CN109474120B - 一种储能飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械储能装置，具体涉及一种储能飞轮。包括飞轮、第一支撑板、驱动电动机、发电机、第二支撑板、水池、水轮发电机、抽水机、注水管和控制器，飞轮包括储水部、注水部、排水部和安装部，排水部位于储水部轴心处，注水部固定在储水部上方，排水部穿过第一支撑板和第二支撑板，安装部与第一支撑板铰接连接，驱动电动机和发电机均固定安装在第二支撑板上，水轮发电机和抽水机安装在水池上方，水轮发电机与排水部位置匹配，注水管第一端与抽水机输出端连接，注水管第二端与注水部匹配。本发明的实质性效果是：提高飞轮储能的效率，减小飞轮储能过程中摩擦力造成的能力损失。

Description

一种储能飞轮

技术领域

本发明涉及机械储能装置，具体涉及一种储能飞轮。

背景技术

目前技术最为成熟的储能方式为抽水储能和飞轮储能，抽水储能是将低处的水抽到高处，将电能转换为水的势能储存起来，在放电时将高处的水释放，驱动水轮发电机发电。飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来储存电能，在电能富余时由电动机带动飞轮高速旋转，在放电时利用高速旋转的飞轮的动能驱动发电机发电。飞轮储能所需的空间小、部署简单快速、最低储能门槛低，因而适合应用在包含清洁能源的区域电网的稳定性调节中，当太阳能、风能等出力突然增大，电网来不及消纳时，由飞轮储能装置暂时储存，随后电网中热力发电装置减少出力，将飞轮储存的电能释放消纳。但是，飞轮储能过程中由于摩擦力的存在会不断损失能量。如何降低飞轮储存过程中摩擦力造成的能量损耗成为目前飞轮储能技术领域热门的课题。

中国专利号CN201113653Y，公开日2008年9月10日，一种磁悬浮飞轮储能装置，包括前端盖的内端面轴承座有磁悬浮轴承，后端盖的内端面轴承座有磁悬浮轴承，两套磁悬浮轴承分别安装在电机转轴两端上，装在转轴坤端的飞轮之间用平键连接，电控制器输出端接线接通电机的输入端，机械泵抽气管口接上抽气管一端，抽气管另一端接通壳体内的气管嘴，水泵输出端接通出水管一端，出水管的另一端分别接通夹层前端盖进水嘴、夹层壳体进水嘴、夹层后端盖进水嘴，水泵分别接通前端盖、壳体、后端盖的进水嘴和出水嘴。其有结构简单、维护方便、运行成本低、无需注滑、振动小、噪声低、温升低、电机转速易提高的优点。但其实现技术效果的核心是磁悬浮轴承以及抽成真空的壳体，永磁铁的磁场强度有限，因而使用永磁铁的磁悬浮轴承的承载能力有限，而使用电磁铁的磁悬浮轴承需要耗能，且磁悬浮技术难度大成本高维护难，因而其储能容量有限、成本高。

旋转飞轮在旋转过程中，由于受到摩擦力和空气的阻力而导致能量损失，而其中摩擦力导致的能力损失占据主要，飞轮所受摩擦力仅与飞轮重量和轴承摩擦系数有关，摩擦力导致的能量损失的功率为P0=μMgwr²/2，其中μ为轴承动摩擦系数，M为飞轮总质量，g为重力加速度，w为飞轮旋转角速度，r为飞轮半径，在给定机械装置且装置良好运行的前提下，摩擦力导致的能力损失的功率正比于w；此时飞轮储存的能量为W=Jw²/2，其值正比于w²。

