空气悬浮轴承在飞轮储能电池FES的利用.doc

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1、空气悬浮轴承在飞轮储能电池FES的利用摘要：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。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

2、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

3、（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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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。10