用于存儲和釋放能量的裝置的制作方法

文檔序號：11906148閱讀：207來源：國知局

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于存儲和釋放能量的裝置。

背景技術(shù)：

本發(fā)明在應(yīng)該短期提供低成本存儲的能量的場合都可使用。

存儲能量對于現(xiàn)代社會在新能源開發(fā)過程中是最重要的課題之一，因為電網(wǎng)的穩(wěn)定性很大程度依賴于在供給的和提取的能量之間的平衡。但可再生的能源如太陽能和風能只不穩(wěn)定地產(chǎn)生能量。因此提出的基本問題是，怎樣可以在生產(chǎn)過剩階段合適地存儲能量，以便沒有大的損耗地在生產(chǎn)不足時將所述能量再次往回供給到電網(wǎng)中。本發(fā)明為此提供一種解決方案。所謂的電能質(zhì)量提供另一個應(yīng)用領(lǐng)域。即使電網(wǎng)短時的波動也可能損壞工業(yè)、研究和醫(yī)學中敏感的電器，或?qū)е螺^長的失效，因為這樣的機器具有保護機制，所述保護機制在這樣的情況下斷開機器。機器的起動可以持續(xù)數(shù)小時并且導致顯著的經(jīng)濟損失。如在這里提出的本發(fā)明可以前置于這樣的機器且這樣補償電網(wǎng)失效，使得不必首先觸發(fā)這些保護機制。本發(fā)明的另一種應(yīng)用在所謂的不間斷電源系統(tǒng)的領(lǐng)域中。在這里涉及失效保護的電網(wǎng)。在此本發(fā)明可以提供存儲的能量直到失效消除或代替例如構(gòu)成柴油發(fā)電機的另一個應(yīng)急電源并且承擔電網(wǎng)的繼續(xù)供電。

針對基本上暫時提供能量，討論了如抽水蓄能發(fā)電站或壓縮空氣蓄能器的設(shè)計，在電能質(zhì)量領(lǐng)域中目前沒有給出符合標準地被利用的產(chǎn)品并且在不間斷電源系統(tǒng)的領(lǐng)域中使用化學蓄電池(蓄電池)或常規(guī)的飛輪存儲器。

作為現(xiàn)有技術(shù)可以引用下列實例：

DE19709674C1描述了一種用于存儲和釋放能量的裝置，包括一個具有真空的可抽真空的殼體，和超導的平面軸承，其中可以以復雜的構(gòu)造安裝多個旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。

DE4200824A1描述了一種電動力學的飛輪存儲器，其中轉(zhuǎn)子軸具有一個額定斷裂部位，該額定斷裂部位位于轉(zhuǎn)子支座之外。

EP237397A1描述了一種用于存儲和釋放能量的裝置和布置結(jié)構(gòu)，其中飛輪存儲器具有多個電機。

GB2305992A描述了一種用于存儲和釋放能量的裝置和布置結(jié)構(gòu)，包括一個具有真空的可抽真空的殼體和一個旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，其中安全儲藏器自由運動地與真空容器的保持結(jié)構(gòu)連接。

存儲器設(shè)計如抽水蓄能器或壓縮空氣存儲器構(gòu)成很大耗費的設(shè)備，它們非常昂貴。它們因此僅適合用于存儲很大量的能量，此外所述設(shè)計強烈依賴于局部的地理學的給定條件并且借此不是到處可使用。在不間斷電源領(lǐng)域中普遍的蓄電池通常是鉛蓄電池并且借此在清除方面是耗費的并且非環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的。此外蓄電池通常是超尺寸的，因為其給出功率和使用壽命的聯(lián)合。當不清楚可使用性時，必須替換所述蓄電池。常規(guī)的飛輪存儲器通常不是無接觸地支撐并且通過出現(xiàn)的摩擦具有大的在能量方面的損耗。當前在市場上有的包括磁性支座的飛輪存儲器依賴于系統(tǒng)的附加的主動控制，以用于其穩(wěn)定。經(jīng)常提出用于實現(xiàn)基于超導支座的無摩擦的飛輪存儲器的設(shè)計，如在DE19709674C1或DE19643844C1中，但其仍從未可能實際地在設(shè)備中使用。這例如在于故障情況時的安全方面，如真空不緊密性，或當旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的部件在高的旋轉(zhuǎn)速度時脫開并且因此變成射彈。

