飞轮储能装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种飞轮储能装置及其使用方法、飞轮储能装置系统及其使用方法，并且属于能量学领域。

背景技术：

目前，我们认识到电能储存的四种基本方法：抽水蓄能、化学电池(电池组)、压缩空气储能和飞轮。

飞轮作为储能装置的竞争性使用受到与飞轮构造材料相关的高投资成本的阻碍，所述飞轮构造材料是重钢或轻质但耐用的碳纤维复合材料。累积能量的量与飞轮质量及其速度平方成比例，因此其质量加倍会使能量增加两倍，但速度加倍会使能量增加四倍。高质量代表了对飞轮轴承的巨大需求。随着永磁体价格的下降，已经观察到从滚珠轴承到磁悬浮的过渡。飞轮的高速旋转因空气摩擦而导致损失，因此旋转飞轮必须封闭在真空容器中。由于作用在旋转飞轮上的极大离心力，这种壳体必须足以抵抗对飞轮的可能破坏。

此外，长时间旋转的飞轮受到地球绕其轴线旋转引起的陀螺效应的影响，而飞轮倾向于保持其自身的旋转轴线取向，这会使不期望的力作用在轴承上。飞轮的旋转轴线的偏转表示每24小时360°，即每小时15°，这是不可忽略的，因为这些力在飞轮的轴线处引起不期望的摩擦，从而引起储能效率的损失。

累积能量的量与飞轮的质量成比例，因此期望飞轮具有可变质量并因此也具有可变角动量。通过用液体填充空心飞轮来解决可变角动量问题的飞轮是已知的，例如，来自WO/2012/127194或GB2463534。

然而，具有显著超过1MWh(3.6GJ)的可变容量的储能装置的构造仍然面临以下技术障碍：

-飞轮复合材料成本高；

-飞轮保护壳体需要耐用性；

-需要驱动轴强度；以及

-不希望的陀螺效应。

这些技术障碍使得：容量的可能增加不会导致能量密度的所需降低，并且更重要的是，降低允许这种储能方法所需的每个储能单元的成本变得具有竞争力。

发明本质

上述缺点通过一种飞轮储能装置及其使用方法显著地消除。

根据本发明的飞轮储能装置包括至少一个能够在液体上和/或液体中漂浮和旋转的旋转元件、至少一个能够将能量传递到旋转元件上的元件以及至少一个能够从旋转元件传递能量的发电机。本发明的本质在于旋转元件是无轴的。

为了实现飞轮储能装置的更高效率，优选的是，无轴旋转元件至少部分是中空的并且至少部分可用液体填充，优选地，其在水上或水中漂浮。

飞轮储能装置的无轴旋转元件可以设置有至少一个开口。优选地，开口布置在旋转元件上，其方式使得当旋转元件在液体上或液体中时，开口的至少下边缘低于液面。甚至更优选地，开口布置在旋转元件上，使得其比旋转元件的外壁的内部部分更靠近旋转元件的旋转轴线，从而允许旋转通过根据由旋转元件引起的离心力的大小来填充和排出液体，而自主地改变其质量。

所述开口可以具有一个或多个阀。所述开口允许利用旋转元件进行简单操纵，并且一个或多个阀允许控制液体向旋转元件的填充和从旋转元件排出液体的操作。

在一个优选实施方案中，能够将能量传递到旋转元件上的元件是发动机。能量可以是来自外部源的动能或能量。

在另一个优选实施方案中，能够将能量传递到旋转元件上的元件是转换器。转换器连接到旋转元件。转换器能够将液体的流动和/或波运动、或风运动转换成旋转元件的旋转动能。

在另一个优选实施方案中，根据本发明的飞轮储能装置包括无轴旋转元件、至少一个转换器、发电机和发动机。转换器连接到其自身的旋转元件且能够将液体的流动和/或波运动、或风运动转换成旋转元件的旋转动能。发电机连接到旋转元件且能够将旋转元件的旋转动能转换成电能。发动机能够将能量传递到旋转元件上，其中这种能量是来自发电机或来自其他来源的电能。

为了允许在开阔水面上使用飞轮储能装置，例如，湖泊、坝式水库或海洋，优选的是，其配备有至少一个静态元件。此静态元件用于防止旋转元件在开阔水面上自由移动或者在有限程度上提供旋转元件的移动。这种静态元件可以是能够漂浮或不能漂浮的元件。如果所述静态元件能够漂浮，则其可以配备有防止旋转的叶片和/或到底部和/或堤岸的拉绳。如果静态元件不能浮动，则将其放置在底部或堤岸处。