由此可知，当w增大时，飞轮储存能量的增量远大于摩擦力损耗功率的增量，即飞轮旋转角速度越大，单位时间内摩擦力造成的能量损耗占飞轮储存能量的占比就越小，因而在飞轮储能过程中，提高飞轮转速或者将飞轮的转速更长时间地维持在最高转速，能够提高飞轮储能的效率。同时，将飞轮转速的稳定，有利于提高发电机转速的稳定性，提高发电效率和电能质量。而目前的储能飞轮多为金属材料一体结构，质量和半径均为固定值，增加储能量的唯一方式就是增加转速，而释放能量时必然导致转速降低，不具备在增加储能时降低转速的能力，也不具备在释放能量时维持转速的能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前储能飞轮在储能过程中不具备主动调节转速功能的技术问题。提出了一种动态注水改变飞轮质量和转动惯量能够在储能释能过程中主动调节转速的储能飞轮。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种储能飞轮，包括飞轮、第一支撑板、驱动电动机、发电机、第二支撑板、水池、水轮发电机、抽水机、注水管和控制器，所述第二支撑板位于第一支撑板下方，所述飞轮包括储水部、注水部、排水部和安装部，所述储水部呈圆柱体形，排水部为圆管，所述安装部为带有台阶的圆柱体，所述排水部位于储水部中心下方，所述注水部固定在储水部上方，所述排水部穿过第一支撑板和第二支撑板，安装部固定在储水部下方，安装部与第一支撑板铰接连接，所述驱动电动机和发电机均与排水部传动连接，驱动电动机和发电机均固定安装在第二支撑板上，水池位于第二支撑板下方，水轮发电机和抽水机安装在水池上方，水轮发电机与排水部位置匹配，注水管第一端与抽水机输出端连接，注水管第二端与注水部匹配，驱动电动机、发电机、水轮发电机和抽水机均与控制器连接。飞轮启动时储水部内无水，飞轮质量较轻，转动惯量也最小，在驱动电动机功率固定的情况下能够最快的将转速提高的最高转速附近，而后需要增加储能量时，就通过抽水机将水池内的水通过注水部注入到储水部，增加飞轮的转动惯量，在飞轮转速基本不变的情况下大幅增加飞轮存储能量的总量，当飞轮释放全部旋转动能后，若储水部内存储有水，则将水通过排水部排出，驱动水轮机发电，增加储能飞轮释放电能的总量。

作为优选，所述飞轮储水部包括轮盖、轮体和芯柱，所述轮体包括底板、外壁、若干个中间壁和若干个导流板，所述底板为圆板，底板中心有圆孔，外壁和中间壁均为圆环柱，外壁和中间壁的高度相等，外壁外缘直径等于底板外缘直径，外壁底端面与底板同心固定连接，若干个中间壁的外缘直径依次增大且均小于外壁外缘直径，若干个中间壁均与底板同心固定连接，中间壁和外壁位于底板的同侧，所述中间壁开有至少一个缺口，所述若干个中间壁的缺口沿底板的径向排列，所述缺口高度与中间壁高度相等，所述导流板第一端连接一个中间壁缺口沿旋转线速度方向靠前的侧面，导流板第二端连接该中间壁外侧相邻的中间壁缺口沿旋转线速度方向靠后的侧面，与最外侧中间壁缺口的沿旋转线速度方向靠前的侧面连接的导流板的第二端与外壁连接，与最内侧中间壁缺口的沿旋转线速度方向靠后的侧面连接的导流板的第一端与芯柱连接，导流板的第二端沿缺口旋转线速度方向落后于第一端，所述若干个中间壁的缺口两侧面均有导流板与之连接。储能部中的水在旋转时，由于离心力将向外移动，向外移动的过程中增加了飞轮的转动惯量，在飞轮增加储能量时，能够使飞轮转速稳定，使得飞轮可以更早地接近最高转速，在后续增加储能时依靠增加注水量以及已注入水体的外移在不超过最高允许转速的前提下提高储能量。当飞轮释放能量时，由于导流板的角度，会使储水部的水推动飞轮旋转的同时向飞轮轴心移动，减小飞轮整体的转动惯量，由于角动量守恒，当转动惯量减小时，转速将提高，因而能够使飞轮具有维持转速的能力。

作为优选，还包括电磁阀，轮盖呈中间开有圆孔的圆板形，轮盖外缘直径与外壁外缘直径相等，轮盖与外壁上端面同心固定连接，注水部位于轮盖上方，注水部与轮盖同心固定连接，芯柱位于底板中心处，芯柱为底端开口的空心圆柱体，芯柱上部沿径向开有通槽，芯柱底端开口内径与底板中心圆孔直径相等，芯柱底端与底板同心固定连接，芯柱底端与底板之间有间隙，所述电磁阀安装在底板中心圆孔上并与圆孔匹配，排水部以及安装部均与底板同心固定连接，电磁阀与控制器连接。当飞轮释放能量时，飞轮储水部内的水体将向飞轮轴心移动，导致芯柱周围水位上升，当水位上升到通槽位置时，水体将通过通槽流经芯柱空心和排水部到达水轮发电机，驱动水轮发电机发电，若通槽排水速率不足时，可以打开芯柱下方的电磁阀，加快排水速率，也可以在需要时直接排水，比如飞轮停止转动后，将飞轮储水部内的水全部放出用于驱动水轮机发电。

