CN103715819B - 两级飞轮储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量存储技术领域，具体涉及一种飞轮储能装置。在两级飞轮储能装置中，电动机通过电磁离合器与第一级飞轮轴联接，第一级飞轮轴安装在箱体两端的轴承上；第一级飞轮固定安装在轴上，飞轮两侧加工有与飞轮同心的飞轮轮齿；第二级飞轮齿轮与飞轮轮齿进行内啮合传动或者外啮合传动，齿轮固定安装在第二级飞轮轴上，第二级飞轮轴安装在两端支承轴承上；第二级飞轮固定安装在第二级飞轮轴上，即第二级飞轮与齿轮同轴固定安装；发电机通过离合器与第一级飞轮轴联接。本发明的有益效果是：当量转动惯量倍增，整体质量增加较少，因此提高了能量密度（W·h/kg）和功率密度（W/kg）；同时，与目前常用的电动机和发电机的额定转速匹配更方便，推广应用更便利。如将本发明应用于汽车领域，将大大降低燃油消耗，减少环境污染。

Description

两级飞轮储能装置

技术领域

本发明涉及一种飞轮储能系统，属于能量存储技术领域。

背景技术

目前，公知的储能方式主要是化学电池、燃料电池以及飞轮储能等。由于飞轮储能具有无污染、效率高、寿命长、使用方便等特点，可广泛应用于电动汽车、航空航天、电网调峰、不间断电源等领域。飞轮储能是利用电动机将电能转换为动能储存起来，即电动机驱动飞轮转动将电能转换为动能。储存能量释放时，飞轮驱动发电机将动能转换为电能。飞轮储能装置主要由飞轮、轴承、电机、真空容器及控制装置等组成，其储能性能的评价指标是：能量密度（W·h/kg）和功率密度（W/kg）。

根据飞轮储能的基本原理，其存储能量的大小与飞轮转动惯量和飞轮转速的平方成正比，而转动惯量又与飞轮的质量和转动半径的平方成正比。受普通钢铁材料强度的影响，飞轮边缘的线速度被限制在50m/s～90m/s的范围内，所以飞轮半径的增大也有限；除非采用高强度的碳纤维材料制作飞轮，可以增大飞轮的半径。因此，为提高飞轮储能装置的性能，一般的技术途径是提高飞轮的转速和减轻飞轮的质量，以及利用磁悬浮和真空技术将飞轮转子的摩擦损耗和风损耗降到最低限度。

发明内容

本发明是在上述飞轮储能装置的基础上采用两级飞轮，构成整体重量轻、当量转动惯量大的飞轮储能装置，提高飞轮的储能性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：两级飞轮储能装置由第一级飞轮、轴与轴承，第二级飞轮、轴与轴承，第一级齿轮与第二级齿轮，电动机与发电机，离合器以及箱体组成。其基本工作过程是：第一级飞轮与第二级飞轮之间采用齿轮传动，输入能量由第一级传递到第二级，且第一级与第二级之间采用增速传动方式；第一级飞轮轴的能量输入端与电动机联接，能量输出端与发电机联接，从而实现能量的存储与对外输出。其目的是：实现第一级飞轮的半径和质量相对大，以低速运转与目前常用的电动机和发电机的额定转速相匹配；第二级飞轮的半径和质量相对小，以高速运转增加存储能量。

由于第一级和第二级飞轮存储的能量分别为：

E₁=（J₁×ω₁ ²）/2，E₂=（J₂×ω₂ ²）/2

其中，E₁，E₂分别为第一级飞轮和第二级飞轮的存储能量；J₁，J₂分别为第一级飞轮和第二级飞轮的转动惯量；ω₁，ω₂分别为第一级飞轮和第二级飞轮的旋转角速度。

两级飞轮储能装置的存储总动能为：

E₀=E₁+E₂=（J₁×ω₁ ²+J₂×ω₂ ²）/2=ω₁ ²/2×[J₁+J₂（ω₂/ω₁）²]

因此，第二级飞轮的转动惯量转换到第一级的当量转动惯量为：

J₂₁=J₂（ω₂/ω₁）²

两级飞轮储能装置的当量转动惯量J₀为：

J₀=J₁+J₂₁=J₁+J₂（ω₂/ω₁）²

设第一级飞轮质量M₁是第二级飞轮质量的i倍，即M₁=i×M₂；第一级飞轮的半径R₁是第二级飞轮半径R₂的j倍，即R₁=j×R₂；ω₂/ω₁=q时，储能装置的当量转动惯量J₀为：

