CN109328275B - 包含飞轮储能单元的场地 - Google Patents

Abstract

多个飞轮单元以几何型式布置。每个飞轮单元都封围在容纳单元中。容纳单元包括圆筒形管、盖、底部支承件，以及围绕每个容纳单元的填充介质，底部支承件搁置在地面上，容纳单元安装在其上。容纳单元还可包括安装到管的基部的水平板，该水平板从管的基部向外或径向延伸预定长度。在这种情况下，填充介质直接搁置于板的从管向外延伸的部分的顶部。

Description

包含飞轮储能单元的场地

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C§119(e)要求2016年5月2日提交的美国临时申请第62/330,838号的优先权，其全文以参见的方式纳入本文。

技术领域

本说明书一般涉及储能，尤其涉及用于容纳飞轮储能单元的场地的系统的设计。

背景技术

许多能源、特别是诸如风力涡轮机以及太阳能面板的清洁能源产生的能量在时间上与经受的负荷不匹配。在许多发达国家中，能量产生遵循经受的负荷，使得能量根据需要提供。在高负荷的情况下，诸如在热发电机上使用峰值发电机和自动发电控制(AGC)的技术允许发电机匹配较高的和可变的负荷。然而，尽管这种技术存在，但通常存在储能对于满足能量负荷很重要的情况。

目前存在的储能系统都具有一种形式或另一种形式的缺点。在设计储能系统时，尺寸、价格、储存效率、效能和安全性都是关注的问题。通常，更小的尺寸、更低的价格、减少输入用于存储的能量和提取其用于分配中的损失、减少连续运行的损失，以及安全处置都是储能系统的优选特征。

结合有转子的飞轮机构是一种将能量存储为旋转动能的储能系统。飞轮转子是一种配重的、旋转对称的质量块，在直接或间接地物理联接到电动机/交流发电机时旋转，电动机/交流发电机本身电气地联接到诸如背对背逆变器系统的转换器，构成AC-AC转换子系统。当接收了用于存储的电力时，转子被驱动增加飞轮的旋转速度。当提取电力时，飞轮转子驱动电动机/交流发电机。飞轮转子旋转得越快，它能存储的能量就越多。可以存储在飞轮转子中的能量的量取决于转子的质量、强度特性、循环疲劳特性、形状以及其它因素的组合。通常，飞轮的轴承和悬架子系统被设计为用于最小化由于摩擦、热量和其它损耗源引起的能量损失。

考虑到它们的物理尺寸、质量和以旋转形式存储的能量的量，对飞轮的关注包括空间以及安全考虑。本发明是针对这些考虑和其它考虑作出的。

发明内容

为了存储实用级储能应用中所需的能量，可部署多个飞轮储能单元。为了空间效率，这些飞轮储能单元在空间区域内彼此靠近放置，在此称为场地。

通常，对飞轮的任何类型的故障状态的处理很重要。设计飞轮储能场地安装布局的一个考虑因素是在意外的转子爆裂的情况下容纳碎片。另一个考虑因素是松散地完整的通电(旋转)转子或者松散地完整的通电(旋转)锁定的转子外壳系统的安全管理。这些安全考虑因素被置于提供电气和信号互连以及在某些情况下真空管道互连的需求之上。

本说明书提供了场地安装设计的实施例，其主要解决了至少这些考虑因素。

某些实施例使用集装箱化系统，其中单个飞轮单元被一起共同包装成标准的运输容器。提供了用于容器阵列的场地安装设计的实施例。

其它方面涉及场地中的飞轮单元的几何布局。在某些实施例中，几何布局是蜂窝阵列，其中相邻的飞轮单元是等距的。

在某些实施例中，飞轮单元各自由飞轮容纳单元封围。在这些实施例中，公开了用于容纳飞轮单元场地的系统，其包括以几何型式布置的多个飞轮单元和容纳单元，其中飞轮单元包括飞轮转子和组合的电动机以及交流发电机，组合的电动机以及交流发电机(在此称为电动机/交流发电机) 被联接到飞轮转子，并且每对相邻飞轮单元的轴向中心基本上等距，容纳单元封围相应的飞轮单元。容纳单元包括圆筒形管、盖、底部支承件，以及围绕每个容纳单元的填充介质，底部支承件搁置在地面上，容纳单元安装在其上。

