CN112510894A - 一种飞轮储能转子散热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞轮储能转子散热系统，主要由热管、翅片冷却结构、循环泵等构成。电动/发电一体机转子、电磁轴承转子和飞轮转子同轴固定，内部打孔，与旋转热管通过黏合、过盈配合、铜焊或锡焊连接。转子与真空壳体之间采用磁流体密封。本发明在热管蒸发段布置散热翅片，利用热管内工质从液态到气态的转变，将转子内部热量取出，采用循环泵排送氦气对热管蒸发段进行冷却，并通过冷却换热器冷却后循环。本发明具有换热效率高，散热量大的优点，可解决飞轮储能真空转子的散热问题。

Description

一种飞轮储能转子散热系统
技术领域
本发明属于能量储存技术领域，涉及一种飞轮储能系统，具体涉及热管传热和真空条件下飞轮储能系统的转子散热系统。
背景技术
二十一世纪以来，人类社会飞速发展，科技创新日新月异，人口和经济也不断增长，强化了对能源的需求。随着全球不可再生能源资源日益枯竭预期的强化，能源供需矛盾突显。大规模开发和利用可再生能源成为解决能源危机的最佳手段，但是风能和太阳能代表的可再生能源具有很强的间隙性和波动性，调节难度大，大规模并网将对电网稳定性产生较大影响，很大程度上限制了可再生能源的利用。在电网中加入动态响应速度快的大功率储能设备实现功率平滑控制、电网频率调整和符合波动补偿，来提高新能源并网系统的运行稳定性是行之有效的解决方案。
目前常见的电力储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能、超级电容储能、超导磁储能等。飞轮储能具有比能量高、比功率高、充/放电次数与充/放电深度无关、能量转化效率高、可靠性高、易维护、对环境友好等优点。这些特点决定了飞轮储能适合用于需要短时大功率电能输出且充放电次数频繁的场合，已经在轨道交通能量回收、新能源并网发电、不间断电源等领域得到应用。
早在上世纪50年代研究人员就提出了飞轮储能的方案，但是受到当时科技水平的限制，制造出来的飞轮存在转速低，储能密度低和系统复杂的问题。20世纪90年代以来，随着高比强度新材料、高效电力电子变换器、高速高效电机转子材料和结构等技术的发展，飞轮储能技术获得了突破性发展。磁悬浮轴承技术和真空技术的联合使用，降低了飞轮储能系统的摩擦损耗，大大提高了飞轮储能系统的效率；高效能高强度度复合材料的成功研制使飞轮的周边线速度超过1000m/s，大大提高了飞轮的储能密度；现代电力电子技术的发展，解决了电机控制及机械能-电能的传递和转换问题，增强了飞轮储能系统的安全性和可靠性。在飞轮储能技术在向高效率、大功率、高转速、短时高频次充放电等发展方向迈进的过程中，飞轮储能系统也面临着严峻的散热考验。真空环境的引入使飞轮储能系统中转子的风阻损失大大降低，但由于转子整个在真空环境中，其在旋转过程中产生的涡流损耗基本上全部转化为热量，引起温度上升，此时其热量很难在高真空环境中散发出去，严重影响飞轮储能系统的安全性和可靠性。
申请号为CN201810915710.5的发明专利“一种真空环境中电机转子的散热装置及散热方法”公布了一种真空环境中电机转子的散热方法，通过对定子内表面添加黑镀铬镀层，转子外表面增加热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层，增强转子的辐射能力，强化定子的辐射吸收能力，在转子两个端面增加热电转换装置，将转子内产生的热量转化为能被定子侧吸收的辐射能，从而降低转子温升。然而，这种方法和装置通过强化在真空环境下热辐射进行能量传递，由于辐射换热温差有限，其热传递能力提高程度有限，不能完全满足飞轮储能系统转子的散热需求。
发明内容
针对现有飞轮储能系统在真空环境下转子散热的难题，本发明的目的是提出一种飞轮储能转子散热系统，可以不局限于真空辐射换热的强化，在保持转子大部分处于真空条件下，将转子散热部件和真空环境分离，为飞轮储能系统转子的散热提供有效解决方案。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种飞轮储能转子散热系统，至少包括一真空壳体、一转动支撑在所述真空壳体两端的中空转轴以及设置在所述真空壳体内的至少一电动/发电一体机、一飞轮和一电磁轴承，所述电动/发电一体机、电磁轴承的转子部件以及所述飞轮均固定设置在所述中空转轴上，其特征在于，
