CN113497517B - 飞轮储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮储能系统，飞轮储能系统包括：第一壳体，第一壳体内形成有容纳腔；电机，电机设置于容纳腔内；飞轮，飞轮设置于容纳腔内，飞轮与电机传动连接；第二壳体，第二壳体设置于第一壳体的内侧和/或外侧，第二壳体为纤维壳体，纤维壳体为碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体。由此，通过将碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体设置于第一壳体的内侧和/或外侧，可以提升第一壳体的抗冲击能力，可以防止飞轮在意外情况下分解后，高速和高能量的冲击冲破第一壳体，引发安全事故，这样可以提升飞轮储能系统的安全性。

Description

飞轮储能系统

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，尤其是涉及飞轮储能系统。

背景技术

随着技术的发展进步以及对飞轮储能密度提升的需要，飞轮产品的转速越来越高，惯性越来越大，当飞轮在意外情况下分解，分解的碎片在惯性作用下四散甩开时，容易冲破飞轮储能系统的壳体，引发飞轮储能系统的安全事故，因此，提升飞轮储能系统的安全性，是使得飞轮市场更加成熟及蓬勃发展的最佳保障和当务之急。

在现有技术中，通过大量的理论工程计算及仿真、全面的安全性实验以及生产过程及材料的严格控制可以提升飞轮储能系统的壳体强度，从而可以保障飞轮理论上的安全性，但是由于飞轮发生意外的情况具有许多不确定的因素，还是不能有效保证飞轮储能系统的安全性与可靠性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种飞轮储能系统，该飞轮储能系统的安全性较高。

根据本发明的飞轮储能系统，包括：第一壳体，所述第一壳体内形成有容纳腔；电机，所述电机设置于所述容纳腔内；飞轮，所述飞轮设置于所述容纳腔内，所述飞轮与所述电机传动连接；第二壳体，所述第二壳体设置于所述第一壳体的内侧和/或外侧，所述第二壳体为纤维壳体，所述纤维壳体为碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体。

由此，通过将碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体设置于第一壳体的内侧和/或外侧，可以提升第一壳体的抗冲击能力，可以防止飞轮在意外情况下分解后，高速和高能量的冲击冲破第一壳体，引发安全事故，这样可以提升飞轮储能系统的安全性。

在本发明的一些示例中，所述纤维壳体包括：纤维丝和粘接剂，所述纤维丝绕设成多层，所述粘接剂粘接于所述纤维丝。

在本发明的一些示例中，每层的所述纤维丝交叉缠绕。

在本发明的一些示例中，所述纤维丝相对绕设轴线的倾斜角度为α，α满足关系式：60°≤α＜90°。

在本发明的一些示例中，所述第一壳体包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分相互连接，所述第一部分位于所述电机的外侧，所述第二部分位于所述飞轮的外侧，所述第二壳体设置于所述第二部分的内侧和/或外侧。

在本发明的一些示例中，所述第二壳体套设在所述第二部分的外侧且与所述第二部分过盈配合。

在本发明的一些示例中，所述第二壳体的厚度为d，d满足关系式：10mm≤d≤50mm。

在本发明的一些示例中，所述飞轮储能系统还包括：冷却管，所述冷却管绕设在所述第一壳体的外周壁上且位于所述第二壳体的内周壁内侧。

在本发明的一些示例中，所述第一壳体内设置有散热槽。

在本发明的一些示例中，所述飞轮储能系统还包括：散热器，所述散热器设置于所述容纳腔内且邻近所述电机设置。

如此设置，飞轮储能系统整体的结构可靠性较高，在飞轮发生意外分解后，飞轮不易从飞轮储能系统中飞出，这样可以提升飞轮储能系统的安全性，从而可以促进飞轮储能系统的推广与应用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一种实施例的飞轮储能系统的局部剖视图；

图2是根据本发明实施例的纤维丝和模具的示意图；

图3是根据本发明实施例的飞轮储能系统的局部剖视图；

图4是根据本发明另一种实施例的飞轮储能系统的局部剖视图。

附图标记：

100-飞轮储能系统；

10-第一壳体；11-容纳腔；12-第一部分；13-第二部分；

20-电机；30-飞轮；40-第二壳体；41-纤维丝；50-模具；60-冷却管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的飞轮储能系统100。

