CN104358660B - 一种风电储能基础装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电储能基础装置，包括螺旋通道、线圈、中心管、上储球管道、下储球管道及永磁体小球，螺旋通道固定在沉井或大直径桩基础内壁上，线圈密绕在螺旋通道外壁，并与外部电气设备相连形成闭合回路；中心管设置在螺旋通道的中心轴上；上储球管道连接在中心管顶端与螺旋通道顶端之间；下储球管道连接在中心管底端与螺旋通道底端之间；永磁体小球常态式位于上储球管道或下储球管道中。与现有技术相比，本发明意义在于，风力富足时，利用风电机组的富余电力，将下储球管道内的永磁体小球从中心管抬升至上储球管道内；风力贫乏时，永磁体小球沿螺旋管道内部向下螺旋运动，线圈产生感应电动势，实现储存风电，节约能源的目的。

Description

一种风电储能基础装置

技术领域

本发明属于大型风力发电机组配套装置，尤其是涉及一种风电储能基础装置。

背景技术

“人口、能源、环境”是21世纪摆在人类面前的3大难题。近年来，能源危机和环境破坏愈演愈烈，节能减排和寻找清洁无污染的新能源已经成为全人类的共识。风能作为一种零污染、储量大的可再生能源，具有深厚的发展潜力。美国、中国、日本、德国、瑞典、丹麦、西班牙等国均将其列入本国能源发展规划，我国疆土辽阔，新疆、内蒙、东北(黑吉辽三省)、以及东部沿海具有丰富的风能资源，有关资料显示，全球可开发利用的风能是水能的10倍。因此，大力开发和利用风能，实现风能利用的规模化，提高风力发电占总发电量比重，优化能源结构，是我国能源发展的重要方向。据国家气象局估算，我国东南沿海及其岛屿是风能储量最大的地区，有效风力出现时间百分率可达80％～90％，应将其作为我国风能资源发展规划的重中之重。

风电机的叶片直径通常可达十几米，而风电机组可达数十米，如此高耸、迎风面积大的构筑物，在竖向力、水平力和弯矩的共同作用下，其承载力和变形均有较高要求，尤其是地处东南沿海的各风电机组，地基通常为十几米乃至几十米的深厚淤泥等软土层，承载力较低，动力荷载作用下变形较大，故风电基础多采用数十米深的桩基础、沉井基础或沉井加桩基础，以满足风电机组对于强度、变形和稳定性的要求。为提高材料利用效率，增强混凝土的热量传递效率，桩基础多采用直径达数米的大直径管桩，如此，同沉井基础，其内部即有大量可利用空间。

风能与水能相比，一个最大的弱势在于其风速不稳定，且不能像水能一样利用水库闸门将其储蓄起来，因此，无法单独把风力发电作为一种稳定的电能来源。本发明即针对此问题提出了解决方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风电储能基础装置。该装置能把风力较大时或用电低峰期风机产生的部分电能转化为永磁体小球的重力势能储存起来，待风力较弱时或用电高峰期将基础装置顶端的若干永磁体小球放下，利用电磁感应把机械能转化为电能，提高风力发电效率，弥补其不连续发电的不足，最终实现储存风电，节约能源的目标。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种风电储能基础装置，设置在风电机组的沉井或大直径桩基础内，包括：

螺旋通道：固定在沉井或大直径桩基础内壁上；

线圈：密绕在螺旋通道外壁，并与外部电气设备相连形成闭合回路；

中心管：竖直设置在螺旋通道的中心轴上；

上储球管道：连接在中心管顶端与螺旋通道顶端之间，既作为为中心管和螺旋通道的“桥梁”，也作为永磁体小球的储球仓；

下储球管道：连接在中心管底端与螺旋通道底端之间；

永磁体小球：风力富足时，利用风电机组的富余电力，将下储球管道内的永磁体小球从中心管抬升至上储球管道内，使电能转化为机械能；在风力贫乏时，上储球管道内的永磁体小球沿螺旋管道内部向下螺旋运动，线圈切割磁感线而产生感应电动势，通过变压器将储存的机械能转化为电能，此时永磁体小球再落入下储球管道内。

所述的中心管内设有螺旋叶片杆，在中心管的顶端设有电动机，该电动机与螺旋叶片杆连接，带动螺旋叶片杆旋转，进而带动永磁体小球向上运动。

所述的上储球管道整体呈半个下降螺旋状，其上端与中心管连通，下端与螺旋通道连通；

所述的下储球管道整体呈半个下降螺旋状，其上端与螺旋通道连通，下端与中心管连通。

所述的上储球管道、下储球管道及螺旋通道的内径相同，均为1.5倍永磁体小球直径；所述的中心管内径为2至2.5倍永磁体小球直径，以容纳螺旋叶片杆自由转动，且不妨碍永磁体小球沿螺旋叶片的滚动。

