[发明专利]一种磁悬浮飞轮储能蓄电池

说明书

技术领域

在各种储能技术中，化学储能的发展速度一直领先于物理储能，随着能源体系对储能技术需求的提升，一直以环境污染小，运行稳定性高著称的物理储能技术正在迅速升温，其中飞轮储能具有充放快捷、能量密度最大等特点。飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点。飞轮储能功率密度大于5kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，效率在90％以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为40℃～50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源(UPS)、应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。

背景技术

全球储能技术主要有化学储能(如铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)三大类。目前技术进步最快的是化学储能，其中锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破。物理储能中最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能，主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。其能量转换效率在70％-75％左右。现在，使用最多最广的储能电池无疑是化学电池，它将电能转变为化学能储存，再转化为电能输出，它价格低廉，技术成熟，但污染严重，效率低下，充电时间长，用电时间短，使用过程中电能不易控制。

发明内容

针对上述问题，本发明涉及一种磁悬浮飞轮储能蓄电池装置，解决其技术问题所采用的技术方案及有益效果是：

1、“磁悬浮轴承”子系统：飞轮转子与定子之间通过轴向(反向磁极组合)、径向(同向磁极组合)永磁体形成斥力磁悬浮轴承，飞轮转子悬浮于封闭的真空环境中，真空腔的功能是提供真空环境、降低风损、提高效率，飞轮转子的转速必须非常高可达200000r/min才会有高的储能密度，在空气环境中高速运转的飞轮转子会造成极高风阻损耗，因此飞轮转子必须在真空中工作，真空度达到0.00001Pa数量级，转子与定子无物理接触，无机械摩擦和空气摩擦是保证飞轮转子告诉旋转的必要条件，极限转速越高飞轮系统储能越高；近年来由于高强度碳纤维的出现使得飞轮转子允许线速度可达800m/s～1000m/s，增加了单位飞轮的动能储备；

2、“发电机/电动机一体化”子系统：在飞轮中部布置有12或24或36个(6的整数倍)永磁体，与定子中部的12或24或36个线圈构成“发电机/电动机一体化”，电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能(机械能)，当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量；

3、“飞轮动态稳定”子系统：动态稳定是通过飞轮转子上下两个圆盘中的线圈由于转子偏离正常位置，而产生感应电动势继而产生与偏移方向相反的洛仑兹力，使得飞轮回归正常位置：在定子上下各有一组永磁体组合，每一个组合中有四个永磁体圆环，上下内外对称安置，上下永磁体磁极同向，内外永磁体磁极反向，这样形成固定磁力线分布；在飞轮转子上下各有一个圆盘，圆盘嵌入在定子上下永磁体当中，双方无接触，在圆盘磁力线的通道位置上有三组线圈，当飞轮运转姿态正常时，线圈中磁通量是稳定的，线圈不产生电动势，当飞轮运转姿态发生变化时，线圈由于切割磁力线磁通量发生变化，由于线圈中感应电动势和感应电流的存在，随之产生与转子偏移方向相反的洛仑兹力使得飞轮转子恢复到稳定状态；