发电机可以优选地放置在旋转元件上或静态元件上或旱地上或水域或水库底部处，另选地，部分在旱地上并且部分在水域或水库底部处。

发动机可以优选地放置在旋转元件上或静态元件上或旱地上或水域或水库底部处，另选地，部分在旱地上并且部分在水库底部处。

为了简化飞轮储能装置的结构，发动机和发电机可以组合成单个发动机/发电机单元，其作为发动机和发电机两者操作，并且此发动机/发电机优选地也可以作为静态元件操作。

在一个优选实施方案中，发动机是线性发动机。在这样的实施方案中，线性发动机的旋转部件的磁体位于旋转元件上旋转元件与静态元件的接触平面处，并且线性发动机的静态部件的绕组位于静态元件上。最终，线性发动机的静态部件的绕组位于旋转元件上旋转元件与静态元件的接触平面处，并且线性发动机的旋转部件的磁体位于静态元件上。

任何旋转元件还可以包括至少一个水翼。

使用根据本发明的飞轮储能装置储存能量的方法在于：能量以作为至少一个在液体上或液体中漂浮和旋转的旋转元件的动能而累积的能量为基础。

在一个优选实施方案中，随着能量储存需求的增加，将至少一个可用液体材料填充的旋转元件用液体材料填充，其中随着液体材料量的增加，储能装置变得更重，并因而能够储存更多的能量，同时随着能量排放，将至少一个旋转元件清空。

旋转元件可以具有分段结构，即其由互连的段组成。相应的段之间的相互连接可以被提供为固定的，不可动的，但也可以例如经由旋转铰链提供。在这种情况下，例如在海浪的冲击下，旋转元件的段略微上升，并且因此不会将波浪的力传递到整个装置。

旋转元件可以配备有截头圆锥体侧面形状的人工浅水元件。此人工浅水元件可以附接到旋转元件的外侧并且至少部分浸没在水中。人工浅水元件承载水波能量转换器即波浪涡轮机的各元件。所述转换器可以是水力涡轮机、风力涡轮机、波浪涡轮机。

当使用人工浅水元件时，深水波浪被变换成浅水波浪，并且此浅水波浪的能量经由转换器的各元件变换成旋转元件的旋转运动。

利用飞轮储能装置生成和储存多余能量的系统包括用于生成电能的能量装置，诸如光伏电池、水力涡轮机、风力涡轮机、波浪涡轮机以及测量装置、研究装置。

可以使用利用飞轮储存装置来生成和储存多余能量的系统，其方式使得来自风力涡轮机的风能和/或来自水力涡轮机的水能被传递到旋转元件上。

本发明解决了使用飞轮的能量储存问题，以便将多余的电能变换成飞轮的动能，随后在需要电能时将其变换成电能。

根据本发明的具有无轴旋转元件的飞轮储能装置解决了目前为止已知的解决方案的以下缺点：

-飞轮复合材料成本高；

-飞轮保护壳体需要耐用性；

-需要驱动轴强度；以及

-不希望的陀螺效应。

附图说明

图1示出了旋转元件和静态元件的横截面。

图2示出了发动机和发电机以及其静态部件和旋转部件的细节。

图3示出了配备有光伏面板、风力和潮汐涡轮机的储能装置。

图4示出了具有海浪转换系统的储能装置。

图5示出了具有水翼的储能装置。

图6示出了具有两个旋转元件的储能装置的横截面。

实施方案的实施例

通过举例的方式进一步详细解释本发明。

实施例1

飞轮储能装置被构造为包括一个旋转元件1、一个独立发动机2和一个独立发电机3。

旋转元件1是无轴的。旋转元件1由LDPE(低密度聚乙烯)材料制成，其比质量低于淡水。旋转元件1漂浮在由诸如混凝土、金属板等固体材料建造的圆形人工水库的水面上。人工水库的壁表示旋转元件1的移动极限。旋转元件1是中空的，并且可以填充有液体材料。在这种情况下，所述液体材料是旋转元件1漂浮在其上的水。在其内侧，旋转元件1具有四个开口5，所述开口对称地布置成圆形，使得漂浮的旋转元件1的这些开口5在水面下方。开口5布置在旋转元件1上，其方式使得它们比旋转元件1的外壁的内部部分更靠近旋转元件1的旋转轴线。旋转元件1的质量通过根据由旋转元件1引起的离心力大小来填充液体和排放液体，而自主变化。

