CN102418674B

CN102418674B - 储能风力发电装置

Info

Publication number: CN102418674B
Application number: CN2011104448193A
Authority: CN
Inventors: 施晓明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102418674A

Abstract

本发明公开了储能风力发电装置，它包括风能转换机构、液压控制机构、提升机构、重力传动机构和输出机构，风能转换机构包括垂直轴风机、变速器（5）和液压泵（6），液压控制机构包括由顺序阀（8）、溢流阀（9）、分配阀（10）、电脑及调节阀和控制阀组成的液压控制器（7），提升机构包括液压卷扬机（12），重力传动机构包括传动轴（17）、滑轮组合体（14）、重力块（16）、传动齿轮（18）、中间齿轮（21）和液压离合器（21），输出机构包括主动轴（19）、主动齿轮（20）和发电机（24）；本发明采用风能转换液压能再转换成重力势能储存，再转换成电能，避免了风力间歇和波动性，使电能输出平稳，功率稳定，对电网无冲击，并网安全，输送更稳定，风能利用率高。

Description

储能风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电装置，尤其是涉及输出功率平稳、可任意调节、对电网无冲击，能安全并网的大功率的储能风力发电装置。

背景技术

众所周知，风力发电具有很多优点，尤其是风力发电绿色环保，不消耗能源，是新能源发展的新方向，在新能源领域最有开发价值。近几年来，我国风电发展速度快，风电装机容量也逐年翻番。但风力发电具有间歇性和波动性的特性、属于能量密度低、稳定性差、不便于调控的电能，而现有风力发电装置是由风车直接将动力作用给风电机发电的技术，严重制约风力发电事业的发展，它们在实际工作中存在以下问题：

一、发出的电流不稳定，质量差，多时大多、少时大少，并网难，对电网有冲击，上网输送困难，

二、效率低，调控能力差，

三、结构复杂，对零部件材质要求高，

四、发电成本高，造价大，安装维护难度大，费用高。

发明内容

针对上述现有技术中风力发电存在的问题，本发明提供了一种由风能转换成液压能，再转换成可储存的重力势能来发电的一种储能风力发电装置。

本发明所述储能风力发电装置包括风能转换机构、液压控制机构、提升机构、重力传动机构和输出机构，所述风能转换机构包括垂直轴风机、变速器和液压泵，所述液压控制机构包括由顺序阀、溢流阀、分配阀、电脑及调节阀和控制阀组成的液压控制器，所述提升机构包括液压卷扬机，所述重力传动机构包括传动轴、滑轮组合体、重力块、传动齿轮、中间齿轮和液压离合器，所述输出机构包括主动轴、主动齿轮和发电机；所述垂直轴风机包括风叶和由风力驱动可垂直旋轴的转动轴，所述转动轴与变速器相连，变速器与液压泵相连，液压泵与液压控制器相连，所述液压控制器与液压卷扬机和液压离合器相连，所述传动轴至少为三根，呈一字排列设置在主动轴一侧或两侧，每根传动轴上分别设置有传动齿轮和滑轮组合体，所述滑轮组合体包括外轮、内轮、行星变速器、离心稳速器和超越离合器，外轮上设置有钢索，钢索的一端固定在液压卷扬机的索筒上、另一端设置重力块，所述行星变速器和离心稳速器设置在内轮中，超越离合器设在内轮与外轮之间，主动轴与传动轴平行设置，在每个传动齿轮相对的主动轴上均设置主动齿轮，液压离合器上均设置中间齿轮和联锁装置，中间齿轮在液压离合器作用下可与传动齿轮和主动齿轮相啮合，主动轴一端与发电机相连。

所述行星变速器和离心稳速器用于控制重力块匀速下降和匀速下降速度，当外轮在重力块的作用下旋转时，所述超越离合器可使内轮与外轮同步旋转，从而使与内轮相连的传动轴旋转，达到输送扭矩；当重力块在提升机构作用下上升时，超越离合器可使外轮旋转，内轮不旋转，与内轮相连的传动轴不旋转，当重力块的下降速度超过设定的速度时，离心稳速机构中的滑块在离心力的作用下被甩出与外轮接触同，外轮转速变缓，重力块下降速变慢，传动轴旋转变慢，而下降速度达到一定值后，滑块随离心力变小慢慢的向圆心靠去，减小与外轮的接触，达到稳速的目的。

