大容量持續彈性變形儲能技術研究

摘要：針對機械儲能問題，研究了一種基于彈性變形的大容量持續彈性變形儲能技術。設計了可實現這一目標的傳動及控制機構。該機構通過同步兩個不同半徑繞線輪的轉速，或固定轉速比的兩個相同半徑繞線輪，實現纏繞在兩個同步輪上的可彈性變形拉線的持續彈性變形，進而在彈性線收放過程中實現能量的連續儲能與釋放。在儲能過程中，將外界輸入的機械能轉化為彈性拉線伸長的彈性勢能；在釋放能量時，彈性拉線變形回復，進而釋放其儲存的彈性勢能。相比傳統的機械儲能技術，該大容量持續彈性變形儲能技術具有結構設計簡潔緊湊，單位體積內儲能密度高，系統響應速度快，制造與維護成本低、可持續性強等優勢。研究成果可為風、光等可再生能源的收集提供技術支持，并能發揮電力系統調頻調峰、緊急備用等功能。

關鍵詞：彈性變形儲能技術；儲能與釋放；機械儲能；儲能密度

中圖分類號：TK02 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202505003 文章編號：0253-987X（2025）05-0023-07

Research on Large-Capacity Continuous Elastic Deformation

Energy Storage Technology

HAO Xiaoyu^1，2， ZHANG Yanming^1，2， ZUO Hong^1，2， LI Qun^1，2， HOU Junling^1，2

（1. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. School of Aerospace Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：In the field of mechanical energy storage， a large-capacity continuous elastic deformation energy storage technology based on elastic deformation has been researched. A drive and control mechanism capable of achieving this objective was designed. This mechanism facilitates the continuous elastic deformation of the tensile line wound around two synchronized pulleys by either synchronizing the rotational speeds of two pulleys with different radii or utilizing two identical pulleys with a fixed speed ratio. Consequently， this allows for the ongoing storage and release of energy during the extension and retraction of the elastic line. During the energy storage process， mechanical energy input from the external environment is converted into elastic potential energy through the elongation of the elastic line. Conversely， when energy is released， the elastic line undergoes deformation recovery， thus releasing its stored elastic potential energy. In comparison to traditional mechanical energy storage technologies， this large-capacity continuous elastic deformation energy storage system boasts several advantages： a compact and straightforward structural design， high energy density per unit volume， rapid system response times， low manufacturing and maintenance costs， and sustainability. The research findings provide technical support for the collection of renewable energy sources such as wind and solar power， while also enhancing power system functions like frequency regulation， peak shaving， and emergency backup capabilities.

Keywords：elastic deformation energy storage technology; mechanisms of storage and release; mechanical energy storage; energy density

能源問題是事關國家發展和安全的戰略必爭領域^［1-2］。低碳技術創新與顛覆性能源技術的突破是推動能源革命與工業革命、落實我國2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和目標中關鍵的核心動力。隨著能源需求的不斷增加，環保且可持續的可再生能源快速發展^［3-7］，標志著能源結構的重大轉型。然而，可再生能源的間歇性和波動性給電力系統的穩定運行帶來了新的挑戰，使得儲能技術重要性日益凸顯^［8-9］。

目前，儲能技術在風力發電、光伏發電、不間斷電源（UPS）、電動汽車、航天航空、電力調峰調頻等領域廣泛應用^［10-15］。現有的機械儲能技術因其不夠成熟，還都沒有獲得廣泛的應用。例如：抽水蓄能^［16］對場地選取要求較嚴格，既要控制上下水庫的距離，又要控制上下水庫的高度差，此外其投資成本高、回報周期長、經濟效益低；飛輪儲能^［17］的自放電率高，能量長時間儲存會自行耗盡，而且高速旋轉的飛輪，對材料的要求非常高，危險系數大且存在安全隱患；壓縮空氣儲能^［18］的系統復雜，而且受地域影響非常大；重力儲能^［19］投資高且占地面積多。諸如此類的技術，底層邏輯其實都基于材料的彈性變形，因此研究可實現持續變形的儲能技術，避免其對環境、地域及空間等的依賴，是極具吸引力的。

