[发明专利]一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统

说明书

本发明公开了一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，非光滑表面结构布置在储能飞轮转子的上端面、下端面和外壁上。非光滑表面结构分布区域根据转子表面圆周速度大小确定；微小非光滑表面结构几何形状可以是沟槽型、凹坑型、凸台型等。微小非光滑表面结构通过降低真空腔内稀薄气体对固壁表面的摩擦力，进一步降低储能飞轮表面流动阻力。本发明能有效减小储能飞轮表面风阻，降低飞轮储能装置对真空保持系统真空度的技术要求及其能耗损失，最终有利于提高飞轮储能装置的能量的利用效率，可广泛用于飞轮储能、航空航天、交通运输、飞轮储能等多个领域。

技术领域

本发明属于飞轮储能技术领域，涉及储能飞轮的风阻损失控制技术，具体地说是一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统。

背景技术

近年来，我国清洁能源发电比率迅速增长。随着我国清洁能源发电比重的不断上升，诸如风力发电、太阳能发电等受自然环境约束严重的清洁能源偶然性、间歇性发电方式所带来的调峰困难，弃风问题越来越突出。为了使清洁能源发电也能灵活地进入并网运行，减少传统火电的调峰调频压力，储能技术成为重要技术手段，在众多储能方式中，飞轮储能以其“储能密度高、能量转换效率高、充放电速度快、环境适应力强、运行寿命长和易于检修维护”等优点得到广泛应用。

在飞轮高速旋转的过程中，除机械摩擦引起的能量损耗外，飞轮与腔室空间内部空气摩擦形成的风阻损耗也不容忽视，因此现有飞轮储能装置大多采用真空室系统，通过降低空气含量，在减小风阻的同时又可以保护装置运行安全性，提高使用寿命的效果。为此，现有利用真空进行减阻的飞轮储能装置，其真空室系统的真空度至少保持在小于10Pa，否则真空减阻的效果将较为有限。但随着真空度的增加，抽真空装置技术难度增加，同时飞轮容腔内空气含量降低，也会使传热系数下降，飞轮系统散热效果恶化，导致飞轮整体温度会上升，材料性能和系统效率下降。因此，如何在降低飞轮风阻的同时，又能保证飞轮的散热性能，是目前真空系统与冷却系统需要解决的问题。现有技术主要通过改进抽真空措施，来减少风阻(如中国发明专利申请CN201911326281.9)，或通过增加外罩降低飞轮本体与飞轮外壳以及飞轮外壳与装置外壳之间的相对速度来控制风阻(如中国发明专利申请：CN201910061696.1)。为了考虑散热效果，部分专利额外增设了冷却装置(如中国发明专利申请CN201911326281.9)，这增加飞轮储能装置的结构复杂程度，不利于成本的降低。

发明内容

为进一步降低飞轮储能内部转子风阻损耗，并同时兼顾飞轮储能的散热效果，本发明参考稀薄大气层飞艇表面减阻结构，提供了一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，该系统能够降低在真空室残余空气的风阻，降低对真空泵的技术需求；允许少量残余空气，有利于换热；无需额外设备或装置，结构简单，能耗少，具有加工方便、造价低等特点，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，至少包括飞轮储能装置、真空保持单元、冷却单元，其中，所述飞轮储能装置包括飞轮转子、壳体、真空室、电磁轴承、电动/发电机，所述壳体的内部空间通过所述真空保持单元形成为真空室，所述壳体内产生的热量通过所述冷却单元散发到外部环境，所述飞轮转子上下两端的轴伸分别通过电磁轴承转动支撑在所述壳体的真空室中，所述电动/发电机设置在所述飞轮转子下端的轴伸上，其特征在于，

所述飞轮转子的外表面上设置有微小非光滑表面结构，所述真空室的真空度保持在10Pa以下，所述微小非光滑表面结构的几何尺寸保持在260μm以下。

本发明的基于微小非光滑表面结构的储能飞轮减阻系统，利用飞轮表面布置的微小非光滑表面结构进行飞轮减阻，其工作原理为：微小非光滑表面结构用以减少飞轮转置壳体内高真空度稀薄空气对飞轮形成的风阻，减少能量损失，降低对真空保持单元的技术要求，真空室内残留稀薄空气还能提升飞轮储能单元散热效果。非光滑表面结构在稀薄空气中减阻的机理为：在运动流场中微沟槽内部形成了漩涡，避免了流体较大面积接触平板表面，改变近壁面区域边界层速度场的分布，减小表面剪切应力，从而可有效的减小平板的阻力。