带单极直流电磁传动机的飞轮储能和转换系统技术方案

一种适合在电网调峰、风力发电等固定场所应用的储能和转换系统，采用飞轮储能，采用常规同步或异步电动/发电机与电网连接，采用单极直流电磁传动机(HET)作为飞轮与电机之间的无级变速变矩传动设备。飞轮的较佳方案是采用立式柔性飞轮或悬挂式柔性飞轮，后者尤其适用于具有很大质量的飞轮。飞轮柔性悬挂式结构可避开常规使用的轮体与转轴组合简支转子的不平衡和共振问题；立式转轴上的轴向支承永磁轴承可解决大质量飞轮的重力支承问题；飞轮的柔性连接多体轮体利于制造和提高储能体积密度；由HET和普通电机组成的能量输入输出转换系统，没有电机的发热量大且散热不利问题，传输功率不受限制，设备的功率密度高、成本低，能量转换效率高。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术涉及一种储能和转换系统，特别是在固定场所利用飞轮储能，并进行与电网之间的能量输入输出变换的系统。
技术介绍
飞轮储能和转换系统主要由飞轮储能装置和能量转换系统两大部分组成。目前典型的飞轮储能和转换系统具有以下结构及特点：飞轮动能载体：飞轮动能来源于较大质量的飞轮轮体以很高的线速度旋转，轮体质量块均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以利用纤维增强塑料的高强特点获得最大的储能密度。这种材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，这样带来的不利之处是不能充分利用已占的空间布设质量块，实用储能体积密度偏小。另外，大质量、高线速度复合材料轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是轮体与转轴的组合多为简支柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。飞轮真空容器：旋转的轮体置于真空容器内，以最大限度地减少鼓风摩擦损失。旋转轴全部位于真空容器内，没有轴密封(即真空与大气的隔离)。轴承和电机也位于真空容器内。飞轮轴承：采用磁力轴承，支承径向负荷和轴向负荷(飞轮多为立式结构)，以最大限度地减少轴承摩擦损失，同时回避机械轴承在真空环境中的润滑剂蒸发问题和寿命锐减问题。同时采用机械保护轴承，在磁力轴承不用、未用、失效、超载等情形下起到临时支承和定位作用。能量转换系统：采用高转速变频电动/发电机和双向变流器，电机与飞轮同转速，由电网向飞轮输入能量时，电网工频交流电经整流和变频后驱动电动机，使飞轮升速，由飞轮向电网输出能量时，飞轮动能驱动发电机，产生的电能经整流和变频后输出到工频电网。电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、热传导受限的问题比较大。经归纳总结，现有的飞轮储能和转换系统有以下不足之处或者有待改进的方面：(1)由于单个轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，实用储能体积密度偏小。(2)现有储能飞轮的转动不平衡问题大，解决工艺难，易引起较大的不平衡振动，并随使用时间加长而加剧不平衡。而且，大多数飞轮在其运行转速范围内避不开共振转速，带来通过共振点的问题。飞轮质量越大，其不平衡和共振问题越大。在固定场所应用的储能飞轮以大质量较多，例如电网调峰和风力发电稳定负荷所用的储能飞轮就具有很大的质量，这类飞轮的不平衡和共振问题尤其显得突出。(3)径向负荷轴承和轴向负荷轴承全部采用磁力轴承带来的问题：增加了必须具有很高可靠性的磁悬浮轴承主动控制系统，与不需控制的机械轴承或永磁轴承相比较，磁悬浮轴承及其控制系统毕竟是一个复杂系统，出现问题的概率较高，一旦出现故障和失效，由于飞轮的惯性旋转不能短时间内停止，保护轴承的发热和磨损将非常严重以致损坏，最终将引起飞轮转子系统的恶性破坏。磁悬浮轴承系统依靠电源的维持，在飞轮长时间不工作但保持旋转时也不能间断电源的供给。(4)高频高转速电机的发热量大、同时热传导又受限的问题比较严重，限制了电机功率的增大。变频电机还需要配置成本较高的变频器。变频电机+变频器的总效率也较低，即此种能量传递方式的效率较低。
技术实现思路
本专利技术方案采用单极直流电磁传动机(HET--HomopolarElectromagneticTransmission)作为储能飞轮的能量传递设备，实现一种新的、功率强劲的、高效率、低成本储能和转换系统，进一步通过采用立式柔性飞轮和悬挂式柔性飞轮，解决大质量飞轮和轴承等问题，从而较全面地改进飞轮储能和转换系统。下面对本专利技术的技术方案及原理进行详细说明。一种可应用于电网调峰、风力发电、不间断电源等固定场所的飞轮储能和转换系统，包括：一个储能飞轮装置，一个电动/发电机，在飞轮与电机之间的传动设备，以及它们的控制系统。其必要特征是：传动设备采用一套单极直流电磁传动机(HET)。其中的电动/发电机采用同步电机或异步电机，直接与工频电网相连，起动后以同步转速(同步电机)或同步附近转速(异步电机)运转，位于大气环境中(非真空容器中)，采用卧式或立式结构。