在機械彈性儲能領域，國內外許多專家學者已開展了相關研究。單文澤等^［20］使用平面蝸卷彈簧作為儲能介質，以飛輪作為能量載體，對能量的釋放和回收進行了仿真分析，研究了蝸簧和飛輪初始速度對能量回收效率的影響。劉美嬌^［21］以最大化儲能密度為目標，對蝸卷彈簧進行了優化設計，并通過動力學仿真分析驗證了優化結果。Carpino等^［22］提出以蝸卷彈簧作為彈性驅動柔性系統的基本組件，利用蝸簧作為能量緩沖器來模擬機器人腿部的運動過程。湯敬秋^［23］提出了一種以大型蝸卷彈簧為核心的機械彈性儲能系統設計方案。華北電力大學機械彈性儲能技術團隊提出了機械彈性儲能技術^［24-25］，該技術采用大型平面蝸卷彈簧作為彈性儲能介質進行儲能。理論上，蝸簧技術中的蝸簧變形與飛輪變形類似，其變形在材料中呈梯度分布，并未實現材料的完全變形，儲能效率大打折扣。

本文通過研究實現彈性線的逐步持續彈性變形，可將輸入的能量以彈性勢能的形式持續儲存在變形拉線中，釋放能量過程則是彈性拉線逐步彈性變形回復，將儲存的彈性勢能轉變為所需的能量形式輸出。該大容量持續彈性變形儲能技術具有儲能容量大（主要取決于所選擇彈性拉線的彈性變形能力及長度）、儲能密度高、響應速度快、機械結構簡單、安全性可靠、經濟實用性強、不對環境造成污染、而且不受地理條件和外部環境影響的特點。

1 大容量持續彈性變形儲能結構及原理1.1 技術構成及實施方案

為實現大容量可持續變形，本文設計了相應的機械結構。包括主繞線輪、輔助卷線輪、彈性拉線、主動同步輪、從動同步輪、同步帶、轉動軸、軸承、鎖死裝置及結構框架等。該機械彈性儲能結構的連接及裝配如下：主繞線輪同軸套接在轉動軸上，轉動軸上還同軸固接有主動同步輪；輔助卷線輪同軸套接在另一根轉動軸上，轉動軸上還同軸固接有從動同步輪；主動同步輪與從動同步輪通過同步帶配合傳動；主繞線輪與輔助卷線輪之間通過彈性拉線連接，彈性拉線的一端纏繞在主繞線輪上，另一端纏繞在輔助卷線輪上；結構框架通過軸承與轉動軸連接。所設計的機械結構可采用同步兩個不同半徑的繞線輪轉速或固定轉速比的兩個相同半徑繞線輪進行，下文中通過固定轉速比的兩個相同半徑繞線輪方案舉例介紹。

結構儲能原理如下：采用兩個半徑不同的同步輪，在同步帶的約束下，通過角速度相同，線速度不同的設計，使兩個繞線輪拉線速度點強制差異，實現彈性拉線的變形及彈性勢能的儲存。該裝置的鎖死功能通過可逆電機實現，在裝置進行儲能時，電機處于正轉狀態，利用機械運動將能量轉化為彈性勢能進行儲存；當需要釋放能量時，電機則反轉，將儲存的彈性勢能轉化為機械能并向外輸出。這樣一來，所設計的機械結構不僅能夠有效完成能量的儲存與釋放過程，還可以通過電機的可逆特性在兩者之間靈活切換，從而實現能量的高效管理和鎖死控制。圖1和圖2分別給出本技術的二維和三維原理結構示意圖。

