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Evaluation and Design of a Flywheel Energy Storage System

Li, Xing (2019):
Evaluation and Design of a Flywheel Energy Storage System.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009461,
[Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9461],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

This thesis deals with the energetic evaluation and design of a flywheel energy storage system (FESS). The first purpose is to give a quantitative evaluation of the energetic performance of the systems equipped with flywheels. Two systems are chosen: one 5 kWp (kWp: peak power) household PV system equipped with a 3 kWh flywheel to accumulate the excessive energy generation in daytime, and one tramway power system equipped with a 1.5 kWh onboard flywheel to accumulate the recovered braking energy. The energy saving potential of each system is analyzed based on the given profiles and the modeled FESS, in which various losses are taken into account. The results show that, energy savings can be achieved for both systems by using flywheels: 15.1 % for the PV system and 20.9 % for the tramway system. But the overcall energy efficiency of the flywheel in the PV system is only 40 %, much lower than 75.5 % in the tram. The main reason is that the high self-discharge due to internal losses (7.7 % of the maximum stored energy per hour) causes considerable energy loss for the long term idling operating cycle (for hours) of the flywheel in PV system. As a comparison, in the tramway system, charge/discharge cycle is much shorter (approx. 1 min) so that the self-discharge is less critical, leading to a higher efficiency of the flywheel. The second part of this work is design and prototyping of a flywheel demonstrator in order to verify the energetic evaluation and the implementations of high-speed technologies. The demonstrator has an energy capacity of 0.5 kWh at the maximum operating speed of 24000 min-1 and the power rating is 35 kVA. This thesis introduces the design methodology of the key components. For the flywheel rotor, a constant thickness rotor body with the inertia of 0.57 kg⋅m2 is designed. The mechanical issues regarding the stress caused by the centrifugal force are analyzed. The construction issues, such as balancing solutions and rotor hardening process are discussed. As an energy conversion component, a 4-pole PMSM is designed. Low loss in the rotor is required due to the inefficient rotor cooling in vacuum. Therefore, the surface mounted magnets are segmented so that the losses can be reduced to 28.4 W (approx. 0.1 % of the rated power). The calculated power efficiencies at two defined operating points are both above 96 %. Based on the designed rotor and PMSM, magnetic bearings are selected and the housing is designed. The components are assembled and a complete system is built up, which is validated both by a 3D CAD program and by prototyping. The main issues concerning the component processing and the assemble work are presented. Due to the safety consideration, two outer housings are designed as vacuum and also burst containments in case of the rotor structural failure. The loss analysis is carried out for the PMSM, magnetic bearings, and also the rotor due to air friction. A lumped parameter network of the system is built up for the thermal analysis. The rotor is painted black in order to improve the radiative heat dissipation. The calculated temperature rise on the black-painted rotor and stator is approx. 87.4 K for continuous operation and 73.0 K for operation with the fully-utilized duty cycle. Compared to the temperature limit of 141 °C for the E-machine carbon fiber bandage, the system can operate with the designed duty cycle with a 28 K thermal margin and is sustainable for continuous operation. The flywheel demonstrator design is validated by FEM calculation and the prototype construction so far. Relevant testing of the prototype has been performed in order to verify the performance, including spin testing of the rotor and levitation testing. In the end of the thesis, a conceptual design of high power (150 kW) machine is presented, as an outlook for the application of the flywheel in the railway systems. Additionally, the design criterions of light weight rotor constructed with composite materials, aiming to achieve higher energy density, are presented. The critical considerations are pointed out, as an outlook for further structural optimization in the future.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Li, Xing
Title: Evaluation and Design of a Flywheel Energy Storage System
Language: English
Abstract:

This thesis deals with the energetic evaluation and design of a flywheel energy storage system (FESS). The first purpose is to give a quantitative evaluation of the energetic performance of the systems equipped with flywheels. Two systems are chosen: one 5 kWp (kWp: peak power) household PV system equipped with a 3 kWh flywheel to accumulate the excessive energy generation in daytime, and one tramway power system equipped with a 1.5 kWh onboard flywheel to accumulate the recovered braking energy. The energy saving potential of each system is analyzed based on the given profiles and the modeled FESS, in which various losses are taken into account. The results show that, energy savings can be achieved for both systems by using flywheels: 15.1 % for the PV system and 20.9 % for the tramway system. But the overcall energy efficiency of the flywheel in the PV system is only 40 %, much lower than 75.5 % in the tram. The main reason is that the high self-discharge due to internal losses (7.7 % of the maximum stored energy per hour) causes considerable energy loss for the long term idling operating cycle (for hours) of the flywheel in PV system. As a comparison, in the tramway system, charge/discharge cycle is much shorter (approx. 1 min) so that the self-discharge is less critical, leading to a higher efficiency of the flywheel. The second part of this work is design and prototyping of a flywheel demonstrator in order to verify the energetic evaluation and the implementations of high-speed technologies. The demonstrator has an energy capacity of 0.5 kWh at the maximum operating speed of 24000 min-1 and the power rating is 35 kVA. This thesis introduces the design methodology of the key components. For the flywheel rotor, a constant thickness rotor body with the inertia of 0.57 kg⋅m2 is designed. The mechanical issues regarding the stress caused by the centrifugal force are analyzed. The construction issues, such as balancing solutions and rotor hardening process are discussed. As an energy conversion component, a 4-pole PMSM is designed. Low loss in the rotor is required due to the inefficient rotor cooling in vacuum. Therefore, the surface mounted magnets are segmented so that the losses can be reduced to 28.4 W (approx. 0.1 % of the rated power). The calculated power efficiencies at two defined operating points are both above 96 %. Based on the designed rotor and PMSM, magnetic bearings are selected and the housing is designed. The components are assembled and a complete system is built up, which is validated both by a 3D CAD program and by prototyping. The main issues concerning the component processing and the assemble work are presented. Due to the safety consideration, two outer housings are designed as vacuum and also burst containments in case of the rotor structural failure. The loss analysis is carried out for the PMSM, magnetic bearings, and also the rotor due to air friction. A lumped parameter network of the system is built up for the thermal analysis. The rotor is painted black in order to improve the radiative heat dissipation. The calculated temperature rise on the black-painted rotor and stator is approx. 87.4 K for continuous operation and 73.0 K for operation with the fully-utilized duty cycle. Compared to the temperature limit of 141 °C for the E-machine carbon fiber bandage, the system can operate with the designed duty cycle with a 28 K thermal margin and is sustainable for continuous operation. The flywheel demonstrator design is validated by FEM calculation and the prototype construction so far. Relevant testing of the prototype has been performed in order to verify the performance, including spin testing of the rotor and levitation testing. In the end of the thesis, a conceptual design of high power (150 kW) machine is presented, as an outlook for the application of the flywheel in the railway systems. Additionally, the design criterions of light weight rotor constructed with composite materials, aiming to achieve higher energy density, are presented. The critical considerations are pointed out, as an outlook for further structural optimization in the future.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion > Electrical Energy Conversion
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Energy Conversion
Exzellenzinitiative
Exzellenzinitiative > Graduate Schools
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Energy Science and Engineering (ESE)
Date Deposited: 15 Dec 2019 20:55
DOI: 10.25534/tuprints-00009461
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/9461
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-94619
Referees: Binder, Prof. Dr. Andreas and Mittelstedt, Prof. Dr. Christian
