鉅大LARGE | 點擊量：18629次 | 2018年06月01日
飛輪電池的優缺點是什么
飛輪電池的優點，主要表如下幾個方面：
能量密度高：儲能密度可達100～200wh/kg，功率密度可達5000～l0000w/kg。
能量轉換效率高：工作效率高達百分之90。
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。
工作溫度范圍寬：對環境溫度沒有嚴格要求。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
使用壽命長：不受重復深度放電影響，能夠循環幾百萬次運行，預期壽命20年以上。
低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略，系統維護周期長。
飛輪電池的缺點點，主要有兩個方面：
1.飛輪一般都采用碳纖維制成，制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴，成本比較高。
2.飛輪一旦充電，就會不停轉動下去。當我不用電時，飛輪還在那里轉動，浪費了能量。
飛輪電池是20世紀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點，主要表如下幾個方面：
(1)能量密度高：儲能密度可達100～200wh/kg，功率密度可達5000～l0000w/kg。
(2)能量轉換效率高：工作效率高達百分之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：對環境溫度沒有嚴格要求。
(5)使用壽命長：不受重復深度放電影響，能夠循環幾百萬次運行，預期壽命20年以上。
(6)低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略，系統維護周期長。（1)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，容易解體，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴，成本比較高。
（2)飛輪一旦充電，就會不停轉動下去。當我不用電時，飛輪還在那里轉動，浪費了能量。例如給一輛飛輪電池汽車充電后，該汽車可以行駛三小時，汽車走了兩個小時后，車主需要就餐半小時，那么，這半小時，飛輪就在那里白白轉動。不過，也有人說，飛輪空轉時，由于沒有負載，能量損失不會太大，比目前存放一段時間不用的蓄電池損失的能量還要小。如果靜止不動，幾乎沒有能量損失。解決的辦法：給飛輪電池配備化學充電電池，當不需要用電時，可把飛輪轉動的電能充進化學電池中。但是給飛輪電池配備化學電池帶來的問題是，增加了汽車或設備的重量。
飛輪電池是20世紀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，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發電機狀態運轉，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。當飛輪電池發出電的時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環境下運轉的，轉速極高（高達200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，飛輪電池比能量可達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，由靜止到96km/h加速時間為6.5秒。
使用化學電池的電動汽車目前已試驗過幾十年，但至今尚未進入實用階段。太陽能、風能、潮夕能、海浪能，都存在儲存問題，目前主要靠化學電池，但受到化學蓄電池壽命及效率的制約，至今尚不能廣泛應用。以上諸多問題，促使人們尋求一種效率高、壽命長、儲能多、使用方便，而且無污染的綠色儲能裝置。出乎意料，古老的“飛輪”變成了首選對象。[1]
“飛輪”這一儲能元件，已被人們利用了數千年，從古老的紡車，到工業革命時的蒸汽機，以往主要是利用它的慣性來均衡轉速和闖過“死點”，由于它們的工作周期都很短，每旋轉一周時間不足一秒鐘，在這樣短的時間內，飛輪的能耗是可以忽略的。現在想利用飛輪來均衡周期長達12～24小時的能量，飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來自軸承摩擦和空氣阻力。人們曾通過改變軸承結構，如變滑動軸承為滾動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承等來減小軸承摩擦力，通過抽真空的辦法來減小空氣阻力，軸承摩擦系數已小到10-3。即使如此微小，飛輪所儲的能量在一天之內仍有25%被損失，仍不能滿足高效儲能的要求。再一個問題是常規的飛輪是由鋼（或鑄鐵）制成的，儲能有限。例如，欲使一個發電力為100萬千瓦的電廠均衡發電，儲能輪需用鋼材150萬噸！另外要完成電能機械能的轉換，還需要一套復雜的電力電子裝置，因而飛輪儲能方法一直未能得到廣泛的應用。
圖1飛輪儲能裝置結構圖
圖1飛輪儲能裝置結構圖
近年來，飛輪儲能技術取得突破性進展是基于下述三項技術的飛速發展：一是高能永磁及高溫超導技術的出現；二是高強纖維復合材料的問世；三是電力電子技術的飛速發展。為進一步減少軸承損耗，人們曾夢想去掉軸承，用磁鐵將轉子懸浮起來，但試驗結果是一次次失敗。后來被一位英國學者從理論上闡明物體不可能被永磁全懸浮（Earnshaw定理），頗使試驗者心灰意冷。出乎意料的是物體全懸浮之夢卻在超導技術中得以實現，真像是大自然對探索者的慰藉。
超導磁懸浮原理是這樣的：當我們將一塊永磁體的一個極對準超導體，并接近超導體時，超導體上便產生了感應電流。該電流產生的磁場剛好與永磁的磁場相反，于是二者便產生了斥力。由于超導體的電阻為零，感生電流強度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導體，永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上，而且對上下左右的干擾都產生抗力，干擾力消除后仍能回到原來位置，從而形成穩定的磁懸浮。若將下面的超導體換成永磁體，則兩永磁體之間在水平方向也產生斥力，故永磁懸浮是不穩定的。
利用超導這一特性，我們可以把具有一定質量的飛輪放在永磁體上邊，飛輪兼作電機轉子。當給電機充電時，飛輪增速儲能，變電能為機械能；飛輪降速時放能，變機械能為電能。圖1是儲能飛輪裝置的示意圖，圖中超導體是由鋇釔銅合金制成，并用液氮冷卻至77K，飛輪腔抽至10-8托的真空度（托為真空度單位，1Torr（托）=133.332Pa），這種飛輪能耗極小，每天僅耗掉儲能的2%。
飛輪儲能大小除與飛輪的質量（重量）有關外，還與飛輪上各點的速度有關，而且是平方的關系。因此提高飛輪的速度（轉速）比增加質量更有效。但飛輪的轉速受飛輪本身材料限制。轉速過高，飛輪可能被強大的離心力撕裂。故采用高強度、低密度的高強復合纖維飛輪，能儲存更多的能量。目前選用的碳纖維復合材料，其輪緣線速度可達1000米/秒，比子彈速度還要高。正是由于高強復合材料的問世，飛輪儲能才進入實用階段。
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