CN103147928A

CN103147928A - 一种基于弹簧储能和压缩空气储能的风能存储发电技术

Info

Publication number: CN103147928A
Application number: CN2013100810574A
Authority: CN
Inventors: 李大勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-06-12

Abstract

一种风能存储发电技术，通过弹簧储能和压缩空气储能两种储能方法，实现高密度的风能存储，其特点是通过风机风轮的转动带动压缩装置压缩弹簧，当弹簧压缩完成后，固定待用，当高密度空气存储容器内空气压力减少到一定程度，则释放弹簧储存的能量，通过弹簧的弹力压缩空气，保持空气存储容器内的压力在一定的范围内。从而可以通过被压缩的空气推动发电机发出稳定可控的电力。

Description

一种基于弹簧储能和压缩空气储能的风能存储发电技术

技术领域：本发明属于可再生能源存储发电技术，特别涉及风能的存储与发电。

背景技术：风能是清洁的可再生能源，其发电成本低。在世界上已经广泛应用，但是，风能发电也有很大的缺点，就是间歇性，不稳定性，常规的风力发电不能提供可控的稳定的电力。而目前用在风电中的储能主要是抽水蓄能和压缩空气储能，抽水蓄能除需要大量的水源外还需要合适的地势，单纯的压缩空气储能则需要很大的高密度空气存储空间，一般需要大的溶洞或者地下洞穴，也需要合适的地形。总言之就是能量存储密度低。在目前的能量存储中还有用蓄电池储能的，但是其储存能量数额太小，不能满足大容量的能量存储要求。本发明就是在分析了各种储能方式的基础上提出了一种可控高密度储能的方法：先用风能对弹簧进行压缩，弹簧对风能进行高密度存储，然后利用弹簧伸展带动空气压缩装置对空气进行压缩储能，压缩空气推动发电机叶轮转动，带动发电机发电。这样压缩空气储存容器就不需要太大的空间也可以保证发电机得到稳定可控的气流。

发明内容：

本发明的目的是提供将风能进行存储并发出可控稳定电力的方法。其特征在于：

1)：风机将风能转化为机械能带动转轴1进行旋转，转轴1通过调速装置，将机械能传输到另外一根转轴2.调速是通过不同直径的齿轮之间耦合实现的。

2)：转轴2旋转收缩绳索从而带动压缩板压缩弹簧进行储能，将机械能转化为弹簧的势能。弹簧压缩是将弹簧放到单向运行导槽上实现的，以防止风力较小时弹簧反弹。单向运行导槽底部由一些可弹起和压下的带弹性的倒三角组成，从而防止反向运行。收缩绳带动固定在弹簧顶部的压缩板，从而压缩弹簧。如图1。

3)：将压缩完成的弹簧运输到压缩空气储能地点，在需要时对其势能进行释放，在弹簧伸展过程中将弹簧势能变为转轴3旋转的机械能。弹簧是放在释能板上进行反弹，弹簧伸长带动绳索运动，从而带动转轴3旋转。转轴3带有卡槽，在需要暂时中止释能时，可使转轴3停止转动，释能暂停。如图2。

4)：转轴3带动空气压缩缸压缩空气，将空气压缩至压缩空气储藏室，从而将弹簧的势能变为高密度空气的势能。形成压缩空气储能CAES。转轴3带动压缩缸的传动方式有很多种，本发明给出三种，分别是通过转轴3带动压力手柄旋转，压力手柄推动压力传动轴，从而推动压缩缸活塞运动，如图2；第二种方式为通过转轴3带动转轮，转轮带动硬传动轴，硬传动轴带动活塞压缩空气，如图3；第三种方式为通过转轮带动牵引软绳，牵引软绳带动硬压缩板，从而带动活塞压缩空气，如图4.在第一种和第三种压缩运动中，需要在压缩缸内加反推弹簧，在压缩完成时，反推弹簧14反弹，推动活塞返回，通过单向阀门15吸收标准空气进入压缩缸，等待压缩。而通过硬传动轴的方式带动活塞运动则不需要加反推弹簧，由硬链接直接带动活塞返回并通过单向阀门15吸气。在第三种方式中牵引软绳通过定向滑轮保证硬压缩板的运行轨迹。定向滑轮位置是被固定的。