此外所述系統(tǒng)通常構(gòu)造復雜并且只能困難地定標。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的任務(wù)是，研發(fā)一種基于飛輪的用于存儲能量的裝置，所述裝置在其大小、功率、存儲容量和安全裝置方面對于不同的應(yīng)用是可定標的并且通過非接觸式的磁性的被動的支座損耗很少地工作。

此外本發(fā)明應(yīng)該是當今的蓄能器設(shè)計的一種低成本的并且在使用中靈活的備選方案。

該任務(wù)通過用于存儲和釋放能量的裝置來解決，該裝置包括一個具有真空的可抽真空的殼體、至少一個在軸上的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、至少一個被動的超導的徑向軸承以及電機，所述電機不僅構(gòu)成電動機而且構(gòu)成發(fā)電機，其中，為了穩(wěn)定真空，在真空容器中設(shè)置一個冷面，其中，冷面具有一個絕緣部或一個加熱裝置，或具有一個絕緣部和一個加熱裝置。

按照本發(fā)明的解決方案包括用于存儲和釋放能量的可定標的裝置，所述裝置包括可抽真空的容器如真空容器、真空、至少一個在軸上的飛輪質(zhì)量、至少一個被動的超導的軸承如徑向軸承以及電機，所述電機不僅構(gòu)成發(fā)電機而且構(gòu)成電動機。

因此所述系統(tǒng)包括垂直的軸，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和軸承和電機的轉(zhuǎn)子單元設(shè)置在所述軸上。此外在所述系統(tǒng)中設(shè)置有電機，所述電機不僅可以作為電動機驅(qū)動所述軸，而且可以作為發(fā)電機將其能量輸送給系統(tǒng)。此外所述系統(tǒng)具有兩個在軸端部附近的超導的軸承，所述軸承能夠?qū)崿F(xiàn)軸的無摩擦的旋轉(zhuǎn)。為了冷卻軸承以及為了減少轉(zhuǎn)子的摩擦阻力，有利的是，使系統(tǒng)在降低的壓力下或還更好地在真空中運行。為此所述系統(tǒng)必須處于容器中。此外在所述系統(tǒng)中設(shè)置有安全儲藏器，所述安全儲藏器應(yīng)該阻止強烈加速的微粒從系統(tǒng)排出。此外應(yīng)該在干擾情況時幫助減小能量，在所述干擾情況中發(fā)生旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的接觸。所述安全儲藏器包括上面的和下面的遮蓋元件，在所述遮蓋元件之間設(shè)置有一個或多個固定元件，所述固定元件具有用于疊片的空隙。所述疊片可以由金屬或纖維復合材料制成。疊片裝入所述空隙中。其在所述環(huán)附近結(jié)束。所述疊片不僅可以由一個件而且也可以由各個元件構(gòu)造。這些元件可以這樣通過鉸鏈連接，使得所述元件具有加固的拱頂?shù)男螤?。這些元件可以由金屬或纖維復合材料制成。此外這些元件可以包括區(qū)塊，或具有空腔。其他材料也可以引入疊片的空腔的填充容積中，這些其他材料如用于制動射彈。在疊片和固定元件之間也可以此外引入緩沖的材料、如軟的金屬、纖維復合材料或聚合物。在所述布置結(jié)構(gòu)的上方和之下設(shè)置有遮蓋環(huán)，所述遮蓋環(huán)與其他部件通過連接桿擰緊。整個安全儲藏器可以與所述室固定連接，其方式為例如所述安全儲藏器可以裝入保持結(jié)構(gòu)中，或所述安全儲藏器可以自由運動地裝入。這時安全儲藏器可以在接觸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量時與其一起旋轉(zhuǎn)。安全儲藏器可以也由固定元件的各個部段或上面的和下面的蓋板構(gòu)造。

