[发明专利]一种钢结构圆盘堆叠式飞轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于能量存储的高速钢质飞轮，这种飞轮主要应用于存储数千瓦时到数兆瓦时的大量能量存储系统。

背景技术

几十年来，飞轮一直作为一种能量存储的设备使用。飞轮经常应用于内燃机引擎的动力滤波装置和其他的电力设备中。最近，在不间断供电、公用负载校正系统、交流发电机、卫星和电力机车等领域中，飞轮技术被认为是一项非常有吸引力的能量存储技术。

当前，飞轮能量存储系统在旋转飞轮的转子动能和电能之间来回转换。飞轮储能系统包括飞轮、电动机/发电机、轴承系统和真空容器。旋转的飞轮存储了机械能；在轴承系统的支承下，电动机/发电机把旋转的飞轮的能量在电能和机械能之间转换。高速旋转的飞轮一般存放于真空或低压的容器中以减少风损。

同电化学电池相比，飞轮有两个主要优点：寿命长和可靠性高。电化学电池，尤其是铅酸电池寿命较短，一般寿命在2-7年之间。这类电池需要周期性维护，会出现不可预知的启动失败现象并且对环境造成污染。相比较，飞轮储能系统的寿命至少是20年，需要很少或不需要维护。考虑到系统寿命时，同化学电池相比，这种性能能够抵消飞轮储能系统较高的初期投入而变得更加经济实惠。

尽管飞轮系统有着诸多的性能优势，但是为了能够作为电化学电池的替代品，飞轮系统必须设计成最大的能量存储同时具有最低的损耗。复合材料(碳纤维/环氧树脂、玻璃纤维/环氧树脂)飞轮被认为是低成本动能存储的手段。复合材料具有非常高的环向强度。采用最新的制造工艺，复合材料的成本将会降低。纤维本身具有很高的强度，把这种纤维胶合在一起形成的飞轮材料，能够进一步提高飞轮的强度，这种材料制造的飞轮在本质上具有同复合材料一样的强度，在尺寸上能够做到要多大有多大。然而，作为一种原材料，钢比复合材料便宜得多。不幸的是，钢结构飞轮在有效地存储大量能量时存在一些问题。归因于这种钢结构的高硬度性能，已经成功制造了小功率钢结构飞轮，这种飞轮实现了高速旋转。然而，在大功率钢结构飞轮中，必须存储大量能量，大约是5-10千瓦时或更多，钢不能够作为一种有效的飞轮材料。尽管大尺寸飞轮和小尺寸飞轮在同样的线速度旋转时具有相同的应力，但是，问题在于大尺寸飞轮的拉伸强度明显地降低了。同小尺寸飞轮相比，即使审慎地选择钢的型号和制造工艺，大尺寸飞轮的强度差不多降低了一半。大型钢结构产生的强度降低的现象并不是飞轮特有的，而是很多应用中的普遍现象。然而，大多数应用中的负载和其他需求没有因为强度的降低而出现问题。

钢的强度直接与它的硬度有关，这取决于钢内部的马氏体浓度。钢的硬度可以通过热处理钢来加强和控制。为了满足硬度需求，需把钢加热到奥氏体温度然后迅速冷却或淬火。淬火程度取决于需要的钢的硬度。在厚的钢结构中，只有材料表面以最大的速度冷却，因为热量多及热传导速度慢以至于材料的中间冷却速度降低了。因此，钢结构的体积越大，内部距钢结构表面的距离越大，其硬度和拉伸强度就越低。钢结构内部到表面的深度超过了一定的距离，其内部硬度和强度就会达到该种类型钢的底限，超过底限后，钢的强度和硬度将不在减少。为实现某一水平的淬火能力，把一种特定类型的钢获得硬度的能力称为钢的淬硬性。淬硬性与碳及其他合金元素(如铬、钼、镍等)的百分含量有关。因此，通常首选高合金钢作为大尺寸高应力部件。尽管部件的尺寸较大，较高的淬硬性使得部件获得较高的强度成为可能。还要指出的是，在大多数结构中，载荷首先弯曲。因此，最大应力出现在结构的表面，固有的最大应力相应于钢的最大强度部分。在这些情况下，硬度的纵深不是一个重要的问题。淬火后的钢部件将会太脆而不能使用，因此需要回火。回火是把钢加热到低于奥氏体温度并保持一段时间然后冷却的一种热处理工艺。回火的结果使得钢结构的硬度和拉伸强度降低，内部应力残余显著减小，韧性大大提高。