5)：压缩空气通过可控阀门喷出带动气轮机发电。

6)：关于转轴3带动空气压缩缸压缩空气的具体方法，本发明提出3种常规方法。原理如图2，图3，图4。在具体实施例中详细介绍。

本发明中的风机不带发电装置，直接将风能转化为转轴1的机械能，风机根据风力的大小对转轴1进行变速，当风力较小时，通过变速使转轴2较慢转动，从而产生较大的压缩力。弹簧能够继续被压缩。

本发明是通过以下技术方案实现的：风力带动转轴1转动，转轴1通过耦合变速箱带动转轴2转动，转轴2旋转带动绳索运动压缩弹簧，弹簧处于单向运行导槽中，只能被压缩，不能伸展。弹簧压缩完成后，将弹簧两端固定，从单向运行导槽中取出待用。当压缩空气储藏容器中空气压力减小，需要增加压力时，此时将弹簧进行伸展释放势能，弹簧伸展带动压缩缸运动压缩空气至一定压力后进入压缩空气储藏容器，从而使得压缩空气储藏容器内的空气压力保持在一定范围内。

本发明结合了两种储能方式对风能进行存储，从而可以稳定的发出电力，其特点就是通过弹簧储能将风能可靠的存储起来，弹簧便于运输。可方便的将储能弹簧运输至需要地点进行弹簧势能释放。也可以将弹簧势能需要时就地释放，带动压缩缸运动压缩空气，压缩完成的空气通过管道输送到压缩空气储藏容器，但这样在多风机的场合需要多个压缩缸，不太经济。

附图说明：

图1是风机压缩弹簧储能原理图。

图中：1转轴1，2耦合变速箱，3转轴2，4收缩绳，5压缩板，6弹簧，7单向运行导槽。

图2是弹簧带动压力手柄压缩空气原理图

图中：8弹簧释能版，9转轴3，10压力手柄，11受压板，12压力传动轴，13压缩缸，14反推弹簧，15单向进气阀门，16单向进气阀，17压缩空气储存容器，18活塞，24，固定转轴。

图3是弹簧带动转轮及硬传动轴压缩空气原理图

图中：9转轴3，19硬传动轴，20转轮

图4是弹簧带动转轮及软传动压缩空气原理图

图中：21硬压缩板，22牵引软绳，23定向滑轮。

以上附图说明中，图3及图4中与图2重复的部件未做说明，压缩缸与转轴3以及弹簧伸展推动转轴3旋转的过程都完全一致。

具体实施例：

现结合附图给出本发明的具体实施例。

结合附图1，图2给出具体实施例1：

图1是风机压缩弹簧储能原理图，当风吹来的时候，风机转动，风机转轴11通过耦合变速箱2带动转轴23转动，通过耦合变速箱2，转轴11的齿轮可以和耦合变速箱2内的几个齿轮进行分别组合，从而达到调速目的，在风大时可以让转轴23快速转动，在风力小时，可以让转轴23慢转。转轴23的转动拉动收缩绳4运动，从而压缩板5也向内运动，从而压缩弹簧6，弹簧6是在单向运行导槽7上被压缩的，单相运行导槽7底部为可压缩和弹起的倒三角，从而防止弹簧6的逆运行。当弹簧6被压缩至目标尺寸，便被取下，达到弹簧储能的目的。在设计弹簧6时，便将弹簧的最大压缩反弹力设计为最大风力通过耦合变速箱2所能产生的最大拉力。

