用于储能的飞轮的制作方法

本发明涉及到用于储能的飞轮及其制造方法。

背景技术：

本发明更特殊地应当描述为关于根据本发明所制造的具有混凝土底座但是不仅限于此的飞轮。可以选择构成飞轮的主要材料，从而使其与混凝土型的材料相似，通过这种方式具有较低成本价以及至少为25mpa的抗压强度。

按照已知方法，飞轮通过其机械旋转用于临时存储能量的装置，所述装置应用于多个领域，比如储存以及平滑化风力、太阳能型的间歇性再生能源、向隔离的地点提供电力、车辆制动的恢复能源等。

关于储存电能的其它装置，比如电池，飞轮的主要优点是几乎无限的使用寿命，意味着随着时间过去，其储能成本低于其它设备。

飞轮包括实心主体，通常被称为术语“质量”，连接到电动机的旋转轴。电动机驱动飞轮旋转，可在几分钟内乃至在几秒钟内达到非常高的旋转速度。电动机停止供电之后，已经存储了动能的飞轮的质量继续旋转，而且然后能够返回机械能，通过把电机用作发电机使所述机械能反过来转化为电能。

飞轮的质量经受的离心力对构成质量的材料产生非常高的牵引力。照此，有必要选择具有较高抗牵引力的制造材料，尤其是至少抵抗100mpa。

现今，飞轮的质量通常是由钢制成的，而且，最近几年由碳纤维制成。

但是，由于其成本高昂，尤其是由于它所含的材料，飞轮通常设置在旁边，以利于其它类型储能装置，比如电池。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种飞轮，其成本价低于现有飞轮成本价，同时仍然耐用，并且具有相同性能。

根据本发明，用于储能的飞轮，包括圆柱形质量主体，该圆柱形质量主体包括抗压强度至少为25mpa的主要材料，比如混凝土，通过纤维围绕所述主体的至少一部分外表面，构成纤维的材料的抗拉强度至少为100mpa，其中，在主体周围缠绕纤维的拉力导致压缩所述主要材料，而且，施加到纤维的拉力使得施加在质量主体的材料上的应力至少等于可接受的最大应力的一半，所述最大应力小于构成质量主体的材料的压缩屈服强度，因此质量主体的材料是预加应力的。

照此，本发明的飞轮的质量是由主要材料制成的，比如混凝土，所述主要材料非常有利于支持压缩，而且比钢或碳便宜得多。由于在质量的材料周围进行缠绕的过程中施加在纤维上的拉力，在牵引力下的纤维给予质量的材料以非常高的压缩力。质量的材料是预加应力的。

但是，混凝土绝不是用于储能飞轮的材料，因为它的抗拉强度几乎为零。通过与在拉力作用下缠绕的混凝土纤维相结合，尽管混凝土在其相对较低的抗拉强度方面存在固有缺点，本发明的飞轮仍意外地呈现较高的抗拉强度性能，即使对于非常高的旋转速度而言，亦是如此。

出人意料的是，与由混凝土制成的质量外表面相关的纤维导致对混凝土充分地预加应力，这样，产生适当的压缩力，所述压缩力与飞轮在旋转期间经受的牵引力相反。组装混凝土以及混凝土外壳与拉力下的纤维有利地产生能够抵抗牵引力的结构，所述牵引力是用于储能的飞轮要经受的牵引力。

这种飞轮结构使之能够达到远低于构成该飞轮结构的主要材料破裂风险的较高旋转速度，能够存储大量的能量。

缠绕过程中施加到纤维的拉力使得施加在质量的材料中的应力至少等于可接受的最大应力的一半，该最大应力小于构成质量的材料的压缩屈服强度。

当然，该屈服强度取决于材料。

混凝土的压缩屈服强度为25至100mpa，对于纤维强化混凝土而言，乃至跟高。

压缩屈服强度与构成飞轮的材料达到破裂的值相对应。

可接受的最大应力的意思是为了达到预定使用寿命而不得超出的最大应力，与操作循环的最小数量相对应。可接受的最大应力取决于很多因素，比如材料疲劳、循环周期、其持续时间和数量等。

可接受的最大应力总是小于压缩屈服强度。

例如，对于压缩屈服强度为200mpa的混凝土而言，为了达到10，000次循环的可接受的最大应力约为120mpa，由于缠绕纤维的拉力产生的抗压应力至少为60mpa。