所使用的发动机2和发电机3的直径大于旋转元件1。发动机2和发电机3两者都具有旋转部件15、17和静态部件14、16。发动机2的直径与发电机3的直径相同。发动机2将能量传递到旋转元件1上，并且发电机3从旋转元件1传递能量。发动机2的静态部件14附接到人工水库的堤岸上，并且发电机3的静态部件16附接在发动机2上方，静态部件14或26分别保持发动机2的绕组18或发电机3的绕组19。发动机2的旋转部件15和发电机3的旋转部件17分别包括磁体20或21。发动机2的旋转部件15和发电机3的旋转部件17分别使用绳索22或23与旋转元件1联接。储存的电能被带到发动机2的绕组，从而引起电磁场将发动机2的旋转部件15的磁体推开。

在输送第一能量时，发动机2使旋转元件1旋转，并因此将电能变换为旋转运动。随着旋转元件1的旋转速率增加，旋转的旋转元件1内部的水被离心力推向外壁，这又在旋转元件1内部的水位与外部的水位之间产生不平等。旋转元件1内部的水的质量增加将由于旋转元件1的总质量增加，而导致旋转元件1的浸入，并且在旋转元件1内部的外壁上的水的离心效应下，旋转元件1的整体角动量也增加。当发电机3生成电能时，执行能量排放。通过发电，发电机3经由联接的绳索减慢旋转元件1。通过降低旋转能量，旋转元件1减速并且作用在旋转元件1内部的水上的离心力减小，并且水达到比旋转元件1漂浮在其上的水面更高的水位并且倾向于从旋转元件1通过开口5的自发排放来平衡这种不平等。

人工水库可以位于湖泊、坝式水库、河流、海洋或大海的底部，或者其可以放置在地面上或地面中挖掘的坑的底部处。人工水库可以被构造成使得其浮力使其能够漂浮，诸如放置在湖泊、坝式水库、河流、海洋或大海表面上，或放置在通过在地面中挖掘圆形坑产生的人工水面上的圆形船。

实施例2

飞轮储能装置被构造为包括一个旋转元件1、一个独立发动机2和一个转换器4。

旋转元件1是无轴的。旋转元件1具有环形形状(具有圆形横截面)，由LDPE(低密度聚乙烯)材料制成，其比质量低于淡水。旋转元件1漂浮在由诸如混凝土、金属板等固体材料建造的圆形人工水库的水面上。人工水库的壁表示旋转元件1的移动极限。旋转元件1是中空的，并且可以填充有液体材料。在这种情况下，所述液体材料是旋转元件1漂浮在其上的水。

开口5具有阀13并且布置在旋转元件1上，其方式使得当旋转元件1在液体上或液体中时，开口5的至少下边缘低于液体的液面。同时，开口5比旋转元件1的外壁的内部部分更靠近旋转元件1的旋转轴线。旋转元件1的质量通过根据由旋转元件1引起的离心力大小来填充和排放液体，而自主变化。

转换器4正在转换液体的流动和波动。其连接到旋转元件1。转换器4将液体能量传递到旋转元件1上，并且发电机3从旋转元件1传递能量。

转换器4正在转换风运动的能量。其连接到旋转元件1。转换器4将风运动的能量传递到旋转元件1上，并且发电机3从旋转元件1传递能量。发电机3的直径大于旋转元件1。

实施例3

飞轮储能装置被构造为包括一个旋转元件1、一个独立的发动机2和转换器4以及一个独立的发电机3。转换器4具有四个开口。飞轮储能装置具有实施例1和2的特征。

实施例4

飞轮储能装置被构造为包括一个旋转元件1、一个转换器4和一个独立发电机3。这种配置中的飞轮储能装置仅将来自转换器4的能量直接转换为旋转元件1的旋转移动，而不使用来自任何其他来源的电能来旋转旋转元件1。

实施例5

构造如图6所示的飞轮储能装置。其包括一个旋转元件1、一个独立的发动机2、连接到旋转元件25的VAWT型风转换器28、能够将旋转元件25的旋转动能转换成电能的发电机26以及一个独立的发电机3。在旋转元件1、25的底侧上布置40个水翼50。随着旋转元件1、25、的旋转速度的增加，水翼50通过其水升力导致旋转元件1、25在水位上方漂浮，并因此迅速降低水对旋转元件1、25的壁的粘性摩擦力。VAWT型风能转换器28通过风能的作用旋转旋转元件25。在这些旋转的基础上，发电机26借助绳索24产生电能，所述电能被发送到发动机2，所述发动机借助绳索24充分旋转旋转元件1，或者电能被传递到配电网络中。即使在这种情况下，发动机2也可以使用来自其他来源的能量来旋转旋转元件1。发电机3、发电机26和发动机2位于定子6上。定子6由放置在塔架27上的圆形元件形成，所述塔架附接到水库底部。

