CN115898769A - 一种石锁储能和能量恒定输出机构装置 - Google Patents

Abstract

一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，针对现有风力发电机不稳定的问题；在风机具有的获取风能机构与发电机组机构之间设置的一种风能转换装置；对风力有较宽的风速适应范围，通过大石锁储备风能以恒定功率输出的风能转换器，将不稳定的自然风能收储变为恒定的能量输送给发电机组；风能通过传动机构将重砣升至空中，使石锁产生一定重力的能量，石锁在具备了一定能量的同时通过传动机构驱动发电机组恒速运行，风能大于发电机所需能量时，在保证输出能量不变的情况下，通过相关机构将石锁逐步升高，将富余的能量储存；如果风能小于发电机所需能量或者无风时，能量释放使石锁逐步下降，以储存的能量来弥补因风能不足所需的动力。

Description

一种石锁储能和能量恒定输出机构装置

技术领域

绿色新能源、风力发电领域。

背景技术

现有风力发电机因风速差异大，导致风电不稳定，更容易对发电机构造成损害，为了使风能适应发电机所需功率，采取变桨技术以降低对风力的利用，甚至停机的方法来控制因风力太大造成的不良后果，这样浪费了大量的风力资源；更因为风能不能存储，风力不足发电机所需功率的时候无法启动发电机，风塔一停，发电为零，这是个致命的缺点。风力发电的随机性、输出功率不可控性导致风电不稳定，因此发电的峰谷差较大，这对于稳定性有极高要求的电网来说，成为制约风电的严重障碍，给并入电网增加了难度，所以导致对风能的利用率低、运行的经济性差。为了弥补因自身发电峰谷和电网峰谷差及并网的矛盾，现有技术虽然可以通过储电池技术和设置储水电站的方式来临时储存电能，但这种方式受制于地域环境的限制，基础设备投资多，自身损耗大，运行和维护成本高，并且解决不了风速差异大、风电不稳定的问题。

发明内容

本发明针对现有风力发电机因风速差异大、导致风电不稳定、对风能利用率低的问题，在现有风机所具有的获取风能机构与发电机组机构之间设置的一种风能转换机构；本发明可以储存一定量的风能，将不稳定的风能通过新技术转换为恒定的功率输送给发电机组，使发电机达到平稳运行，从而获得优质的电能，根本性优化了风力发电技术。

本发明所提供的技术包括现有风力发电机具有的获取风能机构及传动机构和发电机组机构，其特征是：该装置包括具备一定重量的大石锁（1），还包括风能转换器（8）；风能通过相关传动机构和风能转换器（8）将石锁升至空中，由石锁的重量而产生一定重力的能量，在石锁具备了一定能量的同时通过风能转换器（8）和传动机构以恒定的能量输送给发电机组；风能大于发电机所需能量时，在保证输出能量的同时，风能通过相关传动机构将石锁逐步升高，将富余的能量储存；风能小于发电机所需能量或者无风时，石锁由自然下坠的重力通过风能转换器和相关机构逐步下降，使能量释放，以储存的能量来弥补因风能不足所需的动力。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果说明如下：

1、本技术对风力有较宽的风速适应范围，将不稳定的自然风能收储变为恒定的能量输出；结构简单，性能稳定，充分发挥了风力发电的优良条件，使现有风力发电机做功程序发生彻底改变，根本性优化了风力发电技术，非常适合并网的要求。

2、本技术的石锁可以就地取材，取材方便，可以在任何地方随地实施，不受地域环境限制，造价低廉，容易实现。

3、本技术的石锁不会因使用时间长而损坏，石锁重力长久不衰，维护费用极少。

4、本技术结构工艺简单，各个环节均没有技术瓶颈，投资成本与产出比例高，风能资源利用率高，环保、安全、无污染、无噪音、易推广。

5、将本技术应用于太阳能发电和现有电网用电峰谷的调节，在用电低谷时期，使用电动力通过相关机构结合本技术，储存富余能量，在用电高峰时期输出功率发电；本技术的广泛应用可以减轻用电高峰期电网负荷压力，促进电能资源的优化配置，极大提升发电系统效能。

