CN202579050U - 一种用于风力发电机组的涡簧储能装置 - Google Patents

一种用于风力发电机组的涡簧储能装置 Download PDF

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刘美娇
王璋奇
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Abstract

本实用新型公开了一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,属于储能设备领域。该装置主要包括涡簧箱体、涡簧主轴、主轴轴承和弹簧片,弹簧片的一端固定在涡簧主轴上,另一端经过涡簧主轴螺旋式缠绕固定于涡簧箱内表面上,弹簧片为具有弹性的空心体。本实用新型改进了弹簧片的横截面结构,减少了涡簧中性面附近的材料,在涡簧工作扭矩降低很少的情况下,可以大幅度减少涡簧质量,提高平面涡簧储能装置的储能密度。

Description

一种用于风力发电机组的涡簧储能装置
技术领域
本实用新型涉及一种能量储存装置,属于储能设备领域,尤其是一种用于风力发电机组的涡簧储能装置。 
背景技术
风能是随机性能源,具有间歇性且不能直接储存。因此,在有风期间,风力发电机组需将多余的风能转换为其他形式的能量并储存在蓄能装置中。目前电力系统普遍采用的储能技术,有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等四类。物理储能主要有飞轮储能和抽水蓄能方式;电磁储能主要有超导方式;电化学储能主要有蓄电池储能和超级电容器储能。由于抽水蓄能工程受地理位置和自然条件的严格限制,且能量损失约为25%,影响了其在更大范围使用;飞轮储能是一种机械储能方式,其原理比较简单,具有寿命长、无污染等优点,但为了减少损耗,飞轮需要运行于真空环境或磁悬浮状态,其能量密度较低,而且保证高速旋转飞轮系统的安全性所需的费用较高,因此,目前还处在研究阶段;蓄电池储能技术最大的缺点就是对环境有污染,并且初次投资较高,寿命也有限;超级电容器储能所使用的蓄能装置包括双电层电容器和电化学电容器,由于超级电容器大多采用了化学原料,不可避免地将对环境造成污染,使用不当甚至会造成电解质泄漏,而且其内阻较大,不太适宜于交流电路;超导储能是利用超导线制成的线圈,将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来,在需要时再将其存储的能量送回电网或作它用。超导储能具有噪音低、高效率及高可靠性的优点。但是也存在很大的缺点:一是超导储能系统需要压缩器和水泵来维持液体的低温,这将使系统变得复杂,导致维修频率升高;二是成本太高。目前仍处在研究阶段。 
综上所述,现有的储能方法虽然很多,但有的技术不成熟,损耗较高,有的依赖地理位置和自然条件,有的成本太高,有的对环境污染严重,限制了它们在电力系统中的推广应用。 
基于目前储能领域的现状,有人已经提出了一种基于大型涡簧的机械式储能方法,即采用平面涡卷弹簧的弹性势能达到存储和释放能量的目的,相比其他储能方式,该方法具有结构简单、成本低廉、无污染、对环境无特殊要求且可控性好、转换效率高的优点。但该方法也存在着不足之处,即在增大涡簧能量存储量同时,涡簧的质量也随之增加,不利于对大型涡簧的工作情况进行实时控制,同时也需要使用大量的储能材料,为了完善该储能方法,如何提高大型涡簧储能密度成为关键。 
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,该装置能够有效地储存能量,而且质量减轻,从而可大幅度提高大型平面涡卷弹簧的储能密度。 