更优选的是，确保采用具有较高压缩屈服强度的混凝土，并因此采用充分承载水泥的混凝土。

主要材料的厚度比由纤维制成的外壳的厚度大得多，但是后者适合于提供适当的应力。

尤其是，外壳的厚度e与圆柱形主体的直径d之间的比率e/d大于1/100，所述圆柱形主体的直径包括所述主要材料与所述外壳的厚度。

例如由混凝土制成的主体(飞轮的质量)的主要部分能只包括混凝土，或者包括纤维，比如纤维玻璃，或者乃至金属。

有利的是，作为构成飞轮的质量的主要材料的混凝土便宜，而且支持压缩。但是，本发明适用于除钢与碳纤维之外的任何材料，具有至少为25mpa的良好抗压强度，最好至少为40mpa，乃至大于80mpa，同时成本价仍然较低，尤其是成本低于€1/kg。至今，只有混凝土具有这些特性。

有利的是，纤维在拉力作用下构成外壳，该外壳至少覆盖主体的圆柱形外表面，而且可能还覆盖圆柱形主体的两端底座。

纤维最好是玻璃纤维，可与聚合材料相结合，例如，由聚酯或者环氧树脂制成，构成纤维的涂层。最好在纤维上以及纤维之间进行纤维缠绕之后沉积聚合材料。

玻璃纤维的优点是较轻，而且使之能够优化飞轮的转速。

作为选择，纤维可由碳或钢制成。

构成纤维的材料具有较高的抗拉强度，至少为100mpa。

有利的是，构成纤维的材料的杨氏模量接近构成主体(混凝土)的主要材料的杨氏模量，或者尤其是小于100gpa，以至于在飞轮旋转过程中，纤维随着混凝土变形。

构成纤维的材料具有低密度，尤其是小于4，一直到较高的旋转速度，从而确保其压缩飞轮主体的功能。

在一个可选实施例中，飞轮的主体包括设置在混凝土与主体外的纤维之间的界面层。

在纤维由玻璃制成的情况下，例如由无碱玻璃制成，其优点是在成本方面节省。在采用无碱玻璃的情况下，优选的是在混凝土与无碱玻璃纤维之间设置界面层，例如该界面层由纤维制成，尤其是与无碱玻璃分开的玻璃。作为选择，界面层可由另一种材料制成，比如涂漆层。

最好，出于成本原因，不采用碳纤维作为纤维。

纤维是长纤维，而且来自于在拉力作用下缠绕在由主要材料制成的主体周围的一条或多条线。

在一个实施例中，主体是圆柱形且中空的，并且包括附加材料，所述附加材料覆盖圆柱形主体的内壁，尤其是，该材料由钢制成。例如，该附加材料来自于由钢制成的导管或圆筒，围绕所述导管或圆筒模塑了主要材料。

飞轮的主体是圆柱形的，纤维覆盖整个圆柱形外表面，并且可覆盖圆柱形主体的两端底座。

有利的是，按照与主体相切的方向把纤维缠绕在圆柱形表面上，相对于主体纵轴形成一定角度(即按照螺旋式)，尤其是介于10至90°之间的角度，最好按照相对于主体纵轴90°或者接近90°的角度。

缠绕包括多层，从而使外壳具有一定厚度。各层可包括约呈90°的缠绕，于是，缠绕具有单独的角度，例如45°。尤其是，在覆盖两端底座的情况下，纤维外壳包括按照约为90°缠绕在圆柱形表面上的纤维的厚度以及按照45°缠绕覆盖圆柱形表面和末端底座的附加厚度。

根据另一个特征，飞轮的主体为圆柱形，并且包括沿着圆柱形主体的纵轴延伸的中心孔。为了在使用位置旋转飞轮的目的而紧固飞轮，飞轮包括适合于紧固和定中心的两个装置，比如轮毂，所述轮毂是刚性的，使中心孔分别在圆柱形主体的两个末端底座。

在一个可选实施例中，飞轮的主体是圆柱形的，而且是实心的，包括与所述主体成为一体的中心轴，轴专用于紧固飞轮，以便使用所述飞轮。

在一个替换方案中，飞轮的主体是圆柱形且实心的，而且是均质的，包括在每个远端底座上的紧固装置，所述紧固装置用于安装飞轮，并且出于使用飞轮的目的而将飞轮定中心。该装置设置在圆柱形主体的末端底座的中心。整个主体是实心的，没有内腔。例如，每一个末端底座都包括一个中心轴节，所述中心轴节用于为了使用飞轮而容纳紧固飞轮的装置。例如，每个紧固装置都是由轮毂或轴组成的。

