[發明專利]一種基于微小非光滑表面結構的儲能飛輪減阻系統

在審

• 申請號: 202111211202.7
• 申請日: 2021-10-18
• 公開（公告）號: CN113833720A
• 公開（公告）日: 2021-12-24
• 發明（設計）人: 王星;李輝;李文;張雪輝;朱陽歷;陳海生
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所;畢節高新技術產業開發區國家能源大規模物理儲能技術研發中心
• 主分類號: F15D1/00
• 分類號: F15D1/00;H02K7/02;B41M1/30;B41M1/40
• 代理公司: 北京鍾維聯合知識產權代理有限公司 11579
• 代理人: 原春香

本發明公開了一種基于微小非光滑表面結構的儲能飛輪減阻系統，非光滑表面結構布置在儲能飛輪轉子的上端面、下端面和外壁上。非光滑表面結構分布區域根據轉子表面圓周速度大小確定；微小非光滑表面結構幾何形狀可以是溝槽型、凹坑型、凸臺型等。微小非光滑表面結構通過降低真空腔內稀薄氣體對固壁表面的摩擦力，進一步降低儲能飛輪表面流動阻力。本發明能有效減小儲能飛輪表面風阻，降低飛輪儲能裝置對真空保持系統真空度的技術要求及其能耗損失，最終有利于提高飛輪儲能裝置的能量的利用效率，可廣泛用于飛輪儲能、航空航天、交通運輸、飛輪儲能等多個領域。

技術領域

本發明屬于飛輪儲能技術領域，涉及儲能飛輪的風阻損失控制技術，具體地說是一種基于微小非光滑表面結構的儲能飛輪減阻系統。

背景技術

近年來，我國清潔能源發電比率迅速增長。隨著我國清潔能源發電比重的不斷上升，諸如風力發電、太陽能發電等受自然環境約束嚴重的清潔能源偶然性、間歇性發電方式所帶來的調峰困難，棄風問題越來越突出。為了使清潔能源發電也能靈活地進入并網運行，減少傳統火電的調峰調頻壓力，儲能技術成為重要技術手段，在眾多儲能方式中，飛輪儲能以其“儲能密度高、能量轉換效率高、充放電速度快、環境適應力強、運行壽命長和易于檢修維護”等優點得到廣泛應用。

在飛輪高速旋轉的過程中，除機械摩擦引起的能量損耗外，飛輪與腔室空間內部空氣摩擦形成的風阻損耗也不容忽視，因此現有飛輪儲能裝置大多采用真空室系統，通過降低空氣含量，在減小風阻的同時又可以保護裝置運行安全性，提高使用壽命的效果。為此，現有利用真空進行減阻的飛輪儲能裝置，其真空室系統的真空度至少保持在小于10Pa，否則真空減阻的效果將較為有限。但隨著真空度的增加，抽真空裝置技術難度增加，同時飛輪容腔內空氣含量降低，也會使傳熱系數下降，飛輪系統散熱效果惡化，導致飛輪整體溫度會上升，材料性能和系統效率下降。因此，如何在降低飛輪風阻的同時，又能保證飛輪的散熱性能，是目前真空系統與冷卻系統需要解決的問題。現有技術主要通過改進抽真空措施，來減少風阻(如中國發明專利申請CN201911326281.9)，或通過增加外罩降低飛輪本體與飛輪外殼以及飛輪外殼與裝置外殼之間的相對速度來控制風阻(如中國發明專利申請：CN201910061696.1)。為了考慮散熱效果，部分專利額外增設了冷卻裝置(如中國發明專利申請CN201911326281.9)，這增加飛輪儲能裝置的結構復雜程度，不利于成本的降低。

發明內容

為進一步降低飛輪儲能內部轉子風阻損耗，并同時兼顧飛輪儲能的散熱效果，本發明參考稀薄大氣層飛艇表面減阻結構，提供了一種基于微小非光滑表面結構的儲能飛輪減阻系統，該系統能夠降低在真空室殘余空氣的風阻，降低對真空泵的技術需求；允許少量殘余空氣，有利于換熱；無需額外設備或裝置，結構簡單，能耗少，具有加工方便、造價低等特點，具有廣闊的應用前景。

為達到上述目的，本發明的技術解決方案如下：

一種基于微小非光滑表面結構的儲能飛輪減阻系統，至少包括飛輪儲能裝置、真空保持單元、冷卻單元，其中，所述飛輪儲能裝置包括飛輪轉子、殼體、真空室、電磁軸承、電動/發電機，所述殼體的內部空間通過所述真空保持單元形成為真空室，所述殼體內產生的熱量通過所述冷卻單元散發到外部環境，所述飛輪轉子上下兩端的軸伸分別通過電磁軸承轉動支撐在所述殼體的真空室中，所述電動/發電機設置在所述飛輪轉子下端的軸伸上，其特征在于，

所述飛輪轉子的外表面上設置有微小非光滑表面結構，所述真空室的真空度保持在10Pa以下，所述微小非光滑表面結構的幾何尺寸保持在260μm以下。

本發明的基于微小非光滑表面結構的儲能飛輪減阻系統，利用飛輪表面布置的微小非光滑表面結構進行飛輪減阻，其工作原理為：微小非光滑表面結構用以減少飛輪轉置殼體內高真空度稀薄空氣對飛輪形成的風阻，減少能量損失，降低對真空保持單元的技術要求，真空室內殘留稀薄空氣還能提升飛輪儲能單元散熱效果。非光滑表面結構在稀薄空氣中減阻的機理為：在運動流場中微溝槽內部形成了漩渦，避免了流體較大面積接觸平板表面，改變近壁面區域邊界層速度場的分布，減小表面剪切應力，從而可有效的減小平板的阻力。