CN202001219U - 蓄能系统和包括该蓄能系统的风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蓄能系统和包括该蓄能系统的风力发电机，能够在风力过大时受控地储存多余的风能，而在风力不够时能够受控地释放储存的风能，从而最大限度地实现电力输出的持续、稳定。本实用新型的蓄能系统包括至少一个蓄能单元，蓄能单元包括蓄能装置、蓄能差速器和可控制动装置。蓄能差速器包括用于接收输入动力的输入工作端、用于输出动力的输出工作端以及用于与蓄能装置交换能量的蓄能工作端。可控制动装置结合于蓄能工作端，使得蓄能工作端能够以可控的方式与蓄能装置交换能量。

Description

蓄能系统和包括该蓄能系统的风力发电机

技术领域

本实用新型涉及一种蓄能系统以及包括该蓄能系统的风力发电机。

背景技术

人类对于能源日益增长的需求和生态环境日渐恶化的趋势之间的矛盾，使得如何实现能源的可持续利用和开发成为全世界都在关注的问题。风能作为优良的清洁能源，受到了世界各国的重视。

然而，目前风力发电技术还无法像传统的火力发电技术那样，实现规模化的商业利用。其中，最关键的问题之一是风力不稳定，时有时无，忽大忽小，造成风力发电机无法提供持续、稳定的电力输出。因此，风电很难并入国家电网，被称为“垃圾电”。

实用新型内容

本实用新型拟提供一种蓄能系统，在风力过大时能够受控地储存多余的风能，在风力不够时能够受控地释放储存的风能。

本实用新型还拟提供一种风力发电机，通过利用本实用新型的蓄能系统，最大限度地实现电力输出的持续、稳定。

相应地，本实用新型一方面提供一种蓄能系统，包括至少一个蓄能单元，所述蓄能单元包括：蓄能装置；蓄能差速器，所述蓄能差速器包括用于接收输入动力的输入工作端、用于输出动力的输出工作端以及用于与所述蓄能装置交换能量的蓄能工作端；和可控制动装置，所述可控制动装置结合于所述蓄能工作端，使得所述蓄能工作端能够以可控的方式与所述蓄能装置交换能量。

优选地，所述蓄能系统可以包括多个以级联方式设置的所述蓄能单元，其中，一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端连接于随后的蓄能单元的蓄能差速器的输入工作端。“多个”是指两个以上。

优选地，所述蓄能差速器可以包括：第一半轴，用于接收输入动力而构成所述输入工作端；与所述第一半轴一体形成的第一锥形齿轮；第二半轴，用于输出动力而构成所述输出工作端；与所述第二半轴一体形成的第二锥形齿轮；多个行星齿轮，位于所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮之间并同时与所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮啮合；支撑所述多个行星齿轮的行星齿轮架；和壳体，与所述行星齿轮架一体形成，用于与所述蓄能装置交换能量而构成所述蓄能工作端。

或者，所述蓄能差速器可以包括：第一半轴，用于接收输入动力而构成所述输入工作端；第一锥形齿轮；第二半轴，用于输出动力而构成所述输出工作端；与所述第二半轴一体形成的第二锥形齿轮；多个行星齿轮，位于所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮之间并同时与所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮啮合；行星齿轮架，支撑所述多个行星齿轮并与所述第一半轴一体形成；和壳体，与所述第一锥形齿轮一体形成，用于与所述蓄能装置交换能量而构成所述蓄能工作端。

优选地，所述可控制动装置可以包括与所述蓄能工作端一体形成的制动盘和能够以受控的方式接合和释放所述制动盘的制动钳。

另一方面，本实用新型还提供了一种风力发电机，包括能够在风力作用下转动的风轮和能够接收并传递所述风轮产生的动力的动力传递系统，还包括根据上述任一项技术方案所限定的蓄能系统，从所述动力传递系统接收动力。

