Analysis and design of the capacity and efficiency of a flywheel energy storage system

分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。飞轮储能系统单机可实现储能0.5 ～ 100 kW·h、功率2～ 3000 kW。提出了储能100 kW·h级飞轮的方案,采用中低转速合金钢飞轮转子,储能密度13～ 18 W·h/kg,计算许用应力为800 MPa。尺寸为米级的飞轮转子整体锻造难度较高,可采用多圆盘轴向联接的结构设计。采用3层或4层纤维缠绕复合材料高速飞轮转子结构,分别进行了径向等应力结构设计,计算表明9000 r/min三层纤维缠绕复合材料飞轮和15000 r/min四层纤维缠绕复合材料飞轮均能够满足工作转速下的结构强度要求,储能密度50 ～ 70 W·h/kg。     

Analysis and optimization of an interference fitted composite material rotor of a superconducting energy storage flywheel

为了提高储能飞轮的储能密度,设计了一种金属轮毂和3个复合材料圆环过盈装配的磁悬浮外转子飞轮;采用平面应力方法建立了转子的应力模型,以复合材料圆环的厚度和环间过盈量为优化变量,以储能量为优化目标,在强度约束条件下,通过序列二次规划法对转子进行优化设计,将转子的极限转速从50000 r/min提高到57797 r/min,储能密度由40 W∙h/kg升高到53.8 W∙h/kg,储能量升高34.5%.该研究方法和结果可以为复合材料储能飞轮的设计,制造和优化提供依据.     

Analysis of a two-stage flywheel unit for automobile braking energy recovery

相比于其他储能方式,飞轮储能的高功率密度和高效率能量存储方法有很大的优越性,但也带来了其质量较大的困扰。基于传统模式单级飞轮储能结构,提出了一种新型两级式飞轮储能装置,并通过选用某种确定车型的车辆制动时所能够回收的能量,证明在一定程度上提供相同的储能容量时,该装置的质量可以明显降低。基于证明结果,通过Ansys软件对飞轮转子系统进行了10阶的模态分析和等效应力分析。仿真结果表明：该飞轮转子系统不会发生共振情况且满足强度要求,可以安全可靠的工作。     

Analysis of stress characteristics of energy storage flywheel with different materials

为了解储能飞轮的应力特性,进而对其结构进行设计及优化,基于Workbench考虑多因素对其进行有限元对比分析研究。对给定速度的7075铝合金飞轮应力分布、不同转速下7075铝合金飞轮应力特性和不同材料的飞轮应力变化规律分别进行有限元分析研究。结果表明：7075铝合金材料飞轮在15000 r/min转速下最大径向应力出现在内壁,向外逐渐减小,最大值为243.42 MPa,最大环向应力出现在飞轮轮缘与轮盘交汇处,最大值为122.61 MPa。随着转速增大,应力值也增大,最大应力值位置未发生变化,相同转速下,7075铝合金作为飞轮材料优于其他3种合金材料。研究结果可为储能飞轮的结构设计及优化提供参考。     

某500 MW汽轮机机组中压转子振动特性计算分析

为了分析某500 MW汽轮机机组中压转子在经过临界转速过程中的安全性,对该机组实际运行中发生振动最大的中压转子进行了振动特性计算与分析.采用自己开发的转子动力学软件计算得到中压转子的第一、第二阶临界转速,分别求得转子在第一阶临界转速和3 000 r/min转速下的最大弯曲静挠度,通过静挠度分析程序计算得到不同转速下对应的等效重力加速度,最后在Ansys中通过施加等效重力加速度模拟了不同转速下转子的不平衡离心力,并施加此离心力载荷来计算分析不同转速下转子的弯曲等效应力分布.结果表明:第一阶临界转速和3 000 r/min转速下的等效重力加速度分别为10 m/s2和1 m/s2;计算得到的各种工况下的最大弯曲等效应力均远小于该材料的屈服极限.     

