[发明专利]用于通过纤维的张拉卷绕来捆绑圆柱形部件的方法

说明书

本发明涉及用于通过以张拉方式卷绕纤维(F)来捆绑圆柱形部件(1)的方法，所述方法包括围绕至少两个经制动张拉圆柱体(C1；C2)缠绕所述纤维(F)以增加所述纤维中的拉力的预备步骤，其特征在于，所述方法包括当所述纤维(F)中的拉力增加时增加圆柱体的直径D。

技术领域

本发明涉及一种用于通过纤维的张拉卷绕来捆绑圆柱形部件的方法，且更确切地说，涉及一种用于制造飞轮的方法，该飞轮包括至少一个由混凝土制成的圆柱体。

背景技术

在临时存能装置中使用飞轮很常见，这些装置在许多领域中都有应用，例如，存储和平稳运行风力或太阳能类型的间歇性可再生能源、向孤立地点供电、回收能量以用于车辆的制动等。

不同于其它电能存储装置(例如，蓄电池)，飞轮的主要优点在于其使用寿命几乎是无限的，这意味着与其它装置相比，随时间推移，存储和维护成本更低。

通常，飞轮包括连接到电动机的旋转轴的固体质量体，通常也由术语“质量块”所指代。电动机使飞轮旋转，飞轮可以在几分钟内甚至在几秒内达到极高旋转速度。在停止对电动机供电之后，已经存储了动能的飞轮的质量块继续旋转，然后可以返回机械能，机械能继而转换成电能，例如，使用电机作为发电机来进行转换。

飞轮所经历的离心力使构成其质量块的材料具有极高张拉应力。因此，需要选择一种对拉力具有高度抗性的构造材料，例如钢或碳。但这些材料非常昂贵。

本申请人的专利EP3 212 960B1描述了一种用于制造储能飞轮的方法，所述储能飞轮由通过在拉力下卷绕的玻璃纤维进行预应力处理的混凝土制成。与钢和碳相比，混凝土的优点是其成本非常低。

此飞轮包括质量体或质量块，所述质量体或质量块包括主要组分材料，即混凝土，此质量体的外表面的至少部分被增强纤维缠绕，所述增强纤维在所述质量体周围的卷绕拉力使所述主要材料压缩。质量体是圆柱形的，因而增强纤维形成至少覆盖质量体的外部圆柱形表面(可能还有圆柱形质量体的两个端部底面)的张拉壳体。

混凝土并非旨在用于储能飞轮的材料，因为它实际上具有零抗拉强度。通过与混凝土相关联，增强纤维在拉力下卷绕，尽管混凝土的固有缺陷与其相对较低的抗拉强度有关，但飞轮出乎意料地展现出了高抗拉强度的特性，即使以极高速度旋转也是如此。

出人意料地，与混凝土质量块的外表面相关联的增强纤维以产生适当拉力以对抗飞轮将在其旋转期间经历的拉力的方式对混凝土进行充分的预应力处理。通过张拉的增强纤维装配混凝土/在外部覆盖混凝土有利地产生了能够承受储能飞轮将经历的拉力的结构。此类飞轮结构使得在主要组分材料可能发生断裂之前能够很好地实现极高速度的旋转，因此允许存储大量能量。

张拉卷绕或捆绑这一技术是众所周知的，用于对混凝土部件(管道、箱等)进行预应力处理。基本原理是围绕圆柱形部件卷绕线材/纤维，同时对线施加拉力，使其保持绷紧状态。卷绕线材/纤维中的拉力引起圆柱形部件中的径向压缩。需要尽可能多地拉伸线材/纤维以便节省材料(当拉力减半时，需要卷绕两倍多的线材/纤维来实现相同压缩)。但将高拉力施加到运动中的线材/纤维并不容易。

理论表明，可通过经制动圆柱体上的粘附而传递到线材/纤维的拉力是卷绕角的(指数)函数：T(α)＝T(0).exp(μ.α)，其中α为卷绕角，且μ为线材/纤维与圆柱体之间的摩擦系数。为了从低初始拉力转变到高最终拉力，角度可显著大于一个整圈(complete turn)，这意味着有必要使用若干个圆柱体。例如，如果拉力必须乘以1000且摩擦系数为0.1，那么需要超过10个整圈，因此如果线材在每个圆柱体上卷绕半圈，那么需要超过20个圆柱体。

当然可以使用若干独立圆柱体，每一圆柱体具有其自身的制动系统，但如果需要许多圆柱体，那么价格和大小会变得过高，这就是为什么要提出具有单个制动系统的技术方案。