在上储球管道与螺旋通道交汇处设置有控制永磁体小球进入螺旋通道的第一阀门，在第一阀门沿上储球管道向上1到1.2倍永磁体小球直径之间位置处设置有第二阀门；以第一阀门与第二阀门之间间距比永磁体小球内径稍大为宜，使其仅容一个永磁体小球大小，使得整个螺旋通道在指定时间间隔有且仅有一个永磁体小球运动，避免了多个永磁体小球同时在螺旋管道内运动的互相干扰；第二阀门以上的储球管道为主要部分，所有在风电富余期由中心管进入的永磁体小球均储存在这一段。在下储球管道与中心管交汇处设置有控制永磁体小球进入中心管的第三阀门。

所述的第一阀门、第二阀门或第三阀门采用包含光敏元件的电路自动控制或人工控制。所述的第一阀门、第二阀门或第三阀门均应经过抗冲击验算，尤其是第三阀门，在不妨碍永磁体小球运动的前提下，可设置橡胶等缓冲层。

所述的线圈由导线缠绕形成，所述的导线分为支导线和总导线两类，支导线密绕在螺旋通道外壁，并与总导线相连，总导线两端从中心管顶部伸出连接外部电气设备，并形成闭合回路。根据法拉第电磁感应定律，线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，发电量也越大，鉴于单根导线长度的限制，可将螺旋管道按长度分段缠绕导线，并将各个导线分支接到固定于中心管的总导线上，并与外部变压器等设备相连形成闭合回路。

所述的上储球管道与中心管及螺旋通道的连接处均为连续光滑的曲面，所述的下储球管道与中心管及螺旋通道的连接处均为连续光滑的曲面，且所有供永磁体小球滚动的通道表面均为不阻碍永磁体小球滚动的光滑面，避免小球在经由螺旋叶片运送过程中产生较大阻力和磨损。所述的上储球管道与下储球管道坡度缓于螺旋通道，以刚能使永磁体小球自由向下滚动为宜。

所述的螺旋通道为钢质空心管。

螺旋通道与沉井或大直径桩基础内壁固定方式可沿螺旋下降方向按适当间距设置箍筋把螺旋通道与沉井基础纵向受力钢筋绑扎或焊接起来，使螺旋通道与沉井基础成为一个整体；中心管顶底面应固定在沉井基础上，具体方式可用螺旋通道的固定方式，另外，可把中心管设计成为多跨超静定梁，即在中心管中间设置多道支撑，与沉井基础固接。螺旋通道与中心管的锚固端数量和深度应符合螺旋通道和中心管的稳定性要求。

上面所述的螺旋通道、永磁体小球、中心管、上储球管道、下储球管道以及各个阀门均应根据风电机组的沉井或大直径桩基础的尺寸，结合建设成本和最大发电效率优化设计。

所述的永磁体小球的数量、尺寸应根据该地区富余风电能量计算，小球尺寸还应综合考虑结构稳定性、材料抗冲击强度等因素。

与现有技术相比，本发明在沉井基础或管桩基础中空部分沿内壁设置螺旋管道，螺旋管道的内径容纳特制的永磁体小球通过，沿高度呈螺旋形均匀设置，在管外壁密绕导线，形成螺线管，导线两端接到附近的专用变压器上，以获得相对稳定的交流电压。当永磁体小球从基础装置的顶部滚下，在螺线管所处空间内产生变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律：当穿过闭合回路的磁通量发生改变时，该回路中即产生感应电流，相应的，本发明对应产生感生电动势，且该电动势和穿过闭合回路的磁通量的变化率成正比，即满足如下公式：

其中，E为感应电动势，n为线圈匝数，为穿过闭合回路的磁通量，Δt为与磁通量改变所对应的时间。

本发明的意义在于：当风力较大或季风季节来临时，可以利用风机涡轮产生的富余电力把位于桩基底部的永磁体小球升起到桩基顶部上储球管道内，使电能转化为机械能；当风力较弱或季风季节过去，风电资源进入低谷期可把上储球管道打开，使永磁体小球因重力作用沿螺旋形钢管滚下，由空间变化的磁场在导线内产生变化的电场，回路中产生电流，经变压器处理后，即可产生稳定交变电压，最终把储存的机械能转化为电能，并降低风力发电的不稳定性，间接提高风力发电效率，因此，本发明有着广阔的市场前景，一旦装配大型风力发电机组，将产生巨大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为螺旋通道结构示意图；

