高溫超導飛輪儲能器的製作方法

2023-05-31 12:00:31

專利名稱：高溫超導飛輪儲能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及飛輪儲能器，尤其涉及一種利用高溫超導材料製備的高溫 超導飛輪儲能器。
背景技術：
能源問題是發展國民經濟首先需要解決的問題，也是生產建設各部門 非常關注的問題，具有重大的戰略及經濟意義。特別是近年來能源危機加
劇，科學家預測到2050年，地球上的石油資源將會枯竭。在尋找新能源的 同時，人們也在探索在現有基礎上的能源節約技術，即能源的高效生產、 儲存和合理使用。就能源儲存而言，在許多領域已顯得十分突出，尤其是 高品質、高密度和能夠瞬間釋放的儲能系統，是很多領域迫切需要的。
飛輪儲能技術是一種新興的電能存儲技術，它與超導儲能技術、燃料 電池技術等一樣，都是近年來出現的有很大發展前景的儲能技術。雖然目 前化學電池儲能技術已經發展得非常成熟，但是，化學電池儲能技術存在 著諸如充放電次數的限制、對環境的汙染嚴重以及對工作溫度要求高等問 題。這樣就使新興的儲能技術越來越受到人們的重視。尤其是飛輪儲能技 術，已經開始越來越廣泛地應用於國內外的許多行業中。
常規的飛輪儲能裝置主要包括3個核心部分飛輪、電機和電力電子 裝置。它的基本工作原理是，將外界輸入的電能通過電動機轉化為飛輪轉 動的動能儲存起來，當外界需要電能的時候，又通過發電機將飛輪的動能 轉化為電能，輸出到外部負栽。為了能夠長時間高效的存儲電能，要求飛 輪儲能裝置在空閒運轉時的損耗非常小。常規的飛輪儲能裝置採用機械軸
4承來支撐飛輪的轉動，由於機械軸承的摩擦係數一般在O. OOl左右，在較
長的運轉時間下，仍能造成不小的能量損失。因此如何減小飛輪的能量損 失是解決飛輪儲能裝置長時間能量貯存的關鍵問題之一。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術中機械軸承造成的能量損失問題，而 提供一種高溫超導飛輪儲能器，利用高溫超導磁懸浮軸承高轉速、無磨損、 無需潤滑的特點，保證了飛輪儲能裝置能夠長期高效的儲存能量。
為實現上述目的，本發明提供了一種高溫超導飛輪儲能器包括飛輪、電 機和電力電子裝置，還包括高溫超導磁懸浮軸承，其定子部分固定在所述 高溫超導飛輪儲能器的框架上，其轉子部分固定在所述飛輪的可旋轉的飛 輪軸上。
進一步地，所述高溫超導磁懸浮軸承包括上置高溫超導磁懸浮軸承和 下置高溫超導磁懸浮軸承。
進一步地，所述高溫超導磁懸浮軸承採用YBC0高溫超導材料製備。 進一步地，所述高溫超導磁懸浮軸承的所述定子部分的外圍設置有充
滿液氮的低溫冷卻槽，用來冷卻YBCO高溫超導體。
進一步地，所述高溫超導磁懸浮軸承的所述定子部分採用高溫超導體製備。
進一步地，所述高溫超導磁懸浮軸承的所述轉子部分採用永磁體製備。 進一步地，所述飛輪的飛輪轉子固定在可旋轉的飛輪軸之上。 進一步地，所述飛輪轉子的材料為低密度、高強度的碳纖維材料。
進一步地，所述電機的定子固定在所述高溫超導飛輪儲能器的框架上， 所述電機的轉子固定在可旋轉的所述飛輪軸上。
進一步地，當輸入電能時，所述電機的定子和轉子用作電動機；當輸出電能時，所述電機的定子和轉子用作發電機。
進一步地，還包括在所述高溫超導飛輪儲能器的底部，正對所述飛輪 軸的軸端設置有位置控制器，用於調節所述飛輪軸的懸浮高度。
進一步地，所述高溫超導飛輪儲能器形成的空腔是真空狀態。 因此，本發明通過高溫超導磁懸浮軸承高轉速、無磨損、無需潤滑的 特點，能保證能量損失很小。
附困說明
圖l為本發明高溫超導飛輪儲能器的工作流程示意圖。
圖2為本發明高溫超導飛輪儲能器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描迷。 如

