易散热飞轮储能系统及其转子真空下温升抑制方法

1.本发明属于飞轮储能技术领域，具体涉及了一种易散热飞轮储能系统及其转子真空下温升抑制方法。


背景技术：

2.21世纪以来，科技创新日新月异，人口和经济不断增长，全球对能源的需求与日俱增。不可再生能源资源日益枯竭并带来了严重的环境污染问题，能源供需矛盾日益凸显。大规模开发利用可再生能源成为解决能源危机、环境污染的最佳手段，但以光伏、风电为代表的可再生能源具有很强的波动性和间隙性，调节难度大，大规模并网将对电网的稳定运行造成很大的威胁，很大程度上限制了可再生能源的利用。储能系统是现代电力系统和智能电网的重要组成部分，也是实现可再生能源并网消纳及分布式发电高效应用的重要环节。
3.目前常见的储能方式包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电化学储能、超级电容储能、超导磁储能等。相比于其他储能方式，飞轮储能具有比能量高、比功率高、循环寿命高、能量转化效率高、安全可靠等优势。这些特点决定了飞轮储能适用于需要短时高功率电能输出且充放电频繁的场合，目前已经在轨道交通能量回收、舰船综合电力系统、新能源并网发电、不间断电源等领域得到应用。
4.高速飞轮储能系统的转速可达40000～50000r/min，为减小高转速下飞轮储能系统的风阻，转子通常在低压或真空条件下运行。同时，为减小系统轴承摩擦损耗，常采用电磁轴承，将飞轮转子悬浮于真空中，飞轮储能系统效率可达95％以上。然而在真空环境中，转子产生的热量仅能通过热辐射方式向外传递，且辐射强度很弱，使得系统转子产生的热量排散困难，导致转子温度不断升高，甚至引起磁钢退磁而损坏电机。
5.现有飞轮储能系统转子冷却技术主要可分为接触式和非接触式散热方式。接触式散热主要通过冷却剂与转子直接接触将热量带出并在飞轮系统外散发，这种方式对于转子与真空壳体的密封要求非常高。非接触式散热主要以辐射形式将转子热量转移至低温侧。辐射换热强度较低，需要辅以强化辐射换热的手段，如增大换热温差、换热面积、表面发射率。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即现有飞轮储能系统转子温升无法在保持换热强度较高的同时降低密封难度的问题，本发明提供了一种易散热飞轮储能系统，该系统包括真空壳体、转轴、飞轮、电磁轴承、电动/发电一体机、定子套筒、冷凝器以及调压装置；
7.所述真空壳体内部包含电动/发电一体机的转子部分、转轴、电磁轴承和飞轮，用于为所述易散热飞轮储能系统提供真空环境；
8.所述飞轮、电磁轴承转子部分、电动/发电一体机转子部件均固定设置在转轴上；
9.所述电动/发电一体机的转子部件位于真空壳体内部；
10.所述电动/发电一体机的定子部件位于真空壳体外部，并以定子套筒包裹；
11.所述定子套筒高于定子部件且与定子部件存在空隙，以液态制冷工质填充套筒与定子之间的空隙；
12.所述冷凝器及所述调压装置安装于所述定子套筒上部，用于调节定子套筒内的压力。
13.在一些优选的实施例中，所述液态制冷工质为hfe氟化液体冷却工质或hfo氟化液体冷却工质。
14.在一些优选的实施例中，所述电磁轴承为减小旋转摩擦损耗的非接触式磁悬浮式轴承，用于支撑转轴和飞轮。
15.在一些优选的实施例中，所述飞轮为所述易散热飞轮储能系统的储能载体，当电动/发电一体机为电动状态时，电动/发电一体机转子部件驱动所述飞轮高速旋转，将电能转化为机械能存储，当电动/发电一体机为发电状态时，高速旋转的飞轮带动电动/发电一体机转子部件发电，将机械能转化为电能输出。
16.在一些优选的实施例中，所述电动/发电一体机的定子部件的下表面和内表面紧贴所述定子套筒，上表面和外表面与定子套筒留有空隙，所述定子套筒的外表面紧贴所述真空壳体。
17.本发明的另一方面，提出了一种基于气隙长度调整的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，基于上述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：
18.增加所述电动/发电一体机的气隙长度，降低转子涡流损耗，减少转子产热，实现转子温升抑制。
19.本发明的第三方面，提出了一种基于液态制冷工质的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，基于上述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：
20.步骤a10，在所述定子套筒内部充注液态制冷工质，所述电动/发电一体机的定子部件浸泡于所述液态制冷工质中；
21.步骤a20，所述电动/发电一体机的定子部件运行中的热量被所述液态制冷工质吸收；
22.步骤a30，所述液态制冷工质吸收热量后汽化，并携带热量在所述定子套筒中向上流动；
23.步骤a40，设置于所述定子套筒上方的冷凝器与汽化的工质进行热交换后，汽化的工质液化为液态制冷工质并滴落回所述定子套筒内部；
24.步骤a50，通过步骤a10-步骤a40的方法降低所述电动/发电一体机的定子侧温度，增大转子侧与定子侧的辐射换热温差，提高辐射热流密度，实现转子温升抑制。