图4为螺旋叶片杆的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～图3所示，一种风电储能基础装置，设置在风电机组的沉井或大直径桩基础1内，包括螺旋通道2、线圈、中心管3、上储球管道5、下储球管道6及永磁体小球。

螺旋通道2如图3所示，固定在沉井或大直径桩基础内壁上；螺旋通道2为钢质空心管。螺旋通道2与沉井或大直径桩基础内壁固定方式可沿螺旋下降方向按适当间距设置箍筋把螺旋通道2与沉井基础纵向受力钢筋绑扎或焊接起来，使螺旋通道2与沉井基础成为一个整体；中心管3顶底面应固定在沉井基础上，具体方式可用螺旋通道2的固定方式，另外，可把中心管3设计成为多跨超静定梁，即在中心管3中间设置多道支撑，与沉井基础固接。螺旋通道2与中心管3的锚固端数量和深度应符合螺旋通道2和中心管3的稳定性要求。

线圈密绕在螺旋通道2外壁，并与外部电气设备相连形成闭合回路；线圈由导线缠绕形成，导线分为支导线和总导线两类，支导线密绕在螺旋通道2外壁，并与总导线相连，总导线两端从中心管3顶部伸出连接外部电气设备，并形成闭合回路。根据法拉第电磁感应定律，线圈匝数越多，产生的感应电动势越大，发电量也越大，鉴于单根导线长度的限制，可将螺旋管道按长度分段缠绕导线，并将各个导线分支接到固定于中心管的总导线上，并与外部变压器等设备相连形成闭合回路。实际上在图3所示的螺旋通道管壁上缠绕有线圈，为了保持图的简洁美观，在图3中把外壁的线圈略去不画。

中心管3竖直设置在螺旋通道2的中心轴上；中心管3内设有螺旋叶片杆10，螺旋叶片杆10结构如图4所示。在中心管3的顶端设有电动机4，该电动机4与螺旋叶片杆10连接，带动螺旋叶片杆10旋转，进而带动永磁体小球向上运动。

上储球管道5连接在中心管3顶端与螺旋通道2顶端之间，既作为为中心管3和螺旋通道2的“桥梁”，也作为永磁体小球的储球仓；下储球管道6连接在中心管3底端与螺旋通道2底端之间；上储球管道5整体呈半个下降螺旋状，其上端与中心管3连通，下端与螺旋通道2连通；下储球管道6整体呈半个下降螺旋状，其上端与螺旋通道2连通，下端与中心管3连通。

上储球管道5、下储球管道6及螺旋通道2的内径相同，均为1.5倍永磁体小球直径；中心管3内径为2至2.5倍永磁体小球直径，以容纳螺旋叶片杆10自由转动，且不妨碍永磁体小球沿螺旋叶片的滚动。

上储球管道5与中心管3及螺旋通道2的连接处均为连续光滑的曲面，下储球管道6与中心管3及螺旋通道2的连接处均为连续光滑的曲面，且所有供永磁体小球滚动的通道表面均为不阻碍永磁体小球滚动的光滑面，避免小球在经由螺旋叶片运送过程中产生较大阻力和磨损。上储球管道5与下储球管道6坡度缓于螺旋通道2，以刚能使永磁体小球自由向下滚动为宜。

在上储球管道5与螺旋通道2交汇处设置有控制永磁体小球进入螺旋通道2的第一阀门7，在第一阀门7沿上储球管道5向上1到1.2倍永磁体小球直径之间位置处设置有第二阀门8；以第一阀门7与第二阀门8之间间距比永磁体小球内径稍大为宜，使其仅容一个永磁体小球大小，使得整个螺旋通道2在指定时间间隔有且仅有一个永磁体小球运动，避免了多个永磁体小球同时在螺旋管道2内运动的互相干扰；第二阀门8以上的储球管道为主要部分，所有在风电富余期由中心管进入的永磁体小球均储存在这一段。在下储球管道6与中心管3交汇处设置有控制永磁体小球进入中心管3的第三阀门9。

第一阀门7、第二阀门8或第三阀门9采用包含光敏元件的电路自动控制或人工控制。第一阀门7、第二阀门8或第三阀门9均应经过抗冲击验算，尤其是第三阀门9，在不妨碍永磁体小球运动的前提下，可设置橡胶等缓冲层。

永磁体小球位于装置内部，风力富足时，利用风电机组的富余电力，将下储球管道6内的永磁体小球从中心管3抬升至上储球管道5内，使电能转化为机械能；在风力贫乏时，上储球管道5内的永磁体小球沿螺旋管道2内部向下螺旋运动，线圈切割磁感线而产生感应电动势，通过变压器将储存的机械能转化为电能，此时永磁体小球再落入下储球管道6内。永磁体小球的数量、尺寸应根据该地区富余风电能量计算，小球尺寸还应综合考虑结构稳定性、材料抗冲击强度等因素。

