[发明专利]飞轮系统

说明书

背景技术

能够为后续使用存储电能是再好不过的事情。

尽管有许多技术可以做到存储和再生电能，但在这些技术中，只有极少数能够做到真正足够廉价，以便为连接到大规模系统(例如公用事业的配电网)的应用提供经济的使用价值。所有这些目前可用的能够经济地发挥作用的极少数技术，其实际使用又受限于各种地理的、地质的和/或地形的要求，这些要求限制了它们最终能够达到的容量以及对潜在客户的亲近度。

廉价地储存大量电能的技术能够使发电机、变送器、配电器以及电力用户消除其电力需求中的大幅波动，以显著地提高燃料能效和资本效率。除了廉价的电能存储所带来的这种纯经济价值之外，还显现出巨大的环保价值。利用基于化石燃料发电所产生的二氧化碳是全球变暖的主要原因。虽然现今市场上存在着众多的既能产生大量可用电力同时又不会产生作为副产品的二氧化碳和其它污染物质的发电技术，但目前还没有一种广为人知的易于扩展的解决方案能够做到随心所欲地增加或减少其输出功率以满足用户要求。基于风能、太阳能和潮汐能转换的发电技术只能在这些能源可用时才能用来发电。众所周知，虽然核能工作在稳态输出时具有极高的运行效率，但它却很难迅速地增加或减少。由于受到这些暂时的限制，这些技术产生的电能只占总电力需求中很少一部分，并且在关键时刻它们必须依赖化石燃料发电来提供电力。为了使得这些在总系统发电容量中占据一定百分比的技术能够经济地发展，它们需要大幅度地提高电力存储和电力再生的能力。

近年来大量注意力投向利用飞轮进行能量存储的理念。目标是通过电动机利用电能来加速飞轮从而将电能转化为存储在飞轮动量中的动能。一旦电能转化为动能，人们可以随意地设定传递时间，在此期间飞轮自由旋转。随后，通过使飞轮的动量驱动发电机或交流发电机来从系统汲取能量。这可以减慢飞轮转速并将其存储的动能重新转化为电能。

储能飞轮是一种很早就提出来的概念，长期以来已获得广泛的使用。电能储存飞轮或电机电池(electro-mechanical battery)就像上述概念一样，也不是一种新鲜事物；而且已经证实，一些基于飞轮的系统能够为连接有某些应用如频率调整和短期电能储备的输电网提供一些高价值的服务。除了本文所要公开的发明外，尚未出现本发明者目前所知的那种飞轮能量存储系统，即能够足够经济地提供储能而作为大型能量存储解决方案获得广泛的实用性。

飞轮系统的经济可行性取决于许多因素。在这些因素中，最重要的是用于建造的资金成本、“加速旋转”和“减速旋转”过程的转换效率，以及惯性运动的效率或者当飞轮处于充电状态而电力既未被使用也未被汲取时所损失的能量的多少。

存储在飞轮中的动能为1/2Iω²，其中I是飞轮的转动惯量，ω是飞轮的角速度。为了使该公式每单位成本取得最大值，通常，理想的做法是将飞轮转子材料做成这样的形状：对于给定的材料量，它能够最大化转动惯量。其中一种最高效的飞轮转子形状是将材料做成环形或箍形。

在制造飞轮的过程中，存在着大量必须考虑的设计问题，包括但不限于材料成本、制造成本、动态稳定性、内部摩擦、轴承工艺及布置、电动机/发电机操作技术和配置，以及封装。

已知的一种飞轮系统是由Vance和Murphy所介绍和部分测试的“弹性飞轮”系统(“Vance飞轮”)，在J.M.Vance和B.T.Murphy的“基于弹性飞轮的家用或农场用惯性能量存储(Inertial Energy Storage For Home or Farm Use Based on a Flexible Flywheel)”的文章中对其有描述，该篇文章出自于1980年10月美国亚利桑那州(Arizona)斯科茨代尔市(Scottsdale)的1980年飞轮技术论文集第75-87页，由美国能源部(U.S.Department of Energy)美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers)劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Library)联合发表。该设计借助于电动机的许多根支承绳索来悬吊面包圈形的绳索捆(用作飞轮)，而电动机本身又从一个特殊的非轴向对称的缓冲万向节(damped gimbal)系统悬挂下来。Vance系统表现出各种令人满意的属性。

当该系统通过电动机迅速获得加速度使得支承绳索自身“扭转”以形成一种挠性轴时，系统表现为完全达到自平衡和自稳定的状态。这是相较于其它大多数所述飞轮系统的主要优点。