弹性储能装置中平面涡卷弹簧的有限元分析

段 巍，冯恒昌，王璋奇

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003）

风力发电是典型的随机性和间歇性能源，影响电网稳定运行，给风电上网带来困难.储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，能有效弥补风电的间歇性和波动性的缺点，从而改善风电场输出功率的可控性，提升电网的稳定性水平.现有的储能方式主要包括物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能，其中物理储能又称为机械储能，包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能［1－9］等.机械储能方式具有储能容量大、效率高、成本较低和无污染等优点.平面涡卷弹簧是机械行业中广泛使用的一种弹性元件，受载时产生较大的弹性变形，将机械能或动能转化为变形能，卸载后弹簧的变形消失并恢复原状，将变形能转化为机械能或动能.鉴于平面涡卷弹簧所具有的能量储存和转换特点，本文提出了基于平面涡卷弹簧（以下简称涡簧）的机械式弹性储能－发电系统方案，并针对方案中储能装置的关键零件平面涡卷弹簧建立了力学模型和有限元模型，分析了涡簧的扭转变形、横截面上的应力分布、固有频率和前20阶振型，研究成果为储能装置的优化设计、储能密度的计算提供了有力依据.

1 弹性储能－发电系统方案

基于平面涡卷弹簧的机械式弹性储能－发电系统方案如图1所示.当储能时，控制系统控制双馈电机工作于电动机状态，并控制断路器合闸，来自电网的电能驱动电机运行，通过传动系统使涡簧储能装置中的涡簧拧紧，涡簧即以弹性变形能的形式将能量储存起来，完成电能到弹性变形能的转换；……