用于能量储存的大型飞轮制造技术

用于能量储存的飞轮，包括转子、壳体外罩、通过将电能转换成旋转转子中储存的动能来加充能量的装置和通过将旋转转子中储存的动能转换成电能来释放能量的装置，特点在于转子为竖直定向，转子具有超过5000kg的质量，转子包括中央竖直轴，径向轴承布置在竖直轴的上端，轴向‑径向液压轴承或单独的轴向轴承和径向轴承布置在竖直轴的下端。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于能量储存的大型飞轮专利
本专利技术涉及能量储存器(energystorages)。更具体地，本专利技术涉及一种以旋转动能的形式储存能量的储存器、一种用于储存和提取能量的系统、一种用于建造其的方法、一种用于操作它和更换磨损零件的方法以及该储存器的整体使用。该储存器的主要部件包括转子、用于转子的支撑系统、用于输入和输出电力的电动马达和发电机、以及提供低摩擦支撑并能够进行系统的建造、操作和维修的液压系统。所有这些都包含在室内，该室的压力和整体气体状态是受控的。专利技术背景和现有技术飞轮式能量储存器可用于稳定电力系统的频率和电流，用于储存来自这种系统的能量，并根据需要输送回电力。飞轮的机械结构已为人所知数百年，这种设备被广泛用于机械稳定系统，如机器、陀螺仪以及用于储存动能。对于能量储存，快速积累和分配能量的能力本身就是一种被需要的特性。另外，飞轮系统还可以包括电力输入，该电力输入通过电动马达被转化成机械输入，从而增加了储存的能量。类似地，该系统可以包括发电机，用于将电力输出传递给需要的应用。此外，当与电网集成时，该储存器还可以用于稳定这种电网系统中的频率和电压，并桥接突然的电力间隙。存在一系列与飞轮能量储存器相关的挑战。首先，由于转子和支撑系统之间的摩擦以及从转子到周围大气的摩擦，存在不可避免的能量损失。因此，转子的支撑状况代表来自摩擦的能量损失方面的一个关键设计要素。另一个普遍的问题是质量分布的缺陷和几何错位，这反过来会导致振动和机械磨损。这种不需要的表现通常被称为“晃动”。另一个问题是由高离心力引起的安全问题，高离心力会导致转子以爆炸的方式失效，从而释放大量的动态旋转能量和静态弹性能量。由于转子故障的风险，飞轮通常包含在非常坚固的封闭外壳结构中。飞轮中的转子通常具有围绕强旋转轴线(strongrotaryaxis)建造的轴对称几何形状的质量体。储存在这种物体中的动能由下式定义这里，ek是单位体积的动能，ω是角速度，ρ是质量密度，V表示旋转体的总体积。在最简单的情况下，这可能是一个围绕中央轴线旋转的均匀圆柱体。储存在这种具有外半径Re和高度H的圆柱体中的能量可以由下式表示：从这个等式可以得知，物体半径和角频率是关于储存的能量的决定性因素。此外，当能量除以总质量时，将得到每单位质量的平均能量含量(Nm/kg＝Ws/kg)：当考虑能量含量时，考虑旋转体承受的应力量也是至关重要的。作用在旋转质量体上的离心力由下式给出其中t表示时间，θ是旋转角度。最强体积力出现在最大半径Re处。机械上，离心体积力必须通过径向应力σr和圆周(环向)应力σθ的组合来抵消。可以建立一个微分方程，其根据具体的材料和设计，可以通过解析解法或数值解法技术来求解。这里，只要指出旋转体的外纤维在应力方面是最关键的就足够了，因为径向应力边界条件是σr＝0，并且体积力必须仅由圆周应力获得，圆周应力由下式给出σθ＝fcRe＝ρω2Re2(5)当将该等式与等式(3)结合时，可以看出能量密度受外纤维应力σθ的容许应力σa除以质量密度ρ的控制。可以说，这一特殊等式构成了迄今为止飞轮发展的基础，飞轮的发展主要是寻求一种具有与重量相关的最高可能强度σa的材料强度，以获得最高可能的能量密度。k是与旋转体形式相关的校正因子。从方程(3)和(5)看得出，对于密实圆柱体(compactcylinder)而言k是1/4。由于飞轮的原理是众所周知的，很明显，大多数与飞轮有关的专利都集中在解决飞轮技术中特定的、有问题的零件，如上所述。例如，这可能与减少摩擦量的新型支撑系统有关。属于这一类的技术近年来已经发展到能够使转子在强磁场中“悬浮”。此外，已经进行了大量的研究和努力来开发具有极高抗拉强度的材料；这方面的代表性发展是使用高强度碳纤维、石墨烯和纳米管。不用说，储存在飞轮中的总能量也是角频率的平方的函数，如方程(3)所示，因此隐含的目标是能够以极高的角速度(频率)旋转。不幸的是，由具有极高强度特性的材料制成的高速飞轮相应地往往非常昂贵。在电网环境中实施飞轮储存器有几个例子。世界上最大的飞轮装置位于美国的斯蒂芬森镇(Stephenstown,)，在那里，BeaconEnergy公司生产的由200个飞轮组成的“电池”可以根据即时需求输送20MW的电力。该飞轮装置和其他飞轮装置的主要目的是提供频率和功率调节；因此，它们的性能主要是根据效果(W)来评定而不是根据储存的能量。每个单元都有密封在真空室中且在每分钟8000到16000转(rpm)之间旋转的高性能转子组件。在这样的速度下，真空对于减少摩擦是绝对必要的。为了进一步降低损耗，采用永磁体和电磁轴承组合使转子悬浮。在16,000rpm(ω＝1700弧度每秒)时，每个飞轮原则上可以储存和提供25kWh的可提取能量。这意味着从电网规模的能量环境来看，这种系统的总能量储存容量相当有限。最近已经部署了一些电池和机械飞轮的组合式“混合”型装置。从目前的技术水平来看似乎很明确的是，飞轮技术还没有发展到可以完全用作大规模能量储存器的阶段。到目前为止商业装置所遵循的路线是，基于高能量密度和高性能材料的概念运行一系列相当小的飞轮，而不是单个大型飞轮。对此的一个例外是在加拿大安大略省运行的一种相对较大的并网飞轮。在这种情况下，转子为水平安装并由密实的高强度钢组成。额定功率为2MW，而在这种情况下，主要功能也是频率调节，而不是从储存器提供能量储存。电力通过电动马达传递给转子，电动马达在放电过程中也用作发电机。与飞轮相关的专利和专利申请的例子有EP1446860“Flywheelenergystoragesystems(飞轮能量储存系统)”，其中飞轮和马达/发电机系统的组合被设计成最小化轴承负荷，从而增加系统寿命、可靠性和安全性。US20110298293专利“Flywheelenergysystem(飞轮能量系统)”重点在磁性轴承组件，该磁性轴承组件承载一部分转子重量，从而支撑相当大部分的飞轮重量。在US8134264“Largecapacityhollow-typeflywheelenergystoragedevice(大容量中空型飞轮能量储存设备)”中，目标是通过可与飞轮一起旋转的设置在真空室中的中空轴来减少摩擦。专利CN201543648“Energystoragelargeflywheeldevice(能量储存大型飞轮设备)”涉及飞轮的用于稳定无缝钢管生产的特定用途，因此不具体涉及飞轮能量储存的用途。专利CN103066741“Hundred-megawattlevelheavytypeflywheelenergystoragesystembasedongasmagneticfluidfloatcylindersuspension(基于气磁液浮筒悬浮的百兆瓦级的重型飞轮能量储存系统)”描述了一种带有流体悬浮筒的飞轮，该飞轮基于气垫、磁悬浮和流体浮筒的组合而悬浮。该专利声称具有100MW性能的可能性，该性能是效果的量度而不是储存的能量，并且转子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于能量储存的飞轮，包括转子、壳体外罩、通过将电能转换成旋转转子中储存的动能来加充能量的装置和通过将旋转转子中储存的动能转换成电能来释放能量的装置，/n其特征在于，/n所述转子为竖直定向的，/n所述转子具有超过5000千克的质量，/n所述转子包括中央竖直轴，/n径向轴承布置在所述竖直轴的上端，/n轴向-径向轴承或单独的轴向轴承和径向轴承布置在所述竖直轴的下端，所述轴向-径向轴承包括填充有液压流体的圆柱形室，所述圆柱形轴的所述端部装配到所述圆柱形室中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于能量储存的飞轮，包括转子、壳体外罩、通过将电能转换成旋转转子中储存的动能来加充能量的装置和通过将旋转转子中储存的动能转换成电能来释放能量的装置，
其特征在于，
所述转子为竖直定向的，
所述转子具有超过5000千克的质量，
所述转子包括中央竖直轴，
径向轴承布置在所述竖直轴的上端，
轴向-径向轴承或单独的轴向轴承和径向轴承布置在所述竖直轴的下端，所述轴向-径向轴承包括填充有液压流体的圆柱形室，所述圆柱形轴的所述端部装配到所述圆柱形室中。