以上所述为风能转化为弹簧的势能过程。

当压缩空气储存容器内的压力减小到一定数值，不能满足输出端发电机出力要求时，就要将弹簧储存的势能转化为空气的势能，具体转化过程如图2。

图2是弹簧带动压力手柄压缩空气原理图，如图2所示，弹簧6被安装在弹簧释能板8上，弹簧伸展，带动转轴39转动，转轴39带动压力手柄10转动，压力手柄10转动推动受压板11运动，从而压迫压力传动轴12向压缩缸13内方向运动，压力传动轴12推动活塞18压缩空气做功，被压缩的空气只能通过单向进气阀16进入压缩空气存储容器17内。当活塞18完成压缩空气做功后，压力手柄10离开受压板11，反推弹簧14推动活塞18向外运动，此时单向阀门15打开，外面大气进入压缩缸13内，准备下一次的压力手柄10做功。压力手柄10是与转轴39成90度固定在一起的。受压板11是通过固定转轴24固定的。固定转轴24可以使受压板11自由的转动。压力传动轴12也是通过可转动的轴与受压板11及活塞18连接的。受压板11与压力手柄10的接触面可以做成一系列的小滑轮组合或者涂抹润滑材料来减少摩擦力。也可以在压力手柄10的末端安装一固定滑轮减少摩擦力。

转轴39带有卡槽，在需要暂时中止释能时，可使转轴39停止转动，释能暂停

结合图1，图2，图3给出具体实施例2：

在此实施例中风能转化为弹簧6的势能过程与具体实施例1完全一样。弹簧6的伸展带动转轴39旋转的过程也与实施例1的过程完全一样。

如图3，本具体实施例与实施例1的不同在于：在本实施例里，采用了转轴3带动一个大的转轮20转动，转轮20带动一个硬传动轴19往复运动，从而压缩空气做功。具体过程如下：当转轴39转动时，与之固定在一起的转轮20随之转动，硬传动轴19与转轮20和活塞18都是通过活动转轴连接，从而在硬传动轴19的带动下，活塞18在向压缩缸13内运动过程中压缩空气做功，向相反的方向运动时，便通过单向阀门15吸入大气。从而完成通过压缩缸13将空气压入压缩空气储存容器17内。

以上所述为具体实施例2.

结合图1，图2，图4给出具体实施例3：

在此实施例中风能转化为弹簧6的势能过程与具体实施例1，实施例2完全一样。弹簧6的伸展带动转轴39旋转的过程也与实施例1，实施例2的过程完全一样。

如图4，本具体实施例与实施例2的不同在于：转轴39带动转轮20转动，转轮20通过牵引软绳22带动硬压缩板21运动，硬压缩板21带动压缩缸13内活塞18压缩空气做功。其中牵引软绳通过定向滑轮23约束其运行轨迹，确保硬压缩板21的受力方向与活塞18表面垂直。当活塞18压缩空气做功完成后，压缩缸13内反推弹簧14反推活塞18向外运动，完成吸气过程，准备下次活塞18压缩空气做功。

以上为具体实施例3.

根据上述三种具体实施例，可以延伸出其他实施例，如可将具体实施例3中的硬压缩板改为通过压缩缸底部穿过，拉动活塞18做功，这种延伸方法都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于压缩弹簧储能和压缩空气储能的风能存储技术：其特征是将压缩弹簧储能与压缩空气储能配合使用，来解决压缩空气储能能量密度低的问题。

先通过风机的机械力给弹簧储能，当压缩空气储存容器的空气压力变得较小时，也就是从可控气门喷出的气体推力小到一定程度时，再通过弹簧势能的释放来压缩空气进入压缩空气存储容器，达到给容器内的气体增量增压的目的。

2.根据权利要求1所述的压缩弹簧储能，是通过风机的风力转化为机械力来压缩弹簧实现的。风机将风能转化为机械能带动转轴1进行旋转，转轴1通过调速装置，将机械能传输到另外一根转轴2.调速是通过不同直径的齿轮之间耦合实现的。