6、本技术可以采用串联和并联的方式，增加石锁总重，大量增加能量的储存，在无风的情况下，也可以继续给发电机恒定输入能量使发电机长时间运行发电。

7、本技术具有长期稳定、安全性好、可靠性高、可操作性强、经济性与适用性广泛的特点；在不稳定的自然风况中，能可靠运行并有良好的电能品质，能充分捕获风能以提高发电效率，极大提高和完善设备性能以及整体运营水平。

8、本技术不但可以在单个风力发电机组应用，更因为本技术简单容易普及，不受地域环境限制，可以通过串联和并联方式，大量应用于储能工程，造价低廉，建设快捷，维护简便，容易实施，方便实现大规模的集成储能与应用。

9、本技术设置有变速和离合装置，在风力太小不足以驱动发电机的时候，先将发电机停止，运用小的风能先将石锁上升至设计高度，以储存更多能量，然后开动发电机组，运用小风力继续输入的能量和储存的重力能量合并输出功率，这样不但使小风能发挥出大效益，还在一定时间段内能够持续发电，弥补了因风力太小长时间无法发电的情况。

10、本技术可充分利用海浪、潮汐储能发电，做功原理简易，结构简单，造价低，容易实施，可在海岛广泛应用。

附图说明：

图1是风能转换器内部构件的正视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的右视图；

图4是辊筒3前面内齿轮挡护盘11的正面图；

图5是图4的右视图；

图6是辊筒上装配好行星齿轮的正面图；

图7是图6的右视图；

图8是外齿轮4的平面图；

图9是内齿轮5的平面图；

图10是实施方式一风机和本技术机构系统的布局示意图；

图11是实施方式二内部结构正视图；

图12是图11的俯视图；

图13是图11的右视图；

图14是实施方式三内部结构正视图；

图15是图14的俯视图；

图16是图14的右视图；

图17是实施方式七的结构图；

图18是图17的左视图；

图19只有浮力机构和功率输入轮盘机构的示意图；

图20是图19中轮盘和离合器的放大示意图。

具体实施方式：

实施方式一：本结构包括具备一定重量的大石锁1和吊装石锁的整体结构架（图中未示）；石锁重量可达数吨至数十、百千万吨；具有绞盘机构的风能转换器8，风能转换器内设置有绞盘辊筒3，大石锁1通过相关机构连接固定至绞盘辊筒上，辊筒3前面有内齿轮挡护盘11，挡护盘11上设置有行星齿轮轴12，齿轮轴12上面装配有行星齿轮6，如图1、2、3、4、5、6、7所示。还有齿轮4、齿轮5；齿轮4为外齿，齿轮5为内齿，齿轮4和5可以是一体，也可以是分别加工后同心固定在一起同为一体，如图8、9所示。还有功率输送轴9，功率输送齿轮2（太阳轮），齿轮2和轴9固定；齿轮2和行星齿轮6啮合；行星齿轮6外围和内齿轮5啮合，外齿轮4和齿轮7啮合；齿轮7和功率输出轴10固定；如图1、2、3所示。图1中虚线圆3为辊筒3的示意。

本技术的做功原理是：风机获得风能后将风能通过传动机构（传动杆机构）将能量传给功率输送轴9并带动输送齿轮2运转，轴9和齿轮2设计有止逆机构，用现有技术设计。齿轮2为转换器的功率输入齿轮，轴9为功率输入轴，齿轮7为功率输出齿轮。齿轮2带动行星齿轮6旋转并驱动绞盘辊筒3转动，通过钢丝绳或者钢锁链以及滑轮组和相关机构将石锁1起吊升空，因石锁自然下坠力而产生一定重力的能量，在石锁重力的作用下，齿轮4和5与齿轮2反方向旋转，齿轮4驱动齿轮7并带动功率输出轴10运行，通过传动机构将能量输送给发电机13；风机和本技术系统的布局示意以及风能传递路径如图10所示。

