飞轮储能装置制造方法及图纸

飞轮储能装置示例包括连续弯曲的纤维

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】飞轮储能装置
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求于2019年6月4日针对James B.Clegern提交的“Catenary Flywheel Kinetic Battery”，临时专利申请号为62/857,088的美国临时专利申请的优先权申请利益，在此通过引用将其全部内容并入本申请，如同在此完全阐述一样。

技术介绍

[0003]飞轮作为一种以旋转动能形式存在的储能装置已经有2000多年的历史了。在更大的形式因数(通常为10千瓦时或更高)下，它们可以提供储能系统(ESS)的核心，用于从多模块公用系统到单个单元住宅/商业系统的可再生和传统电网。真空封闭飞轮与超低摩擦磁性轴承相结合，特别适合每天需要频繁充电/放电循环的ESS应用，因为它们基本上没有磨损的零件。这些高循环ESS应用的示例包括支持可再生能源的间歇性、为电动汽车充电站供电以及稳定电网频率调节。然而，通常情况下，在这些应用中具有潜在用途的当前一代飞轮以相对较低的速度旋转，并由大量结构材料(如钢或复合纤维树脂层压层)制成。无论是在初始成本还是安装成本上，这些高质量飞轮通常因其能够存储的能量而成本高昂，并将应用限制在体积或质量不受限制的地方。
[0004]在检查飞轮的储能能力时，它们在很大程度上受到结构设计和结构材料选择的限制。结构设计规定了飞轮如何连接到旋转轴以传递扭矩，以及在何处放置结构质量以最大化旋转惯性矩。结构材料特性(即强度、密度、弹性、抗疲劳性等)根据结构设计决定飞轮的运行速度和寿命。例如，随着结构材料的每次演变，从石器时代、青铜时代、钢铁时代到现在的复合时代，飞轮结构材料性能的改善使得给定结构设计的转速更快。
[0005]飞轮动能储存(Ek)能力由标准方程式Ek＝1/2Iω^2决定，其中惯性矩(I)中的结构设计质量位置和飞轮转速(ω)是两个储能驱动因素。在两种储能驱动因素中，增加给定结构材料的结构质量和惯性矩(I)是实现更大储能的标准途径。这涉及到在给定结构材料达到最大速度后，为传统的圆盘、圆柱轮缘或环形轮缘结构飞轮设计增加厚度或高度。将复合材料用于传统的质量集中飞轮已在商业上得到证明，1250千克的单位可储存25千瓦时的能量。利用钢材料制造传统的质量集中飞轮在商业上得到了证明，2270千克的单位可储存50千瓦时的能量。就连传统的质量集中飞轮使用混凝土材料的情况也在商业上得到了证明，3000千克的单位可以储存10千瓦时的能量。
[0006]通过增加质量来增加飞轮储能有三个方面的挑战。首先，飞轮储能容量随着飞轮质量的增加而线性增加，从而导致制造、交付和安放高储能容量的大型飞轮的实际操作限制。其次，随着飞轮质量的增加，每个支撑飞轮子系统(即轴承、支撑结构和真空外壳体)也必须“放大”，以处理增加的质量，从而增加整个系统的质量和复杂性。第三，总体质量的增加和子系统的复杂性使储能增加成为重要的成本驱动因素，许多飞轮储能系统的定价远远超出了合理的投资回报时间范围。
[0007]第二个储能驱动因素将重点放在提高飞轮转速上，因为它将飞轮的储能能力提高了两倍。飞轮的两个开发领域可以提高速度：结构设计和更坚固的结构材料。使用更轻、更
坚固的复合材料代替较重的金属和玻璃纤维，已成为传统圆盘、圆柱轮缘或环形轮缘型传统结构质量飞轮设计的主流。20世纪70年代，利用树脂浸渍复合纤维材料的连续纤维缠绕的新制造技术的灵活性，对探索提高储能能力的新型结构飞轮设计进行了研究。这些新的结构设计有希望，但只增加了传统的环形轮缘质量飞轮设计。
附图说明
[0008]图1是飞轮储能装置示例的透视图；
[0009]图2是示例椭圆卵形飞轮的侧视图；
[0010]图3是示例椭圆卵形飞轮的横截面图，包括轴承子系统和传动子系统；
[0011]图4是右轴承子系统和变速箱子系统的详细横截面图；
[0012]图5是左轴承子系统的详细横截面图；
[0013]图6
‑
7是其他示例椭圆卵形飞轮的横截面图。
具体实施方式
[0014]公开了一种高速、紧凑的飞轮系统，其适于存储来自可再生和传统公用电力设施的多余能量，并在需要能量时分配能量。高速椭圆卵形飞轮示例包括复合材料壳体，该复合材料壳体由树脂浸渍复合纤维材料的螺旋缠绕带与提供压缩支撑的内部复合结构组合而成。在一个示例中，纤维缠绕复合材料壳体通过同心布置在轴的任一侧的成对结构法兰板耦合到旋转轴，其中多个复合材料壳体纤维带连接用于扭矩传递。飞轮壳体内部的大部分是中空的，以在最大允许壳体半径下最大化飞轮惯性矩质量。
