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空气悬浮轴承在飞轮储能电池(FES)的利用

来源: china-nengyuan.com   更新时间:2019-04-15 09:41:43    

张晓春1

1.太原市网健科技有限责任公司

  摘要:本文介绍了一种推力轴承方面的的改进技术,可以减少推力轴承的摩擦、增加推力、降低轴承的造价,该技术应用在飞轮储能电池中,可以解决现有清洁能源的储能方面的现有问题,是利用飞轮底部的高压空气,将大质量的飞轮悬浮起来,再用流体密封技术将高压空气密封,实现了飞轮储能电池磨损小、推力大、造价低的目的。该技术使飞轮储能技术在太阳能、风能等清洁能源领域的应用有了实用性。

  0背景技术

  随着社会的发展,人类对能源的需求量越来越大,传统的化石燃料燃烧过程排放出大量的CO2等温室气体造成了全球气候变暖等问题。为缓解能源危机、减少环境污染,人们在逐渐加大太阳能、风能等可再生资源的比例,但关键的问题在于:

  1.这些可再生能源具有很大的波动性,发电量与用电量无法保持一致。借助储能装置来抑制风电等系统的波动性,合适的蓄能方式可以对电网进行削峰填谷,保障电网的平稳运行。

  2.分布式的可再生资源利用,同样存在波动性的问题,以分布式太阳能为例,利用建筑屋顶(含企业、居民以及公共建筑等)及附属场地建设的分布式光伏发电,选择“自发自用、余电上网”或“全额上网”等模式来降低分布用户的用电成本,同样需要借助储能装置作为节点缓冲来抑制波动性。

  目前存在的主要储能方式包括抽水蓄能、压缩空气蓄能、天然气蓄能、液流电池蓄能、燃料电池蓄能、飞轮蓄能、超级电容蓄能等,但是都存在各自的缺陷,本文仅针对飞轮储能(FES)技术的改进做进一步的探讨。

  FES技术是十分成熟的技术,特别是他具有的能量密度高、能量转换效率高、体积小、重量轻、工作温度范围宽、使用寿命长、低损耗、低维护等优点,其在大功率、短时间输出的场景有着广泛的应用,如数据中心、医院等不能停电的场所不计成本地应用,充当柴油机等备用发电机的中间过渡装置,在一些场景中,甚至是不可或缺的储能方式。

  但是,现有的FES技术的缺点也是致命的,特别是超导磁悬浮轴承的飞轮电池,比如轴承推力小、造价高。还有一类机械方式的推力轴承,造价相对低,但是存在严重磨损的问题,磨损不但带来寿命减小的问题,同时更换以及维护的人工成本也很高。飞轮由于轴承推力及技术的限制,通常飞轮采用超高转速度的工况下储能,从而加剧了飞轮的制造成本,因此造成FES技术在清洁能源的领域并没有实用性。

  因此,设计一种推力大,磨损小、造价低的推力轴承,才可以使飞轮储能的优势凸显出来,进而成为清洁能源存储的重要方式。

  1气悬浮飞轮储能电池技术介绍

  1.1设计目标

  太原网健科技有限公司于2017年提出一项创新的解决方案,设计了一种“零”磨损、大推力的轴承结构,实现了超导磁悬浮小磨损和机械轴承的大推力的优点,并通过增加飞轮质量来牺牲飞轮转速从而降低飞轮的制造成本,目的是通过廉价的飞轮储能装置,把太阳这个不可控的核聚变,变相地成为可控的能量来源。

  1.2工作原理

  概括地说,该技术是利用飞轮底部的高压空气,将大质量的飞轮悬浮起来,再用流体密封技术将高压空气密封。

  具体的,如图1所示,飞轮底部的转子的外径略小于底部的轴座的内径,同轴插套后,大质量飞轮及固定在飞轮底部的转子的自重,将转子底部的空气压缩,飞轮的质量越大,则产生的压力也越大,空气的体积也就越小,但是始终不会被压缩成体积为0,从理论上说,足够大的空气压力可以悬浮任意大质量的飞轮。该方案就是通过高压空气的作用力将大质量飞轮托起,由于飞轮的质量是固定的,因此,底部的空气保持一固定的高压,同时可以将大质量飞轮保持悬浮的平衡状态。

  为了防止底部的高压空气从间隙溢出,需要在间隙内安装密封装置。可以说,该技术的关键技术在于如何设计一种密封装置,既可以将空气密封,又实现较小的摩擦力。

  这里采用的是流体密封的技术方案。


图1高压气悬浮飞轮原理图

  1.3流体密封的技术方案

  这里以一个飞轮为质量为2000Kg、直径约1.3米的飞轮做一个具体的实施例:

  图2是FES的爆炸图,该飞轮储能电池分三个部分:

  1、轴座(定子);

  2、转子:飞轮固定成整体并同轴插套在轴座内;

  3、流体密封结构,置于转子与轴座之间的间隙内,对高压空气起密封的作用的装置。


图2FES的爆炸图

   其中,飞轮与转子是固定位一体的,我们只对轴承部位做具体的说明,将飞轮去掉后,如图3所示的,左图是转子与轴座插套后的示意图,右图是分离状态的结构示意图,其中转子的外径设计直径比轴座的内径略小,当转子插套在轴座内后,与轴座四周形成较小的间隙(图3左)。


图3转子与轴座的关系示意图

   将轴座切开并放大,刨面图结构如图4中右图所示的左图局部放大图,可以看到有多条开设在轴座内壁的U形凹槽构成互相平行的环。


图4轴座剖面放大示意图

  以任意两条相邻的凹槽做具体的分析,如图5所示:将转子插套入轴座后,转子与轴座之间会形成一个间隙,具体的技术特征是:凹槽内部的材质,

  与水银是浸润的关系,除了凹槽内部,间隙的壁面的材质与水银是不浸润的关系。


图5间隙内各部位与水银的浸润关系

  根据水银的特性,如图6所示的,右边的容器里盛的是水银,当一支两端开口的玻璃管插入到水银中后,水银的液面会下降,由于水银和玻璃是不浸润的关系,表面张力可以承受一定的液面的压力差。玻璃管的内直径越小,那么玻璃管中的液面下降的越多。


图6液体与固体表面张力示意图

  当图5中的凹槽内注入水银后,水银由于与凹槽内表面的材质是浸润的关系,水银被凹槽吸附,当注满凹槽后,突出凹槽槽唇的部分,与转子的外表面轻触,从而沿着凹槽形成一条水银环,如图7,水银环将间隙内的空气密封并隔离开来。水银环被表面张力的作用牢固地夹持在间隙内,因而可以承受水银环两侧空气压力差的轴向推力。


图7水银环及其截面形状示意图

  1.4流体密封在飞轮电池中的应用

  该实施例中,假设每条水银环可以承受0.2个大气压力对其轴向的压力(具体数值取决于加工的工艺,如间隙的宽度,材料等)

  如图8,将转子与轴座插套后在凹槽内注入水银,依次将水银环隔开的空间内注入底部为2个大气压的空气,并从下到上依次在水银环一侧的空间注入1.8、1.6…….0.2直至飞轮所处的真空。


图8流体密封、推力轴承及飞轮的结构侧视图

  2该技术方案的优势以及实用性讨论

  2.1轴承的摩擦力分析

  转子所受到的摩擦力为转子底部及侧面对空气的摩擦,以及转子与水银环之间的摩擦力,由于没有直接的固体与固体之间的摩擦,相对于大质量的飞轮来说,摩擦力可以忽略不计。

  对于飞轮来说,如果将飞轮所处的空间抽成真空,如图9,通过电池的外壳将飞轮及轴承密封,并将飞轮所处的空间抽成真空,则可将飞轮的摩擦力趋于零。图9流体密封、推力轴承及飞轮的结构侧视图

  2.2实施成本的计算

  超导磁悬浮方式的飞轮储能电池之所以造价高,主要原因是超导磁悬浮的推力小,通常悬浮10Kg左右的碳纤维飞轮,由于转速对储能的影响更大,通常采用20000(RPM)转甚至更高的转速来提升储能,飞轮所承受巨大的离心力影响了飞轮的造价,加上超导磁悬浮需要制冷,自身也有比较大的能耗。

  参考表1,本技术方案的推力轴承自身并不产生能耗,而且推力远远不止10Kg(数千Kg级),因此可以采用降低转速并提升飞轮质量的方法增加储能,因此离心力可以显著降低,对飞轮的材料以及飞轮电池的加工精度没有过高的要求,从而降低了造价,对于飞轮的材质也不限于碳纤维。

  本技术方案的另一个特点是磨损小,磨损小意味着维护量也会减少,特别是相对比与机械推力轴承来说,必然会大大地降低运行和维护的成本。

  3结论

  该技术方案解决了人们对清洁能源利用的根本问题,但是仍然有一些具体的细节技术需要进一步的实物验证,主要存在以下几个方面的问题:

  1、加工精度和成本以及对其实用性的制约。

  2、飞轮(转子)转速对水银环的影响。

  3、大质量飞轮对具体实施的成本等的影响。

  以上几个方面是需要实物后续论证的部分。

 

  文章作者:张晓春16604711577 2019/4/10

  专利号:201610596141.3

  专利名称:间隙密封结构及轴承

  专利权人:张晓春

  专利授权日期:2019/03/18

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