在某些实施例中，前述容纳单元包括安装到管的基部的水平板，该水平板从管的基部向外或径向延伸预定长度。填充介质直接搁置于板的从管向外延伸的部分的顶部。

在其它实施例中，较重的基板在工厂被附接到容纳单元的底部，从而降低安装成本。

本说明书进一步公开了用于容纳飞轮单元的装置的实施例，该飞轮单元包括：圆筒形管，其封围飞轮单元；盖，附接到圆筒形管的顶部；以及底板，附接到管的底部，飞轮单元安装到底板。

附图说明

所公开的实施例具有其它优点和特征，这些优点和特征将从详细描述、所附权利要求和附图(或多张附图)中更加显而易见。以下是对附图的简要介绍。

图1是根据一个实施例的飞轮储能系统的框图。

图2A-2C示出了用于容器阵列的场地安装设计的代表性实施例。

图3示出了蜂窝阵列的一个实施例，其中每个飞轮单元的位置表示为圆形。

图4示出封围飞轮单元的飞轮容纳单元的实施例的剖视图。

图5示出飞轮容纳单元的实施例，其使用水平板来限制在爆裂或其它故障的情况下可能发生的损坏。

图6示出了飞轮容纳单元的实施例，其中较重的基板在工厂处被附接到容纳单元的底部，从而简化安装。

附图仅出于说明的目的示出本发明的实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，可采用本文所示的结构和方法的替代实施例而不脱离本文所述的本发明的原理。

具体实施方式

描述了一种用于容纳飞轮储能单元的场地的系统。该系统通常独立于所包含的也简称为飞轮单元的飞轮储能单元的技术细节。因此，该系统可以与各种飞轮单元一起使用。更一般地，该系统可用于包含其它装置，并且特别是对于包括易于破裂、爆炸或其它灾难性故障的重型运动部件的装置可能有用。这可能包括其它储能装置，例如电池、电容器、气动装置，或可遭受灾难性故障的其它设备。

飞轮储能系统

图1是根据一个实施例的飞轮储能系统100(也称为飞轮系统 100)的框图。飞轮系统100包括飞轮机构或装置130或简称飞轮130，飞轮130包括飞轮转子130、电动机/交流发电机140、外壳110、功率转换器120、以及电力线150，其可以是AC或DC。例如，电力线150可以是传统的三相60HzAC线。在某些实施例中，功率转换器120将输入交流电转换成电动机/交流发电机140可接受的交流电。或者，在其它实施例中，转换器120将来自电动机/交流发电机140的交流电转换成直流电输出。电动机/ 交流发电机140在电能和机械能之间转换，使得能量可以存储在飞轮130 中或从飞轮130中抽取。电动机/交流发电机120结合了电动机和交流发电机的功能。电动机/交流发电机140直接地(例如使用轴)或间接地(例如使用连接到轴承的短轴)联接到飞轮130。电动机/交流发电机140经由电线或其它电气联接件联接到飞轮系统100的其余部分。

尽管在其它实施例中外壳110被示出为容纳或封围单个飞轮转子130 以及单个电动机/交流发电机140，但是单个外壳可以封围多个转子和电动机/交流发电机。外壳还可封围一个或多个电力转换器。在下文中，通常地，术语“飞轮储能单元”、“飞轮存储单元”、或“简单单元”指的是单个外壳110以及它容纳或封围的任何转子、电动机/交流发电机以及电力转换器，或它们安装到的外壳。