J₀=（M₁×R₁ ²）/2+[（M₁/i）×（R₁/j）²×（q）²]/2

J₀=M₁×R₁ ²×[1+（1/i）×（q/j）²]/2

因此，当（q/j）²≥i时，当量转动惯量具有倍增效果，而整体质量仅增加了（M₁/i）。

同样，当满足（q/j）²≥i，且有p组第二级飞轮时，当量转动惯量的倍增效果为：

J₀=M₁×R₁ ²×[1+p×（1/i）×（q/j）²]/2

而且，整体质量也只增加了p×（M₁/i）。

本发明的有益效果是：当量转动惯量倍增，整体质量增加较少，因此提高了能量密度（W·h/kg）和功率密度（W/kg）；同时，与目前常用的电动机和发电机的额定转速匹配更方便，推广应用更便利。

附图说明

附图1是本发明的双端输入/输出结构方式及传动关系（内啮合齿轮传动）示意图。

附图2是本发明的双端输入/输出结构方式及传动关系（外啮合齿轮传动）示意图。

附图3是本发明的第一级飞轮及齿轮的主要尺寸参数示意图。

附图4是本发明的第二级飞轮及齿轮的主要尺寸参数示意图。

附图5是本发明的单端输入/输出结构方式及传动关系（内啮合齿轮传动）示意图。附图6是本发明的单端输入/输出结构方式及传动关系（外啮合齿轮传动）示意。

附图中，1为电动机；2为输入端离合器；3为第一级飞轮轴；4为第一级飞轮轴承；5为第一级飞轮；6为第一级飞轮的轮齿；7为第二级飞轮的齿轮；8为第二级飞轮轴；9为第二级飞轮轴承；10为第二级飞轮；11为输出端离合器；12为发电机；13为箱体；14为电动机/发电机。R₁、r₁、B₁分别为第一级飞轮的半径、齿轮分度圆半径和飞轮宽度；R₂、r₂、B₂分别为第二级飞轮的半径、齿轮分度圆半径和飞轮宽度。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如附图1所示，本发明所述的两级飞轮储能装置中，电动机1通过电磁离合器2与第一级飞轮轴3联接，轴3安装在箱体两端的轴承4上；半径为R₁的第一级飞轮5固定安装在轴3上，飞轮5两侧加工有与飞轮5同心的、分度圆半径为r₁的第一级飞轮轮齿6（内齿圈）；分度圆半径为r₂的第二级飞轮齿轮7与轮齿6内啮合，齿轮7固定安装在第二级飞轮轴8上，轴8安装在两端支承轴承9上；半径为R₂的第二级飞轮10固定安装在轴8上，即飞轮10与齿轮7同轴固定安装；发电机12通过离合器11与第一级飞轮轴3联接。

飞轮储能装置存储能量时，应使电磁离合器2接合，且电磁离合器11断开；由电动机1驱动第一级飞轮5旋转，通过轮齿6和齿轮7的增速传动，使第二级飞轮10高速旋转，飞轮5与飞轮10同时存储动能；储能过程结束时，再使电磁离合器2断开，飞轮5和飞轮10自由旋转保持能量的存储。

飞轮储能装置释放能量时，应使电磁离合器2断开，且电磁离合器11接合；飞轮5和飞轮10存储的动能由第一级飞轮轴3通过电磁离合器11驱动发电机12旋转，使飞轮5和飞轮10存储的机械能通过发电机12转化为电能输出；能量释放过程结束时，应使电磁离合器11断开。

在结构尺寸设计上，为使两级飞轮储能装置达到转动惯量倍增和总体质量较轻的效果，应合理确定第一级飞轮5的质量M₁与第二级飞轮10的质量的比值i，第一级飞轮半径R₁与第二级飞轮半径R₂的比值j，以及第二级齿轮7与第一级轮齿6之间的角速度之比q；其中，角速度之比q=ω₂/ω₁=r₁/r₂，r₁和r₂分别为第一级飞轮轮齿6（内齿轮）、第二级飞轮齿轮7的分度圆半径。