本文提出的儲能技術的基本構成及運行原理，如圖3所示。

1.2 工作原理

本研究設計的機械結構工作原理是：對一條（或一組）輕質高彈性拉線進行拉伸并纏繞于主繞線輪上實現能量儲存，通過與該繞線輪同角速度輔助卷線輪的收線，實現所儲存能量的連續釋放。設計的大容量持續彈性變形儲能技術的機械結構如圖4所示。

該機械結構中：主繞線輪和輔助卷線輪采用結構框架進行并排固定，主繞線輪與輔助卷線輪的轉速通過同軸固接的一對同步帶輪所限制；彈性拉線的一端纏繞在主繞線輪上，另一端纏繞在輔助卷線輪上。

當外界輸入能量時，即儲能過程：通過轉動軸驅動主繞線輪，使彈性拉線自輔助卷線輪纏向主繞線輪，彈性拉線由于同步帶半徑的差異，在運行過程中逐漸被拉伸，產生彈性伸長變形，進而儲存能量，以此持續進行，可不斷儲存能量；當彈性拉線在主繞線輪纏繞多圈后，后續的彈性拉線可疊壓于前面已纏繞的彈性拉線上，進而形成自鎖，其后纏繞的主動力矩趨于穩定。當向外輸出能量時，即放能做功過程：松開鎖死裝置，由伸長變形后彈性拉線上的張緊力驅動主繞線輪逆向轉動，在此過程中彈性拉線的變形回復，并自主繞線輪纏向輔助卷線輪，彈性拉線儲存的能量穩定釋放。該裝置的鎖死功能依賴于可逆電機的運作，如圖4（b）所示。具體實現鎖死功能是通過電機的正反轉切換，該電機能夠靈活實現能量的存儲和釋放，確保在鎖死狀態下的穩定性和能量傳遞的有效性。當裝置儲能時，電機通過正向旋轉將機械能轉化為彈性勢能，并將其儲存；當裝置需要釋放能量時，電機反向旋轉，將彈性勢能轉化為電能并輸出。

本文儲能技術中，彈性拉線的單位長度內能量儲存量由材料性能與同步輪半徑之比決定。總儲存能量的大小可以通過選擇彈性拉線的長度、根數以及相應的機械結構進行串聯組合，實現更大范圍的能量存儲能力，從而在不同行業和場景下提供靈活的解決方案。這種設計可有效優化能量存儲的效率與靈活性，從而滿足不同應用需求。

2 大容量持續彈性變形儲能技術儲能性能

大容量持續彈性變形儲能技術的儲能容量可按如下方法計算。當外界輸入的能量使轉動軸轉動、轉動軸帶動主繞線輪運轉時，彈性拉線從輔助卷線輪纏繞向主繞線輪，彈性拉線產生伸長變形，輸入的能量轉化為機械能，再轉化成彈性勢能儲存在伸長變形的彈性拉線中，彈性拉線在伸長變形條件下所做的功即可認為是彈性拉線的理論儲能容量。理論儲能容量為

W=∫^Δ₀FdΔ（1）

式中：F為廣義力；Δ為與力對應的位移。

一般情況下，彈性拉線按照線彈性理論進行假設，此時單位體積的彈性體變形能，即應變能密度為

w=12σε=12Eε²（2）

式中：E為材料的彈性模量；σ為材料的應力；ε為材料的應變。

為了能夠提升儲能密度，一般會選用由天然橡膠或者合成橡膠制成的材料，這些材料通常具有超彈性的特性，在大應變范圍內具有顯著的非線性趨勢。Ogden模型能夠較好地描述橡膠材料在大變形情況下的非線性應力-應變關系。該模型的應變能密度表達式為

