CN108368854B - 用于储存动能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于储存动能的装置，该装置具有在壳体(10)中的飞轮(18)。飞轮(18)经由轴(16)被安装在壳体(10)中。提供了电动发电机单元(22)，用于储存能量以及用于能量回收。为了提高效率，用于抽空内部(14)的真空泵(24)被布置在壳体(10)中。真空泵(24)被布置在轴(16)上。

Description

用于储存动能的装置
【技术领域】
本发明涉及一种用于储存动能的装置。
【背景技术】
特别是由于再生能源比例不断增加，供电网络中存在大的波动，从而连续供电可能得不到保证。为了补偿这种供应波动，需要安装储能装置。为了储存能量，已知的是提供飞轮。这种飞轮被布置在轴上并连接到电动发电机单元。使用电动发电机组，可以一方面驱动飞轮，另一方面可以使用旋转飞轮用于能量回收。储存能量的效率在很大程度上取决于系统自身的能源需求。
例如从DE 10 2012 110 691中已知的是在壳体中布置飞轮并在壳体内产生真空。由于真空的产生，用于储存动能的装置的效率增加。DE 10 2012 110 691建议飞轮的部件直接设计为真空泵。为此目的，飞轮的表面设置有类似槽形的通道，从而在气缸侧，飞轮的作用类似于霍尔维克(Holwekes)级的转子，同时它充当前端侧上的西格班(Siegbahn)级。这种布置不允许在布置了飞轮的壳体内产生低真空或极低压力。然而，可以通过降低压力来提高装置的效率。
在DE 10 2012 110 691中描述的用于储存动能的装置还具有以下缺点：由于飞轮的高速旋转而产生的离心力，并且因此旋转体的膨胀非常大。这些力是速度依赖型的，并且因此也对在提供输送螺纹的通道的霍尔维克级处的飞轮的间隙比有影响。因此，有必要在通道腹板处提供相对较大的密封间隙，以避免由转子与定子之间的接触的损坏，因而降低了泵的效率。
此外，DE 10 2012 110 691中的缺点是在转子表面的许多区域中提供通道。这个泵机构是一个摩擦真空泵。因此，为了提高效率，在实际上应避免摩擦的区域产生摩擦。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于以提高的效率储存动能的装置。
该目的分别根据具有权利要求1和16的特征的本发明来实现。
用于储存动能的装置包括飞轮。飞轮被布置在壳体的内部中，其中壳体包括壳本体和壳体盖。轴连接到飞轮。轴被间接或直接支撑在壳体中。特别优选地是使用磁性轴承来实现支撑，因为装置的能量消耗可以被降低并且因此效率可以被改善。此外，用于储存动能的装置包括电动发电机单元。该电动发电机一方面用于驱动飞轮，另一方面用于回收能量。该单元可以是使得相同的组件既可以用作电动机又可以用作发电机。可能地，这些也可能是单独的组件。此外，真空泵被布置在壳体中以抽空内部。该真空泵优选地将泵送的气体输送到前级泵，然后压缩大气。根据本发明，特别优选的是，利用该能量储存装置提供由具有叶片几何形状的涡轮轴向压缩机和优选为霍尔维克，盖德(Gaede)或西格班级的形式的气体摩擦压缩机形成的真空泵，该真空泵被布置在飞轮的轴上。这具有根据本发明的以下优点：较低的离心力作用在独立于飞轮的真空泵的部件上。
在本发明的优选实施例中，真空泵被形成为单独的部件并被布置在轴上。特别地，泵的基本部件因此不是飞轮的部分，从而可以优选地就它们的设计，它们的布置，使用的材料等来配置真空泵的这些部件，使得在其上作用的离心力引起相对小的变形或者使得泵的效率受到这种变形的影响尽可能小。具体地，在该实施例中，真空泵被设计成单独的部件并布置在轴上，其具有以下优点：由于在轴上的布置而减小了作用在真空泵上的离心力，并且此外，可以对应于离心力作用来改进泵设计。
在特别优选的实施例中，真空泵至少部分地被布置在外壳内。这里，外壳优选地是由纤维增强的塑料材料制成或者包括纤维增强的塑料材料。这具有在重量低时可以实现高稳定性的优点。因此，即使在高离心力下，外壳用于尽可能精确地限定真空泵部件的布置，使得泵具有高效率或者离心力的效率受尽可能小地受影响。
在优选实施例中，真空泵被设计成外部转子。在该实施例中，外壳连接到飞轮或由其承载。真空泵的输送元件，特别是转子盘连接到外壳。在这方面，例如可以提供涡轮分子级的多个转子盘，其中例如，环形元件被布置在转子盘之间以限定转子盘之间的距离。对应地，在该实施例中提供了另外的输送元件，诸如定子盘。定子盘被连接到壳体，例如，通过载体元件，因为定子盘不旋转。定子盘也可以是单个盘，定子盘之间的距离是由布置在定子盘之间的环形元件限定的。
在特别优选的实施例中，提供了内壳，真空泵至少部分地被布置在内壳外部。对于外部转子，优选的是，内壳间接或直接连接到壳体，在这种情况下，内壳支撑泵的静止元件，诸如特别是定子盘。
在优选的开发中，内壳可以与轴间隔开。在特别优选的实施例中是霍尔维克级的另一个泵级可以被布置在该空间中。
在本发明的另一个优选实施例中，外壳被连接到壳体，特别是被连接到壳体盖。在该实施例中，真空泵的非旋转元件，特别是定子盘可以被连接到外壳。在该实施例中，诸如转子盘的旋转元件优选地被连接到轴。在这种情况下，连接可能是直接连接。也可以提供一个内壳，该内壳在一个优选实施例中被连接到轴并且支撑另一种设计的转子盘或转子元件。
在多级真空泵中，在该实施例中还可以提供另外的级，例如，在与轴间隔开的内壳之间并因此在内壳与轴之间。在优选实施例中，该另外的泵级是霍尔维克级。
