CN112531962B - 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，主要由真空壳体、电磁轴承、转子、飞轮、电机、冷凝段、散热翅片、风机、液‑气相变工质等构成。转子为中空结构，冷凝段在转子旋转过程中保持静止。液‑气相变工质在转子轴孔下部吸收电机和电磁轴承产生的热量，从液态变为气态，在冷凝段被风机从大气环境中排送的常温空气通过对流方式所冷却，从气态变回液态，在重力或离心力作用下沿轴孔外壁流动到转子轴孔下部。如此循环实现飞轮储能系统转子的散热。转子和密封壳体之间采用磁流体密封。相比辐射换热，本发明采用的对流换热方式更为高效，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。

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，具体涉及一种真空条件下飞轮储能转子散热系统。
背景技术
近年来，随着太阳能、风能等可再生能源的大规模开发和利用，给电网的安全性和可靠性带来了严重的考验。储能技术被公认可以从根本上解决可再生能源发电大规模的并网问题。现在的储能技术主要有机械储能(抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能)、化学储能(液流电池储能、锂电池储能、铅酸电池储能等电池储能技术)、电磁储能(超导储能、超级电容储能)等。飞轮储能是利用旋转机械能储存能量的技术，由于其工作效率高、储能密度大、可快速充放电、循环寿命长、无性能衰减、维护成本低、环境友好等优点，在航空航天、交通运输、电力系统等领域具有广泛的应用前景。
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。磁悬浮轴承和真空技术的联合使用，大大减低了飞轮储能系统的摩擦损失，提高了系统效率；高比强度新材料的开发利用以及新型高速电机的发明使得可以应用更高转速的飞轮，大大提高了飞轮储能系统的储能密度；现在电力电子技术的发展，解决了电机控制和能量的传递和转换问题，提高了系统的可靠性。现代飞轮储能技术具有转速高、系统紧凑的特点，在高转速、小空间、真空环境下其电机转子、电磁轴承转子的涡流损失几乎全部转化为热量，很难传递出去，这成为制约飞轮储能技术发展的严峻考验。
发明内容
针对现有飞轮储能系统在高转速、小空间、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，可以不局限于换热系数较低的辐射换热的强化，保持转子大部分处于真空条件下，转子冷却部件不随转子旋转，并和真空环境分离，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，包括真空壳体、电磁轴承、转子、飞轮、电机、冷凝段，其特征在于，
所述转子为一顶部开口、底部封闭的中空转轴并以竖直状态转动设置在所述真空壳体内，所述电磁轴承、飞轮、电机的转子部分均固定设置在所述中空转轴上；所述冷凝段为一布置在所述真空壳体上方的中空腔体，其外侧壁面设置有散热翅片；所述中空转轴的顶部开口端通过一密封装置插设在所述冷凝段内，使得所述中空转轴的内腔仅与所述冷凝段连通，而所述中空转轴、冷凝段则与所述真空壳体不连通，所述中空转轴的内腔与冷凝段之间形成的连通空间内充装液-气相变工质，所述电机、电磁轴承产生的热量通过所述中空转轴的壁面传导至其内腔，使得所述中空转轴内腔中的液态工质受热蒸发转变为气态工质，并向上流动至所述冷凝段，在所述散热翅片的散热作用下，所述冷凝段内的气态工质释放热量而转变为液态工质，并在重力作用下向下回流至所述中空转轴的内腔中。
优选地，所述中空转轴的顶部开口端向内倒角，呈斜坡状，以利于所述冷凝段内的液态工质向下回流至所述中空转轴的内腔中。
优选地，所述冷凝段的外部设置一正对所述散热翅片的风扇，采用所述风机排送常温空气以冷却冷凝段。
本发明的飞轮储能转子散热系统中，所述冷凝段与真空壳体连接，不随转子旋转，与转子内腔连通，其内部压力和转子内腔内的压力保持一致，并和真空环境分离。
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，在所述电机及所述电磁轴承处产生热量，热量被转子内腔下部的液态相变工质吸收，相变工质蒸发后，转化为气态，向上流动，将热量传递到所述冷凝段，然后传递到所述翅片处，被所述风机从大气环境中排送的常温空气通过对流方式冷却，并将热量带走。相变工质放出热量，从气态转化为液态，在重力或离心力作用下沿内腔外壁流动到转子内腔下部。如此循环，从而整体上达到降低转子温度，保证飞轮储能系统安全稳定运行的目的。
优选地，所述液-气相变工质的工作温度为-50℃至300℃。
优选地，所述液-气相变工质为丙酮、甲醇、水蒸气的一种或几种的混合。
优选地，所述密封装置为磁流体密封装置。
优选地，所述真空壳体的外部设置一真空泵，所述真空泵的进气口与所述真空壳体的内腔连通。
优选地，所述中空转轴通过一上径向轴承和一下径向轴承限位并转动设置在所述真空壳体内。