由电网向飞轮输入能量时，电机运行在电动机状态，由飞轮向电网输出能量时，电机运行在发电机状态。在飞轮具有能量时，电机的起动优先采用由飞轮和HET带到额定转速的方法。其中的储能飞轮由轮体、转轴、轴承、真空腔室等组成，轮体的大质量部分由单向连续纤维增强复合材料周向缠绕制成，轴承采用机械滚动轴承或磁力轴承。储能飞轮的较佳方案是采用立式柔性飞轮或悬挂式柔性飞轮，后者尤其适用于具有很大质量的飞轮。立式柔性飞轮的方案说明如下。立式柔性飞轮的基本组成包括：旋转的轮体，一个转轴(51)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体(52)。其转轴中心线垂直于地面，轮体为多体轴对称结构，轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支承体(54)，这些结构体以大环套小环形式依次顺序布置，质量块体位于旋转的最外圈和次外圈，支承体位于质量块体的内圈，质量块体由周向缠绕的纤维增强聚合物构成，采用轴对称的柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上，两个端面为承重端面副(56)。用于质量块体缠绕成型的纤维增强聚合物，其纤维为单向连续纤维，纤维种类可选碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，玻璃纤维可选高强型玻璃纤维和E玻璃纤维等，采用缠绕成型用无捻粗纱；其聚合物可选热固性树脂和热塑性树脂，热固性树脂可选环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等。碳纤维增强聚合物与玻璃纤维增强聚合物相比较，其优点在于：周向(环向)拉伸弹性模量较高，旋转时变形较小；复合材料的密度较小，比强度较高，单位重量的储能密度较高；其缺点在于：碳纤维价格昂贵，产品成本很高；由于密度较小，而强度的优势并不明显或仅仅持平(相对高强玻纤)，其单位体积的储能密度较低。因此，采用玻璃纤维增强聚合物具有较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种储能和转换系统，包括：一个储能飞轮装置，一个电动/发电机，在飞轮与电机之间的传动设备，以及它们的控制系统，其特征是：传动设备采用一套单极直流电磁传动机(HET)。

【技术特征摘要】
1.一种储能和转换系统，包括：一个储能飞轮装置，一个电动/发电机，在飞轮与电机之间
的传动设备，以及它们的控制系统，其特征是：传动设备采用一套单极直流电磁传动机(HET)。
2.如权利要求1所述的储能和转换系统，其特征是：储能飞轮采用立式柔性飞轮，由旋转的
轮体、一个转轴(51)、转轴上的轴承、包容轮体且腔内真空的壳体(52)组成，其转轴中心
线垂直于地面，轮体为多体轴对称结构，轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支
承体(54)，轮体中的称为结构体的质量块体和支承体以大环套小环形式依次顺序布置，质量
块体位于旋转的最外圈和次外圈，支承体位于质量块体的内圈，质量块体由周向缠绕的纤维
增强聚合物构成，采用轴对称的柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，外圈结
构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上，两个端面组成承重端面副
(56)。
3.如权利要求2所述的储能和转换系统，其特征是：外圈结构体的一个面朝上的端面置于内
圈结构体的一个面朝下的端面的下方，两个端面组成限制向上位移的端面副(57，64)，该端
面副与承重端面副可以设计为集中组合在一起，形成凸台与凹槽配合结构。
4.如权利要求1所述的储能和转换系统，其特征是：储能飞轮采用悬挂式柔性飞轮，由一套
或多套串联的旋转轮体、一个转轴(101)、转轴上的轴承、包容轮体的真空容器组成，其转
轴中心线垂直于地面，转轴上的轴向轴承采用一组轴向支承永磁轴承，轮体位于转轴的下端，
轮体与中心轴(102)连接，中心轴与转轴下轴端通过承拉传扭柔性传动件连接，使轮体悬挂
在转轴下面。
5.如权利要求4所述的储能和转换系统，其特征是：承拉传扭柔性传动件采用一套万向传动
轴，包括两个万向节，万向节的两个转动副的转轴轴线垂直相交，或垂直相错。
6.如权利要求4所述的储能和转换系统，其特征是：承拉传扭柔性传动件采用圆环链条(图
8，图9)，上下端各采用半个圆环(图5)，中间采用一个或多个圆环，每个圆环由上下两个
半环和中间加长的两个直段组成(图6)，或者该两个直段之间还有加强的横向连接梁(图7)。
7.如权利要求1至6所述的储能和转换系统，其特征是：一套HET含有两个转子、一套静子、
外部附属系统和调节控制系统，每个转子上有一个或多个轴对称形状的导磁导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立民，
申请(专利权)人：徐立民，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23