Analyses and experimental validation testing of rotor dynamics of a flywheel

以250 kW/3 kW·h的磁悬浮储能飞轮为研究对象,通过理论分析、仿真计算、测试试验相结合的方式,研究储能飞轮转子系统的动力学特性。首先,基于转子动力学有限元法的Timoshenko梁理论推导出了转子单元的运动方程。其次,利用ANSYS软件分别对转子的临界转速和不平衡响应进行仿真有限元分析。最后,通过径向磁轴承的传感器采集位移信号,测试储能飞轮转子在升速过程中的振动波形,验证转子的动力学参数及仿真分析结果的准确性。通过转子的频谱瀑布图和振动位移响应曲线,与仿真分析的Campbell图和不平衡响应图进行对比。结果表明,测试试验结果与仿真分析结果一致。通过研究储能飞轮转子的转子动力学特性,设计出了合理的转子动力学的参数,并得到了试验验证。     

船舶涡轮高速轴系动力学特性试验

针对某船舶高速轴系,为获得其临界转速及振动响应特征,建立了涡轮转子-传动轴-太阳轮转子试验台。首先,对大悬臂涡轮转子-轴承系统进行多次升降速试验,通过调整非驱动悬臂端模拟联轴器的的不平衡量(0、2、4、6、8和10 g)以及联轴器圆盘的质量(2.89、4.00和5.0 kg),分别获得了不平衡量及不同等效质量对涡轮转子临界转速及振动响应的影响;然后,对整个涡轮转子-传动轴-太阳轮转子轴系,通过调整不平衡量(0~10g)得到整个轴系的临界转速、涡轮转子和太阳轮转子两侧的不平衡响应特征。研究表明:大悬臂转子-轴承系统在过一阶临界转速(2 685 r/min)及工作转速(4 200 r/min)下,随着不平衡量的增加,各测点的基频振动幅值均有所增加;随着联轴器等效质量增大(0~5.83 kg),轴系的临界转速从2 690 r/min降低至2 680 r/min;对整个轴系,随着不平衡量的增加轴系在工作转速时涡轮转子基频振动幅值显著增大,但太阳轮转子的基频振动基本无变化。     

并网型飞轮储能系统金属转子结构优化设计

太阳能和风力发电具有间歇性,经常需要储能系统来平衡其对电网的影响。飞轮储能系统具有响应速度快和功率密度高等优势,可用来解决上述大规模可再生发电系统并网问题。储能密度是衡量飞轮储能系统性能的一项重要指标。该文提出一种在不改变储能总量、转速和转子直径的前提下,仅通过改变金属转子结构来降低转子质量,进而提高系统储能密度的方法。首先应用上述方法把等厚度金属转子设计成厚度沿转子半径而变化的变厚度结构,然后使用有限元分析软件ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization模块对得到的转子结构进行优化。仿真结果表明:结构优化后的转子与原转子相比,质量降低16.88%,系统储能密度提高20.40%。     

飞轮储能系统关键技术及其研究现状

飞轮储能作为一种物理储能方式以其在使用寿命、充电时间、充放电效率方面的突出特点得到了广泛关注。本文首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理、工作模式,并对其各结构的功用进行了简要说明。重点对目前飞轮储能系统的飞轮转子技术、支承轴承技术、电动/发电机技术、电力电子装置技术、真空室技术等关键技术进行了全面分析,并对各部件的关键技术国内外研究现状逐一进行阐述。随着与飞轮储能相关的关键技术快速发展,作为一种新型储能方式,其应用领域将不断扩大。     

Theoretical calculations and experimental validation of flywheel energy storage density

飞轮储能密度是衡量转子材料结构技术水平的重要指标,分析了储能密度的计算方法和工程制约因素,提出了一种简要的工程计算方法,并应用于一文献所给出的飞轮结构的储能密度分析和校核.目前我国的实验飞轮线速度没有超过800 m/s,储能密度小于60 W·h/kg.     

