飞轮储能装置的制作方法

飞轮储能装置
1.优先权要求
2.本技术要求于2019年6月4日针对james b.clegern提交的“catenary flywheel kinetic battery”，临时专利申请号为62/857,088的美国临时专利申请的优先权申请利益，在此通过引用将其全部内容并入本技术，如同在此完全阐述一样。


背景技术：

3.飞轮作为一种以旋转动能形式存在的储能装置已经有2000多年的历史了。在更大的形式因数(通常为10千瓦时或更高)下，它们可以提供储能系统(ess)的核心，用于从多模块公用系统到单个单元住宅/商业系统的可再生和传统电网。真空封闭飞轮与超低摩擦磁性轴承相结合，特别适合每天需要频繁充电/放电循环的ess应用，因为它们基本上没有磨损的零件。这些高循环ess应用的示例包括支持可再生能源的间歇性、为电动汽车充电站供电以及稳定电网频率调节。然而，通常情况下，在这些应用中具有潜在用途的当前一代飞轮以相对较低的速度旋转，并由大量结构材料(如钢或复合纤维树脂层压层)制成。无论是在初始成本还是安装成本上，这些高质量飞轮通常因其能够存储的能量而成本高昂，并将应用限制在体积或质量不受限制的地方。
4.在检查飞轮的储能能力时，它们在很大程度上受到结构设计和结构材料选择的限制。结构设计规定了飞轮如何连接到旋转轴以传递扭矩，以及在何处放置结构质量以最大化旋转惯性矩。结构材料特性(即强度、密度、弹性、抗疲劳性等)根据结构设计决定飞轮的运行速度和寿命。例如，随着结构材料的每次演变，从石器时代、青铜时代、钢铁时代到现在的复合时代，飞轮结构材料性能的改善使得给定结构设计的转速更快。
5.飞轮动能储存(ek)能力由标准方程式ek＝1/2iω^2决定，其中惯性矩(i)中的结构设计质量位置和飞轮转速(ω)是两个储能驱动因素。在两种储能驱动因素中，增加给定结构材料的结构质量和惯性矩(i)是实现更大储能的标准途径。这涉及到在给定结构材料达到最大速度后，为传统的圆盘、圆柱轮缘或环形轮缘结构飞轮设计增加厚度或高度。将复合材料用于传统的质量集中飞轮已在商业上得到证明，1250千克的单位可储存25千瓦时的能量。利用钢材料制造传统的质量集中飞轮在商业上得到了证明，2270千克的单位可储存50千瓦时的能量。就连传统的质量集中飞轮使用混凝土材料的情况也在商业上得到了证明，3000千克的单位可以储存10千瓦时的能量。
6.通过增加质量来增加飞轮储能有三个方面的挑战。首先，飞轮储能容量随着飞轮质量的增加而线性增加，从而导致制造、交付和安放高储能容量的大型飞轮的实际操作限制。其次，随着飞轮质量的增加，每个支撑飞轮子系统(即轴承、支撑结构和真空外壳体)也必须“放大”，以处理增加的质量，从而增加整个系统的质量和复杂性。第三，总体质量的增加和子系统的复杂性使储能增加成为重要的成本驱动因素，许多飞轮储能系统的定价远远超出了合理的投资回报时间范围。
7.第二个储能驱动因素将重点放在提高飞轮转速上，因为它将飞轮的储能能力提高了两倍。飞轮的两个开发领域可以提高速度：结构设计和更坚固的结构材料。使用更轻、更
坚固的复合材料代替较重的金属和玻璃纤维，已成为传统圆盘、圆柱轮缘或环形轮缘型传统结构质量飞轮设计的主流。20世纪70年代，利用树脂浸渍复合纤维材料的连续纤维缠绕的新制造技术的灵活性，对探索提高储能能力的新型结构飞轮设计进行了研究。这些新的结构设计有希望，但只增加了传统的环形轮缘质量飞轮设计。
附图说明
8.图1是飞轮储能装置示例的透视图；
9.图2是示例椭圆卵形飞轮的侧视图；
10.图3是示例椭圆卵形飞轮的横截面图，包括轴承子系统和传动子系统；
11.图4是右轴承子系统和变速箱子系统的详细横截面图；
12.图5是左轴承子系统的详细横截面图；
13.图6
‑
7是其他示例椭圆卵形飞轮的横截面图。
具体实施方式
