摘要：針對(duì)機(jī)械儲(chǔ)能問(wèn)題，研究了一種基于彈性變形的大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)。設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的傳動(dòng)及控制機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)同步兩個(gè)不同半徑繞線輪的轉(zhuǎn)速，或固定轉(zhuǎn)速比的兩個(gè)相同半徑繞線輪，實(shí)現(xiàn)纏繞在兩個(gè)同步輪上的可彈性變形拉線的持續(xù)彈性變形，進(jìn)而在彈性線收放過(guò)程中實(shí)現(xiàn)能量的連續(xù)儲(chǔ)能與釋放。在儲(chǔ)能過(guò)程中，將外界輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈性拉線伸長(zhǎng)的彈性勢(shì)能；在釋放能量時(shí)，彈性拉線變形回復(fù)，進(jìn)而釋放其儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能。相比傳統(tǒng)的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，該大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔緊湊，單位體積內(nèi)儲(chǔ)能密度高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，制造與維護(hù)成本低、可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。研究成果可為風(fēng)、光等可再生能源的收集提供技術(shù)支持，并能發(fā)揮電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰、緊急備用等功能。

關(guān)鍵詞：彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)；儲(chǔ)能與釋放；機(jī)械儲(chǔ)能；儲(chǔ)能密度

中圖分類號(hào)：TK02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202505003 文章編號(hào)：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(wèn)題是事關(guān)國(guó)家發(fā)展和安全的戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域^［1-2］。低碳技術(shù)創(chuàng)新與顛覆性能源技術(shù)的突破是推動(dòng)能源革命與工業(yè)革命、落實(shí)我國(guó)2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中關(guān)鍵的核心動(dòng)力。隨著能源需求的不斷增加，環(huán)保且可持續(xù)的可再生能源快速發(fā)展^［3-7］，標(biāo)志著能源結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)型。然而，可再生能源的間歇性和波動(dòng)性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，使得儲(chǔ)能技術(shù)重要性日益凸顯^［8-9］。

目前，儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、不間斷電源（UPS）、電動(dòng)汽車、航天航空、電力調(diào)峰調(diào)頻等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用^［10-15］。現(xiàn)有的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)因其不夠成熟，還都沒(méi)有獲得廣泛的應(yīng)用。例如：抽水蓄能^［16］對(duì)場(chǎng)地選取要求較嚴(yán)格，既要控制上下水庫(kù)的距離，又要控制上下水庫(kù)的高度差，此外其投資成本高、回報(bào)周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益低；飛輪儲(chǔ)能^［17］的自放電率高，能量長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存會(huì)自行耗盡，而且高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，對(duì)材料的要求非常高，危險(xiǎn)系數(shù)大且存在安全隱患；壓縮空氣儲(chǔ)能^［18］的系統(tǒng)復(fù)雜，而且受地域影響非常大；重力儲(chǔ)能^［19］投資高且占地面積多。諸如此類的技術(shù)，底層邏輯其實(shí)都基于材料的彈性變形，因此研究可實(shí)現(xiàn)持續(xù)變形的儲(chǔ)能技術(shù)，避免其對(duì)環(huán)境、地域及空間等的依賴，是極具吸引力的。

在機(jī)械彈性儲(chǔ)能領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者已開展了相關(guān)研究。單文澤等^［20］使用平面蝸卷彈簧作為儲(chǔ)能介質(zhì)，以飛輪作為能量載體，對(duì)能量的釋放和回收進(jìn)行了仿真分析，研究了蝸簧和飛輪初始速度對(duì)能量回收效率的影響。劉美嬌^［21］以最大化儲(chǔ)能密度為目標(biāo)，對(duì)蝸卷彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。Carpino等^［22］提出以蝸卷彈簧作為彈性驅(qū)動(dòng)柔性系統(tǒng)的基本組件，利用蝸簧作為能量緩沖器來(lái)模擬機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。湯敬秋^［23］提出了一種以大型蝸卷彈簧為核心的機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。華北電力大學(xué)機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了機(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)^［24-25］，該技術(shù)采用大型平面蝸卷彈簧作為彈性儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能。理論上，蝸簧技術(shù)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(shí)現(xiàn)材料的完全變形，儲(chǔ)能效率大打折扣。

