CN103573952B - 以弹簧扭力储存能量的储能装置 - Google Patents

Abstract

一种以弹簧扭力储存能量的储能装置，用于将一能量产生装置所生成的动力转成弹簧式的能量形式储存，其具有一扭力转换齿轮，用来连接能量来源并转换为扭力进行输出，该扭力转换齿轮的输出端连接有扭力限制器，以阻断过大扭力输入单向输入轴承，该扭力限制器的输出端连接有单向输入轴承，以将扭力朝单一方向传输至储能组，并防止输出后的扭力逆向输出而损坏前面结构，在单向输入轴承的输出端连接有储能组，该储能组由至少两个转盘同轴连接形成，该相邻的两个转盘之间绕设有扭力弹簧，且该扭力弹簧的末端与绕设方向反向弯折设置，以及该储能组的扭力输出端转盘连接有增速转换齿轮该储能组更可采串/并联方式设置，以增加能量储存与使用的效率。

Description

以弹簧扭力储存能量的储能装置

技术领域

本发明涉及一种以弹簧扭力储存能量的储能装置，尤其涉及一种接受各种能量来源，将其转换为弹簧压缩能储存，以在需要时释放弹力而能得到能量输出的储能装置。

背景技术

由于地球的石化能源储量有限，总有用尽的一天，而且石化能源多掌握在少数国家手中，影响他国的经济甚巨，再加上石化能源对于环境的污染相当严重，故如何开发新的能源，成为全世界都相当重视的课题。

事实上，地球的清洁能源很多，包括太阳能、风力、水力等等，其来源取的不竭，端看如何有效使用。问题在于，这些能量无法直接提供人类使用，而需要经过转换，但这些能量来源并不稳定，利如太阳能在黑夜即无法使用；风力的来源时有时无、时大时小，无法有效预测；水力来源可能因枯水期而降低效能，甚至无法使用。因此，如何在能量来源充沛的时候，将能量予以储存，而能在能量减少时释出以维持有效能量输出，将成为掌握清洁能源的重要关键。

能量的储存相当不易，其方法是将不稳定的能量来源转换为可控制的能量形式，其中本发明人的专利第197189号“一种弹簧式储能组的构造”专利，该现有专利主要由壳体、储能组及变速箱组合而成，该储能组及变速箱设置于壳体内部；其中，该储能组由一轴杆贯穿多个转盘及多个涡旋弹簧而成，该转盘两侧面分别凸设有外缘卡掣柱及内缘卡掣柱，两个转盘之间设置一个该涡旋弹簧，使该外缘卡掣柱及内缘卡掣柱分别卡固于该涡旋弹簧的两端缘，该壳体外侧设有单向传动的动力输送轴，而可带动储能组的第一个转盘转动；该变速箱具有一输入轴端及一输出轴端，该输出轴端凸出于该壳体外侧，该变速箱内设若干相互契合的齿轮输入轴端可与最内侧的转盘契合，令最内侧的该转盘可带动输入轴端转动者，由此提供一种利用一个以上的涡旋弹簧而将能量同时储存，并可稳定的释放、输出该能量。

该现有专利确已提供稳定储能、输出能量的弹簧式储能结构，唯该现有专利仍有未尽完善之处，而待有效解决者。其中最显着的问题，在于该现有专利采用普通的涡旋弹簧设计，该涡旋弹簧的扭力不足，难以在有限空间储存大量的能量；另外，该现有专利仅靠简单的单向轴承来限制扭力输入方向，而单向轴承的负荷力有限，若输入扭力过大，很容易毁损而失去功能。因此，该现有专利只能应用在小型的储能装置，无法大规模作为如发电厂等大型的储能应用。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种以弹簧扭力储存能量的储能装置，其可接收各种能量来源，而转换为弹簧压缩能量，以在有需要时释放能量供给使用。