14.公开了一种高速、紧凑的飞轮系统，其适于存储来自可再生和传统公用电力设施的多余能量，并在需要能量时分配能量。高速椭圆卵形飞轮示例包括复合材料壳体，该复合材料壳体由树脂浸渍复合纤维材料的螺旋缠绕带与提供压缩支撑的内部复合结构组合而成。在一个示例中，纤维缠绕复合材料壳体通过同心布置在轴的任一侧的成对结构法兰板耦合到旋转轴，其中多个复合材料壳体纤维带连接用于扭矩传递。飞轮壳体内部的大部分是中空的，以在最大允许壳体半径下最大化飞轮惯性矩质量。
15.飞轮卵形和椭圆曲率的形成是为了支持随着螺旋外缠绕的每根纤维半径的变化而变化的向心力。这允许两个平面的结构支撑，与等直径和相同结构材料的传统圆盘或圆柱形飞轮相比，可显著提高允许的尖端速度。椭圆飞轮结构的全复合性质提高了操作安全性，并允许在其最佳实施方案中最大限度地和一致地利用复合材料强度。
16.在一个示例中，椭圆卵形飞轮包括多组螺旋缠绕，每组螺旋缠绕具有均匀的宽度。每组螺旋缠绕有围绕壳体外表面和位于旋转轴两侧的轮毂延伸的层。在另一个示例中，每组螺旋缠绕具有以单向关系缠绕并封装在树脂基体中的接近连续的单端丝状材料。在另一个示例中，在旋转过程中，每组螺旋缠绕在每个缠绕的宽度上均匀受力。在另一个示例中，每组螺旋缠绕都有径向定向的分层复合材料壳体。在另一示例中，螺旋缠绕以相互重叠的关系布置在轮毂靠近旋转轴的位置处的部分上。
17.在一个示例中，径向定向螺旋缠绕的每一层最初角度约为5度，并逐步至约35度，以使缠绕层的质量累积远离旋转轴，从而增加飞轮的惯性矩。
18.在一个示例中，径向定向螺旋缠绕配置为在压缩应力下将拉伸尖端应力转移到靠近旋转轴的加厚结构上，从而最大化纤维缠绕复合材料层压层的有效强度。
19.椭圆卵形飞轮可具有连接到外部卵形壳体并为外部卵形壳体提供压缩支撑的集成内部结构。在一个示例中，内部结构由金属或接近连续的单端丝状材料形成，所述单端丝状材料以单向关系缠绕在多个层中并封装在树脂基体中。在另一个示例中，内部结构由金属复合层压层形成，该复合层压层以单向关系缠绕在多个层中，并粘合到外部卵形壳体的内层。与卵形壳体的外径相比，内部结构的最小内外比约为0.1。
20.在一个示例中，卵形壳体的内、外周面呈旋转椭圆形状。在一个示例中，卵形壳体螺旋缠绕层二次用于控制飞轮的惯性质量。
21.在一个示例中，增加或减少层将飞轮储能容量配置为通过多个缠绕层增加或减少。
22.椭圆卵形飞轮还可具有连接至最内层和最外层卵形壳体层的双凸台板，以将卵形壳体连接至轴，以实现共转和扭矩传递。通过将凸台板半径保持在椭圆卵形半径的15％以下，从不超过凸台板的结构强度，从而消除了传统飞轮结构的弱点。
23.本文描述的系统和方法具有若干能量存储优点。这些包括但不限于提供更有效地利用其结构质量的飞轮；提供在不发生结构故障的情况下提高飞轮转速的方法；提供能够适应其负载分布的柔性飞轮结构；提供经济的飞轮结构，可根据客户的储能需求定制；并将更小、高能量密度飞轮的优点与更小、紧凑的子系统相结合，形成低成本的储能系统。通过研究以下描述和附图，进一步的优点将变得明显。
24.在继续之前，应注意，如本文所用，术语“包括(includes)”和“包括(including)”是指，但不限于，“包括(includes)”或“包括(including)”和“至少包括(includes at least)”或“至少包括(including at least)”。“基于”一词是指“基于”和“至少部分基于”。
25.图1是示例飞轮储能装置10的透视图。系统10的示例包括安装结构14上的密封飞轮组件12。真空端口16通过密封飞轮组件12提供。飞轮组件12可操作地与安装在平台20上的电动机或发电机18相关联。例如，飞轮组件12可通过变速箱连杆22与发电机18可操作地相关联。在一个示例中，发电机18可包括与冷却子系统26可操作地相关联的冷却管路24。
26.在一个示例中，发电机18可操作地与具有电源连接30和控制和监测连接32的电源控制子系统28相关联。例如，电源控制子系统28可通过接合控制装置34可操作地与发电机18相关联。