实施例6

根据实施例5构造飞轮储能装置，不同的是，发电机3和发动机2布置在旋转元件1上，发电机26布置在旋转元件25上，并且电能通过牵引线形式的汇流条在定子6上传输，例如，在电力火车的情况下。实施方案的此实施例相比于实施例5是不太优选的。

实施例7

根据实施例5和6构造飞轮储能装置，不同的是，该飞轮储能装置在天然岛周围执行，其中岛的海岸形成了锚定定子6的基础。如果所述岛具有非圆形形状，则定子6可能会干扰某些地方的水位，因此在这些地方其只能部分地紧固，或者，另选地只能紧固在海洋的尽头。发电机3、发电机26和发动机2位于定子6上。

实施例8

除了包括拉绳12之外，其与实施方案的实施例1相同。在这种情况下，静态元件6是一个浮箱，其可以是圆形的，并且可以使用防止其旋转的绳索或杆牵拉到人工或天然水库的堤岸或底部。发动机2和发电机3附接到拉绳12。拉绳12的直径大于旋转元件1的直径。

实施例9

其与实施方案的实施例3相同，但是取代拉绳12的是，具有圆形形状的浮箱包括叶片11，所述叶片定位成使得它们显著增加浮箱的粘性摩擦，从而防止浮箱的旋转。

实施例10

实施方案的进一步实施例涉及使用两个旋转元件1。其中一个比另一个大。它们放置在液体表面上，使得两个旋转元件1同心地漂浮在液体表面上并沿相反方向旋转。使用发动机2和发电机3作为单个装置即发动机/发电机来实现能量传递，所述发动机/发电机锚固在这两个旋转元件1之间。通过汇流条传递到其中一个旋转元件1上的能量导致另一个旋转元件1旋转。作用和反应定律导致另一个旋转元件1旋转。来自飞轮储能装置的能量传递由相同的二合一发动机/发电机单元提供。

储存在飞轮储能装置中的能量的量由以下等式确定：

E＝1/2m v2，

其中m是旋转元件1的质量，

v是旋转元件1的重心的圆周速度。

实施例11

实施方案的另一个实施例是漂浮的旋转元件1，其漂浮在所牵拉的漂浮的浮箱内部的水面上，并且旋转元件1承载风力涡轮机元件。漂浮的旋转元件1形成具有垂直旋转轴线的风力涡轮机的轴承。风的力量被转换成旋转元件1的旋转运动。另一方面，旋转能量通过发电机3变换为电能。

类似地，流水(河流、涨潮、退潮、洋流、水波)的力量可以使用附接到旋转元件1的水力涡轮机来转换。

实施例12

另一个使用的实施例是漂浮的旋转元件1，其漂浮在水面上，并且配有截头圆锥体侧面形状的人工浅水元件7，其优选地附接在旋转元件1的外侧，并且至少部分浸入水中且与水波能量转换器8即波浪涡轮机的元件一起放置在人工浅水元件7上。由大气风暴和风过程产生的海浪作为深水波在水面上传播，其中最高波点与最低波点之间的差异不如波浪冲击浅海岸并变为浅水波时的情况显著。当波浪撞击元件7时，使用人工浅水元件7实现这种效果，从而增加最低波点与最高波点之间的差异，这使得提高了使用转换器8的元件将波能变换为元件1的旋转运动的效率。

实施例13

另一个使用的实施例是漂浮的静态元件6，所述静态元件漂浮在水面上并承载具有光伏面板9的结构，从太阳光产生电能；漂浮的旋转元件1承载风力涡轮机元件，将风能转换成旋转元件1的旋转运动，并且承载潮汐涡轮机10元件，将涨潮和退潮的能量，或者另选地洋流或河流的能量转换成旋转元件1的旋转运动。该装置可以包括任何用于测量例如空气和水的温度、风速或水流、或其他大气和水文参数诸如CO2的量的设备。