结合图1-图3所示，根据本发明实施例的飞轮储能系统100可以主要包括：第一壳体10、电机20、飞轮30和第二壳体40，其中，第一壳体10内形成有容纳腔11，电机20和飞轮30均设置在容纳腔11中，容纳腔11可以将飞轮30与电机20与外界隔开，可以防止外界异物的侵蚀和外力的冲击损坏飞轮30和电机20，可以提升飞轮30和电机20的使用寿命。

结合图1和图4所示，飞轮30与电机20传动连接，电机20可以持续稳定地给飞轮30提供动力，飞轮30在电机20的驱动下将进行高速的转动，第一壳体10还可以防止外界因素干扰飞轮30的转动，可以提升飞轮30转动的可靠性，当飞轮30在高速转动的情况下遇到意外，结构发生解体，被分解的飞轮30碎片将在惯性的作用下向四周分散飞溅，第一壳体10可以起到一定的阻挡隔绝保护作用，可以在一定程度上保证飞轮储能系统100的结构可靠性。

进一步地，由于飞轮30的高速转动，在其发生意外解体时，被分解的碎片结构的惯性也将以高速，高能量的形式向四周飞溅，当被分解的碎片结构能量较大时，由于第一壳体10的强度限制及受力产生塑性变形的原因，被分解的碎片结构将穿破第一壳体10，类似于穿透一张胶皮膜，这样会导致碎片结构在穿破第一壳体10时损耗的能量较小，造成飞轮30碎片从容纳腔11内飞出后的可控制性不高，引发飞轮储能系统100的安全事故，降低飞轮储能系统100的安全性与可靠性。

因此，第二壳体40设置于第一壳体10的内侧和/或外侧，第二壳体40为纤维壳体，纤维壳体为碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体。具体地，通过将第二壳体40设置于第一壳体10的内侧和/或外侧，并且使第二壳体40为纤维壳体，这样不仅仅是第一壳体10与第二壳体40的叠加，即并不仅仅是通过将第一壳体10的强度加上第二壳体40的强度来提升第一壳体10与第二壳体40整体的抗冲击性能，而是使第一壳体10在受飞轮30碎片冲击时，整个物理作用机理从本质上发生变化。

具体而言，首先第一壳体10的结构强度因为第二壳体40的设置而得到提升，其次，与传统的飞轮储能系统仅仅设置第一壳体相比，将第二壳体40设置于第一壳体10的内侧和/或外侧，可以使第一壳体10与第二壳体40整体的形变量较小，飞轮30碎片无法像冲破胶皮膜一样的无阻挡地撕裂第一壳体10，最后由于飞轮30碎片与第一壳体10与第二壳体40的整体之间的作用更加完全，可以使飞轮30碎片与第一壳体10与第二壳体40的整体之间的作用时间更长，这样可以增加第一壳体10与第二壳体40整体对飞轮30碎片的能量损耗，这样可以进一步地提升飞轮30碎片穿破第一壳体10和第二壳体40的难度，即使飞轮30碎片穿破第一壳体10和第二壳体40，穿破后的能量也将被消耗至极小的值，不会造成安全事故，这样可以提升飞轮储能系统100的可靠性。

进一步地，通过设置上述第二壳体40，使飞轮30可以向更高转速、更大重量，以及更好能量密度演进，从而可以进一步地提升飞轮储能系统100的性能。

另外，将纤维壳体设置成碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体，碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维均为强度较大，重量较小的材质，这样可以在保证第二壳体40的结构强度，从而提升第一壳体10与第二壳体40整体的结构强度的前提下，尽可能地降低飞轮储能系统100的重量。另外，根据不同飞轮储能系统100具体地工艺需求选择性地将第二壳体40设置为碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体，可以提升第二壳体40的适用性。

还有，在将第二壳体40设置于第一壳体10的外侧时，可以使第二壳体40向第一壳体10施加与飞轮30碎片冲击力反向的预紧应力，在将第二壳体40设置于第一壳体10的内侧时，可以使第一壳体10向第二壳体40施加与飞轮30碎片冲击力反向的预紧应力，这样在处于内侧的壳体受到冲击时，预紧应力可以对飞轮30碎片的冲击应力进行抵消，第一壳体10与第二壳体40整体受到的冲击将进一步地减小，从而可以进一步地提升飞轮储能系统100的安全性与可靠性。