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 3 May 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der energetischen Bewertung und Auslegung eines Schwungradspeichersystems (FESS). Zuerst wird eine quantitative Bewertung der energetischen Performance der mit Schwungrädern ausgerüsteten Systeme gegeben. Zwei Systeme wurden hierfür ausgewählt: Eine 5 kWp (kWp: Spitzenleistung) Haushalts-PV-Anlage mit einem 3 kWh-Schwungrad zur Speicherung der am Tag überschüssigen erzeugten Energie und ein Straßenbahnsystem mit einem 1,5 kWh-Onboard-Schwungrad, welches zurückgewonnene Bremsenergie speichert. Das Energiesparpotential der Systeme wird auf Grundlage der vorhandenen Profilkurven und des modellierten FESS unter Berücksichtigung verschiedener Verlustgruppen berechnet. Die Ergebnisse zeigen eine Energieeinsparung durch den Einsatz von Schwungrädern für beide Systeme: 15,1 % für die PV-Anlage und 20,9 % für das Straßenbahnsystem. Jedoch ist die Energie-effizienz durch den Einsatz des Schwungrads in der PV-Anlage nur 40 % und damit deutlich geringer als 75,5 % bei der Straßenbahn. Der Hauptgrund ist, dass die hohe Selbstentladung aufgrund von internen Verlusten in FESS (7,7 % der maximalen gespeicherten Energie pro Stunde) einen beträchtlichen Energieverlust für den Langzeit-Leerlaufbetrieb (für einige Stunden) des Schwungrads zwischen Laden und Entladen in der PV-Anlage verursacht. Der Lade-/Entladezyklus im Straßenbahnsystem ist zum Vergleich viel kürzer (ca. 1 min), so dass die Selbstentladung weniger in das Gewicht fällt. Dies führt zu einer höheren Energie-Effizienz des Schwungrads von 75,5 %. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und Bau eines Prototyps eines Schwungrads, um die energetische Bewertung und die Implementierung von Hochgeschwindigkeitstechnologien zu verifizieren. Der Demonstrator hat ein Energiespeichervermögen von 0,5 kWh bei maximaler Betriebsdrehzahl von 24000 min-1; die Nennleistung beträgt 35 kVA. Diese Arbeit stellt die Entwurfsmethodik für die Schlüsselkomponenten des Schwung-rads vor. Für den Schwungradrotor ist ein Rotorkörper mit konstanter Dicke mit einem Trägheitsmoment von 0,57 kg⋅m2 entworfen worden. Die mechanischen Probleme bezüglich der Belastung durch die Zentrifugalkraft werden analysiert und die mechanischen Spannungen berechnet. Konstruktionsthemen wie Auswuchtung und die Rotorhärtung werden ebenfalls diskutiert. Als Energiewandlungskomponente wird eine 4-polige permanentmagneterregte Synchronmaschine entworfen. Geringste Verluste im Rotor sind aufgrund der geringen Rotorkühlung im Vakuum erforderlich. Daher sind die oberflächenmontierten Magnete segmentiert, so dass die Wirbelstromverluste auf 28,4 W (ca. 0,1 % der Nennleistung) reduziert werden können. Die berechneten Wirkungsgrade bei zwei definierten Betriebspunkten liegen beide über 96 %. Basierend auf dem konstruierten Rotor und der PM-Maschine werden Magnetlager ausgewählt und das Gehäuse mit Kühlmantel ausgelegt. Die Komponenten werden zusammengesetzt und ein komplettes System wird aufgebaut, das sowohl durch ein 3D-CAD Programm als auch durch einen Prototyp validiert wird. Die Hauptprobleme bezüglich der Komponentenbearbeitung und der Montagearbeit werden vorgestellt. Aus Sicherheitsgründen wurden zwei Außengehäuse als Vakuum- und auch als Berstschutz-Gehäuse im Fall eines Rotorbruchs ausgelegt. Die Verlustanalyse wird für die PM-Maschine, die Magnetlager und auch die Luftreibung des Rotors durchgeführt. Ein Parameter-Netzwerk des Systems wird für die thermische Analyse entworfen. Um die Wärmeabstrahlung des Rotors zu verbessern, ist dieser schwarz lackiert. Der berechnete Temperaturanstieg am schwarz lackierten Rotor beträgt ca. 87.4 K für den Dauerbetrieb und 73.0 K für den Betrieb mit der angenommenen Einschaltdauer für einen Zyklus. In Bezug zur Temperaturgrenze von 141 °C für die C-Faser-Bandage des E-Maschinenrotors kann das System durch den geplanten Arbeitszyklus mit einer thermischen Toleranz von 28 K betrieben werden und ist somit für einen Dauerbetrieb geeignet. Das Design des Schwungrad-Prototyps wird durch FEM-Berechnungen und den Prototypenbau validiert. Es wurden Messungen am Prototyp durchgeführt, um die Performance zu überprüfen, einschließlich Schleudertest des Rotors und Schwebetest. Am Ende der Arbeit wird eine konzeptionelle Konstruktion einer Hochleistungsmaschine für 150 kW als ein Ausblick für die Anwendung des Schwungrades in Straßenbahnsystemen vorgestellt. Darüber hinaus wird ein Rotordesignbeispiel mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff vorgeschlagen, mit dem eine höhere Energiedichte erreicht werden soll. Ebenfalls erfolgt ein Ausblick für weitere zukünftige strukturelle Optimierungen.German
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