储能装置及使用方法.pdf

一种储能装置，包括：至少一个轴元件；至少一对飞轮，其包括第一飞轮以及比第一飞轮大的第二飞轮，每个飞轮与至少一个轴元件关联；离合器组件，其与每个飞轮相关联；至少一个低功率输入装置；以及与第二飞轮关联的功率输出装置；其中，使用低功率输入装置使第一飞轮旋转并加速到预定的转速，于是离合器组件啮合以使第一和第二飞轮联接，使得惯性和动能能够在飞轮之间传递从而使第二飞轮加速。

1.  一种储能装置，其包括：
至少一个轴元件；
至少一对飞轮，包括第一飞轮和比该第一飞轮大的第二飞轮，每个飞轮与所述至少一个轴元件相关联；
离合器组件，其与所述每个飞轮相关联；
至少一个低功率输入装置；以及
功率输出装置，其与所述第二飞轮相关联，
其中，使用低功率输入装置使所述第一飞轮旋转并加速到预定转速，于是离合器组件啮合以连接所述第一和第二飞轮，使得惯性和动能能够在所述飞轮之间传递以使所述第二飞轮加速。

2.  一种储能装置，其包括：
至少一个轴元件；
第一飞轮；
至少一个低功率输入装置，用于使所述第一飞轮旋转到预定转速；
第二飞轮，其尺寸大于所述第一飞轮；
离合器组件，其与所述第一和第二飞轮相关联用于将所述飞轮分离并一当所述第一飞轮达到所述预定转速时就着所述第一飞轮与所述第二飞轮啮合；以及
功率输出装置，其与所述第二飞轮相关联。

3.  如权利要求1或2所述的装置，其中，所述飞轮由壳体封装。

4.  如权利要求3所述的装置，其中，所述壳体为设有底壁和从所述底壁延伸并在末端或尖端聚拢的聚拢元件的棱锥形。

5.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括相对其安装有所述飞轮的单个轴元件。

6.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个轴大致上竖直取向。

7.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，所述轴横截面为圆形且朝着所述第一飞轮厚度变小。

8.  如权利要求1-7的任意一项所述的装置，其中，所述轴横截面为圆形且包括圆柱形的且随着所述飞轮尺寸增加而增大横截面尺寸的多个台阶部。

9.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，所述飞轮为设有开口的环形构造以用于容纳位于所述飞轮中心的轴。

10.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，每个飞轮具有由较薄外环部围绕较厚中心环部的台阶状横截面。

11.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，至少一个所述的飞轮是可拆卸飞轮以使所述飞轮的推力/负载能够同时径向地和纵向地在轴上分布以减小摩擦损耗。

12.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括沿所述轴分级的多个飞轮且每两个所述飞轮之间设有离合器组件。

13.  如任何权利要求12所述的装置，其中，所述飞轮朝着所述轴的一端尺寸增加，所述尺寸的增加相应地增大惯性。

14.  如权利要求12所述的装置，其中，该装置中除了最小飞轮的每个飞轮设有一个以上关联的离合器垫以便与邻近离合器组件的离合器垫啮合。

15.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括：包括与飞轮相关联的马达/发电机组的功率变换器。

16.  如权利要求15所述的装置，其中，关联使用的所述马达/发电机是电子换向的永磁、无刷、DC驱动器。

17.  如权利要求15或16的任意一项所述的装置，其中，所述功率变换器包括组合整流器/逆变器和变压器。

18.  如权利要求15到17的任意一项所述的装置，其包括：包括储能子系统的高速调节的功率变换控制器以及电压控制电路。

19.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括当所述转速超过根据所述飞轮的尺寸确定的预定值时自动啮合的至少一个离心式离合器。

20.  如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括与所述最小飞轮相关联的至少一个低功率输入装置以使所述飞轮旋转。

21.  如权利要求20所述的装置，其中，所述至少一个低功率输入装置由可更新能源提供动力。

22.  一种用于有选择地将驱动装置与飞轮连接的离心式离合器组件，该组件包括：
离合器盘，其与所述驱动装置相关联；
角度装置，其相关于所述离合器盘放置，该角度装置的高度朝着所述离合器盘的中心减小；以及
一个以上轴承装置，其相对于所述离合器盘和所述角度装置安装，从而由所述离合器盘的旋转产生的离心力驱动所述一个以上轴承装置向外与所述角度装置啮合以连接所述驱动装置与所述飞轮。

23.  如权利要求22所述的离心式离合器组件，其包括为离合器盘和导向盘的一对平行盘，所述导向盘与所述驱动装置相关联而所述离合器盘可以非径向地向着或远离所述飞轮移动。

24.  如权利要求22或权利要求23所述所述的离心式离合器组件，其中，所述导向盘大致为设有中心开口的圆形的、固体盘元件，位于所述导向盘的所述中心开口与外缘之间的是多个从所述中心开口呈辐射状并绕所述导向盘隔开的槽开口，每个所述槽开口调整为至少部分地容纳陀螺重物。

25.  如权利要求24所述的离心式离合器组件，其中，所述槽开口是用于所述陀螺重物的行进的导向开口，所述陀螺重物相对于所述槽开口安装以保持于所述槽开口中并在槽开口中向里或向外滑动。

26.  如权利要求25所述的离心式离合器组件，其中，所述陀螺重物的上部邻接所述导向盘的上表面，且所述陀螺重物的下部邻接所述导向盘的下表面，所述陀螺重物的所述上部和下部彼此连接使得它们之间的间距可调。

27.  如权利要求24到26的任意一项所述的离心式离合器组件，其中，对所述陀螺重物的重量进行最优化以确定在何转速时所述陀螺重物被向外迫出。

28.  如权利要求24到27的任意一项所述的离心式离合器组件，其中，相对于所述离合器盘的上表面设有角度装置。

29.  如权利要求23到28的任意一项所述的离心式离合器组件，其中，所述离合器盘由限定使所述离合器啮合的预定速度的弹性装置向着所述导向盘偏置。

30.  一种旋转体的导向系统，该系统包括：
中心安装的旋转体，其设有至少一个外缘；以及
至少两个导向元件，其紧挨着所述旋转体的所述至少一个外缘安装，从而减小在高速时由于材料故障引起的所述旋转体的破裂。

31.  如权利要求30所述的旋转体的导向系统，其中，所述导向元件是相对于所述飞轮的径向边缘以高公差间隔安放的实体导体元件。

32.  如权利要求30所述的旋转体的导向系统，其中，所述导向元件是磁斥导向元件。

33.  如权利要求1-21的任何一项所述的设有为与功率输出装置相关联的单个主行星飞轮充电的多个“卫星”飞轮系统的装置。

34.  一种存储从低功率输入装置输入的能量直到存储了可用量的功率并在需要时释放该能量的方法，该方法包括以下步骤：
提供飞轮储能系统，该系统包括安装于轴上的而且分离的但可由离合器组件连接的第一飞轮和第二较大飞轮；
使用低功率输入装置将所述第一飞轮加速到预定转速；
一旦所述第一飞轮达到所述预定速度则使所述离合器组件啮合以连接所述第一和第二飞轮；以及
提供功率输出装置，其与所述第二飞轮相关联以利用所述第二飞轮的旋转从系统中提取可用动力。