w=∑Ni=1μ_iα_i（λ^α_i1+λ^α_i2+λ^α_i3－3）（3）

式中：N為使用的項數（通常取N=1，2，3）；μ_i和α_i為材料參數；λ₁、λ₂、λ₃為主伸長比。

此時，質量能量密度為

ρ₀=wVm=wVρV（4）

式中：ρ為彈性拉線材料的密度；V為彈性拉線體積；m為儲能系統的質量。

下述算例中使用的高彈性拉線為橡皮筋，橡皮筋總長度取5 km，密度取950 kg/m³。算例1橡皮筋的伸長變形為原長的5倍，采用真實應變，并利用線彈性的應變能密度進行計算；算例2橡皮筋的伸長變形為原長的10倍，同樣采用真實應變，并利用線彈性的應變能密度進行計算。由于實際的彈性拉線材料一般具有超彈性，因此算例3、4利用Ogden模型的應變能密度進行計算，其中N=1，μ_i=700 MPa，α_i=2。算例3橡皮筋的伸長變形為原長的5倍，采用真實應變，并利用Ogden模型的應變能密度進行計算；算例4橡皮筋的伸長變形為原長的10倍，應變值同樣采用真實應變，并利用Ogden模型的應變能密度進行計算。

算例1～4的儲能密度與現有物理儲能密度對比如表1所示。

通過表1的對比可以看出，本儲能技術在同類型的物理儲能技術中能量密度相對較高且容量較大。由于本技術是將外界輸入的能量以機械能的形式從轉動軸輸入，以驅動兩個繞線輪轉動進而使彈性拉線自輔助卷線輪繞向主繞線輪，而釋放過程同樣是被拉緊的彈性拉線自主繞線輪釋放迅速纏繞向輔助卷線輪。在此過程中，能量得到釋放，儲存的彈性勢能迅速轉化機械能向外輸出變為電能，且機械能向電能的轉化可以瞬間完成。后續可以進一步的優化外部的機械結構框架以及繞線輪的旋轉問題，將整個裝置的摩擦阻力減至最小的狀態。

這一技術以彈性勢能的形式儲存能量，通過兩個繞線輪的轉動所帶來的周長差使彈性拉線處于變形伸長的狀態，彈性拉線在儲能時層層疊壓形成自鎖，且彈性勢能和機械能都屬于高級的能量形式，基本不會發生自放電。無論輸入的能量是電能、動能或者其他形式的能量，都被轉換成機械能通過轉動軸帶動繞線輪運轉，將能量儲存在發生伸長變形的彈性拉線中，以彈性勢能的形式儲存在儲能室；釋能時兩個繞線輪反轉，將能量轉遞給發電機轉化成用戶側所需要的能量形式。

本文儲能技術在不產生任何污染的情況下，契合國家綠色可持續發展的戰略目標。本技術還具有機械結構簡單，開發成本低等特點。此外，采用高彈性拉線可實現儲能容量擴大，同時能夠提升儲能密度。

3 關鍵技術問題分析

3.1 機械結構中轉速比控制

因兩繞線輪有多種組合方案，且在初始階段先將彈性拉線纏繞在輔助卷線輪上，隨纏繞圈數的增加，輔助卷線輪上彈性拉線的半徑逐漸增大。在進行儲能過程時，彈性拉線從輔助卷線輪繞向主繞線輪，在開始時主繞線輪上無彈性拉線，此時對應關系為輔助卷線輪是大半徑狀態，主繞線輪是小半徑狀態。隨著儲能過程的進行，兩輪上的彈性拉線半徑比例逐漸發生變化，輔助卷線輪上彈性拉線的半徑逐漸減小，而主繞線輪上彈性拉線的半徑逐漸增大，導致最初設置的速比發生極大的變化，從而不能按照預設的伸長比進行儲能。

本文解決方案如下。

（1）設計專用變速器。將同步輪設計成多級變速器，即多種齒輪副，當輔助卷線輪上卷滿彈性拉線且主繞線輪剛準備進入儲能工作狀態時，兩輪半徑比例正是預設比例。隨著主繞線輪的轉動，彈性拉線逐漸從輔助卷線輪繞向主繞線輪，變速器實時調整比例，以保證兩輪速比與預設值保持一致。

