一种飞轮真空及冷却一体化系统

1.本发明属于飞轮储能技术领域，具体涉及一种飞轮真空及冷却一体化系统。


背景技术：

2.飞轮储能的工作原理是：在电力富裕的条件下，由电能驱动飞轮储能系统中的电机带动飞轮高速旋转，电能转变为机械能储存；在用户需要电时，飞轮减速带动发电机发电，供用户使用。该技术由于其能量转换效率高、无污染、维护性好、储能密度高等优点，得到广泛的应用。
3.飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件。在本领域中，力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加旋转飞轮系统的储能量，随着碳纤维材料在转子上的应用，飞轮转子外缘线速度已经可以达到音速(340m/s)。
4.现有会通过真空泵降低转子所在腔体的空气浓度，使得转子在高速旋转工况下，摩擦发热极低。不仅提高了系统的效率，且保证了系统的稳定性。同时，飞轮旋转工作时，转子铁芯、永磁体、定子铁芯、绕组都是热源，这些热源除了通过气隙和外机壳散发到大气环境中，也需要增加冷却系统如风冷、水冷、氢冷等方法将热量带走。
5.现有的冷却系统和真空系统各自属于独立的子系统，整个飞轮储能系统的集成度低，占用空间大。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种飞轮真空及冷却一体化系统，它能够借用抽真空系统对飞轮储能装置进行冷却，提高了系统的集成度，降低了占用空间。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种飞轮真空及冷却一体化系统，包括飞轮储能装置、抽真空装置、风冷装置；所述飞轮储能装置包括电机、飞轮转子、飞轮定子、飞轮气室，所述飞轮转子位于所述飞轮气室中；
9.所述抽真空装置包括泵壳、偏心安装在所述泵壳内腔的泵转子、安装在所述泵转子上的伸缩旋片组件，所述泵壳分布有第一进气口、第二进气口以及出气口；所述伸缩旋片组件包括四个伸缩旋片，四个所述伸缩旋片将所述泵壳的内腔分隔为四个独立的气室；在所述泵转子带动所述伸缩旋片组件旋转的过程中，所述抽真空装置经过抽真空排气状态以及吸大气排气状态；
10.在抽真空排气状态，通过所述第一进气口将所述飞轮气室中气体抽入所述气室，通过所述出气口将从所述飞轮气室中抽取的气体输出至所述风冷装置；
11.随着所述飞轮气室中空气浓度降低，进入吸大气排气状态，通过所述第二进气口吸入大气且将大气通过所述出气口输出至所述风冷装置。
12.作为优选方案，所述泵转子朝向x方向偏心，所述出气口设置在所述泵壳的x方向侧，所述第一进气口、所述第二进气口设置在所述泵壳与x方向相反的一侧，且所述第一进
气口、所述第二进气口对应不同的气室。
13.作为优选方案，所述伸缩旋片包括外端敞开的套杆、推杆、弹簧，所述套杆安装于所述泵转子，所述推杆可移动设置在所述套杆的内腔，所述弹簧可伸缩设置在所述套杆的内腔，所述推杆与所述弹簧连接，在所述泵转子旋转的过程中，四个所述推杆的外端与所述泵壳的内壁接触，以形成四个所述气室。
14.作为优选方案，所述第一进气口设置有第一单向差压阀，所述第二进气口设置有第二单向差压阀。
15.作为优选方案，所述第一进气口设置有第一过滤网，所述第二进气口设置有第二过滤网。
16.作为优选方案，所述出气口通过输气管道将气体输送至所述风冷装置。
17.作为优选方案，所述第一进气口与所述飞轮气室通过进气管道连接。
18.作为优选方案，所述风冷装置包括冷却循环管路，所述出气口输出的气体输送至所述冷却循环管路。
19.作为优选方案，所述推杆的外端设置有润滑油。
20.作为优选方案，还包括水冷装置，所述水冷装置用于对所述飞轮储能装置进行散热。
21.本发明的一种飞轮真空及冷却一体化系统的有益效果在于：将排真空的气体用于对飞轮储能装置进行冷却，在真空度达到要求时，可抽大气对飞轮储能装置进行持续风冷，一个抽真空装置能够实现抽真空与辅助风冷两种功能，集成度高，占用空间小。
附图说明
22.图1是本发明实施例飞轮真空及冷却一体化系统的原理图；
23.图2是本发明实施例抽真空装置的剖视图；
24.图3是本发明实施例伸缩旋片的过程变化图；
25.图4是本发明实施例抽真空装置在抽真空排气状态时的状态图；
26.图5是本发明实施例抽真空装置在吸大气排气状态时的状态图。
27.图中部件名称和标号如下：
28.飞轮储能装置10、飞轮转子11、飞轮定子12、飞轮气室13、抽真空装置20、底座201、泵壳21、伸缩旋片22、套杆221、推杆222、弹簧223、第一进气口23、第二进气口24、出气口25、第一单向差压阀261、第二单向差压阀262、第一过滤网271、第二过滤网272、进气管道281、输气管道282、泵转子29、水冷装置30、水箱31、水泵32、散热器33、风机34、循环水管35。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明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仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
30.如图1和图2所示，本实施例公开了一种飞轮真空及冷却一体化系统。该飞轮真空及冷却一体化系统包括飞轮储能装置10、抽真空装置20、风冷装置；飞轮储能装置10包括电机、飞轮转子11、飞轮定子12、飞轮气室13，飞轮转子11位于飞轮气室13中；