依据发电机13所需功率和设计转速确定发电机做功所需能量，因为石锁重量是一定的，由此产生的重力也是恒定的，依据发电机做功所需能量通过变速机构设定石锁重力所输出的能量。在石锁没有被起吊之前，因为石锁没有产生重力或者重力达不到发电机所需功率的时候，齿轮2驱动行星齿轮带动辊筒同时转动，只有石锁被起吊达到设计重力要求时，行星齿轮才会驱动齿轮4和5并传输功率给齿轮7输出功率；所以在风力太小或者初次启动的情况下，先停止发电机运行，在将石锁吊起一定高度时再启动发电机，如果风力足够发电机所需功率或者有更大风力的时候则无需这样。

因为石锁重量是一定的，重力也是不変的；风力大小与发电机运行所需功率相同的时候，输入齿轮与输出齿轮同步运行，行星齿轮在输入齿轮的驱动下原位置旋转（自转），此时绞盘辊筒不转动，行星齿轮驱动齿轮5和齿轮4旋转并驱动功率输出齿轮7输出功率。如果风力大于发电机所需功率时，输入齿轮运行速度高于输出速度，行星齿轮在驱动齿轮5和4的同时还和绞盘辊筒3共同转动（公转），并通过相关机构将石锁逐步上升至高空，将富余的能量储存。如果风力小于发电机所需功率时，输入齿轮运行速度低于输出速度，因为石锁重力不変，发电机转速不变，所以此时石锁因自然下坠的重力作用而下降，绞盘辊筒反方向转动（倒转），使能量释放，并由行星齿轮带动齿轮5和4按照原设计速度持续恒速运行，以储存的能量来弥补因风力不足所需的动力。如果石锁上升至一定高度的话，即在无风的情况下，因为石锁重力的作用，会继续驱动发电机恒速运行，直至石锁降落地面失去重力作用。石锁起吊机构在其他地方另行设置，通过传动机构将重力能量引入绞盘功能结构体，如图10所示；起吊机构及功率输入和输出系统都设置有变速机构和离合机构及刹车锁止机构，如果风力很大，石锁上升至最高位置时自动减小输入功率或者脱离风能输入机构，或者停止运行，用现有技术设计。使系统具有良好的运行性能。更可以加大加高设施，以起吊更多的石锁产生更大的重力和储存更多的能量。

石锁包含大石块，也可以是将小石块、沙、土、水、金属、或者混合物及具备一定重量的物质盛装在专门的容器内，盛装的容器和吊装石锁的系统机构用现有技术设计；使用钢丝绳或者锁链，通过滑轮组或者链条链轮组起吊，用现有技术设计；也可以采用多组滑轮组及多组链轮和链条组合使用，以加强性能。

实施方式二：本结构包括具备一定重量的大石锁1和吊装石锁的整体结构架（图中未示）；

本结构包括风能转换器箱体26内有风能输入杆15，杆15可以为蜗杆方式；还有功率输出杆21，输出杆可以为方杆方式，也可以是带有花键或者键槽轴方式的杆；有前齿轮盘和后齿轮盘17，齿轮盘上设置重力齿轮18和同轴固定的蜗轮19，两个蜗杆轴承和两个方杆轴承16，该四个轴承可以在蜗杆和方杆上面上下滑动；还有和重力齿轮18相啮合的传动齿轮22、和齿轮22同轴固定的锥齿轮23，传动齿轮22和锥齿轮23通过半轴27装配在前齿轮盘上，锥齿轮23和锥齿轮24啮合，锥齿轮24套在方杆21上并装配在支座25上，支座25固定在后齿轮盘上；转换器内前后壁板设置有滑道14，以使齿轮盘可以上下运行；如图11、12、13所示。

