CN113839514A - 一种飞轮储能装置 - Google Patents

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王培峰
王志勇
王双玲
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Abstract

本发明提供了一种飞轮储能装置，包括壳体及横向设置在壳体内的滑动轨道，滑动轨道的中间竖向穿设有转轴，在滑动轨道内的一段转轴套设有轴承；在滑动轨道内轴承的两侧分别设有金属球滑块，金属球滑块与轴承之间设有弹簧，弹簧的一端与轴承连接固定，弹簧的另一端与金属球滑块连接；滑动轨道的下方设有电机，电机用于驱动滑动轨道绕着转轴旋转，在壳体外侧设有电源接口，电源接口与电机通过导线连接；金属球滑块包括金属球及连接在金属球底部的滑块，滑块上连接有金属杆，金属杆连接至电机，用于将弹簧的势能传递给电机发电。本方案当飞轮旋转速度变化时，使得弹簧能够对应储存或释放能量，使得飞轮能够大幅保持转速稳定。

Description

一种飞轮储能装置
技术领域
本发明涉及一种储能装置，尤其是指一种飞轮储能装置。
背景技术
现在社会高速发展，能源为各行业提供了动力，但火力发电站，燃油车给环境带来了巨大污染，人们开始向清洁能源发展。核能，存在潜在危险。风能，太阳能，水电成为清洁能源，但一个不足就是不均衡。太阳能晚上不能发电，风力有大有小，降水年度不平均。人们想出了各种能源存储方法。
飞轮电池是一项发展比较早的技术，保时捷在2009年将这一技术用在了勒芒911GT3 RHybrid赛车上，当时副驾驶座椅下面安装了一套飞轮储能系统，它的重量才103磅(约46.7kg)。16英寸直径的飞轮可以提供163马力(约120kW)长达6秒的功率输出，而且可以频繁的快速充放电，这为当时的911赢得了不少比赛时间。现在也有采用大型飞轮电池来进行风力发电存储均衡电力输出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种提升储能功率密度与效率的飞轮储能装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种飞轮储能装置，包括，壳体及横向设置在壳体内的滑动轨道，滑动轨道的中间竖向穿设有转轴，在滑动轨道内的一段转轴套设有轴承；
在滑动轨道内轴承的两侧分别设有金属球滑块，金属球滑块与轴承之间设有弹簧，弹簧的一端与轴承连接固定，弹簧的另一端与金属球滑块连接；
滑动轨道的下方设有电机，电机用于驱动滑动轨道绕着转轴旋转，在壳体外侧设有电源接口，电源接口与电机通过导线连接；
金属球滑块包括金属球及连接在金属球底部的滑块，滑块上连接有金属杆，金属杆连接至电机，用于将弹簧的势能传递给电机发电。
进一步的，所述壳体呈圆碟型，由呈半圆碟型的上壳体与呈半圆碟型的下壳体相盖合形成。
进一步的，所述转轴固定在壳体的中心位置，转轴的一端固定在上壳体，转轴的另一端固定在下壳体上。
进一步的，所述金属杆与电机的输出轴之间通过齿条连接，以将弹簧的势能传给电机发电。
进一步的，所述金属杆与电机的输出轴之间通过曲轴连接，以将弹簧的势能传给电机发电。
进一步的，所述滑动轨道呈圆柱状，滑动轨道的大小与金属球的大小相适配，以将金属球限位在滑动轨道内滑动。
进一步的，所述弹簧的两端分别设有连接器，弹簧通过连接器分别与金属球及轴承连接。
进一步的，所述滑动轨道的下方设有锁止部，用于金属球靠近壳体时，锁止部将滑块锁止，以防止金属球在转速降低离心力变小时自行收缩。
进一步的，所述电机固定在转轴上。
进一步的，所述壳体为金属壳体。
本发明的有益效果在于：当飞轮在旋转时，飞轮储能装置内的金属球滑块由于离心力拉动弹簧产生离心运动，势能聚在弹簧上完成储能，当飞轮速度下降静止时，弹簧开始收缩，释放势能带动电机发电，使得势能转化为电能，通过电源接口输出到外接电池进行蓄电，提高能源使用效率；同时当转速下降，弹簧在收缩时，由于金属球的旋转半径缩小，使得飞轮能够大幅保持转速稳定。
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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的机构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的飞轮储能装置第一状态结构图；
图2为本发明实施例的飞轮储能装置第二状态结构图；
其中，1-转轴、2-轴承、3-壳体、4-弹簧、5-滑动轨道、6-金属球、7-滑块、8-金属杆、9-连接器、10-电机、11-电源接口。
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的一部分实施例，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。
需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1、图2，本发明的第一实施例为：一种飞轮储能装置，包括，壳体3及横向设置在壳体3内的滑动轨道5，滑动轨道5的中间竖向穿设有转轴1，在滑动轨道5内的一段转轴套设有轴承2；
在滑动轨道5内轴承2的两侧分别设有金属球滑块，金属球滑块与轴承2之间设有弹簧4，弹簧4的一端与轴承2连接固定，弹簧4的另一端与金属球滑块连接；
滑动轨道5的下方设有电机10，电机10用于驱动滑动轨道5绕着转轴1旋转，在壳体3外侧设有电源接口11，电源接口11与电机10通过导线连接；
金属球滑块包括金属球6及连接在金属球6底部的滑块7，滑块7上连接有金属杆8，金属杆8连接至电机10，用于将弹簧4的势能传递给电机10发电。
