專利名稱：機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是一種機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為一種清潔的可再生能源發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了快速地發(fā)展。然而目前風(fēng)電技術(shù)特別是小型風(fēng)電存在如下幾個(gè)重要問題首先，風(fēng)能的波動(dòng)性和間歇性將造成輸出功率的大幅變動(dòng)，對(duì)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響；其次，傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)為剛性機(jī)電耦合系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)葉片、主軸和電機(jī)等部件承受很大的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致其故障率居高不下，維護(hù)成本高；再次，目前小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般沒有對(duì)風(fēng)電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，導(dǎo)致風(fēng)能利用系數(shù)比較低，最高僅在0.3左右；最后，小型風(fēng)電系統(tǒng)大多采用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，但存在保養(yǎng)要求高、循環(huán)壽命短、且對(duì)環(huán)境有極大污染等缺陷。能量存儲(chǔ)是平抑風(fēng)能波動(dòng)性和間歇性的有效手段之一。作為應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能方式，蓄電池在使用過程中有諸多限制和問題，如不能過充過放，SOC難以估計(jì)、循環(huán)壽命短等，且在生產(chǎn)過程及廢棄處理中對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。而壓縮空氣儲(chǔ)能具有易于檢測(cè)和控制、環(huán)境污染小，等諸多優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，被認(rèn)為是新世紀(jì)極具前景的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。當(dāng)前研究的壓縮空氣蓄能技術(shù)主要是利用用電低谷的電力，采用空氣壓縮機(jī)將壓縮空氣儲(chǔ)存在封閉的巖洞內(nèi)；在用電高峰時(shí)，壓縮空氣與天然氣混合、燃燒、膨脹以驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在這種方式中，壓縮空氣儲(chǔ)能主要作用為削峰填谷，且工作過程對(duì)環(huán)境依然有污染。目前小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)普遍采用不控整流加可控逆變的結(jié)構(gòu)，并使用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，掛接到直流母線上。對(duì)于風(fēng)能的波動(dòng)造成的沖擊，可以通過蓄電池及變流器進(jìn)行吸收和消除。這樣雖然可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行，但對(duì)設(shè)備的可靠性提出了更高的要求蓄電池的充放電電流不能過大，需要增加相應(yīng)的保護(hù)措施。而在實(shí)際系統(tǒng)中，出于降低成本考慮，該部分通常十分簡(jiǎn)單甚至沒有。而變流器由于器件限制，對(duì)于較大的電壓電流沖擊極易造成損壞，導(dǎo)致故障率高、穩(wěn)定性和可靠性較差等。針對(duì)電氣耦合出現(xiàn)的上述問題，人們提出了在風(fēng)電系統(tǒng)的前端，即機(jī)械部分進(jìn)行耦合以期減小和消除風(fēng)力波動(dòng)對(duì)后端電氣設(shè)備的沖擊和影響。實(shí)用新型專利 W02008/061263利用行星齒輪為補(bǔ)償齒輪，并采用液壓傳動(dòng)裝置作為調(diào)速裝置，以實(shí)現(xiàn)在風(fēng)速變化時(shí)發(fā)電機(jī)的恒速運(yùn)行。而中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)201010602586(公開號(hào) CN102013762A)同樣使用了行星齒輪作為變速器，而采用力矩電動(dòng)機(jī)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置。但這兩種方式均需為調(diào)速裝置提供能量，存在控制系統(tǒng)復(fù)雜，能量利用率低，損耗大等缺點(diǎn)。中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)201110146879(公開號(hào)102230459A)設(shè)計(jì)了一種風(fēng)電互補(bǔ)型、用于生產(chǎn)壓縮空氣的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)生，且無法通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大利用率跟蹤。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以通過氣動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)渦旋式復(fù)合機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大跟蹤的功能，而且采用渦旋式復(fù)合機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，將暫時(shí)不用的多余能量以壓縮空氣的形式儲(chǔ)存起來，代替了蓄電池，極大地減輕了環(huán)境污染。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案一種機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)，所述風(fēng)力機(jī)通過電磁制動(dòng)器I與行星齒輪的行星架軸相連，所述行星齒輪的太陽輪軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與渦旋式復(fù)合機(jī)相連，所述太陽輪軸上設(shè)有電磁制動(dòng)器II或調(diào)速電機(jī)，渦旋式復(fù)合機(jī)通過氣體通路與儲(chǔ)氣裝置相連，所述氣體通路上并聯(lián)設(shè)有流量控制閥和止回閥；所述行星齒輪的齒圈通過同步傳輸帶與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與變流器相連，變流器與負(fù)載相連；所述風(fēng)力機(jī)、渦旋式復(fù)合機(jī)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)與行星齒輪的連接軸上均安裝有轉(zhuǎn)速傳感器，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端安裝有電流傳感器，所述儲(chǔ)氣罐內(nèi)安裝有氣體壓力傳感器； 所述系統(tǒng)的主機(jī)外殼上安裝有風(fēng)速傳感器；上述各傳感器的輸出信號(hào)分別通過導(dǎo)線與上位機(jī)相連；所述上位機(jī)還與控制電磁制動(dòng)器I、電磁制動(dòng)器II、流量控制閥和變流器相連。