储能装置及使用方法
技术领域
本发明涉及能量存储与释放装置，并具体地涉及称为飞轮储能装置那类装置。
背景技术
1997年2月由Sandia National Laboratories发表的题为“cost Analysis ofEnergy Storage Systems for Electric Utility Application”的报告包括了不同种类的储能装置的发展与潜力的概述。该报告摘录如下：
“储能(ES)系统可能在电业工业中潜在地存在广泛的应用。三种有前途的存储技术-电池储能(BES)、超导磁储能(SMES)以及先进飞轮储能(FES)-每个达到实用应用的电池储能中确定的13种实用应用的一些性能要求：阶段I-由Sandia National Laboratories(SNL)进行的机会分析研究。”
“就性能与成本两方面而言，BES与SMES都良好地符合电力质量应用。快速动作先进FES也具有用于该应用的潜力且已经演示了样机。SMES和FES系统处于市场进入的早期阶段并且有望最初用于顾客端电力质量市场。”
ES系统中通常有三个关键元件，即：
存储子系统；
功率变换子系统(PCS)；以及
厂区辅助系统设备(BOP)。
从上面指出的报告中，可以知道FES的存储子系统包括以非常高的速度(每分钟几万转)旋转存储动能的飞轮。FES还包括径向和推力磁轴承、中心柱、控制以及其它元件。
所有三种上述子系统的功率变换子系统包括整流器/逆变器、变压器、DC与AC开关装置、分离器、断路器、开关以及可编程高速控制器。高速马达/发电机组是FES系统中的功率变换系统的一部分。在ES系统需要高切换速度的电能质量应用中使用高速固态转接开关。
ES系统的控制系统有三个主要功能。存储子系统的管理与控制部监测充电电平、充电/放电需求以及相关操作。与PCS子系统相关联的控制部监测公用电源并根据预定的算法在ES系统与公用电源之间切换负载。设施控制系统监测容纳硬件的设施中的温度、通风以及照明。
厂区辅助系统设备包括容纳设备、取暖、通风以及空调(HVAC)设施、ES系统与耗电器/公用事业之间的接口、诸如数据收集/走势、工程管理、运输许可、培训、备件、财务费用等服务的提供。
现有技术的FES系统主要用于汽车及太空应用并由于其复杂、低有效功率输出以及运行条件的脆弱已被接受。例如，用于汽车应用，存在动力隔离问题。尽管飞轮的概念并不新奇，然而以非常高的速度旋转的低损耗飞轮却是新奇的且未开发的。
通常现有技术的离心式离合器包括三部分：
·可自由旋转的外鼓-该鼓包括与链条啮合的链齿轮。当鼓旋转时，链条旋转。
·直接与机轴连接的中心轴-如果引擎旋转，则轴亦旋转。
·一对圆柱离合器重物，其沿着使其向轴收缩的弹簧结合到中心轴。
中心轴及重物作为一体旋转。如果其旋转地足够慢，则重物被弹簧紧靠轴压住。然而，如果引擎旋转地足够快，则重物上的离心力克服由弹簧施加的力，且重物被向外甩出。重物与鼓的内侧接触且鼓开始旋转。由于重物与鼓之间的摩擦力，鼓、重物与中心轴变成单个旋转单元。一旦鼓开始旋转，则链条也开始旋转。
离心式离合器有几项优势：
·自动化。(离心式离合器不使用离合器踏板来啮合或分开。)
·会自动地滑动以避免引擎失速。(在汽车中，司机必需松开离合器。)
·一旦引擎旋转地足够快，则由于引擎运转地越快，施加用于啮合的力就越大，从而在离合器中没有滑动。
离心式离合器通常用于汽车应用中。这时，离心式离合器通常水平安装。在调整传统离心式离合器以用于飞轮储能系统时存在着许多问题，在以下讨论中将会展示出来。
需要清楚地理解，如果在此引用了现有技术出版物，该引用并不意味着允许所述出版物成为澳大利亚或任何其它国家的公知常识的一部分。
发明内容
本发明旨在提供一种储能装置，其可以至少部分地克服至少一个上述缺点或为消费者提供有用的或商业的选择。
在一个形式中，本发明提供了一种储能装置，其包括：
a.至少一个轴元件；
b.至少一对飞轮，其包括第一飞轮以及比第一飞轮大的第二飞轮，每个飞轮与至少一个轴元件关联；
c.离合器组件，其与每个飞轮相关联；
d.至少一个低功率输入装置；以及
e.功率输出装置，其与第二飞轮相关联；
其中，使用低功率输入装置使第一飞轮旋转并加速到预定转速，然后离合器组件啮合使第一与第二飞轮连接，使得惯性与动能能够在飞轮之间传递从而使第二飞轮加速。
在第二形式中，本发明提供了一种储能装置，其包括：
a.至少一个轴元件；
b.第一飞轮；
c.至少一个低功率输入装置，用于使第一飞轮旋转到预定转速；
d.第二飞轮，其尺寸大于第一飞轮；
e.离合器组件，其与第一和第二飞轮相关联，用于分离飞轮并且一旦第一飞轮达到预定速度时就使第一飞轮与第二飞轮啮合；以及
f.功率输出装置，其与第二飞轮相关联。
在第三形式中，本发明提供了存储从低功率输入装置输入的能量一直到存储到可用的量的动力并在需要时释放动力的方法，该方法包括以下步骤：
a.提供包括第一飞轮和更大的第二飞轮的飞轮储能系统，第一和第二飞轮安装于轴上且是分离的但是可通过离合器连接；
b.使用低功率输入装置将第一飞轮加速到预定转速；
c.一旦第一飞轮达到预定速度就使离合器组件啮合以使第一和第二飞轮连接；以及
d.提供与第二飞轮相关联的功率输出装置以利用第二飞轮的旋转从系统中提取可用的动力。
根据本发明，使用低功率输入装置使第一飞轮加速，并当达到预定速度时，离合器组件作动使第一与第二飞轮啮合，从而与第一飞轮相关的惯性与动能可以使第二飞轮加速。
明显地，第二飞轮的啮合和第二飞轮的转速比第一飞轮低(第二飞轮甚至可以是静止的)的事实将导致第一飞轮变慢。低功率输入装置优选地继续将动力添加到第一飞轮以减小变慢的量，但最后，第二飞轮将达到第一飞轮的转速并由低功率输入装置加速到预定转速。优选地，一旦第二飞轮的初始惯性被克服且第二飞轮开始旋转，则低功率输入装置将具有足够的动力将两个飞轮加速回到预定速度。因此重要的是要减少装置中的能量损耗以确保同样多的输入动力或能量被引导用于使飞轮系统加速(并从而存储于其中)。一旦第二飞轮以预定速度旋转，就可以根据需要将功率输出装置啮合和分离以提取存储于系统中的能量。