本发明的另一目的在于，提供一种以弹簧扭力储存能量的储能装置，其可稳定能量的输出，以避免输出能量忽大忽小而影响其使用的层面。

本发明的再一目的在于，提供一种以弹簧扭力储存能量的储能装置，其可大幅提高能量储存效率，以在有限的空间储存大量的能量，提供给有需求者使用。

本发明所称以弹簧扭力储存能量的储能装置，用于将一能量产生装置所生成的动力转成弹簧式的能量形式储存，然后释放弹力以驱动能量使用装置进行作功，由此形成一可将各种能量转换储存，以持续稳定输出能量的机械结构。该以弹簧扭力储存能量的储能装置包括有扭力转换齿轮，其输入端用来连接能量来源，该能量来源以旋转方式输入，经由该扭力转换齿轮转换为扭力进行输出；该扭力转换齿轮的输出端连接有扭力限制器，当该扭力转换齿轮传递的扭力超过该扭力限制器的限定值时，该扭力限制器即以打滑阻断扭力输入后述结构以免造成损坏；该扭力限制器的输出端连接有单向输入轴承，以将扭力朝单一方向传输至后述结构，并防止输出后的扭力逆向输出而破坏前面的结构；该单向输入轴承的输出端则连接有储能组，该储能组由至少两个转盘同轴连接形成，该相邻的两个转盘之间绕设有扭力弹簧，且该扭力弹簧的末端与绕设方向反向弯折设置，使该转盘旋转时，该扭力弹簧会进行两次弯折绕设而增加其旋转扭力；以及该储能组的扭力输出端转盘连接有增速转换齿轮，用来将旋转扭力增速进行能量输出。该储能组更可采串/并联方式设置，以增加能量储存与使用的效率。

附图说明

图1为本发明以弹簧扭力储存能量的储能装置的结构立体图；

图2A为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的结构侧视图；

图2B为图2A的输出端转盘与增速转换齿轮的结合端放大图；

图3为该以弹簧扭力储存能量的储能装置使用于风力发电系统的结构方块图；

图4为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第一种扭力弹簧与转盘的立体结合例分解图；

图5为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第一种扭力弹簧与转盘的立体结合例组合图；

图6为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第一种扭力弹簧与转盘的立体结合例正视图；

图7为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第一种扭力弹簧与转盘的多组结合例立体图；

图8为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第二种扭力弹簧与转盘的立体结合例分解图；

图9为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第二种扭力弹簧与转盘的立体结合例组合图；

图10为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第二种扭力弹簧与转盘的立体结合例正视图；

图11为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的第二种扭力弹簧与转盘的多组结合例立体图；

图12为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的储能组串联式结合例立体图；以及

图13为该以弹簧扭力储存能量的储能装置的储能组并联式结合例立体图。

附图标记说明

1以弹簧扭力储存能量的储能装置

11扭力转换齿轮12扭力限制器

13单向输入轴承14储能组

140转盘141扭力弹簧

142扭力输入端转盘143扭力输出端转盘

144轴套145内卡掣槽

146外卡掣槽147内侧末端

148外侧末端149波纹

15增速转换齿轮16能量输入端

17能量输出端2能量机组

21能量测速仪3发电机

4计算机控制单元51离合器

52变速箱53飞轮

64飞轮61动力煞车

62无段变速箱63速率控制器

64飞轮65发电机离合器

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术特征及其所能达到的效果，现结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。

如图1至图3所示，为本发明所提供的一种以弹簧扭力储存能量的储能装置1，由扭力转换齿轮11、扭力限制器12、单向输入轴承13、储能组14、增速转换齿轮15等结构组成。该扭力转换齿轮11用来连接能量来源，通过该扭力限制器12、单向输入轴承13限制其能量输入大小、方向，而能顺利转换成弹簧压缩能储存在该储能组14中，然后经由增速转换齿轮15释放能量，提供后端使用。

进一步而言，该扭力转换齿轮11接受以旋转方式输入的能量来源，经由该扭力转换齿轮11转换为扭力进行输出；该扭力限制器12连接于该扭力转换齿轮11的输出端，当该扭力转换齿轮11传递的扭力超过该扭力限制器12的限定值时，该扭力限制器12即以打滑阻断扭力输入后述结构以免造成损坏；该单向输入轴承13连接于该扭力限制器12的输出端，以将扭力朝单一方向传输至该储能组14，并防止该储能组14的扭力逆向输出而破坏前面的扭力限制器12、扭力转换齿轮11或其他结构；该储能组14由至少两个转盘，即扭力输入端转盘142、扭力输出端转盘143同轴连接形成，该相邻的扭力输入端转盘142、扭力输出端143之间绕设有扭力弹簧141，且该扭力弹簧141的末端与绕设方向反向弯折设置，其中该扭力输入端转盘142作为扭力输入端而连接于该单向输入轴承13的输出端，该扭力输出端转盘143则作为扭力输出端而连接到该增速转换齿轮15(如图2B)，当该增速转换齿轮15静止不动时，该扭力输出端转盘143同样静止不动，故该扭力输入端转盘142可相对于该扭力输出端转盘143进行旋转，使该扭力弹簧141进行两次弯折绕设，增加该扭力弹簧141抵抗两个转盘，即扭力输入端转盘142、扭力输出端转盘143相对旋转的旋转扭力，使该扭力弹簧141可以得到更大的储能效果；当该增速转换齿轮15启动时，可将该扭力输出端转盘143的旋转扭力增速进行能量输出。

