1 引言
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種新興的電能存儲(chǔ)技術(shù)，它與超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、燃料電池技術(shù)等一樣，都是近年來出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)存在著諸如充放電次數(shù)的限制、對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重以及對(duì)工作溫度要求高等問題。這樣就使新興的儲(chǔ)能技術(shù)越來越受到人們的重視。尤其是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，已經(jīng)開始越來越廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的許多行業(yè)中。
2 飛輪儲(chǔ)能裝置簡(jiǎn)介
飛輪儲(chǔ)能裝置主要包括3個(gè)核心部分：飛輪、電機(jī)和電力電子裝置。它最基本的工作原理就是，將外界輸入的電能通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)外界需要電能的時(shí)候，又通過發(fā)電機(jī)將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外部負(fù)載，要求空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候損耗非常小。它的原理圖如圖1所示。
圖1 飛 輪 儲(chǔ) 能 裝 置 原 理 圖
事實(shí)上，為了減少空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲(chǔ)能裝置的效率，飛輪儲(chǔ)能裝置軸承的設(shè)計(jì)一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，而且將電機(jī)和飛輪都密封在一個(gè)真空容器內(nèi)?減少風(fēng)阻。通常發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)使用一臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過軸承直接和飛輪連接在一起。這樣，在實(shí)際常用的飛輪儲(chǔ)能裝置中，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裝置，飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示。
圖2 飛 輪 儲(chǔ) 能 裝 置 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖
當(dāng)外設(shè)通過電力電子裝置給電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)就作為電動(dòng)機(jī)使用，它的作用是給飛輪加速，儲(chǔ)存能量；當(dāng)負(fù)載需要電能時(shí)，飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩，電機(jī)又作為發(fā)電機(jī)使用，通過電力電子裝置給外設(shè)供電；當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置就可以以最小損耗運(yùn)行。這樣利用電機(jī)的四象限運(yùn)行原理，使發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)共用一臺(tái)電機(jī)的方法，不但可以提高效率，還可以減少整個(gè)儲(chǔ)能裝置的尺寸，使儲(chǔ)能密度大大提高。
在整個(gè)飛輪儲(chǔ)能裝置中，飛輪無疑是其中的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量E由式（1）決定。
E=jω2 (1)
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為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。
電力電子裝置通常是由FET或IGBT組成的雙向逆變器，它們決定了飛輪儲(chǔ)能裝置能量輸入輸出量的大小，而與儲(chǔ)能裝置外接負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)。
3 飛輪儲(chǔ)能裝置與其它儲(chǔ)能裝置性能比較
電能的儲(chǔ)存一般都采用化學(xué)蓄電池，無疑化學(xué)電池是技術(shù)最為完善也是目前產(chǎn)量最大的儲(chǔ)能裝置，它是通過將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存的，然而伴隨而來的環(huán)境污染和腐蝕問題就難以避免，而且受到儲(chǔ)能方式本身特性的限制，一些主要性能總是難以提高，雖然它價(jià)格低廉，但是由于現(xiàn)在對(duì)環(huán)保和電池性能特點(diǎn)要求的不斷提高，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學(xué)電池的弊端，而逐漸將目光放在更加先進(jìn)的儲(chǔ)能方式上了。
超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是一種科技含量較高的先進(jìn)的儲(chǔ)能方式，它把能量?jī)?chǔ)存于超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)中，通過電磁相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的充電和放電。由于在超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，因此超導(dǎo)儲(chǔ)能的能量損耗非常小，它的主要存儲(chǔ)性能也很不錯(cuò)，對(duì)環(huán)境幾乎不會(huì)造成污染，但是，超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)是通過把線圈的溫度降低到它要求的溫度以下來完成的，這個(gè)溫度非常低，因此，持續(xù)維持線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需要的低溫而花費(fèi)的維護(hù)費(fèi)用就十分昂貴，維持低溫的費(fèi)用過高就成為了人們?cè)谶x擇長(zhǎng)期能量?jī)?chǔ)備方式時(shí)不得不考慮的因素，這樣便限制了超導(dǎo)儲(chǔ)能應(yīng)用的普及。但是，超導(dǎo)儲(chǔ)能仍然是許多科研工作者們的研究方向。
被譽(yù)為改變未來世界的十大科技之首的燃料電池，是一種將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它由燃料、氧化劑、電極、電解液等組成。燃料一般采用氫，而電極只用作化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所并不參與化學(xué)反應(yīng)，所以這種裝置質(zhì)量輕、無污染、不用充電、工作可靠、壽命長(zhǎng)。然而它是通過不斷補(bǔ)充燃料來維持能量供應(yīng)的，所以它需要不斷進(jìn)行維護(hù)，這也就決定了其應(yīng)用范圍必然不會(huì)很廣，不過它在汽車和電力工業(yè)中卻倍受青睞。
現(xiàn)在飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且正在不斷飛速發(fā)展，由于它具有良好的性能和相對(duì)比較理想的性能價(jià)格比，而越來越多地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，已經(jīng)成為近幾年儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用研究的主要對(duì)象，而且必將逐步占領(lǐng)更大的儲(chǔ)能設(shè)備市場(chǎng)。
