軸承、電動/發電機、電子電路控制裝置及相關輔助系統等組件構成。圖1是一種飛輪儲能電池結構圖。其工作原理是：電子電路控制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，當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發電機旋轉，將動能轉化為電能，再通過電子電路控制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。

2 優點及應用

飛輪儲能電池的優點體現在：比能量比氫鎳電池大2～3倍；比功率高于一般化學蓄電池和內燃機，其快速充電可在18分鐘內完成且能量儲存時間長；壽命遠長于各種化學蓄電池；飛輪為純機械結構，不會像內燃機產生排氣污染。表1是飛輪儲能電池與化學電池的比較。

飛輪儲能電池的應用十分廣泛：

(1)交通運輸。車輛在正常行使和剎車制動時，給飛輪儲能電池充電，在加速或爬坡時，電池則給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩、最優的狀態下的轉速，可減少燃料消耗，降低空氣和噪聲污染，有利于延長發動機的使用壽命。

(2)工業。在不間斷電源(UPS)領域，市電正常時，由市電給負載供電，同時使發電機帶動兩百公斤重的飛輪在真空中旋轉；市電中斷，由飛輪利用其慣性能量帶動發電機發電，這個時間完全可以使柴油發電機起動并達到穩定運行，從而實現了不間斷供電。在風力發電領域，因風速不穩定，給用戶在使用上帶來了困難，飛輪儲能電池可提供高可靠的穩定電源，提供幾秒到幾分鐘的電能，足已保證工廠進行電源切換。高速飛輪儲能系統可以在瞬間釋放出巨大電力以穩定電網波動，實現對電網的調峰功能，為電網運營商創造更可靠的供電系統。

(3)太空。包括人造衛星、飛船、空間站，飛輪儲能電池一次充電可以提供同質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，因為它的轉速可測可控，可以隨時查看電能的多少。

(4)軍事。美國國防部預測未來的戰斗車輛在通信、武器和防護系統等方面都廣泛需要電能，飛輪儲能電池由于具有充放電快、能量輸出穩定、質量輕、能使車輛工作處于最優狀態、減少車輛的噪聲、提高車輛的加速性能等優點，已成為美國軍方首要考慮的儲能裝置。美國已經開始在軍用設備上嘗試使用飛輪裝置，尤其是大型混能牽引機車上。

3 國外飛輪儲能電池發展狀況美國

美國飛輪儲能研發的代表性企業Active Power，其研制的飛輪儲能電池因自身結構緊湊、高效節能、無蓄電池儲能原件等特點，在日常運營電耗、占地成本、制冷投入及維護成本上，大大低于傳統蓄電池系統；在整個生命周期內，整體擁有成本(TCO)較傳統蓄電池系統節省60%以上。電池占地面積小，僅相當于同容量傳統UPS系統的50%以下；且因為無蓄電池儲能單元，大大節省了維護人工及成本。公司生產的飛輪儲能電源系統，飛輪材料為4340鍛鐵，其飛輪轉子與電動/發電機、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸去80%的質量以延長飛輪軸承的壽命和減小損耗，飛輪的工作轉速在7 000～7700 r/m in，工作維持時間為幾十秒到幾分鐘。其研發的PowerHouse模塊化電源系統，采用真空磁懸浮飛輪儲能技術，由機械飛輪提供高效后備能源，完全無需化學蓄電池，通過電能和機械能之間的轉換，可以將能量轉換效率提高至98%，同時占地面積卻只有傳統電源的25%，符合數據中心向高密度、小空間的發展方向。Power House能夠以極高的效率支持數據中心中I T設備的關鍵負載，有著非常顯著的節能效果。它的功率從200～800 kW不等，是完全可以擴展的結構。傳統備用電源需單個部件現場組裝,而P o werH o use系統設計、質量控制、測試、建設和驗證都可在工廠組裝完成，確保了集成飛輪UPS、開關柜、備用發電機和冷卻設備之間的相互操作性，因此可被快速裝配及應用。

圖1 飛輪儲能電池結構圖

表1 飛輪儲能電池與化學電池的比較

勞倫斯國家實驗室研制出了1 kWh/ 200 kW的飛輪儲能電池，電機采用“Halbach”磁路分布設計，飛輪轉子采用多環組合結構，采用被動磁軸承。實驗室還研制出了870Wh的飛輪儲能實驗系統，飛輪邊緣線速度可達到480m/s，實驗轉速20000～10000 r/m in，飛輪釋放能量650Wh，放電效率96%。

美國阿貢(A N L)國家實驗室則用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38cm，質量為11kg，采用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000 m/s。它儲存的能量可將10個100W燈泡點燃2～5 h。該實驗室還開發了儲能為50kWh的儲能飛輪，最終目標是使其儲能達5000 kWh。

波音公司研制了高溫超導軸承懸浮的5 kWh/100kW飛輪儲能系統，質量164 kg的飛輪在高溫超導磁軸承中運轉到15000 r/m in?？刂破骺蓪崿F三相480V AC-600V DC-480V AC的充電、放電電力轉換。

