CN109989825A - 一种基于单缸柴油机的惯性储能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，包括单缸柴油机、自动变速器、飞轮、发电机、速度传感器、控制系统，所述单缸柴油机、自动变速器、飞轮及发电机依次通过联轴器连接，所述速度传感器设置于自动变速器的输出轴并与控制系统信号连接，所述控制系统的控制输出端与自动变速器的控制输入端信号连接，所述控制系统用于控制自动变速器升档或降档。本发明在单缸柴油机与飞轮间设置自动变速器，实现以小扭矩、低功率来启动飞轮，然后在飞轮转速到达一定的条件下升档以降低单缸柴油机的转速，节油的同时使飞轮从低速加速到额定转速来储存能量并发电，达到以结构简单可靠、成本低的小功率单缸柴油机带动大功率发电的效果。

Description

一种基于单缸柴油机的惯性储能发电装置

技术领域

本发明属于发电设备技术领域，具体涉及一种结构简单可靠、成本低、启动力小、节能降耗的基于单缸柴油机的惯性储能发电装置。

背景技术

惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法，储存在旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能，不仅储能密度高，而且提取方便。

惯性储能发电是指利用原动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的一种发电装置。在储能时，通过电动机、透平机、柴油机等原动机拖动飞轮加速储能，能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中，完成电能、化学能到机械能转换的储存能量过程；当飞轮达到设定的最大转速以后，原动机维持一个恒定的转速；释能时，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动发电机输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。

单缸柴油机因为设计简单、性价比高而得以广泛应用，但如果用做发电机动力时一般只能通过皮带传动，而皮带传动由于存在诸如功率损失大、皮带磨损、造成频率不稳的问题，目前很少作为发电机的动力源，少部分采用的也存在能耗较高的难题。此外，由于大惯量的飞轮启动力矩较大，现有技术中的单缸柴油机为直接启动飞轮，必须采用输出功率远远大于发电机实际需要功率的柴油机，不仅成本较高，而且在浪费资源的同时也增大了发电的能耗，且容易导致机组发热，发电时产生的噪声也较大。

飞轮作为能量存储器的能力一般通过转动惯量来表示，转动惯量越大，储能越多，但较大的转动惯量又会造成动力机械不容易启动。因此，传统一体式的盘形飞轮不仅难以兼顾易启动和大的转动惯量，而且由于体积重、圆径大，难以做到便捷的搬运和组装。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题及不足，提供了一种结构简单可靠、成本低、启动力小、节能降耗的基于单缸柴油机的惯性储能发电装置。

本发明之基于单缸柴油机的惯性储能发电装置是这样实现的：包括单缸柴油机、自动变速器、飞轮、发电机、速度传感器、控制系统，所述单缸柴油机、自动变速器、飞轮及发电机依次通过联轴器连接，所述速度传感器设置于自动变速器的输出轴并与控制系统信号连接，所述控制系统的控制输出端与自动变速器的控制输入端信号连接，所述控制系统用于控制自动变速器升档或降档。

本发明的有益效果：在单缸柴油机与飞轮间设置自动变速器，同时通过控制系统读取自动变速器输出轴的转速，自动控制自动变速器在启动时以低档位实现以小扭矩、低功率来启动飞轮，然后在飞轮转速到达一定的条件下升档以降低单缸柴油机的转速，从而在节油的同时使飞轮从低速加速到额定转速来储存能量并发电，达到以结构简单可靠、成本低的小功率单缸柴油机带动大功率发电的效果。

附图说明

图1为本发明原理示意图之一；

图2为本发明原理示意图之二；

图3为图1之飞轮原理结构示意图；

图4为图3之飞轮的旋转剖视图之一；

图5为图3之飞轮的旋转剖视图之二；

图中：1-单缸柴油机，2-自动变速器，3-飞轮，301-固定盘，302-飞轮片，303-弹性体，304-腰子孔，305-凸起部，306-导向杆，307-导向孔，308-螺钉，309-飞轮轴，4-发电机，5-速度传感器，6-联轴器，7-离合器，8-轴承座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1至5所示，本发明包括单缸柴油机1、自动变速器2、飞轮3、发电机4、速度传感器5、控制系统，所述单缸柴油机1、自动变速器2、飞轮3及发电机4依次通过联轴器6连接，所述速度传感器5设置于自动变速器2的输出轴并与控制系统信号连接，所述控制系统的控制输出端与自动变速器2的控制输入端信号连接，所述控制系统用于控制自动变速器2升档或降档。

如图2所示，所述飞轮3的输入轴和/或输出轴连接有离合器7。

如图3、4和5所示，所述飞轮3包括固定盘301、飞轮片302、弹性体303，所述固定盘301与飞轮轴同轴固定连接，所述固定盘301上沿周向均布有至少两片飞轮片302，所述飞轮片302与固定盘301径向滑动连接，所述弹性体303的两端分别与相邻的飞轮片302固定连接或设置于飞轮片302滑动连接的前端或后端。