优选地，所述至少一个蓄能单元中的至少一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端，连接有转速控制装置。

优选地，所述至少一个蓄能单元中的至少一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端，连接有第二蓄能差速器，所述第二蓄能差速器的蓄能工作端能够与第二蓄能装置交换能量，所述第二蓄能差速器的输出工作端连接有转速控制装置。

根据本实用新型的蓄能系统以及使用这种蓄能系统的风力发电机，蓄能差速器和蓄能装置在相应的可控制动装置的控制下选择性地进行能量的交换(包括选择性地切断能量交换)。因此，可以根据具体情况，按照需要将多余的能量传输给预定的蓄能装置，或者将预定蓄能装置存储的能量按需传输给蓄能差速器，或者保持蓄能差速器当前的输出状态，从而能够最大限度地实现风力发电机的持续稳定的电力输出。

附图说明

图1是根据本实用新型一种实施方式的蓄能系统和风力发电机的原理示意图。

图2是图1中蓄能差速器第一实施方式的示意性剖视图。

图3是图1中蓄能差速器第二实施方式的示意性剖视图。

图4是图1中转速控制装置一种实施方式的示意性剖视图。

具体实施方式

下面参照附图详细地描述本实用新型的具体实施方式。

图1是根据本实用新型一种实施方式的蓄能系统和风力发电机的原理示意图。图示实施例中的风力发电机包括沿竖直方向设立的塔架1、能够在风力作用下转动的风轮2、将风轮2产生的动力沿塔架1向下传递的动力传递系统5以及从动力传递系统5接收动力的蓄能系统4。

2010年6月9日授权公告的名称为“水平轴式风力机”的第200920179133.4号中国实用新型专利公开了具有上述动力传递系统的一种风力发电机。该文献的全部相关内容通过引用包含于此。

本申请人2010年11月15日申请的名称为“联结器组件和动力传递系统以及风力机和风力发电机”的第201020613115.5号中国实用新型专利申请也公开了一种包括上述动力传递系统的风力发电机。该文献的全部相关内容通过引用包含于此。

本领域技术人员应该理解，本实用新型意在提供一种新颖有效的蓄能系统，并将这种蓄能系统用在风力发电机中。因此，本实用新型对于风力发电机的其他结构，包括动力传递系统，并没有限制。本领域已知的其他类型风力发电机和动力传递系统，也可以同本实用新型的蓄能系统结合使用。

根据本实用新型的蓄能系统4包括至少一个蓄能单元。在图1所示的例子中，显示了两个蓄能单元，即第一蓄能单元3和第二蓄能单元6。每一个蓄能单元都可以包括蓄能装置、蓄能差速器和可控制动装置。蓄能差速器包括用于接收输入动力的输入工作端、用于输出动力的输出工作端以及用于与蓄能装置交换能量的蓄能工作端。多个蓄能单元以级联方式设置，其中，一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端连接于随后的蓄能单元的蓄能差速器的输入工作端。

按照一种实施方式，可以将这些蓄能单元分别固定到塔架1的不同塔层。相邻蓄能差速器间彼此相连的输出工作端和输入工作端，可以通过例如联轴器等结构相互连接在一起，用来传递动力；也可以将二者做成一体。

本领域技术人员应该理解，本实用新型的目的不是对蓄能装置本身的原理进行设计或者改进。本领域中已知的能够实现能量存储和输出的蓄能装置，都可以用在本实用新型中，例如，飞轮、扭力弹簧和空气压缩机以及发电机/电动机与蓄电池的组合，以及这些蓄能装置的组合使用，等等。

在本实用新型中，各个蓄能单元可以使用相同的蓄能装置，也可以使用不同的蓄能装置。

在本实用新型中，蓄能工作端和蓄能装置之间的能量交换，既包括能量从蓄能工作端流向蓄能装置，而将能量存储在蓄能装置中，也包括能量从蓄能装置流向蓄能工作端，而将存储在蓄能装置中的能量释放给蓄能差速器。

