基于實踐教學(xué)的立式飛輪儲能裝置設(shè)計應(yīng)用*

趙 萌，杜 平，趙天驕，高黨尋，李 睿，林蔚然，曾 武

（1.清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084；2.清華大學(xué)物理系，北京 100084）

0 引言

2020 年的聯(lián)合國大會上，習(xí)近平主席首次提出了碳達峰和碳中和的概念，明確中國將努力爭取在2060 年前實現(xiàn)碳中和[1-3]。同時，得益于我國人工智能、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的不斷進步，以風電和光伏為代表的新能源產(chǎn)業(yè)進入了一個新的發(fā)展階段[4-5]。風電、光伏等新能源場站在我國電網(wǎng)占比和并網(wǎng)容量比例不斷提高[6-8]，將有助于推動我國供給側(cè)能源改革和建立多元化的能源供應(yīng)體系，最終實現(xiàn)碳中和的遠景目標。

為了使清潔能源發(fā)電也能夠靈活進入并網(wǎng)運行，同時減少傳統(tǒng)火電的調(diào)峰調(diào)頻壓力，使得風能和太陽能等清潔能源得到有效利用，從而進一步降低傳統(tǒng)火電比例，從而達到節(jié)能減排，減輕污染的目的，發(fā)展飛輪這一儲能密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、充放電速度快、環(huán)境適應(yīng)力強、運行壽命長和易于檢修維護的高效節(jié)能和儲能技術(shù)，將成為重中之重。

飛輪儲能技術(shù)在許多領(lǐng)域都已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，特別是在美國、日本、德國等發(fā)達國家，儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，主要應(yīng)用于UPS不間斷電源、微電網(wǎng)調(diào)頻、削峰填谷、制動動能回收、電磁彈射等多個領(lǐng)域[9-12]。

飛輪儲能裝置是一種機電能量轉(zhuǎn)換的儲能裝置，通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機，電能與高速運轉(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能的輸入、儲存和輸出過程。其設(shè)計涉及多學(xué)科，裝置設(shè)計過程復(fù)雜，包括飛輪轉(zhuǎn)子材料的選擇、飛輪最佳轉(zhuǎn)速的確定及工作空間的計算、軸承支承的選擇、軸承承載力、剛度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算、電機的選擇，以及能量轉(zhuǎn)換控制方式的分析等方面[13-14]。

傳統(tǒng)的工程實踐教學(xué)具有項目分離的特點，焊接、鑄造、車工、銑工、檢測、鉗工等內(nèi)容只是基于工種培養(yǎng)內(nèi)容進行課程教學(xué)，其能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)較為基礎(chǔ)，無法滿足高素質(zhì)人才培養(yǎng)的需求。2017 年，教育部開始部署新工科建設(shè)，對培養(yǎng)實用型、創(chuàng)新型、學(xué)科交叉型新工程人才提出了更高的要求，指出工程教育需要更深入地進行創(chuàng)新實踐和多學(xué)科交叉融合發(fā)展，需要具備較強的實用性、交叉性與綜合性[15]。

隨著國家“雙碳”目標的提出，加快建設(shè)低碳化國家、可持續(xù)發(fā)展國家，應(yīng)對發(fā)展挑戰(zhàn)，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型工程技術(shù)人才迫在眉睫，以飛輪儲能裝置這一新型機械儲能裝置設(shè)計進行實踐課程設(shè)計，利用項目驅(qū)動式的新型教學(xué)模式，可以培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐結(jié)合的能力，從而提高學(xué)生的綜合工程素養(yǎng)。

1 技術(shù)方案及設(shè)計

1.1 機械機構(gòu)設(shè)計

以能源大類專業(yè)的學(xué)生為試點對象，通過項目驅(qū)動的教學(xué)方式，有機整合現(xiàn)有金工實習(xí)中的各個工種，完成飛輪儲能系統(tǒng)的設(shè)計、加工制造和組裝調(diào)試。通過與專業(yè)背景的緊密聯(lián)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，同時建立產(chǎn)品全生命周期的概念，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高綜合素質(zhì)。

