[發明專利]一種碳納米管飛輪以及飛輪電池

在審

• 申請號: 201810036479.2
• 申請日: 2018-01-15
• 公開（公告）號: CN108258844A
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 魏飛;白云祥;張申力;申博淵;朱振興;高俊;李邦昊;岳鴻杰;王屹翀
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02;H02J15/00
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 郭俊霞

本發明公開的一種碳納米管飛輪以及飛輪電池，涉及飛輪儲能技術領域，包括飛輪盤體，所述飛輪盤體全部或者輪緣部分采用碳納米管基材質制成。碳納米管作為一維納米材料，具有重量輕、強度高的特點。當所述飛輪盤體采用了碳納米管基材質來制造的話，便可以通過碳納米管的超高強度來提高飛輪結構的環向抗拉強度,抵抗飛輪高速旋轉的時候產生的離心力，為飛輪盤體的轉速提供更高的極限數值，進而獲得更高的儲能密度和功率密度。

技術領域

本發明涉及飛輪儲能系統,尤其是涉及一種碳納米管飛輪以及飛輪電池。

背景技術

如何高效地將電能儲存起來,一直是人類社會關注的重大課題。目前商業化的儲電裝置幾乎都是各種化學蓄電池,但是它們一直無法擺脫化學電池固有的弊病能量密度小、污染大、壽命短等缺陷。因此,近年來物理儲電裝置受到了科技界的廣泛重視,其中飛輪電池(也有稱飛輪儲能裝置)由于具有比能量高、比功率大、體積小、充電快(以分鐘計,而化學電池以小時計)、壽命長、無任何廢氣廢料污染等特點顯現出了巨大的優勢

飛輪儲能系統利用電動發電兩用電機來實現充電和放電。充電時,該電機機作為電動機使用,帶動飛輪轉動放電時,該電機作為發電機使用,飛輪減速,把動能轉化為電能釋放出去。

經過對現有的飛輪的工作過程研究表明，飛輪在應用于機械能量儲存的過程中，其儲能密度是其性能的主要衡量指標。對于相同形狀的飛輪，其所能夠儲存的最大能量密度與飛輪材料的比強度成正比。儲能飛輪在高速旋轉時,承受著很大離心力,離心力在飛輪的外緣最大，所以飛輪的外邊緣的材料的比強度往往決定了飛輪電池的儲能密度。最常見的飛輪是鋼材制作的,鋼制飛輪因為材料的強度所限,其最高線速度有一個臨界值,超過臨界值時,飛輪將會開裂,而產生安全隱患。普通鋼制飛輪的線速度低、儲能密度也低，僅為39Wh/kg。為了獲取高轉速,存儲更多的能量,輕質高強度材料,例如碳纖維、玻璃纖維的復合飛輪被引入按強度與模量由飛輪內圈到外圈遞增的順序纏繞成飛輪,纖維之間填充合成樹脂作為粘結劑。目前最好的飛輪是由碳纖維T1000復合材料制成，儲能密度可以達到596Wh/kg。但是，隨著人類社會的發展，現有的飛輪已經無法滿足更高能量密度存儲裝置的需求，所以，能夠研制出一種超高存儲能量密度的飛輪，是本領域急需解決的技術問題。

發明內容

為了克服已有飛輪電池的飛輪的強度無法滿足超高速旋轉需要的不足,本發明提供一種碳納米管飛輪以及飛輪電池。

本發明提供的一種碳納米管飛輪，包括中央設置有通孔的飛輪盤體，所述飛輪盤體全部或者輪緣部分采用碳納米管材質制成。

在上述技術方案中，對所述飛輪盤體的輪緣部分進行改進，采用了全新的碳納米管基材質來制造，因為，碳納米管是迄今為止人類發現的最強的纖維材料(拉伸強度超越100GPa,比強度超過62.5GPa/(g/cm³))的特點，其拉伸強度超越碳纖維和超強鋼的數十倍，密度僅為鋼的1/6。當所述飛輪盤體采用了碳納米管基材質來制造的話，便可以通過碳納米管的超高強度來提高飛輪結構的環向抗拉強度,抵抗飛輪高速旋轉的時候產生的離心力，為飛輪盤體的轉速提供更高的極限數值，進而獲得更高的儲能密度和功率密度。

進一步的，在本發明的實施例中，所述飛輪盤體包括輪轂、輪輻和輪緣；

所述輪轂設置在所述輪緣的中央，所述輪輻連接在所述輪轂和所述輪緣之間；

所述通孔設置在所述輪轂的中央。

進一步的，在本發明的實施例中，所述輪緣包括輪緣芯和纏繞在所述輪緣芯上的碳納米管基材質。

進一步的，在本發明的實施例中，所述輪輻包括輪輻芯和纏繞在所述輪輻芯上的碳納米管基材質。

進一步的，在本發明的實施例中，所述輪轂包括輪轂芯和纏繞在所述輪轂芯上的碳納米管基材質。