CN101968038B - 一种利用弹簧储能的风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力发电装置，它使用弹簧存储风能，多个弹簧储能模块根据负载要求共同提供压力能驱动发电机发电。多个弹簧储能模块由差动齿轮箱(组)连接在一起，通过从弱到强的逐级压缩直接存储输入的机械能，替代蓄电池的储能作用。差动齿轮箱的特征是：提供一个输入轴、若干个级联中间轴和若干个输出轴，输入轴连接风轮机械转动；级联中间轴即是下一级差动齿轮箱的输入轴；输出轴连接弹簧储能模块；输入轴的能量传递给输出轴进行弹簧储能的同时，能将剩余的机械能传递给级联轴。每个弹簧储能模块驱动一个液压油泵，多个液压油泵并联，再串联恒压阀、储压缸、液压调速阀，依据负荷大小释放弹簧能驱动液压马达带动发电机产生稳定的功率输出。

Description

一种利用弹簧储能的风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电的机械装置，它使用多级模块化的弹簧储能单元进行风能的存储并进行电能的转换。
背景技术
风力发电机组根据发电功率规模可分为小型水平轴和大型风力发电机组等类型。在我国，目前以小功率的单机为主，其储能系统依赖传统的蓄电池，潜在严重的污染环境问题，且回收成本较高；而大型风力发电机组方面的关键技术目前尚掌握在少数发达国家手中，进口设备成本较高。从原理上讲，大型风力发电机组通常由两大部分组成：气动机械部分和电气部分，气动机械部分通过风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴等装置将风能转换为机械能，以驱动发电机转子；电气部分包括异步发电机、电力电子变频器和变压器等，将机械能再转换为频率恒定的电能，其间风能的存储也是通过使用蓄电池存储转换之后的电能来实现的。
发明内容
本发明由两个部分组成：模块化的多级弹簧储能装置，以及用于风力发电时风能-弹簧能-电能转换装置。这些装置在弱风情况下就可以通过逐级压缩多个弹簧储能单元来存储风能，替代传统的蓄电池储能；每个弹簧储能单元可以按照不同的弹性系数进行设置，随着风速的提高，通过级联多个储能单元满足不同的储能功率要求。在无风时，由多个级联的弹簧储能单元共同提供压力能驱动发电机。
在弹簧储能装置上要解决的技术问题是：弹簧储能装置的模块化以及机械能的分级存储。为提高弹簧的储能容量，目前公知的方案为多个弹簧的并联或串联，本发明提供一种模块化的弹簧储能单元，以级联的方式存储能量。用于风力发电的风能-弹簧能-电能转换装置要解决的技术问题是：无需配备变频调频设备的情况下，无论风速如何变化，都可以捕捉到风能并储存到多个弹簧储能单元中，并能根据电网负荷的变化进行发电机的自动调速。
模块化多级弹簧储能装置解决其技术问题所采用的技术方案如下。一个储能单元由一个差动齿轮组和一个弹簧储能模块组成；差动齿轮组提供三个标准的接口：输入轴、输出轴和级联中间轴。输入轴将扭矩均匀地传给输出轴和级联中间轴，输出轴连接弹簧储能模块，存储输出轴的机械能；级联中间轴用于连接另一个储能单元的输入轴。差动齿轮组根据输出轴的负载差异(弹簧储能模块尚余的存储容量)，将输入的机械能通过输入轴/级联中间轴实现由弱到强的逐级传递。若干个差动齿轮组通过输入轴/级联轴相连可以组成一个差动齿轮箱，第一级输入轴接收来自风轮的扭矩，通过若干个级联轴和输出轴，实现逐级储能效果。每个输出轴安装棘轮止回装置和刹车装置，利于弹簧储能模块的拆装和修理。输出轴与弹簧储能模块间可增设减速齿轮，满足不同风力(包括弱风力)条件下捕捉能量的需要。