紧固装置具有与飞轮的主体配合的底座，纤维设置在圆柱形主体的远端底座上，从而覆盖主要材料，并且包围紧固装置的底座，使其与飞轮的主体成为一体。另外可以通过胶合或者通过狭窄啮合实现所述装置的关联性，并且在飞轮主体为中空的情况下，将其调整到飞轮主体中，或者在飞轮为实心的情况下，在飞轮的主体(中心轴节)的突出部分上对其进行调整。

本发明还涉及到制造本发明的飞轮的方法。

所述方法包括通过模塑制造飞轮的主体的步骤，然后，在使所述材料硬化之后，所述方法包括在拉力下对纤维进行纤维缠绕的步骤，可随后进行用聚物树脂浸渍所述纤维的步骤。

在用于紧固和旋转的装置与飞轮的主体成为一体的情况下，该装置包括与所述主体成为一体的底座，该方法包括在缠绕之前定位零件底座的飞轮主体的末端底座的步骤，在该步骤之后，在由主要材料制成的整个圆柱形主体上进行缠绕，包括在所述主体的末端底座上，并且围绕每部分的底座。

就此而论，飞轮可以用在储能系统/装置中。储能装置包括电机，可将该电机逆转为发电机并安装在外壳中，特征在于，它包括本发明的飞轮，使飞轮与电机相关联，由电机驱动，并由滑动轴承引导其旋转。

在其余说明中，关于飞轮的主体的术语“外”的意思是面对飞轮外部环境的部分，即在正常安装飞轮的框架中与电机轴相对并面对保护外壳设置的部分。

附图说明

现在利用仅出于阐释性目的，而绝非限制本发明范围的实例，并利用附图对本发明进行说明，在附图中：

-图1显示了根据本发明的飞轮的一个实施例的透视图，飞轮是中空的；

-图2显示了包括图1的飞轮的储能装置的纵向横截面图；

-图3是图1的飞轮的一个可选实施例的局部横截面图；

-图4是图1的飞轮的另一个可选实施例的局部纵向横截面图；

-图5是图4的飞轮的透视图；

-图6是飞轮的另一个实施例的纵向横截面图，飞轮是实心的；

-图7是飞轮一个可选实施例的局部纵向横截面图，其飞轮也是实心的；

-图8是图7的飞轮的透视图；

-图9是按照飞轮的圆周速度的主体中的应力变化曲线；

-图10是飞轮以及紧固飞轮中心轴的装置的局部图解横截面图。

具体实施方式

图1中显示的本发明的飞轮1具有圆柱形主体，具有纵轴x。

关于图2，飞轮1用于储能装置2。

储能装置2包括封闭外壳3中的飞轮1、由定子40和转子41构成的电动机/发电电动机4，转子41安装在飞轮1上，定子40安装在固定轴5上。

轴52是中空的，以便电机的电力电缆5a能够穿过。

轴52在其每个末端承载一个滚珠轴承，分别标为50和51。

在图1和图2中所示的示例实施例中，如图3和图4的替代方案中所示，飞轮1是中空的。轴5按照其长度在中心穿过纵向的飞轮主体。

飞轮1通过连接和紧固件6由其两个相对的远端10和11连接到轴5，更准确地说，连接到滚珠轴承50和51。例如，所述连接件6是分别连接到飞轮末端10和11的两个轮毂，并且分别与两个轴承50和51配合。

如下文中可见，两个轮毂6与飞轮1的主体成为一体，更具体而言，与飞轮的圆柱形的主体的两端底座10和11成为一体。

最后，可将磁铁7安装到轴5上，在下端轮毂6(处于飞轮的垂直安装位置)上形成与飞轮重量相等的吸引力，以便抵消在每个轴承上施加的轴向力。如此设置使之能够利用尺寸较小的轴承经受较高的旋转速度。

根据本发明，关于图1和图2，飞轮1的主体包括由被称为飞轮主要材料制成的质量12，例如由混凝土制成，还包括由在拉力作用下缠绕并引起质量12上的压缩力的纤维14制成的外壳13。

