CN113833720B - 一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，非光滑表面结构布置在储能飞轮转子的上端面、下端面和外壁上。非光滑表面结构分布区域根据转子表面圆周速度大小确定；微小非光滑表面结构几何形状可以是沟槽型、凹坑型、凸台型等。微小非光滑表面结构通过降低真空腔内稀薄气体对固壁表面的摩擦力，进一步降低储能飞轮表面流动阻力。本发明能有效减小储能飞轮表面风阻，降低飞轮储能装置对真空保持系统真空度的技术要求及其能耗损失，最终有利于提高飞轮储能装置的能量的利用效率，可广泛用于飞轮储能、航空航天、交通运输、飞轮储能等多个领域。
Description
技术领域
本发明属于飞轮储能技术领域，涉及储能飞轮的风阻损失控制技术，具体地说是一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统。
背景技术
近年来，我国清洁能源发电比率迅速增长。随着我国清洁能源发电比重的不断上升，诸如风力发电、太阳能发电等受自然环境约束严重的清洁能源偶然性、间歇性发电方式所带来的调峰困难，弃风问题越来越突出。为了使清洁能源发电也能灵活地进入并网运行，减少传统火电的调峰调频压力，储能技术成为重要技术手段，在众多储能方式中，飞轮储能以其“储能密度高、能量转换效率高、充放电速度快、环境适应力强、运行寿命长和易于检修维护”等优点得到广泛应用。
在飞轮高速旋转的过程中，除机械摩擦引起的能量损耗外，飞轮与腔室空间内部空气摩擦形成的风阻损耗也不容忽视，因此现有飞轮储能装置大多采用真空室系统，通过降低空气含量，在减小风阻的同时又可以保护装置运行安全性，提高使用寿命的效果。为此，现有利用真空进行减阻的飞轮储能装置，其真空室系统的真空度至少保持在小于10Pa，否则真空减阻的效果将较为有限。但随着真空度的增加，抽真空装置技术难度增加，同时飞轮容腔内空气含量降低，也会使传热系数下降，飞轮系统散热效果恶化，导致飞轮整体温度会上升，材料性能和系统效率下降。因此，如何在降低飞轮风阻的同时，又能保证飞轮的散热性能，是目前真空系统与冷却系统需要解决的问题。现有技术主要通过改进抽真空措施，来减少风阻(如中国发明专利申请CN201911326281.9)，或通过增加外罩降低飞轮本体与飞轮外壳以及飞轮外壳与装置外壳之间的相对速度来控制风阻(如中国发明专利申请：CN201910061696.1)。为了考虑散热效果，部分专利额外增设了冷却装置(如中国发明专利申请CN201911326281.9)，这增加飞轮储能装置的结构复杂程度，不利于成本的降低。
发明内容
为进一步降低飞轮储能内部转子风阻损耗，并同时兼顾飞轮储能的散热效果，本发明参考稀薄大气层飞艇表面减阻结构，提供了一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，该系统能够降低在真空室残余空气的风阻，降低对真空泵的技术需求；允许少量残余空气，有利于换热；无需额外设备或装置，结构简单，能耗少，具有加工方便、造价低等特点，具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，至少包括飞轮储能装置、真空保持单元、冷却单元，其中，所述飞轮储能装置包括飞轮转子、壳体、真空室、电磁轴承、电动/发电机，所述壳体的内部空间通过所述真空保持单元形成为真空室，所述壳体内产生的热量通过所述冷却单元散发到外部环境，所述飞轮转子上下两端的轴伸分别通过电磁轴承转动支撑在所述壳体的真空室中，所述电动/发电机设置在所述飞轮转子下端的轴伸上，其特征在于，
所述飞轮转子的外表面上设置有微小非光滑表面结构，所述真空室的真空度保持在10Pa以下，所述微小非光滑表面结构的几何尺寸保持在260μm以下。
本发明的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，利用飞轮表面布置的微小非光滑表面结构进行飞轮减阻，其工作原理为：微小非光滑表面结构用以减少飞轮转置壳体内高真空度稀薄空气对飞轮形成的风阻，减少能量损失，降低对真空保持单元的技术要求，真空室内残留稀薄空气还能提升飞轮储能单元散热效果。非光滑表面结构在稀薄空气中减阻的机理为：在运动流场中微沟槽内部形成了漩涡，避免了流体较大面积接触平板表面，改变近壁面区域边界层速度场的分布，减小表面剪切应力，从而可有效的减小平板的阻力。
优选地，所述电动/发电机以电连接的方式与设置在所述壳体外部的电力交换器连接，且所述电力交换器与电网连接。
优选地，所述飞轮储能装置的类型为基于同步电机的飞轮储能系统、磁阻电机的飞轮储能系统、或基于感应电机的飞轮储能系统。
优选地，所述储能飞轮储能装置的结构形式为内飞轮内转子结构、分体式结构、内转子外飞轮结构、或外转子外飞轮结构。
优选地，所述微小非光滑表面结构，布置在所述飞轮转子的外径面、和/或上下表面上。
优选地，所述微小非光滑表面结构的几何形状，为凸包、凹坑、棱纹、或沟槽。
优选地，所述微小非光滑表面结构中的凸包、凹坑、棱纹、沟槽的类型、数量、几何尺寸根据实际真空度、换热需要综合确定。根据真空度进一步确定空气的密度、压力、粘性系数，将其作为边界条件，采用三维流场数值模拟或实验测量，获得不同的沟槽类型和尺寸下的粘性阻力和换热系数，通过对比或优化方法最终确定最佳微小非光滑结构的几何参数。
优选地，所述微小非光滑表面结构，采用模版热压印的方法：首先对飞轮转子表面进行薄膜包裹，并对该薄膜进行热压印以获得微小非光滑表面结构，避免了直接在飞轮转子表面上加工微结构而形成的应力集中现象。
所述飞轮储能装置的应用领域包括：交通工具引擎、中低温余热发电装置、可再生能源发电装置、压缩空气储能、电网调峰、火箭发动机等。
同现有技术相比，本发明的优点与有益效果为：
1、本发明的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，该技术能够进一步降低真空室内部残余稀薄空气引起的风阻，降低了对真空泵的技术要求，使真空泵参数选择更为灵活。
