兆瓦级低速飞轮储能装置，丢弃每分钟万转以上高转速及磁悬浮方案。采用扩大飞轮直径，同时降低飞轮转速的方案，可以降低对材料的要求，轴承也可以采用机械式的；采用气垫、液垫悬浮和静电悬浮的方案，可以抵消飞轮对轴承的巨大重力压力，使轴承的作用仅仅是定位，在飞轮动平衡特性很好时，机械式定位轴承的摩擦损耗是不大的。因此，本发明专利技术是建立在当前材料和加工能力基础上的，是容易实施的方案。
【技术实现步骤摘要】
飞轮储能是将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮中。再结合电机、电子技术，先利用电动机驱动飞轮使高速旋转，电能转变为动能而储存；当需要电能时，飞轮带动电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能。飞轮的加速和减速实现了充电和放电，故又称飞轮电池。该飞轮电池可应用于电力系统调峰、风力发电、太阳能发电、大功率调峰等领域。属机械、电力、交通
技术介绍
目前飞轮储能大都利用磁悬浮及利用主动磁轴承，超导磁轴承和机械轴承结合的办法，减低高速轴承的摩擦损耗。此外，为了提高飞轮储能能力大都采用超过每分钟万转以上的转速。 本专利技术是杨金玉专利技术(200910022171.3)的延续。
技术实现思路
采用密封气垫悬浮、密封液垫悬浮及静电悬浮，代替磁悬浮，同时采用扩充飞轮直径和降低飞轮转速的方法，以低成本实现高效的兆瓦级储能要求。 附图说明图1为低速飞轮储能装置构成图。图中 1.飞轮要有很好的动平衡特性。 2.密封气垫、密封液垫托底式飞轮悬浮装置。 3.静电吸顶式飞轮悬浮装置。 4.轴承由于2、3、的悬浮力正好承载了飞轮及其附件的全部重量，飞轮对轴承没有重力压力，在飞轮动平衡特性很好时，轴承的作用仅仅是定位。但我们还要在地基上装一些零星的滚子起止推作用，以备装配飞轮及悬浮装置失灵时之急需。当飞轮正常悬浮时，这些滚子与飞轮不接触；只在悬浮装置失灵、飞轮下降时才接触这些滚子。5.电机和功率电子变换器为适应飞轮的高速旋转要求，有四种电机可供选择感应电机，开关磁阻电机、同步磁阻电机、永磁无刷直流/交流电机。功率电子变换器的功能是实现储能/放能的控制及改变电流电压的频率和波形，以满足用户的需求。6.真空密封外壳及真空抽气机为减小外形巨大的高速飞轮与空气的摩擦损耗，整个飞轮储能装置都装在浅埋于地下的钢筋水泥做的真空密封外壳兼基座内。密封外壳用钢筋水泥是为了降成本，浅埋地下为防止高速飞轮意外破碎造成的伤害，同时考虑到地下温度稳定，对整机运转有利。具体实施例方式下面讨论飞轮的储能与飞轮外形及转速关系 飞轮的储能为￡t=|l 2 式中I为飞轮的转动惯量；"为飞轮的旋转角速度 我们以高度等于直径的实心圆柱体为例求转动惯量， <formula>formula see original document page 3</formula> 式中M为质量；Y飞轮材料的重度；g重力加速度；R为半径；2JiRS为圆柱体体积； 由上面公式可见，飞轮储能与角速度平方成正比，而与飞轮半径的五次方成正比。本专利技术丢弃超过每分钟万转以上的高速飞轮方案，而采取扩大半径、降转速的方案。比如把半径定为5米，最高转速控制在1000rpm上下。于是有下表的结果<table>table see original document page 4</column></row><table> ※表示中碳合金结构钢的抗拉极限强度，不满足要求，不能工作在那么高的轮缘 线速度，一般飞轮轮缘线速度的极限由下式校核U^、^式中Ob为材料的的抗拉强度极 限 代入中碳合金结构钢o b = 90X 1。