25.在一些优选的实施例中，所述调压装置调节定子套筒内的压力，控制液态冷却工质的相变温度，将所述电动/发电一体机定子部件的温度与所述液态冷却工质的沸点的温差维持在设定阈值内。
26.本发明的第四方面，提出了一种基于真空壳体镀层的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，基于上述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：
27.在所述真空壳体内表面增加第一涂层，在所述电动/发电一体机的转子外表面增加第二涂层，通过所述第一涂层和所述第二涂层增强所述电动/发电一体机的转子的热辐射能力，强化定子的辐射吸收能力，实现转子温升抑制。
28.在一些优选的实施例中，所述第一涂层为黑镀铬镀层，所述黑镀铬镀层厚度为2mm，所述第二涂层为热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层，所述热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层厚度为1mm。
29.本发明的有益效果：
30.(1)本发明易散热飞轮储能系统，针对现有转子接触式冷却方式需要对转子和真空壳体密封，高转速下的旋转密封难度非常高的问题，以非接触的辐射换热方式散发转子热量，避开了转子旋转密封问题，降低了工艺难度。
31.(2)本发明易散热飞轮储能系统，针对现有飞轮储能系统电动/发电一体机处于真空壳体内部，定子侧可选冷却方式有限，造成定子侧温度较高，降低了定转子间辐射换热强度的问题，采用电动/发电一体机转子、定子分离设计，将转子和定子分处真空壳体的内侧和外侧，并对定子采用浸泡式冷却，有效降低了定子侧温度，增大了定转子间辐射换热温差，强化了辐射换热。
32.(3)本发明易散热飞轮储能系统，可通过增加电动/发电一体机的气隙长度，以此降低转子涡流损耗，减少转子产热。
33.(4)本发明易散热飞轮储能系统，对真空壳体内表面涂抹黑镀铬镀层，转子外表面增加热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层。以此增强转子的热辐射能力，强化定子的辐射吸收能力。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1是本发明易散热飞轮储能系统的结构示意图；
36.图2是本发明易散热飞轮储能系统一种实施例的电动/发电一体机定子冷却结构示意图；
37.图3是本发明易散热飞轮储能系统一种实施例的转子散热过程示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
39.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
40.本发明的一种易散热飞轮储能系统，该系统包括真空壳体、转轴、飞轮、电磁轴承、电动/发电一体机、定子套筒、冷凝器以及调压装置；
41.所述真空壳体内部包含电动/发电一体机的转子部分、转轴、电磁轴承和飞轮，用于为所述易散热飞轮储能系统提供真空环境；
42.所述飞轮、电磁轴承转子部分、电动/发电一体机转子部件均固定设置在转轴上；
43.所述电动/发电一体机的转子部件位于真空壳体内部；
44.所述电动/发电一体机的定子部件位于真空壳体外部，并以定子套筒包裹；
45.所述定子套筒高于定子部件且与定子部件存在空隙，以液态制冷工质填充套筒与定子之间的空隙；
46.所述冷凝器及所述调压装置安装于所述定子套筒上部，用于调节定子套筒内的压力。
47.为了更清晰地对本发明易散热飞轮储能系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
48.本发明第一实施例的易散热飞轮储能系统，包括真空壳体1、转轴3、飞轮7、电磁轴承2、电动/发电一体机(定子部件6和转子部件8)、定子套筒5、冷凝器4以及调压装置9，各模块详细描述如下：
49.所述真空壳体1内部包含电动/发电一体机的转子部分、转轴3、电磁轴承2和飞轮7，用于为所述易散热飞轮储能系统提供真空环境。
50.易散热飞轮储能系统内部保持真空环境，可以减少飞轮高速旋转的风摩损耗，使得整个易散热飞轮储能系统能够达到较高的充放电效率。
51.所述飞轮7、电磁轴承2转子部分、电动/发电一体机转子部件8均固定设置在转轴3上。
52.电磁轴承2起到支撑转轴3和飞轮7的作用，为非接触式磁悬浮式轴承，减小了转轴2的旋转摩擦损耗。
53.飞轮7为易散热飞轮储能系统的储能载体，当电动/发电一体机为电动状态时，电动/发电一体机转子部件8驱动飞轮7高速旋转，将电能转化为机械能存储，当电动/发电一体机为发电状态时，高速旋转的飞轮7带动电动/发电一体机转子部件8发电，将机械能转化为电能输出。
54.所述电动/发电一体机的转子部件8位于真空壳体1内部。
55.所述电动/发电一体机的定子部件6位于真空壳体1外部，并以定子套筒5包裹。
56.所述定子套筒5高于定子部件6且与定子部件6存在空隙，以液态制冷工质10填充套筒与定子之间的空隙。