在所述系統(tǒng)中設(shè)置有冷面。所述冷面輔助在容器中的真空，因為容器中剩余氣體的部分可以在所述冷面上凍牢。對于空氣通過容器的不緊密的位置流入真空中的情況，該面也可以這樣減慢系統(tǒng)中的壓力上升，使得可以切斷所述系統(tǒng)。由此可以避免持久地連接真空泵，這減少費用。冷面通過連接元件直接與冷源或與超導的軸承的冷卻外罩連接，所述連接元件利用傳導、對流或熱聲的效果以用于傳熱。朝向外壁的一側(cè)可以利用反射的機構(gòu)絕緣以防通過輻射的熱量輸入。此外可以用于較快速地加熱系統(tǒng)設(shè)置所述面的例如通過通電的線的加熱裝置。

作為用于系統(tǒng)的冷源可以使用一個或多個低溫冷卻器，或使用以低溫介質(zhì)例如液氮填充的室。在此所述室可以附加地也與外部的低溫回路連接，或通過低溫冷卻器冷卻。所述冷面可以例如徑向于超導的軸承、優(yōu)選以至所述軸承的狹窄的連接部。

所述系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量優(yōu)選由CFK制成。借此保證，所述經(jīng)受住較高的旋轉(zhuǎn)速度。但旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也可以由其他纖維復合材料構(gòu)造。

為了無摩擦地支撐所述系統(tǒng)使用兩個超導的軸承。但也可以使用超導的軸承和永磁的軸承的組合。

所述超導的軸承是不僅具有軸向剛度而且具有徑向剛度的徑向軸承。此外超導的軸承具有如下優(yōu)點：其被動地工作，亦即沒有主動的控制裝置，亦即僅由其物理特性給予系統(tǒng)穩(wěn)定性。這以只包括永磁的軸承的布置結(jié)構(gòu)是不可能的。

超導的軸承將穩(wěn)定性引入系統(tǒng)。在冷卻期間，來自永磁體的轉(zhuǎn)子側(cè)的配合件的磁場在高溫超導體的結(jié)構(gòu)中被封鎖。因此磁體軸承以力反抗其任何變化、因此反抗轉(zhuǎn)子離開其位置的任何運動。由此轉(zhuǎn)子在其位置中穩(wěn)定。作為超導的材料優(yōu)選作為實心材料使用釔鋇銅氧化物(YTTRIUM BARIUM COPPER OXIDE)。當然也可以使用包括其他稀土的氧化銅陶瓷(稀土鋇銅氧化物(RARE EARTH BARIUM COPPER OXIDE))或如鉍鍶鈣銅氧化物的材料或二硼化鎂。因為超導的軸承必須被冷卻，有利的是，將所述超導的軸承在空間上與電機和主軸承分開，因為在機器中產(chǎn)生熱量，所述熱量影響其作為超導的軸承的功能性。所述軸承通過合適的機構(gòu)連接到冷源上，所述冷源為了傳熱利用傳導、對流或熱聲的效果。這可以在最簡單的情況中通過由銅制成線纜的實現(xiàn)。

此外有利的是，將轉(zhuǎn)子側(cè)的支撐元件作為外轉(zhuǎn)子實施，因為所述支撐元件通過出現(xiàn)的離心力被擠壓到結(jié)構(gòu)上。

在作為外轉(zhuǎn)子的所述實施方式中，所述支撐元件無須耗費地固定粘接和用繃帶包扎。

當所述支撐元件作為內(nèi)轉(zhuǎn)子實施時，則其必須被粘牢和用繃帶包扎。

所述軸承因此可以不僅作為內(nèi)轉(zhuǎn)子而且作為外轉(zhuǎn)子實施。此外所述軸承、如冷面，可以裝備有加熱裝置，所述加熱裝置為維修目的加速加熱。

如果對于定標應(yīng)該是必要的話，可以沿所述軸還設(shè)置用于穩(wěn)定的另外的小軸承。

電機對于所述系統(tǒng)不僅作為電動機而且作為發(fā)電機起作用并且因此調(diào)節(jié)到系統(tǒng)中的能量輸送和輸出。不僅可以作為包括在轉(zhuǎn)子上的永磁體的電機實施，而且可以沒有在轉(zhuǎn)子上的永磁體地實施。后一種變型對于飛輪長期處于空轉(zhuǎn)的使用優(yōu)選，因為因此損耗可以通過渦流減少。用于冷卻電機的定子可以使用空氣、水、油或另一種流體。也可以使用用于傳熱采用熱聲的效果的機構(gòu)。所述電機可以設(shè)置在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的上方或下方，但必須處于兩個超導的軸承之間。