本发明的工作原理是：垂直轴风机受到风力的作用时，转动轴旋转带动变速器工作，变速器产生的扭力带动液压泵工作产生液压力，液压力通过液压控制器按设定的程序分别输入液压卷扬机和液压离合器中，每根传动轴相应设置有一套液压卷扬机和液压离合器，在液压卷扬机作用下，重力块随外轮顺时钟方向旋转，使重力块上升（此时在超越离合器作用下内轮不旋转），当重力块在重力作用下匀速下降时，（由现有技术中的行星变速器和离心稳速器保证），滑轮组合体上的外轮和内轮同步逆时钟方向旋转，内轮带动传动轴旋转并通过中间齿轮带动主动轴匀速旋转，主动轴带动发电机工作发电。

本发明所述风力发电装置工作过程是：假设液压卷扬机依次将四块重块提升至上端位置，首先第一组滑轮组合体在液压离合器的作用下，联锁机构解锁，中间齿轮与第一根传动轴传动齿轮，主动齿轮相啮合，第一块重力块在重力作用下开始匀速下降（如图5-A所示）传动轴匀速旋转，传动齿轮通过中间齿轮与主动齿轮相互啮合，主动齿轮带动主动轴匀速旋转，主动轴带动发电机匀速旋转工作发电，当第一块重力块将下降到最低位置时，第二块重力块开始匀速下降（如图5-B所示），从而使主动轴继续保持匀速旋转，发电机连续工作发电，与此同时，第一块重力块的液压卷扬机构工作，将第一块重力块提升（如图5-C所示），当第二块重力块将下降到最低位置时，第三块重力块开始匀速下降，从而使主动轴继续保持匀速旋转，发电机连续工作发电，与此同时，第二块重力块的液压卷扬机工作，将第二块重力块提升（如呼5-D所示），当第三块重力块将下降到最低位置时，第四块重力块开始匀速下降，从而使主动轴继续保持匀速旋转，发电机连续工作发电，与此同时，第三块重力块卷扬机工作，将第三块重力块提升（如图5-E所示），当第四块重力块将下降到最低位置时，第一块重力块开始匀速下降，如此周而复始，从而使主动轴保持继续匀速旋转，发电机连续工作发电。

本发明所述重力块在循环上升和下降的工作过程中，如果无风或风力很小，风机不工作，液压泵不能产生液压力的情况下，因为有重力块还处在最上端位置，还储存足够的重力势能，因此在重力块重力势能作用下，主动轴仍能继续旋转，发电机仍能连续发电，发电机在无风或风力小仍然能发电的最大时间是重力块都同时位于最上端位置时，重力块分别下降的时间总和，因此在该总时间内，即使无风产生，发电机仍能连工作发电。

本发明所述每根传动轴上的滑轮组合体均配装有一套提升机构，一套液压离合器，一块重力块，传动轴设置数量的多少（重力块数量多少）可根据风力发电装置所处的风场位置决定，风力较大无风时间少，设置的数量可偏少，风力较小无风时间长的地方设置的数量就多一些，设置的传动轴越多，装置就大，制造安装费用多，适用间歇无风时的发电时间就长，否则适用间歇无风发电时间就短，，由于重力块质量一致，传动轴和主动轴保持匀速旋转，发电机工作发出的电能稳定，不受风力大小的影响，不产生峰谷值，不会有冲击能量，使其更容易并网，确保电网安全运行。

由于重力块在运行过程中可意任的调整超越离合器的状态，使重力块任意的下落、停止，从而控制发电机的工作状态，因此本发明的工作过程更容易实现调控，实现发电过程的任意调整。

本发明所述发电机的输出功率，由重力块的质量决定，重力块的质量越大，或一次性同时作用在主动轴的重力块总质量越大，输出功率越大，所述重力块举升高度和装置大小根据设置地的气候、风力分布情况决定，根据制造、安装、维修、经济性等因素决定，原则上设置越高越好。

本发明采用低密度风能转换高密度的液压能，再由液压能转换成重力势能储存，再转换成电能，避免了风力时大时小、时有时无的间歇性、波动性的特性，使电能输出平稳，功率稳定，对电网无冲击，实现安全并网，输送更稳定、更经济，风能利用率高，发电时数高，易制造、易安装、易维护，是风力发电最经济、最安全、最简单、最有效的一种新的形式。