实施例14

另一个使用的实施例是旋转元件1，其设置有四个水翼50，所述四个水翼对称地位于旋转元件1的电路周围，使得在没有旋转的情况下(离心力为零，在旋转元件1中，水量最低，旋转元件1具有最小质量并且最大程度地浮在水面之上)，这些水翼50在水面上并且不会因其对旋转元件1的浮力效应而起作用。在高转速的情况下，当足够的液体通过离心力流入旋转元件1中并且旋转元件1因其自身重量浸入使得水翼50已经与水面接触时，水翼50的水动力开始阻止旋转元件1进一步浸入水中，因此旋转元件1在水中的粘性摩擦将不再增加。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种飞轮储能装置，其包括至少一个能够在液体上或液体中漂浮和旋转的旋转元件(1)、至少一个能够将能量传递到所述旋转元件(1)上的元件以及至少一个能够从所述旋转元件(1)传递所述能量的发电机(3)，其特征在于，

-所述旋转元件(1)是无轴的；

-所述旋转元件(1)至少部分是中空的，并且至少部分可用液体填充；

-所述旋转元件(1)设置有至少一个开口(5)，所述开口布置在所述旋转元件(1)上，其方式使得当所述旋转元件(1)在液体上或液体中时，所述开口(5)的至少下边缘低于液面，同时所述开口(5)布置在所述旋转元件(1)上，其方式使得其比所述旋转元件(1)的外壁的内部部分更靠近所述旋转元件(1)的旋转轴线，从而允许所述旋转元件(1)通过根据由所述旋转元件(1)引起的离心力的大小来填充和排放液体，而自主地改变其质量。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，能够将所述能量传递到所述旋转元件(1)上的所述元件是发动机(2)。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能装置，其特征在于，能够将所述能量传递到所述旋转元件(1)上的所述元件是转换器(4)，所述转换器连接到所述旋转元件(1)，所述转换器(4)能够将所述液体的流动和/或波运动、或风运动转换成旋转元件(1)的旋转动能。

4.根据权利要求2所述的飞轮储能装置，其特征在于，其还包括：

-至少一个转换器(28)，其连接到其自身的旋转元件(25)且能够将所述液体的流动和/或波运动、或风运动转换成旋转元件(25)的旋转动能；

-发电机(26)，其连接到所述旋转元件(25)且能够将旋转元件(25)的旋转动能转换成电能。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，其还包括至少一个静态元件(6)，所述静态元件能够漂浮并且可选地包括防止旋转的叶片(11)和/或到底部和/或到堤岸的拉绳(12)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，其还包括至少一个静态元件(6)，所述静态元件不能漂浮并且放置在所述底部处和/或所述堤岸处。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述发电机(3)放置在所述旋转元件(1)上或静态元件(6)上或旱地上或水域或水库底部处，另选地，部分放置在旱地上且部分放置在所述水域或水库底部处。

8.根据权利要求2或4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述发动机(2)放置在所述旋转元件(1)上或静态元件(6)上或旱地上或所述水域或水库底部处，另选地，部分放置在旱地上且部分放置在所述水库底部处。

9.根据权利要求2、4和8中任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述发动机(2)和所述发电机(3)组合成单个发动机/发电机单元，其作为发动机(2)和发电机(3)两者操作，并且此发动机/发电机单元也作为静态元件操作。

10.根据权利要求2、4、8和9中任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述发动机(2)是线性发动机，并且所述线性发动机(2)的旋转部件(15)的磁体(20)位于所述旋转元件(1)上所述旋转元件(1)与静态元件(6)的接触平面上，并且所述线性发动机(2)的所述静态部件(14)的绕组(18)位于所述静态元件(6)上，或者所述线性发动机(2)的所述静态部件(14)的所述绕组(18)位于所述旋转元件(1)上所述旋转元件(1)与所述静态元件(6)的接触平面上，并且所述线性发动机(2)的所述旋转部件(15)的所述磁体(20)位于所述静态元件(6)上。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述旋转元件(1)还包括至少一个水翼(50)。

12.根据权利要求4所述的飞轮储能装置，其特征在于，所述旋转元件(25)还包括至少一个水翼(50)。

13.一种使用根据权利要求1至12中任一项所述的飞轮储能装置的方法，其特征在于，所述能量被累积为至少一个在液体上或在液体中漂浮和旋转的旋转元件(1)的动能。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，随着能量储存需求的增加，将至少一个可用液体材料填充的旋转元件(1)用液体材料填充，其中随着所述液体材料的量的增加，所述储能装置变得更重并因而能够储存更多能量，同时随着能量排放，将至少一个旋转元件(1)清空。