所述飞轮片302为半圆环形结构，同一惯量的飞轮片均布于固定盘301的周向。

所述弹性体303为橡胶块、压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧，所述弧形弹簧的弧形面开口面向飞轮芯轴。

如图4所示，所述固定盘301沿周向均布有与飞轮片302数量对应且径向延伸的腰子孔304，所述飞轮片302的一端设置有与腰子孔304滑动配合的凸起部305，所述飞轮片302通过凸起部305嵌入腰子孔304与固定盘301径向滑动连接，所述弹性体303为螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧且两端分别与相邻的飞轮片302固定连接。

所述凸起部305呈方形且与飞轮片302的质量中心线对称，或者飞轮片302沿质量中心线设置有至少两个圆形或弧形的凸起部305。

如图5所示，所述固定盘301的一端或外圆周沿周向均布固定有与飞轮片302数量对应且径向延伸的导向杆306，所述飞轮片302上设置有与导向杆306滑动配合的导向孔307，所述飞轮片302通过导向杆306穿过导向孔307与固定盘301径向滑动连接。

所述弹性体303为螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧且两端分别与相邻的飞轮片302固定连接，或者弹性体303为橡胶块或压缩弹簧且中部穿过导向杆306并设置于飞轮片302后端，或者弹性体303为螺旋拉伸弹簧且穿设于导向杆306的飞轮片302前端。

所述飞轮片302近两侧面固定设置有固定点，所述螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧的两端分别与相邻两飞轮片302的非相邻固定点固定连接。

所述飞轮片302的固定点为挂钩孔或螺钉308，所述螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧的两端设置有挂钩，所述螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧通过挂钩与挂钩孔的配合与飞轮片302固定连接，或者螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧的两端通过螺钉308与飞轮片302固定连接。

本发明的工作原理及工作过程：

本发明在单缸柴油机与飞轮间设置自动变速器，同时通过控制系统读取自动变速器输出轴的转速，自动控制在启动时以低档位来实现以小扭矩、低功率启动飞轮，然后在飞轮转速到达一定的条件下升档以降低单缸柴油机的转速，在节油的同时使飞轮从低速加速到额定转速来储存能量并发电，达到以结构简单可靠、成本低的小功率单缸柴油机带动大功率发电的效果。进一步，在飞轮的输入轴和/或输出轴连接离合器，输入轴前连接离合器能够在不需要单缸柴油机而关闭时切断与飞轮的连接，便于节能降耗；而在输出轴后连接离合器能够在启动时切断与发电机的连接，从而减低启动力矩，进一步降低对单缸柴油机的功率要求，从而节约成本。进一步，将整体式飞轮拆分为多片独立的飞轮片，然后以固定片滑动连接形成一个具有储能功能的完整飞轮，解决了传统一体式飞轮因体积重、圆径大而拆装及搬运不易的难题；而且飞轮片通过弹性体限位，使得飞轮片在低速时由于弹性体的阻力限制而难以外移，从而能够保持较低的转动惯量，而高速时由于离心力克服弹性体的阻力限制而外移，从而能够获得较高的转动惯量，进一步降低启动力矩和提高储能的能力；此外，由于各可独立滑动的飞轮片在离心力及弹性体的阻力共同作用下，能够自动变化飞轮的惯性，从而动态地适应柴油机固有的扭矩波动的振幅和相位，达到减少柴油机扭矩波动的目的。更进一步，飞轮片通过凸起部嵌入与固定盘的腰子孔实现径向滑动连接，使得飞轮片与固定盘的连接不仅紧凑，而且连接可靠、滑动导向性好。更进一步，飞轮片通过导向杆穿过固定盘上的导向孔实现径向滑动连接，不仅固定盘可有效减重而进一步减低启动力，而且导向杆结构也便于与固定盘拆卸和组装，运输较为方便，导向杆与导向孔的配合形式也使得连接更加可靠、导向性较好。再进一步，弧形弹簧的两端分别与相邻两飞轮片的非相邻固定点固定连接，通过跨接的形式能够以相邻两侧的飞轮片来有效抑制质量分布不均的问题，同时也能增长弧形弹簧的长度，从而既能增大弧形弹簧的势能而提高应对质量分布不均及扭矩波动的能力，而且也能增大转动惯量的可变范围，从而提高飞轮的低启动力和高储能的适应能力。再进一步，螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧通过挂钩或螺钉与飞轮片固定连接，能够在保证连接可靠性的情况下提高连接弹簧的拆装便捷性。综上所述，本发明具有结构简单可靠、成本低、启动力小、节能降耗的特点。

