飛輪電池系統(flywheel energy system，簡稱FES)，是把飛輪(又稱加速轉子)加速，在高速旋轉的情況下，將能量以旋轉動能的形式儲存。當要釋放能量，也就是將此旋轉動能轉換成電能時，根據能量守恆原理，飛輪速度會逐漸地變慢；反之，在儲存能量時，飛輪速度將會加快。

大部分的飛輪電池，其實是使用電能來控制加速或減速，容易和一些使用機械或慣性方式的電池混淆，而利用機械能的設備目前則仍在開發中。飛輪電池的形態如附圖所示，傳統的飛輪電池包含一個真空腔體，內部有軸承來支撐轉子，以減少摩擦，轉子各聯結一個電動機與一個發電機，而成為一個系統。

 

 
飛輪電池究竟是如何運作的呢? 首先，從外部輸入電能，驅動電動機旋轉，電動機再帶動飛輪(如附圖中的柱型轉子)旋轉，旋轉的飛輪相當於已將能量以動能的型態儲存起來，而動能則為機械能的一種。當外部負載需要用到能量時，再利用飛輪帶動發電機旋轉，可將動能轉化，還原為電能，並依照外部負載所需的頻率、電壓來轉變，以滿足不同的需求。由於輸入、輸出並不會同時進行，在設計上通常只需利用一台電機(電動機及發電機合稱為電機)，即可實現電動機(亦即輸入部分)和發電機(亦即輸出部分)的功能，而輸入輸出變換器也可合併成一個，如此便可以大大減少系統的大小和重量。影響飛輪效率的主要因素有兩個，分別是轉子的材料與轉子的形狀，第一代飛輪是使用大型鋼製飛輪配合機械軸承，而新一代飛輪的轉子則是使用碳纖維複合材料，以達到更高的抗拉強度及較輕的重量，並且使用磁浮軸承取代機械軸承，以減少摩擦。

與其他儲存電能的方式比較，飛輪電池的生命週期長了數倍，二十年才需要一些小保養，其壽命約10⁵到10⁷轉，且擁有較大的能量密度，約100-130 W-hr/kg，而能量轉換效率也極高，最高可達到90%以上。另外，飛輪電池容量大小約3~133 KW-hr，若使用快速充電裝置，在15分鐘內即可充電完畢。傳統的飛輪系統在兩個小時內可能會損失20~50%的能量，而使用磁浮軸承搭配碳纖維轉子的話，則可維持97%的機械效率(電能轉動能)與85%的往返效率(電能轉動能，再從動能轉電能的能源轉換效率)。

 

 
飛輪電池目前正朝著各種方向進行測試，其應用層面主要有三個，首先在太空發展方面，飛輪電池充一次電可提供的功率，是相同重量化學電池的2倍，而在負載相同的情形下，使用時間則是化學電池的3~10倍。更方便的是，飛輪電池的轉速是可測可控的，也就是說，隨時可以查看電量。因此，美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯合在一起預計可提供超過150KW的功率。

在交通工具方面，則可應用在火車和汽車上。因飛輪電池充電快、放電完全，只要是採用內燃機和電機混合推動的車輛，皆適合以飛輪電池替代。當車輛在正常行駛和剎車時，可將飛輪電池充電；在加速或爬坡時，則可提供車輛動力，讓車輛在平穩的速度、最佳的狀態下運行，可大量減少燃料消耗、空氣和噪音污染。富豪汽車(Volvo)在2013年發表汽車用飛輪電池，20公分長、6公斤重的飛輪電池，提供了80匹馬力，與在5.5秒將一台滿載的車輛時速加速至100 Km/hr的加速性能，並節省了25%的汽油。而在火車方面，德國西門子公司也已研製出長1.5m、寬0.75m的飛輪電池，可輸出3MW的功率，同時，在剎車時可儲存30%的能量。

 

 
而在不斷電系統方面，由於飛輪電池可以提供穩定可靠的電源，時間由幾秒鐘到幾分鐘，這段時間足已保證工廠安心進行電源切換。德國公司製造了一種使用飛輪電池的不斷電系統(Uninterruptible Power Supply，簡稱UPS)，在5秒內可提供或吸收5MW的電力。此外，也有人在研究利用飛輪電池做為脈衝電磁軌道砲的供應電源。

飛輪電池做為新興的能源技術，因其優異的壽命與維護的便利性，逐漸落實於日常生活中，但它最適合應用的領域，其實是在於不方便更換電池，或是電池維護費用龐大的地方，如外太空、汽車及火車等等。而飛輪電池若要商業化，其規模需耗資匪淺，目前各種應用發展還是以國外居多，台灣主要還是以發展風力、燃料電池以及化學蓄電池為主，這也是政府所發展綠色能源的主要施政方向，不過，也有台灣廠商針對將飛輪電池應用於UPS系統進行討論，只是離商業化應仍有段距離。雖然飛輪電池目前仍處在發展階段，但可以預見的是，隨著石化工業的落幕，類似飛輪電池的各種能量轉換裝置，將會大放異彩。(撰稿團隊另製有小動畫呈現於延伸閱讀中，歡迎點閱連結！)（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播：遇見無所不在的生活科學｣執行團隊撰稿

 

責任編輯：張尹貞
審校：張惠博