中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：飛輪電池是90年代提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，由于是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，不會(huì)造成污染。 飛輪儲(chǔ)能電池最初只是想將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，并沒(méi)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)。
縱觀歐美國(guó)家的現(xiàn)狀，在汽車行業(yè)中，美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司(AFS)就生產(chǎn)出了以克萊斯勒LHS轎車為原形的飛輪電池轎車AFS20;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;在軍用設(shè)備上，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)始嘗試使用飛輪裝置，尤其是大型混能牽引機(jī)車上，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;在太空方面，由于飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度很大，并且隨著材料學(xué)和磁懸浮軸承技術(shù)的不斷發(fā)展，在衛(wèi)星上使用的飛輪儲(chǔ)能裝置甚至小到可以裝進(jìn)衛(wèi)星壁中，而且飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行的時(shí)候損耗很小，基本上不用維護(hù)，這就使得飛輪技術(shù)不斷應(yīng)用于衛(wèi)星裝置和太空空間站的太陽(yáng)能儲(chǔ)能電池中作為它們的能量供應(yīng)中心來(lái)使用，同時(shí)飛輪還可以用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制中。
根據(jù)市場(chǎng)研究公司Research and Markets最新發(fā)布的報(bào)告，從2010年到2014年，全球飛輪儲(chǔ)能市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到12%。不過(guò)，國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能市場(chǎng)開(kāi)始發(fā)力也只有3、4年時(shí)間。美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用比較多。歐洲的法國(guó)國(guó)家科研中心、德國(guó)的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開(kāi)展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究。飛輪儲(chǔ)能的研究主要著力于研發(fā)提高能量密度的復(fù)合材料技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。其中超導(dǎo)磁懸浮是降低損耗的主要方法，而復(fù)合材料能夠提高儲(chǔ)能密度，降低系統(tǒng)體積和重量。2014年9月16日國(guó)內(nèi)第一臺(tái)飛輪200千瓦工業(yè)化磁飛輪調(diào)試成功，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)均達(dá)良好，飛輪運(yùn)行正常，性能安全可靠。專家評(píng)價(jià)，這項(xiàng)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)科技和市場(chǎng)的空白。
目前已有機(jī)構(gòu)在積極開(kāi)發(fā)混合電動(dòng)車(HEV)用的飛輪電池系統(tǒng)。其主要作用：A)穩(wěn)定主動(dòng)力源的功率輸出。在混合動(dòng)力汽車起步、爬坡和加速時(shí)，飛輪電池能夠快速、大能量的放電，為主動(dòng)力源提供輔助動(dòng)力，并減少主動(dòng)力源的動(dòng)力輸出損耗。B)提高能量回收的效率。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車下坡、滑行和制動(dòng)時(shí)，飛輪電池能夠快速、大量的存儲(chǔ)動(dòng)能，充電速度不受“活性物質(zhì)”化學(xué)反應(yīng)速度的影響，可提高再生制動(dòng)時(shí)能量回收的效率。飛輪儲(chǔ)能用于HEV，存在的主要問(wèn)題是如何盡可能減輕飛輪的陀螺效應(yīng)以及提高飛輪的工作效率。對(duì)應(yīng)同等級(jí)別的汽車，安裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后，可以采用相對(duì)小的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和減排的目的。最近國(guó)家工業(yè)和信息化部發(fā)布《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則》時(shí)，特別將高效儲(chǔ)能器作為解決新能源途徑之一寫(xiě)入了規(guī)則，作為高效儲(chǔ)能器的代表，飛輪儲(chǔ)能在汽車上應(yīng)用有著巨大潛力。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達(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。
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)看似很神秘，其實(shí)與人們生活密切相關(guān)，比如地鐵列車進(jìn)出站時(shí)的能量轉(zhuǎn)換，列車進(jìn)站剎車時(shí)將多余能量輸入飛輪，列車出站提速時(shí)需要能量，飛輪將能量輸出，這個(gè)系統(tǒng)可為地鐵節(jié)省20%左右的能量消耗。飛輪技術(shù)在我國(guó)仍處在研發(fā)階段，而國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家已有幾十年的發(fā)展歷史，在諸多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，如F1賽車能量回收、軌道牽引能量回收、微電網(wǎng)調(diào)壓及并網(wǎng)，超低溫余熱回收利用、應(yīng)急UPS電源、高速離心風(fēng)機(jī)等。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是目前最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。相比鋰電池、鉛酸電池，飛輪儲(chǔ)能具有諸多優(yōu)點(diǎn)：
1、儲(chǔ)能密度大。儲(chǔ)能密度可達(dá)100～200wh/kg，功率密度可達(dá)5000～10000w/kg
2、效率高。工作效率高達(dá)百分之95
3、維護(hù)成本低。運(yùn)行的時(shí)候損耗很小，基本上不用維護(hù)
4、壽命長(zhǎng)。不受重復(fù)深度放電影響，設(shè)計(jì)壽命20年以上，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)
5、無(wú)噪聲。
6、環(huán)境污染小，對(duì)周圍環(huán)境幾乎沒(méi)有影響。
不受地理環(huán)境限制等，是目前最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的缺點(diǎn)
能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時(shí)間，一般只有幾十秒鐘。自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)自行耗盡。Active Power公司的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機(jī)損耗為2.5千瓦，因此有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%。但這是有條件的。只有在迅速用掉的情況下才有這么高的效率。如果自放電的話，效率大大降低。例如，幾萬(wàn)轉(zhuǎn)高速飛輪系統(tǒng)損耗在100瓦左右，1千瓦時(shí)的系統(tǒng)只能維持10小時(shí)的自放電。因此，飛輪儲(chǔ)能最適合高功率、短時(shí)間放電或頻繁充放電的儲(chǔ)能需求。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)目前使用的領(lǐng)域
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。
1、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)太空總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。
2、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?。911 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，飛輪技術(shù)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。
3、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。國(guó)外數(shù)據(jù)表明，在UPS應(yīng)用中，飛輪儲(chǔ)能正在逐步取代鉛酸蓄電池，成為主流技術(shù)。
4、軍用戰(zhàn)斗車輛
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。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。最可能出現(xiàn)的是手機(jī)電池?？梢灶A(yù)見(jiàn)，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。
國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)
1、冀東發(fā)展集團(tuán)
2014年9月16日國(guó)內(nèi)第一臺(tái)200千瓦工業(yè)化磁飛輪在冀東發(fā)展集團(tuán)盾石磁能科技有限責(zé)任公司調(diào)試成功。這項(xiàng)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)科技和市場(chǎng)的空白。
2、北京奇峰聚能科技有限公司
中國(guó)英利集團(tuán)投資組建，專注于磁懸浮飛輪儲(chǔ)能研究。2011年1月，英利自主研發(fā)出1千瓦時(shí)儲(chǔ)能飛輪樣機(jī)。同年9月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)20千瓦時(shí)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)也在英利下線。此后，由英利投資的北京奇峰聚能科技有限公司經(jīng)過(guò)國(guó)家科技部審批，在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)高性能物理儲(chǔ)能項(xiàng)目中承擔(dān)了磁懸浮儲(chǔ)能飛輪技術(shù)課題研究工作。
原標(biāo)題:【知識(shí)】飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)概述
