CN113482992A - 一种流体飞轮储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种流体飞轮储能系统，包括飞轮电池组、流体动力系统、动力输出系统和调控系统，所述飞轮电池组的能量输入端连接有流体动力系统，所述飞轮电池组的能量输出端连接有动力输出系统，所述动力输出系统连接有流体负载，且所述动力输出系统与所述流体负载之间连接有调控系统。本发明提供的流体飞轮储能系统，可作为增压装置、辅助动力装置应用于中大型液压(气压)系统中，也可代替液压蓄能器或传统化学电池组，可实现长时间不间断供能。

Description

一种流体飞轮储能系统
技术领域
本发明涉及飞轮储能系统技术领域，特别是涉及一种流体飞轮储能系统。
背景技术
目前，储能方式有化学储能、物理储能及其他储能方式。在物理储能方式中，飞轮储能特点较为突出，充电时间短及充放电效率高而受到广泛关注。
从20世纪90年代至今，全球飞轮储能技术的研发力量主要集中在美国、欧洲和日本。在飞轮技术基础应用研究、关键技术及制造工艺、飞轮储能产品产业化开发与市场运作等方面，美欧日都远远领先于其他国家。随着其他国家对储能技术的逐渐重视和大力投入，飞轮储能研发格局多极化趋势日益明显。我国在该技术领域的研究起步较晚，进入21世纪后，国内一批实力较强的科研院所开始发力研究，并陆续出现商业推广示范应用的飞轮储能系统技术开发公司。如今，飞轮储能技术已成功应用于高品质不间断电源(UPS)、电网调频、航天与军事、轨道交通制动动能再生等众多领域。
飞轮储能系统具有瞬时功率大、储能密度大、效率高、使用寿命长、环保无污染等优点，但飞轮储能也有因能量持续流失、能量释放快导致的无法长时间持续供能的缺点，且飞轮的布置方式对系统空间有较高要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种流体飞轮储能系统，以解决上述现有技术存在的问题，可作为增压装置、辅助动力装置应用于中大型液压(气压)系统中，也可代替液压蓄能器或传统化学电池组，可实现长时间不间断供能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种流体飞轮储能系统，包括飞轮电池组、流体动力系统、动力输出系统和调控系统，所述飞轮电池组的能量输入端连接有流体动力系统，所述飞轮电池组的能量输出端连接有动力输出系统，所述动力输出系统连接有流体负载，且所述动力输出系统与所述流体负载之间连接有调控系统。
可选的，所述飞轮电池组包括壳体，所述壳体内设置有第一齿轮，所述第一齿轮两端分别啮合有第二齿轮和第三齿轮，所述第二齿轮的齿轮轴通过第一输入端离合器传动连接有第一飞轮组，所述第一飞轮组末端通过第一输出端离合器传动连接有第四齿轮，所述第三齿轮的齿轮轴通过第二输入端离合器传动连接有第二飞轮组，所述第二飞轮组末端通过第二输出端离合器传动连接有第五齿轮，所述第四齿轮和第五齿轮分别啮合连接有第六齿轮，所述第一齿轮的齿轮轴与所述流体动力系统传动连接，所述第六齿轮的齿轮轴与所述动力输出系统传动连接。
可选的，所述第一飞轮组和第二飞轮组结构相同，所述第一飞轮组包括通过第一连接轴串行连接的多个飞轮，所述飞轮与所述第一连接轴之间通过机械轴承支撑连接，所述第一连接轴两端分别与所述第一输入端离合器和第一输出端离合器传动连接；所述第二飞轮组包括通过第二连接轴串行连接的多个飞轮，所述飞轮与所述第二连接轴之间通过机械轴承支撑连接，所述第二连接轴两端分别与所述第二输入端离合器和第二输出端离合器传动连接。飞轮电池组结构上总体采取串并联结合的布置方式，飞轮的数量、尺寸大小可根据系统空间以及性能要求综合确定。
可选的，所述流体动力系统包括与所述飞轮电池组的能量输入端传动连接的单向变量马达，所述单向变量马达的进油口连接有第一单向变量泵，所述第一单向变量泵的进油口连接有液压油箱，所述单向变量马达的出油口与所述液压油箱连接；所述动力输出系统包括与所述飞轮电池组的能量输出端连接的第二单向变量泵，所述第二单向变量泵的进油口连接所述液压油箱，所述第二单向变量泵的出油口连接所述流体负载；所述第一单向变量泵连接有动力源。
可选的，所述调控系统为直动内控溢流阀，所述直动内控溢流阀的出油口与所述液压油箱连接，所述直动内控溢流阀的进油口连接在所述第二单向变量泵与流体负载之间。
可选的，所述第一齿轮的径向尺寸和齿数大于所述第二齿轮的径向尺寸和齿数；所述第一齿轮和所述第六齿轮的径向尺寸和齿数相同，所述第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮的径向尺寸和齿数相同；从而实现在能量输入端快速提高飞轮转速，在能量输出端减速增扭的效果。
可选的，所述流体动力系统包括与所述飞轮电池组的能量输入端传动连接的气马达，所述气马达连接有第一空气压缩机；所述动力输出系统包括与所述飞轮电池组的能量输出端连接的第二空气压缩机，所述第二空气压缩机连接所述流体负载。