在以给定速率旋转的飞轮中存储的能量与飞轮的转动惯量乘以角速度的平方成比例。因此，需要高速以存储大量的能量。速度为每分钟几万转(RPM)到100,000RPM的飞轮已经得到了测试。通常使用重量轻的合成材料形成飞轮以便能承受飞轮在高速运转期间产生的应力。使用磁轴承以及真空室同样有助于减小损耗。
本发明的储能装置通常存储经过相当长的时间引入到系统中的低功率输入以生成高功率和/或长时间的释放功率源。可用功率可作为短的“爆发”释放输出或长时间地作为稳定电流释放。快速放电系统也称为穿越(ride-through)系统，其中放电时间通常以秒计，而长期放电型通常用于动力备份，其放电时间以小时计。
穿越系统通常设计用于在短时间内释放高级别的功率直到诸如发电机组的能量产生装置能联机供电。功率级别高达几百千瓦时，放电时间范围从10秒到大约2分钟。穿越飞轮不间断电源的应用包括计算机数据中心以及诸如半导体处理的要求严格的制造操作。穿越系统也可用于诸如用于电动汽车等的电池的快速充电。
在营销时，因为飞轮系统会具有可靠和长寿的优势，而电化学电池天生地不适合重复的高功率放电且表现非常差，故穿越飞轮系统可索要高价。
第二类的飞轮系统、能量备份，用于在供电中断其间为负载提供动力，直到公用电源恢复为止。放电时间可达8小时以上且功率级别通常仅为几千瓦以下。然而储能容量大到可存储几个千瓦时。这些系统有望应用于电信业，用于保持电话、有线电视、无线电以及因特网的服务可靠性。能量备份飞轮不间断电源根据其储能容量买卖，并且由于低功率级别，其主要依赖长寿命、高可靠性以及低维护需求与电池竞争。大能量备份飞轮系统的更困难的成本目标因而使得减小单位已存储能量的成本极其地重要。该应用的潜在市场很庞大，因此人们对发展能满足工业需求的飞轮能量备份系统有相当可观的兴趣，直到现在才有了结果。
本发明的系统通常会应用于内燃机和其它功率设备的功率滤波应用、不间断电源、公用负载调平系统以及电动车辆中。
一般该装置并且尤其是飞轮系统通常封装于壳体中以保护飞轮系统免受外力损坏和能量损耗效应并保护周围物体不被飞轮割裂。
壳体的优选形状为具有底壁(base wall)和从底壁延伸并聚拢到末端或尖端的聚拢元件的棱锥形。底壁可以是矩形或三角形。聚拢元件可以是三角形的侧壁。根据壳体的结构也可以设有三个或四个侧壁。设置侧壁使得壳体能够实质上将飞轮密封于其中。这在下面所述的由壳体限定了真空安全壳(containment)的情况下尤其重要。
可替代且次优选地，聚拢元件可以是从底壁的角落延伸并在尖端或末端聚拢的延长元件。
存在诸如7,053,589号美国专利所述的许多不同类型的用于飞轮能量系统的真空安全壳系统，且只要其适合保持真空而不从飞轮系统中滤去能量就可以使用任何真空安全壳系统。
本发明的装置优选地包括至少一个轴元件。尽管只要所有的轴同轴安装，可以使用一个以上的轴，然而通常设有单个轴元件。
可恰当地安装轴用于旋转并且这时轴将由一个以上轴承支撑和/或取向。作为替代，轴可固定并可以安装飞轮用于绕固定轴旋转。
轴可以取向为水平或竖直方向，然而优选地为竖直方向。水平取向的轴元件需要多个轴支撑轴承，这增加了系统中的摩擦并有效地减少了传递到飞轮的能量的量。
轴通常为圆形横截面但通常不是恒定尺寸。轴通常向着较小飞轮变细。作为替代，轴可包括一般为圆柱形并随着飞轮尺寸增加而增加横截面尺寸的多个台阶部。
轴可由类似于飞轮的材料制造，因为尽管程度不一样，轴通常会受到相同的力。因此所用的材料可以是用于低速应用的金属和用于高速应用的复合材料。
轴通常从壳体的底壁附近由底座(bottom mount)或轴承放置轴的地方延伸到壳体的末端或尖端附近的顶座(top mount)或轴承，是底/顶座还是轴承取决于轴是固定轴还是旋转轴。
装置还包括至少两个飞轮并通常多于两个。飞轮通常结构为环形，在飞轮的中心设有用于容纳轴或带有合适轴承的轴的开口。
每个飞轮将优选地有台阶状横截面，从较厚的中心环部环绕或延伸有较薄的外环部。飞轮可以是整体结构，也可以是可拆卸飞轮，特别是较大的飞轮可以为可拆卸飞轮。分离式系统飞轮使得飞轮的推力/负载在径向上和纵向上良好地分布于轴上以减少摩擦损耗。
在飞轮系统中恰当地设有多个飞轮。飞轮优选地沿轴元件的长或高分级，每两个飞轮之间设有离合器组件。优选地飞轮的尺寸朝着轴的一端增加，尺寸的增加使惯性也相应地增加。为了稳定性原因，优选地将最小的飞轮放置在竖直取向的轴的顶部，然而这并非绝对必要的。当然，如果轴水平取向，则最小的飞轮可安装于任一端。
可以明白，飞轮系统中的飞轮越多，彼此的尺寸越接近，则当离合器分离时速度的损失就越小，然而资金成本和装置的大小就会越大。
优选地分级飞轮系统能最充分地利用棱锥形壳体内的空间以便使壳体尽可能地小。
除了最小飞轮外的每个飞轮通常设有一个以上离合器垫，所述离合器垫与上方(或一侧)相关联以便与离合器组件的离合器垫啮合。
飞轮的构造材料也特别重要。
现今商用大型钢飞轮运行的最大梢速仅为大约200到250米/秒。存储的能量与梢速的平方成比例，因此单位的飞轮尺寸和重量的储能因飞轮的梢速限于250m/s而受限。对强度和安全的考虑是使得制造商限定运行速度为250m/s以下的因素。由于尺寸减小的制造特征，小尺寸钢飞轮可得到更高的强度。例如，用于内部使用的复合储能飞轮的小尺寸钢轮毂曾在实验室中测到更高的速度。然而直到今天，大尺寸钢储能飞轮的商业运行仍局限于相当低的速度。
为了有效存储大量能量，尤其在诸如能量备份等成本敏感应用中，一般认为复合飞轮是必要的。由于诸如玻璃和碳的成分纤维的高强度性能，复合飞轮单位重量可存储大量的能量。由于已有的高强度纤维绕入轮辋而增加了强度，故复合飞轮也可制成大直径尺寸同时仍具有最大强度。过去复合飞轮非常昂贵，然而近年来由于碳纤维价格的下降和新的更经济的商业工艺的发展，其价格急剧降低。
遗憾地是，复合材料飞轮可能显出一些麻烦的性质，包括差的温度性能以及蠕变和应力断裂。多数聚合物基质复合飞轮温度性能低，意味着环氧树脂基质在相对低的温度下会变软。工作温度稍微增加，基质便丧失其最佳地转化纤维之间的负载的能力。由于在缠丝飞轮中径向强度远低于压馈强度，故飞轮通常构造有多个轮辋以缓和径向应力。