機器也可以這樣分開，使得其不僅處于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量上方而且處于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量下方。以這種方式也可以將多于一個機器設(shè)置在系統(tǒng)中。

一般優(yōu)選提供相對于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的平面的對稱性的布置結(jié)構(gòu)。

所述電機不僅可以作為內(nèi)轉(zhuǎn)子而且可以作為外轉(zhuǎn)子實施。在外轉(zhuǎn)子的情況中所述電機甚至可以集成到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量中。

通過所述系統(tǒng)的該實施方式，提供一種蓄能器，所述蓄能器有效率和低成本地以最小化的能量損耗工作、可定標并且還足夠地具有安全元件，以便可以用于工業(yè)環(huán)境中。

附圖說明

接著借助七個附圖和實施例進一步討論本發(fā)明。附圖示出：

圖1包括由各個元件組成的疊片的固定元件的俯視圖；

圖2圖1的一個部分的放大圖；

圖3安全儲藏器的透視圖；

圖4作為飛輪存儲器的按照本發(fā)明的解決方案的示意圖，其中轉(zhuǎn)子單元作為包括低溫冷卻器的內(nèi)轉(zhuǎn)子實施；

圖5作為飛輪存儲器的按照本發(fā)明的解決方案的示意圖，其中轉(zhuǎn)子單元作為包括低溫冷卻器的外轉(zhuǎn)子實施；

圖6作為飛輪存儲器的按照本發(fā)明的解決方案的示意圖，其中轉(zhuǎn)子單元作為具有兩個電動機的包括低溫冷卻器的外轉(zhuǎn)子實施；

圖7作為沒有安全儲藏器的飛輪存儲器的按照本發(fā)明的解決方案的示意圖，其中轉(zhuǎn)子單元作為通過低溫介質(zhì)冷卻的內(nèi)轉(zhuǎn)子實施。

具體實施方式

圖1示出包括在固定元件1的空隙中的疊片3的固定元件1的俯視圖，其中疊片3弧形地設(shè)置并且包括各個元件。環(huán)形的固定元件1形成圍繞旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2的環(huán)并且應(yīng)該阻止旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的部件到達外。固定元件1具有用于連接桿的孔4和空隙5，借此安全裝置可嵌入保持結(jié)構(gòu)中。

圖2示出圖1的部分放大圖，其中在固定元件1的空隙上的疊片3包括多個元件7，所述元件通過連接鉸鏈6相互連接，其中元件7具有空腔8，在所述空腔中存在填充物，所述填充物用于如下情況，當旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2的部件被甩出到安全設(shè)備中時，確保這些部件的快速制動。

如圖3在透視圖中示出的，安全儲藏器具有上面的和下面的遮蓋部10，所述遮蓋部通過連接桿9相互連接，其中在上面的和下面的遮蓋部10之間在本示例中設(shè)置有兩個固定元件1，所述固定元件將疊片3保持在其間隙中。如圖2示出的，不只可以在各個元件7的空腔中而是也可以在固定元件的孔和處于其中連接桿9之間設(shè)置填充或緩沖元件8。在圖3中透視示出的安全儲藏器也可以節(jié)段性地實施，即不僅遮蓋環(huán)10而且固定元件1由各個區(qū)段或部段組裝而成。

圖3的安全儲藏器可以以有利的方式嵌入按照本發(fā)明的解決方案像例如作為包括具有低溫冷卻器18的內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子單元的飛輪存儲器中，如其在圖4的示意圖中示出的。圖4示出旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2，所述旋轉(zhuǎn)質(zhì)量圍繞軸17旋轉(zhuǎn)并且設(shè)置在真空容器11中，真空12處于所述真空容器中。軸17在兩側(cè)具有軸承的轉(zhuǎn)子單元15，其中所述軸承在兩側(cè)具有在框架14中的超導的元件16，所述框架構(gòu)成超導的軸承的冷卻外罩并且借助處于真空容器11外的低溫冷卻器18冷卻。借助在軸承的框架14的低溫冷卻器18中的冷卻連接部19，冷從低溫冷卻器18帶入軸承，其中在真空容器11和冷卻外罩的框架14之間在兩側(cè)設(shè)置有懸掛裝置13。安全儲藏器包括疊片3、固定元件1和遮蓋環(huán)10并且以保護的方式包圍旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2，為此安全儲藏器經(jīng)由保持結(jié)構(gòu)22固定在真空容器11上。在安全儲藏器和真空容器11之間的該固定以有利的方式這樣構(gòu)造，使得安全儲藏器在保持結(jié)構(gòu)中可以一起旋轉(zhuǎn)，從而從旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2拋出的部件的能量可被較快速地吸收，而不會破壞安全儲藏器。