針對未央書院能源大類的暑期金工實習(xí)，設(shè)計一款立式飛輪儲能實驗裝置。具體要求如下：（1）匹配中心現(xiàn)有的加工工藝；（2）符合本科學(xué)生的加工水平；（3）滿足相關(guān)專業(yè)的教學(xué)要求。

最終的實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要分為4 部分：飛輪支撐模塊，電機支撐模塊，飛輪模塊以及控制單元，整體尺寸為450 mm×450 mm×350 mm。其中，飛輪支撐模塊使用4 根立柱進行定位及支撐；電機支撐模塊與飛輪支撐模塊類似，同樣4 根立柱通過飛輪蓋板與電機安裝板上的沉孔保證定位；飛輪模塊包括飛輪、主軸、軸承、軸承座、聯(lián)軸器以及電機。

圖1 飛輪儲能裝置總體結(jié)構(gòu)

1.2 主要設(shè)計參數(shù)

（1）總體設(shè)計。本飛輪儲能裝置設(shè)計容量0.044 W·h，質(zhì)量10.4 kg，其選用電機功率為100 W。本飛輪儲能裝置需要在電機停止供電之后，通過飛輪實現(xiàn)電流電壓的顯示以及5 W 節(jié)能燈的供電，持續(xù)時間不少于20 s。

（2）電機支撐裝置設(shè)計。保證電機與主軸之間的軸心偏差小于0.2 mm。

（3）飛輪支撐裝置設(shè)計。保證主軸軸心跳動少于0.1 mm。

（4）飛輪模塊設(shè)計。飛輪安裝于飛輪支撐裝置后，需要保證飛輪外徑跳動少于0.2 mm。

（5）飛輪控制模塊設(shè)計。控制模塊分為電機控制、發(fā)電模塊以及穩(wěn)壓模塊。

1.3 飛輪支撐模塊設(shè)計

因飛輪質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)速較高，對其轉(zhuǎn)動時同心度要求高，因此飛輪支撐模塊需要特別注意垂直度要求和定位精度要求。使用4 根立柱進行定位及支撐4 根立柱通過底板上的下沉孔以及立柱兩端的臺階進行定位，保證垂直度與位置精度。沉孔如圖2 所示，其安裝方式如圖3 所示，其中紅色圈內(nèi)的面為定位面，圓柱面負責定位位置，臺階面校準垂直度。

圖2 飛輪支撐柱沉孔

圖3 立柱安裝剖面圖

飛輪蓋板下方對應(yīng)立柱位置帶有同樣的沉孔，作用與底板上的沉孔一致。這8 個定位孔保障飛輪旋轉(zhuǎn)軸的同心度滿足設(shè)計要求。底板四角開有通孔，安裝地腳螺栓，負責整個裝置的支撐及固定，其整體安裝如圖4所示。

圖4 立柱安裝

1.4 電機支撐模塊

與飛輪支撐模塊類似，同樣通過4 根立柱支撐，飛輪蓋板上的沉孔保證4 根立柱的定位精度和垂直度能滿足要求。但因電機與主軸通過聯(lián)軸器連接，同心度要求可以稍微降低，因此考慮減輕質(zhì)量以及降低制造成本，電機安裝架上的立柱安裝位未設(shè)計沉孔，如圖5～6所示。

圖5 飛輪蓋板上電機立柱的沉孔

圖6 電機立柱安裝

電機選擇考慮如下：（1）飛輪較重，扭矩需求較大，因此選擇外轉(zhuǎn)子的類型；（2）安全問題，需要較為穩(wěn)定的控制，因此選擇有傳感器的類型；（3）飛輪轉(zhuǎn)速較高，選擇無刷電機；（4）最后需要在一定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生較高的電壓，選擇kV 值較低的電機。綜上所述，最后選擇100 W外轉(zhuǎn)子有感無刷100 kV的電機。