本技术的运行程序是：风能通过传动机构将能量传递给蜗杆15，蜗杆15带动蜗轮19旋转，蜗轮和重力齿轮18同步旋转，重力齿轮18带动齿轮22旋转，锥齿轮23和齿轮22同步旋转，锥齿轮23带动锥齿轮24旋转，锥齿轮24驱动方杆21旋转，方杆21通过相关传动机构给发电机输送功率，具体结构用现有技术设计。

本技术的运行原理是：将大石锁1的重力通过传动机构从齿轮盘下方导入并连接固定，风能通过传动机构将能量传递给输入蜗杆14，蜗杆14及重力齿轮18设置有止逆机构，使其只能单方向旋转，传动机构及止逆机构用现有技术设计；风能驱动蜗杆14旋转并带动重力齿轮18向上运行（顺时针旋转）；重力齿轮18通过相关机构拉动大石锁1向上升至空中，使石锁产生一定量的重力，在重力的作用下，因石锁自然下坠力而产生一定重力的能量，在石锁重力的作用下，齿轮18始终顺时针方向运转，通过相关齿轮传动由方杆21输出动力，如图11、12、13所示。

因为重力是恒定的，发电机转速定速的，所以齿轮18带动功率输出方杆21运行速度是恒定的，通过功率输出轴（图中未示）输出功率。风力大小与发电机运行所需功率相同的时候，蜗杆与方杆同速运行，重力齿轮18在原位置旋转，如果风力大于发电机所需能量时，蜗杆运行速度大于方杆，在保证输出能量不变的情况下，使重力齿轮18上升，并通过相关机构将石锁逐步上升至高空，将富余的能量储存。如果风力小于发电机所需能量时，蜗杆运行速度小于方杆，因为石锁重量是一定的，重力也是一定不変的，发电机转速也是定速的，所以此时重力齿轮18因石锁重力的作用而逐步下降（旋转方向不变），能量逐步释放，以储存的能量来弥补因风力不足所需的动力。

也可以将石锁的重力通过相关传动机构从风能转换箱体的上方导入风能转换箱内，和齿轮盘结构上方连接固定，此种情况下将锥齿轮24和支座25设置在锥齿轮23的上方，如图11中锥齿轮24和支座25上面相对应的地方；风能通过相关传动机构驱动蜗杆，蜗杆驱动重力齿轮向下方运行（逆时针旋转），将重力齿轮18向下拉；通过相关机构将石锁起吊升空，做功原理如前所述。更可以将风能转换箱体水平设置，另外设置石锁起吊机构；通过传动机构将重力能量水平方向引入风能转换箱内，用现有技术设计；风机和本技术系统的布局示意以及风能传递路径如图10所示。其他有关石锁重力的运行原理和有关设置与实施方式一相同。

实施方式三：本结构包括风能转换器箱体36内有风能功率输入蜗杆28，还有功率输出蜗杆32，有齿轮盘30，齿轮盘30上设置重力蜗轮31，四个蜗杆轴承29，该四个轴承可以在蜗杆上面上下滑动；箱体内后壁板设置有滑道34，齿轮盘可以在滑道上下运行，箱体前面板上设置有齿轮轴上下滑行的滑槽35，滑道35内有上下滑动的方块33，方块和齿轮轴装配；如图14、15、16所示。也可以将蜗杆蜗轮设置为交错斜齿轮的方式，用现有技术设计。其他有关石锁重力的运行原理和有关设置与实施方式二相同。

实施方式四：本技术设置有变速和离合装置，在风力太小不足以驱动发电机的时候，先将发电机停止，运用小的风能先将石锁上升至设计高度位置，以储存足够能量，然后启动发电机组，运用小风力继续输入的能量和储存的能量合并输出功率，这样充分利用小风能做出了高效益，可以做到在一定时间段内能够发电，弥补了因风力太小长时间无法发电的情况。