附图说明

图1是本发明的府视结构示意图，

图2是图1的A-A剖视结构示意图，

图3是图的I-I剖视结构放大结构示意图，

图4是图1的B向风能转换机构结构示意图，

图5是本发明重力块工作行程示意图。

在图中，1、风叶 2、转动轴 3、连杆 4、风机轴承座 5、变速器 6、液压泵 7、液压控制器 8、顺序阀 9、溢流阀 10、分配阀 11、油管 12、液压卷扬机 13、支撑架 14、滑轮组合体 15、钢索 16、重力块 17、传动轴 18、传动齿轮 19、主动轴 20、主动齿轮 21、中间齿轮 22、液压离合器 23、轴承座 24、发电机 25、外轮 26、内轮 27、超越离合器 28、行星齿轮 29、太阳齿轮 30、行星齿轮轴 31、行星齿轮支架。

具体实施方式

如图1-4中，所述储能风力发电装置包括风能转换机构、液压控制机构、提升机构、重力传动机构和输出机构，所述风能转换机构包括垂直轴风机、变速器5和液压泵6，所述液压控制机构包括液压控制器7，所述液压控制器主要由顺序阀8、溢流阀9、分配阀10和电脑及调节阀、控制阀组成，所述提升机构包括液压卷扬机12与缠绕在卷扬机上的钢索15（如提升高度不高，重力块质量大，可采用油缸、举升杆、摆动杆等辅助机构）。所述重力传动机构包括传动轴17、滑轮组合体14、重力块16、传动齿轮18、中间齿轮21和液压离合器22，所述输出机构包括主动轴19、主动齿轮20和发电机24，所述垂直轴风机包括由风力驱动的垂直旋转的转动轴2、风叶1和连杆3，转动轴用风机轴承座4固定在支撑架13上，转动轴上设置有连杆，连杆两端设置有风叶，所述转动轴与变速器5相连，所述变速器为蜗轮蜗杆变速器，变速器5与液压泵6相连；所述液压泵6与液压控制器7一端相连，液压控制器另一端装有油管11，在液压控制内顺序阀8和溢流阀9相连，顺序阀与分配阀10相连。所述传动轴17分为四组，每一根传动轴17上设置有一台液压卷扬机12、一台滑轮组合体14和一只传动齿轮18，一只传动齿轮可与一只液压离合器22上的中间齿轮21相啮合，中间齿轮21可与主动轴19上的主动齿轮20和传动齿轮18相啮合，所述滑轮组合体由外轮25，内轮26，行星变速器和离心稳速器（图中未画出）和超越离合器27组成。所述液压控制器7通过顺序阀和分配阀后分成四路，每路用三根油管11分别与一组传动轴上的一台液压卷扬机12、一只液压离合器和一只超越离合器相连，所述液压离合器上均设置中间齿轮和联锁装置，联锁装置一端与超越离合器中的契块相连，另一端与液压离合器相连，液压离合器与中间齿轮相连，中间齿轮可与传动齿轮和主动齿轮相啮合；每根传动轴同轴线并用轴承座23分别固定设置在支撑架13上，每根传动轴17上分别设置有传动齿轮和滑轮组合体14与液压卷扬机共轴设置，传动轴可同时设置在主动轴一边，也可设置在主动轴的两边，每只滑轮组合体上的外轮与液压卷扬机上的索筒（图中未标出）共为一体，外轮上设置有钢索15，钢索一端绕过外轮并固定在索筒上，钢索另一端设置重力块16，液压卷扬机回油后，重力块可匀速下降到最下端，所述超越离合器27为楔形超越离合器，楔形位于内轮与外轮之间，所述传动轴上固定有行星变速器和离心稳速机构（图中未画出），所述行星变速器由固定在传动轴上的太阳齿轮29与其均啮合的三只行星齿轮28组成，行星齿轮设置在行星齿轮轴30上，行星齿轮轴设置在行星齿轮支架31上，内轮与三只行星齿轮均相互啮合，所述主动轴为长整轴或组合长轴，主动轴与四根传动轴相对设置，在每根传动轴相对的主动轴上均设置主动齿轮，所述液压离合器与均设置中间齿轮，中间齿轮可与传动齿轮和主动齿轮相啮合，所述主动轴一端依次与发电机24相连，图5为重力块16分别在每根传动轴上往复运动的工作原理图。