作为优选，所述芯柱顶端为圆锥形，所述注水部为向上开口的喇叭口，所述注水管第二端与芯柱圆锥形顶端同轴心。芯柱顶端的圆锥形和喇叭口的注水部能够避免水体外溅。

作为优选，所述导流板包括短铰接板和长铰接板，短铰接板和长铰接板铰接连接，短铰接板和长铰接板铰接处有限位装置，所述限位装置限制短铰接杆和长铰接杆的夹角始终为锐角，短铰接板和长铰接板均为长方形板，短铰接板和长铰接板高度均与中间壁相当，短铰接板的自由端为导流板的第一端，长铰接板的自由端为导流板的第二端，导流板第一端以及第二端与缺口侧面以及外壁的连接均为铰接连接，长铰接板自由端与中间壁缺口侧面以及外壁铰接处均安装有扭簧，所述扭簧使长铰接板和短铰接杆的夹角趋向于增大。当飞轮释放能量更快时，飞轮需要更多的水体更快的向轴心移动，以弥补转速的损失，此时水体与导流板之间的压力也更大，利用压力的增大压将长铰接板推开更大的开角，同时增大了缺口的可通过区域，使水体更快的向轴心方向移动；同样的，当飞轮释放能量更慢时，水体将更慢的向轴心方向移动，从而使飞轮具有更加稳定的转速。

作为优选，所述中间壁开有偶数个缺口，所述偶数个缺口沿轮体中轴线呈圆周对称分布。多个缺口能够增加水体远离或靠近飞轮轴心的速度，使飞轮调节转速更加灵敏和快速。

作为优选，所述若干个中间壁的外缘直径数值呈等差数列。等间距分布的中间壁允许导流板具有相同的尺寸，方便加工和安装。

本发明的实质性效果是：提高飞轮储能的效率，减小飞轮储能过程中摩擦力造成的能力损失。

附图说明

图1为储能飞轮结构图。

图2为轮体俯视图。

图3为轮体斜视图。

图4为导流板结构示意图。

图5为导流板斜视图。

其中：1、轮盖，2、轮体，3、第一支撑板，4、驱动传动机构，5、驱动电动机，6、第二支撑板，7、水轮发电机，8、水池，9、注水部，10、安装部，11、轴承，12、发电传动机构，13、发电机，14、排水部，15、注水管，16、抽水机，17、外壁，18、中间壁，19、导流板，20、芯柱，21、短铰接板，22、长铰接板。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

如图1所示，为储能飞轮结构图，第二支撑板6位于第一支撑板3下方，飞轮包括储水部、注水部9、排水部14和安装部10，储水部呈圆柱体形，排水部14为圆管，安装部10为带有台阶的圆柱体，排水部14位于储水部中心下方，注水部9固定在储水部上方，排水部14穿过第一支撑板3和第二支撑板6，安装部10固定在储水部下方，安装部10与第一支撑板3铰接连接，安装部10与第一支撑板3之间可以采用安装轴承11的方式连接，轴承11为止推轴承，也可以采用滑动轴承以及润滑良好的端面配合连接，驱动电动机5通过驱动传动机构4与排水部14传动连接，发电机13通过发电传动机构12与排水部14传动连接，驱动电动机5和发电机13均固定安装在第二支撑板6上，水池8位于第二支撑板6下方，水轮发电机7和抽水机16安装在水池8上方，水轮发电机7与排水部14位置匹配，注水管15第一端与抽水机16输出端连接，注水管15第二端与注水部9匹配，驱动电动机5、发电机13、水轮发电机7和抽水机16均与控制器连接，控制器包括驱动电动机调速电路，驱动传动机构4可以是始终保持传动的机构，也可以是带有电控离合器的传动机构。当采用始终保持传动的机构时，驱动电动机5需要是励磁式电动机，当需要储能时励磁线圈通电，当需要发电时励磁线圈断电；当采用带有电动离合器时控制器还包括对应电控离合器的控制电路，当需要储能时电动离合器闭合并逐渐提高驱动电动机5的转速直至最高转速，此时驱动电动机5可以为励磁式也可以使用永磁式电动机。控制器还包括发电机13的输出电流调压及变频电路，将发电机13输出的电能调整成后并网，发电传动机构12可以是始终保持传动的机构，也可以是带有电控离合器的传动机构。当采用始终保持传动的机构时，发电机13需要是励磁式发电机，当需要储能时励磁线圈通电，当需要发电时励磁线圈断电；当采用带有电动离合器时控制器还包括对应电控离合器的控制电路。

