[实用新型]两级飞轮储能装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种飞轮储能系统，属于能量存储技术领域。

背景技术

目前，公知的储能方式主要是化学电池、燃料电池以及飞轮储能等。由于飞轮储能具有无污染、效率高、寿命长、使用方便等特点，可广泛应用于电动汽车、航空航天、电网调峰、不间断电源等领域。飞轮储能是利用电动机将电能转换为动能储存起来，即电动机驱动飞轮转动将电能转换为动能。储存能量释放时，飞轮驱动发电机将动能转换为电能。飞轮储能装置主要由飞轮、轴承、电机、真空容器及控制装置等组成，其储能性能的评价指标是：能量密度（W·h/kg）和功率密度（W/kg）。

根据飞轮储能的基本原理，其存储能量的大小与飞轮转动惯量和飞轮转速的平方成正比，而转动惯量又与飞轮的质量和转动半径的平方成正比。受普通钢铁材料强度的影响，飞轮边缘的线速度被限制在50m/s～90m/s的范围内，所以飞轮半径的增大也有限；除非采用高强度的碳纤维材料制作飞轮，可以增大飞轮的半径。因此，为提高飞轮储能装置的性能，一般的技术途径是提高飞轮的转速和减轻飞轮的质量，以及利用磁悬浮和真空技术将飞轮转子的摩擦损耗和风损耗降到最低限度。

发明内容

本实用新型是在上述飞轮储能装置的基础上采用两级飞轮，构成整体重量轻、当量转动惯量大的飞轮储能装置，提高飞轮的储能性能。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：两级飞轮储能装置由第一级飞轮、轴与轴承，第二级飞轮、轴与轴承，第一级齿轮与第二级齿轮，电动机与发电机，离合器以及箱体组成。其基本工作过程是：第一级飞轮与第二级飞轮之间采用齿轮传动，输入能量由第一级传递到第二级，且第一级与第二级之间采用增速传动方式；第一级飞轮轴的能量输入端与电动机联接，能量输出端与发电机联接，从而实现能量的存储与对外输出。其目的是：实现第一级飞轮的半径和质量相对大，以低速运转与目前常用的电动机和发电机的额定转速相匹配；第二级飞轮的半径和质量相对小，以高速运转增加存储能量。

由于第一级和第二级飞轮存储的能量分别为：

E₁=（J₁×ω₁²）/2，E₂=（J₂×ω₂²）/2

其中，E₁，E₂分别为第一级飞轮和第二级飞轮的存储能量；J₁，J₂分别为第一级飞轮和第二级飞轮的转动惯量；ω₁，ω₂分别为第一级飞轮和第二级飞轮的旋转角速度。

两级飞轮储能装置的存储总动能为：

E₀=E₁+E₂=（J₁×ω₁²+J₂×ω₂²）/2=ω₁²/2×[J₁+J₂（ω₂/ω₁）²]

因此，第二级飞轮的转动惯量转换到第一级的当量转动惯量为：

J₂₁=J₂（ω₂/ω₁）²

两级飞轮储能装置的当量转动惯量J₀为：

J₀=J₁+J₂₁=J₁+J₂（ω₂/ω₁）²

设第一级飞轮质量M₁是第二级飞轮质量的i倍，即M₁=i×M₂；第一级飞轮的半径R₁是第二级飞轮半径R₂的j倍，即R₁=j×R₂；ω₂/ω₁=q时，储能装置的当量转动惯量J₀为：