電動(dòng)汽車(chē)的飛輪電池儲能技術(shù)

使用化學(xué)電池的電動(dòng)汽車(chē)目前已試驗過(guò)幾十年，但至今尚末進(jìn)入實(shí)用階段。太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮夕能、海浪能，都存在儲存問(wèn)題，目前主要靠化學(xué)電池，但受到化學(xué)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(wèn)題，促使人們尋求一種效率高、壽命長(cháng)、儲能多、使用方便，而且無(wú)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。

“飛輪”這一儲能元件，已被人們利用了數千年，從古老的紡車(chē)，到工業(yè)革命時(shí)的蒸汽機，以往主要是利用它的慣性來(lái)均衡轉速和闖過(guò)“死點(diǎn)”，由于它們的工作周期都很短，每旋轉一周時(shí)間不足一秒鐘，在這樣短的時(shí)間內，飛輪的能耗是可以忽略的?，F在想利用飛輪來(lái)均衡周期長(cháng)達12～24小時(shí)的能量，飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來(lái)自軸承摩擦和空氣阻力。人們曾通過(guò)改變軸承結構，如變滑動(dòng)軸承為滾動(dòng)軸承、液體動(dòng)壓軸承、氣體動(dòng)壓軸承等來(lái)減小軸承摩擦力，通過(guò)抽真空的辦法來(lái)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(mǎn)足高效儲能的要求。再一個(gè)問(wèn)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(gè)發(fā)電力為100萬(wàn)千瓦的電廠(chǎng)均衡發(fā)電，儲能輪需用鋼材150萬(wàn)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。

近年來(lái)，飛輪儲能技術(shù)取得突破性進(jìn)展是基于下述三項技術(shù)的飛速發(fā)展：一是高能永磁及高溫超導技術(shù)的出現；二是高強纖維復合材料的問(wèn)世；三是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。為進(jìn)一步減少軸承損耗，人們曾夢(mèng)想去掉軸承，用磁鐵將轉子懸浮起來(lái)，但試驗結果是一次次失敗。后來(lái)被一位英國學(xué)者從理論上闡明物體不可能被永磁全懸?。‥arnshaw定理），頗使試驗者心灰意冷。出乎意料的是物體全懸浮之夢(mèng)卻在超導技術(shù)中得以實(shí)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(gè)極對準超導體，并接近超導體時(shí)，超導體上便產(chǎn)生了感應電流。該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)剛好與永磁的磁場(chǎng)相反，于是二者便產(chǎn)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(chǎn)生抗力，干擾力消除后仍能回到原來(lái)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(chǎn)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(zhì)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(shí)，飛輪增速儲能，變電能為機械能；飛輪降速時(shí)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％。

質(zhì)量，v是速度。由于飛輪上各點(diǎn)的速度是不一樣的，所以它的動(dòng)能也可表達為：

式中∑是“求和”的表示，mi是輪上各點(diǎn)的質(zhì)量，vi是輪上各點(diǎn)的速度。由上式可知，飛輪儲能大小除與飛輪的質(zhì)量（重量）有關(guān)外，還與飛輪上各點(diǎn)的速度有關(guān)，而且是平方的關(guān)系。因此提高飛輪的速度（轉速）比增加質(zhì)量更有效。但飛輪的轉速受飛輪本身材料限制。轉速過(guò)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(xiàn)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(wèn)世，飛輪儲能才進(jìn)入實(shí)用階段。

下面介紹一下國外飛輪儲能的進(jìn)展情況。

1994年，美國阿貢（ANL）國家實(shí)驗室用碳纖維試制一個(gè)儲能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為 11千克，采用超導磁懸浮，飛輪線(xiàn)速度達1000米／秒。它儲的能量可將10個(gè)100瓦燈泡點(diǎn)燃2～5小時(shí)。該實(shí)驗室目前正在開(kāi)發(fā)儲能為50千瓦小時(shí)的儲能輪，最終目標是使其儲能達5000千瓦小時(shí)的儲能飛輪。一個(gè)發(fā)電功率為100萬(wàn)千瓦的電廠(chǎng)，約需這樣的儲能輪200個(gè)。

1992年美國飛輪系統公司（AFS）開(kāi)發(fā)了一種用于汽車(chē)上的機-電電池（EMB），每個(gè)“電池”長(cháng)18厘米，直徑23厘米，質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個(gè)以20萬(wàn)轉／分旋轉的碳纖飛輪，每個(gè)電池儲能為1千瓦小時(shí)，它們將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車(chē)上，能使該車(chē)以100千米／小時(shí)的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8 倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動(dòng)機的10倍，它可將該車(chē)在8秒鐘內由靜止加速至100千米／小時(shí)。

日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設計了一個(gè)引發(fā)可控熱核聚變的裝置，如圖2所示。該裝置的飛輪直徑達6.45米，高1米，重255噸。它所儲存的能量與掛有150個(gè)車(chē)廂的列車(chē)以100千米／小時(shí)的速度行駛時(shí)所具有的能量相當。故將這些能量在極短時(shí)間釋放出來(lái)足以引發(fā)核聚變。