可选的，所述调控系统为设置于所述动力输出系统与所述流体负载之间的安全阀。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明飞轮电池组供能过程实现了流体压力能到机械能的转化，飞轮电池组的放能过程实现了机械能到流体压力能的转化。单向变量泵与单向变量马达可分别更换为空气压缩机和气马达，从而实现由压缩气体的压力能来为飞轮电池组供能；同理，单向变量泵也可由空气压缩机代替；直动内控溢流阀可由安全阀代替；因此本发明所提供的流体飞轮储能系统可分别应用于液压动力系统，气压动力系统以及液压气压混合动力系统中，在以下描述中，均以在液压系统中为例进行介绍。本发明可实现长时间不间断供能，可作为增压装置、辅助动力装置，应用于中大型液压(气压)系统中，也可代替液压蓄能器或传统化学电池组。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流体飞轮储能系统结构示意图；
图2为本发明飞轮电池组内部连接结构示意图；
附图标记说明：100—流体飞轮储能系统，1—液压油箱，2—单向变量马达，3—飞轮电池组，4—流体负载，5—直动内控溢流阀，6—第二单向变量泵，7—动力源，8—第一单向变量泵，9—第一齿轮，10—第二齿轮，11—第一输入端离合器，12—飞轮，13—壳体，14—第一输出端离合器，15—第四齿轮、16—机械轴承，17—第六齿轮，18—第五齿轮，19—第二输出端离合器，20—第二输入端离合器，21—第三齿轮。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种流体飞轮储能系统，以解决上述现有技术存在的问题，可作为增压装置、辅助动力装置应用于中大型液压(气压)系统中，也可代替液压蓄能器或传统化学电池组，可实现长时间不间断供能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种流体飞轮储能系统100，该系统结构组成包括液压油箱1，单向变量马达2，飞轮电池组3，流体负载4，直动内控溢流阀5，第一单向变量泵8，动力源7，第二单向变量泵6。如图2所示，飞轮电池组3的结构组成包括：第一齿轮9，第二齿轮10，第三齿轮21，第四齿轮15，第五齿轮18，第六齿轮17，第一输入端离合器11，第二输入端离合器20，第一输出端离合器14，第二输出端离合器19，飞轮12，机械轴承16，壳体13。
第一单向变量泵8的进油口接液压油箱1，出油口接单向变量马达2的进油口，所需动力由动力源7提供；单向变量马达2出油口接液压油箱1；飞轮电池组3的能量输入端与单向变量马达2连接，能量输出端与第二单向变量泵6连接；第二单向变量泵6进油口接液压油箱1，出油口接流体负载4；直动内控溢流阀5出油口与液压油箱1连接，进油口连接在第二单向变量泵6与流体负载4之间。
飞轮电池组3中，第一齿轮9同时与第二齿轮10和第三齿轮21啮合，第六齿轮17同时与第四齿轮15和第五齿轮18啮合；第二齿轮10、第三齿轮21与支路上的飞轮12分别通过第一输入端离合器11、第二输入端离合器20接合或分离；同理，第四齿轮15、第五齿轮18与支路上的飞轮12分别通过第一输出端离合器14、第二输出端离合器19接合或分离；各支路的飞轮12之间采取串联方式刚性连接；各飞轮12通过机械轴承16进行支撑。
本发明流体飞轮储能系统具体实施方式如下：
(1)储能过程如下：由动力源7为第一单向变量泵8提供动力，带动其从液压油箱1中吸油并将油液泵入单向变量马达2，通过单向变量马达2将液压能转化为机械能，存储进飞轮电池组3，通过单向变量马达2的油液从其出油口流回液压油箱1。
(2)放能过程如下：由飞轮电池组3释放能量，带动第二单向变量泵6工作，在此过程中机械能转化为液压能，为流体负载4供能。
(3)卸荷过程如下：当流体负载4过大，超过系统设定值时，通过直动内控溢流阀5进行卸荷以达到保护系统的目的。
飞轮电池组3中，第一齿轮9、第六齿轮17的径向尺寸和齿数大于第二齿轮10、第三齿轮21、第四齿轮15、第五齿轮18，从而实现在能量输入端快速提高飞轮转速，在能量输出端减速增扭的效果。飞轮电池组3，由图2所示，其结构上总体采用串并联结合的结构形式，能量输入端和输出端采用相同齿轮副传递能量，飞轮12的数量、尺寸大小可根据系统空间以及性能要求综合确定。
该飞轮电池组3的具体实施方式如下：
(1)飞轮电池组3，在单向变量马达2为其供能过程中，当第一输入端离合器11、第二输入端离合器20同时接合时，可同时提高两条支路各飞轮的转速，当第一输入端离合器11、第二输入端离合器20单独接合时，可单独为各支路飞轮加速，且两条支路上刚性连接的飞轮的极限转速相同。
(2)飞轮电池组3，在其能量输出过程中，当第一输出端离合器14、第二输出端离合器19单独接合时，可实现两条支路单独释放能量。