27.子系统和/或变速箱的控制可至少部分基于飞轮组件12中的工作条件。例如，控制可以至少部分基于经由连接36的一个或多个传感器。
28.在一个示例中，飞轮组件12包含安装在与变速箱22相关联的轴52上的高速三维(3d)椭圆卵形飞轮50。图2显示了示例椭圆卵形飞轮50的侧视图。椭圆卵形飞轮50相比二维圆盘、圆环或圆柱形状(即使是由相同结构材料制成且具有相同或相似直径的圆盘、圆环或圆柱形状)提供了显著的惯性质量和工作速度改进。表1提供了相同几何和材料约束下飞轮性能示例的比较。
29.表1：飞轮性能
[0030][0031]
在示例中，椭圆卵形飞轮50包括形成卵形壳体形状的螺旋缠绕树脂浸渍复合纤维材料层。该配置提供了将显著的惯性质量移动至最大飞轮直径的方法。
[0032]
调整椭圆卵形飞轮50的螺旋缠绕层数允许调整飞轮惯性质量。螺旋缠绕复合纤维材料的每一层几乎处于纯拉伸状态，最大限度地提高了结构材料的性能，而卵形复合材料壳体的曲率将不利于结构完整性的应力集中降至最低。卵形复合材料壳体的3d特性还允许飞轮最大直径处的复合材料纤维结构材料在两个平面内分担应力，类似于球形压力容器内的薄膜应力，允许飞轮超过环向缠绕圆盘、圆环或圆柱体的典型环向应力极限相当大的一部分。
[0033]
在操作期间，真空密封飞轮50通过连接到飞轮轴52并连接到外部电动机/发电机18的两部分磁性传动装置，通过密封真空外壳体12传递扭矩和能量，齿轮传动以使飞轮转速与外部电动机/发电机18的运行速度相匹配。
[0034]
尽管未示出，也可以提供外壳体来覆盖电动机/发电机和连接件(例如，与飞轮真空外壳体12)以及外部磁性传动装置。在一个示例中，一个或多个传感器36提供位置、温度、振动、飞轮每分钟转数(rpm)和压力读数，这些读数通过嵌入在真空外壳体12中的线路传递到控制显示器。
[0035]
外部电动机/发电机18由平移平台14、控制器28支撑，以允许外部磁性传动装置与真空外壳体的耦合和分离。这允许真空密封的椭圆卵形飞轮50脱离外部电动机/发电机18，消除了待机功率损失的显著来源。小型备用化学电池通常在运行时由电动机/发电机18充电，或者在电动机/发电机18脱离时由其他外部电源维持传感器组件和主动轴向推力轴承所需的电力。在电动机/发电机18脱离的情况下，椭圆卵形飞轮ess的50％电力剩余电量之前的待机时间可以超过250小时。利用外部插入式电源或太阳能电池阵列为备用化学电池充电，椭圆卵形飞轮ess的待机时间可超过350小时，直至50％的剩余电量。
[0036]
图3是示例椭圆卵形飞轮50的横截面图，包括轴承子系统54a、54b和传动子系统56。图4是右轴承子系统54a(来自图3中的详细区域4)和变速箱子系统56的详细横截面图。
图5是左轴承子系统54b的详细横截面图(来自图3中的详细区域5)。
[0037]
示例椭圆卵形飞轮50可包括卵形复合材料壳体58，其径向复合纤维包覆在集成复合材料压缩支撑结构60上。示例椭圆卵形飞轮50可通过内部凸台板支撑件64和外部平衡凸台板66以及外壳体导向板68和内部凸台板70上的凸台板附件62安装在轴52上。椭圆卵形飞轮50通过轴向接地轴承、电磁铁轴向稳定器72和径向接地轴承74支撑在轴52的两端。旋转pm轴承76、固定pm轴承78、轴向电动轴承80也可见，并承载大部分负载和使系统稳定。内部pm变速箱82、减速器板84、后轴承箱板86和轴承箱88也可见。
[0038]
椭圆卵形飞轮50可构造在内部压缩支撑件90上。在一个示例中，内部压缩支撑件90是半径为r1的树脂浸渍复合纤维材料的周向缠绕空心圆筒，其厚度在飞轮运行时提供压缩支撑。内部压缩支撑件与外部卵形壳体的内部椭圆卵形缠绕粘合到位。
[0039]
在一个示例中，选择用于椭圆卵形飞轮结构的复合纤维材料，使其在承受应力时(例如，与碳/石墨纤维类似)具有最小的伸长率，从而不会损害飞轮相对于真空外壳体的结构完整性。某些复合材料(如增强塑料、玻璃纤维、超高密度聚乙烯、玄武岩和芳纶纤维)在负载下持续拉长或“蠕变(creep)”，可能不适用于该飞轮应用，因为其在主动运行时的连续负载要求高。