作為飛輪存儲器的重要部件設(shè)置包括其保持結(jié)構(gòu)23的電機24，其中保持結(jié)構(gòu)23將電機24與真空容器11連接。相對于電機24在軸17上設(shè)置電機24的轉(zhuǎn)子單元26以及定子單元25。

在特別有利的方式在框架14上和超導的軸承的冷卻外罩上設(shè)置有冷面21，真空中的氣體微粒在所述冷面上冷凍并且借此真空被提高或穩(wěn)定。冷面21在其背側(cè)上具有絕緣部20。借此阻止，冷面朝該方向丟失能量。

圖5示出作為飛輪存儲器的按照本發(fā)明的解決方案，所述飛輪存儲器作為包括具有低溫冷卻器18的外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子單元實施。整個裝置處于真空容器中，其中在軸17上，所述軸在其端部上包圍冷卻外罩的框架14連同軸承16的超導的元件并且在該區(qū)域中具有軸承的轉(zhuǎn)子單元15。冷卻外罩14的框架在兩側(cè)與真空容器通過懸掛裝置13連接。低溫冷卻器18處于殼體外并且具有到軸承上的冷卻連接部19。旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2在本情況中也被安全容器包圍，所述安全容器包括疊片3、固定元件1和遮蓋環(huán)10并且通過保持結(jié)構(gòu)22與真空容器11連接。在本實施例中也以有利的方式設(shè)置包括絕緣部20的冷面21，其中冷面21設(shè)有至用于冷卻外罩的框架14的冷卻連接部27。在旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2上設(shè)置有轉(zhuǎn)子單元26，所述轉(zhuǎn)子單元與電機24的定子單元25相對置。電機24借助保持結(jié)構(gòu)23與真空容器11連接。

圖6在示意圖中示出另一種有利的實施變型方案，其中示出包括旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2的飛輪存儲器并且轉(zhuǎn)子單元作為外轉(zhuǎn)子實施。低溫容器18、冷面21和其絕緣部20以及冷卻連接27以類似圖5的方式實施。相同的內(nèi)容適用于圍繞旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的安全儲藏器，其中旋轉(zhuǎn)質(zhì)量2在兩側(cè)具有與電機24的定子單元25對置的轉(zhuǎn)子單元26，其中電機24設(shè)置在安全容器的兩側(cè)并且通過保持結(jié)構(gòu)23與真空容器11連接。

在圖7中示出的另一種實施例中，飛輪存儲器的按照本發(fā)明的解決方案沒有安全儲藏器地示出，其中冷面21設(shè)有絕緣部20，作為用于液氮29的室28的冷卻起作用，亦即沒有低溫冷卻器，而是低溫介質(zhì)用于冷卻冷面21。轉(zhuǎn)子單元26作為內(nèi)轉(zhuǎn)子實施，也就是說，在軸17上轉(zhuǎn)子單元26相對于電機24的定子單元25設(shè)置，所述電機通過保持結(jié)構(gòu)23與真空容器11連接。超導的元件16在兩側(cè)對置軸承的轉(zhuǎn)子單元15并且在兩側(cè)與軸17對置，其中在該情況中超導的軸承的框架14與通過軸承的懸掛裝置13與真空容器11連接。

附圖標記列表

1 具有空隙的固定元件

2 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量

3 疊片

4 用于連接桿的孔

5 用于嵌入保持結(jié)構(gòu)中的空隙

6 在元件之間的連接鉸鏈

7 元件

8 元件的空腔或填充體積

9 安全儲藏器的連接桿

10 遮蓋環(huán)

11 真空容器