本文通過(guò)研究實(shí)現(xiàn)彈性線的逐步持續(xù)彈性變形，可將輸入的能量以彈性勢(shì)能的形式持續(xù)儲(chǔ)存在變形拉線中，釋放能量過(guò)程則是彈性拉線逐步彈性變形回復(fù)，將儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧哪芰啃问捷敵觥Ｔ摯笕萘砍掷m(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)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(zhǎng)度）、儲(chǔ)能密度高、響應(yīng)速度快、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)、不對(duì)環(huán)境造成污染、而且不受地理?xiàng)l件和外部環(huán)境影響的特點(diǎn)。

1 大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及原理1.1 技術(shù)構(gòu)成及實(shí)施方案

為實(shí)現(xiàn)大容量可持續(xù)變形，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。包括主繞線輪、輔助卷線輪、彈性拉線、主動(dòng)同步輪、從動(dòng)同步輪、同步帶、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承、鎖死裝置及結(jié)構(gòu)框架等。該機(jī)械彈性儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的連接及裝配如下：主繞線輪同軸套接在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上還同軸固接有主動(dòng)同步輪；輔助卷線輪同軸套接在另一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上還同軸固接有從動(dòng)同步輪；主動(dòng)同步輪與從動(dòng)同步輪通過(guò)同步帶配合傳動(dòng)；主繞線輪與輔助卷線輪之間通過(guò)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(jié)構(gòu)框架通過(guò)軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接。所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可采用同步兩個(gè)不同半徑的繞線輪轉(zhuǎn)速或固定轉(zhuǎn)速比的兩個(gè)相同半徑繞線輪進(jìn)行，下文中通過(guò)固定轉(zhuǎn)速比的兩個(gè)相同半徑繞線輪方案舉例介紹。

結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能原理如下：采用兩個(gè)半徑不同的同步輪，在同步帶的約束下，通過(guò)角速度相同，線速度不同的設(shè)計(jì)，使兩個(gè)繞線輪拉線速度點(diǎn)強(qiáng)制差異，實(shí)現(xiàn)彈性拉線的變形及彈性勢(shì)能的儲(chǔ)存。該裝置的鎖死功能通過(guò)可逆電機(jī)實(shí)現(xiàn)，在裝置進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)，電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)將能量轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能進(jìn)行儲(chǔ)存；當(dāng)需要釋放能量時(shí)，電機(jī)則反轉(zhuǎn)，將儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并向外輸出。這樣一來(lái)，所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅能夠有效完成能量的儲(chǔ)存與釋放過(guò)程，還可以通過(guò)電機(jī)的可逆特性在兩者之間靈活切換，從而實(shí)現(xiàn)能量的高效管理和鎖死控制。圖1和圖2分別給出本技術(shù)的二維和三維原理結(jié)構(gòu)示意圖。

本文提出的儲(chǔ)能技術(shù)的基本構(gòu)成及運(yùn)行原理，如圖3所示。

1.2 工作原理

本研究設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)工作原理是：對(duì)一條（或一組）輕質(zhì)高彈性拉線進(jìn)行拉伸并纏繞于主繞線輪上實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存，通過(guò)與該繞線輪同角速度輔助卷線輪的收線，實(shí)現(xiàn)所儲(chǔ)存能量的連續(xù)釋放。設(shè)計(jì)的大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該機(jī)械結(jié)構(gòu)中：主繞線輪和輔助卷線輪采用結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行并排固定，主繞線輪與輔助卷線輪的轉(zhuǎn)速通過(guò)同軸固接的一對(duì)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(dāng)外界輸入能量時(shí)，即儲(chǔ)能過(guò)程：通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)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(yùn)行過(guò)程中逐漸被拉伸，產(chǎn)生彈性伸長(zhǎng)變形，進(jìn)而儲(chǔ)存能量，以此持續(xù)進(jìn)行，可不斷儲(chǔ)存能量；當(dāng)彈性拉線在主繞線輪纏繞多圈后，后續(xù)的彈性拉線可疊壓于前面已纏繞的彈性拉線上，進(jìn)而形成自鎖，其后纏繞的主動(dòng)力矩趨于穩(wěn)定。當(dāng)向外輸出能量時(shí)，即放能做功過(guò)程：松開鎖死裝置，由伸長(zhǎng)變形后彈性拉線上的張緊力驅(qū)動(dòng)主繞線輪逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過(guò)程中彈性拉線的變形回復(fù)，并自主繞線輪纏向輔助卷線輪，彈性拉線儲(chǔ)存的能量穩(wěn)定釋放。該裝置的鎖死功能依賴于可逆電機(jī)的運(yùn)作，如圖4（b）所示。具體實(shí)現(xiàn)鎖死功能是通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，該電機(jī)能夠靈活實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，確保在鎖死狀態(tài)下的穩(wěn)定性和能量傳遞的有效性。當(dāng)裝置儲(chǔ)能時(shí)，電機(jī)通過(guò)正向旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，并將其儲(chǔ)存；當(dāng)裝置需要釋放能量時(shí)，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能并輸出。

