技术领域

本发明属于电能储存技术领域，涉及一种无污染低衰减的弹力电池，本发明还涉及一种弹力储能方法。

背景技术

可再生能源发电的波动性、间歇性和不可准确预测性，风电光伏等新能源大规模集中并网，给现有的电子系统规划、运行带来巨大的挑战，储能技术作为解决这一类大规模可再生能源的一种有效技术受到了越来越多的重视。根据电能转换方式的不同，储能技术分为机械、电磁和化学储能三大类，其中电池储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，且系统安装灵活、建设周期短、功率大、效率高，已在电子系统中有许多成功的应用。

不同类型电池在功率、能量方面的性能各有侧重。随着技术革新和新型电池的研制成功，电池的效率、能量和循环寿命均得到显著提高。在多种电池中，锂电池储能具有能量密度高、循环寿命长、效率高等优势，但锂离子电池缺点是安全性差，成本高，锂矿资源有限和重量太大且价格占据电池储能成本的大部分，随着未来几年国内电动汽车的推广与应用，锂电池已不能满足大量的使用需求。太阳能电池主要问题是光电转换效率低，成本高。超级电容器的比功率大，充放电快，主要缺点是比能量低。因此研发具有低成本、高寿命、效率高、无任何废弃污染的储能电池越来越受到研究者的广泛关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种无污染低衰减的弹力电池，解决了现有技术整体能量的使用效率低，对环境造成污染，能量单一使用以及过程能量损耗的问题。

本发明的另一目的是提供一种弹力储能方法。

本发明采用的技术方案是，一种无污染低衰减的弹力电池，包括钢制的真空容器，在真空容器的内腔中，竖直设置有转轴，转轴上端同轴安装有手动充电把手，转轴上端外圆周套装在轴承二中，转轴下端外圆周套装在轴承一中；转轴上半部分同轴安装有超导电动机，超导电动机通过电力电子变换电路对外连接；转轴下半部分套装有弹簧组，弹簧组统一设置在装载辅助弹簧组运动组件中，弹簧组的一端固定在转轴上，弹簧组的另一端固定于真空容器底部；转轴上另外还通过离合器连接有刹车机构。

本发明采用的另一技术方案是，一种弹力储能方法，利用上述的无污染低衰减的弹力电池，按照以下步骤实施：

步骤1)当需要存储能量时，从外界输入初始电能，通过电力电子变换电路给超导电动机供电，带动超导电动机转动，然后超导电动机及转轴输出动能，带动弹簧组运动，通过压力传感器和位移传感器实时检测，当弹簧组运动到所需压力值对应的位置状态时，控制器给刹车机构启动信号，刹车机构开始工作，通过离合器定住转轴，超导电动机停止运动，然后切断外部初始能量输入，弹簧组就获得了一定势能的存储；

步骤2)当需要向外部输出能量时，控制器给刹车机构停止信号，刹车机构停止工作，离合器松开转轴，此时弹簧组开始工作，释放先前存储的弹性势能，将获得的弹性势能转换为动能，通过超导电动机和电力电子变换电路向外输出电能；

步骤3)如果没有外界电力进行充电时，用手摇动手摇充电把手产生动能，使得超导电动机运转并拉紧弹簧组产生势能，当需要向外部输出能量时，参照上述的步骤2)转变为电能。

本发明的有益效果是：

1)系统轴承采用高温超导磁悬浮轴承或气悬浮轴承，没有或极小的机械摩擦，功耗低，储存效率较高。核心装置安装于真空室中，用于减少风阻带来的能量损耗，随时间变化，储存能量不消耗或消耗极少，利用率好。

2)电力电子变换机构不仅能够给系统输入所需能量，更重要的是在放电过程中，能将储存能量变成负载所需的各种频率、电压等级的电能，实现变压、稳压、变频以及控流等功能，使用效果更佳。

3)弹簧组采用发条弹簧组或扭簧弹簧组，自身平面产生扭转，其变形角的大小和扭矩成正比，具有高扭力与多角度的扭转力距，可长时间使用，不易疲劳。

附图说明

图1为本发明弹力电池的结构简图；

图2为本发明中的电力电子变换电路的结构简图。

图中，1.真空容器，2.转轴，3.电力电子变换电路，4.超导电动机，5.装载辅助弹簧组运动组件，6.弹簧组，7.压力传感器，8.轴承一，9.位移传感器，10.刹车机构，11.离合器，12.轴承二，13.手动充电把手，14.PWM整流器一，15.PWM逆变器，16.PWM整流器二，17.直流变换电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的结构是，包括钢制的真空容器1，在真空容器1的内腔中，竖直设置有转轴2，转轴2上端同轴安装有手动充电把手13，转轴2上端外圆周套装在轴承二12中，转轴2下端外圆周套装在轴承一8中；转轴2上半部分同轴安装有超导电动机4(即转轴2作为超导电动机4的传动轴)，超导电动机4通过电力电子变换电路3对外连接；转轴2下半部分套装有弹簧组6，弹簧组6统一设置在装载辅助弹簧组运动组件5中，弹簧组6的一端固定在转轴2上，弹簧组6的另一端固定于真空容器1底部；转轴2上还分别设置有压力传感器7和位移传感器9；转轴2上另外还通过离合器11连接有刹车机构10。