下面举例具体说明本发明的内容：

实施例1，如图1至图5所示，所述传动轴17为四根，呈直线间隔设置，在四根传动轴一侧相应设置有主动轴19，重力块16质量为1000公斤，外轮25直径为1米，重力块下降速度定为3.14米/秒，重力块提升高度为32米，采用三级0具齿轮传动，一级为滑轮组合体内齿轮传动，二级为传动齿轮与主动齿轮传动，三级为主动轴与发电机传动，总传动比为1/25，三级传动效率均为97%，总效率η总＝97%×97×97%＝91.27%，垂直轴风机按叶片高为2.5米，宽为0.8米，转动半径（连杆一半长）为1.6米，在风速为4米/秒和风速为8米/秒晴况下，分别测得垂直轴转速为360转/分钟和1020转/分钟，扭矩分别为238.7Nm和327.66Nm，设定变速器速比为1：1.1，则变速器输出转速为327转/分钟和927转/分钟，扭矩分别为262.68Nm和360.68Nm。根据以上两组数据选定转速范围为310转/分钟和960转/分钟，工作压力为31.5Mpa柱塞式液压泵，液压卷扬机选定为提升质量为重力块质量的1.5倍的液压卷扬机。

根据下列公式计算：

扭矩T_λ＝FgL＝1000×9.8×100/2＝4900Nm,

转速nλ＝V/2πr＝3.14/(2×3.14×0.5)＝1转/秒×60＝60转/分,

总传动比i总为1/25,则主动轴输出转速n出＝nλ÷i总＝60×25＝1500转/分,

则输出扭矩T出＝T_λ×η总×i总＝4900×91.27%×1/25＝178.9 N·m,

则输出功率P出＝T出×n出/9549＝178.9×1500/9549＝28.1kW（9549为系数）。

每一组重力块下滑时间为10秒,四组重力块下滑时间为40秒,即发电机输出功率为28.1 kW,并能在40秒无风状态下保持发电机正常电功率输出。

实施例2，传动轴17为八根，在主动轴两侧各设置四根，其它各部件结构与实施例1相同，则输出扭矩T出＝2×T_λ×η总×i总＝2×4900×91.27%×1/25＝357.8 N·m,则实施例2发电机输出功率P出＝T出×n出/9549＝357.8×1500/9549＝56.2kW。

如果与实施例1相比，实施例3上的传动轴仍然为四根并同一轴线上间隔设置在主动轴一侧，当重力块总质量提高一倍时，则主动轴上发电机输出功率也相应提高一倍。

本发明所述风能转换机构还包括利用设在垂直轴上的风叶带动垂直旋转使液压泵产生液压力的其它结构形式；所述提升机构还包括除液压卷扬机外、可将重力块提升的其它相类似机构形式，如利用油缸、举重杆等；所述重力传动机构还包括利用轴类、齿轮类、离合器类等组成的类似的重力传动结构形式，这些机构所包括的结构形式都应当属于本发明申请要求保护的专利范围。

Claims

1. 储能风力发电装置，它包括风能转换机构、液压控制机构、提升机构、重力传动机构和输出机构，其特征是：所述风能转换机构包括垂直轴风机、变速器（5）和液压泵（6），所述液压控制机构包括由顺序阀（8）、溢流阀（9）、分配阀（10）、电脑及调节阀和控制阀组成的液压控制器（7），所述提升机构包括液压卷扬机（12），所述重力传动机构包括传动轴（17）、滑轮组合体（14）、重力块（16）、传动齿轮（18）、中间齿轮（21）和液压离合器（22），所述输出机构包括主动轴（19）、主动齿轮（20）和发电机（24）；所述垂直轴风机包括风叶（1）和由风力驱动可垂直旋轴的转动轴（2），所述转动轴与变速器相连，变速器与液压泵相连，液压泵与液压控制器相连，所述液压控制器与液压卷扬机和液压离合器相连，所述传动轴至少为三根，呈一字排列设置在主动轴一侧或两侧，每根传动轴上分别设置有传动齿轮和滑轮组合体，所述滑轮组合体包括外轮（25）、内轮（26）、行星变速器、离心稳速器和超越离合器（27），外轮上设置有钢索（15），钢索的一端固定在液压卷扬机的索筒上、另一端设置重力块，所述行星变速器和离心稳速器设置在内轮中，超越离合器设在内轮与外轮之间，主动轴与传动轴平行设置，在每个传动齿轮相对的主动轴上均设置主动齿轮，液压离合器上均设置中间齿轮和联锁装置，中间齿轮在液压离合器作用下可与传动齿轮和主动齿轮相啮合，主动轴一端与发电机（24）相连。