電動汽車的飛輪電池儲能技術(shù)

使用化學(xué)電池的電動汽車目前已試驗(yàn)過幾十年，但至今尚末進(jìn)入實(shí)用階段。太陽能、風(fēng)能、潮夕能、海浪能，都存在儲存問題，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(yīng)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。

“飛輪”這一儲能元件，已被人們利用了數(shù)千年，從古老的紡車，到工業(yè)革命時的蒸汽機(jī)，以往主要是利用它的慣性來均衡轉(zhuǎn)速和闖過“死點(diǎn)”，由于它們的工作周期都很短，每旋轉(zhuǎn)一周時間不足一秒鐘，在這樣短的時間內(nèi)，飛輪的能耗是可以忽略的?，F(xiàn)在想利用飛輪來均衡周期長達(dá)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(jié)構(gòu)，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(shù)已小到10-3。即使如此微小，飛輪所儲的能量在一天之內(nèi)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(guī)的飛輪是由鋼（或鑄鐵）制成的，儲能有限。例如，欲使一個發(fā)電力為100萬千瓦的電廠均衡發(fā)電，儲能輪需用鋼材150萬噸！另外要完成電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，還需要一套復(fù)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(yīng)用。

近年來，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(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)；二是高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的問世；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，人們曾夢想去掉軸承，用磁鐵將轉(zhuǎn)子懸浮起來，但試驗(yàn)結(jié)果是一次次失敗。后來被一位英國學(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(yàn)者心灰意冷。出乎意料的是物體全懸浮之夢卻在超導(dǎo)技術(shù)中得以實(shí)現(xiàn)，真像是大自然對探索者的慰藉。

超導(dǎo)磁懸浮原理是這樣的：當(dāng)我們將一塊永磁體的一個極對準(zhǔn)超導(dǎo)體，并接近超導(dǎo)體時，超導(dǎo)體上便產(chǎn)生了感應(yīng)電流。該電流產(chǎn)生的磁場剛好與永磁的磁場相反，于是二者便產(chǎn)生了斥力。由于超導(dǎo)體的電阻為零，感生電流強(qiáng)度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導(dǎo)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位置，從而形成穩(wěn)定的磁懸浮。若將下面的超導(dǎo)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(wěn)定的。

利用超導(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)給電機(jī)充電時，飛輪增速儲能，變電能為機(jī)械能；飛輪降速時放能，變機(jī)械能為電能。圖1是儲能飛輪裝置的示意圖，圖中超導(dǎo)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，所以它的動能也可表達(dá)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(zhuǎn)速）比增加質(zhì)量更有效。但飛輪的轉(zhuǎn)速受飛輪本身材料限制。轉(zhuǎn)速過高，飛輪可能被強(qiáng)大的離心力撕裂。故采用高強(qiáng)度、低密度的高強(qiáng)復(fù)合纖維飛輪，能儲存更多的能量。目前選用的碳纖維復(fù)合材料，其輪緣線速度可達(dá)1000米／秒，比子彈速度還要高。正是由于高強(qiáng)復(fù)合材料的問世，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(yàn)室用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為 11千克，采用超導(dǎo)磁懸浮，飛輪線速度達(dá)1000米／秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點(diǎn)燃2～5小時。該實(shí)驗(yàn)室目前正在開發(fā)儲能為50千瓦小時的儲能輪，最終目標(biāo)是使其儲能達(dá)5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。

1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了一種用于汽車上的機(jī)-電電池（EMB），每個“電池”長18厘米，直徑23厘米，質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉(zhuǎn)／分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個電池儲能為1千瓦小時，它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時的速度行駛480千米。機(jī)-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機(jī)-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)動機(jī)的10倍，它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米／小時。

日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設(shè)計了一個引發(fā)可控?zé)岷司圩兊难b置，如圖2所示。該裝置的飛輪直徑達(dá)6.45米，高1米，重255噸。它所儲存的能量與掛有150個車廂的列車以100千米／小時的速度行駛時所具有的能量相當(dāng)。故將這些能量在極短時間釋放出來足以引發(fā)核聚變。