Structural design of rotor and shaft in FESS with 60 MJ energy capacity

研究设计额定转速为2700 r/min、储能量为60 MJ的合金钢飞轮,以实现石油钻机动力系统飞轮单机MW级输出功率。飞轮材料为35CrMoA合金钢,采用“H”形变截面,直径1600 mm,厚380 mm,质量4000 kg。芯轴与轮毂局部过盈配合,采用圆柱销传递飞轮与芯轴之间的扭矩。有限元计算表明,轮辐内厚外薄,实现近似等强度设计;轮缘加厚,调整质量分布,实现大转动惯量;底部圆柱销传递扭矩,局部应力比键连接优化。飞轮轴系具备2.5倍应力安全系数,额定转速下最大应力小于500 MPa。2016年3月飞轮设备调试成功,实现150～200 kW充电、500～1000 kW放电功能,储能密度4.17 W·h/kg,比功率250 W/kg,标志着我国具备了单机WM级飞轮储能设备研制能力。     

Research on disturbance analysis and detection method for the magnetically suspended flywheel-based PMSM system

本文基于飞轮三相永磁同步电机的特性,研究影响飞轮电机控制性能的干扰因素并对其特性进行分析。首先建立动基座条件下飞轮转子的动力学模型,在此基础上对影响电机性能的内外多源干扰进行建模和特性分析,给出详细的干扰模型以及所包含的结构类型。针对干扰所必需的输入参数,设计并实现了飞轮干扰状态的监测系统,获取飞轮实时转速、磁偏转角和基座振动等信息。最后,给出磁悬浮储能飞轮系统实验装置和飞轮参数,为飞轮电机干扰特性验证和干扰抑制方法提供必要基础。     

Online balancing of the rotor-bearing unit of the flywheel energy storage system

采用SB-7700型动平衡仪对400 kW/10 MJ飞轮储能系统轴系进行了本机动平衡,依据动平衡结果,提出了增加平衡工艺飞轮的修改设计.采用两平面方法进行本机动平衡后,飞轮储能机组达到额定3600 r/min的高速稳定运行.振动测试表明,充电,放电状态振动特性有所差别,放电功率对共振区振动幅频特性有显著影响,这反映了永磁电机电磁力对同步振动的作用.     

外转子储能飞轮结构优化设计研究

储能飞轮属于功率型储能技术,利用现代电力电子技术,实现电能与飞轮动能之间的转化。飞轮储能系统利用上、下主动电磁轴承将飞轮旋转体处于无接触悬浮。选择一种阶梯变截面近似等应力转子金属材料飞轮,以获得更高的储能密度,在高形状系数与加工制造难度之间合理优化。针对此飞轮进行强度以及转子动力学分析,此一体化外转子飞轮方案可有效解决飞轮转子轴向长度影响转子动力力学特性并将导致飞轮储能系统结构紧凑性欠佳的问题。     

Metallic materials for energy storage flywheel rotors

飞轮储能是利用高速旋转的转子来储存能量,是一种理想的绿色环保储能方式,高效清洁且寿命持久.由于储能飞轮的储能密度与比强度呈正比的关系,因此开发与制备新型高比强度材料的飞轮转子是提高其储能能力的重要途径.作者叙述了储能飞轮用金属材料的发展历程与应用现状:储能飞轮的研制初期一般采用储能密度较低的金属转子,目前储能飞轮的研究重点已转到密度低而强度高的复合材料飞轮,其最优的转子形状具有沿半径方向中间薄,两端厚的特征,以获得更高的储能密度.阐述了金属转子与轮毂的铸造,锻造,机加工,热处理以及质量检验等加工工艺的研究现状.储能飞轮转子用金属材料的发展最终取决于超高强度钢及合金的开发与研究,如超高纯冶炼技术的发展,热处理工艺的优化等.