如图2A和图3所示，该以弹簧扭力储存能量的储能装置1实为一大型能量供应系统的部份，本实施例以风力发电为例。该系统在该以弹簧扭力储存能量的储能装置1的能量输入端16设置有一能量机组2，用来接收如风力、水力、人力或其它动能来源所产生的旋转能量；该能量机组2的能量输出端连接有离合器51，并配合该能量机组2设置有能量测速仪21，通过该能量测速仪21所侦测的转速自动判断该离合器51的启闭，以控制该能量机组2的能量是否进行输出；该离合器51与该扭力转换齿轮11之间依序设置有飞轮53、变速箱52，该飞轮53以旋转惯性维持该能量机组2能量输出的稳定性，该变速箱52则用来调低转速，以增加扭力适合于能量储存；而该以弹簧扭力储存能量的储能装置1的能量输出端17依序设置有电磁式动力煞车61、无段变速箱62、速率控制器63、飞轮64、发电机离合器65，最后连接到发电机3上，该动力煞车61用来降低或停止该增速转换齿轮15的能量输出，该无段变速箱62用来维持能量输出的转速，该速率控制器63用来控制能量输出的转速，该飞轮64以旋转惯性维持能量输出的稳定性，该发电机离合器65则控制最后输出能量传递到该发电机3进行发电。

前述离合器51、能量测速仪21、变速箱52、扭力限制器12、储能组14、动力煞车61、无段变速箱62、速率控制器63、发电机离合器65、发电机3，皆连接到计算机控制单元4上统一管理，以维持操作的稳定性。

如图4至图11所示，为提高能量储存效率，本发明的扭力弹簧141设置是采取两次弯折绕设设计，设置上首先在该扭力输入端转盘142、扭力输出端转盘143的旋转轴心设置有轴套144，该扭力输入端转盘142、扭力输出端转盘143外缘设置有外卡掣槽146，而该轴套144上设置有内卡掣槽145，使该扭力弹簧141的内、外侧末端147、148分别固定在相邻扭力输入端转盘142、扭力输出端转盘143的该内、外卡掣槽145、146中。而本发明针对该扭力弹簧141的反向弯折设计提供有两个，第一种是将该扭力弹簧141的内侧末端147正常绕设在其中一扭力输入端转盘142的内卡掣槽145上，使该扭力弹簧141的外侧末端148与内侧绕设方向反向弯折后固定在另一扭力输出端转盘143的该外卡掣槽146；第二种则是外侧末端148维持正常绕设方向固定在一扭力输入端转盘142的外卡掣槽146，使该扭力弹簧141的内侧末端147与外侧绕设方向反向弯折后固定在另一扭力输出端转盘143的内卡掣槽145。由此，可以连接更多的该扭力输入端转盘142、扭力输出端转盘143，即可增加储能的效果。另外，该扭力弹簧141表面设置有波纹149，通过增加该扭力弹簧141的抗拉能力，以提高能量储存效率。

如图12所示，实际应用时，该储能组14的扭力输入端转盘142与扭力输出端转盘143之间可同轴串接复数的转盘140，即该扭力输入端转盘142连接于该单向输入轴承13的输出端，该扭力输出端转盘143连接于该增速转换齿轮15，而任意二相邻转盘142、143、140之间绕设有该扭力弹簧141；当该增速转换齿轮15静止时同时锁固该扭力输出端转盘143，使该扭力输入端转盘142可以旋转进行储能，并通过该扭力弹簧141连接而依序带动相邻的转盘140旋转储能，直至饱满无法再输入为止；而当该增速转换齿轮15启动时，同样通过该扭力弹簧141连接而依序由扭力输出端转盘143带动相邻的转盘140、扭力输入端转盘142将能量经由该增速转换齿轮15增速进行能量输出。

请参阅图13所示，另一种应用方式，该储能组14可采并联设置，通过该扭力转换齿轮11将动能分配至各储能组14进行储能工作，以及将各储能组14的能量集中至该增速转换齿轮15进行输出，各储能组14均连接有独立的该扭力限制器12与该单向输入轴承13，以稳定能量的输入作业。

通过前述结构所完成的本发明以弹簧扭力储存能量的储能装置1，其更有以下优点：

1、本发明可配合各型能量机组，将该能量机组的能量转换为弹簧压缩能储存，在能量来源充足时储存多余能量，而在能源来源不足时释放补充，以维持长效的能量输出。

2、本发明可维持能量输出的稳定性，该能量机组产生的能量先进入本发明装置中，然后调整成适当的转速输出能量。

3、本发明能提高能量储存效率，以在有限空间提供最大的能量储存，增加产品的实用性。

4、本发明也可小型化以应用于多种场所，例如装置于如汽车等交通工具中，或是风扇、旋转式刮胡刀、玩具汽车等需要旋转能量的装置，甚至可配置小型发电机而成为居家、外出之紧急能源。

