本发明涉及飞轮储能系统,尤其是涉及一种碳纳米管飞轮以及飞轮电池。
背景技术：
如何高效地将电能储存起来,一直是人类社会关注的重大课题。目前商业化的储电装置几乎都是各种化学蓄电池,但是它们一直无法摆脱化学电池固有的弊病能量密度小、污染大、寿命短等缺陷。因此,近年来物理储电装置受到了科技界的广泛重视,其中飞轮电池(也有称飞轮储能装置)由于具有比能量高、比功率大、体积小、充电快(以分钟计,而化学电池以小时计)、寿命长、无任何废气废料污染等特点显现出了巨大的优势
飞轮储能系统利用电动发电两用电机来实现充电和放电。充电时,该电机机作为电动机使用,带动飞轮转动放电时,该电机作为发电机使用,飞轮减速,把动能转化为电能释放出去。
经过对现有的飞轮的工作过程研究表明，飞轮在应用于机械能量储存的过程中，其储能密度是其性能的主要衡量指标。对于相同形状的飞轮，其所能够储存的最大能量密度与飞轮材料的比强度成正比。储能飞轮在高速旋转时,承受着很大离心力,离心力在飞轮的外缘最大，所以飞轮的外边缘的材料的比强度往往决定了飞轮电池的储能密度。最常见的飞轮是钢材制作的,钢制飞轮因为材料的强度所限,其最高线速度有一个临界值,超过临界值时,飞轮将会开裂,而产生安全隐患。普通钢制飞轮的线速度低、储能密度也低，仅为39wh/kg。为了获取高转速,存储更多的能量,轻质高强度材料,例如碳纤维、玻璃纤维的复合飞轮被引入按强度与模量由飞轮内圈到外圈递增的顺序缠绕成飞轮,纤维之间填充合成树脂作为粘结剂。目前最好的飞轮是由碳纤维t1000复合材料制成，储能密度可以达到596wh/kg。但是，随着人类社会的发展，现有的飞轮已经无法满足更高能量密度存储装置的需求，所以，能够研制出一种超高存储能量密度的飞轮，是本领域急需解决的技术问题。
技术实现要素：
为了克服已有飞轮电池的飞轮的强度无法满足超高速旋转需要的不足,本发明提供一种碳纳米管飞轮以及飞轮电池。
本发明提供的一种碳纳米管飞轮，包括中央设置有通孔的飞轮盘体，所述飞轮盘体全部或者轮缘部分采用碳纳米管材质制成。
在上述技术方案中，对所述飞轮盘体的轮缘部分进行改进，采用了全新的碳纳米管基材质来制造，因为，碳纳米管是迄今为止人类发现的最强的纤维材料(拉伸强度超越100gpa,比强度超过62.5gpa/(g/cm3))的特点，其拉伸强度超越碳纤维和超强钢的数十倍，密度仅为钢的1/6。当所述飞轮盘体采用了碳纳米管基材质来制造的话，便可以通过碳纳米管的超高强度来提高飞轮结构的环向抗拉强度,抵抗飞轮高速旋转的时候产生的离心力，为飞轮盘体的转速提供更高的极限数值，进而获得更高的储能密度和功率密度。
进一步的，在本发明的实施例中，所述飞轮盘体包括轮毂、轮辐和轮缘；
所述轮毂设置在所述轮缘的中央，所述轮辐连接在所述轮毂和所述轮缘之间；
所述通孔设置在所述轮毂的中央。
进一步的，在本发明的实施例中，所述轮缘包括轮缘芯和缠绕在所述轮缘芯上的碳纳米管基材质。
进一步的，在本发明的实施例中，所述轮辐包括轮辐芯和缠绕在所述轮辐芯上的碳纳米管基材质。
进一步的，在本发明的实施例中，所述轮毂包括轮毂芯和缠绕在所述轮毂芯上的碳纳米管基材质。
进一步的，在本发明的实施例中，所述碳纳米管基材质包括单根碳纳米管、碳纳米管管束、碳纳米管纤维、碳纳米管纤维复合材料、碳纳米管条带或者碳纳米管膜中的一种或任意组合。
进一步的，在本发明的实施例中，所述碳纳米管基材质上涂覆有粘接剂。
进一步的，在本发明的实施例中，所述粘接剂包括合成树脂。
进一步的，在本发明的实施例中，所述碳纳米管基材质沿所述飞轮盘体的周向缠绕在所述轮缘芯上。