实施方式五：本技术可以采用串联和并联的方式，大量增加石锁总重，其重量最多可达千万吨或更多；更可以将石锁升至高空达数十、数百米，也可以用串联的方式增加累计高度，用现有技术设计；也可以将多组风能转换器机构串联或者并联，多组转换器机构共同运行，也可以单独逐个运行，用现有技术设计；以大量增加能量的储存，根据石锁总重和储存能量以及发电机功率的需求，即是在无风的情况下，发电机也可以长时间继续运行发电。

实施方式六：将本技术应用于太阳能发电和现有电网用电峰谷的调节，在用电低谷时期，使用电动力通过相关机构结合本技术，将石锁起吊升至高空，以储存富余能量，在用电高峰时期使石锁下降，释放能量输出功率发电；本技术的广泛应用，可以减轻用电高峰期电网负荷压力，促进电能资源的优化配置，是发挥发电系统效能特别有效的方式。

实施方式七：本技术在实施方式一的基础上，设置增加了一套浮力机构和功率输入轮盘机构，浮力器利用水位高低差产生的能量替代风能及相关机构，将由风能输送功率的方式更改为：利用海浪、潮汐、河溪等，包括人为可以形成水位高低差的地方，利用水位差的浮力产生的能量通过相关机构来驱动发电机。浮力器通过相关机构驱动轮盘40转动，轮盘通过功率输送轴9输送功率；本机构有浮力器装置37，浮力装置上设置有轮盘驱动机构38，该机构包括有撑杆机构和拉力索39，还有单向离合器41，离合器内有弹簧44，离合器滚珠或滚柱43，离合器锁止坡块42，如图17、18、19、20所示。本技术还包括有浮力器和撑杆机构的稳定装置，还有整体的框架结构和工作平台，用现有技术设计。单向离合器也可以用棘轮机构和其他现有技术替代。拉力索也可以是绳索、钢丝缆绳、钢锁链、齿条和链条的方式，轮盘可以是辊轮，也可以是齿轮或者链轮，用现有技术设计；撑杆结构可以是伸缩连杆、交叉连杆、杠杆、油压和弹簧等方式；更可以浮力器37通过撑杆推动杠杆的一端，杠杆另一端连接驱动器来驱动辊轮盘，杠杆两端间设置一支撑点，可以将小的水位差放大到很多倍；也可以多种方式组合使用，以及可以通过水位差的能量驱动轮盘转动的其他方式，用现有技术设计。浮力器和撑杆机构以及轮盘机构可以在其他位置另外设置，将能量通过传动机构传送给功率输送轴9。拉力索缠绕在辊轮盘40上，拉力索和撑杆连接。在水位上升时浮力器推动撑杆上升，撑杆48通过拉力索驱动轮盘转动，轮盘40内设有单向离合装置，离合器的外圈和轮盘固定一起，离合器内部和功率输送轴9固定，撑杆上升时离合器合并锁止，通过输送轴9及传动系统给发电机输送功率；水位下降时浮力器和撑杆下降，离合器自动分离。周而复始，将石锁逐步升高并带动发电机发电。

在以上基础和原理上，也可以在撑杆下端或浮力器上设置一定重量的石锁，浮力器上升的时候先直接将该石锁推高，用石锁自身重力下坠的能量驱动辊轮转动；同时将单向离合器分离和合并锁止的方式改变，浮力器上升时离合器分离，下降时锁止；通过功率输送轴9及传动系统给发电机输送功率。

也可以用以上两种不同的方式组合做功，两套浮力器装置，两套撑杆机构，两个分离及锁止方式不同的单向离合器，两套轮盘，同时给同一个功率输送轴9输送能量，这样做到浮力器和撑杆机构上升和下降的时候都有其中一套机构系统持续驱动轮盘和功率输送轴转动，充分利用了水位差的能量发电；除此以外，其他做功运行原理和结构设置均和实施方式一相同。现有潮汐发电和水力发电技术需要达到一定的水位差才可以应用，水位差太小水的压强小效率极低，无法应用；本技术运用浮力能量发电，水位差大小均可以运行，充分发挥了浪涌的能量。做功原理简易，结构简单，造价低，可在海域海岛广泛应用。