[0040]
在一个示例中，椭圆卵形飞轮50的外壳体由多个螺旋缠绕树脂浸渍复合纤维层压层组成，层压层包括具有每层完全覆盖飞轮半径r0的圆周的厚度t0。内部层压层遵循缠绕完成后移除的内部椭圆卵形，形成内部空隙。内层压层沿着低角度螺旋缠绕路径，绕过飞轮轴和轴支撑件，并粘合到内凸台法兰板的外表面。每个附加层压层逐渐增加其螺旋缠绕路径角度，使其最大角度等于内支撑圆筒外半径r1。
[0041]
在添加所需数量的层压层以提供应力支撑和惯性质量后，外层层压层以最佳螺旋角椭圆路径完成。在两层之间的每个层压层中，椭圆路径通过穿过内部空心圆柱支撑件厚度的椭圆截面过渡到垂直路径，以允许压缩应力集中在最大内部结构支撑件的区域。
[0042]
椭圆卵形飞轮50由主动电磁推力轴承、附轴径向磁轴承和外壳体固定径向磁轴承、轴向电动轴承和备用接地轴承沿其旋转轴和轴52支撑和稳定。飞轮两侧的外凸台法兰板的一部分提供了沿旋转轴微调惯性轴的平衡质量。
[0043]
椭圆卵形飞轮结构如图3所示，显示了半径r1和厚度t1的内部压缩支撑件、外部凸台法兰板、内部凸台法兰板、轴支撑件和内部轴支撑件。该视图中还包括与内部压缩支撑件端部相连的螺旋缠绕导板。
[0044]
图3还显示了半径为r0的全椭圆形外螺旋缠绕层，设置有宽度为w的压缩支撑件，该压缩支撑件兼作轴压缩支撑件。图3还显示了半径为r0的部分椭圆形外螺旋缠绕层，设置有多个宽度为w的内部压缩支撑件。侧视图显示了内部压缩支撑件的位置，例如相对于飞轮直径的系统。
[0045]
一个椭圆卵形飞轮外壳体示例，显示了一个阶梯状复合纤维树脂缠绕，其起始低角度延伸至最佳螺旋角椭圆路径，该椭圆路径与空心内部压缩支撑圆柱体的外半径相交。多个螺旋缠绕树脂浸渍复合纤维层压层缠绕包括每层卵形复合材料外壳体。
[0046]
示例椭圆卵形飞轮50的有限元分析结果，带有示例内、外椭圆螺旋缠绕层压层和内部空心圆柱压缩支撑。包括预测安全系数(sf)，以便在36000rpm运行速度下解释飞轮应力分析。
[0047]
在继续之前，应注意，提供上述示例是为了说明的目的，并非旨在限制。其他设备和/或设备配置可用于执行本文所述的操作。
[0048]
在一个示例中，图中所示的组件和连接可用于以下操作。本文所示和描述的操作用于说明示例实现。注意，操作不限于所示的顺序。还可以实施其他操作。
[0049]
在一个示例操作中，椭圆卵形飞轮50在由磁性轴承支撑的真空外壳体12内绕轴52上的水平或垂直轴旋转(图3
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5)。磁性轴承在径向和轴向提供支撑。椭圆卵形飞轮50的速度可通过真空外壳体12传递扭矩(例如，通过连接到飞轮轴52和外部电动机/发电机18的磁性传动装置)来增加或降低，因此其储能水平可增加或降低。磁性传动充当椭圆卵形飞轮50和外部电动机/发电机18之间的中介，允许旋转能量通过磁性耦合通过真空外壳体12的壁传递。功率输入和输出由外部电动机/发电机18提供，外部电动机/发电机18从用户源获取功率，以加速椭圆卵形飞轮50，将电功率转换为旋转动能，然后在用户减速椭圆卵形飞轮50时向用户推送功率，将旋转动能转换回电能。
[0050]
当椭圆卵形飞轮运行时，各种设计方面增加了可用的能量存储。在一个例子中，由于向心力径向拉动结构，卵形壳体的内外椭圆拱略微延伸(例如，与静止状态相比，约1
‑
2％)。这略微延长了飞轮的外半径，增加了飞轮运行时的惯性矩，从而增加了3
‑
5％的储能能力。这种灵活性使3d结构设计能够适应其负载分布，同时为飞轮储能能力带来积极的收益。
[0051]
在一个示例中，椭圆卵形飞轮50还可利用碳/石墨纤维复合纤维，其在负载下具有约1
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2％的总伸长率。当这些纤维以径向螺旋缠绕时，在负载下，预期的伸长率会略微延伸飞轮的外半径。这会在飞轮运行时增加飞轮惯性矩，从而增加约3