为解决上述技术问题,本实用新型所采取的技术方案是:一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,包括涡簧箱和涡簧主轴,所述涡簧箱内设有弹簧片,所述弹簧片的一端固定在涡簧主轴上,另一端经过涡簧主轴螺旋式缠绕并固定于涡簧箱内表面上,其特征在于:所述弹簧片为具有弹性的空心体。 
对上述结构作进一步限制,所述弹簧片的横截面为矩形,其内部为空心部分矩形孔,所述矩形孔位于横截面的中心,且与矩形截面的对称轴一致,所述横截面实心部分的厚度一致。本实用新型中在普通弹簧片的中心加工成空心结构,使其形成弹簧片,弹簧片的结构中,其实心部分的厚度一样,且矩形孔与横截面的矩形的对称轴一致,即水平对称轴在涡簧受工作扭矩的弯曲中性面上,使得弹簧片的结构从中性面向远离中性面的各个方向,有一定的厚度,保证弹簧片中性面处材料的刚度。 
对上述结构作进一步限制,所述涡簧箱内的弹簧片沿涡簧主轴方向排列两个及两个以上,形成弹簧片组,弹簧片组中的弹簧片分别与涡簧主轴及涡簧箱的固定位置保持在一条直线上。本实用新型中弹簧片均匀排列,多根弹簧片紧密布置,一端固定在涡簧箱的内壁上,另一端固定在涡簧主轴上,并压紧多根弹簧片,组成紧密贴合的弹簧片组,提高单个簧片的刚性,增大弹簧片组的宽度。 
对上述结构作进一步限制,所述涡簧主轴由主轴轴承支撑,所述主轴轴承位于涡簧箱轴承座孔内,所述涡簧箱相对地面固定不动。本实用新型中涡簧主轴一端伸出涡簧箱并通过联轴器与传动系统(如减速器)连接。 
采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本实用新型与原有结构主要改进之处在于,把一般的涡簧片的矩形横截面加工为空心结构,根据涡簧片工作时的受力原理,减少涡簧片中性面处的材料,在涡簧片中性面附近制作出矩形孔槽,将对涡簧片的抗弯强度影响小的部分材料去除掉,保留对涡簧片抗弯强度影响大的部分,从而减少涡簧片的横截面积,保持涡簧片承受的扭矩没有明显下降,旋紧后存储的能量变化不大,从而达到降低本实用新型的重量并提高储能密度的目的。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。 
图1是本实用新型的结构示意图; 
图2是图1中A-A截面剖视图;
图3是图2中B-B截面剖视图;
图4是弹簧片的截面图;
其中:1、弹簧片,2、涡簧箱,3、涡簧主轴,4、主轴轴承,5、联轴器。
具体实施方式
根据附图1、2和3可知,本实用新型具体涉及一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,主要包括涡簧箱2、涡簧主轴3、主轴轴承4、联轴器5,以及由弹簧片1构成的弹簧片组。弹簧片1的一端固定涡簧主轴3上,另一端经过涡簧主轴3螺旋式缠绕并固定于涡簧箱2内表面上,涡簧主轴3由主轴轴承4支撑,主轴轴承4安装在涡簧箱2的轴承座孔中,涡簧主轴3一端伸出涡簧箱2,与传动系统通过联轴器5连接,涡簧箱2内的弹簧片1沿涡簧主轴3轴向方向排列两个及以上,形成弹簧片组,弹簧片组中的弹簧片1与涡簧主轴3及涡簧箱2的固定位置保持一条直线,涡簧箱2固定在地面。如附图4所示,弹簧片1的横截面为矩形,其内部为空心部分矩形孔,矩形孔位于横截面的中心,且与矩形截面的对称轴一致,其横截面实心部分的厚度一致。本实用新型结构在涡簧工作扭矩降低很少的情况下,可以大幅度减少涡簧质量,提高平面涡簧储能装置的储能密度。 
本实用新型的工作原理是:在储存能量的时候,涡簧箱2相对地面固定不动,外来扭矩经联轴器5驱动涡簧主轴3旋转,同时旋紧固定在涡簧主轴3上由多根弹簧片1组成的弹簧片组,将外来的扭矩转化为弹簧片1的弹性势能存储在涡簧箱里;在释放能量的时候,涡簧箱2内存储在弹簧片组中的弹性势能驱动释放,驱动涡簧主轴3逆向旋转,存储的弹性势能转化为扭矩做功,由涡簧主轴3输出,涡簧箱2始终与地面固定,保持不动。 
