風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，包括：風機，所述風機為垂直軸風機，帶有葉片和轉(zhuǎn)子；所述的葉片和轉(zhuǎn)子機械連接；空氣推力軸承，位于風機下方，連接并支撐風機；發(fā)電機，其由該轉(zhuǎn)子進行驅(qū)動；電力轉(zhuǎn)換器，與發(fā)電機連接，并且控制從所述發(fā)電機向電力系統(tǒng)或用電設備輸出電力；還包括運動機械能儲存單元，連接風機和發(fā)電機，進而通過發(fā)電機連接到電力轉(zhuǎn)換器。本實用新型通過機械能儲能單元，利用物理方法實現(xiàn)風能儲能，突破了化學電池的局限。采用垂直軸風機和空氣推力軸承；采用運動機械能儲存單元儲存與釋放能量，先儲能，再發(fā)電，發(fā)電不再受風力大小影響，保證電力質(zhì)量。適用于別墅用電及小型社區(qū)、小型微波通訊站、移動通信基站等。
【專利說明】風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種風力發(fā)電裝置，尤其涉及一種風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]在各種分布式發(fā)電技術中，風力發(fā)電作為一種安全可靠的清潔能源，受到了各國能源界的青睞。20世紀90年代初以來，風力發(fā)電的發(fā)展十分迅速，世界風電裝機容量的年平均增長率超過了 30%。據(jù)估計，世界風電機組的裝機容量到2020年將會達到12.45億kW，占到世界電力消費量的12%。因此，風能將是21世紀最有發(fā)展前景的綠色能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的主要新動力源。中國是繼美國之后世界第二大能源消費國，而中國的煤炭資源卻十分貧乏。發(fā)展中國的風力發(fā)電事業(yè)，對于保持中國經(jīng)濟的發(fā)展勢頭、對于保護環(huán)境、減低煤炭資源消耗速度有著十分明顯的經(jīng)濟、戰(zhàn)略和社會意義。
[0003]風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動力是風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當?shù)淖儞Q將其存儲為化學能或者并網(wǎng)或者直接為負載供電。
[0004]由此可見，儲能技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中具有重要的作用，表現(xiàn)在:
[0005]在獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)中(風力發(fā)電機組獨立向負荷供電)，由于風速的變化具有隨機性，而風機所捕獲的功率與風速的二次方成正比。因此，風速小的變化將引起風電機組輸出功率的較大變化，采用風電機組直接向負荷供電時，風電機組的輸出電壓和頻率都將是不穩(wěn)定的，供電電能質(zhì)量無法保證。又由于風速的變化具有間歇性的特點，當風速較低時，風電機組根本無法向負荷供電，使得供電的可靠性也難以保證。為此，獨立運行風電系統(tǒng)中通常都必須配備一定的儲能單元。儲能單元能夠在風能較充足時，將風電機組盈余的電能儲存起來，當風能不足時，將儲能裝置中儲存的能量釋放出來給負荷供電，當風速較低導致風電機組不能正常工作時，由儲能單元單獨向負荷供電。采用這種方法，就可以實現(xiàn)對風電輸出功率的有效緩沖，不僅可以提高風能的利用效率，而且提高了風電機組向負荷供電的可靠性。
[0006]目前實際運行的風力發(fā)電系統(tǒng)中，儲能單元通常選擇蓄電池儲能。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的投資非常大，根據(jù)資料顯示，蓄電池儲能設備的投資占到了風電系統(tǒng)投資的I /3左右。然而蓄電池體積龐大且昂貴，其壽命又往往較短，通常僅為風機壽命的1/2，同時，蓄電池的充放電對溫度比較敏感，頻繁充放電時的故障率非常高，因此導致運行維護困難。此外，蓄電池報廢后也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型通過機械能儲能單元，利用物理方法實現(xiàn)風能儲能，突破了化學電池的局限，提供了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置。并擺脫了傳統(tǒng)風力發(fā)電輸出功率隨風力大小變化不穩(wěn)，輸出不能按照電力需求供給的弊端。