31.抽真空装置20包括泵壳21、偏心安装在泵壳21内腔的泵转子29、安装在泵转子29上的伸缩旋片组件，泵壳21分布有第一进气口23、第二进气口24以及出气口25；伸缩旋片组件包括四个伸缩旋片22，四个伸缩旋片22将泵壳21的内腔分隔为四个独立的气室；第一进气口23与飞轮气室13连接，第二进气口24用于进大气，出气口25输出的气体输送至风冷装置以对飞轮储能装置10进行风冷；在泵转子29带动伸缩旋片组件旋转的过程中，抽真空装置20经过抽真空排气状态以及吸大气排气状态；
32.在抽真空排气状态，通过第一进气口23将飞轮气室13中气体抽入气室，通过出气口25将从飞轮气室13中抽取的气体输出至风冷装置；
33.随着飞轮气室13中空气浓度降低，进入吸大气排气状态，通过第二进气口24吸入大气且将大气通过出气口25输出至风冷装置。
34.本实施例能够节约能源，将排真空的气体用于对飞轮储能装置10进行冷却，在真空度达到要求时，可抽大气对飞轮储能装置10进行持续风冷。其中主要对电机进行冷却。在真空度达到要求时，可抽大气进行持续对电机进行风冷，一个抽真空装置20能够实现抽真空与辅助风冷两种功能，集成度高，占用空间小。
35.本实施例减少了系统的部件数量，且减少了对整个系统的控制量，控制一个抽真空装置20能够实现两种功能。
36.本实施例能够解决飞轮储能装置配置的冷却装置分散，集中度较低的问题，减小占用空间，且便于对系统进行电气控制。
37.作为优选方案，第一进气口23设置有第一单向差压阀261，第二进气口24设置有第二单向差压阀262。
38.本实施例的抽真空装置20为变容真空气泵，变容真空气泵包括底座201，本实施例的第二进气口24靠近底座201。
39.作为优选方案，泵转子29朝向x方向偏心，出气口25设置在泵壳21的x方向侧，第一进气口23、第二进气口24设置在泵壳21与x方向相反的一侧，且第一进气口23、第二进气口24对应不同的气室。
40.如图3所示，作为优选方案，伸缩旋片22包括外端敞开的套杆221、推杆222、弹簧223，套杆221安装于泵转子29，推杆222可移动设置在套杆221的内腔，弹簧223可伸缩设置在套杆221的内腔，推杆222与弹簧223连接，在泵转子29旋转的过程中，由于离心力的作用，四个推杆222的外端与泵壳21的内壁接触，以形成四个气室，分别为气室a、气室b、气室c、气室d。气室a、气室b、气室c、气室d互不相通。
41.在过程1中，弹簧223处于最大的压缩状态，推杆222伸出的长度最短。弹簧223的内端到推杆222外端的距离为泵转子29的半径r。
42.在过程3中，弹簧223处于最大的拉伸状态，推杆222伸出的长度最长。弹簧223的内端到推杆222外端的距离为泵转子29的半径r加上泵转子29偏心距d。
43.作为优选方案，推杆222的外端设置有润滑油，以降低推杆222与泵壳21之间的摩擦。
44.第一单向差压阀261、第二单向差压阀262均是带止回的差压阀，当上游压力大于下游压力时，上游气体会流向下游，当下游压力大于上游压力时，差压阀有止回功能，气流无法回流。
45.图4是本发明实施例抽真空装置在抽真空排气状态时的状态图；图5是本发明实施例抽真空装置在吸大气排气状态时的状态图。
46.如图4所示，抽真空装置20刚工作时，此时飞轮气室13为标准的大气压。泵转子29带着伸缩旋片组件旋转后，气室a接近真空状态，当旋转到第一进气口23时，第一单向差压阀261打开，飞轮气室13内的气体进入气室a，泵转子29带着伸缩旋片组件继续旋转，这部分气体最终会从出气口25排出至风冷装置。气室c内的气体是流动的，略大于大气压，第二进气口24的第二单向差压阀262处于关闭状态。
47.如图5所示，随着泵转子29带着伸缩旋片组件继续旋转，当第二进气口24处的压力小于大气压力时，第二单向差压阀262打开，此时飞轮气室13内的空气已经较为稀薄，不足以提供飞轮电机冷却用风。因此第二进气口24抽吸外界的大气进入气室，随着泵转子29以及伸缩旋片组件的继续旋转，飞轮气室13内的空气达到真空要求，抽取的外界的大气从出气口25排出至风冷装置。继续随着泵转子29以及伸缩旋片组件的旋转，第一进气口23的第一单向差压阀261处于关闭状态，保证飞轮气室13处于真空状态。外界大气持续进入气室，从出气口25排出至风冷装置，对飞轮储能装置10进行持续冷却。
48.在吸大气排气状态时，飞轮气室13未达到真空状态之前，飞轮气室13内的空气也是通过出气口25排出至风冷装置。
49.作为优选方案，第一进气口23设置有第一过滤网271，第二进气口24设置有第二过滤网272。这样的设置能够防止杂质进入抽真空装置20，以延长抽真空装置20的使用寿命。
50.作为优选方案，出气口25通过输气管道282将气体输送至风冷装置。
51.作为优选方案，第一进气口23与飞轮气室13通过进气管道281连接。
52.作为优选方案，风冷装置包括冷却循环管路，出气口25输出的气体输送至冷却循环管路。
53.如图1所示，作为优选方案，飞轮真空及冷却一体化系统还包括水冷装置30，水冷装置30用于对飞轮储能装置进行散热。本实施例的风冷与水冷相结合，以提高对飞轮储能装置的散热效果。其中能够增加电机的冷却效果，且电机的温度更加均匀。
54.具体地，水冷装置30包括水箱31、水泵32、散热器33、风机34、循环水管35。水箱31中的水经过水泵32和循环水管35对飞轮储能装置10进行冷却。
55.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。