6kgf/m2及y = 7800kgf/m3^ u《336. 64米 /秒，而转速625rpm半径5m飞轮的轮缘线速度只有327. 25米/秒，符合要求。 综上所述，采用扩大飞轮直径及降低飞轮转速的方案是比较有利的方案。转速的 降低，将带来两个好处①可以降低材料强度的要求(同时降低成本)。除了可以用结构钢 之外，也可能利用成本更低的钢筋水泥做飞轮，有必要时可以在水泥轮外缘加一个环氧碳 纤维缠绕的加强圈。②由于转速在1000rpm上下，使采用机械式轴承成为可能，再加上飞轮 悬浮装置抵消了飞轮及附属装置的重量，飞轮对轴承没有重力压力了，就可采用单列向心 定位轴承就行了 ，这种轴承的摩擦损耗是不大的。 另外需要指出的，由东方电气和哈尔滨电气制造的长江三峡水轮发电机的直径10 米左右，转速在1000rpm上下，轴承也是机械止推式的，所以本方案是符合国内制造水平的 方案，应该是容易实施的方案。 由于10米直径的飞轮外型太大，在运输中将遇到桥梁隧洞的限制。为制造和运输 方便，大飞轮采用统一厚度的薄园盘飞轮(也可以辐板式，辐条式飞轮)堆叠而成，而每个 薄园盘又由二个半园或三个120。扇形拼成(这样每个另件的运输尺寸在5米内)，上下两 层错开一定角度，用螺栓安装固定，最后进行动平衡校正。 我们再来讨论飞轮悬浮方案 ①密封气垫、密封液垫托底式悬浮 在图1飞轮底面AA处有动态环形密封装置，里面封闭有高压气体或高压液体，设 压力为Ap。该高压气、液体作用在飞轮底部，对飞轮有向上推力F二 ApS，其中S为AA环 形包围的面积。我们可以控制Ap或S，使向上推力即浮力刚好等于飞轮及附件的总重量， 则飞轮就悬浮在气垫或液垫上。飞轮对轴承就没有重力压力，轴承的功能转换成单一的定 位功能，在飞轮动平衡很好时，定位轴承的能耗是很小的。 下面仍以10米直径10米高环氧玻纤园柱飞轮为例分析所需气、液压力及损耗。 先计算飞轮重量。 G = 2jiR3Y = 2jiX 53m3 X 2000kgf/m3 = 1570. 8吨 再计算AA环形半径分别为0.5米(面积0.785m2)、l米(面积3. 141M2)时所需的 悬浮压力Ap Ap。.5 = 1570. 8吨/0. 785m2 = 200. lkgf/cm2 = 19. 6Mpa Ap! = 1570. 8吨/3. 141m2 = 50kgf/cm2 = 4. 9Mpa 由数字可见AA环半径越大，所需压力越小，但AA环环线却长了，线速度也大了，相 对应的密封环上的损耗将以二次方或二次方以上的速率增加(视动态密封方式不同而不 同) 使用密封气垫时气体摩擦损耗小，但气体不好封，泄漏的气体将影响真空度。使用 蒸发小的密封液垫时，对真空度有利，但摩擦损耗加大。权衡利弊偏向密封液垫。动态密封 方式选用机械密封为好，其密封压力高，可縮小AA环半径，摩擦损耗也小。 ②静电吸顶式悬浮 如果使图1的飞轮顶面为金属，密封上外壳的底面也为金属，而且两者相互绝缘，则上下平行的金属板之间的电容C-，其中S为飞轮顶面积，d为两极板的间距，￡。 = 8.854X 10—12法拉/米，为真空介电系数。若在两极板之间加直流高压U则 上下金属板就会带上极性相反的正负电荷q = CU，两异性电荷之间有静电吸引力^^^-^^-^Cj^^Mf7-M^l。为了提高静电吸引力，可以提高U或减少间距d，其效果均为二次方关系。