57.电动/发电一体机的定子部件6的下表面和内表面紧贴定子套筒5，上表面和外表面与定子套筒5留有空隙，定子套筒5的外表面紧贴真空壳体1。
58.填充套筒与定子之间的空隙的液态制冷工质10为hfe氟化液体冷却工质或hfo氟化液体冷却工质等氟化液态冷却工质。
59.所述冷凝器4及所述调压装置9安装于所述定子套筒5上部，用于调节定子套筒5内的压力。
60.如图2所示，为本发明易散热飞轮储能系统一种实施例的电动/发电一体机定子冷却结构示意图，由图2可以看出，电动/发电一体机定子部件6的下表面与内表面与定子套筒5紧密贴合，上表面和外表面与定子套筒5留有空隙。定子套筒5内充注液态冷却工质10，在一些优选的实施例中，该液态工质10可以为hfe、hfo等氟化液体冷却工质。电动/发电一体机定子部件6浸泡在液态工质10中，其运行过程中的热量被液态冷却工质10吸收，使液态冷却工质10发生汽化，气态工质10携带热量在定子套筒5中向上流动。定子套筒5的上方安装有冷凝器4，气态冷却工质10上升到冷凝器4周围，与其发生热交换并液化滴落。调压装置9安装于定子套筒5的上方，用于调节定子套筒5内的压力，控制液态冷却工质10的相变温度。
由于液态工质相变过程的巨大潜热，电动/发电一体机定子部件6的温度可以维持在冷却工质10的沸点附近。通过选用不同沸点的工质、调节冷凝器4的冷却水流量或调节调压装置9可以控制工质10的沸点在不同的温度区间，增大电动/发电一体机定子部件6内表面与电动/发电一体机转子部件8外表面的温度差，强化转子辐射换热。
61.如图3所示，为本发明易散热飞轮储能系统一种实施例的转子散热过程示意图，本发明采取在电动/发电一体机转子部件8外表面涂抹高发射率和反射率、低吸收率的涂层，增强转子的热辐射能力；在真空壳体1的内表面涂抹高吸收率、低发射率和反射率的涂层，增强真空壳体的辐射吸收能力。在一些优选的实施例中，本发明在电动/发电一体机转子部件8的外表面均匀涂抹一层厚度均为1mm的热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层11，用以增强转子的热辐射能力；在真空壳体1的内表面均匀涂抹一层厚度为2mm的黑镀铬镀层12，用以增强真空壳体1的辐射吸收能力。电动/发电一体机转子部件8工作过程中产生的热量以热辐射的形式传递到真空壳体1，并传导至与真空壳体1紧密贴合的电动/发电一体机定子部件6，定子套筒5内的液态工质10吸热汽化，最终将热量传递至冷凝器4散发到外界环境。
62.本发明第二实施例的基于气隙长度调整的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，基于上述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：
63.增加所述电动/发电一体机的气隙长度，降低转子涡流损耗，减少转子产热，实现转子温升抑制。
64.本发明第三实施例的基于液态制冷工质的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，基于上述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：
65.步骤a10，在所述定子套筒内部充注液态制冷工质，所述电动/发电一体机的定子部件浸泡于所述液态制冷工质中；
66.步骤a20，所述电动/发电一体机的定子部件运行中的热量被所述液态制冷工质吸收；
67.步骤a30，所述液态制冷工质吸收热量后汽化，并携带热量在所述定子套筒中向上流动；
68.步骤a40，设置于所述定子套筒上方的冷凝器与汽化的工质进行热交换后，汽化的工质液化为液态制冷工质并滴落回所述定子套筒内部；
69.步骤a50，通过步骤a10-步骤a40的方法降低所述电动/发电一体机的定子侧温度，增大转子侧与定子侧的辐射换热温差，提高辐射热流密度，实现转子温升抑制。
70.调压装置调节定子套筒内的压力，控制液态冷却工质的相变温度，将所述电动/发电一体机定子部件的温度与所述液态冷却工质的沸点的温差维持在设定阈值内(即使得定子部件的温度维持在液态冷却工质的沸点附近)。
71.本发明第四实施例的基于真空壳体镀层的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，基于上述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：
72.在所述真空壳体内表面增加第一涂层，在所述电动/发电一体机的转子外表面增加第二涂层，通过所述第一涂层和所述第二涂层增强所述电动/发电一体机的转子的热辐射能力，强化定子的辐射吸收能力，实现转子温升抑制。
73.第一涂层为黑镀铬镀层，其厚度为2mm，第二涂层为热辐射型隔离涂层和热反射型
隔离涂层，其厚度为1mm。
74.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
75.需要说明的是，上述实施例提供的易散热飞轮储能系统及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