本文儲(chǔ)能技術(shù)中，彈性拉線的單位長(zhǎng)度內(nèi)能量?jī)?chǔ)存量由材料性能與同步輪半徑之比決定。總儲(chǔ)存能量的大小可以通過(guò)選擇彈性拉線的長(zhǎng)度、根數(shù)以及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)更大范圍的能量存儲(chǔ)能力，從而在不同行業(yè)和場(chǎng)景下提供靈活的解決方案。這種設(shè)計(jì)可有效優(yōu)化能量存儲(chǔ)的效率與靈活性，從而滿足不同應(yīng)用需求。

2 大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能性能

大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能容量可按如下方法計(jì)算。當(dāng)外界輸入的能量使轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)主繞線輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，彈性拉線從輔助卷線輪纏繞向主繞線輪，彈性拉線產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，輸入的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化成彈性勢(shì)能儲(chǔ)存在伸長(zhǎng)變形的彈性拉線中，彈性拉線在伸長(zhǎng)變形條件下所做的功即可認(rèn)為是彈性拉線的理論儲(chǔ)能容量。理論儲(chǔ)能容量為

W=∫^Δ₀FdΔ（1）

式中：F為廣義力；Δ為與力對(duì)應(yīng)的位移。

一般情況下，彈性拉線按照線彈性理論進(jìn)行假設(shè)，此時(shí)單位體積的彈性體變形能，即應(yīng)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(yīng)力；ε為材料的應(yīng)變。

為了能夠提升儲(chǔ)能密度，一般會(huì)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(yīng)變范圍內(nèi)具有顯著的非線性趨勢(shì)。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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。該模型的應(yīng)變能密度表達(dá)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(xiàng)數(shù)（通常取N=1，2，3）；μ_i和α_i為材料參數(shù)；λ₁、λ₂、λ₃為主伸長(zhǎng)比。

此時(shí)，質(zhì)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(chǔ)能系統(tǒng)的質(zhì)量。

下述算例中使用的高彈性拉線為橡皮筋，橡皮筋總長(zhǎng)度取5 km，密度取950 kg/m³。算例1橡皮筋的伸長(zhǎng)變形為原長(zhǎng)的5倍，采用真實(shí)應(yīng)變，并利用線彈性的應(yīng)變能密度進(jìn)行計(jì)算；算例2橡皮筋的伸長(zhǎng)變形為原長(zhǎng)的10倍，同樣采用真實(shí)應(yīng)變，并利用線彈性的應(yīng)變能密度進(jìn)行計(jì)算。由于實(shí)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(yīng)變能密度進(jìn)行計(jì)算，其中N=1，μ_i=700 MPa，α_i=2。算例3橡皮筋的伸長(zhǎng)變形為原長(zhǎng)的5倍，采用真實(shí)應(yīng)變，并利用Ogden模型的應(yīng)變能密度進(jìn)行計(jì)算；算例4橡皮筋的伸長(zhǎng)變形為原長(zhǎng)的10倍，應(yīng)變值同樣采用真實(shí)應(yīng)變，并利用Ogden模型的應(yīng)變能密度進(jìn)行計(jì)算。