如图2所示，为轮体俯视图，如图3所示，为轮体斜视图，飞轮储水部包括轮盖1、轮体2和芯柱20，轮体2包括底板、外壁17、若干个中间壁18和若干个导流板19，底板为圆板，底板中心有圆孔，外壁17和中间壁18均为圆环柱，外壁17和中间壁18的高度相等，外壁17外缘直径等于底板外缘直径，外壁17底端面与底板同心固定连接，若干个中间壁18的外缘直径依次增大且均小于外壁17外缘直径，若干个中间壁18的外缘直径开有呈等差数列分布以减少导流板19的尺寸种类，方便加工，也可以根据实际需要设置成内密外疏的分布以增大最大储能量，若干个中间壁18均与底板同心固定连接，中间壁18和外壁17位于底板的同侧，中间壁18开有至少一个缺口，在本实施例中，以开有两个缺口为例进行说明，开有偶数个缺口，且缺口沿圆周对称分布具有类似的实施方式，若干个中间壁18的缺口沿底板的径向排列，缺口高度与中间壁18高度相等，导流板19第一端连接一个中间壁18缺口沿旋转线速度方向靠前的侧面，导流板19第二端连接该中间壁18外侧相邻的中间壁18的缺口沿旋转线速度方向靠后的侧面，第一端与最外侧中间壁18的缺口的旋转线速度方向靠前的侧面连接的导流板19的第二端与外壁17连接，第二端与最内侧中间壁18的缺口的旋转线速度方向靠后的侧面连接的导流板19的第一端与芯柱20连接，导流板19的第二端沿缺口旋转线速度方向落后于第一端，若干个中间壁18的缺口两侧面均有导流板19与之连接。

轮盖1呈中间开有圆孔的圆板形，轮盖1外缘直径与外壁17外缘直径相等，轮盖1与外壁17上端面同心固定连接，注水部9位于轮盖1上方，注水部9与轮盖1同心固定连接，芯柱20位于底板中心处，芯柱20为底端开口的空心圆柱体，芯柱20上部沿径向开有通槽，芯柱20底端开口内径与底板中心圆孔直径相等，芯柱20底端与底板同心固定连接，芯柱20底端与底板之间有间隙，电磁阀安装在底板中心圆孔上并与圆孔匹配，排水部14以及安装部10均与底板同心固定连接，电磁阀与控制器连接，控制器包括对应的电磁阀控制电路，当需要发电时电磁阀打开，当需要储能时电磁阀关闭。

如图4所示，为导流板结构示意图，如图5所示，为导流板俯视图，导流板19包括短铰接板21和长铰接板22，短铰接板21和长铰接板22铰接连接，短铰接板21和长铰接板22铰接处有限位装置，限位装置限制短铰接杆21和长铰接杆22的夹角始终为锐角，短铰接板21和长铰接板22均为长方形板，短铰接板21和长铰接板22高度均与中间壁18相当，短铰接板21的自由端为导流板19的第一端，长铰接板22的自由端为导流板19的第二端，导流板19第一端以及第二端与中间壁18的缺口侧面以及外壁17的连接均为铰接连接，长铰接板22自由端与缺口侧面以及外壁17铰接处均安装有扭簧，扭簧使长铰接板22和短铰接杆21的夹角趋向于增大。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种储能飞轮，其特征在于，

包括飞轮、第一支撑板、驱动电动机、发电机、第二支撑板、水池、水轮发电机、抽水机、注水管和控制器，所述第二支撑板位于第一支撑板下方，所述飞轮包括储水部、注水部、排水部和安装部，所述储水部呈圆柱体形，排水部为圆管，所述安装部为带有台阶的圆柱体，所述排水部位于储水部中心下方，所述注水部固定在储水部上方，所述排水部穿过第一支撑板和第二支撑板，安装部固定在储水部下方，安装部与第一支撑板铰接连接，所述驱动电动机和发电机均与排水部传动连接，驱动电动机和发电机均固定安装在第二支撑板上，水池位于第二支撑板下方，水轮发电机和抽水机安装在水池上方，水轮发电机与排水部位置匹配，注水管第一端与抽水机输出端连接，注水管第二端与注水部匹配，驱动电动机、发电机、水轮发电机和抽水机均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种储能飞轮，其特征在于，