以上這些儲(chǔ)能裝置是目前人們最看好的或者是最常用的儲(chǔ)能設(shè)備，當(dāng)然，另外還有很多其它的新型儲(chǔ)能設(shè)備，如核電池、超大容量電池等都受到了科學(xué)家們的關(guān)注，并且正在不斷地進(jìn)行技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。
這些儲(chǔ)能技術(shù)各有特色，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)所，尤其是前4種儲(chǔ)能設(shè)備更是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)課題，它們?cè)诟髯缘膽?yīng)用領(lǐng)域中保持著一定的市場(chǎng)，除非科技發(fā)展到某天出現(xiàn)一種的新技術(shù)打破它們之間的平衡。
表1列出了這4種有巨大發(fā)展?jié)摿陀兄嫶笫袌?chǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備的一些主要性能指標(biāo)。
表1 儲(chǔ) 能 裝 置 性 能 比 較 對(duì)比特性 化學(xué)蓄電池 飛輪儲(chǔ)能裝置 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置 燃料電池
儲(chǔ)能方式 化學(xué)方式 機(jī)械方式 電磁方式 化學(xué)方式
使用壽命 3～5年 20年以上 約20年 10年以上
對(duì)環(huán)境影響 污染，需要回收 幾乎無污染 幾乎無污染 污染極少
工作溫度 有要求 要求低 嚴(yán)格控制溫度 有要求
相對(duì)尺寸 最大 最小 較小 較大
價(jià)格 最低 高 較高（不定） 較低（不定）
儲(chǔ)能密度 小 大 大 大
維護(hù)周期 半年以內(nèi) 10年以上 經(jīng)常維護(hù) 經(jīng)常維護(hù)
4 飛輪儲(chǔ)能裝置的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及目前的應(yīng)用情況和展望
飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度很大，由于使用的材料越來越先進(jìn)，現(xiàn)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)目前不斷應(yīng)用于衛(wèi)星裝置和太空空間站的太陽能儲(chǔ)能電池中作為它們的能量供應(yīng)中心來使用，同時(shí)飛輪還可以用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制中。
隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在汽車行業(yè)中，正在尋找一種無污染或污染小的能量供給方式。飛輪技術(shù)由于是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，不會(huì)造成污染，而逐漸走進(jìn)汽車制造商們的視野。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。飛輪電池的充電放電次數(shù)很多而且充電速度很快，所以更適合應(yīng)用于混合能量汽車技術(shù)中。這種汽車是靠?jī)?nèi)燃機(jī)和電機(jī)兩種方式共同提供推動(dòng)力的，在汽車正常行駛和制動(dòng)的時(shí)候給飛輪電池充電，汽車爬坡和加速，需要功率大的時(shí)候讓飛輪電池放電，這樣可以大幅度提高汽車的性能。在鐵路系統(tǒng)中也注意到了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的這一特點(diǎn)，而對(duì)相關(guān)方面的應(yīng)用已開始進(jìn)行了研究和嘗試。
目前，美國(guó)已經(jīng)開始在軍用設(shè)備上嘗試使用飛輪裝置，尤其是大型混能牽引機(jī)車上。由于飛輪的快速充放電和獨(dú)立而且穩(wěn)定的能量輸出，當(dāng)設(shè)備需要能量突然增加或者在能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要平穩(wěn)過渡的時(shí)候，經(jīng)常考慮到使用飛輪技術(shù)。
隨著材料學(xué)和磁懸浮軸承技術(shù)的不斷發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度越來越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時(shí)候，是機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化，所以飛輪的壽命和放電的深度沒有關(guān)系，這樣飛輪可以應(yīng)用的放電深度范圍非常寬，特別適用于放電深度不規(guī)則的場(chǎng)合。在飛輪儲(chǔ)能裝置中，決定輸入輸出能量的是外接的電力電子裝置，而與外部的負(fù)載沒有關(guān)系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來控制飛輪的充電，這種特點(diǎn)在化學(xué)電池中實(shí)現(xiàn)起來要困難得多。再加上飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電速度可以非?？?，所有這些特點(diǎn)使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。
近年來，在許多外接負(fù)載為脈沖式負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)所中，飛輪技術(shù)的應(yīng)用研究正在逐漸增加，而且逐漸成熟。在混合能量供應(yīng)系統(tǒng)中，使用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)可以使能量轉(zhuǎn)換得到平穩(wěn)過渡，而且使動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上不用按照最大功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究人員在飛輪技術(shù)上的關(guān)注也在逐漸增加，相信不久的將來，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用一定會(huì)更加廣泛。
5 結(jié)語
作為一門新興的高科技儲(chǔ)能技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能裝置擁有傳統(tǒng)化學(xué)電池?zé)o可比擬的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被人們所認(rèn)同，它的理論論證已經(jīng)比較成熟，而且它的技術(shù)特點(diǎn)非常符合未來能源儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展方向。目前，飛輪技術(shù)已經(jīng)不斷地應(yīng)用于航天航空設(shè)備和其它的一些領(lǐng)域中，而且人們也正在不斷地開發(fā)飛輪儲(chǔ)能裝置更多的應(yīng)用領(lǐng)域，飛輪儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用正在向我們的日常生活走來，可以預(yù)測(cè)，未來幾年的儲(chǔ)能裝置市場(chǎng)將會(huì)有很大一部分為飛輪儲(chǔ)能裝置所占領(lǐng)。