1.5 飛輪轉(zhuǎn)子模塊

飛輪通過兩個z3-25 脹套與主軸相連，主軸兩端通過6204軸承與飛輪支撐模塊連接。電機與主軸通過聯(lián)軸器連接。3 種轉(zhuǎn)子設(shè)計方案參數(shù)如表1所示。

表1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計方案

經(jīng)初步測試，在中心現(xiàn)有的加工工藝下，轉(zhuǎn)子的加工精度保證在0.1 mm；同時考慮到轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)下的應(yīng)力和變形，應(yīng)選擇抗拉強度較高的材料，并減小轉(zhuǎn)子半徑，降低設(shè)計轉(zhuǎn)速以保證安全；在此基礎(chǔ)之上，采用密度較大的材料，并設(shè)計轉(zhuǎn)動慣量較大的質(zhì)量分布模型，以提高儲能容量。確定正式設(shè)計參數(shù)如表2 所示，樣機結(jié)構(gòu)尺寸如圖7 所示，整體結(jié)構(gòu)剖面如圖8所示。

圖7 飛輪尺寸

圖8 整體剖面圖

表2 飛輪參數(shù)

（1）動能計算

代入數(shù)值后得，E=0.044 W·h。

（2）最高線速度

代入數(shù)值后得，v=7.9 m/s。

（3）飛輪總質(zhì)量

代入數(shù)值后得，m=10.4 kg。

（4）充能速度

當電機滿功率運行時，整個飛輪達到預(yù)定儲能需要1.6 s。

（5）強度校核

當存在偏心時，假設(shè)重心偏離軸心1 mm，則，

①轉(zhuǎn)動離心力

根據(jù)經(jīng)典轉(zhuǎn)動物體離心力計算公式，有

②軸的最大正應(yīng)力

式中：F為轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的離心力；L為轉(zhuǎn)動軸長度。

代入數(shù)值后得，σmax=14.6 MPa。

③軸的最大剪應(yīng)力

代入數(shù)值后得，τmax=0.43 MPa。

④軸的最大撓度

代入數(shù)值后得，wmax=7.7 × 10-8mm。

最后數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 飛輪強度校核

1.6 飛輪控制模塊

控制模塊主要分為電機控制、發(fā)電模塊以及穩(wěn)壓模塊。其整體如圖9所示。

圖9 控制電路PCB圖

（1）電機控制模塊

其中電機使用GD32E103芯片控制，通過全橋MOS 管實現(xiàn)無刷電機控制。其線路圖10 所示。其中MOS 管選取IRFR4510的型號，MOS管控制芯片使用AUIRS2301。

圖10 無刷電機控制電路

（2）發(fā)電模塊

發(fā)電模塊與電機控制模塊共用一個100 kV 的電機。當電機處于電動機狀態(tài)時，電機控制模塊工作，單片機通過MOS管控制芯片產(chǎn)生三路一定組合的PWM 波控制MOS 管通斷從而控制電機轉(zhuǎn)動。此時全橋整流模塊起到續(xù)流二極管的作用。當電機處于發(fā)電機狀態(tài)時，電機控制模塊所有MOS 管為關(guān)斷狀態(tài)。此時考慮電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，那么電機的反電動勢為10 V。因為產(chǎn)生的反電動勢為交流電，所以需要通過全橋整流將其變?yōu)橹绷麟姟Ｈ珮蛘魅鐖D11所示。

圖11 整流模塊電路

（3）穩(wěn)壓模塊

全橋整流模塊輸出半正弦波，需要通過穩(wěn)壓模塊將其電壓穩(wěn)定至5 V。此處購買LM2596S DC-DC 可調(diào)降壓模塊如圖12所示，輸出穩(wěn)定的5 V電壓。

圖12 DC-DC降壓顯示模塊

（4）供電路線

飛輪儲能裝置供電路線如圖13所示。

圖13 供電路線示意圖

（5）單片機配置

單片機引腳使用如圖14所示。

圖14 單片機引腳示意圖

其中PA8、PA9、PA10、PB13、PB14、PB15 為電機控制引腳，掛在TIME1 的PWM 通道0、1、2 以及其對應(yīng)的互補輸出PWM通道，其均為復(fù)用推挽輸出模式。PA1、PA2為控制開關(guān)；PA12 為看門狗，為開漏輸出模式；PB6、PB7、PB8 為電機霍爾傳感器接收引腳，為上拉輸出式。