使得能够使用低成本厚飞轮轮辋的一个非常普通的设计方法是在较硬且密度较低的碳/环氧环内部使用模数较低的和密度较高的玻璃/环氧环。在旋转时玻璃环与更大半径的碳环一同变大，并从而避免过度的径向张力的发展。遗憾地是，随着时间增加以及周期应力，内部玻璃纤维蠕变并失去刚性，从而引起外部碳纤维承受不曾预料的超载。外部碳纤维也随着循环而疲劳并失去强度。最终结果是看似安全的设计，最初具有不严重的径向开裂故障，却可以具有更低速度的灾难性爆发故障。与故障期间故障致使碎片径向突出的金属飞轮不同，复合飞轮出故障时可能不会使有能量的碎片竖直地施加或者当纤细的径向碎片撞击容器壁时可重新竖直取向。
马达/发电机组通常与飞轮系统相关联，且最优选地与最大的飞轮相关联。优选地竖直轴安放于轴承上，且整个组件优选地封装于真空安全壳容器中。该构造紧凑并能减小旋转损耗。连到/来自马达/发电机组的电导线优选地从真空安全壳引出并连接到功率变换子系统(PCS)。马达/发电机组的控制器、轴承、真空/冷却系统、PCS及其控制器通常位于安全壳的外面以使得安全壳尽可能地小。
优选地功率输出装置与组件中最大的飞轮相关联。特别优选地，设有关联的转子和单独的定子的动力飞轮(其可能是任一飞轮但通常为最大的飞轮)设置为由转子与定子从飞轮系统的旋转中产生电力。该构造可以使系统更紧凑和/或减小来自于系统的摩擦损耗。
FES系统可针对功率或能量进行最优化。大额定功率需要大的马达/发电机，大的马达/发电机本身因其大质量和高转速而具有存储大量动力的能力。由于较小尺寸的马达/发电机(较小额定功率)不能存储大量能量，故针对能量的最优化需要相对较大的飞轮以存储能量。
用于与本发明的飞轮系统相关联的马达/发电机通常为电子换向的永磁、无刷、DC(直流)驱动器。如果要求或需要AC(交流)输出，则马达/发电机组的DC电压输出就必须通常由功率变换系统调整以与外部负载配接。
随着速度变化而在飞轮中产生应力/拉力周期。为了在速度变化时保护恒定电压并降低应力/拉力周期，飞轮系统通常不允许完全地减速。其类似于电化学电池中高深度的放电会降低电池的寿命的原理。FES系统的推力轴承通常也必须周期性地更换。
功率变换器通常在需要时包括整流器/逆变器与变压器的组合。当对存储子系统充电时，变换器作为整流器运行，将AC电压变换为DC。当放电时或当其对系统提供动力时，变换器作为逆变器运行。功率变换器通常包括至少一个晶闸管。
在整流器模式中，变换器控制电压以及变化的电流。电压以及作为结果的电流被调整到需要的充电率。通过开启晶闸管实现AC电压到DC的变换从而来自变压器绕组的电压致使所需的电流流到存储子系统中。在逆变器模式中，变换器实质上并DC电流斩波成碎片并建立近似为普通AC系统正弦波的电压波。
变换器通常以MVA设定额定值，然而该额定值仅应用于额定电压。实际中变换器为限流装置。变换器可用于在其电流处理能力内提供有功或无功电流或组合。
功率变换控制通常分为两个环。“内环”提供对储能子系统的高速调整。例如，如果将电池控制为一定功率级别，则控制器调整晶闸管开启脉冲以便即使当母线电压变换时仍能保持功率。当电压下降要求变换器电流上升到变换器额定值时控制器也进入电流控制模式以保持功率。
内环也可包括电压控制电路。该电路调整开启脉冲从而变换器根据需要产生或吸收无功电流以调整母线电压。又一次，如果晶闸管电流需要超过晶闸管额定值时控制器进入电流控制模式以便保持需要的母线电压。变换器有效地合成幅值大于或小于母线电压的以及超前或滞后于母线电压的波形。同时电压和功率控制电路运行以分别控制波形的幅值和相位。
“外环”控制较慢，并通常是从系统控制中心接收的期望的功率等级信号。其可以由自动生成控制系统提供，并可能类似于发送到发电设备的上升和下降(lower)信号。其也可以只是安排充电和放电时间以便与系统最大负载和低负载周期一致的时钟。外环也可包括稳定器以便在线路功率或步骤中出现振荡时调制功率。
在飞轮系统中，存储于飞轮中的动能由发电机变换为电能并供应到与FES系统连接的负载。随着飞轮中的能量消失，飞轮系统变慢，但发电机优选地继续供应恒定功率直到达到特定的较低速度阈值。能量可输出为短周期的“爆发”或恒定、较长期的电流。当连接低功率输入装置时，能量可得到补充，其中低功率输入装置通常将飞轮系统加速回到最大特定速度，此时切断外部动力源。作为替代，能量可加上大致恒定的要素(basis)以使飞轮保持尽量多的转速。一旦克服了飞轮系统的初始的惯性，则仅需要非常小的添加功率输入即可保持最优转速。控制器用于维持安全壳容器和磁轴承内的真空。
当然除了便携的以外，飞轮系统及其安全壳容器或置于地下，从而降低系统在地上的占地。由于安全壳可置于表面以下，故与建立建筑相关的成本也得以减小。然而，功率变换系统、轴承控制器、马达/发电机控制器以及真空/冷却系统通常全部分离地安放于地上。
本发明的装置通常包括当转速超过一定极限时自动啮合的一个以上的离心式离合器，通常由重物旋转产生的离心力推动弹簧。
当使用离心式离合器以使第一和第二飞轮啮合时，尽管当最初发生啮合时损失了转速，然而离心式离合器仍可保持啮合。优选地，一旦啮合，离心式离合器需要外部作动才能分离。
本发明的装置包括与最小的飞轮关联的至少一个低功率输入装置。低功率输入装置优选地为马达等以使飞轮旋转并且最优选地由太阳能或风能等可更新的能源提供动力。使用可更新能源有效地意味着本发明的装置可作为存储装置和电力治理(power harnessing)装置。
用于低压电源的外部动力通常白天由太阳能且晚上由风轮机、或者白天由两者一同提供。可更新的动力通常连续地使用且在任何情况下剩余/过剩动力会被治理用于给作为备份的电池和待机低压电源充电。
可设有与任何或所有飞轮相关的附加低功率输入装置。应用所述附加低功率输入装置以使飞轮旋转到一定速度或至少在离合器与特定飞轮啮合之前使飞轮开始旋转。它们也(或作为替代)用于在离合器与飞轮啮合之后至少在短时间内辅助加速。
在第四形式中，本发明提供了用于将驱动装置与飞轮有选择地进行连接的离心式离合器组件，该组件包括：
a.离合器盘，其与驱动装置相关联；
b.与离合器盘相对布置的角度装置，角度装置的高度朝着离合器盘的中心减小；以及
c.一个以上的轴承装置，其相对于离合器盘和角度装置安装，从而由离合器盘的旋转产生的离心力驱动一个以上轴承装置向外啮合角度装置以连接驱动装置与飞轮。
