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機械儲能–飛輪電池的誕生
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
 
 
 
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)
 
延伸閱讀
1.飛輪電池,模擬小動畫:https://drive.google.com/file/d/0B-LpMFcwJLIzLTEycXBRUDBhYmxqZWlyajNISm8tM2ZHMTJr/view
2.NASA 360 Flywheel Energy Storage:https://youtu.be/mz_7UF4KQpk
3.Flywheel energy storage:https://goo.gl/7HXoj9
 
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責任編輯:張尹貞
審校:張惠博

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