飞轮能量系统技术方案

一种能量存储系统，包括壳体和飞轮，该飞轮具有连结到圆柱形铁磁性转子部分上的驱动轴部分。驱动轴部分限定大体竖向轴线，转子部分为了转动绕该大体竖向轴线安装。磁性轴承组件按绕竖向轴线的静止对中关系安装在壳体上在转子部分上方，从而向永磁体的下部正面沿轴向向上吸引转子部分，由此支撑飞轮重量的显著大部分，该磁性轴承组件包括环形永磁体，该环形永磁体没有电磁元件。至少一个低摩擦机械轴承组件绕驱动轴部分安装在壳体内，以提供转子部分的径向定位，并且限制转子部分相对于下部正面的至少向上轴向运动。环形永磁体平衡地覆盖转子的端面的一部分，为磁通提供返回通路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及能量存储系统，更具体地说，本专利技术涉及能够将电能存储为转动着的飞轮的动能的能量存储系统，该能量存储系统用于当需要时将动能释放为电能。
技术介绍
大规模能量存储具有解决与使电能分配现代化相关的多种挑战的潜力。这些挑战中的一些挑战包括管理断续可回收能量产生、电气负载转移、黑启动能力、管理电价波动、及后备能量供应。当前，存在有若干大规模能量存储技术，这些大规模能量存储技术试图解决对于能量存储工业的挑战。这些技术包括高级蓄电池、电解电容器(EC)、抽水蓄能电站、压缩空气能量存储以及飞轮技术。关于高级电池技术，一种这样的技术-铅酸蓄电池，由于与这样的蓄电池相关联的低成本，已经成为对于电力质量和UPS用途的流行选择。然而，对于大规模用途而言，铅酸蓄电池的有效性，受到这样的蓄电池的非常短寿命周期以及可变充电速率的限制。锂离子蓄电池因为它们的长得多的寿命周期，常常见到它们被用于铅酸蓄电池的备选或替代。锂离子蓄电池的发展至今主要由汽车工业驱动，但还具有用于车辆、住宅及商业使用的潜在用途。然而，锂离子蓄电池作为适当能量存储技术的有效性，受到与这样的蓄电池的制造相关联的高成本、和与锂离子蓄电池的大规模实施相关联的安全性问题的限制。金属-空气蓄电池是最紧凑的、和潜在的制造最便宜的蓄电池。然而，金属-空气蓄电池的有效性，受到这样的蓄电池的非常短寿命周期和低效率(例如，近似50%)的限制。一种具体蓄电池技术-它已经证明有希望作为用于大规模实施的解决方案，是钠-硫(NaS)蓄电池技术。NaS蓄电池具有高能量密度，但要求高操作温度，并且具有比较短的使用期限。上述蓄电池技术典型地具有近似64%的平均交流-交流住返效率。此外，电解蓄电池技术一般地具有按充电/放电循环的数量升高而降低的可用寿命。电解电容器(EC)也用作能量存储解决方案。EC是能量存储装置，与铅酸蓄电池相t匕，这些能量存储装置具有更长的寿命周期，并且功率更大。然而，由于EC的高成本和低能量密度，对于大规模项目实施EC是不可行的。对于能量存储技术的大规模实施的一种潜在解决方案是抽水蓄能电站。常规抽水蓄能电站使用两个蓄水池，这两个蓄水池沿竖向分开，并因而具有位能，该位能与借助于重力从较高位能的高度到较低位能的高度行进的水的能量相关联。在非高峰时间期间，电力用来将水从较低水池抽吸到较高水池。当对于电能的需要增大时，将水流动颠倒以产生电能。抽吸存储是在电网上使用的最普遍能量存储系统。用于抽水蓄能电站的主要用途是能量管理和频率控制。与抽水蓄能电站相关联的主要缺陷是独特的场所要求和巨大的前期资金成本。另一种潜在的能量存储解决方案是压缩空气能量存储(CAES)。CAES使用压缩空气和天然气体的组合。在非高峰时间，电机将压缩空气推动到地下洞室中。在高峰时间期间，压缩空气与气体组合地用来向涡轮动力装置供给动力。CAES将多达大约40%的气体用作天然气体动力装置。CAES具有与抽水蓄能电站相似的大规模使用限制场所定位和巨大的前期资金成本。对于大规模能量存储实施的另一种提议是飞轮能量存储系统，这些飞轮能量存储系统已经显现为对于上述各种能量存储技术的备选方案。这样的系统当前用在两种主要商业用途中不间断电源(UPS)和电源频率调节(FR)。UPS和FR 二者都要求按秒和秒的几分之一测量的极快充电和放电时间。飞轮技术具有优于其它能量存储技术的多种优点，包括更高的可靠性、更长的使用寿命、极低维护成本、更高的功率能力、及环境友好性。