2004/09/05
經濟部能源局
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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