彭明燦、吳家麟／工研院機械所；徐銘鍇／工研院材化所
在節能減碳的趨勢下，再生能源發電的比重越來越高，電力系統亦產生結構性的變化，原本中央化發電慢慢導向區域化發電，區域性發電主要用於滿足自有的電力需求，也因此使能源儲能系統成為不可或缺的一環。由於各國積極導入更嚴苛的車輛排放標準，電動車的數量持續成長，巨大的充電能源需求將使電能的傳輸電網和創能面臨嚴峻的挑戰。本文將介紹導入飛輪儲能系統，並和各種電池搭配應用，以提升充電速度及充電功率。工研院高速飛輪可提供快速充放電，使充電時間可以大幅減少，和電網或電池搭配應用時，可以提高充電站的等效輸出功率。
【內文精選】
飛輪儲能技術與應用概況
以飛輪作為動能儲存的方法已行之有年，但近年由於科技的進步，尤其在材料、軸承及功率電子方面，現代儲能飛輪(Energy Storage Flywheel)的性能也大幅精進，在有些應用上甚至完全可以取代其他的儲能裝置。現在功率電子模組，特別是Insulated-gate Bipolar Transistors (IGBTs)、Field-effect Transistors (FETs)的技術提升，使高功率電能轉換的電子模組得以有和飛輪轉子相似的體積，讓飛輪得以在高功率模式下運作。電流控制器精度和品質的提升也使飛輪得以於高速區域操作，而不致受限於高頻諧波的製熱電流現象。
飛輪儲能量之範圍於1 MJ到500 MJ，功率由數kW到數GW。最常見為飛輪於突波式功率應用，例如，10秒內數百kW的電能輸出，並具有高頻電能輸出、輸入模式間切換功能。也有15秒等級的不斷電系統，使用端可於這時段內轉換至其他的電供應源以進行正常運作。另外，也有可應用於數十分鐘等級的虛功調節、電壓調節及提供旋轉備轉容量。由於飛輪儲能的高頻切換功能，很適合用於風能或太陽能系統。
技術特色與創新
最早的飛輪是用鋼製碟盤型轉子，但能量密度不高。其後有使用複合材料轉子的碟盤型結構飛輪被提出，雖有較高的能量密度，但仍使得其質量受限於結構和穩定性。飛輪的儲能量取決於轉子的慣量和最高轉速，其單位重量的能量密度Esp 可由公式Esp = Ksσm /ρ 描述，其中Ks 為幾何因子、σm 為抗拉強度、ρ為材料密度。當幾何因子固定時，設計目標是增加σm和降低ρ。由於離心力為mω2r，若能將抗拉強度大的材料置放於離軸心較遠之處，則可增加抗離心力的抗拉強度，若進一步輕量化則可提高Esp。不同飛輪轉子材料具有不同性能：高強度鋼材(AlSi-4340)的σm /ρ 比值為63.5，碳纖(T1000G)的σm /ρ 比值為563，未來若使用奈米碳管來製造飛輪轉子，其σm /ρ 比值較T1000G碳纖更達10~100倍以上。圖二為工研院所開發的高速飛輪轉子，主要應用碳纖複材(T700、T800)，其中以多層T800進行高壓緊配的碳纖轉子得以操作至85,000 rpm以上。
圖二、工研院開發具碳纖纏繞之高速飛輪製造
商業化應用與市場機會—電動車充電之應用潛力
可以預見電動車的使用率將越來越高，在台灣的電動車充電站，往往可以見到充電排隊的車潮(如圖五)，而未來大幅增加的電動車勢必對目前的充電生態產生巨大的衝擊。目前的對應方案，在無法輕易擴大電網載量的情形下，利用儲能系統提供充電大量電力，以及將充電的活動區域化、分散化是必然趨勢。本文將介紹以飛輪充電系統(如圖六)，可以在公共充電站、住家社區、甚至自家車庫提供更便利的充電服務。在整合再生能源至充電站時，飛輪可以進一步提供高功率及高頻率的能量轉換，使電池可以進行較穩定、較長期的電能儲存。目前充電站的充電功率視場域有若干等級，本文以下列實施例來說明飛輪家用和公共充電應用的優點。
工研院高速飛輪提供快速充放電，使充電時間可以大幅減少，和電網或電池搭配應用時，可以提高充電站的等效輸出功率。更甚者，具有飛輪的充電站得以輕易吸收再生能源，而不必擔心不穩定的再生能源對於電池效能或電網穩定性的破壞。高速飛輪的小型化使飛輪在很多應用場合成為可能，而不再受限於過去龐大的體積。在相同儲能量的條件下，工研院的技術將 …以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六、飛輪充電系統示意圖。飛輪由電網蓄能後再提供大功率電力給電動車的充電椿
★本文節錄自《工業材料雜誌》419期，更多資料請見下方附檔。