风能-弹簧能-电能转换装置解决其技术问题所采用的技术方案如下。在储能方面，利用弹簧储能模块将输入的风能(机械能)转换为弹簧能存储；同时，每个弹簧储能模块带动一个高压油泵，多个高压油泵并联供压力油到液压马达，带动发电机发电，将弹簧能转换为电能输出。每个弹簧储能模块由三部分构成：输入轴、平面渦卷弹簧组和输出轴，输入轴与差动齿轮组的输出轴相连，接收输入的风能(机械能)并压缩平面渦卷弹簧组，后者的弹性系数和数量可按照要求的存储功率大小来配置；输出轴用平面渦卷弹簧释放的能量带动与之相连的柱塞油泵。多个柱塞油泵各自连接一个单向阀后并联在一起，通过恒压阀、储压缸和调速液压阀带动液压马达，由液压马达驱动发电机产生稳定的220V 50Hz的交流电输出。
本发明的有益效果是，利用机械弹簧储能而不需蓄电池，是绿色、环保的储能装置，尤其适用于偏远山区，海岛等的离网风力发电；结构简单，通过增加/卸除弹簧储能模块即可满足不同储能容量要求，只要配置足够多的储能单元就可以储存足够多的风能，供发电。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
图1是差动齿轮箱的差动原理示意图。
图中1-输入轴；2、6、8、9-轴承；3-中间轴承；4-输出传动轴；5-级联中间轴；7、10-输出齿轮；11、12-止回、刹车装置；13-轴承。
图2是弹簧储能模块结构示意图。
图中1-输入轴；2、6-轴承；3-弹簧外圈；4-平面涡卷弹簧；。5-传动齿轮；7-柱塞液压油泵；8-输出传动轴。
图3是本发明风能-弹簧能-电能转换装置总布置结构示意图。
图中1-风轮；2-传动扇型齿轮；3-风向舵；4-差动齿轮箱；5-弹簧储能模块；6-单向阀；7-液压油马达；8-发电机；9-安全溢流阀；10-蓄压油缸；11-恒压阀；12-液压调速阀。
具体实施方式
在图1中，输入轴(1)连接风叶，接收风能输入；输出齿轮(7)、(10)连接弹簧储能模块(见图2)；级联中间轴(5)即为第二级差动齿轮组的输入轴，实现多个差动齿轮组的串联。
在图2中，输入轴(1)连接某个差动齿轮组的输出齿轮(见图1)，接收风能输入；平面渦卷弹簧(4)存储输入轴(1)的转动机械能为弹簧能；传动齿轮(5)与平面渦卷弹簧(3)的箱外圈相连，将弹簧能再次转换为机械能，驱动柱塞油泵(7)。平面渦卷弹簧(4)在存储输入轴(1)的输入能量的同时，可以通过传动齿轮(5)释放能量。当风能输入大于柱塞油泵输出能量时，平面渦卷弹簧(2)存储多余部分的能量，否则，当无风或风能输入小于电力负载需求时，平面渦卷弹簧(4)根据负载的大小释放所存储的能量进行发电。一方面存储了多余的风能以备无风或弱风时使用，另一方面起到了根据电网负荷变化自动调速的作用。
在图3中，差动齿轮箱(4)的构造参见图1，弹簧储能模块(5)的构造参见图2。每个柱塞油泵(7)(图2中)通过单向阀(6)并联在一起。恒压阀(11)、储压缸(10)和调速液压阀(12)相串联，提供恒速的液压油带动液压马达(7)，最终驱动发电机(8)产生电能。

Claims (2)

1.一种组合多组弹簧储能模块的储能装置，利用多组弹簧储能模块共同存储输入的机械能，所述多组弹簧储能模块通过差动齿轮箱连接在一起，该齿轮箱特征为：提供一个输入轴、若干级联中间轴和若干输出轴，输入轴连接风力或其他动力源的机械转动输入，级联中间轴即为差动齿轮箱的下一级差动齿轮组的输入轴，每个输出轴连接一组所述的弹簧储能模块，输入轴的能量传递给输出轴进行弹簧储能的同时根据弹簧储能模块尚能储存能量的大小，决定传递给级联中间轴的机械能大小，从而完成从弱到强压缩各组弹簧储能模块的具有不同弹性系数的弹簧的功能。
2.一种风能-电能转换装置，将风能转换为电能输出，其特征是：在风能转换到电能的过程中，增加一个机械能存储和释放过程，即风能先转换为权利要求1所述的组合多组弹簧储能模块的储能装置的弹簧能，再依据负荷大小释放弹簧能驱动液压马达带动发电机发电，其中，每个所述的弹簧储能模块驱动一个柱塞油泵，多个柱塞油泵并联，再串联恒压阀、储压缸、调速液压阀和液压马达和发电机。
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