在本实用新型中，针对第一蓄能单元3，其组成部件前相应地加以“第一”；针对第二蓄能单元6，其组成部件前相应地加以“第二”(图2和3中的两个半轴在本实用新型中，无论对于哪个蓄能单元，都称为“第一半轴”和“第二半轴”)。可以想到，本实用新型的蓄能系统4还可以包括第三、第四等等任意需要数量的蓄能单元，图中没有示出。

在本实用新型中，术语前使用的“第一”、“第二”等限定词，仅仅代表相同种类的装置或结构的不同个体。

如图1所示，第一蓄能单元3的第一蓄能差速器30的第一输入工作端31与动力传递系统5的输出端相连，接收来自风轮2的动力。第一蓄能差速器30的第一输出工作端33与第二蓄能差速器60的第二输入工作端61相连，将经过第一蓄能单元3的动力传递给第二蓄能单元6。以此类推，经过第二蓄能单元6的动力通过第二蓄能单元60的第二输出工作端63，继续传递给随后的蓄能单元，或者输出到其他目标，例如转速控制装置70或者发电机。

2010年8月4日授权公告的、名称为“自然力发电设备和发电机组”的第200920179109.0号中国实用新型专利公开了一种可以与蓄能装置结合使用的差速器或者差速传动机构。该专利文献的全部相关内容通过引用包含于此。本领域技术人员可以理解，本实用新型的差速器可以利用公知的任何其他差动机构来实现。“蓄能差速器”中的限定词“蓄能”用于表示差速器在本实用新型中的作用，而不是为了限制差速器的结构。

下面，参照图2以第一蓄能差速器30为例描述本实用新型的蓄能差速器的一种结构。该结构同样适用于第二蓄能差速器60等其他的蓄能差速器。

第一蓄能差速器30包括作为第一输入工作端的第一半轴31、作为第一输出工作端的第二半轴33和作为第一蓄能工作端的壳体37。第一蓄能差速器30还包括与第一半轴31一体形成的第一锥形齿轮32、与第二半轴33一体形成的第二锥形齿轮34、位于第一、第二锥形齿轮32、34之间并同时与这两个锥形齿轮啮合的多个行星齿轮35以及支撑这些行星齿轮35的行星齿轮架36。其中，壳体37包围着上述构件并与行星齿轮架36一体形成。

术语“一体形成”是指多个构件或者部分以相互固定的方式结合在一起，既包括多个分离的构件利用连接件或者焊接等方式固定在一起的情况，也包括多个部分构成整体上是单件式结构的情况。

针对于不同的具体蓄能装置结构和工作环境等设计因素，壳体37可以具有不同的结构。作为一个例子，当采用以转轴作为输入/输出端的飞轮、扭转弹簧作为第一蓄能装置40时，可以将壳体37和蓄能装置的转轴作成带轮，利用皮带在二者之间进行能量的交换。作为一种替换方式，可以将壳体37和第一蓄能装置40的输入/输出转轴加工成齿轮，利用齿轮传动系进行能量的交换。

为了使壳体(第一蓄能工作端)37能够以可控的方式与第一蓄能装置40交换能量，即根据需要选择性地允许或者中止这种能量交换，根据本实用新型的第一蓄能单元3还包括结合于壳体37的第一可控制动装置50。

作为一种实施方式，如图2所示，在壳体37上可以一体地形成第一制动盘51，作为第一可控制动装置50的组成部分。第一可控制动装置50还包括第一制动钳52。第一制动钳52能够响应于电信号闭合而接合于第一制动盘51，从而使得第一制动盘51停止运动，进而使得壳体37停止转动。在这种情况下，第一输入工作端31接收的动力直接经第一输出工作端33传递给第二蓄能单元6，第一蓄能工作端37既不向第一蓄能装置40输送能量，也不从第一蓄能装置40接收原已存储的能量。当响应于其他的电信号或者当不再施加电信号时，第一制动钳52张开而释放第一制动盘51，从而允许壳体37转动。在这种情况下，可以实现蓄能装置和蓄能工作端之间的能量交换。