包含一个飞轮储能单元的场地

下面描述包含多个飞轮储能单元的系统的若干实施例。

I.集装箱布局实施例

某些实施例依赖于集装箱化系统，其中单个飞轮单元被一起共同包装成标准的运输容器。实施例通常包括安装在标准40英尺运输容器内的2至 10个飞轮单元。其它类似的构造可使用例如20英尺的运输容器或其它标准容器尺寸。设备可包括单个容器或多个容器。

运输容器途径给予了一种便利的方法，用于将飞轮的子组运输到客户设备场所，带有在工厂预先安装的电气和信号配线。附加的真空和强制空气移动设备也将在工厂预先安装。此外，运输容器提供便利的天气和防晒封壳。每个运输容器连同其所封围的任何飞轮存储单元在下文中称为“能量块”。

为了提供防止转子爆裂的一定程度的安全性，每个容器可安装在场地设备场所的地下。称为碎片容纳介质的填充材料可填充在相邻容器之间。

用于容器阵列的场地设备200的一个代表性实施例在图2A-2C中示出。场地设备200包括五排能量块202，其中单个能量块是包括多个飞轮单元的容器。场地设备200每行包括26个能量块，并且每个能量块电气地连接到 2MW逆变器208。每个能量块都是标准的40英尺长×8英尺宽×8英尺高的运输容器。在每排能量块202的前面和后面有一条小径。有两条周界小径210、两条接入小径212和两条后小径214。在一个实施例中，周界小径 210是20英尺宽，接入小径212是18英尺宽，并且后小径是10英尺宽。然后，整个场地设备200是516英尺长且298英尺宽。周界围栏204封围场地设备200，两个门206提供进入和离开的通道。此外，有用于设备的场所变电站或开关设备220向场地设备200提供电力供应和受电。

图2B和2C示出了容器242被部分掩埋的实施例。场地设备200中的能量块容器的区域密度约为50％。这样，通过挖掘到大约4英尺或每个容器的一半高度的深度，挖掘的土壤可以用作能量块容器之间的回填物，以在能量块之间提供完整的8英尺高的屏障。如图2B所示，容器242下方的土壤被挖掘大约48英寸(4英尺)，并安装在四个基脚244上。在该实施例中，基脚244是36英寸高、24英寸宽的混凝土块。挖掘的土壤围绕容器 242建造大约44英寸，留下进入容器盖的顶部通道。图2C示出了安装在基座244上的，由120英寸(10英尺)的小径隔开的两个相邻容器242的侧视图。

替代的安排是将容器放置在地上，并用含有诸如土壤、沙子、碎石、砾石或任何前述介质的组合的介质的碎片填充容器之间的间隙。在下文中，术语“砾石”用于包括小岩石或卵石的任何类型的聚集，即使它包括一部分沙子或其它材料。

通常，也可以称为含有介质的碎片的填充材料的密度是在转子爆裂的情况下阻止碎片能量的重要参数。因此，最好是密度最高的砾石，沙子是另一个不错的选择，其次是土壤。第二个重要特性是填充材料的土壤承载能力，即其承受压力的能力。通常，砾石被定级为具有最高的土壤承载能力，而且砂、粘土和致密土壤具有可接受的承载能力。最后，在水饱和的情况下，土壤失去了大部分的容纳功能，因此容易使水排出的砾石是优选的。砾石以低廉的价格在世界大部分地区供应。

在给定容器内的单个或多个转子爆裂的情况下，这种布置提供了对相邻容器的保护以防止碎片穿透。然而，在单个转子爆裂的情况下，仍存在容器内所有飞轮单元损失的风险。但是，利用足够的周围容纳，设备确实对设备外周的人员提供了保护。此外，在场地设计过程中可以完全容忍并考虑在许多容器的场地设备内损失单个容器的服务。