在储能和释能的过程中,多根弹簧片1并排压紧相互作用,可以抵消弹簧片1窄小而可能导致的刚度不足现象。因此在涡簧箱2和涡簧主轴3强度允许的前提下,涡簧箱2内可以大量并排安装弹簧片1,不存在弹簧片1宽度过大导致的刚度不足问题。 
一般平面涡卷弹簧的结构尺寸有一定限制,厚度一般不超过4mm,宽度一般不超过80mm。对于大型涡簧机械式储能方式中使用的涡簧片,其厚度、宽度和长度的尺寸比一般涡簧要大很多,相应的质量也要增大。弹簧片1的结构可以使得涡簧片承受的工作扭矩与传统的矩形截面的平面涡簧没有大的差别,但是弹簧片1的质量比传统的涡簧片减轻了很多。 
下面通过涡簧储能理论说明本实用新型的优势所在。 
根据弯矩的公式: ,其中n是涡簧的工作圈数,E是涡簧片的弹性模量,I是涡簧片的惯性矩,l是涡簧片的长度。 
涡簧片所受到的弯矩T等同于涡簧的工作扭矩。涡簧的工作扭矩T与惯性矩I成正比。惯性矩I与簧片的横截面形状和尺寸有关。外面大矩形截面的惯性矩:
Figure DEST_PATH_67406DEST_PATH_IMAGE002
b是横截面的宽度,h是横截面厚度。 
内部小矩形截面的惯性矩:
Figure DEST_PATH_759418DEST_PATH_IMAGE003
d是中间剩余材料的厚度。 
弹簧片的惯性矩:
Figure DEST_PATH_496430DEST_PATH_IMAGE004
,其中
Figure DEST_PATH_957498DEST_PATH_IMAGE005
。 
异型涡簧组工作扭矩的公式可以写成:。 
根据以上的公式说明,当
Figure DEST_PATH_566651DEST_PATH_IMAGE007
的时候,
Figure DEST_PATH_841775DEST_PATH_IMAGE008
,涡簧片的中性面处弯矩等于零,对涡簧的弹性势能储量没有影响,大量的减少涡簧片中性面附近的材料,对涡簧的惯性矩I影响很小,对涡簧的工作扭矩也没大的影响。因此,本实用新型提出的弹簧片1的结构,减少了涡簧片中性面附近的材料,可以大幅度减少涡簧质量,同时涡簧的工作扭矩降低的很少。当使用机械式涡簧储能方法进行储能时,使用本实用新型提出的弹簧片组,可以大幅度提高平面涡簧的储能密度。 
本实用新型结构简单,提高储能密度的效果明显,可以节省大量生产材料,设计的弹簧片便于加工和生产制造,宜于在风力发电机组及其他大型储能行业中的机械式涡簧储能装置中推广使用。 

Claims (4)

1.一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,包括涡簧箱和涡簧主轴,所述涡簧箱内设有弹簧片,所述弹簧片的一端固定在涡簧主轴上,另一端经过涡簧主轴螺旋式缠绕并固定于涡簧箱内表面上,其特征在于:所述弹簧片为具有弹性的空心体。
2.根据权利要求1所述的一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,其特征在于所述弹簧片的横截面为矩形,其内部为空心部分矩形孔,所述矩形孔位于横截面的中心,且与矩形截面的对称轴一致,所述横截面实心部分的厚度一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,其特征在于所述涡簧箱内的弹簧片沿涡簧主轴方向排列两个及两个以上,形成弹簧片组,弹簧片组中的弹簧片分别与涡簧主轴及涡簧箱的固定位置保持在一条直线上。
4.根据权利要求3所述的一种用于风力发电机组的涡簧储能装置,其特征在于所述涡簧主轴由主轴轴承支撑,所述主轴轴承位于涡簧箱轴承座孔内,所述涡簧箱相对地面固定不动。
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