离合器组件优选地包括多个平行盘，至少一个盘可相对于其它盘向着和远离飞轮而非径向地活动。盘通常至少包括离合器盘和导向盘。还通常设有与离合器盘相关联以与飞轮接触的至少一个离合器垫。
通常在离合器组件的第一端设有安装用法兰以安装到(或相对于)其间设有离合器的两个飞轮中的较小一个。法兰通常使用恰当的紧固件附着于较小飞轮的表面或与飞轮浇涛或形成为一体。
法兰通常设有从法兰延伸的空心管间隔部，穿过空心管间隔部设有用于安装飞轮系统的轴的中心孔。
导向盘通常位于间隔部的下端。导向盘通常是离合器组件的主盘，且即使不是全部也有大部分离合器组件的部件优选地安装于导向盘上。
导向盘优选地为大致圆形的、固体盘元件，也有用于安装飞轮系统的轴的中心开口。优选地，至少一个且通常多于一个的槽开口位于导向盘的中心开口和外部边缘之间。槽开口通常从中心开口辐射并绕导向盘等距隔开。槽开口可设有缩缘式边缘从而可至少部分地在槽开口内容纳陀螺重物。
槽开口是用于陀螺重物的行进的导向开口，本发明的离心式离合器的运转就基于陀螺重物。陀螺重物相对于槽开口安装以保持于槽开口中并在槽开口中向内或向外滑动。陀螺重物的一部分因此通常在导向盘的上表面(离较小飞轮最近的表面)附近。陀螺重物的一部分也通常在导向盘的下表面(离较大飞轮最近的表面)附近。邻接的表面之间可设有使摩擦最小化的装置。
陀螺重物的上部和下部通常彼此附着且它们之间的分离距离可调。通常使用螺钉紧固件且优选地拧松或拧紧紧固件来调节分离距离。
通常相对于每个陀螺重物的下端安装有轴承或类似物。轴承可以是环形或球面轴承。通常，陀螺重物的下部设有根据轴承的种类不同而结构不同的轴承接合部。例如，环形轴承需要轴承接合部为具有支撑轴的一对隔开的臂。环形轴承容纳于臂之间且轴延伸通过轴承并与臂啮合以将轴承固定于适当的位置。通常轴承的定位使得轴承在与其中安装有陀螺重物的槽开口的方向平行的方向上旋转。球面轴承类似地要求半球状“杯”部以容纳球面轴承但还允许绕任何轴旋转。
优选地，导向盘中的槽开口的位置与长度使得不论导向盘旋转地多快都能避免陀螺重物的行程超出特定点。对陀螺重物的重量进行最优化以确定在什么转速时陀螺重物被向外迫出。
离合器盘通常是安装为绕飞轮系统的轴旋转的环形盘。通常设有中心开口。离合器盘优选地具有上表面(离较小飞轮最近的表面)和下表面(离较大飞轮最近的表面)。如前所述，离合器盘通常设有至少一个并且通常多于一个的离合器垫以用于当离合器组件啮合时与飞轮接触，且通常离合器垫设于离合器盘的下表面上或附近。
离合器盘通常也安装于飞轮系统的轴上。优选地，安装离合器盘用于向着或远离飞轮移动并因此通常围绕着轴设有颈部。颈部还可与离合器组件的间隔部啮合并通常是允许引导移动的伸缩地啮合。在颈部与间隔部之间可设有锁定装置以避免在因离心力啮合之后离合器盘移动而与飞轮分离。作为替代，可设置机构使得离合器盘与飞轮周期性地啮合和分离以在飞轮加速期间使驱动装置的太多的速度损耗减到最小。一旦驱动装置的速度下降到低于预定速度，该机构可将离合器盘分离，以使驱动装置能够在重新啮合之前加速。
角度装置设置于离合器盘的上表面上或附近。优选地，角度装置设置于朝着离合器盘的外缘的环形带区中。角度装置可设置为单个环形角度装置或设置为多个隔开的分离角度装置。
角度装置可设有锁定装置以避免啮合之后离合器盘从飞轮分离。作为替代，可以设置机构使得离合器盘与飞轮周期性地啮合和分离以便在飞轮加速期间使驱动装置的太多的速度损耗减到最小。一旦驱动装置的速度下降到低于预定速度，该机构可将离合器盘分离，以使驱动装置能够在重新啮合之前加速。
离合器盘通常由合适的弹性装置向导向盘偏置。通常可使用贯穿延伸导向盘并与离合器盘啮合(通常贯穿延伸)并与弹性装置相关联的多个杆或螺栓元件以将盘偏置到一起。弹性装置的弹性可确定或辅助确定预定速度，在预定速度处离合器也啮合。通常，弹性装置可以是绕杆安装并位于导向盘与杆或螺栓元件的头部之间的弹簧或类似物。
本发明的离心式离合器组件优选地在特定转速时通过作用在元件上的离心力克服偏置装置的作动而自动地啮合和分离。
在第五形式中，本发明提供了一种用于旋转体的导向系统，该系统包括：具有至少一个外缘的中心安装的旋转体，以及紧挨着旋转体的至少一个外缘安装的至少两个导向元件，从而减小了由于材料故障引起的在高速时旋转体的分裂。
导向元件可以是实体导向元件，例如相对于飞轮的径向边缘以高公差间隙布置的轴承或迷宫元件；或者可以是其它形式，例如磁斥导向元件。通常设有多个导向元件且使其绕飞轮等距隔开。通常以大约60°的间隔设有三个导向元件。
为了使系统的能量损耗最小，每个飞轮通过轴承组件安装于中心轴的周围以减小摩擦。通常还在轴的末端设有轴承以使这些位置处的摩擦最小。轴承可以是任何类型的且轴承类型可根据在装置中的位置而有所不同。例如，磁轴承可用于在任何末端支撑轴而滚柱或滚珠轴承用于支撑轴上的飞轮。优选地，考虑到较大的飞轮的尺寸的增加，对于较大的飞轮所用的滚柱或滚珠轴承的构造可以不同。可使用环形表面的轴承来吸收轴向和径向的负载。
致冷的花费导致早期不考虑在磁轴承中使用低温超导体。然而高温超导体(HTSC)轴承是经济的并可能延长经济地储能的时间。混合轴承系统最有可能首先得到使用。HTSC轴承过去在提供用于较大设计所需的升力时存在问题，但可以容易地提供稳定力。因此，在混合轴承中，永磁体支撑负载而HTSC用于稳定负载。超导体可良好地稳定负载的原因在于其是良好的抗磁体。在混合轴承系统中，传统磁使轴和/或飞轮系统悬浮，但高温超导体使其稳定。如果飞轮系统试图漂离中心，则由于磁通钉扎(flux pinning)的恢复力使其恢复。这称为轴承的磁劲度(magneticstiffness)。由于低劲度和阻尼会发生旋转轴变化，而低劲度和阻尼是超导磁体的固有问题，阻碍了超导磁轴承在飞轮应用中的完全使用。
由于磁通钉扎对于提供稳定力和升力是重要因素，故HTSC在FES中应用要比在其它应用中容易地多。只要磁通钉扎强，HTSC粉沫可形成为任意形状。当前超导体为FES系统提供完全升力之前所必须克服的挑战，是寻求抑制悬浮力的减小和在运行期间因SC(超导)材料的磁通蠕变引起的转子逐渐下降的方法。
除了致冷成本，磁和传统轴承的诸如摩擦、磁滞现象以及涡流损耗等寄生损耗可限制飞轮的经济储能时间。然而，超导体的进一步改进可有助于消除现有磁轴承设计中的涡流损耗并提升总体运行温度。即使没有所述改进，然而，现代飞轮零负载停转时间可以以年计。