无论真空泵被设计成外转子还是内转子，特别优选的是提供双级或多级真空泵。特别是在提供双级真空泵时，优选地将第一级设计成涡轮分子泵级，并将第二级设计成霍尔维克，盖德或西格班级。不管泵的类型如何，在流动方向上看，该第二级优选地被布置在第一级的下游。上游涡轮分子级允许进一步降低压力，这对于飞轮的效率而言是有利的。
在操作中，即在壳体内部的初始抽空之后，并且此后，只有少量气体充满该泵组合，该泵组合在技术语言中也被称为宽范围泵或复合泵。该少量气体的压力的增加实质上是仅由于泄漏导致的。因此，复合泵的前级泵可以在操作中暂时停用，由此针对弦动能进一步提高总系统的效率。在该阶段，复合泵压缩封闭的前级泵，直到达到用于复合泵的最大允许的前级压为止并且高真空侧压力由此再次上升。在这种情况下，必须再次激活前级泵，以便再次降低前级压力，并在最佳条件下操作系统。
旋转叶片，涡旋或螺旋泵特别适合前级泵，因为它们产生比复合泵所需的更低的前级压，并且因此允许暂时停用。在这方面，如前面所描述的那样，优选地是，只有当壳内部存在相对高的压力时，前级泵才进行操作。
在特别优选的改进中，在壳体出口与前级泵之间提供缓冲室。在该缓冲室中可以产生缓冲容量，以便复合泵可以泵入该缓冲容量中，直到达到其允许的前级压力为止。以这种方式，可以缩短前级泵的有效的阶段。
因此，本发明还涉及一种用于储存动能的装置，其中前级泵不必被布置在轴上，而外壳出口则连接到真空泵。在该装置的优选开发中，在真空泵出口与前级泵之间布置缓冲室。
特别优选的是,所使用的真空泵是如以上所描述的那样开发的。
【附图说明】
下面将参照优选实施例和随附的附图详细描述本发明。
在各图中：
图1是用于储存动能的装置的优选实施例的示意性截面图，
图2是布置在图1中的区域II中的真空泵的放大的示意图，
图3是用于储存动能的装置的另一优选实施例的示意性截面图，以及
图4是布置在图1中的区域IV中的真空泵的放大的示意图。
【具体实施方式】
用于储存动能的示意性地图示的装置包括具有壳体底座12和壳体盖15的壳体10。壳体10限定了内部14，该内部14被密封以抵御环境，并且因此可以被排空。轴16被布置在壳体10内部，该轴支撑飞轮18，或者与飞轮18一体形成。在图示的实施例中，轴16经由轴承20分别被支撑在壳体底座12中和壳体盖15中。在优选实施例中，轴承20是磁性轴承。
使用电动发电机单元22，一方面可以驱动飞轮用于储存能量，另一方面当使用单元22作为发电机时，可以使用飞轮来回收能量。
为了提高用于储存动能的装置的效率，内部空间14被抽空。为此目的，真空泵24被布置在轴16上，即在内部14的内部中心部分中，为了澄清的目的，在图2中以放大的方式图示该泵。使用真空泵24，存在于内部14中的气体被沿箭头26，28的方向通过壳体出口30输送。
为了进一步提高效率，缓冲室34经由示意性图示的线路32连接到出口30，并且前级泵38经由进一步示意性图示的线路36连接到室。前级泵38抽吸以抵抗大气。
特别地，通过提供真空泵24，可以在内部14中产生特别是小于10-4mbar的低真空压力。提供前级泵38是必要的，因为上游真空泵24不能抽吸以抵抗大气。在操作中，只要不超过真空泵24所允许的前级压力，就可以在大多数时间被去激活停用前级泵38。由于只有少量的气体到达内部14，例如，因为泄漏，所以这是可能的。
通过在其中前级泵38产生真空的缓冲室34的介入，因为前级泵38的启动，可以进一步提高效率，并因此能够避免运行中的能量消耗。
在图1和2重图示的实施例中，真空泵包括涡轮分子级40以及在相同的流动方向上霍尔维克级42。如在专利DE 10 2012 110 691中所描述的那样，该霍尔维克级也可以是的西格班级。在图示的实施例中，涡轮分子级40是外转子。在这方面，在图示的实施例中，涡轮分子泵40的转子盘44被连接到外壳46。环形间隔件49被布置在各个转子盘之间。各个转子盘44因此被固定在壳46中。壳，特别是纤维增强壳被固定地连接到飞轮18(图1)。通过提供被设计成例如圆柱形CFC管的壳46，离心力对真空泵24的影响被减小。
涡轮分子级40进一步包括连接到内壳52的定子盘50。定子盘50之间的距离是由环形间隔件54限定的。内壳52被固定地分别连接到壳体10(图1)和壳体盖15。内壳52可以用碳纤维加强或者可以被设计成CFC管。然而，这在本实施例中最终不是必要的，因为内壳52是静止的并且不包括旋转部件。
在图1和2中图示的本发明的优选实施例中，霍尔维克级42(还可选地是西格班级或盖德级)被布置在涡轮分子泵级40的下游。在该实施例中，霍尔维克级沿径向方向被完全布置在涡轮分子泵级40中。在图示的实施例中，示意性图示的霍尔维克级42被设计为外螺纹。当然，霍尔维克级42还可以设有内螺纹。在图示的实施例中的优选具有螺纹的霍尔维克级的内部组件56被固定地连接到轴16(图1)。
对于涡轮分子泵的操作，由于分别与轴16和飞轮18的连接，霍尔维克级的内部部件56以及转子盘44被驱动。
在图3和图4中图示的进一步优选的实施例中，相似或相同的部件是由相同的参考标号标识的。借助飞轮18和电动发电机单元22的能量储存和能量回收的原理对应于关于图1所描述的原理。
同样优选地是，壳体出口30被连接到前级泵38，并且可选地，还连接到缓冲室34。两个实施例的不同之处在于被布置在壳体10的内部14中的真空泵24的设计，该泵在图4中以较大的比例示出。