圖1，顯示了高溫超導飛輪儲能器的整個工作流程。能量輸入端l可以 是電網或其它有電能剩餘的設備。能量輸入端1以電能的方式接入電能輸入 電力電子裝置2，電能被整流成標準的電壓、電流及頻率後，用於驅動電動機 3。電動機3為整個工作流程中進行電能向機械能轉化的設備，其後接飛輪4。 飛輪4以機械能的方式，高密度、無汙染的存儲能量。當需要能量輸出的場 合，發電機5從飛輪4中取得機械能，並轉化為電能，輸出到電能輸出電力 電子裝置2中。電能輸出電力電子裝置2將輸出的電能整流為需要的類型供 給能量輸出端6。在本發明中電機的定子固定在高溫超導飛輪儲能器的框架 上，所述電機的轉子固定在可旋轉的所述飛輪軸上。當輸入電能時，所述 電機的定子和轉子用作電動機；當輸出電能時，所述電機的定子和轉子用 作發電機。本發明提出的高溫超導飛輪儲能器與常規飛輪儲能裝置的區別在 於使用高溫超導磁懸浮軸承替換全部的機械軸承；在高溫超導飛輪儲能器
內設置了專門用於冷卻高溫超導體的冷卻槽；在高溫超導飛輪儲能器的整體結構上做出調整，以適應上述改動。
如圖2,顯示了高溫超導飛輪儲能器的結構示意圖。整個儲能器圍繞中心 線8呈對稱結構。中心線8也是飛輪軸9的中心線。飛輪轉子10固定在可旋 轉的飛輪軸9之上，其材料一般為低密度、高強度的碳纖維材料。本發明高 溫超導磁懸浮軸承包括上置高溫超導磁懸浮軸承11和下置高溫超導磁懸浮軸 承12。本發明採用YBC0高溫超導材料製備的高溫超導磁懸浮軸承11和12。 高溫超導f茲懸浮軸承11和12的定子部分為高溫超導體，固定在高溫超導飛 輪儲能器的框架上，定子部分的外圍是充滿液氮的低溫冷卻槽13,用來冷卻 YBCO高溫超導體，以使之i^超導態。高溫超導磁懸浮軸承11和12的轉子 部分14為永磁體，固定在可旋轉的飛輪軸9上。工作條件下，上置高溫超導 磁懸浮軸承11與下置高溫超導磁懸浮軸承12共同承擔飛輪軸9及飛輪轉子 IO的重量，並對飛輪軸9進行徑向定位，使整個飛輪處於只有一個旋轉自由 度的懸浮狀態。
在本發明中，用於進行能量轉化的電動機與發電機為一體式結構，電機 的定子15固定在高溫超導飛輪儲能器的框架上，電機的轉子16固定在可旋 轉的飛輪軸9上。當輸入電能時，定子15和轉子16用作電動機；當輸出電 能時，定子15和轉子16用作發電機，這樣可以簡化高溫超導飛輪儲能器的 整體結構，處於高溫超導飛輪儲能器底部的，正對飛輪軸9的軸端的位置控 制器17起到調節飛輪軸9懸浮高度的作用。高溫超導飛輪儲能器的空閒體積 18內填充絕緣隔熱材料， 一方面減少外界熱量的流入，另一方面減小了空腔 19的容積。將空腔19抽成真空狀態， 一方面起到隔熱作用，另一方面減小了 空氣對飛輪旋轉的阻力。
在本發明中，高溫超導磁懸浮軸承的工作原理是超導材料的邁斯納效應 和磁通釘扎效應。高溫超導磁懸浮軸承主要由永磁體與高溫超導體兩大部分 構成，本發明考慮到高溫超導體的成本和工作環境，使用高溫超導體充當軸 承定子，永磁體充當軸承轉子。高溫超導體需要在液氮溫度下進行工作，其
7特有的磁通釘扎力，使得7JC^體轉子能夠穩定的懸浮起來。高溫超導磁懸浮 軸承是本發明的核心，在支撐飛輪轉子的同時保證了飛輪轉子高速穩定的旋
轉，其摩擦係數可達l(T。從而可以實現高溫超導磁懸浮軸承高轉速、無磨 損、無需潤滑，能量損失最小。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制， 儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當 理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技 術方案的並奇神和範圍。
權利要求
1、一種高溫超導飛輪儲能器，包括飛輪、電機和電力電子裝置，其特徵在於還包括高溫超導磁懸浮軸承，其定子部分固定在所述高溫超導飛輪儲能器的框架上，其轉子部分固定在所述飛輪的可旋轉的飛輪軸上。
2、 根據權利要求1所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述高溫超導磁懸浮軸承包括上置高溫超導磁懸浮軸承和下置高溫超導磁懸浮軸承。
3、 根據權利要求2所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述高溫超導磁懸浮軸承採用YBC0高溫超導材料製備。
4、 根據權利要求3所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述高溫超導磁懸浮軸承的所述定子部分的外圍設置有充滿液氮的低溫冷卻槽，用來冷卻YBC0高溫超導體。
5、 根據權利要求卜4所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述高溫超導磁懸浮軸承的所述定子部分採用高溫超導體製備。
6、 根據權利要求5所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述高溫超導磁懸浮軸承的所述轉子部分採用永磁體製備。
7、 根據權利要求1所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述飛輪的飛輪轉子固定在可旋轉的飛輪軸之上。
8、 根據權利要求7所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述飛輪轉子的材料為低密度、高強度的碳纖維材料。
9、 根據權利要求1所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述電機的定子固定在所述高溫超導飛輪儲能器的框架上，所述電機的轉子固定在可旋轉的所迷飛輪軸上。
10、 根據權利要求9所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於當輸入電能時，所述電機的定子和轉子用作電動機；當輸出電能時，所述電機的定子和轉子用作發電機。
11、 根據權利要求1所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於還包括在所述高溫超導飛輪儲能器的底部，正對所述飛輪軸的軸端設置有位置控制器，用於調節所述飛輪軸的懸浮高度。
12、 根據權利要求1所述的高溫超導飛輪儲能器，其特徵在於所述高溫超導飛輪儲能器形成的空腔是真空狀態。
全文摘要
本發明涉及一種高溫超導飛輪儲能器，包括飛輪、電機和電力電子裝置，還包括高溫超導磁懸浮軸承，其定子部分固定在所述高溫超導飛輪儲能器的框架上，其轉子部分固定在所述飛輪的可旋轉的飛輪軸上。因此，本發明通過高溫超導磁懸浮軸承高轉速、無磨損、無需潤滑的特點，能保證電能長時間的高效貯存。
文檔編號H02J15/00GK101540517SQ200910076829
公開日2009年9月23日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者凱 塗, 王延軍, 陽運國 申請人:北京宇航世紀超導儲能設備技術有限公司