由混凝土制成的质量12是通过模塑制造的。通过在拉力作用下围绕质量12缠绕纤维得到外壳13，以便所述质量12静止时，即飞轮不旋转时，在所述质量12上产生压应力。

就此，对质量12的材料预加应力。

缠绕期间施加到纤维14的拉力使得施加在质量12的材料上的应力至少等于可接受的最大应力的一半，该最大应力小于构成质量12的材料的压缩屈服强度。

当然，该屈服应力取决于材料。对于混凝土而言，可理解为，采用具有较高压缩屈服强度的混凝土，因此，采用充分承载水泥的混凝土。

混凝土12的(径向)厚度比纤维外壳13的厚度大得多，所述纤维外壳的厚度足以提供适当的应力。

尤其是，外壳13的厚度“e”与圆柱形主体的直径“d”之间的比率e/d大于1/100，所述圆柱形主体的直径包括所述主要部分12的材料与所述外壳13的厚度。

最好，比率e/d小于1/10。

在飞轮是中空的情况下，质量12是环形的。有利的是，在质量由混凝土制成的情况下，适合使环形混凝土的厚度至少为飞轮的圆柱形主体的半径的一半，从而使该便宜的材料为了最大程度地储能而具有最大质量。

根据本发明，例如，纤维14由玻璃制成。

至少在飞轮主体的圆柱形表面上进行缠绕。

图1的实施例是具有中空主体的飞轮。纤维设置在整个圆柱形表面上，末端底座10和11除外。

质量12是由单一材料制成的，比如混凝土。当然，该材料可载有纤维。

在图3的可选实施例中，与图1中飞轮相似的中空飞轮1进一步包括附加材料15，所述附加材料15形成圆柱形主体的内壁。有利的是，该材料通过纤维14对质量12的缠绕提供阻力，由此达到进一步增加关于制成飞轮的主要材料12(混凝土)的压应力的效果。

例如，材料15是钢。尤其是，由钢制成的内壁是由导管16构成的，在模塑混凝土过程中所述导管16与混凝土制成一体。

图4和图5中所示的可选实施例与中空飞轮相对应，通过纤维14的纤维缠绕17覆盖所述中空飞轮的末端底座10和11(仅有底座10可见)。纤维缠绕17在主体的圆柱形表面上形成第二个外壳，所述第二个外壳覆盖第一个外壳13。

底座10和11也被包围着，从而使飞轮与连接和紧固件6成为整体。图4和图5只显示了其中一个底座10，因为另一底座是相同的。在此通过纤维缠绕17把形成轮毂的部件6保持在圆柱形主体的末端底座10的中空中心部分上。

部件6具有与纤维缠绕17成为一体的底座60。只有轮毂的孔口61未被纤维覆盖(图5)，以便为了稍后把飞轮安装在轴5和/或滚珠轴承50或51上而使所述轮毂孔口可见并且可以接近。

在飞轮质量12的另一个实施例中，所述飞轮不是中空的，而是实心的。

就此而论，图6显示了实心飞轮，包括混凝土12以及纤维外壳13。为了把飞轮安装在储存装置1a中，飞轮1与轴52相结合，所述轴延伸到末端底座10和11以外。轴52与图2的轴5的功能相同。在通过模塑质量12进行制造的过程中，使轴52与飞轮的主体成为一体，将轴52放在浇筑混凝土的模具中。

图7和图8的替换方案也显示了实心主体。与图6相比，首选该替换方案，因为随着时间推移，图6的方案存在轴5脱离混凝土的风险。

在这个替换方案中，飞轮的主体12是均质的，也就是，除了构成飞轮主体的主要材料外，飞轮主体不含任何其它材料。这样，主体中的应力基本保持不变，同时增加接近异质性，比如空穴材料或刚性材料。因此，可以使实心均质飞轮比空心飞轮旋转更快，或者比实心异质飞轮旋转更快，因此最终在其中存储更多能量。

在图7和图8的实例中，末端底座10和11(仅底座10可见)上的质量主体12包括通过模塑制成的中心轴节18。该轴节18通过相互配合容纳紧固装置6比如轴，使所述装置的底座60增加轴节周围的相互啮合。可以通过胶合组装紧固装置6。由于覆盖末端底座10的纤维缠绕17，所述装置6与飞轮的主体成为一体。