设M₂=M₁/4，即i=4；R₂=R₁/2，即j=2；ω₂=4ω₁，即q=4，r₁=4r₂；第二级飞轮组数p为4个。则根据转动惯量的计算公式：

J₀=M₁×R₁ ²×[1+p×（1/i）×（q/j）²]/2

求得：J₀=5×（M₁×R₁ ²）/2=5J₁

即在第二级飞轮组数p为4个，飞轮整体质量增加M₁时，飞轮储能装置的转动惯量增加了4倍，是第一级飞轮转动惯量J₁的5倍。因此，飞轮存储能量的密度也增加了2.5倍。

采用优质钢材制作第一级飞轮5时，飞轮边缘线速度的许用值为90m/s；当电动机1达到额定转速3000r/min时，第一级飞轮5的许用半径R₁=0.287m；按角速度比q=4计算,第二级飞轮10的转速将达到12000r/min，第二级飞轮的许用半径R₂=0.072m；由于R₁/R₂已大于2，不符合R₁/R₂=2的设计要求，所以应增大第二级飞轮10的半径。当增加第二级飞轮10的半径后，第二级飞轮边缘的线速度将大于90m/s，因此应选用高强度的碳纤维材料制作第二级飞轮10。

如附图2所示，本发明所述的两级飞轮储能装置中，电动机1通过电磁离合器2与第一级飞轮轴3联接，轴3安装在箱体两端的轴承4上；半径为R₁的第一级飞轮5固定安装在轴3上，飞轮5外圈加工有与飞轮5同心的、分度圆半径为r₁的第一级飞轮轮齿6（外齿圈）；分度圆半径为r₂第二级飞轮齿轮7与轮齿6内啮合，齿轮7固定安装在第二级飞轮轴8上，轴8安装在两端支承轴承9上；半径为R₂的第二级飞轮10固定安装在轴8上，即飞轮10与齿轮7同轴固定安装；发电机12通过离合器11与第一级飞轮轴3联接。其工作过程与设计要求与前述实施例一致。

如附图5、附图6所示，本发明所述的两级飞轮储能装置中，采用单端输入/输出结构方式时，电动机/发电机14通过电磁离合器11，在箱体13一侧与第一级飞轮轴3联接；在另一端联接时，通过电磁离合器2在箱体13另一侧与第一级飞轮轴3联接（图5、图6中双点划线表示的电动机/发电机14和电磁离合器2）；在储能阶段，电磁离合器11结合，电动机/发电机14以电动机工作模式运行，驱动飞轮储能装置运转，实现电能到机械能的能量转换存储；当飞轮储能装置达到设计存储能量值时，电磁离合器2断开，同时电动机/发电机14终止电动机运行工作模式。在释放能量阶段，再使电磁离合器11结合，电动机/发电机14以发电机工作模式运行，由飞轮驱动转子，实现机械能到电能的转换，直至达到设计的释放能量时终止发电机运行工作模式。

通过上述实施例，本专业的普通技术人员应能了解本发明的实质，并认识到本发明的具体实施细节可以在权利要求保护范围内做出各种变化。

Claims (5)

1.一种两级飞轮储能装置，其特征是：第一级飞轮上有轮齿，第二级飞轮与齿轮同轴固定安装，轮齿与齿轮之间啮合传动；第二级飞轮的角速度与第一级飞轮的角速度之比为q，第一级飞轮的半径与第二级飞轮的半径之比为j，第一级飞轮的质量与第二级飞轮的质量之比为i，三者关系应为(q/j)²≥i；其中，角速度之比q＝ω₂/ω₁＝r₁/r₂，ω₂和ω₁分别为第二级飞轮齿轮、第一级飞轮轮齿的角速度，r₁和r₂分别为第一级飞轮轮齿、第二级飞轮齿轮的分度圆半径；第一级飞轮轴两端安装有离合器，与电动机、发电机相联接。

2.根据权利要求1所述的两级飞轮储能装置，其特征是第二级飞轮的个数为2的整数倍。

3.根据权利要求1所述的两级飞轮储能装置，其特征是：轮齿与齿轮以内啮合方式传动时，轮齿在第一级飞轮两侧按分度圆尺寸直接加工成内齿圈；轮齿与齿轮以外啮合方式传动时，在第一级飞轮外圆上按分度圆尺寸加工成齿轮。

4.根据权利要求1所述的两级飞轮储能装置，其特征是：双端输入/输出时，第一级飞轮轴的一端安装有输入离合器，与电动机相联接；第一级飞轮轴的另一端安装有输出离合器，与发电机相联接。

5.根据权利要求1所述的两级飞轮储能装置，其特征是：单端输入/输出且右端输入/输出时，第一级飞轮轴的一端通过离合器与电动机/发电机联接；单端输入/输出且左端输入/输出时，第一级飞轮轴的一端通过离合器与电动机/发电机联接。