馬里蘭大學研究出用于電力調峰的24 kWh的電磁懸浮飛輪系統，其飛輪重172.8 kg，工作轉速范圍11610～46 345 r/m in，破壞轉速為48 784 r/m in，系統輸出恒壓110～240V，全程效率為81%。

Beacon Power公司開創了飛輪儲能系統與電力公司合作的先例：其20 MW的飛輪儲能電池用于電廠儲能調頻，能做到15 m in的儲能規模，而一般應用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100s。Beacon Power推出的2 kWh飛輪儲能電池，飛輪轉速30000 r/m in，采用永磁/電磁混合軸承，永磁無刷電機效率高達96%。

TEXAS大學研制出了汽車用飛輪儲能電池，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。

美國飛輪系統公司(A F S)生產出了以克萊斯勒LHS轎車為原形的飛輪儲能電池轎車AFS20。這種汽車是靠內燃機和電機兩種方式共同提供推動力的，在汽車正常行駛和制動的時候給飛輪儲能電池充電，汽車爬坡和加速，需要功率大的時候讓飛輪儲能電池放電，這樣可以大幅度提高汽車的性能。

LitMotors公司2012年展示的C-1電動概念汽車，應用了F1賽車上使用的動能回收系統，并使用飛輪儲能電池技術儲存自身制動能量，讓汽車更有效率。該車速度可以達到每小時約193km，充滿電后大約可行駛321km。

美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪儲能電池，聯合在一起可提供超過150kW的電能。據估計相比于化學電池，可節約200萬美元左右。

美國宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作單位研制的飛輪儲能電池主要應用于航空航天以及軍用裝甲車輛上，用途主要是能量儲存、動力和姿態控制以及峰值功率調節等。設計儲能量360～840 kWh，比能量44Wh/kg，轉速60 000 r/m in，線速度不小于880 m/s。其目標是建立和測試大型飛輪儲能系統：比能量大于100Wh/kg，線速度不小于1 260 m/s，放電深度90%，運行轉速內無臨界模態。

為了使運載火箭能反復使用，美國正在研究一種磁懸浮直線電動機托架來發射航天飛機，這需要功率巨大、但放電時間非常短促的電源，所以飛輪儲能電池也許是實現這一目標的最佳選擇。

德國

德國Forschungszen trumkarlsruhe Gmbh公司設計的5MWh/100 MW超導飛輪儲能電站，由10個飛輪模塊組成，每個模塊儲能0.5 MWh，功率10 MW，直徑3.5 m，高6.5 m，用同步電動/發電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發電機子模塊、4個碳纖維復合材料制成的轉子模塊和6個SMB子模塊。每個飛輪轉子儲能125 kWh，比能量42 Wh/kg，運行轉速 2 250～4 500 r/m in，最大外緣線速度600 m/s，最大拉應力810 M Pa，系統效率96%。西門子公司已研制出長1.5m，寬0.75 m的飛輪儲能電池并將其應用于火車方面，可提供3 MW的功率，同時可儲存30%的剎車能。ATZ與MM開發了5 kWh/250 kW 的大容量高功率飛輪UPS，質量450 kg飛輪由高溫超導磁體軸承完全懸浮。GmbH公司制造了一種使用飛輪儲能電池的UPS，在5s內可提供或吸收5 MW的電能。

日本

日本已投資3 500萬美元進行高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能研究，由三菱、日立、精工等公司和多個研究所、高校組成研究組來承擔這項任務，并已研制出3種實驗模型機，進行了儲能8 MWh的飛輪儲能機組的設計。日本原子能研究所一座大型核融合實驗爐采用了飛輪儲能發電裝置，其主要參數為：功率235 MVA，電壓18 k V，電流6 898 A，飛輪轉速420～600 r/m in，可釋放能量20 MJ，轉子為碳素鋼鍛造的實心圓盤。NED O飛輪項目資助建立了10 kWh級超導磁軸承飛輪系統，實驗系統的轉速達11 250 r/m in，儲能5 kWh。長岡技術大學與國立仙臺工學院聯合研制了230 Wh/5 kW的飛輪不間斷電源實驗裝置，鋼質飛輪重30 kg，最高轉速 30 000 r/m in，20 000～30 000 r/m in升速充電效率88.3%，30 000～20 000 r/m in降速放電效率88.5%。日本還利用飛輪電池比功率高的特性設計了一個引發可控熱核聚變的裝置。該裝置的飛輪直徑達6.45 m，高1 m，重255噸。它所儲存的能量與掛有150個車廂的列車以100 k m/h的速度行駛時所具有的能量相當。

4 展望

飛輪儲能電池與傳統電池相比，擁有無可比擬的優勢，其理論論證已經比較成熟，技術特點非常符合未來能源儲存技術的發展方向。目前，因其價格相對較高，在小型場合還無法體現其優勢，但在一些需大型儲能裝置的場合，飛輪儲能電池已得到逐步應用，包括航天航空領域，而且人們也正在為飛輪儲能電池開發更多的應用領域。飛輪儲能電池也正在向小型化、低廉化的方向發展。伴隨著技術和材料學的進步，飛輪儲能電池將在各行各業中發揮重要的作用。CJPS