[发明专利]空心式飞轮架构

说明书

技术领域

本公开内容涉及飞轮能量储存装置，并且更具体而言涉及具有改进的稳定性和性能的无轮毂或空心式飞轮储存装置。

背景技术

已知飞轮能量储存装置和系统用于储存能量并且根据需要释放储存的能量。已知的飞轮组件具有有时由碳纤维复合材料制成的传统转子设计。这些转子具有轴，在轴上安装有电动/发电机(M/G)和轴承永久磁体(PM)。轴通常经由轮毂连接至边沿。轴-轮毂型(shaft-and-hub)飞轮设计就其可达到的上限速度(upper-end velocity)而言是有限的。为飞轮组件中的部件匹配可用的材料是有问题的，因为随着转子速度增加部件的径向增长不一样。轮毂必须将轴机械地联接至边沿，并且在飞轮运行速度范围内的运行频率范围内不将弯曲模式引入转子结构中。但是，轴通常展现可忽略的径向增长，而边沿展现显著的径向增长。飞轮运行期间部件增长的这种不平衡限制了飞轮性能并且可导致飞轮系统故障。

发明内容

本公开内容涉及飞轮和飞轮架构，该飞轮架构消除材料增长匹配问题并且避免另外地在各种频率和速度下发生的径向增长和弯曲模式问题。更具体而言，本文公开的是具有与轴-轮毂型架构相对的“空心式”(无轮毂)架构的飞轮组件。

本公开内容涉及新型空心式飞轮能量储存系统，其将获得高能量、大功率密度和效率，同时具有显著降低的尺寸轮廓。本公开内容的飞轮储存系统包括高温超导(HTS)轴承和包括高强度材料的转子。优选的高强度材料包括但不限于含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料等，以及其组合。

本公开内容的制造的转子中固有的期望性质使得飞轮性能在以下方面显著改进：显著增加的速度、增加的动力储存/产生和提高的系统耐久性。

根据本发明的一个方面，提供了用于储存和释放能量的飞轮组件，其包括具有转子的中空的大致圆柱形的转子组件，所述转子具有内表面和外表面。转子包括优选地具有大约2GPa至大约20GPa的优选的抗拉强度的材料。极其贴近转子组件放置定子组件，至少一个柔性转子磁体附接(affixe)到转子的内表面并且至少一个定子磁体附接到定子。柔性转子磁体优选地包括FeBNd粉末。定子磁体在静止时具有引力值，并且设定尺寸为预定的宽度以便当转子以大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度运行时基本上保持与转子的引力值。转子磁体和定子磁体相对于彼此放置以便在运行期间促进转子的悬浮。飞轮架构优选为空心式架构，其中在运行期间转子优选地在其外半径处达到大约300m/s至大约3000m/s的速度。

有利地，组件包括空心式架构。

有利地，转子在运行期间达到大约300m/s至大约3000m/s的速度。

有利地，转子由选自含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料以及其组合的材料制成。优选地，材料包括选自石墨、e型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合的材料的基体。

有利地，转子包括含碳纳米管的材料。优选地，含碳纳米管的材料包括含多壁碳纳米管的材料。

有利地，柔性转子磁体包括具有大约0.01Gpa至大约2GPa的杨氏模量的材料。

有利地，柔性转子磁体包括FeBNd粉末。

根据本发明的进一步方面，提供了用于空心式飞轮组件的飞轮转子，所述转子包括：大约2GPa至大约20GPa的抗拉强度，在大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度时所述转子能够径向向外延伸。

有利地，转子由选自含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料以及其组合的材料制成。

有利地，材料包括选自石墨、e型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合的材料的基体。

有利地，含碳纤维的材料是含碳纳米管的材料。

根据本发明的又进一步方面，提供了储存用于随后按需要释放的能量的方法，其包括提供包括转子的中空的大致圆柱形的转子组件，所述转子具有内表面和外表面。转子包括含碳纤维、含玻璃纤维或含金属的材料(或其组合)，其中材料具有大约2GPa至大约20GPa的抗拉强度。极其贴近转子组件提供和放置定子组件，优选地在空心式架构中。至少一个柔性转子磁体附接到转子的内表面，并且定子和转子相对于彼此放置以便在运行期间促进转子的悬浮。优选地，在运行期间转子在其外半径处达到大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度。含碳纤维、含玻璃纤维或含金属的材料优选地包括选自石墨、E型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合的材料的基体。一种特别优选的材料是含碳纳米管的材料，并且优选为含单壁碳纳米管的材料。