5、本发明的能量输入也可采取人工输入，或是连接于运动器材如脚踏车等，让使用者在运动过程中逐渐累积能量。

以上所述实施例只用于说明本发明的技术思想及特点，其目的是使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但不应该以此限定本发明的范围，所属领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行等同变化和改进，都应该属于本发明所保护的技术范围。

Claims (8)

1.一种以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于：

扭力转换齿轮，其输入端用来连接能量来源，该能量来源以旋转方式输入，经由该扭力转换齿轮转换为扭力进行输出；

扭力限制器，连接于该扭力转换齿轮的输出端，当该扭力转换齿轮传递的扭力超过该扭力限制器的限定值时，该扭力限制器即以打滑阻断扭力输入单向输入轴承，以免造成损坏；

所述单向输入轴承，连接于该扭力限制器的输出端，以将扭力朝单一方向传输至储能组，并防止输出后的扭力逆向输出而破坏该扭力限制器或扭力转换齿轮；

所述储能组，由至少两个转盘同轴连接形成，相邻的两个转盘之间绕设有扭力弹簧，该扭力弹簧两侧末端分别连接在相邻的两个转盘外缘与轴心，且该扭力弹簧的末端与绕设方向反向弯折设置，其中一转盘作为扭力输入端转盘连接于该单向输入轴承的输出端，当该转盘旋转时，该扭力弹簧会进行两次弯折绕设而增加其旋转扭力，然后传递至作为扭力输出端转盘的另一转盘进行扭力输出；以及

增速转换齿轮，连接于该储能组的扭力输出端转盘，该增速转换齿轮静止时同时锁固该扭力输出端转盘，使该扭力输入端转盘可以旋转进行储能，当该增速转换齿轮启动时，可将该扭力输出端转盘的旋转扭力增速进行能量输出。

2.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该扭力转换齿轮所连接的能量来源为能量机组，该能量机组的能量输出端设置有离合器，该离合器与该扭力转换齿轮之间依序设置有飞轮、变速箱，该离合器用来控制该能量机组的能量是否输出到该变速箱，该飞轮以旋转惯性维持该能量机组能量输出的稳定性，该变速箱则用来调低转速，以增加扭力适合于能量储存。

3.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该增速转换齿轮的输出端用来连接发电机，该增速转换齿轮与发电机之间依序设置有电磁式动力煞车、无段变速箱、速率控制器、飞轮、发电机离合器，该电磁式动力煞车用来降低或停止该增速转换齿轮的能量输出，该无段变速箱用来维持能量输出的转速，该速率控制器用来控制能量输出的转速，该飞轮以旋转惯性维持能量输出的稳定性，该发电机离合器则控制最后输出能量传递到该发电机进行发电。

4.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该转盘的旋转轴心设置有轴套，该轴套上设置有内卡掣槽，该转盘外缘设置有外卡掣槽，该扭力弹簧的内侧末端固定于其中一转盘的内卡掣槽，该扭力弹簧的外侧末端则反向弯折而固定在相邻另一转盘的该外卡掣槽。

5.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该转盘的旋转轴心设置有轴套，该轴套上设置有内卡掣槽，该转盘外缘设置有外卡掣槽，该扭力弹簧的外侧末端固定于其中一转盘的外卡掣槽，该扭力弹簧的内侧末端则反向弯折而固定在相邻另一转盘的该内卡掣槽。

6.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该扭力弹簧表面设置有波纹，通过增加该扭力弹簧的抗拉能力，以提高能量储存效率。

7.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该储能组的所述扭力输入端转盘与所述扭力输出端转盘之间同轴串接复数的转盘，该扭力输入端转盘连接于该单向输入轴承的输出端，该扭力输出端转盘连接于该增速转换齿轮，而任意两个相邻转盘之间绕设有该扭力弹簧；当该增速转换齿轮静止时同时锁固该扭力输出端转盘，使该扭力输入端转盘可以旋转进行储能，并通过该扭力弹簧连接而依序带动相邻的转盘旋转储能；而当该增速转换齿轮启动时，同样通过该扭力弹簧连接而依序带动相邻的转盘将能量经由该增速转换齿轮增速进行能量输出。

8.根据权利要求1所述的以弹簧扭力储存能量的储能装置，其特征在于，该储能组采用并联设置，通过该扭力转换齿轮将动能分配至各储能组进行储能工作，以及将各储能组的能量集中至该增速转换齿轮进行输出，各储能组均连接有独立的该扭力限制器与该单向输入轴承，以稳定能量的输入作业。