算例1～4的儲(chǔ)能密度與現(xiàn)有物理儲(chǔ)能密度對(duì)比如表1所示。

通過(guò)表1的對(duì)比可以看出，本儲(chǔ)能技術(shù)在同類型的物理儲(chǔ)能技術(shù)中能量密度相對(duì)較高且容量較大。由于本技術(shù)是將外界輸入的能量以機(jī)械能的形式從轉(zhuǎn)動(dòng)軸輸入，以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而使彈性拉線自輔助卷線輪繞向主繞線輪，而釋放過(guò)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(guò)程中，能量得到釋放，儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能迅速轉(zhuǎn)化機(jī)械能向外輸出變?yōu)殡娔埽覚C(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化可以瞬間完成。后續(xù)可以進(jìn)一步的優(yōu)化外部的機(jī)械結(jié)構(gòu)框架以及繞線輪的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，將整個(gè)裝置的摩擦阻力減至最小的狀態(tài)。

這一技術(shù)以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存能量，通過(guò)兩個(gè)繞線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)所帶來(lái)的周長(zhǎng)差使彈性拉線處于變形伸長(zhǎng)的狀態(tài)，彈性拉線在儲(chǔ)能時(shí)層層疊壓形成自鎖，且彈性勢(shì)能和機(jī)械能都屬于高級(jí)的能量形式，基本不會(huì)發(fā)生自放電。無(wú)論輸入的能量是電能、動(dòng)能或者其他形式的能量，都被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)繞線輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將能量?jī)?chǔ)存在發(fā)生伸長(zhǎng)變形的彈性拉線中，以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)能室；釋能時(shí)兩個(gè)繞線輪反轉(zhuǎn)，將能量轉(zhuǎn)遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成用戶側(cè)所需要的能量形式。

本文儲(chǔ)能技術(shù)在不產(chǎn)生任何污染的情況下，契合國(guó)家綠色可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。本技術(shù)還具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開發(fā)成本低等特點(diǎn)。此外，采用高彈性拉線可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量擴(kuò)大，同時(shí)能夠提升儲(chǔ)能密度。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)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(shù)的增加，輔助卷線輪上彈性拉線的半徑逐漸增大。在進(jìn)行儲(chǔ)能過(guò)程時(shí)，彈性拉線從輔助卷線輪繞向主繞線輪，在開始時(shí)主繞線輪上無(wú)彈性拉線，此時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系為輔助卷線輪是大半徑狀態(tài)，主繞線輪是小半徑狀態(tài)。隨著儲(chǔ)能過(guò)程的進(jìn)行，兩輪上的彈性拉線半徑比例逐漸發(fā)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(dǎo)致最初設(shè)置的速比發(fā)生極大的變化，從而不能按照預(yù)設(shè)的伸長(zhǎng)比進(jìn)行儲(chǔ)能。

本文解決方案如下。

（1）設(shè)計(jì)專用變速器。將同步輪設(shè)計(jì)成多級(jí)變速器，即多種齒輪副，當(dāng)輔助卷線輪上卷滿彈性拉線且主繞線輪剛準(zhǔn)備進(jìn)入儲(chǔ)能工作狀態(tài)時(shí)，兩輪半徑比例正是預(yù)設(shè)比例。隨著主繞線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，彈性拉線逐漸從輔助卷線輪繞向主繞線輪，變速器實(shí)時(shí)調(diào)整比例，以保證兩輪速比與預(yù)設(shè)值保持一致。

（2）采用可變直徑的旋轉(zhuǎn)軸。將機(jī)械結(jié)構(gòu)中的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)成直徑可變換的旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)儲(chǔ)能裝置處于預(yù)儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，兩旋轉(zhuǎn)軸之比正是儲(chǔ)能裝置預(yù)設(shè)之比，隨著主繞線輪進(jìn)行儲(chǔ)能工作過(guò)程，主繞線輪所對(duì)應(yīng)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(dòng)調(diào)整，以確保兩輪速比與預(yù)設(shè)狀態(tài)相同，同時(shí)直徑可變軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可進(jìn)行能量存儲(chǔ)，如圖5所示。儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束時(shí)，輔助卷線輪所套接的直徑可變軸，直徑恢復(fù)到初始狀態(tài)，以確保兩輪在釋能過(guò)程時(shí)，速比與預(yù)設(shè)狀態(tài)一致。

