[发明专利]用于复合材料飞轮储能装置的设备

说明书

本发明提供一种飞轮，所述飞轮由复合材料形成，所述复合材料具有纤维，所述纤维基本围绕飞轮沿着圆周方向取向并且嵌入基质材料中。飞轮具有内表面、外表面和在其之间的厚度，并且限定转动轴线。在内表面上在沿着轴线的纵向分段处圆周地分配多个质量负载。飞轮围绕轴线转动，转动速度在纤维中沿着圆周方向产生环向应力，并且在基质材料中沿着径向方向产生穿透厚度的应力。每个质量负载都在内表面上产生力，所述力操作成随着飞轮围绕轴转动而减小基质材料中的最大穿透厚度的应力。以其它方式足以产生基质材料的结构失效的转动速度产生纤维的结构失效而非基质材料的结构失效。

相关申请的交叉参考

本申请是2014年12月2日提交的、题名为“High Energy Density CompositeFlywheels/Electromechanical Batteries”的美国专利申请No.14/557,752的部分继续申请，其整个公开内容通过参考包含于此。

本申请也是2014年12月9日提交的、题名为“High Power DensityElectromechanical Energy Storage Flywheel”的美国专利申请No.14/564,982的部分继续申请，其整个内容通过参考包含于此。

背景技术

本文说明的某些实施例涉及电磁机器，并且更具体地，涉及用于增大复合材料飞轮储能系统中的能量和/或功率密度的装置和方法。

机电飞轮装置可以用于较大容量的储能以改善例如公用事业、工业、军事和/或其它合适的电网基础设施的经济性能和稳定性。这种飞轮装置是机械的，其经由转动动能储存能量并且经由至少电连接到飞轮装置的电动机/发电机系统将能量送回到电网或本地通电部件。然而，某些已知的飞轮储能系统的应用会至少部分地基于与机械系统相关联的物理限制条件(例如，与转动速度和加速度相关联的较大的力，这会导致部件材料失效和/或灾难性系统失效和/或类似情况)而受限制。

例如，通常希望使能量密度(每单位质量的能量，W-h/kg)最大化。与飞轮相关联的动能可以经由电动发电机通过施加电能而增加(例如，添加或插入)或通过提取电能而减少，所述电动发电机可操作地被联接到装置的初级储能部分和/或以其它方式被包含在装置的初级储能部分中。一种增大飞轮的每单位质量的能量的方式是至少部分地由高强度、低密度的复合材料(例如，碳纤维)形成飞轮。因为碳纤维比其它材料(例如，玻璃纤维或钢)具有更高的每单位质量的拉伸强度，所以由碳纤维所形成的飞轮可以以较高的转动速度(由于较高的拉伸强度以抵抗圆周应力)转动给定量的质量，从而增加用于该量的质量的转动动能，即，每单位质量的密度。然而，诸如由碳纤维所形成的那些的复合材料沿径向方向的强度比沿圆周方向的强度低得多，这是因为径向应力由复合材料的基质材料承载，例如，聚合树脂。基质材料的拉伸强度比纤维材料(例如，碳纤维)的拉伸强度低得多。因而，由碳纤维所形成的飞轮的转动速度受到基质的强度的限制，而非受到碳纤维的强度的限制。

因而，需要存在这样的装置和方法，即，所述装置和方法用于改变在由高强度的复合材料所形成的飞轮中的径向应力和圆周应力之间的关系以实现飞轮的能量和/或功率密度的增大。

发明内容