由此，通过将碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体设置于第一壳体10的内侧和/或外侧，可以提升第一壳体10的抗冲击能力，可以防止飞轮30在意外情况下分解后高速和高能量的冲击冲破第一壳体10，这样可以提升飞轮储能系统100的安全性。

结合图2所示，纤维壳体可以主要包括：纤维丝41和粘接剂，纤维丝41绕设成多层，粘接剂粘接于纤维丝41。具体地，通过粘接剂将多层纤维丝41粘接固定，可以提升多层纤维丝41之间的连接稳定性与可靠性，从而可以进一步地提升多层纤维丝41的结构强度，进而可以进一步地提升第二壳体40与第一壳体10整体的抗冲击性能。其中，粘接剂可以为环氧树脂，环氧树脂除了粘接性能较好，可以将纤维丝41稳定地粘接固定之外，还具有良好的物理机械性能，可以在保证纤维丝41结构强度的基础上，通过自身的物理机械性能进一步地提升纤维壳体的强度，从而可以进一步地提升飞轮储能系统100的可靠性。

进一步地，可以先将纤维丝41浸润环氧树脂后，在模具50上一层一层环绕设置，然后将环绕设置有纤维丝41的模具50放入干燥炉固化，最后将纤维丝41进行脱模修整。

在一些实施例中，结合图2所示，每层的纤维丝41交叉缠绕，这样可以使每两层的纤维丝41交叉缠绕设置的交叉点处均存在两层纤维丝41，相较于传统的依次绕设的方式，这样可以进一步地提升纤维丝41绕设完成后，整体的结构强度。

进一步地，纤维丝41相对绕设轴线的倾斜角度为α，α满足关系式：60°≤α＜90°，这样可以使纤维丝41相对绕设轴线的倾斜角度较大，这样在每两层纤维丝41在第一壳体10上进行绕设时，可以使每两层的纤维丝41在第一壳体10的分布范围较大，如此设置，在多层纤维丝41在第一壳体10上进行绕设后，多层纤维丝41将进行叠加，将每两层的纤维丝41在第一壳体10的分布范围设置地较大，可以在纤维丝41的层数不变的前提下，使多层纤维丝41分布范围相互叠加的层数尽可能地多，这样可以进一步地提升第二壳体40的结构强度，从而可以进一步地提升第一壳体10与第二壳体40整体的抗冲击性能。其中，α可以为75°，但不限于此。

结合图1和图4所示，第一壳体10包括第一部分12和第二部分13，第一部分12和第二部分13相互连接，第一部分12位于电机20的外侧，第二部分13位于飞轮30的外侧，第二壳体40设置于第二部分13的内侧和/或外侧。可以理解地，飞轮30高速转动发生意外解体时，被分解的飞轮30碎片将向四周散开飞溅，即撞向第二部分13，飞轮30碎片不会，或者很少会撞向第一部分12。

进一步地，由于电机20的体积较小，第一部分12的直径与电机20相适配，也将较小，飞轮30的体积相对较大，第二部分13的直径与飞轮30相适配，也将较大，如此设置，即使飞轮30碎片朝向第一部分12处飞溅，由于第一部分12的直径较小，也不易进入第一部分12。

因此，通过将第二壳体40设置在第二部分13的内部和/或外侧，可以在保证第一壳体10和第二壳体40整体对飞轮30碎片的抗冲击性能的前提下，避免没必要的浪费，可以降低飞轮储能系统100的生产成本。

在另一些实施例中，结合图1所示，第二壳体40套设在第二部分13的外侧，并且与第二部分13过盈配合。具体地，第二壳体40也可以设置为套体，将套体状的第二壳体40设置于第二部分13的外侧，不仅可以保证第一壳体10与第二壳体40整体的抗冲击性能，而且还可以使第二壳体40的安装设置简单方便，还可以方便第二壳体40的整体拆卸。

进一步地，使第二壳体40与第二部分13过盈配合，不仅可以提升第二壳体40与第二部分13连接设置的稳定性与牢固性，而且还可以使第二壳体40向第二部分13施加径向向内的预紧力，从而可以使预紧力在一定程度上抵消飞轮30碎片的冲击力，可以进一步地提升第二壳体40与第二部分13整体的抗冲击性能。