本发明还提供了一种飞轮电池，包括上述所述的飞轮。
在上述技术方案中，所述飞轮电池采用了上述所述的飞轮，该飞轮对飞轮盘体的轮缘部分进行改进，采用了全新的碳纳米管基材质来制造，因为，碳纳米管是迄今为止人类发现的最强的纤维材料(拉伸强度超越100gpa,比强度超过62.5gpa/(g/cm3))的特点，其拉伸强度超越碳纤维和超强钢的数十倍，密度仅为钢的1/6。当所述飞轮盘体采用了碳纳米管基材质来制造的话，便可以通过碳纳米管的超高强度来提高飞轮结构的环向抗拉强度,抵抗飞轮高速旋转的时候产生的离心力，为飞轮盘体的转速提供更高的极限数值，进而获得更高的储能密度和功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第一结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第二结构示意图；
图3为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第三结构示意图；
图4为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第四结构示意图。
附图标记：
1-轮毂；2-轮辐；3-轮缘；
4-通孔；5-碳纳米管基材质；
11-轮毂芯；21-轮辐芯；31-轮缘芯。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
经过对现有的飞轮的工作过程研究表明，飞轮在应用于机械能量储存的过程中，其储能密度是其性能的主要衡量指标。对于相同形状的飞轮，其所能够储存的最大能量密度与飞轮材料的比强度成正比。储能飞轮在高速旋转时,承受着很大离心力,离心力在飞轮的外缘最大，所以飞轮的外边缘的材料的比强度往往决定了飞轮电池的储能密度。
而本申请便是通过采用了一种全新的材料在飞轮的制造上，以有效的提高了飞轮轮缘3的比强度，进而提高飞轮在机械能量储存过程中的储能密度。
图1为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第一结构示意图；图2为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第二结构示意图；如图1和图2所示，本实施例提供的一种碳纳米管飞轮，包括中央设置有通孔4的飞轮盘体，所述飞轮盘体全部或者轮缘3部分采用碳纳米管基材质制成。
所以说，上述技术方案中是对所述飞轮盘体的轮缘3部分进行改进，采用了全新的碳纳米管基材质来制造，因为，碳纳米管作为一维纳米材料，具有重量轻、强度高(拉伸强度超越100gpa,比强度超过62.5gpa/(g/cm3))的特点。当所述飞轮盘体采用了碳纳米管基材质来制造的话，便可以通过碳纳米管的超高强度来提高飞轮结构的环向抗拉强度,抵抗飞轮高速旋转的时候产生的离心力，为飞轮盘体的转速提供更高的极限数值，进而获得更高的储能密度和功率密度。
进一步的，在本发明的实施例中，所述飞轮盘体包括轮毂1、轮辐2和轮缘3。
其中，所述轮毂1设置在所述轮缘3的中央，所述轮辐2连接在所述轮毂1和所述轮缘3之间；
另外，所述通孔4设置在所述轮毂1的中央。
通过所述轮毂1中央的通孔4能够使飞轮固定在相应的轴或毂上，另外，通过将所述飞轮盘体设置成轮毂1、轮辐2和轮缘3三个部分，可以分别的根据不同的需求对三个部分的材质和形状进行针对性设计，以满足使用需求。
其中，在本发明的实施例中，所述轮缘3包括轮缘芯31和缠绕在所述轮缘芯31上的碳纳米管基材质5。