（2）采用可變直徑的旋轉軸。將機械結構中的旋轉軸設計成直徑可變換的旋轉軸，當儲能裝置處于預儲能狀態時，兩旋轉軸之比正是儲能裝置預設之比，隨著主繞線輪進行儲能工作過程，主繞線輪所對應的直徑可變軸受到徑向壓力，該軸直徑隨著壓力的變化自動調整，以確保兩輪速比與預設狀態相同，同時直徑可變軸的內部結構也可進行能量存儲，如圖5所示。儲能過程結束時，輔助卷線輪所套接的直徑可變軸，直徑恢復到初始狀態，以確保兩輪在釋能過程時，速比與預設狀態一致。

3.2 彈性拉線排線問題

因本儲能技術的總儲能容量主要依靠彈性拉線的伸長量和材料屬性，所以在大型設備的應用場景下，需要長達數千米的彈性拉線進行儲能。彈性拉線長度較長時容易引起排線混亂，上下層疊壓等問題。

本文解決方案如下。

（1）設置排線裝置。由于彈性拉線長度較長時容易引起排線混亂，上下層疊壓等問題。因此，設計特定的排線裝置，通過變速以及絲杠運動進行排線，保證彈性拉線不亂竄，規律排布；或將彈性拉線置于槽中，隨著機械結構的移動，穩定將彈性拉線排布在繞線輪上。

（2）采用定制形狀彈性拉線，并設計拉伸槽位，如圖6所示。使用與拉伸槽位匹配形狀的彈性拉線，以其寬度設置槽位寬度，每個槽中放置一根彈性拉線，由于其形狀貼合，拉線疊壓后就會產生自鎖，并可同時設置多個槽位。

3.3 裝置監測及壽命問題

彈性拉線若長期處于循環拉伸的工作狀態下，易造成材料損傷、斷裂。

本文解決方案如下。

采用在線監測系統，實時監測彈性拉線的健康情況，對其表面定期涂抹特殊潤滑劑。利用數字圖像相關法，在能觀測到彈性材料的位置，架設高速相機，拍攝被測材料表面的圖像。圖像經過軟件進行處理后，識別表面的特征點，通過比較特征點在變形前后的位置變化，可以計算得出每個像素點的位移以及形變信息來判斷彈性拉線的狀態^［26-27］。另一種方法是采用光柵光纖應變測量法，由于光柵光纖受到外界應變時，折射率會發生變化，從而引起光波的特性發生變化，進而判斷彈性拉線的狀態^［28-30］。將上述所采集數據通過局域網、藍牙等上傳至健康監測系統中進行實時監測與分析，可以提前預測彈性拉線壽命及出現疲勞及損傷的位置。

4 結 論

本文提出了一種基于彈性變形的大容量持續彈性變形儲能技術，并設計了相應的機械結構以實現該技術。該機械結構通過控制兩個相同半徑繞線輪的轉速比或同步兩個半徑不同繞線輪的轉速，能夠有效實現彈性拉線的持續變形。在本研究中，通過設計不同半徑的同步輪，使得兩個繞線輪具有不同的線速度，從而在彈性拉線由輔助卷線輪纏繞至主繞線輪的過程中，產生與周長差相當的變形。這一過程以彈性勢能的形式實現了能量的連續存儲與釋放。該大容量持續彈性變形儲能技術展現出一系列優越的特性，如高儲能密度、低自放電率、低成本以及結構簡單等。這些特點使其具備顯著的應用優勢，能夠在風、光等可再生能源的收集以及工業園區低谷電的儲存中發揮重要作用。此外，該裝置具有較長的使用壽命，對場地條件無特殊要求，且無污染、危險系數低。該技術能夠有效支持電力系統的調頻調峰及緊急備用等功能，進一步推動可再生能源的應用與發展。

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（編輯 杜秀杰）