3.2 彈性拉線排線問(wèn)題

因本儲(chǔ)能技術(shù)的總儲(chǔ)能容量主要依靠彈性拉線的伸長(zhǎng)量和材料屬性，所以在大型設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景下，需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的彈性拉線進(jìn)行儲(chǔ)能。彈性拉線長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)容易引起排線混亂，上下層疊壓等問(wèn)題。

本文解決方案如下。

（1）設(shè)置排線裝置。由于彈性拉線長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)容易引起排線混亂，上下層疊壓等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)特定的排線裝置，通過(guò)變速以及絲杠運(yùn)動(dòng)進(jìn)行排線，保證彈性拉線不亂竄，規(guī)律排布；或?qū)椥岳€置于槽中，隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的移動(dòng)，穩(wěn)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(shè)計(jì)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(shè)置槽位寬度，每個(gè)槽中放置一根彈性拉線，由于其形狀貼合，拉線疊壓后就會(huì)產(chǎn)生自鎖，并可同時(shí)設(shè)置多個(gè)槽位。

3.3 裝置監(jiān)測(cè)及壽命問(wèn)題

彈性拉線若長(zhǎng)期處于循環(huán)拉伸的工作狀態(tài)下，易造成材料損傷、斷裂。

本文解決方案如下。

采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)彈性拉線的健康情況，對(duì)其表面定期涂抹特殊潤(rùn)滑劑。利用數(shù)字圖像相關(guān)法，在能觀測(cè)到彈性材料的位置，架設(shè)高速相機(jī)，拍攝被測(cè)材料表面的圖像。圖像經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行處理后，識(shí)別表面的特征點(diǎn)，通過(guò)比較特征點(diǎn)在變形前后的位置變化，可以計(jì)算得出每個(gè)像素點(diǎn)的位移以及形變信息來(lái)判斷彈性拉線的狀態(tài)^［26-27］。另一種方法是采用光柵光纖應(yīng)變測(cè)量法，由于光柵光纖受到外界應(yīng)變時(shí)，折射率會(huì)發(fā)生變化，從而引起光波的特性發(fā)生變化，進(jìn)而判斷彈性拉線的狀態(tài)^［28-30］。將上述所采集數(shù)據(jù)通過(guò)局域網(wǎng)、藍(lán)牙等上傳至健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，可以提前預(yù)測(cè)彈性拉線壽命及出現(xiàn)疲勞及損傷的位置。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于彈性變形的大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)控制兩個(gè)相同半徑繞線輪的轉(zhuǎn)速比或同步兩個(gè)半徑不同繞線輪的轉(zhuǎn)速，能夠有效實(shí)現(xiàn)彈性拉線的持續(xù)變形。在本研究中，通過(guò)設(shè)計(jì)不同半徑的同步輪，使得兩個(gè)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(guò)程中，產(chǎn)生與周長(zhǎng)差相當(dāng)?shù)淖冃巍＿@一過(guò)程以彈性勢(shì)能的形式實(shí)現(xiàn)了能量的連續(xù)存儲(chǔ)與釋放。該大容量持續(xù)彈性變形儲(chǔ)能技術(shù)展現(xiàn)出一系列優(yōu)越的特性，如高儲(chǔ)能密度、低自放電率、低成本以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。這些特點(diǎn)使其具備顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠在風(fēng)、光等可再生能源的收集以及工業(yè)園區(qū)低谷電的儲(chǔ)存中發(fā)揮重要作用。此外，該裝置具有較長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)場(chǎng)地條件無(wú)特殊要求，且無(wú)污染、危險(xiǎn)系數(shù)低。該技術(shù)能夠有效支持電力系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)峰及緊急備用等功能，進(jìn)一步推動(dòng)可再生能源的應(yīng)用與發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］吳皓文， 王軍， 龔迎莉， 等. 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析 ［J］. 電力學(xué)報(bào)， 2021， 36（5）： 434-443.

WU Haowen， WANG Jun， GONG Yingli， et al. Development status and application prospect analysis of energy storage technology ［J］. Journal of Electric Power， 2021， 36（5）： 434-443.

［2］戴興建， 張小章， 姜新建， 等. 清華大學(xué)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究概況 ［J］. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 2012， 1（1）： 64-68.

