[发明专利]用于能量储存的大型飞轮

说明书

用于能量储存的飞轮，包括转子、壳体外罩、通过将电能转换成旋转转子中储存的动能来加充能量的装置和通过将旋转转子中储存的动能转换成电能来释放能量的装置，特点在于转子为竖直定向，转子具有超过5000kg的质量，转子包括中央竖直轴，径向轴承布置在竖直轴的上端，轴向‑径向液压轴承或单独的轴向轴承和径向轴承布置在竖直轴的下端。

发明领域

本发明涉及能量储存器(energy storages)。更具体地，本发明涉及一种以旋转动能的形式储存能量的储存器、一种用于储存和提取能量的系统、一种用于建造其的方法、一种用于操作它和更换磨损零件的方法以及该储存器的整体使用。该储存器的主要部件包括转子、用于转子的支撑系统、用于输入和输出电力的电动马达和发电机、以及提供低摩擦支撑并能够进行系统的建造、操作和维修的液压系统。所有这些都包含在室内，该室的压力和整体气体状态是受控的。

发明背景和现有技术

飞轮式能量储存器可用于稳定电力系统的频率和电流，用于储存来自这种系统的能量，并根据需要输送回电力。

飞轮的机械结构已为人所知数百年，这种设备被广泛用于机械稳定系统，如机器、陀螺仪以及用于储存动能。对于能量储存，快速积累和分配能量的能力本身就是一种被需要的特性。另外，飞轮系统还可以包括电力输入，该电力输入通过电动马达被转化成机械输入，从而增加了储存的能量。类似地，该系统可以包括发电机，用于将电力输出传递给需要的应用。此外，当与电网集成时，该储存器还可以用于稳定这种电网系统中的频率和电压，并桥接突然的电力间隙。

存在一系列与飞轮能量储存器相关的挑战。首先，由于转子和支撑系统之间的摩擦以及从转子到周围大气的摩擦，存在不可避免的能量损失。因此，转子的支撑状况代表来自摩擦的能量损失方面的一个关键设计要素。另一个普遍的问题是质量分布的缺陷和几何错位，这反过来会导致振动和机械磨损。这种不需要的表现通常被称为“晃动”。另一个问题是由高离心力引起的安全问题，高离心力会导致转子以爆炸的方式失效，从而释放大量的动态旋转能量和静态弹性能量。由于转子故障的风险，飞轮通常包含在非常坚固的封闭外壳结构中。

飞轮中的转子通常具有围绕强旋转轴线(strong rotary axis)建造的轴对称几何形状的质量体。储存在这种物体中的动能由下式定义

这里，e_k是单位体积的动能，ω是角速度，ρ是质量密度，V表示旋转体的总体积。在最简单的情况下，这可能是一个围绕中央轴线旋转的均匀圆柱体。储存在这种具有外半径Re和高度H的圆柱体中的能量可以由下式表示：

从这个等式可以得知，物体半径和角频率是关于储存的能量的决定性因素。此外，当能量除以总质量时，将得到每单位质量的平均能量含量(Nm/kg＝Ws/kg)：

当考虑能量含量时，考虑旋转体承受的应力量也是至关重要的。作用在旋转质量体上的离心力由下式给出

其中t表示时间，θ是旋转角度。最强体积力出现在最大半径R_e处。机械上，离心体积力必须通过径向应力σ_r和圆周(环向)应力σ_θ的组合来抵消。可以建立一个微分方程，其根据具体的材料和设计，可以通过解析解法或数值解法技术来求解。这里，只要指出旋转体的外纤维在应力方面是最关键的就足够了，因为径向应力边界条件是σ_r＝0，并且体积力必须仅由圆周应力获得，圆周应力由下式给出

σ_θ＝f_cR_e＝ρω²R_e² (5)