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型通過下述技術方案得以解決:
[0009]一種風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，包括:風機，所述風機為垂直軸風機，帶有葉片和轉(zhuǎn)子；所述的葉片和轉(zhuǎn)子機械連接；空氣推力軸承，位于風機下方，連接并支撐風機；發(fā)電機，其由該轉(zhuǎn)子進行驅(qū)動；電力轉(zhuǎn)換器，其與該發(fā)電機電連接，并且控制從所述發(fā)電機向電力系統(tǒng)輸出的電力；還包括運動機械能儲存單元，所述運動機械能儲存單元連接風機和發(fā)電機，進而通過發(fā)電機連接到電力轉(zhuǎn)換器。
[0010]針對以上技術方案的進一步改進，所述的運動機械能儲存單元，它包括機座、控制器和變速箱，還包括主動軸，主動軸通過第一離合器與變速箱連接，在主動軸上還通過若干個第二離合器并聯(lián)安裝有若干個內(nèi)設平面蝸卷彈簧的儲能裝置。
[0011]針對以上技術方案的進一步改進，所述儲能裝置包括從動軸、平面蝸卷彈簧和儲能筒，以及由I個太陽輪、3個行星輪、I個齒圈構成的行星齒輪機構；所述太陽輪與從動軸固接；儲能筒設置在齒圈外側并作為行星架支撐3個行星輪；3個行星輪的行星軸在進入儲能筒內(nèi)的位置上各設置一根或并聯(lián)多根平面蝸卷彈簧；平面蝸卷彈簧一端與行星軸連接，另一端連接儲能筒；主動軸從從動軸的內(nèi)部通過，從動軸的一端和主動軸通過第二離合器連接。
[0012]針對以上技術方案的進一步改進，在所述每個儲能裝置上設置一個在該儲能裝置儲能到一定量后自動連接下一個儲能裝置使其開始工作的連動控制裝置。
[0013]針對以上技術方案的進一步改進，所述連動控制裝置包括一個連動齒輪，其外齒與齒圈的外齒嚙合；還包括與連動齒輪固定的連動軸、限位滑槽、限位螺母，以及在限位滑槽兩端各安裝一個限位開關；還包括連動控制系統(tǒng)；所述連動軸在位于限位滑槽上方的一段為螺紋，限位螺母擰在該螺紋上，且限位螺母的下部卡在限位滑槽內(nèi)。
[0014]針對以上技術方案的進一步改進，所述兩個限位開關均為微動開關，其中一個為儲能限位開關，另一個為釋能限位開關，分別在儲能時或釋能時被限位螺母觸動后由連動控制系統(tǒng)將下一個儲能裝置的第一離合器和第二離合器合上，同時將當前儲能裝置的第離合器和第二離合器脫開。
[0015]針對以上技術方案的進一步改進,轉(zhuǎn)子通過傳動機構,帶動所述的主動軸轉(zhuǎn)動。
[0016]針對以上技術方案的進一步改進，所述的在傳動機構為傳動帶或齒輪機構。
[0017]針對以上技術方案的進一步改進,主動軸還連接發(fā)電機。
[0018]針對以上技術方案的進一步改進，所述控制器連接并控制主動軸連接到發(fā)電機或/和連接到轉(zhuǎn)子，或既不連接到發(fā)電機也不連接到轉(zhuǎn)子。便于控制運動機械能儲存單元的儲能、釋能或關閉。
[0019]本實用新型通過機械能儲能單元，利用物理方法實現(xiàn)風能儲能，突破了化學電池的局限。采用垂直軸風機，有效風力截面積>70%，受風與阻風面積比>70% ;采用空氣推力軸承，減少垂直軸向軸承壓力及阻力；采用運動機械能儲存單元儲存與釋放能量，先儲能，再發(fā)電，發(fā)電不再受風力大小影響，保證電力質(zhì)量。適用于別墅用電及小型社區(qū)、小型微波通訊站、移動通信基站等。
【專利附圖】
【附圖說明】[0020]圖1為本實用新型整體結構示意圖；
[0021]圖2是本實用新型運動機械能儲能單元的立體結構示意圖；
[0022]圖3是本實用新型運動機械能儲能單元的俯視示意圖；
[0023]圖4是圖3中的A-A剖面圖；
[0024]圖5是圖3中的B-B剖面圖；
[0025]圖6是圖3中的C-C剖視圖；
[0026]圖7是本實用新型中儲能裝置的俯視剖視圖；
[0027]圖8是本實用新型中儲能裝置的半機構簡圖；
[0028]圖9是本實用新型實施例風機結構示意圖；
[0029]其中:1-控制器I ;2_變速箱；3_第一離合器；4_軸座；6_第二離合器；7_儲能裝置；7a-軸座；7b-齒圈；7c-儲能筒；7d-連動軸;7e_限位滑槽；7f-限位螺母；7g-連動齒輪；7h-軸座；71-行星輪；7j-行星軸；7k-太陽輪；7m-平面蝸卷彈簧；7n_釋能限位開關；7p_儲能限位開關；8-鋼繩；9-風機；10_主動軸；11_剎車器；12_從動軸；13_發(fā)電機；14_電力轉(zhuǎn)換器；15-運動機械能儲能單元；16-空氣推力軸承；21_葉片；22_通風口 ；23-連接軸；24_擋風板；25_轉(zhuǎn)子。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖與【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細描述:
