飞轮系统技术方案

本发明专利技术公开了一种飞轮系统，该飞轮系统具有近似环形的具有一定外径的飞轮转子，飞轮转子通过吊绳定位于轮毂周围并绑定到轮毂，吊绳形成的每个半径略小于飞轮转子的外径。轮毂通过挠性轴或具有挠性接头的刚性轴悬吊于电动发电机，飞轮转子具有一定的质量，实质上飞轮转子的所有质量包括纤维的质量，纤维可整体地或部分地相对于彼此移动。电动发电机悬挂于缓冲万向节，飞轮转子和电动发电机位于可抽成真空的舱室中。静电电动机／发电机也可以和飞轮一样位于相同的真空中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】飞轮系统
技术介绍
能够为后续使用存储电能是再好不过的事情。尽管有许多技术可以做到存储和再生电能，但在这些技术中，只有极少数能够做 到真正足够廉价，以便为连接到大规模系统(例如公用事业的配电网)的应用提供经济的 使用价值。所有这些目前可用的能够经济地发挥作用的极少数技术，其实际使用又受限于 各种地理的、地质的和/或地形的要求，这些要求限制了它们最终能够达到的容量以及对 潜在客户的亲近度。廉价地储存大量电能的技术能够使发电机、变送器、配电器以及电力用户消除其 电力需求中的大幅波动，以显著地提高燃料能效和资本效率。除了廉价的电能存储所带来 的这种纯经济价值之外，还显现出巨大的环保价值。利用基于化石燃料发电所产生的二氧 化碳是全球变暖的主要原因。虽然现今市场上存在着众多的既能产生大量可用电力同时又 不会产生作为副产品的二氧化碳和其它污染物质的发电技术，但目前还没有一种广为人知 的易于扩展的解决方案能够做到随心所欲地增加或减少其输出功率以满足用户要求。基于 风能、太阳能和潮汐能转换的发电技术只能在这些能源可用时才能用来发电。众所周知，虽 然核能工作在稳态输出时具有极高的运行效率，但它却很难迅速地增加或减少。由于受到 这些暂时的限制，这些技术产生的电能只占总电力需求中很少一部分，并且在关键时刻它 们必须依赖化石燃料发电来提供电力。为了使得这些在总系统发电容量中占据一定百分比 的技术能够经济地发展，它们需要大幅度地提高电力存储和电力再生的能力。近年来大量注意力投向利用飞轮进行能量存储的理念。目标是通过电动机利用电 能来加速飞轮从而将电能转化为存储在飞轮动量中的动能。一旦电能转化为动能，人们可 以随意地设定传递时间，在此期间飞轮自由旋转。随后，通过使飞轮的动量驱动发电机或交 流发电机来从系统汲取能量。这可以减慢飞轮转速并将其存储的动能重新转化为电能。储能飞轮是一种很早就提出来的概念，长期以来已获得广泛的使用。电能储存飞 轮或电机电池(electro-mechanical battery)就像上述概念一样，也不是一种新鲜事物； 而且已经证实，一些基于飞轮的系统能够为连接有某些应用如频率调整和短期电能储备的 输电网提供一些高价值的服务。除了本文所要公开的专利技术外，尚未出现本专利技术者目前所知 的那种飞轮能量存储系统，即能够足够经济地提供储能而作为大型能量存储解决方案获得 广泛的实用性。飞轮系统的经济可行性取决于许多因素。在这些因素中，最重要的是用于建造的 资金成本、“加速旋转”和“减速旋转”过程的转换效率，以及惯性运动的效率或者当飞轮处 于充电状态而电力既未被使用也未被汲取时所损失的能量的多少。存储在飞轮中的动能为1/21 ω2，其中I是飞轮的转动惯量，ω是飞轮的角速度。 为了使该公式每单位成本取得最大值，通常，理想的做法是将飞轮转子材料做成这样的形 状对于给定的材料量，它能够最大化转动惯量。其中一种最高效的飞轮转子形状是将材料 做成环形或箍形。在制造飞轮的过程中，存在着大量必须考虑的设计问题，包括但不限于材料成本、制造成本、动态稳定性、内部摩擦、轴承工艺及布置、电动机/发电机操作技术和配置，以及 封装。