II.几何布局实施例

在场地布局的另一种途径中，将单个飞轮单元分开并放置在符合几何型式的特定位置，以在区域内形成阵列或子阵列。几何布局的主要特征是相邻飞轮单元的轴向中心之间的距离相等。六边形或“蜂窝”阵列型式在具有均匀间隔的单个平面中给予最大的密度填充。放置在均匀正交网格线 (正方形网格布局)上的单元的规则阵列是另一个可能的示例，尽管封装密度将稍差于六边形蜂窝方案的封装密度。

在某些实施例中，飞轮单元的组或子阵列可能以几何型式放置，而且相邻的飞轮等距并且与其它子阵列相距某个距离，为将用于维修和安装的车辆留下足够的空间。

在某些实施例中，相邻的飞轮单元用诸如砾石的碎片阻止材料分开，即碎片阻止材料被填充在各个单元之间。单个单元与邻近单元保持安全的规定间隔。

图3示出了蜂窝阵列300的一个实施例，其中每个飞轮单元310的位置表示为圆形。每个圆的中心点是相应飞轮单元310的轴向中心。虽然图3 描绘了7个相邻的飞轮单元，但该设计是可扩展的并且可以容纳任意数量的相邻单元。形成六边形边界的实线用于说明目的，因为在连续的六边形区域之间可能没有物理分界。尽管在某些实施例中，相邻单元之间可能存在物理屏障，但这不是必需的。通常，相邻单元用足够的碎片阻止材料隔离，以保证在任何单元最近的邻近物爆裂失效的情况下该单元的连续运行。

图4示出封围单个飞轮单元110的飞轮容纳单元400的剖视图。容纳单元400包括围绕飞轮单元110的隔离管415，隔离管415将飞轮单元110 与填充物420以及盖405分离。在某些实施例中，盖405包括被动烟囱410。盖405附接到管415。在某些实施例中，容纳单元405放置在底部支承件 430的顶部。在这种情况下，飞轮单元110通常使用螺栓等锚固到底部支承件430。

底部支承件430通常是混凝土，其在安装飞轮110之前倒入管415的底部。该途径的优点在于管415用作底部支承件430的形式；没有其它形式是必要的。

考虑到潜在的腐蚀，管415提供简单的保护屏障以增加单元外壳的寿命。重要的是，它允许在安装飞轮单元110之前回填填充物420，填充物420是碎片拦截介质。在没有管415的情况下，碎片拦截介质将流过底部支承件，阻碍随后的安装或移除。这些管可以由在世界市场上容易获得的涵洞管道的部段制成，。涵洞管道的优点是它通常由镀锌波纹钢制成，并且有数十年的户外服务等级，特别是在处理地下水时。使用铝、沥青和聚合物层压涂料可以进一步提高使用寿命。涵洞管道也称波纹钢管、波纹管涵洞和波纹金属管。然而，管415不必须是波纹状的，并且可以由各种材料制成，包括钢、塑料、玻璃纤维或诸如金属、塑料或陶瓷复合材料的复合材料。

如图4所示，在某些实施例中，飞轮单元110具有多个支脚435，每个支脚435经由锚固件440连接到底部支承件430。底部支承件430搁置在土壤435上，土壤435可以是原位的预先存在的土壤。或者，可能以某种方式压实或调节土壤435。

盖405保护单元免受直接太阳辐射以及恶劣天气的影响。在某些实施例中，它结合了被动烟囱410以增强飞轮单元的对流冷却。应该注意的是，利用有效的飞轮设计，冷却负荷非常小。该保护盖被设计成具有足够的强度和弹性，以捕获飞轮单元110的非旋转部件(诸如由爆裂或其它故障引起的电子部件、轴承盖等)的轴向定向碎片。注意，预计在转子爆裂的情况下，转子碎片将径向而非轴向地射出。