76.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
77.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
78.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种易散热飞轮储能系统，其特征在于，该系统包括真空壳体、转轴、飞轮、电磁轴承、电动/发电一体机、定子套筒、冷凝器以及调压装置；所述真空壳体内部包含电动/发电一体机的转子部分、转轴、电磁轴承和飞轮，用于为所述易散热飞轮储能系统提供真空环境；所述飞轮、电磁轴承转子部分、电动/发电一体机转子部件均固定设置在转轴上；所述电动/发电一体机的转子部件位于真空壳体内部；所述电动/发电一体机的定子部件位于真空壳体外部，并以定子套筒包裹；所述定子套筒高于定子部件且与定子部件存在空隙，以液态制冷工质填充套筒与定子之间的空隙；所述冷凝器及所述调压装置安装于所述定子套筒上部，用于调节定子套筒内的压力。2.根据权利要求1所述的易散热飞轮储能系统，其特征在于，所述液态制冷工质为hfe氟化液体冷却工质或hfo氟化液体冷却工质。3.根据权利要求1所述的易散热飞轮储能系统，其特征在于，所述电磁轴承为减小旋转摩擦损耗的非接触式磁悬浮式轴承，用于支撑转轴和飞轮。4.根据权利要求1所述的易散热飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮为所述易散热飞轮储能系统的储能载体，当电动/发电一体机为电动状态时，电动/发电一体机转子部件驱动所述飞轮高速旋转，将电能转化为机械能存储，当电动/发电一体机为发电状态时，高速旋转的飞轮带动电动/发电一体机转子部件发电，将机械能转化为电能输出。5.根据权利要求1所述的易散热飞轮储能系统，其特征在于，所述电动/发电一体机的定子部件的下表面和内表面紧贴所述定子套筒，上表面和外表面与定子套筒留有空隙，所述定子套筒的外表面紧贴所述真空壳体。6.一种基于气隙长度调整的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：增加所述电动/发电一体机的气隙长度，降低转子涡流损耗，减少转子产热，实现转子温升抑制。7.一种基于液态制冷工质的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：步骤a10，在所述定子套筒内部充注液态制冷工质，所述电动/发电一体机的定子部件浸泡于所述液态制冷工质中；步骤a20，所述电动/发电一体机的定子部件运行中的热量被所述液态制冷工质吸收；步骤a30，所述液态制冷工质吸收热量后汽化，并携带热量在所述定子套筒中向上流动；步骤a40，设置于所述定子套筒上方的冷凝器与汽化的工质进行热交换后，汽化的工质液化为液态制冷工质并滴落回所述定子套筒内部；步骤a50，通过步骤a10-步骤a40的方法降低所述电动/发电一体机的定子侧温度，增大转子侧与定子侧的辐射换热温差，提高辐射热流密度，实现转子温升抑制。8.根据权利要求7所述的基于液态制冷工质的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，其特征在于，所述调压装置调节定子套筒内的压力，控制液态冷却工质的相变温度，将所述电动/发电一体机定子部件的温度与所述液态冷却工质的沸点的温差维持在设
定阈值内。9.一种基于真空壳体镀层的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的易散热飞轮储能系统，该方法包括：在所述真空壳体内表面增加第一涂层，在所述电动/发电一体机的转子外表面增加第二涂层，通过所述第一涂层和所述第二涂层增强所述电动/发电一体机的转子的热辐射能力，强化定子的辐射吸收能力，实现转子温升抑制。10.根据权利要求9所述的基于真空壳体镀层的易散热飞轮储能系统的转子真空下温升抑制方法，其特征在于，所述第一涂层为黑镀铬镀层，所述黑镀铬镀层厚度为2mm，所述第二涂层为热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层，所述热辐射型隔离涂层和热反射型隔离涂层厚度为1mm。

技术总结
本发明属于飞轮储能技术领域，具体涉及了一种易散热飞轮储能系统及其转子真空下温升抑制方法，旨在解决现有飞轮储能系统转子温升无法在保持换热强度较高的同时降低密封难度的问题。本发明包括：设置于真空壳体内部包含电动/发电一体机的转子部分、转轴、电磁轴承和飞轮；固定设置在转轴上的飞轮、电磁轴承转子部分、电动/发电一体机转子部件；位于真空壳体内部和外部的电动/发电一体机的转子部件和定子部件；包裹定子部件的定子套筒；定子套筒与定子部件空隙中的液态冷却工质；设置于定子套筒上部的冷凝器和调压装置。本发明避开了转子旋转密封问题，降低了工艺难度，同时有效提升了系统的换热辐射换热强度。了系统的换热辐射换热强度。了系统的换热辐射换热强度。


技术研发人员：阮琳 王军
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2022/3/7