上面所述的螺旋通道、永磁体小球、中心管、上储球管道、下储球管道以及各个阀门均应根据风电机组的沉井或大直径桩基础的尺寸，结合建设成本和最大发电效率优化设计。

本风电基础装置的工作过程：首先，打开第二阀门8，储存在上储球管道5中的永磁体小球依次滚入第一阀门7与第二阀门8之间的上储球管道5(设计第一阀门7与第二阀门8之间最大可容纳永磁体小球数为1)；其次打开第一阀门7，永磁体小球即受重力作用沿螺旋管道下落，由于转动球体的磁场分布类似于空间中的电偶极子磁场分布，根据法拉第电磁感应定律，线圈的回路由于磁通量的变化，产生感应电动势，且永磁体小球速度越快，半径越大，感应电动势越大，相应的发电量越大，当永磁体小球经螺旋通道进入下储球管道6中时，由于坡度减缓，永磁体小球加速度减小，并最终由于第三阀门9的阻碍作用停在下储球管道6中；最后，当风电富余时，打开第三阀门9，使下储球管道6中的永磁体小球依次进入中心管3中，利用电动机4带动螺旋叶片杆10，再次把永磁体小球抬升到上储球管道5中，等待下次的自由滚落发电。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种风电储能基础装置，设置在风电机组的沉井或大直径桩基础内，其特征在于，包括：

螺旋通道(2)：固定在沉井或大直径桩基础内壁上；

线圈：密绕在螺旋通道(2)外壁，并与外部电气设备相连形成闭合回路；

中心管(3)：竖直设置在螺旋通道(2)的中心轴上；

上储球管道(5)：连接在中心管(3)顶端与螺旋通道(2)顶端之间；

下储球管道(6)：连接在中心管(3)底端与螺旋通道(2)底端之间；

永磁体小球：风力富足时，利用风电机组的富余电力，将下储球管道(6)内的永磁体小球从中心管(3)抬升至上储球管道(5)内，使电能转化为机械能；在风力贫乏时，上储球管道(5)内的永磁体小球沿螺旋管道(2)内部向下螺旋运动，线圈切割磁感线而产生感应电动势，通过变压器将储存的机械能转化为电能，此时永磁体小球再落入下储球管道(6)内；

所述的中心管(3)内设有螺旋叶片杆(10)，在中心管(3)的顶端设有电动机(4)，该电动机(4)与螺旋叶片杆(10)连接，带动螺旋叶片杆(10)旋转，进而带动永磁体小球向上运动；

所述的上储球管道(5)整体呈半个下降螺旋状，其上端与中心管(3)连通，下端与螺旋通道(2)连通；

所述的下储球管道(6)整体呈半个下降螺旋状，其上端与螺旋通道(2)连通，下端与中心管(3)连通。

2.根据权利要求1所述的一种风电储能基础装置，其特征在于，所述的上储球管道(5)、下储球管道(6)及螺旋通道(2)的内径相同，均为1.5倍永磁体小球直径；所述的中心管(3)内径为2至2.5倍永磁体小球直径。

3.根据权利要求1所述的一种风电储能基础装置，其特征在于，在上储球管道(5)与螺旋通道(2)交汇处设置有控制永磁体小球进入螺旋通道(2)的第一阀门(7)，在第一阀门(7)沿上储球管道(5)向上1到1.2倍永磁体小球直径之间位置处设置有第二阀门(8)；在下储球管道(6)与中心管(3)交汇处设置有控制永磁体小球进入中心管(3)的第三阀门(9)。

4.根据权利要求3所述的一种风电储能基础装置，其特征在于，所述的第一阀门(7)、第二阀门(8)或第三阀门(9)采用包含光敏元件的电路自动控制或人工控制。

5.根据权利要求1所述的一种风电储能基础装置，其特征在于，所述的线圈由导线缠绕形成，所述的导线分为支导线和总导线两类，支导线密绕在螺旋通道(2)外壁，并与总导线相连，总导线两端从中心管(3)顶部伸出连接外部电气设备，并形成闭合回路。

6.根据权利要求1所述的一种风电储能基础装置，其特征在于，所述的上储球管道(5)与中心管(3)及螺旋通道(2)的连接处均为连续光滑的曲面，所述的下储球管道(6)与中心管(3)及螺旋通道(2)的连接处均为连续光滑的曲面，且所有供永磁体小球滚动的通道表面均为不阻碍永磁体小球滚动的光滑面。

7.根据权利要求1所述的一种风电储能基础装置，其特征在于，所述的螺旋通道(2)为钢质空心管。