上述的压力传感器7和位移传感器9、刹车机构10、离合器11均与控制器连接。

轴承一8和轴承二12均采用高温超导磁悬浮轴承或气悬浮轴承，轴承一8用于支撑转轴2的下端，承担少部分的两个自由度径向悬浮力；轴承二12用于支撑转轴2的上端，承担大部分的两个自由度径向悬浮力。机械摩擦基本上没有或者极小，功耗低，储存效率较高。

超导电动机4与转轴2同轴转动，电力电子变换电路3用于驱动超导电动机4旋转或者在超导电动机4发电状态的电能参数变换；当超导电动机4转动时，转轴2带动弹簧组6拉紧压缩或释放扭转，获得一定势能。压力传感器7和位移传感器9，用于感受弹簧组6的状态。当弹簧组6被动达到所需能量大小(压缩预紧力)时，超导电动机4同时停止工作，刹车机构10工作，离合器11定住转轴2，这样弹簧组6就获得了一定的势能储存。

参照图2，电力电子变换电路3的结构是(图2中的虚线框部分)，包括充电部分和放电部分，通过两部分组件分别实现“充电”和“放电”，充电部分包括依次连接的PWM整流器一14和PWM逆变器15，PWM整流器一14输入端与外部电源连接，PWM逆变器15输出端与超导电动机4连接，功能是实现弹力电池“充电”；放电部分包括依次连接的PWM整流器二16和直流变换电路17，PWM整流器二16的输入端与超导电动机4连接，直流变换电路17输出端与外界电路连接，功能是实现弹力电池的“放电”。“充电”状态时，PWM整流器一14处于工作状态，PWM整流器二16不工作，PWM整流器一14将外部电源先整流成直流电，再由PWM逆变器15逆变为电压频率可调的交流电来驱动超导电动机4旋转，使得弹簧组6动作将电能转换为势能储存起来。“放电”状态时，PWM整流器二16处于工作状态，PWM整流器一14不参与工作，弹簧组6释放势能，驱动超导电动机4旋转，PWM整流器二16将超导电动机4发出的交流电整流成直流电，该直流电再经直流变换电路17转换成电压值恒定的直流电输出。

弹簧组6采用扭簧组或发条弹簧组，为整个装置最核心部件，它直接决定了整个装置的储能大小，其中弹簧材料的选用、弹簧组结构的设计和弹簧组个数的选择等都将影响储能能力。先将弹簧组6缠绕成平面螺旋形，然后将弹簧的一端固定于真空容器1底部，另一端固定在转轴2上，当外部初始能量介入带动电动机4转动，然后转轴2带动发条弹簧组或扭簧扭转，弹簧组6产生弯曲弹性变形，因而弹簧在自身平面产生扭转，弹簧组6存储了一定的弹性势能，其变形角的大小和扭矩成正比，具有高扭力与多角度的扭转力距，可长时间使用，不易疲劳。

刹车机构10安装在转轴2外圈上，当压力传感器7判定弹簧组6运动到所需能量大小时，刹车机构10接收到电信号，开始工作，同时超导电动机4停止工作。当外界需要电能时，松开刹车机构10，弹性势能向动能转变，带动超导电动机4旋转，并通过电力电子变换电路3输入所需电能。

为了减少充放电过程中的能量损耗(主要是摩擦力损耗)，超导电动机4使用高温超导磁轴承或气悬浮轴承，以减少机械摩擦；同时将弹簧组6和超导电动机4放置在真空容器1中，以减少空气摩擦，这样弹力电池的净效率(输入输出)能够达到95％左右。下表1为本发明装置与现有几种类型的电池的性能对比。

表1、本发明装置与现有几种类型电池的性能参数比较

由表1可见，本发明的弹力电池与现有技术的其他种类电池相比，性能参数明显具有优势。

本发明的弹力储能方法，利用上述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1)当需要存储能量时，从外界输入初始电能，通过电力电子变换电路3给超导电动机4供电，带动超导电动机4转动，然后超导电动机4及转轴2输出动能，带动弹簧组6运动，通过压力传感器7和位移传感器9实时检测，当弹簧组6运动到所需压力值对应的位置状态时，控制器给刹车机构10启动信号，刹车机构10开始工作，通过离合器11定住转轴2，超导电动机4停止运动，然后切断外部初始能量输入，弹簧组6就获得了一定势能的存储；

步骤2)当需要向外部输出能量时，控制器给刹车机构10停止信号，刹车机构10停止工作，离合器11松开转轴2，此时弹簧组6开始工作，均匀释放先前存储的弹性势能，将获得的弹性势能转换为动能，通过超导电动机4和电力电子变换电路3向外输出电能。

步骤3)手摇充电把手13用于特殊情况，如果没有外界电力进行充电时，应急环境下进行人力摇动操作来充电；用手摇动手摇充电把手13产生动能，使得超导电动机4运转并拉紧弹簧组6产生势能，当需要向外部输出能量时，参照上述的步骤2)转变为电能。可以在无电源等紧急情况下，为该弹力电池储能充电。