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轉動的奇蹟——飛輪儲能技術簡介

2004/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 935

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▓撰文:王耀諄
▓圖片提供:王耀諄

飛輪儲能技術是藉由旋轉運動將能量以動能形式儲存的方法,這種方法雖然早已為人所知,但是受限於材料、軸承、能量轉換等技術,在發展上卻不如預期。然而隨著科技的進步,這項技術漸露頭角,很可能一躍成為儲能技術的明日之星。

能量儲存的需求在日常生活中隨處可見,保溫杯、熱水瓶就是儲存熱能的常用物品。把熱能儲存起來,在需要熱水的時候就不必再浪費燃料加熱,既節省能源又節省時間,可見把能量「儲存起來」是多麼有用的主意。

電能的儲存與應用

在所有常用的能量型態之中,電能的儲存比較困難。如果能有效的儲存電能,電力公司就可以在離峰時把多餘的電能儲存,或是用低成本機組發電儲存,在尖峰用電時再把它釋放出來,如此就不必蓋太多的尖載機組來供應短時間的尖峰需求。

小規模的電能可以利用蓄電池來儲存,目前大規模的電能只能使用「抽蓄水力」,利用兩個水池的水位落差來儲存能量。蓄電池雖然能夠儲電,但是目前蓄電池有很多缺點,包括充電速度慢、重量太重、易污染環境、使用壽命短等,最重要的是它的儲能密度不大,儲存少量的電能卻要耗用相當的體積與重量,所以使用蓄電池的電動汽機車,充電一次所能行駛的距離都受到很大的限制。

除了蓄電池與抽蓄水力,電能還可以利用超導體來儲存。超導體可以在沒有電阻的情況下通過大量的電流,把電能轉變為磁能儲存在磁場中。另外,把空氣壓縮到廢棄的岩洞或礦坑,也是儲存能量的方法之一。某些再生能源如風力、太陽能、波浪及潮汐發電等,電能的產生是間歇且不連續的,把所產生的電能用來電解水,產生氫氣與氧氣儲存起來,再運送到燃料電池的發電廠做為燃料,這種利用電解水為氫氣與氧氣的方法,是再生能源常用的電能儲存技術。

飛輪儲能的原理

本文探討的飛輪儲能技術,則是以動能的方式把電能儲存起來,因此又可稱為「動能電池」,其儲能密度高、功率大、效率高(80~90%)、壽命長、無污染,是一項相當吸引人的設計。飛輪系統在充電時,電流流經馬達驅動飛輪增加速度,藉由飛輪旋轉運動,將能量以動能(旋轉)的形式儲存電力,如下圖所示:

<插入圖1:飛輪系統充電運作情況>

在放電時,則經由飛輪的旋轉帶動發電機產生電流,輸出供給負載,如附圖所示:

<插入圖2:飛輪系統放電運作情況>

飛輪所儲存的能量和它的質量成正比,也和旋轉的速度平方成正比,所以只要不斷的提升飛輪的轉速,其所儲存的能量就能不斷的增加。但實際上,轉速提升時,飛輪所受到的應力也增加,所以最高的轉速就受限於飛輪材料所能承受的最大應力。另一方面,如果要長時間儲存能量,飛輪旋轉時軸承的摩擦損耗與空氣阻力,都會使飛輪的儲能性能減低。

技術現況與展望

進入21世紀的今天,材料科學的進展使飛輪技術有了突破,高強度碳纖維和玻璃纖維的出現,使飛輪的最高容許轉速大大提升,增加了單位質量的動能儲量。在軸承的技術方面,利用磁浮原理將飛輪以磁力承載,使飛輪的摩擦降到最低,並將飛輪置於真空容器之中,大幅降低了飛輪在高速旋轉時與空氣摩擦造成的損失,上述的改善措施使飛輪儲存的動能,即使經過很長時間也不會減少。而電能與動能之間的轉換,也因為電力電子技術的進步而變得更為容易,不論飛輪在何種轉速之下,都能順利的把旋轉動能變為頻率與電壓穩定的電能輸出。

飛輪儲能技術應用十分廣泛。在太空船與人造衛星方面,可同時做為儲能裝置與飛行姿態控制系統。在電力方面,可做為大功率短時間的電力暫存設備,減少電力用戶因為電壓驟降所帶來的電力品質問題。在交通運輸上,飛輪可做為電動汽車煞車時的能量回收儲能系統,也可以調節傳統汽車的引擎,不論在何種車速下都在最佳效率的轉速運轉。再生能源如風力與太陽能均有發電間歇不連續的情況,飛輪儲能技術可以使再生能源的供電能力減少波動。

<插入表1:飛輪與其他儲能系統之比較表>

比較飛輪、鉛酸電池與超導磁力儲能的各種特性,不論在壽命、價格、功率密度、儲能密度、環境影響等方面,飛輪儲能都有較優異的性能。相信在不久的將來,這項技術必然會在能源應用的領域大放異彩。(作者為雲林科技大學電機系主任)

<圖說> 圖1:飛輪系統充電時運作情況示意圖
圖2:飛輪系統放電時運作情況示意圖
表1:飛輪與其他儲能系統之比較表


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