飞轮能量存储系统将能量存储在转动着的飞轮中，该转动着的飞轮由低摩擦轴承系统支撑在壳体内部。相连接的马达/发电机使飞轮加速以便存储所输入的电能，并且使飞轮减速以便释放这种能量。动力电子装置保持系统的进出能量流动，以缓和供电中断、或可选择地管理波峰负载。传统的飞轮设计由于与电磁轴承系统相关联的高电气附加损失，将它们的使用限于上述短持续时间用途。一种支撑用于按高速转动的飞轮的方法是用滚动元件机械轴承组件，如滚珠轴承组件。这样的机械轴承组件的寿命受到这样的机械轴承组件必须支承的负载的强烈影响。为了延长使用机械轴承组件的飞轮能量存储系统的寿命，磁性轴承可与机械轴承组合地使用，以便减小在机械轴承上的负载。在这样的例子中，飞轮的转子部分典型地绕竖向轴线转动，并且机械轴承组件提供径向支撑，而磁性轴承组件承载或支撑飞轮的轴向负载。传统上，飞轮设计为了这个目的已经利用电磁推力轴承。在2004年3月23日发布的美国专利No. 6，710，489 (下文称为“Gabrys I”)公开了多个磁性轴承组件的使用，这些磁性轴承组件用来轴向支撑飞轮转子部分。这样一种飞轮能量存储系统也具有多个机械轴承组件，这些机械轴承组件都为飞轮转子部分提供径向支撑，但不会轴向约束飞轮转子部分。具有机械轴承组件、这些机械轴承组件沿轴向基本上不受约束的这样一种系统的设计，保证飞轮或转子的全部轴向负载分布在各磁性轴承上，因而减小对于机械轴承组件的磨损。按这种方式，这样一种飞轮转子部分有效地“浮动”。Gabrys I的系统利用磁性轴承_或者用于无源(永久)磁体的排斥轴承、或者用于主动控制电磁体的吸引轴承，而沿轴向定位转子。在使用吸引轴承的场合，需要控制系统，以通过吸引力的调节而调节飞轮的轴向位置。这样的系统比较复杂，并且在操作中的同时吸收显著的功率，因而将它们的使用限于短持续时间用途。在2004年10月19日发布的美国专利No. 6，806，605 (下文称为“Gabrys II”)也公开了用来支撑转动物体的磁性轴承的使用。更具体地说，Gabrys II公开了一种永久磁性推力轴承，该永久磁性推力轴承具有电磁径向磁性轴承，该电磁径向磁性轴承具有转动部分，该转动部分具有周向多件结构。这种电磁径向磁性轴承提供径向刚性，这种径向刚性是符合希望的，因为对于飞轮将按高速转动的用途而言，要求飞轮真正对于其转动轴线正在转动。因而，Gabrys II公开了一种飞轮能量存储系统，该飞轮能量存储系统使用磁性力，以产生(i)轴向力，它使飞轮悬置；以及(ii)径向力，这些力使飞轮对中或稳定，以致力于保持真正转动轴线。Gabrys II还公开了一种飞轮系统，其中，借助于排斥性磁性力，飞轮沿轴向和径向被支撑，这些排斥性磁性力产生推力，该推力主要是保持飞轮的稳定悬浮。已知的是，由永磁体产生的排斥性磁性力，随着时间流逝而退化；并且相应地，存在有装置的机械失效的可能性。作者是CS Hearn、标题为 Low Cost Energy Storage for a Fuel Cell PoweredTransit Bus的论文描述了一种飞轮结构,在该飞轮结构中,无源升力磁体用来减小在机械轴承上的轴向负载。机械轴承沿轴向定位飞轮的转子。由在Hearn的论文中所示的结构生成的磁路比较分散，该磁路与所公开的机械轴承装置一起，提供的是一种比较低效的支撑系统。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是，消除或减轻以上缺点。按照本专利技术的一个方面，提供有一种能量存储系统，该能量存储系统包括a)第一壳体,其具有端面；b)至少一个飞轮，其具有驱动轴、转子，并且具有铁磁性质，该转子能够随所述驱动轴转动，所述驱动轴限定大体竖向轴线，转子绕该大体竖向轴线安装，用于在第一壳体内转动；c)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】2010.06.08 US 61/352,8101.