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：实现了转子冷却部件与飞轮储能系统真空环境的分离，避免了转子冷却部件的旋转，降低了摩擦损失，对比辐射换热，采用更为高效的对流换热方式散热，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1的结构示意图；
其中，各附图标记说明如下：
真空壳体1、下径向轴承2，电磁轴承3，转子(中空转轴)4，电机5，飞轮6，上径向轴承7，密封装置8，液-气相变工质9，冷凝段10，散热翅片11，风机12，真空泵13，阀门14。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。
如图1所示，为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，电磁轴承3，转子4，电机5，飞轮6，上径向轴承7，密封装置8，液-气相变工质9，冷凝段10，散热翅片11，风机12，真空泵13，阀门14等部件。转子4为一顶部开口、底部封闭的中空转轴并以竖直状态转动设置在真空壳体1内，电磁轴承3、飞轮6、电机5的转子部分均固定设置在中空转轴上；冷凝段10为一布置在真空壳体上方的中空腔体，其外侧壁面设置有散热翅片11；转子4的顶部开口端通过一密封装置8插设在冷凝段10内，使得中空转轴4的内腔仅与冷凝段10连通，而中空转轴4、冷凝段则与真空壳体不连通，中空转轴4的内腔与冷凝段10之间形成的连通空间内充装液-气相变工质9。
更加具体的，冷凝段10布置在真空壳体1上方，其与转子4的内腔连通，其内部压力和转子4的内腔内压力保持一致，并和真空环境分离，在冷凝段10顶部布置散热翅片11，由风机14排送的常温空气所冷却。
电机5的转子、飞轮6的转子和电磁轴承3的转子同轴固定连接，转子4为中空结构，转子4内腔顶部向内倒角，呈斜坡状。
本发明的飞轮储能转子散热系统，其工作过程为：
飞轮储能系统主要发热部件处于真空壳体1内，飞轮储能系统储/释能过程中，在电机5及电磁轴承3处产生热量，热量将转子内腔下部的液体相变工质加热，相变工质蒸发后，转化为气态，向上流动，传递热量到冷凝段10，冷凝段10的热量传递到散热翅片11处，被风机12从大气环境中排送的常温空气通过对流方式所冷却，并将热量带走。气态的液-气相变工质9转化为液态，在重力或离心力作用下沿内腔外壁流动到转子内腔下部。如此循环，从而整体上达到降低转子温度，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 (6)

1.一种飞轮储能转子散热系统，包括真空壳体、电磁轴承、转子、飞轮、电机、冷凝段，其特征在于，
所述转子为一顶部开口、底部封闭的中空转轴并以竖直状态转动设置在所述真空壳体内，所述电磁轴承、飞轮、电机的转子部分均固定设置在所述中空转轴的外壁面上；
所述冷凝段为一形成在所述真空壳体顶部的并向上凸出的中空腔体，且所述中空腔体的底部呈开口状，其外侧壁面设置有散热翅片；所述冷凝段的外部设置一正对所述散热翅片的风扇，采用所述风扇排送常温空气以冷却所述冷凝段；
所述中空转轴的顶部开口端通过一密封装置可转动地插设在所述冷凝段的底部开口中，使得所述中空转轴的内腔仅与所述冷凝段连通，而所述中空转轴的内腔、冷凝段则与所述真空壳体的内腔不连通，所述中空转轴的内腔与所述冷凝段的内部空间形成一相互连通的封闭连通空间；且所述中空转轴的顶部开口端向内倒角，呈斜坡状，以利于所述冷凝段内的液态工质向下回流至所述中空转轴的内腔中；
所述中空转轴的内腔与冷凝段的内部空间之间形成的封闭连通空间内充装液-气相变工质，所述电机、电磁轴承产生的热量通过所述中空转轴的外壁面传导至其内腔，使得所述中空转轴的内腔中的液态工质受热蒸发后转变为气态工质，并向上流动至所述冷凝段的内部空间中，在所述散热翅片的散热作用下，所述冷凝段内的气态工质释放热量而转变为液态工质，并在重力作用下向下回流至所述中空转轴的内腔中。
2.根据权利要求1所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述液-气相变工质的工作温度为-50℃至300℃。
3.根据权利要求1所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述液-气相变工质为丙酮、甲醇、水蒸气的一种或几种的混合。
4.根据权利要求1所述的飞轮储能转子散热系统，其特征在于，所述密封装置为磁流体密封装置。
5.根据权利要求1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设置一真空泵，所述真空泵的进气口与所述真空壳体的内腔连通。
6.根据权利要求1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上径向轴承和一下径向轴承限位并转动设置在所述真空壳体内。
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