2、采用本发明的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，能够允许真空室内有少量残余空气，转子热量向外部的传递，降低了对飞轮储能装置换热器的要求；
3、减低额外设备或装置的使用，结构简单，能耗少，具有加工方便、造价低等特点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为包含微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻技术装置总体图；
图2为微小非光滑表面沟槽结构示意图，图中，(a)为齿形沟槽结构，(b)为弧形沟槽结构，(c)为矩形沟槽结构，(d)为矩形沟槽结构；
附图标记说明：
飞轮储能装置1，飞轮转子11，壳体12，真空室13，电动/发电机14，电磁轴承15，微小非光滑表面沟槽结构16，真空保持单元2，冷却单元3，电力交换器4，电网5。
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。
如图1所示，本发明的基于微小非光滑表面结构的减阻飞轮储能系统，包括：飞轮储能装置1、真空保持单元2、冷却单元3、电力交换器4、电网5，其中，飞轮储能装置1包括飞轮转子11、壳体12、真空室13、电磁轴承15、电动/发电机14等，飞轮11装在壳体12当中。飞轮储能单元类型为基于感应电机的飞轮储能系统，也可以选择基于同步电机的飞轮储能系统，或磁阻电机的飞轮储能系统。具体而言，如图1所示，飞轮储能装置1包括飞轮转子11、壳体12、真空室13、电磁轴承15、电动/发电机14，壳体12的内部空间通过真空保持单元2形成为真空室13，壳体12内产生的热量通过冷却单元3散发到外部环境，飞轮转子11上下两端的轴伸分别通过电磁轴承15转动支撑在壳体12的真空室13中，电动/发电机14设置在飞轮转子11下端的轴伸上，电动/发电机14以电连接的方式与设置在壳体12外部的电力交换器4连接，且电力交换器4与电网5连接。
如图2所示，为降低飞轮储能内部转子风阻损耗，本发明飞轮转子11的外表面上设置了例如沟槽型的微小非光滑表面结构16。非光滑表面结构的截面采用楔形，楔形截面的尺寸根据实际运行条件确定。微小非光滑表面结构16，可以具体布置在所述飞轮转子11的外径面、和/或上下表面上。微小非光滑表面结构16的几何形状，为凸包、凹坑、棱纹、或沟槽。微小非光滑表面结构中的凸包、凹坑、棱纹、沟槽的类型、数量、几何尺寸根据实际真空度、换热需要综合确定。
如图2所示，为降低飞轮储能内部转子风阻损耗，本发明飞轮圆周表面上设置了沟槽型微小非光滑表面结构16。该结构的加工方法采用模版热压印的方法。首先对飞轮表面进行薄膜包裹，并对该薄膜进行热压印以获得微小非光滑表面结构。
如图2所示，本发明的基于微小非光滑表面结构的飞轮所应用的飞轮储能装置应用于电网调峰。
本发明的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，利用飞轮表面布置的微小非光滑表面结构进行飞轮减阻，其工作原理为：微小非光滑表面结构用以减少飞轮转置壳体内高真空度稀薄空气对飞轮形成的风阻，减少能量损失，降低对真空保持单元的技术要求，真空室内残留稀薄空气还能提升飞轮储能单元散热效果。非光滑表面结构在稀薄空气中减阻的机理：在运动流场中微沟槽内部形成了漩涡，避免了流体较大面积接触平板表面，改变近壁面区域边界层速度场的分布，减小表面剪切应力，从而可有效的减小平板的阻力。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (8)
1.一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，至少包括飞轮储能装置、真空保持单元、冷却单元，其中，所述飞轮储能装置包括飞轮转子、壳体、真空室、电磁轴承、电动机或发电机，所述壳体的内部空间通过所述真空保持单元形成为真空室，所述壳体内产生的热量通过所述冷却单元散发到外部环境，所述飞轮转子上下两端的轴伸分别通过电磁轴承转动支撑在所述壳体的真空室中，所述电动机或发电机设置在所述飞轮转子下端的轴伸上，其特征在于，
所述飞轮转子的外表面上设置有微小非光滑表面结构，所述真空室的真空度保持在10Pa一下，所述微小非光滑表面结构的几何尺寸保持在260μm以下。
2.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述电动机或发电机以电连接的方式与设置在所述壳体外部的电力交换器连接，且所述电力交换器与电网连接。
3.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述飞轮储能装置的类型为基于同步电机的飞轮储能系统、磁阻电机的飞轮储能系统、或基于感应电机的飞轮储能系统。
4.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述飞轮储能装置的结构形式为内飞轮内转子结构、内转子外飞轮结构或外转子外飞轮结构。
5.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述微小非光滑表面结构，布置在所述飞轮转子的外径面和/或上下表面上。
6.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述微小非光滑表面结构的几何形状，为凸包、凹坑、棱纹或沟槽。
7.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述微小非光滑表面结构中的凸包、凹坑、棱纹或沟槽的类型、数量及几何尺寸，根据实际真空度和换热需要综合确定。
8.根据权利要求1所述的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，其特征在于，所述微小非光滑表面结构采用模版热压印方式形成：首先对飞轮转子表面进行薄膜包裹，并对该薄膜进行热压印以获得微小非光滑表面结构，避免了直接在飞轮上加工微结构而形成的应力集中现象。
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