CN114649900A - 一种飞轮储能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮储能装置及方法，该装置包括外壳、飞轮以及双向电机，所述飞轮与所述双向电机设置于所述外壳内，且所述飞轮与所述双向电机连接，所述壳体，具有封闭的上腔和下腔，且所述上腔与所述下腔的分割处贯通设置有叶片容纳腔；所述飞轮，所述飞轮的飞轮叶片位于所述叶片容纳腔内，且飞轮叶片的边缘与所述叶片容纳腔的内壁留有空隙；气流引导加速机构，位于所述飞轮叶片上，用于在飞轮叶片转动时，引导下腔内的气体流动至上腔，并在引动气体流动时，加速气体流动；气体吸附装置，位于所述上腔，用于吸附气流引动加速机构引导至所述上腔内的气体。本发明实现了自抽真空，从而保证了下腔体小于1Pa的低真空。

Description

一种飞轮储能装置及方法

技术领域

本发明涉及物理储能技术领域，具体来说，涉及一种飞轮储能装置及方法。

背景技术

飞轮储能是一种物理储能，通过电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存，具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、长寿命、无污染和维修花费低等优点。

目前飞轮储能装置采用外置机械真空泵进行抽真空，但飞轮储能装置内部真空度不能抽至1Pa以下，进而飞轮转子风摩损耗较大，储能效率低。此外，采用外置机械真空泵存在真空密封泄露问题（真空管连接处）。

专利CN110061587A提出了一种采用复合分子泵的自抽真空无轴双飞轮储能装置，利用涡轮分子泵和牵引分子泵的复合原理，设计了一种自抽真空无轴双飞轮装置，可实现飞轮内部高效可靠自抽真空。专利CN111756168A提出了一种磁悬浮飞轮储能电机发电机，其采用涡轮叶片泵转子实现自抽真空，减少飞轮储能系统损耗。

这两件专利虽然可以实现高效自抽真空，也能取消外置机械真空泵，降低设备购置成本，但是存在一个共同缺陷：飞轮内部真空室的边界有排气口与外界大气环境相连，形成动密封，当飞轮反转，会造成外界空气倒吸进入飞轮内部真空室，存在较大的引起设备故障的风险隐患。

发明内容

本发明的目的是提出一种飞轮储能装置及方法，以解决上述的相关技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一方面，提供了一种飞轮储能装置。

该飞轮储能装置包括：壳体、飞轮以及双向电机，所述飞轮与所述双向电机设置于所述壳体内，且所述飞轮与所述双向电机连接，所述壳体，具有封闭的上腔和下腔，且所述上腔与所述下腔的分割处贯通设置有叶片容纳腔；所述飞轮，具有飞轮转子和飞轮叶片，所述飞轮转子与所述双向电机连接，所述飞轮叶片位于所述叶片容纳腔内，且飞轮叶片的边缘与所述叶片容纳腔的内壁留有空隙；气流引导加速机构，位于所述飞轮叶片上，用于在飞轮叶片转动时，引导下腔内的气体流动至上腔，并在引动气体流动时，加速气体流动；气体吸附装置，位于所述上腔，用于吸附气流引动加速机构引导至所述上腔内的气体。

其中，所述气流引导加速机构包括倒锥台形套筒，倒锥台形套筒过盈装配于所述飞轮转子上，且所述飞轮叶片螺旋设置于所述倒锥台形套筒上。

可选的，所述气体吸附装置包括分子筛。

可选的，所述分子筛为球形分子筛。

进一步的，在飞轮储能装置还包括：分子筛挡板，所述分子筛挡板上具有若干气体流通孔，且位于所述分子筛与所述飞轮叶片之间。

根据本发明的另一方面，提供了一种飞轮储能方法，应用于飞轮储能装置，该飞轮储能装置包括具有封闭上腔和下腔的壳体、飞轮以及双向电机，所述飞轮与所述双向电机设置于所述壳体内，且所述飞轮与所述双向电机连接。