该种方式是采用碳纳米管基材质5缠绕在所述飞轮盘体的轮缘芯31上，通过轮缘芯31做骨架，并配合缠绕在其上的碳纳米管基材质5形成高强度的轮缘3部分。
图3为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第三结构示意图；图4为本发明一个实施例提供的碳纳米管飞轮的第四结构示意图；参考图3和图4，在本发明的实施例中，所述碳纳米管基材质5沿所述飞轮盘体的周向缠绕。
具体的，在缠绕时，可以将碳纳米管基材质5沿着飞轮盘体的轮缘芯31周向紧密均匀地分层绕制在轮缘芯31的外表面上，通过多层碳纳米管基材质5不断的紧密缠绕，就能够形成高强度的轮缘3部分。
当达到要求的绕制层数后，还可以使周向的碳纳米管基材质5在合适的位置折弯转向，通过弯折转向后将所述碳纳米管基材质5沿轮缘芯31的侧面绕到轮缘芯31的内表面，使周向缠绕的碳纳米管基材质5缠紧，形成高强度的轮缘3部分。
可选择的，在本发明的实施例中，所述轮辐2包括轮辐芯21和缠绕在所述轮辐芯21上的碳纳米管基材质5。
可选择的，在本发明的实施例中，所述轮毂1包括轮毂芯11和缠绕在所述轮毂芯11上的碳纳米管基材质5。
当然，对于轮辐2和轮毂1来说，如果设计需要可以采用碳纳米管基材质5对轮辐芯21或者轮毂芯11进行缠绕，形成通过碳纳米管基材质5缠绕而成的碳纳米管基材质的轮辐2或者轮毂1，这样的话，可以实现轮辐2和轮毂1部分也能够具有高强度的特性。
如果对于轮辐2和轮毂1处不需要的话，也可以采用一体形成的轮辐2和轮毂1，并通过合适的材质制成，在此并不做过多的限定，本领域技术人员可以根据实际的需求对轮辐2和轮毂1部分进行针对性的改进，使整体的飞轮满足设计需求。
进一步的，所述碳纳米管基材质5可以为单根超长碳纳米管、碳纳米管管束、碳纳米管纤维、碳纳米管纤维复合材料、碳纳米管条带或者碳纳米管膜中的一种或任意组合。
需要指出的是，对于碳纳米管纤维(复合材料)，条带或者膜绕制而成的碳纳米管飞轮具有高达278-1071wh/kg的能量密度；对于超长碳纳米管或者碳纳米管管束绕制而成的碳纳米管飞轮更是具有高达8571wh/kg的能量密度，这个数值高出碳纤维复合材料飞轮能量密度的32倍，锂离子电池能量密度的57倍，钢飞轮能量密度的220倍，超级电容器能量密度的1429倍，钢弹簧能量密度的220000倍。
进一步的，在本发明的实施例中，所述碳纳米管基材质5上涂覆有粘接剂。
由于所述碳纳米管基材质5是缠绕在飞轮盘体上的，所以在缠绕时在所述碳纳米管基材质5上涂覆有粘结剂以后，会有利于所述碳纳米管基材质5之间的固结成形，形成高强度的轮缘3结构。
可选择的，在本发明的实施例中，所述粘接剂包括合成树脂。
本发明还提供了一种飞轮电池，包括上述所述的飞轮。
由于所述飞轮的具体结构、功能原理以及技术效果均在前文详述，在此便不再赘述。
所以，任何有关于所述飞轮的具体技术内容，均可参考前文的记载即可。
由上可知，所述飞轮电池采用了上述所述的飞轮，上述所述的飞轮对所述飞轮盘体的轮缘3部分进行改进，采用了全新的碳纳米管材质来制造，因为，碳纳米管作为一维纳米材料，具有重量轻、强度高(拉伸强度超越100gpa,比强度超过62.5gpa/(g/cm3))的特点。当所述飞轮盘体采用了碳纳米管基材质来制造的话，便可以通过碳纳米管的超高强度来提高飞轮结构的环向抗拉强度,抵抗飞轮高速旋转的时候产生的离心力，为飞轮盘体的转速提供更高的极限数值，进而获得更高的储能密度和功率密度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。