为在需要的高速下运行，可使用飞轮每端所设的磁轴承支撑飞轮，优选地使用如Gabrys等在2001年5月1日提交的题目为“Full LevitationBearing System with Improved Passive Radial Magnetic Bearings”的PCT/US01/13951号专利申请中公开的无源径向磁轴承。可有多种构造的无源轴承与完全五主动轴磁轴承相比，降低了电子控制的量，且简单、可靠、成本低。在一个实施例中，无源径向磁轴承在飞轮的轴向面或中心轴中形成为一体以简化结构并降低成本。
本发明的装置还可构造为设为以多个“卫星”飞轮系统为与输出装置相关联的单个主“行星”飞轮“充电”。从卫星飞轮系统的能量传递可同时或者依次施加于行星飞轮。
附图说明
以下参照附图，描述本发明的各种实施例，在附图中，
图1是根据本发明的优选实施例的飞轮能量系统的剖面示意图。
图2是根据本发明的优选实施例的飞轮能量系统的俯视图。
图3是根据本发明的优选实施例的支撑较小飞轮的轴承的剖面侧视图。
图4是根据本发明的优选实施例的支撑较大飞轮的轴承的剖面侧视图。
图5是根据本发明的优选实施例的输入飞轮的剖面侧视图。
图6是根据本发明的优选实施例的较大飞轮的剖面侧视图。
图7是根据本发明的优选实施例的离心式离合器的剖面侧视图。
图8是根据本发明的优选实施例的多输入飞轮能量系统的俯视示意图。
图9是来自图8中所示的多输入飞轮能量系统的分级输入的图表表示。
图10是多输入飞轮能量系统的替代实施例的俯视剖面图。
图11是图10所示的多输入飞轮能量系统的飞轮能量系统的剖面侧视图。
具体实施方式
根据特别优选的实施例，提供了一种储能装置。
图1和图2中图示的实施例的储能装置10具体包括具有多级飞轮系统的轴元件(图1中未图示)。根据图1中的实施例，设有三个飞轮，包括：第一飞轮11、比第一飞轮11大的第二飞轮12以及比第二飞轮12大的第三飞轮13。每个飞轮被安装用于绕轴元件旋转。
设有处于每两个飞轮之间的离合器组件14和低功率输入马达15以及与第三飞轮13相关联的功率输出飞轮16。
第一飞轮11使用低功率输入马达15旋转并加速到预定转速，然后离合器组件14啮合以连接第一飞轮11和第二飞轮12，使得惯性和动能在飞轮之间传递以使第二飞轮12加速。随后第二飞轮12和第三飞轮13之间发生类似的过程以使第三飞轮13加速。一旦第三飞轮13以预定速度旋转，则输出飞轮16就可以根据需要啮合和分离以提取存储于系统中的能量。
通常装置10且具体地为飞轮系统由壳体封装，既可保护飞轮系统免遭外力损坏和能量损耗效应又可避免飞轮破裂时对周围物体的破坏。
壳体优选的形状为设有底壁18和从底壁延伸并在末端或尖端聚拢的聚拢元件的棱锥形。聚拢元件为三角形侧壁，支撑结构元件17从每个角落延伸放置。还设有顶支撑盘26用于连接支撑结构元件。根据壳体的构造可设有三个或四个侧壁。设置侧壁使得壳体实质上将飞轮系统密封于内部并限定出真空安全壳区。
存在许多类型的诸如7,053,589号美国专利中所述的用于飞轮能量系统的真空安全壳系统，且只要适合保持真空而不从飞轮系统中滤去能量，使用任何一种均可。
根据图示的实施例设有单个轴元件19。图示的实施例的轴19被安装用于使飞轮绕竖直轴的旋转且轴固定在合适位置。轴19从壳体的底壁18附近安装轴19的底座20延伸到壳体的尖端附近的顶座21。
如图3和图4所示，轴19横截面为圆形并且包括一般为圆柱形并随着飞轮尺寸增加而增大横截面尺寸的多个台阶部。
轴19由用于低速应用的金属和用于高速应用的复合材料制成。
如图3和图4所具体地图示，由于轴是固定轴，飞轮使用合适的轴承29支撑于轴上。图3的轴承用于较小飞轮且包括固定于轴19上的衬套30以及上轴承模块31和下轴承模块32。还设有由紧固件固定到飞轮的顶盘33以确保轴承处于恰当位置。
图4的轴承用于属于可拆卸飞轮构造的较大飞轮。因此设有由所示位置的螺栓36连接的上飞轮部34和下飞轮部35。轴承29包括固定到轴19的衬套30以及相对于下飞轮部35放置的下轴承模块31和和下轴承模块32。第三轴承模块37相对于上轴承部35放置。同样，由紧固件固定于上飞轮部34的顶盘33确保轴承29处于恰当位置。
飞轮11、12、13为设有开口的环形构造，开口位于飞轮的中心以容纳轴或设有合适轴承的轴。
如图5和图6所示，每个飞轮具有台阶横截面，薄的外环部22围绕或从厚的中心环部23延伸。当较小时飞轮为整体结构，当较大时通常为可拆卸飞轮。
飞轮沿轴19的高度分级，离合器组件14位于每两个飞轮之间。飞轮尺寸朝着轴19的一端增大，尺寸增大后惯性也相应地增大。
除了第一飞轮11外的每个飞轮设有与上侧相关联的一个或多个离合器垫24以便与离合器组件14的离合器垫14啮合。
为有效地存储大量的能量，尤其在诸如能量备份的成本敏感应用中，一般认为复合飞轮是必要的。
马达/发电机组25与飞轮系统相关联，且在图示的实施例中，与第三飞轮13关联。到/来自马达/发电机组25的电导线可从真空安全壳引出并连接到功率变换子系统(PCS)，或安装到壳体的外面的电插座组件27上。
本发明的用于与飞轮系统关联的马达/发电机组25通常为电子换向的永磁、无刷、DC驱动器。如果要求或需要AC输出，则马达/发电机组25的DC电压输出必须通常由功率变换系统调整以与外部负载配接。
本发明的装置包括与最小的飞轮相关联的低功率输入马达15。低功率输入马达15由诸如位于壳体的尖端或壳体的一个以上的侧壁的大部分上的太阳能电池28的可更新能源提供动力。
在飞轮系统中，存储于飞轮中的动能由发电机变换为电能并供应给连接到FES系统的负载。随着飞轮的能量的消耗，飞轮系统变慢，但发电机优选地可继续供应懒定功率直到达到特定的较低速度阈值。能量可输出为短期“爆发”或恒定、长期的电流。当连接了低功率输入装置时，可对飞轮补充能量，低功率输入装置通常使飞轮加速回到其最大特定速度，在最大特定速度断开外部电源。作为替代，能量可加上大致恒定的要素(basis)以使飞轮保持尽量多的转速。一旦克服了飞轮系统的初始的惯性，则仅需要非常小的添加功率输入即可保持最优转速。控制器用于维持安全壳容器和磁轴承内的真空。