所述飞轮储能转子散热系统至少还包括一转子冷却罩、一热管、一循环泵和一冷却换热器，其中，
所述转子冷却罩设置在所述真空壳体的一端外侧，
所述热管的主体部分伸入所述中空转轴内，并形成为所述热管的蒸发段，所述热管的末端伸入所述转子冷却罩内，并形成为所述热管的冷凝段，
所述转子冷却罩、循环泵、冷却换热器的热侧通过管路连接形成一循环回路，所述循环回路内填充有换热介质，
所述热管的蒸发段用以吸收所述电动/发电一体机、电磁轴承的转子部件通过所述中空转轴及热管壁面传导的热量，所述热管的冷凝段用以将热量散发到所述转子冷却罩内的换热介质中，所述冷却换热器用以将所述换热介质中的热量散发到外界环境中。
优选地，所述中空转轴通过一下径向轴承、一上径向轴承限位并转动支撑在所述真空壳体的两端。
优选地，所述转子冷却罩布置在所述真空壳体上方，所述循环回路内的换热介质为低压氦气，所述热管的主体部分镶嵌在所述中空转轴内部。
优选地，所述热管的主体部分与所述中空转轴通过黏合、过盈配合、铜焊或锡焊连接，实现两者的紧密贴合。
优选地，所述真空外壳与中空转轴之间采用磁流体密封装置进行密封，磁流体在磁场作用下形成多道液体O型密封环阻止泄漏，将飞轮转子散热部件与真空环境分离。本发明的飞轮储能转子散热系统，其工作过程为：
所述飞轮储能系统主要发热部件处于真空壳体内，所述飞轮储能系统储/释能过程中，在所述电动/发电一体机及电磁轴承处产生热量，热量沿中空转轴和热管壁面传导到热管蒸发段的液态工质，使液态工质气化，气态工质在热管内向上流动到冷凝段，在冷凝段将热量传导到转子冷却罩内的换热介质中。热量被换热介质吸收后经过冷却换热器排出。在冷凝段气态工质冷凝成为液态工质，受重力或离心力作用，沿着热管内壁向下流动到热管的蒸发段，达到降低转子温度，保证飞轮储能系统安全稳定运行的目的。
优选地，所述真空壳体的外部安装一真空泵，所述真空泵的进气口与所述真空壳体的内腔连通。
优选地，所述热管为旋转热管，所述旋转热管的工作温度为-50℃至300℃，所述旋转热管的工质为丙酮、甲醇、水等。
优选地，所述热管的冷凝段的外壁面上布置散热翅片，所述散热翅片按照一定间距排列，在所述中空转轴旋转过程中散热翅片也随之旋转。
同现有技术相比，本发明的飞轮储能转子散热系统具有显著的技术优点：实现了转子散热部件与飞轮储能系统真空环境的分离，采用比辐射换热更为高效的对流换热方式对转子散热，换热量大，可有效降低转子温度，具有换热效率高、灵活性强、损耗小等优点。
附图说明
图1为本发明的飞轮储能转子散热系统实施例的结构示意图；
图2为本发明的实施例中热管的结构示意图；
图3为本发明的实施例中密封装置的示意图；
其中，各附图标记的含义如下：
真空壳体1、下径向轴承2、飞轮3、真空泵4、电磁轴承5、中空转轴6、电动/发电一体机7、热管8、上径向轴承9、密封装置10、循环泵11、转子冷却罩12、散热翅片13、冷却换热器14、蒸发段15、气态工质16、液态工质17、冷凝段18，磁流体19，磁极靴20，永磁体21。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图1所示，本发明的飞轮储能转子散热系统，包括真空壳体1、下径向轴承2、飞轮3、真空泵4、电磁轴承5、中空转轴6、电动/发电一体机7、热管8、上径向轴承9、密封装置10、循环泵11、转子冷却罩12、散热翅片13、冷却换热器14。
如图2所示，为本发明飞轮储能转子散热系统实施例中热管的结构示意图。其中，蒸发段15位于热管下部，冷凝段18位于热管上部，气态工质16从热管中间向上流动，液态工质17沿热管内壁向下流动。
如图3所示，为本发明的飞轮储能转子散热系统实施例中密封装置的示意图。其中，磁流体19位于磁极靴20与中空转轴6之间的密封空隙内，两个磁极靴之间，永磁体将两个磁极靴连接。磁流体在磁场作用下形成多道液体O型密封环，阻止泄漏。