其中，所述壳体3呈圆碟型，由呈半圆碟型的上壳体与呈半圆碟型的下壳体相盖合形成。
圆碟型的壳体3，能够使得飞轮旋转时，受到的阻力最小，使得能量的损失达到最小，提高能量的使用效率。
其中，所述转轴1固定在壳体3的中心位置，转轴1的一端固定在上壳体，转轴1的另一端固定在下壳体上。
其中，金属球6也可以为碳纤维球体来代替，形状也可以为圆弧状或者圆环状。
其中，所述滑动轨道5呈圆柱状，滑动轨道5的大小与金属球6的大小相适配，以将金属球6限位在滑动轨道5内滑动。
其中，所述滑动轨道5的下方设有锁止部，用于金属球6靠近壳体3时，锁止部将滑块7锁止，以防止金属球6在转速降低离心力变小时自行收缩。锁止部是在滑动轨道5下方设有一个开关控制的夹持挡片，当金属球6接近壳体3前，将滑块7前后两端抵住，防止金属球与壳体接触，也防止速度下降时弹簧收缩，在金属球旋转动能释放完毕静止时，锁止部打开，释放弹簧的势能。该飞轮储能装置相较于传统的储能装置，相当于额外获取到了由离心力带动弹簧产生的势能，因此，，增加了相同重量飞轮的能量存储密度。
其中，所述弹簧4的两端分别设有连接器9，弹簧4通过连接器9分别与金属球6及轴承2连接。
其中，所述电机10固定在转轴1上。其中，所述壳体3为金属壳体。
在一具体实施例中，可选地，所述金属杆8与电机10的输出轴之间通过齿条连接，以将弹簧4的势能传给电机10发电。
在一具体实施例中，可选地所述金属杆8与电机10的输出轴之间通过曲轴连接，以将弹簧4的势能传给电机10发电。
本发明的实施例，通过电源接口11给电机10供电，拖动金属球滑块加速旋转，在离心力的作用下，金属球滑块向外滑动拉伸弹簧4，当转速达到预设的转速，飞轮储能装置内的金属球滑块由于离心力拉动弹簧4产生离心运动，势能聚在弹簧4上完成储能，当飞轮速度下降时，弹簧4开始收缩，释放势能带动电机10发电，使得势能转化为电能，通过电源接口11输出，使得飞轮能够大幅保持转速稳定。
实验证明，在图1、图2所示的，两个状态的本发明装置，同时加速到图2滑块靠近壳体3时的转速，所消耗的能量大致相同。但是，以图1、图2作为初始状态时进行旋转时，图2的状态在消耗相同能量的情况下多存储了弹性势能，提高了效率。因利用了离心力做功，使得效率有很大提升。
能量释放原理：由图1的状态到图2的状态过程中，电机10同时具备发电机功能与往复发电机功能。金属球滑块旋转的动能通过电机10发电，电机10这时候作为发电机，使动能转化为电能，通过电源接口11输出。当金属球滑块动能释放完毕，转速为零，锁止部打开，弹簧4收缩，弹簧4的弹性势能通过金属杆8传递给电机10发电，形成往复发电机，弹簧4的弹性势能转变为电能，通过电源接口11输出。
恒速功能：若不利用弹簧4的弹性势能发电，则可以实现恒速功能。原理：当金属球的线速度不变时，金属球的旋转周长缩小一半时，转速会增加一倍，也就是当金属球滑块旋转的动能释放时，转速降低，离心力降低，则金属球滑块在弹簧4的拉力下向内滑动，线速度降低，加速释放能量，使得角速度维持不变，从而使整个装置相较传统飞轮电池，能大幅保持转速稳定。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能装置，其特征在于：包括，壳体及横向设置在壳体内的滑动轨道，滑动轨道的中间竖向穿设有转轴，在滑动轨道内的一段转轴套设有轴承；
在滑动轨道内轴承的两侧分别设有金属球滑块，金属球滑块与轴承之间设有弹簧，弹簧的一端与轴承连接固定，弹簧的另一端与金属球滑块连接；
滑动轨道的下方设有电机，电机用于驱动滑动轨道绕着转轴旋转，在壳体外侧设有电源接口，电源接口与电机通过导线连接；
金属球滑块包括金属球及连接在金属球底部的滑块，滑块上连接有金属杆，金属杆连接至电机，用于将弹簧的势能传递给电机发电。
2.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述壳体呈圆碟型，由呈半圆碟型的上壳体与呈半圆碟型的下壳体相盖合形成。
3.如权利要求2所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述转轴固定在壳体的中心位置，转轴的一端固定在上壳体，转轴的另一端固定在下壳体上。
4.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述金属杆与电机的输出轴之间通过齿条连接，以将弹簧的势能传给电机发电。
5.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述金属杆与电机的输出轴之间通过曲轴连接，以将弹簧的势能传给电机发电。
6.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述滑动轨道呈圆柱状，滑动轨道的大小与金属球的大小相适配，以将金属球限位在滑动轨道内滑动。
7.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述弹簧的两端分别设有连接器，弹簧通过连接器分别与金属球及轴承连接。
8.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述滑动轨道的下方设有锁止部，用于金属球靠近壳体时，锁止部将滑块锁止，以防止金属球在转速降低离心力变小时自行收缩。
9.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述电机固定在转轴上。
10.如权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于：所述壳体为金属壳体。
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