该飞轮储能方法包括：

电动状态时，启动双向电机驱动飞轮进行转动，并在飞轮的惯性转动下将电能转换为飞轮机械能；

发电状态时，利用飞轮向双向电机提供机械能，促使双向电机进行发电，将机械能转换为电能；

在电动状态和/或发电状态时，通过设置于飞轮上的气流引导加速机构将壳体下腔内的气体引流至壳体上腔，并通过气体吸附装置对引导至壳体上腔内的气体进行吸附。

此外，该飞轮储能方法还包括：在飞轮的飞轮转子上过盈装配倒锥台形套筒，并将飞轮的飞轮叶片螺旋设置于所述倒锥台形套筒上，构成气流引导加速机构。

可选的，所述气体吸附装置采用分子筛。

可选的，所述分子筛采用球形分子筛。

进一步的，飞轮储能方法还包括：在壳体上腔内，设置分子筛挡板，并在分子筛挡板上开设若干气体流通孔，并将分子筛挡板放置于所述分子筛与所述飞轮叶片之间。

有益效果：本发明通过设置气流引导加速机构，使得设备在运行的过程中，飞轮转子带动气流引导加速机构进行转动，从而使得壳体下腔内的气体引至壳体的上腔，而由于壳体的上腔内还设置有气体吸附装置，从而能够有效的对引导至壳体上腔内的气体进行吸附，实现了自抽真空，从而保证了下腔体小于1Pa的低真空。

此外，由于本发明中并未设置出气口，从而还能够有效的避免设备在运行的过程中，空气出现回流，进而避免了空气倒流进去飞轮储能装置内，造成设备运行出现故障的情况发生，有效的保证了设备运行的安全性和稳定性。

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是根据本发明实施例的飞轮储能装置的外部结构示意图；

图2是根据本发明实施例的飞轮储能装置的内部结构剖视图；

图3是根据本发明实施例的飞轮叶片的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的分子筛挡板的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的飞轮储能方法的流程示意图。

图中：

1、壳体；2、飞轮；3、双向电机；4、外壳；5、顶盖；6、底座；7、飞轮转子；8、轴承；9、电机转子；10、电机定子；11、倒锥台形套筒；12、飞轮叶片；13、凸台；14、分子筛挡板；15、气体流通孔；16、球形分子筛。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种飞轮储能装置及方法。

如图1-4所示，根据本发明实施例的一种飞轮储能装置，包括壳体1、飞轮2以及双向电机3，所述壳体1包括外壳4、顶盖5和底座6，所述底座6上设置有外壳4，所述外壳4的顶端设置有顶盖5，所述飞轮2设置于所述壳体1内部，且所述飞轮2的飞轮转子7的顶端和底端分别通过轴承8与壳体1连接，所述双向电机3的电机转子9连接于所述飞轮转子7的外壁，所述双向电机3的电机定子10包覆于所述飞轮转子7的外侧，所述飞轮转子7上设置有倒锥台形套筒11，所述倒锥台形套筒11上螺旋设置有飞轮叶片12，倒锥台形套筒11、螺旋设置的飞轮叶片12所形成的螺旋槽构成了气流引导加速机构；所述壳体1内位于所述飞轮叶片12的外侧设置有凸台13，且所述凸台13与所述飞轮叶片12之间留有间隙，所述凸台13与所述飞轮叶片12将所述壳体1分割为上腔和下腔，所述腔内设置有分子筛挡板14，所述分子筛挡板14上开设有若干气体流通孔15，所述分子筛挡板14位于所述凸台13的顶端且覆盖于飞轮叶片12的上方，所述分子筛挡板14与所述上腔内壁之间形成的空腔内放置有若干球形分子筛16。

具体应用时，倒锥台形套筒11为入口小、出口大的结构形状，飞轮叶片12为螺旋设置，因此叶片间的螺旋槽深度由入口至出口变浅，实现入口压力小流速大、出口压力大流速小，从而形成出入口压差，在出入口压差作用下，气流不断从下腔体沿着螺旋叶片间的螺旋槽从下往上运动，流过分子筛挡板14的气体流通孔15被分子筛16吸附，实现了自抽真空，从而保证了下腔体小于1Pa的低真空，同时还减少了气流在出口的返流。

此外，飞轮叶片12与凸台13间有间隙（0.2mm以上），以防止叶片与凸台干涉。而分子筛挡板14上有气体流通孔15，则能够保证下腔体流出的空气可流过分子筛挡板14被分子筛16吸附，且在吸附时，防止分子筛掉入飞轮叶片12中，破坏自抽真空系统。

如图5所示，根据本发明实施例的一种飞轮储能方法，应用于飞轮储能装置，该飞轮储能装置包括具有封闭上腔和下腔的壳体1、飞轮2以及双向电机3，所述飞轮2与所述双向电机3设置于所述壳体1内，且所述飞轮2与所述双向电机3连接。该飞轮储能方法包括：