[0031]一種風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，如圖1所示，包括:風機9 ;空氣推力軸承16，位于風機9下方，連接并支撐風機9 ;發(fā)電機13，其由該轉(zhuǎn)子進行驅(qū)動；電力轉(zhuǎn)換器14，其與該發(fā)電機13電連接，并且控制從所述發(fā)電機13向電力系統(tǒng)輸出的電力；還包括運動機械能儲能單元15,所述運動機械能儲能單元15連接風機9和發(fā)電機,進而通過發(fā)電機連接到電力轉(zhuǎn)換器14。
[0032]如圖9所示，所述的風機9包括用于承受風力的葉片21 ;連接若干葉片21的轉(zhuǎn)子25 ;所述的葉片21上設有多個通風口 22 ;所述葉片21上還設置有與通風口 22相適配的擋風板24，所述的擋風板24通過連接軸23連接在葉片21上。當通風口 22被擋風板24覆蓋住時，葉片21無法透風，受到風的阻力進而推動轉(zhuǎn)子25轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)風機9的作用。
[0033]圖中下方葉片21為外側受風，由于連接軸23固定在葉片21內(nèi)壁上，使擋風板24只能向葉片21內(nèi)側開啟，擋風板24受到風力作用向內(nèi)展開，使通風口 22開啟，風透過通風口 22流到葉片21內(nèi)側，減小下方葉片21受到的阻力作用。
[0034]圖中上方葉片21為內(nèi)側受風，由于連接軸23固定在葉片21內(nèi)壁上，使擋風板24只能向葉片21內(nèi)側開啟，擋風板24受到風力作用向外擋住通風口 22，由于擋風板24采用橡膠材料且面積大于通風口 22，使通風口 22完全封閉；上方葉片21受到風力作用，進而帶動轉(zhuǎn)子25轉(zhuǎn)動。這樣，上方葉片21受風力作用大，下方葉片21受風力作用小，形成一個力矩，風車無需控制方向即可自行轉(zhuǎn)動起來了。
[0035]所述轉(zhuǎn)子25的下方鏈接空氣推力軸承16，減少垂直軸向軸承壓力及阻力。
[0036]如圖2、圖3所示，所述的運動機械能儲能單元15，它包括機座、控制器I和變速箱2，還包括主動軸10，主動軸10通過第一離合器3與變速箱2連接，在主動軸10上還通過若干個第二離合器6并聯(lián)安裝有若干個內(nèi)設平面蝸卷彈簧7m的儲能裝置7。[0037]如圖7、圖8所示，所述儲能裝置7包括從動軸12、平面蝸卷彈簧7m和儲能筒7c，以及由I個太陽輪7k、3個行星輪71、l個齒圈7b構成的行星齒輪機構；所述太陽輪7k與從動軸12固接；儲能筒7c設置在齒圈7b外側并作為行星架支撐3個行星輪7i ；3個行星輪7i的行星軸7j在進入儲能筒7c內(nèi)的位置上各設置一根或并聯(lián)多根平面蝸卷彈簧7m ；平面蝸卷彈簧7m —端與行星軸7j連接，另一端連接儲能筒7c ;主動軸10從從動軸12的內(nèi)部通過，從動軸12的一端和主動軸10通過第二離合器6連接。為簡化圖形，圖8中只畫出了儲能裝置7中機構的一半。
[0038]本實用新型中所有第一離合器3、第二離合器6均為摩擦式電磁離合器，選擇該種離合器可以在主動軸10轉(zhuǎn)動時進行動態(tài)離合。
[0039]如圖7所示，在從動軸12上靠近儲能筒7c處裝剎車器11，以在從動軸12與第二離合器6脫開后對從動軸12進行制動，剎車器11的輪毅則與儲能筒7c固定。
[0040]在所述每個儲能裝置7上設置一個在該儲能裝置7儲能到一定量后自動連接下一個儲能裝置7使其開始工作的連動控制裝置。連動控制裝置對具體某個儲能裝置的選用進行控制，保證只有一組儲能裝置7與主動軸10連接。
[0041]如圖6、圖7、圖8所示，所述連動控制裝置包括一個連動齒輪7g，其外齒與齒圈7b的外齒嚙合；還包括與連動齒輪7g固定的連動軸7d、限位滑槽7e、限位螺母7f，以及在限位滑槽7e兩端各安裝一個限位開關；還包括連動控制系統(tǒng)；所述連動軸7d在位于限位滑槽7e上方的一段為螺紋，限位螺母7f擰在該螺紋上，且限位螺母7f的下部卡在限位滑槽7e內(nèi)。