转轴2旋转收缩绳索从而带动压缩板压缩弹簧进行储能，将机械能转化为弹簧的势能。弹簧压缩是将弹簧放到单向运行导槽上实现的，以防止风力较小时弹簧反弹。单向运行导槽底部由一些可弹起和压下的带弹性的倒三角组成，从而防止反向运行。收缩绳带动固定在弹簧顶部的压缩板，从而压缩弹簧。

3.根据权利要求1所述的“通过弹簧势能的释放来压缩空气进入压缩空气存储容器”是指通过弹簧伸展来带动另外一根转轴3旋转，通过旋转轴3的旋转来推动或者带动压缩缸的活塞运动来压缩空气的。

转轴3带动空气压缩缸活塞压缩空气，将空气压缩至压缩空气储藏室，从而将弹簧的势能变为高密度空气的势能。形成压缩空气储能CAES。转轴3带动压缩缸活塞的传动方式有很多具体方式，本发明具体给出3种。

4.根据权利要求3中“本发明具体给出3种”：

第一种是通过转轴3带动压力手柄旋转，压力手柄推动压力传动轴，从而推动压缩缸活塞运动。弹簧被安装在弹簧释能板上，弹簧伸展，带动转轴3转动，转轴3带动压力手柄转动，压力手柄转动推动受压板运动，从而压迫压力传动轴向压缩缸内方向运动，压力传动轴推动活塞压缩空气做功，被压缩的空气通过单向进气阀进入压缩空气存储容器内，

压力手柄是与转轴3成90度固定在一起的。受压板是通过固定转轴固定的。固定转轴可以使受压板自由的转动。压力传动轴也是通过可转动的轴与受压板及活塞连接的。受压板与压力手柄的接触面可以做成一系列的小滑轮组合或者涂抹润滑材料来减少摩擦力，也可以将压力手柄的末端安装一固定滑轮减少摩擦力。

5.根据权利要求3中的“本发明具体给出3种”：

第二种方式为通过转轴3带动大直径转轮，转轮带动硬传动轴，硬传动轴带动活塞压缩空气。弹簧伸展带动转轴3转动，转轴3带动一个大的转轮转动，转轮带动一个硬传动轴往复运动，从而压缩空气做功。具体过程如下：当转轴3转动时，与之固定在一起的转轮随之转动，硬传动轴与转轮和活塞都是通过活动转轴连接，从而在硬传动轴的带动下，活塞在向压缩缸内运动过程中压缩空气做功，向相反的方向运动时，便通过单向阀门吸入大气。从而通过压缩缸将空气压入压缩空气储存容器内。

6.根据权利要求3中的“本发明具体给出3种”：

第三种方式为通过转轮带动牵引软绳，牵引软绳带动硬压缩板，从而带动活塞压缩空气。

转轴3带动转轮转动，转轮通过牵引软绳带动硬压缩板运动，硬压缩板带动压缩缸内活塞压缩空气做功。其中牵引软绳通过定向滑轮约束其运行轨迹，确保硬压缩板的受力方向与活塞表面垂直。当活塞压缩空气做功完成后，压缩缸内反推弹簧反推活塞向外运动，完成吸气过程，准备下次活塞压缩空气做功。硬压缩板带有连接活塞的长柄。定向滑轮的位置是被固定的。

7.根据权利要求3中的本发明具体给出3种

在第一种和第三种压缩运动中，需要在压缩缸内加反推弹簧，在压缩完成时，反推弹簧反弹，推动活塞返回，通过单向阀门吸收标准空气进入压缩缸，等待压缩。权利要求6中所述的第三种方式也可以变化为硬压缩板穿过压缩缸的底部来带动活塞运动。第一种和第二种方式也可以通过转轴3带动2个压缩缸运动。在压缩缸吸气过程中带动另外一个压缩缸压缩空气。