取代轴节18，可(在模塑过程中)将中心盲孔放置在圆筒的底座中，从而设置紧固装置。但是，最好避免混凝土中有任何空腔，从而不产生任何附加应力。

例如，本发明的飞轮具有以下特征：

按照图7和图8的结构，飞轮1是实心的圆柱形的。

-主要材料由混凝土制成，混凝土的压缩屈服强度为100mpa。

-圆筒直径为0.6m。

-其长度(高度)为2m。

-其质量为1.4t。

-由玻璃纤维制成的外壳13厚度为12mm。

-玻璃纤维的质量为0.11t，比混凝土的质量少得多。

-按照相对于圆筒纵轴呈90°的角度在拉力作用下缠绕玻璃纤维，所述拉力产生1500mpa的应力。

-混凝土的预应力(压缩力)为-50mpa。

-飞轮旋转可达7700rpm，在该速度下，混凝土中的预应力变为零。然后，存储的能量为23mj或6.4kwh。

根据本发明的一个可选实施例，在模塑混凝土(称为形成飞轮的主体)之前制成由纤维制成的外壳。在由纤维构成的外壳内模塑混凝土的过程中得到混凝土的预应力。例如，在混凝土凝固/固化的整个过程中，液态混凝土经受非常高的压力(约等于其压缩屈服强度)。

按照这种可选方法：

-通过最低缠绕拉力把纤维缠绕在芯轴上，所述缠绕拉力相当于约为数mpa的应力，以便防止其滑动或者将其保持在芯轴外表面上；

-通过树脂(可聚合或者热固性或热塑性树脂)组装纤维，从而形成圆柱形外壳；

-树脂硬化或聚合之后，移除芯轴；

-把通过树脂组装的纤维界定的管子放入模具中；

-把混凝土在高压下注入管子的内部空间，所述压力能够在纤维中形成拉力；压力足够高，以便能够把混凝土的自然收缩现象考虑在内；在模塑过程中，混凝土的这种压力在纤维中产生拉力，所述拉力大于运行所需的拉力；在混凝土凝固所需的时间内保持该压力。

我们还可以采用被称为“膨胀混凝土”的混凝土，所述膨胀混凝土具有凝固时体积增加的特性。

图9描述了按照飞轮的圆周旋转速度的主体中的应力变化曲线。

曲线1是指由传统钢筋混凝土制成的飞轮，而曲线2是指根据本发明由烧结混凝土制成的飞轮。

水平虚线界定了使用混凝土的范围，并且分别相当于：

-应力值σt，为可接受的最大牵引力，约为数mpa；

-应力值σc，为可接受的最大应力，约为几十mpa。

由于离心力，应力“σ”随着飞轮的圆周速度“v”的平方增加：因此，曲线σ＝f(v)是抛物线。

对于传统混凝土制成的飞轮主体(曲线1)，初始应力(因此，圆周速度为零时，即v＝0)为零。达到较低旋转速度(标为v1，约为数十千米每小时)的极限σt。因此，混凝土中的储能量非常低。

对于由本发明的混凝土与预应力纤维(曲线2)相结合制成飞轮主体，通过缠绕纤维施加的压缩力使初始应力接近可接受的最大应力。这样的结果是达到较高旋转速度(标为v2，约为几百千米每小时)的极限σt。就此而论，混凝土中的储能量非常高。

图10显示了在结构上紧固具有中心轴5的图6中的飞轮10的模式的详细视图。只显示了飞轮的上端部分，因为下端部分是相同的。

轴5的上端52延伸到飞轮上表面之外。环形凸缘20集中在端部52，并靠在飞轮主体12的上表面。

转向飞轮的法兰下部包括靠在主体12上的中心环形部分20a以及(通过远离飞轮)通过肩部20c向上偏置的外部环形部分20b。

螺母21与轴的端部52的螺纹端配合，并靠在中心环形槽22上，设置在法兰20的上表面上。

如此紧固的替换方案具有多个优点。拧紧螺母21使由钢制成的轴52处于牵引力中，并且使由混凝土制成的主体12处于压缩力中，这是每种材料的首选工作模式。这包括按照轴向对飞轮预加应力，由此使其鲁棒性极好。另外，法兰20有助于操作飞轮所需的操作：处理、平衡、磁悬浮、轴承紧固、轴向紧固等。

因此，本发明，由于飞轮质量的主要材料通过在拉力下缠绕纤维而预加应力，所以使之能够压缩所述材料，以至于能够在达到材料断裂之前达到较高的旋转速度，这特别有利于储存大量的能量。尤其是主要材料为混凝土，其成本价较低，并且抗压。