[0042]兩個限位開關均為微動開關，一旦限位螺母7f在限位滑槽7e內(nèi)移動到某個限位開關并觸動它，便可啟動連動控制系統(tǒng)。如圖6中所示，限位開關一個為儲能限位開關7p一個為釋能限位開關7n，分別在儲能時或釋能時被限位螺母7f觸動后由連動控制系統(tǒng)將下一個上作的儲能裝置的離合器合上，同時將當前儲能裝置的離合器脫開。
[0043]如圖3、5、7所示，主動軸10和各儲能裝置7內(nèi)的從動軸12及連動軸7d兩端均通過軸座4、軸座7a、軸座7h固定在機座上，儲能裝置7的儲能筒7c也與機座固定，圖中為使機構表達清楚，未畫出機座。
[0044]風機9的轉(zhuǎn)子25通過傳動機構,帶動所述的主動軸10轉(zhuǎn)動。所述的在傳動機構為傳動帶或齒輪機構。主動軸10還連接發(fā)電機13。所述控制器I控制主動軸10連接到發(fā)電機13或連接到轉(zhuǎn)子25，或既不連接到發(fā)電機13也不連接到轉(zhuǎn)子。便于控制運動機械能儲能單元15的儲能、釋能或關閉。
[0045]本系統(tǒng)工作的工作原理如下:
[0046]當風力充足時，由轉(zhuǎn)子25連接發(fā)電機13，控制器I控制運動機械能儲存單元15連接到轉(zhuǎn)子25。風機9的葉片21在風力作用下帶動轉(zhuǎn)子25轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)動機構，如皮帶或齒輪傳動，帶動主動軸10轉(zhuǎn)動。主動軸10與減速箱2連接的第一離合器3脫開。初始階段，控制主動軸10上與第一個儲能裝置7的從動軸12連接的第二離合器6合上，該儲能裝置7的從動軸12就能和主動軸10同步轉(zhuǎn)動，太陽輪7k也同步轉(zhuǎn)動如順時針轉(zhuǎn)動，而行星輪7i則逆時針轉(zhuǎn)動，如圖5所示的3組平面蝸卷彈簧7m由于與行星輪7i為同軸(行星軸7j)轉(zhuǎn)動，即逆時針轉(zhuǎn)動，其為擰緊過程便實現(xiàn)儲能目的。當行星齒輪機構運行時，齒圈7b使連動齒輪7g跟著逆時針轉(zhuǎn)動，連動軸7d轉(zhuǎn)動后，其上的限位螺母7f在限位滑槽7e內(nèi)向右移動。當限位螺母7f移動到圖5中虛線位置，并進一步觸動儲能限位開關7p后，說明平面蝸卷彈簧7m己擰緊到一定程度即儲存一定能量，連動控制系統(tǒng)則立即控制第二個儲能裝置的離合器合上開始儲能，同時將第一個儲能裝置的離合器脫開不再儲能，并控制剎車器11夾緊從動軸12，使其不會反向轉(zhuǎn)動將平面蝸卷彈簧7m剛儲存的能量釋放。依此過程，當?shù)诙€儲能裝置儲存到定能量后，再自動連接下個儲能裝置進行儲能。
[0047]當風力不足時，控制器I控制運動機械能儲存單元15連接到發(fā)電機13，利用運動機械能儲存釋放裝置儲存的能量帶動發(fā)電機發(fā)電。控制器I將主動軸10上與減速箱2連接的第一離合器3合上，變速箱2變速，再驅(qū)動主動軸10逆時針轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機13發(fā)電。初始階段，將主動軸10與儲能時使用的最后一個儲能裝置的從動軸連接的離合器合上，井控制剎車器11放松從動軸12使其可以轉(zhuǎn)動，該儲能裝置的從動軸12就能和主動軸10同步轉(zhuǎn)動，太陽輪7k也同步轉(zhuǎn)動即逆時針轉(zhuǎn)動,如圖4所示,而行星輪7i則順時針轉(zhuǎn)動,3組平面蝸卷彈簧7m同行星輪7i —樣逆時針轉(zhuǎn)動，其放松過程便實現(xiàn)釋能目的。當行星齒輪機構運行時，此時齒圈7b使連動齒輪7g跟著順時針轉(zhuǎn)動，連動軸7d轉(zhuǎn)動后，其上的限位螺母7f在限位滑槽7e內(nèi)向左移動。當限位螺母7f從圖5中虛線位置再次回到初始位置，并進一步觸動釋能限位開關7n后，說明平面蝸卷彈簧7m已放松到一定程度即釋放一定能量，連動控制系統(tǒng)則立即控制下一個將工作的儲能裝置的離合器合上開始釋能，同時將當前儲能裝置的離合器脫開不再釋能。依此過程，當?shù)诙€儲能裝置釋放一定能量后，再自動連接下一個儲能裝置進行釋能，從而帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)發(fā)電。
[0048]電力轉(zhuǎn)換器14與發(fā)電機13連接，并且控制從所述發(fā)電機13向電力系統(tǒng)輸出的電力。
