铅酸电池在储能领域作为技术最成熟的电池,在成本方面有着显著优势。有没有一种新的电池技术在成本方面比它还实惠呢?答案是有的,那就是飞轮电池。飞轮电池因功率密度高、寿命长、环境特性友好等特点而备受关注。飞轮电池在运行时对环境要求低,不需要空调制冷。采用全悬浮的磁悬浮轴承完全可以做到飞轮电池15年免维护。以铅酸电池为例,假设1000元/kW·h计算,目前铅酸免维护电池质保期为一年,以10年为一个阶段看,如果飞轮电池成本控制在2000元/kW·h就很有优势,它不仅价格相对低,而且运行成本低。在对飞轮电池各部件的成本分析中,作者认为磁悬浮轴承的降低空间最大。目前磁悬浮轴承主要分3种:主动磁悬浮轴承、被动磁悬浮轴承和混合磁悬浮轴承。对于飞轮储能系统来说,主动磁悬浮轴承的转子径向涡流损耗是转子长时间全悬浮运行的致命伤,由于转子处在真空、非机械接触的环境下,无法有效散热,随着时间的累积即使发热量很小最终都将使轴承损坏;被动磁悬浮轴承中全永磁磁悬浮轴承由于无法实现稳定的全悬浮而无法应用;超导磁悬浮系统由于系统的复杂和成本高昂而无法大规模发展;混合磁悬浮轴承中采用径向主动控制、轴向永磁铁悬浮的系统,因没有解决转子的涡流损耗和成本高等问题而缺少竞争力;只有采用径向永磁铁悬浮、轴向电磁铁主动控制的方案才能解决成本高和转子涡流损耗的问题。它将主动磁悬浮轴承中制造成本高、功率消耗大的径向控制部分用永磁铁实现,而轴向控制部分用结构简单的电磁铁实现。由于径向相互作用的都是永磁铁,在轴承转子旋转方向上不存在交变磁场,不会产生感应电流,因此就没有涡流损耗;而轴向是恒定磁场也没有涡流损耗,这样就将转子的发热降到了最低,从而有了和化学能电池类似的长时间不间断运行的可能。这种磁悬浮轴承只用一个霍尔传感器,一块24V电磁铁就将一个直径380mm、重7kg的转子全悬浮起来,而电源只提供了24V×0.3A的功率,可以满足成本较低且自身功耗低的要求。这种轴承还有一个更吸引人的地方:在对3种不同尺寸、不同质量的同类磁悬浮轴承的实验中发现,增加尺寸和质量时可以增加径向轴承的约束力,且功率消耗只是略有增加。尺寸和质量都是储存动能的关键,这就非常适合大规模储能的需要,为可再生能源的广泛应用提供有力支持。有人会说:"单纯用永磁铁实现径向悬浮约束力太小",然而径向约束力的大小要看应用的领域,在高速切削等机床加工领域,径向的控制力要求高,则必须用主动磁悬浮轴承,而飞轮储能领域对磁悬浮轴承的径向约束力要求就相当于高速电机空载旋转,没有外在的不平衡力,需要约束和平衡的只是在飞轮电池的充电和放电时,由定子电枢和转子相互作用产生的不平衡力。这个不平衡力的大小由电枢结构和定转子的对称性决定,只要工艺精度达到要求,永磁铁产生的径向约束力足以满足实际应用中的需要。