为了提供所需的碎片阻止材料，每个容纳在相应的容纳单元400中的飞轮单元可以安装在地下并且依赖于原位土壤435。或者，飞轮单元可被安装在地上，而且碎片阻止材料回填在单元周围。或者，飞轮单元可被部分地安装在地下且部分地安装在地上，而且碎片阻止材料回填在单元周围。

在飞轮以六边形阵列布置的情况下，六边形型式给予三个线性连续路径方向，用于电力以及信号电缆的直接视线安装。这些方向在角度方向上彼此相互偏移，在安装平面内相互偏移120度。功率和数据连接线可以沿着这些直轴以几何线性方式运行，或者以许多其它方案之一运行。一个示例方案是将单元集群成7或19个单元的自然六边形子集群，以用于电力和信号聚集。然后，子集群将具有聚集的电力和信号的特征，一起行进到集中式逆变器以及硬件控制中心。

三个直线轴为移动龙门起重机或叉车提供了便利的通道，用于安装或拆卸飞轮单元。

重要的是，注意在撞击相邻单元的外壳之前实际上不需要使由转子爆裂产生的碎片停留以避免灾难性损坏。相反，转子爆裂碎片需要充分减速，以便在撞击相邻单元时，外壳仅以可忽略的方式受到影响。已经计算出代表性的1英寸厚的低碳钢外壳的穿孔速度在数百m/s的范围内。

尽管未示出，但是容纳单元400包括用于电力和信号电缆的电气连接部。通过管415的飞轮单元110的电缆到达方法可以通过多种方法中的任何一种，包括但不限于导管隔板配件、带孔的穿孔、或者简单地通过导管形成为穿过在盖405和管415之间形成的通风间隙。

II.1次级轴向碎片的捕获

图5示出飞轮容纳单元500的实施例，其使用安装到管415底部的水平板510以限制在爆裂或其它故障的情况下可能发生的损坏。基本上，容纳单元500是增加板510的容纳单元400的实施例。板510从管415的基部向外或径向延伸预定长度，例如3英寸至2英尺。因此，填充物420直接搁置在板510的顶部上。因此，在失效的情况下，除了飞轮单元110和容纳单元400的组合质量之外，来自进到盖405中的次级碎片的竖直冲击的力必然会提升填充物420质量的一部分。板510可焊接到管415的底部或使用其它机构安装。板510可以是圆形形状，放置在管415下方；替代地，它可以具有管415的直径的圆形切口区域，使得它呈连接到管415并从管415向外延伸的垫圈的形状。

因此，用于径向/水平飞轮容纳的填充物420也用于阻止次级碎片或部件的向上运动。通过迫使这些竖直加速的部件向上运动以提升预定质量的填充物420，盖405的向上运动被限制在相应的预定高度。

因此，盖405和填充物420的组合质量的提升，以及碎片阻止介质内的剪切力有效地吸收了次级碎片的动能。这种能量转移到中，防止盖405 以及来自飞轮单元110的碎片被炸到空中。利用填充物420的质量可避免对更大的保护盖的需求。

III.预装配容纳单元的递送和安装

某些地区中较高的场地劳务工资会导致安装成本过高。移动和放置土壤或骨料的过程以及附加的混凝土和钢筋的要求导致比前面提到的安装技术更高的安装成本。在劳动力成本高的地区，在工厂执行某些任务变得有利，从而减少在场地安装飞轮单元所需的劳动。

具体地说，通过使用大型螺旋钻在场地钻出仅略大于要放置在孔中的飞轮容纳单元的孔，可以减少与土壤的移动和放置相关的劳动。使用的机械非常有效，足够大以容纳飞轮组件的孔在几分钟内就可以钻出。无论孔的放置型式如何，都可以使用这种钻出的孔。孔可以以蜂窝或其它型式钻出，从而使面积、布线和劳动力最小化。可使用任何方法和设备形成孔；因此，孔的形成不限于使用螺旋钻。