继续参见图1，真空泵4的进气口与真空壳体1的内腔连通。转子冷却罩12布置在真空壳体1上方，通过回路管道串联转子冷却罩12、循环泵11和冷却换热器14，形成封闭回路，其内部充满低压氦气，电动/发电一体机7的转子、电磁轴承5的转子和飞轮3的转子同轴固定连接并且热管8镶嵌在中空转轴6内部，热管8与中空转轴6通过黏合、过盈配合、铜焊或锡焊连接。真空外壳1与中空转轴6之间采用的密封装置10为磁流体密封装置，将飞轮转子散热部件与真空环境分离。
本发明的飞轮储能转子散热系统，其工作过程为：
飞轮储能系统储/释能过程中，在电动/发电一体机7及电磁轴承5处产生热量，热量沿转子和热管壁面传导到热管8下部蒸发段15的液态工质17，使液态工质17气化，气态工质16携带热量在热管8内向上流动到冷凝段18，在冷凝段18将热量传导到散热翅片13，被循环泵11从管路中排送的低温氦气通过对流方式所冷却，并将热量带走。热量被低温氦气吸收后经过冷却换热器14排出。在冷凝段18内气态工质16冷凝变为液态工质17，受重力或离心力作用，沿着热管8内壁向下流动到蒸发段15，达到降低转子温度，保证飞轮储能系统安全稳定运行的目的。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种飞轮储能转子散热系统，至少包括一真空壳体、一转动支撑在所述真空壳体两端的中空转轴以及设置在所述真空壳体内的至少一电动/发电一体机、一飞轮和一电磁轴承，所述电动/发电一体机、电磁轴承的转子部件以及所述飞轮均固定设置在所述中空转轴上，其特征在于，
所述飞轮储能转子散热系统至少还包括一转子冷却罩、一热管、一循环泵和一冷却换热器，其中，
所述转子冷却罩设置在所述真空壳体的一端外侧，
所述热管的主体部分伸入所述中空转轴内，并形成为所述热管的蒸发段，所述热管的末端伸入所述转子冷却罩内，并形成为所述热管的冷凝段，
所述转子冷却罩、循环泵、冷却换热器的热侧通过管路连接形成一循环回路，所述循环回路内填充有换热介质，
所述热管的蒸发段用以吸收所述电动/发电一体机、电磁轴承的转子部件通过所述中空转轴及热管壁面传导的热量，所述热管的冷凝段用以将热量散发到所述转子冷却罩内的换热介质中，所述冷却换热器用以将所述换热介质中的热量散发到外界环境中。
2.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述中空转轴通过一下径向轴承、一上径向轴承限位并转动支撑在所述真空壳体的两端。
3.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述转子冷却罩布置在所述真空壳体上方，所述循环回路内的换热介质为低压氦气，所述热管的主体部分镶嵌在所述中空转轴内部。
4.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述热管的主体部分与所述中空转轴通过黏合、过盈配合、铜焊或锡焊连接，实现两者的紧密贴合。
5.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述真空外壳与中空转轴之间采用磁流体密封装置进行密封，磁流体在磁场作用下形成多道液体O型密封环阻止泄漏。
6.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述真空壳体的外部安装一真空泵，所述真空泵的进气口与所述真空壳体的内腔连通。
7.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述热管为旋转热管，所述旋转热管的工作温度为-50℃至300℃，所述旋转热管的工质为丙酮、甲醇、水等。
8.根据上述权利要求所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述热管的冷凝段的外壁面上布置散热翅片，所述散热翅片按照一定间距排列，在所述中空转轴旋转过程中散热翅片也随之旋转。
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