虽然上面描述的可控制动装置是常开型，但是，应该理解，第一可控制动装置50也可以是常闭型，即没有电信号时，第一制动钳52接合第一制动盘51；而在施加电信号时，第一制动钳52释放第一制动盘51。

第一制动钳52可以用电动或者气动的方式进行驱动。

上述的制动装置仅仅是一个例子。本领域中已知的能够以受控的方式进行制动的机构，只要适合于采用像第一制动钳52和第一制动盘51那样的布局，都可用作本实用新型的可控制动装置。

图3示出了本实用新型蓄能差速器的另一种结构，其中，与图2中结构相同的结构件，使用同样的附图标记；与图2中结构不同但功能对应的结构件，使用带“′”号的附图标记。

本实施例的蓄能差速器30′包括作为输入工作端的第一半轴31′、作为输出工作端的第二半轴33和作为蓄能工作端的壳体37′。第二锥形齿轮34与第二半轴33一体形成。壳体37′与第一锥形齿轮32′一体形成，能够同第一锥形齿轮32′一体地转动。多个行星齿轮35位于第一锥形齿轮32′和第二锥形齿轮34之间并同时与这两个锥形齿轮相啮合。行星齿轮架36′与第一半轴31′一体形成，可转动地支撑这些行星齿轮35。

在壳体37′上一体地形成作为可控制动装置一部分的例如制动盘51。

根据本实用新型一个进一步优选的实施方式，至少一个蓄能单元的输出工作端连接有转速控制装置。参见图1，作为一个例子，第二蓄能单元6的第二输出工作端(第二半轴)63与转速控制装置70相连，使得第二输出工作端63的转速能够被调节到需要的转动速度。转速控制装置70同时还作为第二蓄能单元6的负载，控制第二蓄能工作端67和第二蓄能装置90之间能量流动的方向。例如，当第二半轴63在转速控制装置70的控制下转速变慢时，向第二蓄能装置90蓄能；当第二半轴63需要加快转动时，第二蓄能装置90释放能量。

名称为“机械式转速控制装置和风力发电设备”的第201020520235.0号中国实用新型专利公开了一种上述的转速控制装置。该专利文献的全部相关内容通过引用结合于此。

图4示出了一种转速控制装置70。转速控制装置70包括蜗轮72和蜗杆71。蜗杆71能够与一个电动机(未示出)相连，在电动机的驱动下，以预定的转速转动。蜗轮72与蜗杆71啮合，并能够固定到例如第二蓄能差速器60的第二输出工作端(第二半轴)63上。蜗轮72可以通过键73与第二输出工作端63结合在一起，或者与第二输出工作端63一体形成。蜗轮蜗杆可以用一对啮合的齿轮来替代。本领域技术人员可以想到，转速控制装置70应该在第二可控制动装置80的制动钳82释放制动盘81的情况下工作。

在另一种实施方式(没有示出)中，第二蓄能单元6可以不包括第二可控制动装置80，即第一蓄能单元5的第一蓄能差速器30的第一输出工作端33，连接到没有结合第二可控制动装置80的第二蓄能差速器60。第二蓄能差速器60的蓄能工作端与第二蓄能装置90进行能量交换，而第二输出工作端63结合转速控制装置70。

