一种微风动力能源转换与储存发电系统及其工作方法 |
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| 申请号 | CN202410203991.7 | 申请日 | 2024-02-23 | 公开(公告)号 | CN117967519A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 三峡大学; | 发明人 | 叶永盛; 刘雨辰; 裴峰; 刘留; 高攀良; 黎丽丽; | ||||
| 摘要 | 一种微 风 动 力 能源 转换与储存发电系统，包含 外壳 ，还包含包覆固定在外壳内部的 风力 发电装置，风力发电装置包含扇叶、风力传动装置、虹吸装置、储能系统和发电系统，扇叶安装在风力传动装置的 主轴 上，风力传动装置与虹吸装置通过 活塞 杆和活塞相连，虹吸装置与发电系统、储能系统分别连通，储能系统与发电系统相连；本 发明 采用蜗轮 蜗杆 传动，带动 连杆 组运动，连杆组带动 活塞杆 运动，活塞杆引导活塞在活塞腔体内作往复运动，对活塞腔体内的气体进行压缩，并将压缩后的气体经过 涡轮 发 电机 做功发电并利用虹吸原理不断补充压缩介质，结构紧凑，传动稳定，组装方便，维护成本低，环境要求低，适用范围广，有效解决了风力不足的偏远地区风力发电储能问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微风动力能源转换与储存发电系统，包含外壳（1），其特征在于：还包含包覆固定在外壳（1）内部的风力发电装置，风力发电装置包含扇叶（13）、风力传动装置、虹吸装置、储能系统和发电系统，扇叶（13）安装在风力传动装置的主轴（3）上，风力传动装置与虹吸装置通过活塞杆（6）和活塞（14）相连，虹吸装置与发电系统、储能系统分别连通，储能系统与发电系统相连。 |
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| 说明书全文 | 一种微风动力能源转换与储存发电系统及其工作方法技术领域背景技术[0002] 目前风力发电机系统的研究均围绕大型风力发电机的稳定输出以及大型风力发电场的发电量预测等大型风力系统的研究，对风力资源匮乏地区的风能利用问题缺少相关研究。目前小型风力发电机均是由大型风力发电系统简化而来，存在结构稳定性差，传动效果不佳等问题，不利于对风力资源匮乏地区的风能利用。 [0003] 例如CN209115263U公开了一种水平轴风力发电传动装置，包括涡轮以及蜗杆，该水平轴风力发电传动装置结构稳定，采用蜗轮蜗杆传动，蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力，蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似，具备结构紧凑，传动比大，且噪声小；但其后续的发电装置是由涡轮直接带动发电机的转动，效率较低，导致整个系统的发电效率偏低，因此不利于推广。 [0004] 例如CN218816771U公开了一种风力发电传动装置及风力发电机组，该风力发电机组包括发电机和风力发电传动装置，该风力发电传动装置包括主轴系统以及齿轮箱，主轴系统包括主轴承座、主轴和主轴轴承；提供一种风力发电传动装置，能够提高齿轮箱与主轴系统连接处的支撑强度，改善了极端工况齿轮箱的承载能力，提升风力发电传动装置运行的可靠性，提供一种风力发电机组，能够提高齿轮箱与主轴系统连接处的支撑强度，改善了极端工况齿轮箱的承载能力，提升风力发电传动机组运行的可靠性；但其未考虑整个传动装置的阻力问题，在弱风情况下的传动效率不甚理想。 