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5％的储能能力。这种灵活性使3d结构设计能够适应其负载分布，同时为飞轮储能能力带来积极的收益。
[0052]
在一个示例中，内部结构复合材料圆柱体还允许径向弯曲(来自卵形壳体压缩应力)和环向复合纤维的径向膨胀。由此产生的复合材料圆柱体半径的轻微增加会弯曲到上部空隙空间中，不会像传统的环缘外缠绕那样给外卵形壳体施加额外的应力。
[0053]
在一个示例中，通过向上移动卵形壳体的每个后续缠绕层的螺旋缠绕角，纤维(否则会集中在轴周围)移动到更大的半径，从而增加飞轮的有效惯性矩，同时仍然通过从轴向外辐射的增加的壳体横截面厚度扩展纤维层的拉伸应力。
[0054]
在一个示例中，放置在椭圆拱形中的螺旋外缠绕的重叠层创建了卵形复合材料壳体的3d特性。这允许飞轮卵形壳体中的结构复合材料在两个平面上分担应力，类似于球形压力容器中的膜应力。这使得椭圆卵形飞轮超过相同半径的环向缠绕圆盘、圆环或圆柱体的经典环向应力极限约40％，从而显著提高椭圆卵形飞轮的工作转速，从而提高其储能水平。随着椭圆卵形飞轮的宽径比接近1.0，并且飞轮呈球形(而不是卵形)，两个平面的应力改善比经典环向应力接近100％。必须通过添加内部飞轮结构来处理因增加宽径比而增加的压缩应力。
[0055]
当这五个方面结合到椭圆卵形飞轮结构中时，与具有相同结构材料、质量和直径的传统飞轮相比，储能能力提高了五倍。
[0056]
示例。通过有限元分析(fea)设计并评估了图1所示的椭圆卵形飞轮示例。示例飞轮设计为卵形壳体和内部支撑缠绕，该内部支撑缠绕具有带有环氧树脂浸渍的中等强度的3000mpa碳复合纤维层压层。凸台法兰采用不锈钢aisi a514进行模拟。如图3所示，模拟飞
轮在封闭的真空环境中建模，使用磁性轴承几乎无摩擦运行。模拟飞轮的最大直径约为1.0米，连接轴上的宽度约为0.45米。
[0057]
经过分析，确定模拟飞轮中的储能约为50.9千瓦时，飞轮惯性约为24.1kg
‑
m2，运行速度约为36000转/分钟。
[0058]
系统应力保持了约1.4至2.2的安全系数。模拟的飞轮运行不仅在商业应用的预期安全系数范围内，而且还实现了基于飞轮总质量的重量能量密度约为205瓦时/千克，基于飞轮体积的重量能量密度约为490瓦时/升。相比之下，传统2d圆柱形飞轮每千克约20瓦时和每升约45瓦时。疲劳分析表明，椭圆卵形飞轮在其使用寿命期间将提供超过200000次的充放电循环。
[0059]
使用强度为4100mpa的高强度碳复合纤维层压层，在相同的模拟飞轮几何结构中，在相同的安全系数下，运行速度超过49000rpm，并实现了约97千瓦时的储能能力。
[0060]
图6
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7是其他示例椭圆卵形飞轮的横截面图。图6中的椭圆卵形飞轮150比椭圆卵形飞轮50更似圆锥形。椭圆卵形飞轮150具有相同的宽度(宽度w1与飞轮50的宽度w大致相同)，并且在轴152附近具有内部支撑结构153。图7中的椭圆卵形飞轮250更宽(宽度w2)，具有中心内部支撑结构253和靠近轴252的另一支撑结构254。
[0061]
本文公开的系统和方法提供了一种椭圆卵形飞轮，其单位质量的储能能力大于先前已知的旋转储能装置。应了解，本文所述椭圆卵形飞轮特别适用于提供具有小的操作足迹和质量的能量存储，以便在部署的公用事业和可再生能源位置、住宅和商业位置以及潜在的运输中使用，例如，为电动汽车充电站供电。
[0062]
需要注意的是，所示和描述的示例是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制。还考虑了其他示例，包括但不限于垂直定向椭圆卵形飞轮。