2 試驗成果

（1）接通電源，通過電機給飛輪充電。一般情況下，飛輪從轉(zhuǎn)速為0 到預(yù)定轉(zhuǎn)速，需電機滿功率運行充電7 s（運行階段）；

（2）當飛輪裝置達到額定儲能值后保持轉(zhuǎn)速不變，即保持其儲存能量值不變（儲能過程）；

（3）當飛輪裝置斷電后，其連接的燈開始常亮照明，此時，飛輪裝置用作應(yīng)急電源（放電過程）。

3 飛輪儲能裝置實踐教學(xué)設(shè)計

3.1 理論課程

在理論教學(xué)中，主要涉及機械制造領(lǐng)域中的材料、力學(xué)、金屬加工工藝學(xué)以及焊接、鑄造、鉗工、車工、銑工、檢測等方法。因此，在理論教學(xué)中圍繞上述方法的原理、特點、應(yīng)用展開設(shè)計。同時為增強學(xué)生的工程意識，內(nèi)容設(shè)計中安排經(jīng)典工程應(yīng)用案例，如：最新航母建設(shè)中的電磁彈射裝置應(yīng)用案例、火星機器人儲能計劃項目等。此外，結(jié)合課堂思政建設(shè)，在理論設(shè)計中增加大國工匠，勞動模范優(yōu)秀事跡的植入。如此一來，使得理論頂層設(shè)計將價值塑造，能力培養(yǎng)及知識傳授的人才培養(yǎng)理念形成了三位一體的指導(dǎo)模型，有利于提升在實踐教學(xué)開展中的培養(yǎng)成效。

3.2 實踐課程

（1）整體教學(xué)方案

飛輪儲能系統(tǒng)由設(shè)計、加工制作、組裝調(diào)試3 部分組成。設(shè)計部分主要包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)子材料、軸承類型、電動發(fā)動機選型等。加工制作是比重最大的教學(xué)環(huán)節(jié)，其中地腳支架由鑄造得到，轉(zhuǎn)子和立柱由車床加工；電機蓋板和保護罩由鋼板激光切割和焊接完成；電動發(fā)動機及控制電路由智能制造單元完成；最后所有部件在鉗工完成組裝調(diào)試，如圖15所示。

圖15 工程實踐教學(xué)模塊設(shè)計

（2）探索學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)

所涉及的知識和工作量比傳統(tǒng)實習(xí)課程要大許多，學(xué)生采用組隊的形式完成項目，3 人一組，制定工作計劃和分工，培養(yǎng)團隊協(xié)作和交流溝通能力。課程同時設(shè)置開題報告、中期匯報、期末答辯等節(jié)點，考察項目進度，保證項目順利實施，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)。

4 結(jié)束語

在飛輪儲能裝置的設(shè)計中，項目以工程應(yīng)用實踐為基本出發(fā)點，緊密切合國家“碳中和”相關(guān)發(fā)展理念，聚焦新能源、新材料、高端芯片與軟件、智能制造和國家安全等關(guān)鍵領(lǐng)域，打造以飛輪儲能裝置為抓手的前沿課題。通過周密調(diào)研，謹慎論證，迭代試制，完成了研究樣機及實踐產(chǎn)品的開發(fā)。同時，通過優(yōu)化工程實踐模塊定制課程，將飛輪儲能裝置融入到清華大學(xué)實踐課程中，結(jié)合多學(xué)科專業(yè)學(xué)生參與，進一步豐富飛輪儲能裝置的更深層次研究。也為有關(guān)專業(yè)方向培養(yǎng)具有扎實數(shù)理基礎(chǔ)及實踐能力的拔尖創(chuàng)新人才創(chuàng)造了豐富教學(xué)資源。