(3)飞轮电池组3，当两条支路飞轮转速相同时，可控制第一输出端离合器14、第二输出端离合器19同时接合，使两条支路同时对外输出能量，该情况下飞轮电池组可增大输出转矩，可用作增压装置或辅助动力装置。
(4)飞轮电池组3，当两条支路飞轮转速不同时，可先控制转速较高的支路的输出端离合器14或19接合，使其对外释放能量，当其转速下降到与另一支路相同时，控制另一支路的输出端离合器接合，此时两条支路飞轮转速相同，可同时对外输出能量。
(5)飞轮电池组3，当系统流体负载较小，且需长时间供能时，可控制其中一条支路的第一输出端离合器14或第二输出端离合器19接合，使该条支路的飞轮组单独放能，另一支路的输出端离合器断开，当放能支路的飞轮转速无法达到工况要求时，放能支路输出离合器断开，另一条支路的输出端离合器接合，继续输出能量，此时可控制动力源7驱动第一单向变量泵8，进而使单向变量马达2为未放能工况的支路充能。
于另一不同的实施例中，第一单向变量泵8与单向变量马达2可分别更换为空气压缩机和气马达，从而实现由压缩气体的压力能来为飞轮电池组3供能；同理，第二单向变量泵6也可由空气压缩机代替；直动内控溢流阀5可由安全阀代替；因此本发明所提供的流体飞轮储能系统可分别应用于液压动力系统，气压动力系统以及液压气压混合动力系统中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种流体飞轮储能系统，其特征在于：包括飞轮电池组、流体动力系统、动力输出系统和调控系统，所述飞轮电池组的能量输入端连接有流体动力系统，所述飞轮电池组的能量输出端连接有动力输出系统，所述动力输出系统连接有流体负载，且所述动力输出系统与所述流体负载之间连接有调控系统。
2.根据权利要求1所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述飞轮电池组包括壳体，所述壳体内设置有第一齿轮，所述第一齿轮两端分别啮合有第二齿轮和第三齿轮，所述第二齿轮的齿轮轴通过第一输入端离合器传动连接有第一飞轮组，所述第一飞轮组末端通过第一输出端离合器传动连接有第四齿轮，所述第三齿轮的齿轮轴通过第二输入端离合器传动连接有第二飞轮组，所述第二飞轮组末端通过第二输出端离合器传动连接有第五齿轮，所述第四齿轮和第五齿轮分别啮合连接有第六齿轮，所述第一齿轮的齿轮轴与所述流体动力系统传动连接，所述第六齿轮的齿轮轴与所述动力输出系统传动连接。
3.根据权利要求2所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述第一飞轮组和第二飞轮组结构相同，所述第一飞轮组包括通过第一连接轴串行连接的多个飞轮，所述飞轮与所述第一连接轴之间通过机械轴承支撑连接，所述第一连接轴两端分别与所述第一输入端离合器和第一输出端离合器传动连接；所述第二飞轮组包括通过第二连接轴串行连接的多个飞轮，所述飞轮与所述第二连接轴之间通过机械轴承支撑连接，所述第二连接轴两端分别与所述第二输入端离合器和第二输出端离合器传动连接。
4.根据权利要求1所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述流体动力系统包括与所述飞轮电池组的能量输入端传动连接的单向变量马达，所述单向变量马达的进油口连接有第一单向变量泵，所述第一单向变量泵的进油口连接有液压油箱，所述单向变量马达的出油口与所述液压油箱连接；所述动力输出系统包括与所述飞轮电池组的能量输出端连接的第二单向变量泵，所述第二单向变量泵的进油口连接所述液压油箱，所述第二单向变量泵的出油口连接所述流体负载；所述第一单向变量泵连接有动力源。
5.根据权利要求4所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述调控系统为直动内控溢流阀，所述直动内控溢流阀的出油口与所述液压油箱连接，所述直动内控溢流阀的进油口连接在所述第二单向变量泵与流体负载之间。
6.根据权利要求2所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述第一齿轮的径向尺寸和齿数大于所述第二齿轮的径向尺寸和齿数；所述第一齿轮和所述第六齿轮的径向尺寸和齿数相同，所述第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮的径向尺寸和齿数相同。
7.根据权利要求1所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述流体动力系统包括与所述飞轮电池组的能量输入端传动连接的气马达，所述气马达连接有第一空气压缩机；所述动力输出系统包括与所述飞轮电池组的能量输出端连接的第二空气压缩机，所述第二空气压缩机连接所述流体负载。
8.根据权利要求7所述的流体飞轮储能系统，其特征在于：所述调控系统为设置于所述动力输出系统与所述流体负载之间的安全阀。
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