减小d受制造及装配精度限制，提高电压U受真空放电(击穿电压)限制。为了能够加更高电压而不被击穿，我们采用在上下极板粘贴耐高压的塑料绝缘薄膜或用化学法物理法在上下极板形成耐高压绝缘薄膜(最好能做到105V/mm以上)。 下面举个例子，设d = lmm， U = 105v， 10米直径面积78. 53m2<formula>formula see original document page 5</formula> ——=-^-= 695xl04iV = 708.45吨 吨M 10_6 只本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低速飞轮储能装置，由飞轮，密封气垫、密封液垫托底式飞轮悬浮装置，静电吸顶式飞轮悬浮装置，轴承，电机和功率电子变换器，真空密封外壳及真空抽气机构成：其中，飞轮：依据飞轮储能与角速度平方成正比，而与飞轮半径的五次方成正比，采取扩大半径、降低转速的方案；比如把半径定为５米，最高转速控制在１０００ｒｐｍ上下；大飞轮采用统一厚度的薄园盘飞轮堆叠而成，也可以用多个辐板式，辐条式薄飞轮堆叠而成，而每个薄飞轮又由二个半园或三个１２０°扇形拼成，上下两层错开一定角度，用螺栓安装固定，最后进电压的频率和波形，以满足用户的需求；其中，真空密封外壳及真空抽气机：为减小外形巨大的高速飞轮与空气的摩擦损耗，整个飞轮储能装置都装在浅埋于地下的钢筋水泥做的真空密封外壳兼基座内；密封外壳用钢筋水泥是为了降成本，浅埋地下为防止高速飞轮意外破碎造成的伤害，同时考虑到地下温度稳定，对整机运转有利。行动平衡校正，要保证飞轮有很好的动平衡特性；其中，密封气垫、密封液垫托底式飞轮悬浮装置：在图１飞轮底面ＡＡ处有动态环形密封装置，里面封闭有高压气体或高压液体，设压力为Δｐ，该高压气、液体作用在飞轮底部，对飞轮有向上推力Ｆ＝ΔｐＳ，式中Ｓ为ＡＡ环形包围的面积；我们可以控制Δｐ或Ｓ，使向上推力即浮力刚好等于飞轮及附件的总重量，则飞轮就悬浮在气垫或液垫上；飞轮对轴承就没有重力压力，轴承的功能转换成单一的定位功能，在飞轮动平衡很好时，定位轴承的能耗是很小的；使用密封气垫时气体摩擦损耗小，但气体不好封，泄漏的气体将影响真空度；使用蒸发小的密封液垫时，对真空度有利，但摩擦损耗加大；权衡利弊偏向密封液垫；环形动态密封方式选用机械密封为好，其密封压力高，可缩小ＡＡ环半径，摩擦损耗也小；其中，静电吸顶式飞轮悬浮装置：如果使图１的飞轮顶面为金属，密封上外壳的底面也为金属，且两者相互绝缘，则上下平行的金属板之间有电容Ｃ＝ε↓［０］ｓ／ｄ，若在两极板之间加直流高压Ｕ，则上下金属板就会带上极性相反的正负电荷ｑ＝ＣＵ，两异性电荷之间有静电吸引力Ｆ＝Ｅｑ＝Ｕ／ｄｑ＝Ｕ／ｄＣＵ＝Ｕ／ｄε↓［０］ｓ／ｄＵ＝ε↓［０］ｓＵ↑［２］／ｄ↑［２］；为了提高静电吸引力，可以提高Ｕ或减少间距ｄ，其效果均为二次方关系；减小ｄ受制造及装配精度限制，提高电压Ｕ受击穿电压限制；为提高击穿电压，采用在上下极板粘贴耐高压的塑料绝缘薄膜或用化学法物理法在上下极板形成耐高压绝缘薄膜；此外绕轴旋转的带电飞轮顶园盘还...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨金玉，
申请(专利权)人：杨金玉，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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