[0015]飞轮卵形和椭圆曲率的形成是为了支持随着螺旋外缠绕的每根纤维半径的变化而变化的向心力。这允许两个平面的结构支撑，与等直径和相同结构材料的传统圆盘或圆柱形飞轮相比，可显著提高允许的尖端速度。椭圆飞轮结构的全复合性质提高了操作安全性，并允许在其最佳实施方案中最大限度地和一致地利用复合材料强度。
[0016]在一个示例中，椭圆卵形飞轮包括多组螺旋缠绕，每组螺旋缠绕具有均匀的宽度。每组螺旋缠绕有围绕壳体外表面和位于旋转轴两侧的轮毂延伸的层。在另一个示例中，每组螺旋缠绕具有以单向关系缠绕并封装在树脂基体中的接近连续的单端丝状材料。在另一个示例中，在旋转过程中，每组螺旋缠绕在每个缠绕的宽度上均匀受力。在另一个示例中，每组螺旋缠绕都有径向定向的分层复合材料壳体。在另一示例中，螺旋缠绕以相互重叠的关系布置在轮毂靠近旋转轴的位置处的部分上。
[0017]在一个示例中，径向定向螺旋缠绕的每一层最初角度约为5度，并逐步至约35度，以使缠绕层的质量累积远离旋转轴，从而增加飞轮的惯性矩。
[0018]在一个示例中，径向定向螺旋缠绕配置为在压缩应力下将拉伸尖端应力转移到靠近旋转轴的加厚结构上，从而最大化纤维缠绕复合材料层压层的有效强度。
[0019]椭圆卵形飞轮可具有连接到外部卵形壳体并为外部卵形壳体提供压缩支撑的集成内部结构。在一个示例中，内部结构由金属或接近连续的单端丝状材料形成，所述单端丝状材料以单向关系缠绕在多个层中并封装在树脂基体中。在另一个示例中，内部结构由金属复合层压层形成，该复合层压层以单向关系缠绕在多个层中，并粘合到外部卵形壳体的内层。与卵形壳体的外径相比，内部结构的最小内外比约为0.1。
[0020]在一个示例中，卵形壳体的内、外周面呈旋转椭圆形状。在一个示例中，卵形壳体螺旋缠绕层二次用于控制飞轮的惯性质量。
[0021]在一个示例中，增加或减少层将飞轮储能容量配置为通过多个缠绕层增加或减少。
[0022]椭圆卵形飞轮还可具有连接至最内层和最外层卵形壳体层的双凸台板，以将卵形壳体连接至轴，以实现共转和扭矩传递。通过将凸台板半径保持在椭圆卵形半径的15％以下，从不超过凸台板的结构强度，从而消除了传统飞轮结构的弱点。
[0023]本文描述的系统和方法具有若干能量存储优点。这些包括但不限于提供更有效地利用其结构质量的飞轮；提供在不发生结构故障的情况下提高飞轮转速的方法；提供能够适应其负载分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种飞轮储能装置，包括：一种具有轴向轴的纤维
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树脂复合椭圆卵形壳体；在所述卵形壳体的每一侧上的轮毂凸台板，所述轮毂凸台板同心地布置在所述壳体的内部和外部并且连接到所述轴；和多个径向定向的纤维树脂复合螺旋缠绕，其将壳体连接至轮毂凸台板，用于共同旋转并将扭矩传递到轴向轴上；椭圆卵形壳体轴向壁之间的轴向定向内部压缩支撑；其中，旋转时，椭圆卵形壳体略微伸长以增加围绕椭圆卵形壳体的惯性矩。2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，还包括多组螺旋缠绕，每组螺旋缠绕具有均匀的宽度。3.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其中每组螺旋缠绕具有层，所述层围绕壳体的外表面和旋转轴两侧的轮毂延伸。4.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其中每组螺旋缠绕具有以单向关系缠绕并封装在树脂基体中的接近连续的单端丝状材料。5.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其中每组螺旋缠绕在旋转过程中在每个缠绕的宽度上均匀受力。6.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其中每组螺旋缠绕具有径向定向的分层复合材料壳体。7.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其中所述螺旋缠绕以相互重叠的关系布置在轮毂靠近旋转轴的位置的部分。8.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其中径向定向螺旋缠绕的每一层最初呈约5度角，并逐步至约35度，以使缠绕层的质量累积远离旋转轴，从而增加飞轮的惯性矩。9.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其中径向定向螺旋缠绕配置为在压缩应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：基耐迪科尔解决方案有限责任公司，
类型：发明
国别省市：