本发明的装置包括当转速超过一定限制时自动啮合的离心式离合器14。
当使用离心式离合器组件使第一和第二飞轮啮合时，尽管当最初发生啮合时损失转速，离心式离合器仍可保持啮合。优选地，一旦啮合，离心式离合器需要外部作动才能分离。
图7所示的用于有选择地连接飞轮的离心式离合器组件14的实施例包括：离合器盘38，其与上飞轮关联；角度装置39，其相对于离合器盘38放置，角度装置39的高度朝着离合器盘38的中心减小；以及轴承装置40，其相对于离合器盘38和角度装置39安装从而由离合器盘38的旋转产生的离心力驱动轴承40向外与角度装置39啮合以将上飞轮与下飞轮连接。
离合器组件14包括离合器盘38和导向盘42。在离合器组件14的第一端设有安装法兰41用于安装到离合器组件14两边的两个飞轮中的较小飞轮上。法兰41使用合适的紧固件附着于较小飞轮的表面。
法兰41设有从法兰41延伸的空心管间隔部43，穿过空心管间隔部43设有用于安装于飞轮系统的轴19上的中心孔。
导向盘42位于间隔部43的下端。导向盘42是离合器组件的主盘，且即使不是全部也有大部分离合器组件14的部件安装于导向盘42上。
导向盘42为大致圆形的、固体盘元件，也有用于安装飞轮系统的轴19的中心开口。多个槽开口44位于导向盘42的中心开口和外部边缘之间。槽开口44从中心开口辐射并绕导向盘42等距隔开。槽开口44可设有缩缘式边缘从而可至少部分地在槽开口44内容纳陀螺重物45。
槽开口44是用于传导陀螺重物45的导向开口，本发明的离心式离合器的运转就基于陀螺重物。陀螺重物45相对于槽开口44安装以保持于槽开口44中并在槽开口44中向内或向外滑动。陀螺重物的一部分因此相对于在导向盘42的上表面(离较小飞轮最近的表面)布置。陀螺重物的一部分也相对于在导向盘42的下表面(离较大飞轮最近的表面)布置。邻接的表面之间可设有摩擦最小化装置。
陀螺重物的上部和下部通常彼此附着且它们之间的间距可调。通常使用螺钉紧固件且拧松或拧紧紧固件即可调节间距。
相对于每个陀螺重物45的下端安装有轴承40。所示的轴承40为环形轴承。环形轴承需要轴承接合部为具有支撑轴的一对隔开的臂。环形轴承容纳于臂之间且轴延伸通过轴承并与臂啮合以将轴承固定于适当的位置。轴承的定位使得轴承在与内部安装有陀螺重物的槽开口的方向平行的方向上旋转。
导向盘中的槽开口44的位置与长度使得不论导向盘42旋转地多快都能避免陀螺重物45的行程超出特定点。对陀螺重物45的重量进行最优化以确定在什么转速时陀螺重物45被向外迫出。
离合器盘38是安装为与飞轮一起绕飞轮系统的轴19旋转的环形盘。通常设有中心开口。离合器盘38具有上表面(离较小飞轮最近的表面)和下表面(离较大飞轮最近的表面)。离合器盘38设有一个以上的离合器垫46以用于当离合器组件14啮合时与飞轮接触，且通常离合器垫设于离合器盘38的下表面上或附近。
离合器盘38同样安装于飞轮系统的轴19上用于旋转。离合器盘38被安装用于向着或远离飞轮移动并因此通常围绕着轴19设有颈部47。颈部47还可与离合器组件14的间隔部43啮合并通常是允许引导移动的伸缩地啮合。
角度装置39设置于离合器盘38的上表面上或附近。角度装置39设置于朝着离合器盘38的外缘的环形带区中。
离合器盘38由合适的弹性装置向导向盘42偏置。通常可使用贯穿延伸导向盘42并与贯穿延伸离合器盘38并与弹性装置相关联的多个杆或螺栓元件48以将盘偏置到一起。所示实施例的弹性装置是绕杆48安装并位于导向盘42与杆48的头部50之间的弹簧49。
还为每个旋转的飞轮设置了迷宫导向装置。每个迷宫导向元件51紧挨着飞轮的外缘安装，从而可减小由于材料故障引起的在高速时旋转体的分裂。
所图示的迷宫导向元件51是形式为相对于飞轮的径向边缘以高公差间隙布置的固定或旋转轴承的实体导向元件。根据图示的实施例，绕着每个飞轮以大约60°的间隔设有三个迷宫导向元件51。
本发明的系统的优选实施例接受过测试并且涉及该实施例和测试的统计值和结果概括于下面的表1和表2中。
如图8所示，本发明的装置还可构造为设有向与输出装置相关联的单个主“行星”飞轮52“充电”的多个“卫星”飞轮系统(A)、(B)和(C)。来自卫星飞轮系统的能量传递可以同时或依次施加于行星飞轮。到主飞轮的功率的施加时间在图9中图示并在下面讨论。
图9的说明：
-卫星系统(A)：t(A)；T(A)；ΔP(A)
-卫星系统(B)：t(B)；T(B)；ΔP(B)
-卫星系统(C)：t(C)；T(C)；ΔP(C)
t(A)＝卫星系统单元(A)中惯性轮在最终的飞轮中聚积所需的转矩动能(Torque Kinetic Energy)所需要的时间。
t(B)＝卫星系统单元(B)中惯性轮在最终的飞轮中聚积所需的转矩动能所需要的时间。
t(C)＝卫星系统单元(C)中惯性轮在最终的飞轮中聚积所需的转矩动能所需要的时间。
T(A)＝转矩动能从卫星系统单元(A)中转移到MFW上所需要的时间。
T(B)＝转矩动能从卫星系统单元(B)中转移到MFW上所需要的时间。
T(C)＝转矩动能从卫星系统单元(C)中转移到MFW上所需要的时间。
TKE₁＝卫星系统单元(A)中的总转矩动能。
TKE₂＝卫星系统单元(B)中的总转矩动能。
TKE₃＝卫星系统单元(C)中的总转矩动能。
ΔPA＝由卫星系统单元(A)最终飞轮转移到MFW的功率/转矩的量-在卫星系统单元(A)中为旋转(W)和快速聚积到所需的转矩动能而保持的功率/转矩的量。
ΔPB＝由卫星系统单元(B)最终飞轮转移到MFW的功率/转矩的量-在卫星系统单元(B)中为旋转(W)和快速聚积到所需的转矩动能而保持的功率/转矩的量。
ΔPC＝由卫星系统单元(C)最终飞轮转移到MFW的功率/转矩的量-在卫星系统单元(C)中为旋转(W)和快速聚积到所需的转矩动能而保持的功率/转矩的量。
根据图示的实施例，设有三(3)个卫星飞轮系统单元(A)、(B)和(C)，每个依次将分别为TKE₁、TKE₂和TKE₃的转矩动能(TKE)传输到主飞轮(MFW)上。该设有卫星飞轮系统单元和主飞轮的实施例还可放置于棱锥形壳体中，从而保持其紧凑、健壮结构、有效和建造简便性，这些特点有可能使单元成本显著降低。
MFW转矩动能传输到交流发电机以生产恒定DC电力。


