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。

簡介

飛輪電池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的 驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能;放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)，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)飛輪電池發(fā)出電的時(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，飛輪電池比能量可達(dá)150W ·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長達(dá)25年，可供電 動(dòng)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(dòng)轎車，一次充電可行駛 600km，由靜止到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。

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年代由于電路拓?fù)渌枷氲陌l(fā)展，碳纖維材料的廣泛應(yīng)用，以及全世界范圍對(duì)污染的重視，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)的發(fā)展，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)。歐美國家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品，而我國在這方面的研究才剛剛起步。

工作原理

飛輪儲(chǔ)能電池系統(tǒng)包括三個(gè)核心部分：一個(gè)飛輪，電動(dòng)機(jī)——發(fā)電機(jī)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=jω^2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); ω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。

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～lO 000 w/kg。

(2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達(dá)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(duì)環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。

(5)使用壽命長：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運(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。

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