步骤S201，电动状态时，启动双向电机3驱动飞轮2进行转动，并在飞轮2的惯性转动下将电能转换为飞轮机械能；

步骤S203，发电状态时，利用飞轮2向双向电机3提供机械能，促使双向电机3进行发电，将机械能转换为电能；

步骤S205，在电动状态和/或发电状态时，通过设置于飞轮2上的气流引导加速机构将壳体下腔内的气体引流至壳体上腔，并通过气体吸附装置对引导至壳体上腔内的气体进行吸附。

在具体应用时，还可在飞轮2的飞轮转子7上套设倒锥台形套筒11，并将飞轮2的飞轮叶片12螺旋设置于所述倒锥台形套筒11上，促使倒锥台形套筒11、螺旋设置的飞轮叶片12所形成的螺旋槽构成了气流引导加速机构。而所述气体吸附装置则可采用球形分子筛16。当采用球形分子筛时，为了防止球形分子筛16落入到飞轮叶片12中，还可在壳体上腔内，设置分子筛挡板14，并在分子筛挡板14上开设若干气体流通孔15，并将分子筛挡板14放置于所述分子筛与所述飞轮叶片12之间。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过设置气流引导加速机构，使得设备在运行的过程中，飞轮转子带动气流引导加速机构进行转动，从而使得壳体下腔内的气体引至壳体的上腔，而由于壳体的上腔内还设置有气体吸附装置，从而能够有效的对引导至壳体上腔内的气体进行吸附，实现了自抽真空，从而保证了下腔体小于1Pa的低真空。

此外，由于本发明中并未设置出气口，从而还能够有效的避免设备在运行的过程中，空气出现回流，进而避免了空气倒流进去飞轮储能装置内，造成设备运行出现故障的情况发生，有效的保证了设备运行的安全性和稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能装置，包括壳体、飞轮以及双向电机，所述飞轮与所述双向电机设置于所述壳体内，且所述飞轮与所述双向电机连接，其特征在于：

所述壳体，具有封闭的上腔和下腔，且所述上腔与所述下腔的分割处贯通设置有叶片容纳腔；

所述飞轮，具有飞轮转子和飞轮叶片，所述飞轮转子与所述双向电机连接，所述飞轮叶片位于所述叶片容纳腔内，且飞轮叶片的边缘与所述叶片容纳腔的内壁留有空隙；

气流引导加速机构，位于所述飞轮叶片上，用于在飞轮叶片转动时，引导下腔内的气体流动至上腔，并在引动气体流动时，加速气体流动；

气体吸附装置，位于所述上腔，用于吸附气流引动加速机构引导至所述上腔内的气体。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述气流引导加速机构包括倒锥台形套筒，倒锥台形套筒过盈装配于所述飞轮转子上，且所述飞轮叶片螺旋设置于所述倒锥台形套筒上。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述气体吸附装置包括分子筛。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述分子筛为球形分子筛。

5.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，还包括：分子筛挡板，所述分子筛挡板上具有若干气体流通孔，且位于所述分子筛与所述飞轮叶片之间。

6.一种飞轮储能方法，其特征在于，应用于飞轮储能装置，该飞轮储能装置包括具有封闭上腔和下腔的壳体、飞轮以及双向电机，所述飞轮与所述双向电机设置于所述壳体内，且所述飞轮与所述双向电机连接，该方法包括：

电动状态时，启动双向电机驱动飞轮进行转动，并在飞轮的惯性转动下将电能转换为飞轮机械能；

发电状态时，利用飞轮向双向电机提供机械能，促使双向电机进行发电，将机械能转换为电能；

在电动状态和/或发电状态时，通过设置于飞轮上的气流引导加速机构将壳体下腔内的气体引流至壳体上腔，并通过气体吸附装置对引导至壳体上腔内的气体进行吸附。

7.根据权利要求6所述的飞轮储能方法，其特征在于，还包括：

在飞轮的飞轮转子上过盈装配倒锥台形套筒，并将飞轮的飞轮叶片螺旋设置于所述倒锥台形套筒上，构成气流引导加速机构。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能方法，其特征在于，所述气体吸附装置采用分子筛。

9.根据权利要求8所述的飞轮储能方法，其特征在于，所述分子筛采用球形分子筛。

10.根据权利要求9所述的飞轮储能方法，其特征在于，还包括：

在壳体上腔内，设置分子筛挡板，并在分子筛挡板上开设若干气体流通孔，将分子筛挡板放置于所述分子筛与所述飞轮叶片之间。

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