DAI Xingjian， ZHANG Xiaozhang， JIANG Xinjian， et al. Flywheel energy storage technology in Tsinghua University ［J］. Energy Storage Science and Technology， 2012， 1（1）： 64-68.

［3］趙攀， 茍非非， 許文盼， 等. 風(fēng)-火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化對(duì)比 ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2024， 58（8）： 38-48.

ZHAO Pan， GOU Feifei， XU Wenpan， et al. Comparison of storage capacity configuration optimization in wind-thermal power-storage coupling system ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2024， 58（8）： 38-48.

［4］AMIRYAR M E， PULLEN K R. A review of flywheel energy storage system technologies and their applications ［J］. Applied Sciences， 2017， 7（3）： 286.

［5］鄭明陽(yáng)， 賴杰. 中鹽金壇建壓縮空氣儲(chǔ)能電站， 儲(chǔ)能領(lǐng)域“前沿中的前沿” ［J］. 中國(guó)鹽業(yè)， 2019（9）： 29-32.

ZHENG Mingyang， LAI Jie. Zhongyan Jintan builds compressed air energy storage power station， the forefront of energy storage field ［J］. China Salt Industry， 2019（9）： 29-32.

［6］葛剛強(qiáng)， 王煥然， 李瑞雄， 等. 壓縮空氣儲(chǔ)能蓄熱器性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 57（1）： 45-54.

GE Gangqiang， WANG Huanran， LI Ruixiong， et al. Performance analysis and optimization design of heat accumulator in compressed air energy storage ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（1）： 45-54.

［7］王煥然， 席光， 李瑞雄， 等. 先進(jìn)抽水壓縮空氣復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù) ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2024， 58（5）： 1-9.

WANG Huanran， XI Guang， LI Ruixiong， et al. A study on the combined pumped-hydro and compressed air energy storage system ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2024， 58（5）： 1-9.

［8］吳海峰， 魯軍勇， 馬偉明， 等. 大功率混合儲(chǔ)能裝置控制策略研究 ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 49（2）： 93-98.

WU Haifeng， LU Junyong， MA Weiming， et al. Control strategy for high power hybrid energy storage device ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2015， 49（2）： 93-98.

［9］周生喜， 陶凱， 秦衛(wèi)陽(yáng). 振動(dòng)能量俘獲專題序 ［J］. 力學(xué)學(xué)報(bào)， 2021， 53（11）： 2891-2893.

ZHOU Shengxi， TAO Kai， QIN Weiyang. Preface to the special topic of vibration energy capture ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2021， 53（11）： 2891-2893.

［10］XU Yanhe， LI Chaoshun， WANG Zanbin， et al. Load frequency control of a novel renewable energy integrated micro-grid containing pumped hydropower energy storage ［J］. IEEE Access， 2018， 6： 29067-29077.

［11］FERTIG E， APT J. Economics of compressed air energy storage to integrate wind power： a case study in ERCOT ［J］. Energy Policy， 2011， 39（5）： 2330-2342.

［12］BUCKLES W， HASSENZAHL W V. Superconducting magnetic energy storage ［J］. IEEE Power Engineering Review， 2000， 20（5）： 16-20.

［13］SUO Liumin， BORODIN O， GAO Tao， et al. “Water-in-salt” electrolyte enables high-voltage aqueous lithium-ion chemistries ［J］. Science， 2015， 350（6263）： 938-943.

［14］范瑋. 儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展及經(jīng)濟(jì)性分析 ［J］. 煤質(zhì)技術(shù)， 2024， 39（3）： 21-29.

FAN Wei. Research progress and economic analysis on energy storage technology ［J］. Coal Quality Technology， 2024， 39（3）： 21-29.

［15］劉榮峰， 張敏， 儲(chǔ)毅， 等. 新型儲(chǔ)能技術(shù)路線分析及展望 ［J］. 新能源科技， 2023， 4（3）： 44-51.

LIU Rongfeng， ZHANG Min， CHU Yi， et al. Analysis and prospect of new energy storage technology routes ［J］. New Energy Technology， 2023， 4（3）： 44-51.

［16］王楠. 我國(guó)抽水蓄能電站發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析 ［J］. 電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)， 2008， 20（2）： 18-20.