图6示出了用于飞轮的容纳单元600的实施例，其中基板610在工厂处附接到容纳单元(例如容纳单元400)的底部，以便降低安装成本。基本上，容纳单元600是容纳单元400的实施例，其中基板610用作底部支承件430。为了消除与底部支承件430是混凝土或水泥地基的实施例相关的劳动、以及与将容纳单元400放置和固定到该地基相关的劳动，基板610在工厂处附接到管415。因此，通过在基板610和容纳单元600之间形成水密密封，例如通过焊接，并提供适当的耐腐蚀处理，容纳单元600变成可以直接放置在土里的孔中的“胶囊”组件。在该特定实施例中，基板610搁置在土壤435上。在某些实施例中，在将容纳单元600放入钻孔中之后，孔用填充物420填充。在其它实施例中，容纳单元400紧密地配合在钻出的孔内部，并且不需要填充物420。

基板610在工厂安装，并且容纳单元600可以被递送到场地，准备好放置在螺旋钻孔中。这进一步降低了运输和安装成本。

其它的构造注意事项

在阅读本公开后，本领域技术人员将通过本文公开的原理理解另外的替代的结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了特定实施例和应用，但是应该理解，所公开的实施例不限于本文公开的精确的构造以及部件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法以及设备的布置、运行以及细节中进行对本领域技术人员显而易见的各种修改、改变和变化。

Claims (14)

1.一种用于容纳飞轮单元的场地的系统，包括：

飞轮单元，其中所述飞轮单元包括飞轮转子、电动机/交流发电机以及外壳，所述电动机/交流发电机联接到所述飞轮转子，所述外壳封围所述飞轮转子和所述电动机/交流发电机；

基板，其中所述飞轮单元在底端处固定地附接至所述基板；

容纳单元，其中所述容纳单元封围相应的飞轮单元，其中每个所述容纳单元包括管以及盖，所述管围绕相应的飞轮单元，所述盖附接到所述管，其中，所述管是商购的涵洞管道的部段，并且其中，所述容纳单元及其对应的飞轮单元设置在地面中的基本上圆筒形的孔中，其中，所述基板在所述孔的底部处搁置在所示地面上；以及

碎片容纳介质，所述碎片容纳介质围绕每个所述容纳单元，所述碎片容纳介质基本上填充所述容纳单元与所述孔的内表面之间的间隙，其中，所述碎片容纳介质选自土壤、沙子，碎石和砾石构成的组。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个飞轮单元具有多个支脚，并且每个所述支脚在一端附接至所述外壳底部且在另一端锚固到所述基板。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括以几何形式布置的多个飞轮单元。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基板由钢、塑料、混凝土或复合板制成。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述盖包括烟囱。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述管由波纹钢或塑料管制成。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述容纳单元还包括安装到所述管底部的板，所述板从所述管径向地向外延伸，并且其中所述填充介质搁置在所述板的顶部。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述几何形式是矩形网格，其中所述飞轮单元放置在均匀的正交网格线上。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞轮单元的场地还包括飞轮单元的集群，并且其中所述集群中的每个飞轮单元电气地连接到共用的逆变器以及硬件控制中心。

10.一种用于容纳飞轮单元的装置，包括：

管，所述管封围飞轮单元，其中所述管是商购的涵洞管道的部段；

盖，所述盖附接到所述圆筒形管的顶部；以及

基板，所述基板附接到所述管的底部，所述飞轮单元安装到所述基板，其中，所述飞轮单元包括飞轮转子、电动机/交流发电机以及外壳，所述电动机/交流发电机联接到所述飞轮转子，所述外壳封围所述飞轮转子和所述电动机/交流发电机，其中，所述外壳固定地安装至所述基板。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述飞轮单元具有一个或多个支脚，并且所述一个或多个支脚中的每一个锚固到所述基板。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述基板由混凝土、钢、塑料或复合材料制成。

13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述盖包括烟囱。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述管由波纹钢或塑料管制成。

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