一种能量存储系统包括 a)第一壳体，其具有端面； b)至少一个飞轮，其具有驱动轴、转子，并且具有铁磁性质，该转子能够随所述驱动轴转动，所述驱动轴限定大体竖向轴线，所述转子绕该大体竖向轴线安装，用于在所述第一壳体内转动； c)磁性轴承组件，其并置在所述端面与所述转子之间，所述磁性轴承组件具有至少一个永磁体，该至少一个永磁体安装在所述第一壳体和所述转子之一上，以向着所述端面沿轴向向上吸引所述转子，以至少部分地支撑所述飞轮的重量； d)第一机械轴承组件，其在所述第一壳体与所述转子之间起作用，以提供所述转子的径向定位，并且限制所述转子相对于所述端面的至少向上轴向运动，从而在所述端面与所述转子之间限定最小间隙；以及 e)第二机械轴承组件，其沿所述驱动轴与所述第一轴承组件间隔开，并且在所述第一壳体与所述转子之间起作用，以提供所述转子的径向定位，所述第二机械轴承组件容许在所述轴与所述壳体之间的相对轴向运动。2.根据权利要求1所述的能量存储系统，其中，所述至少一个机械轴承组件也限制所述转子相对于所述端面的向下轴向运动，从而在所述端面与所述转子之间进一步限定最大间隙。3.根据权利要求1或2任一项所述的能量存储系统，其中，所述永磁体安装在所述端面上。4.根据权利要求3所述的能量存储系统，其中，所述第一壳体的所述端面沿径向延伸超越所述永磁体，以覆盖所述转子，并且建立在所述壳体与所述转子之间的磁通量通路。5.根据权利要求4所述的能量存储系统，其中，所述转子和壳体的所述端面构造成，所述间隙被保持为超越所述永磁体。6.根据权利要求4或5任一项所述的能量存储系统，其中，非磁性隔板介入在所述永磁体与所述端面之间。7.根据权利要求3至6任一项所述的能量存储系统，其中，所述磁性轴承组件还包括铁磁性金属的环形垫板，该环形垫板绕所述竖向轴线按静止对中关系安装到所述第一壳体的顶部壁表面的下侧上，所述垫板具有至少与所述转子的半径一样大的半径，所述永磁体连结到所述垫板的下表面上。8.根据权利要求7所述的能量存储系统，其中，所述垫板沿径向延伸超越所述永磁体的外部径向边缘，以超越其形成向下突出周界裙部部分，所述裙部部分具有至少与所述转子部分的外部半径相等的外部半径，该周界裙部部分具有下表面，该下表面与所述永磁体的所述下部正面轴向共同终止，从而也保持在所述转子部分与所述裙部部分之间的所述最小间隙。9.根据权利要求8所述的能量存储系统，其中，所述磁性推力轴承组件还包括非磁性垫片环，该非磁性垫片环介入在所述永磁体的外部径向边缘与所述裙部部分的内部径向边缘之间。10.根据权利要求1至9任一项所述的能量存储系统，其中，所述永磁体与所述竖向轴线相平行地被磁化。11.根据权利要求1至10任一项所述的能量存储系统，其中，所述永磁体包括一层磁化材料。12.根据权利要求1至10任一项所述的能量存储系统，其中，所述永磁体包括磁化材料的多个沿竖向堆叠的层，每个层具有其磁极，这些磁极在与沿竖向相邻的层相同的磁性方向上对准。13.根据权利要求11至12任一项所述的能量存储系统，其中，每个层由磁化材料的多个细长带条形成，这些细长带条按并排接触关系彼此平行地放置，以形成所述层。14.根据权利要求10至13任一项所述的能量存储系统，其中，每个层是磁化材料形成的柔性线圈，该磁化材料包括稀土磁性颗粒和聚合物粘结剂。15.根据权利要求1至14任一项所述的能量存储系统，其中，通过磁性吸引，将所述永磁体附加到所述垫板上，并且附加到磁化材料的任一相邻层上。16.根据权利要求1至15任一项所述的能量存储系统，其中，通过由低放气粘合剂补充的磁性吸引，将所述永磁体附加到所述垫板上，并且附加到任一所述相邻层上。17.根据权利要求1至16任一项所述的能量存储系统，其中，所述磁性推力轴承组件支撑所述至少一个飞轮的重量的至少90%。18.根据权利要求17所述的能量存储系统，其中，所述磁性推力轴承组件支撑所述至少一个飞轮的重量的至少95%。19.根据权利要求18所述的能量存储系统，其中，所述磁性推力轴承组件支撑所述至少一个飞轮的重量的95至100%。20.根据权利要求1至19任一项所述的能量存储系统，其中，各所述机械轴承组件都安装在所述第一壳体内的可除去轴承座中，以便于更换。21.根据权利要求1至20任一项所述的能量存储系统，其中，所述第一机械轴承组件包括滚动元件轴承以及用以预加载所述轴承的调节机构。22.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·韦尔特里，
申请(专利权)人：时间功率有限公司，
类型：
国别省市：