可以理解，转速控制装置70可以与后续蓄能单元中的蓄能差速器的输入工作端相连，也可以与其他的目的设备例如发电机相连。

下面，参照图1和2，描述根据本实用新型的蓄能系统以及使用该蓄能系统的风力发电机的工作原理。

风轮2在风力的作用下旋转，将动力经动力传递系统5传递给第一蓄能单元3的第一蓄能差速器30的第一输入工作端31，即第一半轴31(图2)。

如果控制系统(未示出)确定无需向第一蓄能装置40进行蓄能或者无需从第一蓄能装置40接收所存储的能量，则第一可控制动装置50的第一制动钳52闭合，接合在与第一蓄能工作端(壳体)37一体形成的制动盘51上，使得壳体37不能转动。这时，与第一半轴31一体形成的第一锥形齿轮32通过行星齿轮35与第二锥形齿轮34啮合，驱动与第二锥形齿轮34一体形成的第二半轴(第一输出工作端)33转动。

当风力过大时，控制系统控制可以根据各个蓄能装置的蓄能情况，选择性地释放多个可控制动装置中的一些或者全部。以释放第一可控制动装置50为例，第一制动钳52张开，脱离与第一制动盘51的接合，使得壳体37能够转动。于是，从第一半轴31传来的超出第二半轴33负载的能量部分，经壳体37的转动传递给第一蓄能装置40，完成能量的存储。可以理解，如果第二半轴33结合有转速控制装置，那么，其负载主要是由该转速控制装置决定的；否则，第二半轴31的负载取决于第二蓄能差速器60的第二输入工作端(第一半轴)61驱动后面的结构所形成的负载。

当风力过小时，与风力过大的情况类似，控制系统控制可以根据各个蓄能装置的蓄能情况，选择性地释放多个可控制动装置中的一些或者全部，从而选择性地释放某些或者全部蓄能装置存储的能量。仍以释放第一可控制动装置50为例。因为风力过小时，第一半轴31转速变小，所以壳体37在第一蓄能装置40所存储的能量的作用下转动。这时，经行星齿轮架36与壳体37相结合的行星齿轮35成为驱动齿轮(第一半轴31可以利用任何公知的方式被禁止反转)，驱动第二锥形齿轮34继续转动，维持第二半轴33持续运转。

第二半轴33将其旋转运动传递给第二蓄能单元6。第二蓄能差速器60以及随后的蓄能单元的蓄能差速器的工作与上述情况类似，这里不再赘述。

由于根据本实用新型的蓄能系统使用了能够受控制系统控制的多个蓄能单元，于是，一方面能够在风力充足时充分、均衡地利用多个蓄能装置，存储尽可能多的能量；另一方面，在风力不够时，能够按照需要或者受到控制地释放所存储的能量，使得蓄能装置的能量能够维持风力发电机尽可能长时间的稳定动力输出。从而，利用了本实用新型蓄能系统的风力发电机，可以最大限度地实现持续和稳定的电力输出。

上面参照附图对本实用新型进行了具体的描述。但是，本领域技术人员应该理解，上面的具体描述仅仅是举例性质的，用于说明性的目的，并非是用来限制本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围仅由权利要求限定。得益于本实用新型的教导，本领域技术人员在不超出本实用新型保护范围的情况下可以根据具体情况对本实用新型做出各种变型、修改或者替换，这些变型、修改或者替换落入本实用新型的保护范围。

Claims (12)

1.一种蓄能系统，其特征在于，包括至少一个蓄能单元，所述蓄能单元包括：

蓄能装置；

蓄能差速器，所述蓄能差速器包括用于接收输入动力的输入工作端、用于输出动力的输出工作端以及用于与所述蓄能装置交换能量的蓄能工作端；和

可控制动装置，所述可控制动装置结合于所述蓄能工作端，使得所述蓄能工作端能够以可控的方式与所述蓄能装置交换能量。

2.如权利要求1所述的蓄能系统，其特征在于，所述蓄能系统包括多个以级联方式设置的所述蓄能单元，其中，一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端连接于随后的蓄能单元的蓄能差速器的输入工作端。