WANG Nan. Current situation and prospects of the pumped-storage power plant in China ［J］. Electric Power Technologic Economics， 2008， 20（2）： 18-20.

［17］張維煜， 朱熀秋. 飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 ［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2011， 26（7）： 141-146.

ZHANG Weiyu， ZHU Jiqiu. Key technologies and development status of flywheel energy storage system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2011， 26（7）： 141-146.

［18］梅生偉， 李瑞， 陳來(lái)軍， 等. 先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展及展望 ［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2018， 38（10）： 2893-2907.

MEI Shengwei， LI Rui， CHEN Laijun， et al. An overview and outlook on advanced adiabatic compressed air energy storage technique ［J］. Proceedings of the CSEE， 2018， 38（10）： 2893-2907.

［19］王粟， 肖立業(yè)， 唐文冰， 等. 新型重力儲(chǔ)能研究綜述 ［J］. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 2022， 11（5）： 1575-1582.

WANG Su， XIAO Liye， TANG Wenbing， et al. Review of new gravity energy storage ［J］. Energy Storage Science and Technology， 2022， 11（5）： 1575-1582.

［20］單文澤， 潘孝斌， 陳元泰， 等. 渦卷彈簧式制動(dòng)能量回收裝置研究 ［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程， 2015， 44（10）： 73-77.

SHAN Wenze， PAN Xiaobin， CHEN Yuantai， et al. The development of equipment for braking energy recovery with spiral spring ［J］. Machine Design and Manufacturing Engineering， 2015， 44（10）： 73-77.

［21］劉美嬌. 彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)平面渦卷彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬仿真 ［D］. 保定： 華北電力大學(xué)， 2013.

［22］CARPINO G， ACCOTO D， SERGI F， et al. A novel compact torsional spring for series elastic actuators for

assistive wearable robots ［J］. Journal of Mechanical Design， 2012， 134（12）： 121002.

［23］湯敬秋. 機(jī)械彈性儲(chǔ)能用大型蝸卷彈簧力學(xué)特性研究 ［D］. 北京： 華北電力大學(xué)， 2016.

［24］鄭曉明， 米增強(qiáng)， 余洋， 等. 機(jī)械彈性儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)及并網(wǎng)控制策略優(yōu)化 ［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2019， 34（22）： 4708-4718.

ZHENG Xiaoming， MI Zengqiang， YU Yang， et al. Optimization of energy storage box mechanical structure and Grid-Connected generation control strategy for mechanical elastic energy storage ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2019， 34（22）： 4708-4718.

［25］米增強(qiáng)， 余洋， 王璋奇， 等. 永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組及其關(guān)鍵技術(shù)初探 ［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2013， 37（1）： 26-30.

MI Zengqiang， YU Yang， WANG Zhangqi， et al. Preliminary exploration on permanent magnet motor based mechanical elastic energy storage unit and key technical issues ［J］. Automation of Electric Power Systems， 2013， 37（1）： 26-30.

［26］楊恒， 柯玉超， 王申， 等. 航空橡膠密封件力學(xué)與密封性能檢測(cè)技術(shù) ［J］. 航空制造技術(shù)， 2017（22）： 106-109.

YANG Heng， KE Yuchao， WANG Shen， et al. Measurement technologies of mechanical and seal performance for aviation rubber seals ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2017（22）： 106-109.

［27］陳振英. 基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)變測(cè)量研究 ［D］. 上海： 上海交通大學(xué)， 2013.

［28］尹輝. 基于光纖光柵傳感的卡套式管路接頭應(yīng)力測(cè)試與密封性能研究 ［D］. 煙臺(tái)： 煙臺(tái)大學(xué)， 2024.

［29］LIANGLei， WANG Renliang， XU Gang， et al. Analysis and study of FBG sensor in crack monitoring of aircraft structure ［C］//IOP Conference Series： Earth and Environmental Science. Bristol， United Kingdom： IOP Publishing， 2019： 022111.

［30］KIM J H， PARK Y， KIM Y Y， et al. Aircraft health and usage monitoring system for in-flight strain measurement of a wing structure ［J］. Smart Materials and Structures， 2015， 24（10）： 105003.

（編輯 杜秀杰）