飞轮储水部包括轮盖、轮体和芯柱，所述轮体包括底板、外壁、若干个中间壁和若干个导流板，所述底板为圆板，底板中心有圆孔，外壁和中间壁均为圆环柱，外壁和中间壁的高度相等，外壁外缘直径等于底板外缘直径，外壁底端面与底板同心固定连接，若干个中间壁的外缘直径依次增大且均小于外壁外缘直径，若干个中间壁均与底板同心固定连接，中间壁和外壁位于底板的同侧，所述中间壁开有至少一个缺口，所述若干个中间壁的缺口沿底板的径向排列，所述缺口高度与中间壁高度相等，所述导流板第一端连接一个中间壁缺口沿旋转线速度方向靠前的侧面，导流板第二端连接该中间壁外侧相邻的中间壁缺口沿旋转线速度方向靠后的侧面，与最外侧中间壁缺口的沿旋转线速度方向靠前的侧面连接的导流板的第二端与外壁连接，与最内侧中间壁缺口的沿旋转线速度方向靠后的侧面连接的导流板的第一端与芯柱连接，导流板的第二端沿缺口旋转线速度方向落后于第一端，所述若干个中间壁的缺口两侧面均有导流板与之连接。

3.根据权利要求2所述的一种储能飞轮，其特征在于，

还包括电磁阀，轮盖呈中间开有圆孔的圆板形，轮盖外缘直径与外壁外缘直径相等，轮盖与外壁上端面同心固定连接，注水部位于轮盖上方，注水部与轮盖同心固定连接，芯柱位于底板中心处，芯柱为底端开口的空心圆柱体，芯柱上部沿径向开有通槽，芯柱底端开口内径与底板中心圆孔直径相等，芯柱底端与底板同心固定连接，芯柱底端与底板之间有间隙，所述电磁阀安装在底板中心圆孔上并与圆孔匹配，排水部以及安装部均与底板同心固定连接，电磁阀与控制器连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述芯柱顶端为圆锥形，所述注水部为向上开口的喇叭口，所述注水管第二端与芯柱圆锥形顶端同轴心。

5.根据权利要求2或3所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述导流板包括短铰接板和长铰接板，短铰接板和长铰接板铰接连接，短铰接板和长铰接板铰接处有限位装置，所述限位装置限制短铰接杆和长铰接杆的夹角始终为锐角，短铰接板和长铰接板均为长方形板，短铰接板和长铰接板高度均与中间壁相当，短铰接板的自由端为导流板的第一端，长铰接板的自由端为导流板的第二端，导流板第一端以及第二端与中间壁缺口侧面以及外壁的连接均为铰接连接，长铰接板自由端与缺口侧面以及外壁铰接处均安装有扭簧，所述扭簧使长铰接板和短铰接杆的夹角趋向于增大。

6.根据权利要求4所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述导流板包括短铰接板和长铰接板，短铰接板和长铰接板铰接连接，短铰接板和长铰接板铰接处有限位装置，所述限位装置限制短铰接杆和长铰接杆的夹角始终为锐角，短铰接板和长铰接板均为长方形板，短铰接板和长铰接板高度均与中间壁相当，短铰接板的自由端为导流板的第一端，长铰接板的自由端为导流板的第二端，导流板第一端以及第二端与中间壁缺口侧面以及外壁的连接均为铰接连接，长铰接板自由端与缺口侧面以及外壁铰接处均安装有扭簧，所述扭簧使长铰接板和短铰接杆的夹角趋向于增大。

7.根据权利要求2或3所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述中间壁开有偶数个缺口，所述偶数个缺口沿轮体中轴线呈圆周对称分布。

8.根据权利要求4所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述中间壁开有偶数个缺口，所述偶数个缺口沿轮体中轴线呈圆周对称分布。

9.根据权利要求2或3所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述若干个中间壁的外缘直径数值呈等差数列。

10.根据权利要求4所述的一种储能飞轮，其特征在于，

所述若干个中间壁的外缘直径数值呈等差数列。