如图2和图5所示，单缸柴油机1启动后，自动变速器2处于最低挡位且飞轮3输出轴后端的离合器7分离，自动变速器2将单缸柴油机1的高速、小扭矩的输出转变为低速、大扭矩来启动飞轮3转动；当控制系统通过速度传感器5检测到飞轮3输出轴的转速达到预设阈值时，控制自动变速器2升档以提高飞轮3的转速，如此循环直至使飞轮3从低速加速到额定转速来储存能量，此时自动变速器2升至最高档位使单缸柴油机1以较小的功率维持飞轮3于一个恒定的转速；释能时，控制系统控制飞轮3输出轴后端的离合器7吸合，高速旋转的飞轮3利用其惯性作用拖动发电机4发电，输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。其中，飞轮3在启动时，由于弹性体303（如弧形弹簧）的阻力，飞轮片302处于飞轮3的近中心位置，此时飞轮3的惯性转矩较小，单缸柴油机1所需要的启动力较小；而随着飞轮3的转速升高，飞轮片302的离心力逐步大于弹性体303（如弧形弹簧）的阻力，此时飞轮片302相对固定盘301的中心外移，从而增大飞轮3的惯性转矩，提高了飞轮3的转动惯量；而飞轮3在依靠惯性驱动发电机4时，飞轮3在发电机4的拖动阻力下减速且扭矩下降，飞轮片302的离心力进一步增大，使得飞轮片302沿固定盘301的导向杆306向外滑动，此时，飞轮3的离心力和惯性在多个飞轮片302的作用下增大，使得传递给发电机4的扭矩下降速度减慢，从而使发电机4输出的可用功率能够维持在一端较长的时间内。

Claims (10)

1.一种基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于包括单缸柴油机（1）、自动变速器（2）、飞轮（3）、发电机（4）、速度传感器（5）、控制系统，所述单缸柴油机（1）、自动变速器（2）、飞轮（3）及发电机（4）依次通过联轴器（6）连接，所述速度传感器（5）设置于自动变速器（2）的输出轴并与控制系统信号连接，所述控制系统的控制输出端与自动变速器（2）的控制输入端信号连接，所述控制系统用于控制自动变速器（2）升档或降档。

2.根据权利要求1所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述飞轮（3）的输入轴和/或输出轴连接有离合器（7）。

3.根据权利要求1所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述飞轮（3）包括固定盘（301）、飞轮片（302）、弹性体（303），所述固定盘（301）与飞轮轴同轴固定连接，所述固定盘（301）上沿周向均布有至少两片飞轮片（302），所述飞轮片（302）与固定盘（301）径向滑动连接，所述弹性体（303）的两端分别与相邻的飞轮片（302）固定连接或设置于飞轮片（302）滑动连接的前端或后端。

4.根据权利要求3所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述弹性体（303）为橡胶块、压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧，所述弧形弹簧的弧形面开口面向飞轮芯轴。

5.根据权利要求4所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述固定盘（301）沿周向均布有与飞轮片（302）数量对应且径向延伸的腰子孔（304），所述飞轮片（302）的一端设置有与腰子孔（304）滑动配合的凸起部（305），所述飞轮片（302）通过凸起部（305）嵌入腰子孔（304）与固定盘（301）径向滑动连接，所述弹性体（303）为螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧且两端分别与相邻的飞轮片（302）固定连接。

6.根据权利要求5所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述凸起部（305）呈方形且与飞轮片（302）的质量中心线对称，或者飞轮片（302）沿质量中心线设置有至少两个圆形或弧形的凸起部（305）。

7.根据权利要求4所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述固定盘（301）的一端或外圆周沿周向均布固定有与飞轮片（302）数量对应且径向延伸的导向杆（306），所述飞轮片（302）上设置有与导向杆（306）滑动配合的导向孔（307），所述飞轮片（302）通过导向杆（306）穿过导向孔（307）与固定盘（301）径向滑动连接。

8.根据权利要求7所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述弹性体（303）为螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧且两端分别与相邻的飞轮片（302）固定连接，或者弹性体（303）为橡胶块或压缩弹簧且中部穿过导向杆（306）并设置于飞轮片（302）后端，或者弹性体（303）为螺旋拉伸弹簧且穿设于导向杆（306）的飞轮片（302）前端。

9.根据权利要求5或8所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述飞轮片（302）近两侧面固定设置有固定点，所述螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧的两端分别与相邻两飞轮片（302）的非相邻固定点固定连接。

10.根据权利要求9所述基于单缸柴油机的惯性储能发电装置，其特征在于所述飞轮片（302）的固定点为挂钩孔或螺钉（308），所述螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧的两端设置有挂钩，所述螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧通过挂钩与挂钩孔的配合与飞轮片（302）固定连接，或者螺旋拉伸弹簧或弧形弹簧的两端通过螺钉（308）与飞轮片（302）固定连接。