已知的一种飞轮系统是由Vance和Murphy所介绍和部分测试的“弹性飞轮”系统 ("Vance飞轮”)，在J. M. Vance和B. T. Murphy的“基于弹性飞轮的家用或农场用惯性能量存 储(Inertial Energy Storage For Home or Farm Use Based on a Flexible Flywheel)” 的文章中对其有描述，该篇文章出自于1980年10月美国亚利桑那州(Arizona)斯科茨代 尔市(Scottsdale)的1980年飞轮技术论文集第75-87页，由美国能源部(U. S. Department of Energy)美国机械工禾呈师协会(American Society of Mechanical Engineers)劳伦 斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Library)联合发表。该设计借 助于电动机的许多根支承绳索来悬吊面包圈形的绳索捆(用作飞轮)，而电动机本身又从 一个特殊的非轴向对称的缓冲万向节(damped gimbal)系统悬挂下来。Vance系统表现出 各种令人满意的属性。当该系统通过电动机迅速获得加速度使得支承绳索自身“扭转”以形成一种挠性 轴时，系统表现为完全达到自平衡和自稳定的状态。这是相较于其它大多数所述飞轮系统 的主要优点。此外，由于Vance飞轮转子的单根纤维在刚性基体中没有进行彼此粘连，飞轮转 子不会承受很大的内应力和内摩擦力，而这些内应力和内摩擦正是限制许多其它飞轮设计 的因素。在由各向同性材料、复合纤维/树脂基体或任何其它刚性或半刚性材料所制成的 刚性飞轮中，由于飞轮转子的材料在飞轮转子高速旋转时承受角加速度，因此会形成环向 应力。飞轮转子周边的应力显著大于靠近旋转轴位置的应力。所有材料在承受应力时均 会拉长，材料所承受的应力越大，表现出的拉长效应越明显。由于旋转体上所形成的应力 分配，飞轮转子中距离旋转轴的径向长度各不相同的不同部分之间会形成不一致的拉长效 应。在刚性或半刚性的飞轮转子系统中，这些差别可导致飞轮转子各个部分之间形成巨大 的剪应力。这些应力可导致飞轮转子毁坏。该问题构成飞轮领域中众多研究工作的主题。 由于Vance飞轮为弹性，且其纤维并非刚性地相互粘连，所以这些纤维可相对于彼此轻微 移动。因此，在许多同时代的飞轮转子设计中往往成为问题的巨大剪应力，在这里不会出 现，从而也不会构成问题。当与系统在飞轮转子中的高效质量分布相结合时，Vance飞轮所表现出的自稳定、 自平衡和剪力释放属性，以及易于制造性和低轴承负荷使得这一结构配置非常令人关注。然而，在项目取消之前，上述设备尚未经过完全测试。该设备会受到一些关键的限 制，使其不能在上述可实施的能量存储解决方案中使用。最关键的限制是万一支承绳索被 允许解开时，系统会变得极度不稳定。为了任何飞轮都能在高速时以较低的惯性损失进行 工作，它必须工作在相当好的真空中并配有极其高效的轴承系统来避免较大的风阻和摩擦 损耗。在这种环境下，在惯性运转时，没有(或很少的)转矩施加于飞轮转子，且在重力作 用下解开支承绳索。当支承绳索松开时，飞轮转子失去其自平衡和自稳定的属性，变得极度 不稳定，这种状态对于可部署的系统是不可接受的。在飞轮转子的转矩实际发生反向作用 的任何情形下，也会遇到这种被解开的形态。在这种情况下，支承绳索因受力而完全解开， 然后再次缠绕，要求系统通过不稳定的“被解开”形态。例如，当系统从加速旋转模式直接 进入减速旋转模式时，会发生这种情形。然而，这种情况下的不稳定期通常较短，一般不会损毁系统，它较为强烈且会对系统产生相当大的不可控应力，这在任何要求具有高度可用 性的应用中都是不可接受的。Vance飞轮在施加于系统的转矩量方面也受到关键性的限制。为弄明白这种情况，可以考虑与此类似的普通的儿童玩具，一种以橡胶带为动力 的轻木飞机。首先，橡胶带完全松开且未缠绕。当开始缠绕推进器时，橡胶带扭转。在某个 点上，橡胶带将获得充分缠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞轮转子系统，其特征在于，包括近似环形的具有一定外径的飞轮转子，飞轮转子通过拉伸吊绳定位于轮毂周围并绑定到轮毂，吊绳形成的每个半径均小于飞轮转子的外径，飞轮转子具有一定的质量，转子的所有质量实质上包括纤维的质量，纤维可整体地或部分地相对于彼此移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：葛瑞，
申请(专利权)人：奥势公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]