进一步地，第二壳体40的厚度为d，d满足关系式：10mm≤d≤50mm，如此设置，第二壳体40的厚度适中，可以使第二壳体40根据飞轮储能系统100的具体工艺参数，例如：飞轮30正常工作时的转速，重量以及第一壳体10的材质在10mm到50mm中选择设置的厚度，这样可以在保证第一壳体10与第二壳体40整体的抗冲击性能的前提下，避免第二壳体40设置厚度不必要的浪费。

其中，如图4所示，飞轮储能系统100还可以包括：冷却管60，冷却管60绕设在第一壳体10的外周壁上，而且冷却管60位于第二壳体40的内周壁内侧。也就是说，冷却管60实质上位于第一壳体10和第二壳体40之间，这样在飞轮储能系统100工作时，电机20和飞轮30产生的热量可以通过第一壳体10传递给冷却管60，冷却管60内留有冷却介质，冷却介质可以进行换热，从而可以带走电机20和飞轮30所产生的热量，可以进一步地提升飞轮储能系统100的可靠性。冷却管60可以以螺旋的方式绕设在第一壳体10的外周壁上，这样可以有利于冷却管60在第一壳体10上的设置，冷却管60可以连接有泵体和储液罐，泵体可以提供冷却管60的循环动力，储液罐存储有冷却液，这样可以方便向冷却管60内补充冷却液。

第一壳体10为金属壳体，这样不仅可以使第一壳体10的硬度较大，在飞轮30发生意外解体时，第一壳体10可以直接抵挡住一些能量较小的飞轮30碎片的冲击，而且还可以金属制成的第一壳体10在飞轮储能系统100正常工作时，自身的结构相对稳定，可以对电机20和飞轮30起到较好的保护作用。其中，金属壳体可以为铝壳，但不限于此。

第一壳体10内设置有散热槽。具体地，通过在第一壳体10上设置散热槽，可以使电机20正常工作时产生的热量从散热槽中散出，防止热量被密封在容纳腔11中，造成电机20和飞轮30过热，影响飞轮储能系统100的正常工作，这样可以提升飞轮储能系统100的可靠性。

进一步地，飞轮储能系统100还可以主要包括：散热器，散热器设置于容纳腔11内，并且邻近电机20设置。具体地，由于第二壳体40将设置于第一壳体10的内侧和/或外侧，所以第二壳体40可能会影响散热槽的散热，因此，可以在容纳腔11邻近电机20的位置设置散热器，使散热器直接对电机20进行散热，从而直接减少电机20传播至容纳腔11中的热量，这样可以提升对电机20的散热性能，可以进一步地提升飞轮储能系统100的可靠性。散热器可以为半导体制冷片，其可以作为主动散热器使用。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括：

第一壳体，所述第一壳体内形成有容纳腔，所述第一壳体包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分相互连接；

电机，所述电机设置于所述容纳腔内，所述第一部分位于所述电机的外侧；

飞轮，所述飞轮设置于所述容纳腔内，所述飞轮与所述电机传动连接，所述第二部分位于所述飞轮的外侧；

第二壳体，所述第二壳体套设在所述第二部分的外侧且与所述第二部分过盈配合，所述第二壳体为纤维壳体，所述纤维壳体为碳纤维壳体、玻璃纤维壳体或芳纶纤维壳体。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述纤维壳体包括：纤维丝和粘接剂，所述纤维丝绕设成多层，所述粘接剂粘接于所述纤维丝。

3.根据权利要求2所述的飞轮储能系统，其特征在于，每层的所述纤维丝交叉缠绕。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述纤维丝相对绕设轴线的倾斜角度为α，α满足关系式：60°≤α＜90°。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述第二壳体的厚度为d，d满足关系式：10mm≤d≤50mm。

6.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，还包括：冷却管，所述冷却管绕设在所述第一壳体的外周壁上且位于所述第二壳体的内周壁内侧。

7.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述第一壳体内设置有散热槽。

8.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，还包括：散热器，所述散热器设置于所述容纳腔内且邻近所述电机设置。

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