[发明专利]气垫飞轮储能

说明书

技术领域  飞轮储能是将能量以动能的形式储存在高速旋转的飞轮中。再结合电机、电子技术，先利用电动机驱动飞轮使高速旋转，电能转变为动能而储存；当需要电能时，飞轮带动电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能。飞轮的加速和减速实现了充电和放电，故又称飞轮电池。该飞轮电池可应用于电力系统调峰、风力发电、太阳能发电、大功率调峰等领域。属机械、电力、交通技术领域。

背景技术  目前飞轮储能的关键技术之一是利用主动磁轴承，超导磁轴承和机械轴承结合的办法，减低轴承(高速、重载)的摩擦损耗。而主动磁轴承体积大，需要消耗较大的控制功率，临界转速低，成本高；而高温超导磁轴承技术目前尚不成熟，且需要复杂的制冷装置。

本发明是杨金玉发明(200910021015.5)的延续。

发明内容  把杨金玉发明(200910021015.5)直接引用来做飞轮电池，是非常合适的。密封气垫承载能力强，技术成熟，成本低，比磁悬浮更易实现产业化。详细内容结合附图加以说明。

附图说明  图1为气垫飞轮储能装置构成图。图中：

1、飞轮：要有很好的动平衡特性。

2、密封气盒：为承受巨大的大气压，密封气盒做成球壳形，为制造和安装方便，球壳设计成多瓣拼接结构，其底部密封安装在地基上，在飞轮底部与地基之间的A处装有环形气体密封装置，这是一种动态非接触密封，目的是阻抑气体沿旋转飞轮与地基(或密封盒)的间隙处泄漏。球形气盒顶部装有飞轮定位轴承及轴承座。若轴承座装在球形气盒外(即飞轮轴伸出气盒外)，则需要用磁流体密封沿转动轴泄漏的气体，飞轮轴的旋转线速度比飞轮外周的线速度要小得多，用磁流体密封效果很好。若如图1把轴承座装在球形气盒内，则不需要密封装置。

使用真空泵抽去由球形气盒、飞轮底面及部分地基所构成的气体密封空间的空气，形成负气压差ΔP，那么外面的大气压将作用在飞轮底面，对飞轮有向上推的浮力F＝ΔP×S，其中S为没有包在密封空间内的飞轮底面AA区面积。我们可以控制负气压的大小，使气体浮力正好等于飞轮及其附属件的重量，这样飞轮就悬浮在普通空气中，飞轮对轴承无重力压力。我们举一例子说明气垫的承载能力和气压差的大小：为简单，设飞轮为半球体状，底部直径为10米，由比重为2的纤维复合材料制成。可算得飞轮的体积飞轮的重量为433.6吨，飞轮底面积S＝πr²＝78.54米²那么悬浮飞轮所需的负气压差ΔP＝433.6吨/78.54米²＝0.55kg/cm²＝53.936kPa。可见只要较小的气压差就能使巨大的飞轮悬浮在空气中，大大降低了制造大型飞轮储能装置的难度。可以把负压工作的球形密封气盒气垫飞轮归类于杨金玉发明(200910021015.5)中的吊顶式气垫飞轮，其制造难度和成本比正气压工作的托底式气垫飞轮要高，但飞轮在稀薄空气中的阻力小得多，尤其是超高速旋转飞轮受益更大。

3、电机和功率电子变换器：为适应飞轮的高速旋转要求，有四种电机可供选择：感应电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机、永磁无刷直流/交流电机。功率电子变换器的功能是实现储能/放能的控制及改变电流电压的频率和波形，以满足用户的需求。在图1中电机没有放入球形气盒内，若放入气盒内空气阻力会更小。

4、气垫密封装置：气垫飞轮的气垫密封一般采用动态非接触式密封。往往发生在两处，一处是当需要把飞轮轴伸出密封气盒外时，则要阻抑气体通过旋转轴与密封盒的间隙泄漏，一般采用磁流体密封就会取得好效果。如果仍把飞轮轴包在密封盒内，此处不要密封了。另一处是旋转飞轮与密封盒的间隙处，可用机械密封方式、磁流体密封方式、迷宫密封方式进行密封。

5、轴承：由于密封气垫正好承载了飞轮及其附件的全部重量，飞轮对轴承没有重力压力，在飞轮动平衡特性很好时，轴承的作用仅仅是定位。但我们还要在地基上装一些零星的滚子起止推作用，以备装配飞轮及密封气盒失灵时之急需。当正常气垫使飞轮悬浮时，这些滚子与飞轮不接触；只在密封失灵飞轮下降时才接触这些滚子。

6、气压调节装置：由气泵、气压表及阀门组成。