上位機(jī)輸出數(shù)字量信號(hào)用于控制電磁制動(dòng)器I和電磁制動(dòng)器II的工作狀態(tài)(制動(dòng)或切離)，以及輸出模擬量信號(hào)用于控制流量控制閥的開度大小，輸出PWM信號(hào)控制變流器IGBT的開通與關(guān)斷。所述儲(chǔ)氣裝置為儲(chǔ)氣罐。本實(shí)用新型將渦旋式復(fù)合機(jī)、風(fēng)力機(jī)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過行星齒輪連接到一起， 其中風(fēng)力機(jī)與行星齒輪的行星架軸相連，渦旋式復(fù)合機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別與行星齒輪的太陽輪軸及齒圈相連接。在風(fēng)力較大時(shí)，利用行星齒輪運(yùn)動(dòng)分解的特性，由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與渦旋式復(fù)合機(jī)共同旋轉(zhuǎn)，利用渦旋式復(fù)合機(jī)流量控制技術(shù)，將超過負(fù)載需求的多余能量通過渦旋式復(fù)合機(jī)以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)起來；在風(fēng)速較低、風(fēng)能無法完全滿足負(fù)載需求時(shí)，通過渦旋式復(fù)合機(jī)將存儲(chǔ)在壓縮空氣內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，利用行星齒輪運(yùn)動(dòng)合成特性，由渦旋式復(fù)合機(jī)與風(fēng)力機(jī)共同為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。而在無風(fēng)或風(fēng)力無法啟動(dòng)風(fēng)力機(jī)時(shí)，由渦旋式復(fù)合機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，此時(shí)風(fēng)力機(jī)不工作。本風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、變流器、儲(chǔ)氣罐、行星齒輪、渦旋式復(fù)合機(jī)等設(shè)備，以及相應(yīng)的檢測(cè)、控制和執(zhí)行裝置。其中各部分的主要功能為風(fēng)力機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，用于吸收風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及相應(yīng)的變流設(shè)備用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為適合負(fù)載利用的電能。儲(chǔ)氣罐用于將多余能量以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)起來。行星齒輪有三條轉(zhuǎn)動(dòng)軸允許動(dòng)力輸入/輸出，具有實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成與分解的能力。此外還可以采取機(jī)械制動(dòng)等方式來限制其中一條軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，剩下兩條軸進(jìn)行傳動(dòng)，此時(shí)行星齒輪成為一級(jí)變速裝置，并可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比。三個(gè)主要部分齒圈、太陽輪和行星架
權(quán)利要求1.一種機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)，其特征在于，所述風(fēng)力機(jī)通過電磁制動(dòng)器I與行星齒輪的行星架軸相連，所述行星齒輪的太陽輪軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與渦旋式復(fù)合機(jī)相連，所述太陽輪軸上設(shè)有電磁制動(dòng)器II或調(diào)速電機(jī)，渦旋式復(fù)合機(jī)通過氣體通路與儲(chǔ)氣裝置相連，所述氣體通路上并聯(lián)設(shè)有流量控制閥和止回閥；所述行星齒輪的齒圈通過同步傳輸帶與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與變流器相連，變流器與負(fù)載相連；所述風(fēng)力機(jī)、渦旋式復(fù)合機(jī)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)與行星齒輪的連接軸上均安裝有轉(zhuǎn)速傳感器，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端安裝有電流傳感器，所述儲(chǔ)氣罐內(nèi)安裝有氣體壓力傳感器；所述系統(tǒng)的主機(jī)外殼上安裝有風(fēng)速傳感器；上述各傳感器的輸出信號(hào)分別通過導(dǎo)線與上位機(jī)相連；所述上位機(jī)還與控制電磁制動(dòng)器I、電磁制動(dòng)器II、流量控制閥和變流器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速傳感器包括風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、渦旋式復(fù)合機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)氣裝置為儲(chǔ)氣罐。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種機(jī)械耦合式壓縮空氣儲(chǔ)能微型混合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)，所述風(fēng)力機(jī)通過電磁制動(dòng)器I與行星齒輪的行星架軸相連，所述行星齒輪的太陽輪軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與渦旋式復(fù)合機(jī)相連，所述太陽輪軸上設(shè)有電磁制動(dòng)器II或調(diào)速電機(jī)，渦旋式復(fù)合機(jī)通過氣體通路與儲(chǔ)氣裝置相連，所述氣體通路上并聯(lián)設(shè)有流量控制閥和止回閥；所述行星齒輪的齒圈通過同步傳輸帶與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與變流器相連。該系統(tǒng)不僅可以通過氣動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)渦旋式復(fù)合機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大跟蹤的功能，而且采用渦旋式復(fù)合機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置，將暫時(shí)不用的多余能量以壓縮空氣的形式儲(chǔ)存起來，代替了蓄電池，極大地減輕了環(huán)境污染。
文檔編號(hào)F03D9/02GK202326032SQ20112051608
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者張承慧, 李珂, 王吉岱, 荊業(yè)飛, 褚曉廣 申請(qǐng)人:山東大學(xué)