根据图10和图11所示的多输入飞轮能量系统，围绕由卫星系统提供动力的主行星轮设有多个卫星飞轮系统。根据图示的优选实施例，多输入飞轮能量系统设于棱锥形构造中，并且棱锥优选地为有四个三角形侧面在末端会合的正方形底的棱锥。
主行星飞轮沿从棱锥的尖端向底的质心向下延伸的近似中心轴定位。设有多个卫星系统，且卫星系统通常在邻近底的每个角落上设置一个。在底上方可设有一个以上卫星系统但与主行星轮组件保持关系。
棱锥形结构的侧壁通常包括且更优选地是太阳能采集器阵列。三角形侧壁关于棱锥组件的底壁的角度α优选地选成使得对太阳能的采集最优化、即阳光照射到至少一个侧壁上的时间最长。
棱锥通常围起成主行星轮和卫星系统。假设系统一般处于阳光下以充分利用太阳能电池板，则可以设置风扇或类似的散热或控制装置，优选地设在棱锥形的上层以使去除来自于棱锥围场中的热量。
在运行期间，主行星轮优选地以大约5-6秒钟的短间隔经由卫星系统提供动力且卫星系统可交错传输其动力，从而主行星轮或多或少连续地得到动力。
在本说明书和权利要求书中(如果有的话)，措辞“包括(comprising)”及其派生词包括“comprises”和“comprise”包括所陈述的每个整体但不排除还包括一个或更多整体。
本说明书通篇所引用的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例相关联描述的具体特征、结构或特性包括于本发明的至少一个实施例中。于是，本说明书通篇中各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必指代同一实施例。而且，具体特征、结构或特性可以以合适的方式结合到一个以上的组合中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种储能装置，其包括：
至少一个不旋转的轴元件；
至少一对飞轮，包括第一飞轮和比该第一飞轮大的第二飞轮，每个飞轮与所述至少一个轴元件相关联；
离心式离合器组件，其与所述每个飞轮相关联；
至少一个低功率输入装置；以及
功率输出装置，其与所述第二飞轮相关联，
其中，使用低功率输入装置使所述第一飞轮旋转并加速到预定转速，于是离合器组件啮合以连接所述第一和第二飞轮，使得惯性和动能能够在所述飞轮之间传递以使所述第二飞轮加速。
2.一种储能装置，其包括：
至少一个不旋转的轴元件；
第一飞轮；
至少一个低功率输入装置，用于使所述第一飞轮旋转到预定转速；
第二飞轮，其尺寸大于所述第一飞轮；
离心式离合器组件，其与所述第一和第二飞轮相关联用于将所述飞轮分离并一当所述第一飞轮达到所述预定转速时就着所述第一飞轮与所述第二飞轮啮合；以及
功率输出装置，其与所述第二飞轮相关联。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述飞轮由壳体封装。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述壳体为设有底壁和从所述底壁延伸并在末端或尖端聚拢的聚拢元件的棱锥形。
5.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括相对其安装有所述飞轮的单个轴元件。
6.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个轴大致上竖直取向。
7.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，所述轴横截面为圆形且朝着所述第一飞轮厚度变小。
8.如权利要求1-7的任意一项所述的装置，其中，所述轴横截面为圆形且包括圆柱形的且随着所述飞轮尺寸增加而增大横截面尺寸的多个台阶部。
9.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，所述飞轮为设有开口的环形构造以用于容纳位于所述飞轮中心的轴。
10.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，每个飞轮具有由较薄外环部围绕较厚中心环部的台阶状横截面。
11.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其中，至少一个所述的飞轮是可拆卸飞轮以使所述飞轮的推力/负载能够同时径向地和纵向地在轴上分布以减小摩擦损耗。
12.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括沿所述轴分级的多个飞轮且每两个所述飞轮之间设有离合器组件。
13.如任何权利要求12所述的装置，其中，所述飞轮朝着所述轴的一端尺寸增加，所述尺寸的增加相应地增大惯性。
14.如权利要求12所述的装置，其中，该装置中除了最小飞轮的每个飞轮设有一个以上关联的离合器垫以便与邻近离合器组件的离合器垫啮合。
15.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括：包括与飞轮相关联的马达/发电机组的功率变换器。
16.如权利要求15所述的装置，其中，关联使用的所述马达/发电机是电子换向的永磁、无刷、DC驱动器。
17.如权利要求15或16的任意一项所述的装置，其中，所述功率变换器包括组合整流器/逆变器和变压器。
18.如权利要求15到17的任意一项所述的装置，其包括：包括储能子系统的高速调节的功率变换控制器以及电压控制电路。
19.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括当所述转速超过根据所述飞轮的尺寸确定的预定值时自动啮合的至少一个离心式离合器。
20.如前述权利要求的任意一项所述的装置，其包括与所述最小飞轮相关联的至少一个低功率输入装置以使所述飞轮旋转。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述至少一个低功率输入装置由可更新能源提供动力。
22.一种用于有选择地将驱动装置与飞轮连接的离心式离合器组件，该组件包括：
离合器盘，其与所述驱动装置相关联；
角度装置，其相关于所述离合器盘放置，该角度装置的高度朝着所述离合器盘的中心减小；以及
一个以上轴承装置，其相对于所述离合器盘和所述角度装置安装，从而由所述离合器盘的旋转产生的离心力驱动所述一个以上轴承装置向外与所述角度装置啮合以连接所述驱动装置与所述飞轮。
23.如权利要求22所述的离心式离合器组件，其包括为离合器盘和导向盘的一对平行盘，所述导向盘与所述驱动装置相关联而所述离合器盘可以非径向地向着或远离所述飞轮移动。
24.如权利要求22或权利要求23所述所述的离心式离合器组件，其中，所述导向盘大致为设有中心开口的圆形的、固体盘元件，位于所述导向盘的所述中心开口与外缘之间的是多个从所述中心开口呈辐射状并绕所述导向盘隔开的槽开口，每个所述槽开口调整为至少部分地容纳陀螺重物。
25.如权利要求24所述的离心式离合器组件，其中，所述槽开口是用于所述陀螺重物的行进的导向开口，所述陀螺重物相对于所述槽开口安装以保持于所述槽开口中并在槽开口中向里或向外滑动。
26.如权利要求25所述的离心式离合器组件，其中，所述陀螺重物的上部邻接所述导向盘的上表面，且所述陀螺重物的下部邻接所述导向盘的下表面，所述陀螺重物的所述上部和下部彼此连接使得它们之间的间距可调。
27.如权利要求24到26的任意一项所述的离心式离合器组件，其中，对所述陀螺重物的重量进行最优化以确定在何转速时所述陀螺重物被向外迫出。
28.如权利要求24到27的任意一项所述的离心式离合器组件，其中，相对于所述离合器盘的上表面设有角度装置。
29.如权利要求23到28的任意一项所述的离心式离合器组件，其中，所述离合器盘由限定使所述离合器啮合的预定速度的弹性装置向着所述导向盘偏置。
30.一种旋转体的导向系统，该系统包括：
中心安装的旋转体，其设有至少一个外缘；以及
至少两个导向元件，其紧挨着所述旋转体的所述至少一个外缘安装，从而减小在高速时由于材料故障引起的所述旋转体的破裂。
31.如权利要求30所述的旋转体的导向系统，其中，所述导向元件是相对于所述飞轮的径向边缘以高公差间隔安放的实体导体元件。
32.如权利要求30所述的旋转体的导向系统，其中，所述导向元件是磁斥导向元件。
33.如权利要求1-21的任何一项所述的设有为与功率输出装置相关联的单个主行星飞轮充电的多个“卫星”飞轮系统的装置。
34.一种存储从低功率输入装置输入的能量直到存储了可用量的功率并在需要时释放该能量的方法，该方法包括以下步骤：
提供飞轮储能系统，该系统包括安装于轴上的而且分离的但可由离合器组件连接的第一飞轮和第二较大飞轮；
使用低功率输入装置将所述第一飞轮加速到预定转速；
一旦所述第一飞轮达到所述预定速度则使所述离合器组件啮合以连接所述第一和第二飞轮；以及
提供功率输出装置，其与所述第二飞轮相关联以利用所述第二飞轮的旋转从系统中提取可用动力。