3.如权利要求1所述的蓄能系统，其特征在于，所述蓄能差速器包括：

第一半轴，用于接收输入动力而构成所述输入工作端；

与所述第一半轴一体形成的第一锥形齿轮；

第二半轴，用于输出动力而构成所述输出工作端；

与所述第二半轴一体形成的第二锥形齿轮；

多个行星齿轮，位于所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮之间并同时与所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮啮合；

支撑所述多个行星齿轮的行星齿轮架；和

壳体，与所述行星齿轮架一体形成，用于与所述蓄能装置交换能量而构成所述蓄能工作端。

4.如权利要求1所述的蓄能系统，其特征在于，所述蓄能差速器包括：

第一半轴，用于接收输入动力而构成所述输入工作端；

第一锥形齿轮；

第二半轴，用于输出动力而构成所述输出工作端；

与所述第二半轴一体形成的第二锥形齿轮；

多个行星齿轮，位于所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮之间并同时与所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮啮合；

行星齿轮架，支撑所述多个行星齿轮并与所述第一半轴一体形成；和

壳体，与所述第一锥形齿轮一体形成，用于与所述蓄能装置交换能量而构成所述蓄能工作端。

5.如前述任一项权利要求所述的蓄能系统，其特征在于，所述可控制动装置包括：

与所述蓄能工作端一体形成的制动盘，和

能够以受控的方式接合和释放所述制动盘的制动钳。

6.一种风力发电机，包括能够在风力作用下转动的风轮和能够接收并传递所述风轮产生的动力的动力传递系统，其特征在于，所述风力发电机还包括从所述动力传递系统接收动力的蓄能系统，所述蓄能系统包括至少一个蓄能单元，所述蓄能单元包括：

蓄能装置，

蓄能差速器，所述蓄能差速器包括接收输入动力的输入工作端、用于输出动力的输出工作端以及用于与所述蓄能装置交换能量的蓄能工作端，和

可控制动装置，所述可控制动装置结合于所述蓄能工作端，使得所述蓄能工作端能够以可控的方式与所述蓄能装置交换能量。

7.如权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述风力发电机包括多个以级联方式设置的所述蓄能单元，其中，一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端连接于随后的蓄能单元的蓄能差速器的输入工作端。

8.如权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述蓄能差速器包括：

第一半轴，用于接收输入动力而构成所述输入工作端；

与所述第一半轴一体形成的第一锥形齿轮；

第二半轴，用于输出动力而构成所述输出工作端；

与所述第二半轴一体形成的第二锥形齿轮；

多个行星齿轮，位于所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮之间并同时与所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮啮合；

支撑所述多个行星齿轮的行星齿轮架；

壳体，与所述行星齿轮架一体形成，用于与所述蓄能装置交换能量而构成所述蓄能工作端。

9.如权利要求6所述的风力发电机，其特征在于，所述蓄能差速器包括：

第一半轴，用于接收输入动力而构成所述输入工作端；

第一锥形齿轮；

第二半轴，用于输出动力而构成所述输出工作端；

与所述第二半轴一体形成的第二锥形齿轮；

多个行星齿轮，位于所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮之间并同时与所述第一锥形齿轮和所述第二锥形齿轮啮合；

行星齿轮架，支撑所述多个行星齿轮并与所述第一半轴一体形成；和

壳体，与所述第一锥形齿轮一体形成，用于与所述蓄能装置交换能量而构成所述蓄能工作端。

10.如权利要求6到9中任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述可控制动装置包括：

与所述蓄能工作端一体形成的制动盘，和

能够以受控的方式接合和释放所述制动盘的制动钳。

11.如权利要求6到9中任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述至少一个蓄能单元中的至少一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端，连接有转速控制装置。

12.如权利要求6到9中任一项所述的风力发电机，其特征在于，所述至少一个蓄能单元中的至少一个蓄能单元的蓄能差速器的输出工作端，连接有第二蓄能差速器，所述第二蓄能差速器的蓄能工作端能够与第二蓄能装置交换能量，所述第二蓄能差速器的输出工作端连接有转速控制装置。

Images