本发明不但可以在单个小型发电机组应用，更因为本技术简单容易普及，不受地域环境限制，造价低、效率高、安全可靠、维护简便、建设快捷、容易实施、方便实现大规模的集成储能系统与应用。

Claims (7)

1.一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，包括现有风力发电机具有的获取风能机构及传动机构和发电机组机构；其特征是：该装置包括具备一定重量的大石锁（1），还包括风能转换器（8）；风能通过相关传动机构和风能转换器（8）将大石锁升至空中，由大石锁的重量而产生一定重力的能量，在大石锁具备了一定能量的同时通过风能转换器（8）和传动机构将能量输送给发电机组；风能大于发电机所需能量时，在保证输出能量的同时，风能通过转换器（8）和相关传动机构将大石锁逐步升高，将富余的能量储存；风能小于发电机所需能量或者无风时，大石锁由自然下坠的重力通过转换器（8）和相关传动机构逐步下降，使能量释放，以储存的能量来弥补因风能不足所需的动力。

2.如权利要求1所述的一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，其特征是：风能转换器（8）内设置有绞盘机构，具有绞盘辊筒（3），大石锁（1）通过相关机构连接固定至绞盘辊筒（3）上，辊筒上装配有行星齿轮（6），另外还有同为一体的齿轮（4）和内齿轮（5），还有功率输送齿轮（2）和功率输送轴（9）固定，齿轮（2）和行星齿轮（6）啮合，行星齿轮（6）外围和内齿轮（5）啮合，齿轮（4）和齿轮（7）啮合，齿轮（7）和轴（10）固定；风能经转换后通过功率输出轴输出功率。

3.如权利要求1所述的一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，其特征是：风能转换控制箱体内有风能输入杆（15），还有功率输出杆（21），有齿轮盘（17），大石锁通过相关机构连接固定至齿轮盘上；齿轮盘在箱体内可以上下运行，齿轮盘上设置有蜗轮（19）和重力齿轮（18）同轴固定；还有传动齿轮（22），齿轮（22）同轴固定有锥齿轮（23），还有锥齿轮（24）装配在输出杆（21）上，风能输入杆和蜗轮（19）啮合，重力齿轮（18）和齿轮（22）啮合，锥齿轮（23）和锥齿轮（24）啮合，锥齿轮（24）带动功率输出杆（21）旋转；风能经转换后通过相关传动机构给发电机输送功率。

4.如权利要求1所述的一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，其特征是：风能转换器箱体内有风能输入蜗杆（28）、功率输出蜗杆（32），有齿轮盘（30），大石锁通过相关机构连接固定至齿轮盘上；齿轮盘在箱体内可以上下运行，齿轮盘上装配有重力蜗轮（31），蜗轮（31）在两蜗杆之间旋转，和两蜗杆啮合，也可以将蜗杆蜗轮啮合的方式变更为交错斜齿轮的啮合方式；风能经转换后通过相关传动机构给发电机输送功率。

5.如权利要求1和2所述的一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，其特征是：利用水位高低差的浮力产生的能量替代风能，包括有浮力器装置（37），功率轮盘（40），浮力器上有轮盘驱动机构（38）；浮力器利用水位高低差的浮力产生的能量通过相关机构驱动轮盘（40）转动，轮盘通过功率输送轴（9）输送功率。

6.如权利要求1所述的一种石锁储能和能量恒定输出机构，其特征是：大石锁包含石块，也可以是将碎石、沙、土、水、金属或混合物及具备一定重量的物质盛装在容器内。

7.如权利要求1所述的一种石锁储能和能量恒定输出机构装置，其特征是：使用电能替代风能，将本技术应用于风力发电的同时用于太阳能发电和现有电网用电峰谷的调节，在用电低谷时期，使用电能通过相关机构结合本技术，将大石锁起吊升至高空，将富余能量储存，在用电高峰时期将石锁按自然下坠的重力逐步释放，用储存的能量发电。

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