最有潛力的儲能裝置——飛輪電池

發佈日期: 2011 年 07 月 18 日 14:33 | 作者: | 分類: 綠能知識

飛輪儲能電池的概念起源於上世紀70年代早期,最初只是想將其應用在電動汽車上,但限於當時的技術水準,並沒有得到發展。直到上世紀90年代由於電路拓撲思想的發展,碳纖維材料的廣泛應用,以及全世界範圍對污染的重視,這種新型電池又得到了高速發展,並且伴隨著磁軸承技術的發展,這種電池顯示出更加廣闊的應用前景,現正迅速地從實驗室走向社會。現在歐美國家已出現實用化產品,而我國在這方面的研究才剛剛起步。

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動能;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,飛輪電池比能呈可達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製的飛輪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,由到96km/h加速時間為6.5秒。

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,主要表現在如下幾個方面:

(1)能量密度高:儲能密度可達100~200 wh/kg,功率密度可達5 000~lO 000 w/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:飛輪直徑約二十多釐米,總重在十幾千克左右。

(4)工作溫度範圍寬:對環境溫度沒有嚴格要求。

(5)使用壽命長:不受重複深度放電影響,能夠迴圈幾百萬次運行,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,系統維護週期長。

還有它的充電速度可以很快,幾分鐘到十幾分鐘即可。

飛輪電池的應用場合及現狀

由於技術和材料價格的限制,飛輪電池的價格相對較高,在小型場合還無法體現其優勢。但在下列一些需大型儲能裝置的場合,使用化學電池的價格也非常昂貴,飛輪電池已得到逐步應用。

1、太空

包括人造衛星、飛船、空間站,飛輪電池一次充電可以提供同重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,因為它的轉速是可測可控的,故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池,聯合在一起可提供超過150KW的電能。據估計相比化學電池,可節約200萬美元左右。

2、交通運輸

包括火車和汽車,這種車輛採用內燃機和電機混合推動,飛輪電池充電快,放電完全,非常適合應用於混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和刹車制動時,給飛輪電池充電,飛輪電池則在加速或爬坡時,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,空氣和雜訊污染,發動機的維護,延長發動機的壽命。美國TEXAS大學已研製出一汽車用飛輪電池,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。在火車方面,德國西門子公司已研製出長1.5m,寬0.75m的飛輪電池,可提供3MW的功率,同時,可儲存30%的刹車能。

3、不間斷電源

飛輪電池可提供高可靠的穩定電源,可提供幾秒到幾分鐘的電能,這段時間足已保證工廠進行電源切換。德國GmbH 公司製造了一種使用飛輪電池的UPS,在5s內可提供或吸收5MW的電能。

4、軍用戰鬥車輛

美國國防部預測未來的戰鬥車輛在通信、武器和防護系統等方面都廣泛需要電能,飛輪電池由於其快速的充放電,獨立而穩定的能量輸出,重量輕,能使車輛工作處於最優狀態,減少車輛的雜訊(戰鬥中非常重要),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。

作為一種新興的儲能方式,飛輪電池所擁有傳統化學電池無法比擬的優點已被人們廣泛認同,它非常符合未來儲能技術的發展方向。目前,飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外,也正在向小型化、低廉化的方向發展。現在,最可能出現的是手機電池。可以預見,伴隨著技術和材料學的進步,飛輪電池將在未來的各行各業中發揮重要的作用。

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