2.根据权利要求1所述的飞轮，包括布置到所述转子的下端的液压轴向-径向轴承，其中所述轴承包括活塞筒体，所述转子的所述下端装配到所述活塞筒体中，或者所述转子的所述下端包括装配到支撑轴上的反向活塞室，所述轴承包括液压流体和对所述轴和所述轴承之间的密封容积内的液压流体加压的装置，其中由加压的所述液压流体支撑所述转子的重量。


3.根据权利要求1或2所述的飞轮，其中，所述转子的中间部分包括复合结构，所述复合结构包括同轴的外壳筒体和钢制径向铠装件以及位于之间的填料材料，所述筒体和所述铠装件优选地由钢制成，所述填料优选地为已经浇注到圆柱形转子结构中并在圆柱形转子结构中硬化的硬化混凝土。


4.根据权利要求1、2或3所述的飞轮，其中，所述转子包括一系列通道，所述一系列通道用于为了平衡所述转子的旋转进行可能的质量调节目的。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的飞轮，包括：
所述转子的中间部分，所述中间部分从所述轴径向向外延伸，所述中间部分在下侧包括面向下的肩部，以及
底座，所述底座在所述壳体外罩内，适于以搁置方式接纳所述转子，其中所述转子的所述肩部被所述底座支撑。


6.根据权利要求2和5所述的飞轮，其中，所述液压轴向-径向轴承包括液压提升功能、液压流体膨胀箱和液压泵，用于将所述转子提升到运行模式位置或将所述转子降低到搁置模式。


7.根据权利要求1、2或6所述的飞轮，包括所述转子轴支撑轴承的半球形下端和在下面的支撑结构中的匹配的半球形凹面。


8.根据权利要求1所述的飞轮，包括适合于该目的的任何类型的一体式马达-发电机或联接式组合马达-发电机，或者单独的马达和单独的发电机。


9.根据权利要求1所述的飞轮，其中，所述转子包括永磁体或电磁设备。


10.根据权利要求1所述的飞轮，包括以下特征中的一个或任意操作组合下的更多个：
所述大尺寸转子具有大于5000kg的质量并能够被预组装或在现场被组装和完成；和
...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕尔·G·贝甘，
申请(专利权)人：贝甘技术股份公司，
类型：发明
国别省市：挪威;NO