[0049]以上對本實用新型所提供的一種風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置進行了詳細介紹，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本實用新型實施例的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，例如附圖中所給出的只是本實施例的一種情況。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本實用新型的限制。
【權利要求】
1.一種風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，包括: 風機，所述風機為垂直軸風機，帶有葉片和轉(zhuǎn)子；所述的葉片和轉(zhuǎn)子機械連接； 空氣推力軸承，位于風機下方，連接并支撐風機； 發(fā)電機，其由該轉(zhuǎn)子進行驅(qū)動； 電力轉(zhuǎn)換器，其與該發(fā)電機電連接，并且控制從所述發(fā)電機向電力系統(tǒng)或用電設備輸出的電力； 其特征在于，還包括運動機械能儲存單元，所述運動機械能儲存單元連接風機和發(fā)電機，進而通過發(fā)電機連接到電力轉(zhuǎn)換器。
2.根據(jù)權利要求1所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:所述的運動機械能儲存單元，它包括機座、控制器和變速箱，還包括主動軸，主動軸通過第一離合器與變速箱連接，在主動軸上還通過若干個第二離合器并聯(lián)安裝有若干個內(nèi)設平面蝸卷彈簧的儲能裝置。
3.根據(jù)權利要求2所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:所述儲能裝置包括從動軸、平面蝸卷彈簧和儲能筒，以及由I個太陽輪、3個行星輪、I個齒圈構成的行星齒輪機構；所述太陽輪與從動軸固接；儲能筒設置在齒圈外側并作為行星架支撐3個行星輪；3個行星輪的行星軸在進入儲能筒內(nèi)的位置上各設置一根或并聯(lián)多根平面蝸卷彈簧；平面蝸卷彈簧一端與行星軸連接，另一端連接儲能筒；主動軸從從動軸的內(nèi)部通過，從動軸的一端和主動軸通過第二離合器連接。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:在所述每個儲能裝置上設置一個在該儲能裝置儲能到一定量后自動連接下一個儲能裝置使其開始工作的連動控制裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:所述連動控制裝置包括一個連動齒輪，其外齒與齒圈的外齒嚙合；還包括與連動齒輪固定的連動軸、限位滑槽、限位螺母，以及在限位滑槽兩端各安裝一個限位開關；還包括連動控制系統(tǒng)；所述連動軸在位于限位滑槽上方的一段為螺紋，限位螺母擰在該螺紋上，且限位螺母的下部卡在限位滑槽內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求5所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:所述兩個限位開關均為微動開關，其中一個為儲能限位開關，另一個為釋能限位開關，分別在儲能時或釋能時被限位螺母觸動后由連動控制系統(tǒng)將下一個儲能裝置的第一離合器和第二離合器合上，同時將當前儲能裝置的第離合器和第二離合器脫開。
7.根據(jù)權利要求2或3或5所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:轉(zhuǎn)子通過傳動機構，帶動所述的主動軸轉(zhuǎn)動。
8.根據(jù)權利要求7所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:所述的在傳動機構為傳動帶或齒輪機構。
9.根據(jù)權利要求2或3或5所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:主動軸還連接發(fā)電機。
10.根據(jù)權利要求2或3或5所述的風力轉(zhuǎn)化為機械能儲能裝置，其特征在于:所述控制器連接并控制主動軸連接到發(fā)電機或/和連接到轉(zhuǎn)子，或既不連接到發(fā)電機也不連接到轉(zhuǎn)子。
【文檔編號】F03D9/02GK203532167SQ201320640147
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權日:2013年10月17日
【發(fā)明者】李同強, 黃亮, 楊靜, 王粵 申請人:李同強