在该实施例中使用的真空泵24(图4)还包括涡轮分子泵40，其具有在流动方向26上布置在其下游的霍尔维克级42(可选地还有西格班级或盖德级)。在图示的实施例中，涡轮分子泵级42被设计为内转子。对应地，转子盘44被固定地连接到内壳52。内壳52被固定地连接到轴16。
定子盘50通过间隔环48被固定地连接到外壳46。外壳46被固定地连接到壳体盖15。
霍尔维克级42沿流动方向26被布置在涡轮分子泵级40的下游。前者包括优选具有螺纹的组件56，使得在图示的实施例中，霍尔维克级42还提供有内螺纹。同样，霍尔维克级还可以提供有外螺纹。
在该实施例中，优选的是，支撑旋转部件的内壳52具有碳纤维加强件或被设计为CFC管。
代替提供壳52,46，也可以将涡轮分子泵级40和/或霍尔维克级42直接连接到相应的组件，即分别连接到壳体10和飞轮18，或轴16。这具有以下优点：一方面组件的数量较少，而另一方面可以消除通过提供相应的壳体造成的离心力对真空泵的影响的减少。
然而，提供壳52,46的优点是真空泵可以被预先组装并且可以作为经预组装的单元安装在能量储存器中。

Claims (20)

1.一种用于储存动能的装置，包括：
飞轮(18)，其被布置在壳体(10)的内部(14)中；
轴(16)，其连接到飞轮(18)并被支撑在壳体(10)中；
电动发电机单元(22)，用于驱动飞轮(18)和用于回收能量；以及
真空泵(24)，其被提供在壳体(10)中，用于抽空内部(14)，
真空泵(24)被布置在轴(16)上，
其特征在于
真空泵(24)包括涡轮分子泵级(40)，在流动方向(26)上布置在涡轮分子泵级(40)下游的气体摩擦压缩机(42)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，真空泵(24)是作为单独部件而布置在轴(16)上的。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，气体摩擦压缩机(42)为霍尔维克级，盖德级或西格班级。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，涡轮分子泵级(40)是具有较大压力范围的泵，执行从20mbar至小于10-5mbar的压缩。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，涡轮分子泵级(40)执行从10-1mbar至小于10-5mbar的压缩。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，真空泵(24)被至少部分地布置在外壳(46)内。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，外壳(46)包括纤维增强的塑料材料。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，外壳(46)连接到飞轮(18)或壳体(10)。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，外壳(46)支撑真空泵(24)的转子盘(44)。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，外壳(46)支撑真空泵(24)的定子盘(50)。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，真空泵(24)被至少部分地布置在内壳(52)的外部。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，内壳(52)连接到壳体(10)或轴(16)。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，内壳(52)包括纤维增强的塑料材料。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，内壳(52)支撑真空泵(24)的转子盘(44)。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，内壳(52)支撑定子盘(50)。
16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，真空泵(24)被至少部分地布置在外壳(46)与内壳(52)之间。
17.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，涡轮分子泵级(40)至少部分地包围霍尔维克级(42)。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，飞轮(18)至少部分地包围真空泵(24)。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：前级泵(38)，其连接到壳体出口(30)。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，在壳体出口(30)与前级泵(38)之间提供有缓冲室(34)。
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