发明内容[0005] 本发明所解决的技术内容是，提供一种微风动力能源转换与储存发电系统及其工作方法，解决现有小型风力发电机结构稳定性差、传动效果不佳、不利于风力资源匮乏地区的风能利用的问题。 [0006] 为解决上述技术问题，一种微风动力能源转换与储存发电系统，包含外壳，还包含包覆固定在外壳内部的风力发电装置，风力发电装置包含扇叶、风力传动装置、虹吸装置、储能系统和发电系统，扇叶安装在风力传动装置的主轴上，风力传动装置与虹吸装置通过活塞杆和活塞相连，虹吸装置与发电系统、储能系统分别连通，储能系统与发电系统相连。 [0007] 优选的方案中，所述外壳包含底座，底座顶端固定有支撑外壳，底座和支撑外壳均设置为空心腔体。 [0008] 优选的方案中，所述风力传动装置包含主轴，主轴前端固定着扇叶，主轴后端安装有蜗杆，蜗杆与涡轮啮合，涡轮固定在连杆组上，连杆组上还固定有活塞杆，连杆组固定在第一固定轴，第一固定轴固定在外壳上。 [0009] 优选的方案中，所述主轴靠近扇叶的前端采用第一固定装置与外壳连接固定在一起，主轴旋转固定在第一固定装置的孔内，蜗杆后端采用第二固定装置与外壳连接固定在一起，蜗杆旋转固定在第二固定装置的孔内。 [0010] 优选的方案中，所述连杆组包含第一连杆和第二连杆，第一连杆一端固定在第一固定轴上，另一端与第二连杆一端相连，第二连杆中部与涡轮固定在一起，另一端与活塞杆相连。 [0011] 优选的方案中，所述虹吸装置包含活塞腔体，活塞腔体上端设置有第一进气孔，弹簧连杆一端插装固定在第一进气孔内，弹簧连杆另一端与凸轮接触，凸轮固定在第二固定轴上，第二固定轴旋转固定在外壳上，活塞腔体侧部分别设置有出气管和第二进气孔，出气管连通发电系统进气口，第二进气孔连通发电系统出气口，第一进气孔和第二进气孔连通。 [0012] 优选的方案中，所述弹簧连杆包含杆体，杆体一端设置为圆锥体，固定着弹簧一端，另一端为圆柱体，弹簧套装在圆柱体上，弹簧连杆圆柱体端插装在第一进气孔内。 [0013] 优选的方案中，所述发电系统包含涡轮发电机，涡轮发电机位于活塞腔体上方，与活塞腔体侧部的出气管连通，涡轮发电机输出轴上装配有皮带或者链条，连接第二固定轴，传递动力带动与第二固定轴固定在一起的凸轮转动。 [0014] 优选的方案中，所述储能系统包含固定在活塞杆上的活塞，活塞在活塞杆往复运动下，在活塞腔体里压缩空气储存能量。 [0015] 一种微风动力能源转换与储存发电系统的工作方法，是采用上述任意一项所述的一种微风动力能源转换与储存发电系统，所述方法包含如下步骤：Step1：当微风吹动扇叶转动时，与其固定连接的主轴及安装在主轴上的蜗杆会随其一起转动，同时蜗杆与涡轮啮合，带动涡轮开始旋转，形成机械能的第一次传递； Step2：涡轮旋转后，通过连杆组将旋转运动转化为曲线运动，连杆组带动连接固定在一起的活塞杆运动，活塞杆引导活塞在活塞腔体内进行往复运动，为压缩过程提供了动力； Step3：在活塞的往复运动中，当活塞向一侧移动时，它会压缩活塞腔体内的空气，压缩过程增加了空气的压力和温度，压缩后的空气通过出气管传输给涡轮发电机，推动涡轮发电机的叶片转动，将机械能转换为电能； Step4：进入涡轮发电机的气体，通过涡轮发电机的出气口，进入到与之连通的活塞腔体的第二进气孔，回到活塞腔体内，形成气体半循环，储存在活塞腔体内，用于下一轮气体压缩循环； Step5：涡轮发电机转动，带动皮带或者链条传动，皮带或者链条带动第二固定轴转动，第二固定轴带动与之固定在一起的凸轮转动，凸轮的旋转释放弹簧连杆，驱使弹簧连杆回弹疏通第一进气孔，使外部空气通过第一进气孔，在虹吸作用下被吸入活塞腔体内，为活塞的下一次压缩运动做好准备，确保系统连续运行，使空气源源不断进入到活塞腔体内，被压缩用于发电，当下次压缩运动开始时，凸轮旋转、挤压弹簧连杆，使其堵塞第一进气孔，保证活塞腔体一定的密闭性，确保压缩运动在相对密闭的空间内运行。 [0016] 本发明提供的一种微风动力能源转换与储存发电系统及其工作方法，有如下有益效果：1、本发明风力传动装置采用了蜗杆涡轮传动设计，不仅结构紧凑，而且传动比大，意味着即使在微风条件下也能有效地传递动力展现出了显著的结构稳定性和高效性能； 2、本发明蜗杆涡轮传动具有低噪声特性，为风力发电设备提供了更为宁静的运行环境； 3、本发明主轴与螺杆的支撑与固定，使扇叶的转动可以稳定的传输给涡轮、蜗杆机构，同时也保证了涡轮、蜗杆啮合的稳定性，从而进一步提高了能量传递的稳定性； 4、本发明连杆组的设计，使得其在运转时更加灵活，减少了卡滞的可能性，同时连杆组的灵活运转，实现机械能的无障碍传递，在微弱风力的作用下，涡轮的旋转动能，可以更加高效的传递到活塞杆，进而驱动活塞在活塞腔体内作往复运动，完成能量的转换与储存； 5、本发明储能系统能够将微弱的风能，通过蜗轮蜗杆的传动转化为气体的压缩能，并将这种能量储存起来，这种转换和储存机制降低了风力发电设备对风力资源的依赖，使其能够在风力不稳定或较弱的情况下，依然保证稳定的电力持续输出； 6、本发明虹吸装置将发电后的气体重新导入活塞腔体内，形成了气体循环，并且每次压缩运动结束后都打开第一进气孔，利用虹吸作用，为活塞腔体补充压缩气体，并在补充完毕后，由凸轮推动弹簧连杆堵塞第一进气孔，为压缩运动提高相对密闭的空间，保证气体的能量得以有效的压缩和储存； 7、本发明采用空气作为压缩介质，降低了设备对密封的要求，提高了系统的简洁性，降低了系统的安装和维护条件； 8、本发明弹簧连杆的设计，使其可灵活的堵塞和疏通第一进气孔，提高整个系统的响应速度，尤其是微风条件下，确保能量转换的效率，同时弹簧连杆的设置，确保在风力不稳定的条件下，气体能够有效的储存和释放； 9、本发明皮带或链条的连接方式使得系统更容易拆装和更换，降低了维护的难度和成本，同时皮带或链条的柔性连接可以在一定程度上减少振动和噪音的产生，同时利用涡轮发电机涡轮的旋转带动凸轮的旋转，有效控制了弹簧连杆伸缩的同时，自给自足，不用外设动力装置，降低了能耗的同时，适用性更强，适用范围更广，对环境的要求更低，也能更好把控第一进气孔的堵塞与疏通，与整个系统运作的同步性。 附图说明 [0017] 下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明：图1为本发明的整体结构示意图； 图2为本发明去除外壳的内部结构示意图； 图3为本发明风力传动装置的结构示意图； 图4为本发明外壳的结构示意图； 图5为本发明连杆组与涡轮、活塞的装配示意图； 图6为本发明虹吸装置的结构示意图； 图7为本发明活塞腔体的结构示意图； 图8为本发明弹簧连杆的结构示意图； 图中：外壳1，蜗杆2，主轴3，涡轮4，连杆组5，活塞杆6，第一固定轴7，活塞腔体8，第一进气孔9，弹簧连杆10，凸轮11，出气管12，扇叶13，活塞14，涡轮发电机15，第二固定轴16上，第一固定装置17，第二固定装置18，第二进气孔19，底座101，支撑外壳102，第一连杆 501，第二连杆502，杆体1001，弹簧1002。 具体实施方式[0018] 如图1 8所示，一种微风动力能源转换与储存发电系统，包含外壳1，其还包含包覆~固定在外壳1内部的风力发电装置，风力发电装置包含扇叶13、风力传动装置、虹吸装置、储能系统和发电系统，扇叶13安装在风力传动装置的主轴3上，风力传动装置与虹吸装置通过活塞杆6和活塞14相连，虹吸装置与发电系统、储能系统分别连通，储能系统与发电系统相连。 [0019] 在本实施例中，所述外壳1包含底座101，底座101顶端固定有支撑外壳102，底座101和支撑外壳102均设置为空心腔体； 所述风力传动装置包含主轴3，主轴前端固定着扇叶13，主轴3后端安装有蜗杆2，蜗杆2与涡轮4啮合，涡轮4固定在连杆组5上，连杆组5上还固定有活塞杆6，连杆组5固定在第一固定轴7，第一固定轴7固定在外壳1上； 所述主轴3靠近扇叶13的前端采用第一固定装置17与外壳1连接固定在一起，主轴 3旋转固定在第一固定装置17的孔内，蜗杆2后端采用第二固定装置18与外壳1连接固定在一起，蜗杆2旋转固定在第二固定装置18的孔内； 所述连杆组5包含第一连杆501和第二连杆502，第一连杆501一端固定在第一固定轴7上，另一端与第二连杆502一端相连，第二连杆502中部与涡轮4固定在一起，另一端与活塞杆6相连； 所述虹吸装置包含活塞腔体8，活塞腔体8上端设置有第一进气孔9，弹簧连杆10一端插装固定在第一进气孔9内，弹簧连杆10另一端与凸轮11接触，凸轮11固定在第二固定轴 16上，第二固定轴16旋转固定在外壳1上，活塞腔体8侧部分别设置有出气管12和第二进气孔19，出气管12连通发电系统进气口，第二进气孔19连通发电系统出气口； 所述弹簧连杆10包含杆体1001，杆体1001一端设置为圆锥体，固定着弹簧1002一端，另一端为圆柱体，弹簧1002套装在圆柱体上，弹簧连杆10圆柱体端插装在第一进气孔9内； 所述发电系统包含涡轮发电机15，涡轮发电机15位于活塞腔体8上方，与活塞腔体 8侧部的出气管12连通，涡轮发电机15输出轴上装配有皮带或者链条，连接第二固定轴16，传递动力带动与第二固定轴16固定在一起的凸轮11转动； 所述储能系统包含固定在活塞杆6上的活塞14，活塞14在活塞杆6往复运动下，在活塞腔体8里压缩空气储存能量。 [0020] 具体使用时，采用上述任意一项所述的一种微风动力能源转换与储存发电系统进行能量转换发电和储能的工作方法，包含如下步骤：Step1：当微风吹动扇叶13转动时，与其固定连接的主轴3及安装在主轴3上的蜗杆 2会随其一起转动，同时蜗杆2与涡轮4啮合，带动涡轮4开始旋转，形成机械能的第一次传递； Step2：涡轮4旋转后，通过连杆组5将旋转运动转化为曲线运动，连杆组5带动连接固定在一起的活塞杆6运动，活塞杆6引导活塞14在活塞腔体8内进行往复运动，为压缩过程提供了动力； Step3：在活塞14的往复运动中，当活塞14向一侧移动时，它会压缩活塞腔体8内的空气，压缩过程增加了空气的压力和温度，压缩后的空气通过出气管12传输给涡轮发电机 15，推动涡轮发电机15的叶片转动，将机械能转换为电能； Step4：进入涡轮发电机15的气体，通过涡轮发电机15的出气口，进入到与之连通的活塞腔体8的第二进气孔19，回到活塞腔体8内，形成气体半循环，储存在活塞腔体8内，用于下一轮气体压缩循环； Step5：涡轮发电机15转动，带动皮带或者链条传动，皮带或者链条带动第二固定轴16转动，第二固定轴16带动与之固定在一起的凸轮11转动，凸轮11的旋转释放弹簧连杆 10，驱使弹簧连杆10回弹疏通第一进气孔9，使外部空气通过第一进气孔9，在虹吸作用下被吸入活塞腔体8内，为活塞14的下一次压缩运动做好准备，确保系统连续运行，使空气源源不断进入到活塞腔体8内，被压缩用于发电，当下次压缩运动开始时，凸轮11旋转、挤压弹簧连杆10，使其堵塞第一进气孔9，保证活塞腔体8一定的密闭性，确保压缩运动在相对密闭的空间内运行。 [0021] 优选的方案中，所述外壳1包含底座101，底座101顶端固定有支撑外壳102，底座101和支撑外壳102均设置为空心腔体；以上设置，为系统提供良好支撑性的同时，减轻了重量，降低了运输和吊装的难度和成本。 [0022] 优选的方案中，所述风力传动装置包含主轴3，主轴前端固定着扇叶13，主轴3后端安装有蜗杆2，蜗杆2与涡轮4啮合，涡轮4固定在连杆组5上，连杆组5上还固定有活塞杆6，连杆组5固定在第一固定轴7，第一固定轴7固定在外壳1上；蜗杆2与涡轮4的设置及其大传动比，使得系统在微风条件下都能具有较高的效率，连杆组5的安装，使得涡轮4的旋转运动转化为活塞14往复运动的机械能，实现了能量的一次转换。 [0023] 优选的方案中，所述主轴3靠近扇叶13的前端采用第一固定装置17与外壳1连接固定在一起，主轴3旋转固定在第一固定装置17的孔内，蜗杆2后端采用第二固定装置18与外壳1连接固定在一起，蜗杆2旋转固定在第二固定装置18的孔内；以上设置，实现对主轴3和蜗杆2的支撑的固定，使扇叶13的转动可以稳定的传输给涡轮4、蜗杆4机构的同时，也保证了涡轮4、蜗杆4啮合的稳定性，从而进一步提升了能量传递的稳定性。 [0024] 优选的方案中，所述连杆组5包含第一连杆501和第二连杆502，第一连杆501一端固定在第一固定轴7上，另一端与第二连杆502一端相连，第二连杆502中部与涡轮4固定在一起，另一端与活塞杆6相连；以上设置，使连杆组5运转更加灵活无卡滞，实现机械能的无障碍传递。 [0025] 优选的方案中，所述虹吸装置包含活塞腔体8，活塞腔体8上端设置有第一进气孔9，弹簧连杆10一端插装固定在第一进气孔9内，弹簧连杆10另一端与凸轮11接触，凸轮11固定在第二固定轴16上，第二固定轴16旋转固定在外壳1上，活塞腔体8侧部分别设置有出气管12和第二进气孔19，出气管12连通发电系统进气口，第二进气孔19连通发电系统出气口； 以上设置，通过弹簧连杆10和凸轮11的配合，使该装置能够自动将外部空气吸入储存设备中，确保设备在连续运行过程中始终有足够的气体供应，从而提升了装置及其工作的稳定性和连续性。 [0026] 优选的方案中，所述弹簧连杆10包含杆体1001，杆体1001一端设置为圆锥体，固定着弹簧1002一端，另一端为圆柱体，弹簧1002套装在圆柱体上，弹簧连杆10圆柱体端插装在第一进气孔9内；以上设置，使弹簧连杆10可灵活的堵塞和疏通第一进气孔9，提高整个系统的响应速度，尤其是微风条件下，确保能量转换的效率，同时弹簧连杆10的设置，确保在风力不稳定的条件下，气体能够有效的储存和释放，从而进一步提升了装置发电的连续性和稳定性。 [0027] 优选的方案中，所述发电系统包含涡轮发电机15，涡轮发电机15位于活塞腔体8上方，与活塞腔体8侧部的出气管12连通，涡轮发电机15输出轴上装配有皮带或者链条，连接第二固定轴16，传递动力带动与第二固定轴16固定在一起的凸轮11转动；皮带或链条的连接方式使得系统更容易拆装和更换，降低了维护的难度和成本，同时皮带或链条的柔性连接可以在一定程度上减少振动和噪音的产生，同时利用涡轮发电机15涡轮的旋转带动凸轮11的旋转，有效控制了弹簧连杆10伸缩的同时，自给自足，不用外设动力装置，降低了能耗的同时，适用性更强，适用范围更广，对环境的要求更低，也能更好把控第一进气孔9的堵塞与疏通，与整个系统运作的同步性。 [0028] 优选的方案中，所述储能系统包含固定在活塞杆6上的活塞14，活塞14在活塞杆6往复运动下，在活塞腔体8里压缩空气储存能量；以上设置，能够有效地将微弱的风能转化为气体的压缩能，为后续发电生成提供稳定的能源来源的同时，整个储能系统结构更为简单紧凑，降低了制造成本和维修难度。 [0029] 综上所述，本发明提供的一种微风动力能源转换与储存发电系统及其工作方法，通过采用风力传动装置，虹吸装置，储能系统形成的风力发电装置，实现对微风的捕捉，为风力匮乏地区提供了一种风力发电的选择，采用蜗轮4、蜗杆2的传动组合，结构简单，方便安装，具有低噪声，传动比大的特点，同时采用空气作为压缩气体，降低了设备的密封要求，减小了设备安装对环境的要求，提高了设备的实用价值，而且使用空气作为储能介质，绿色低碳环保，安装简便，结构稳定，成本低廉，减小了维修难度，具有良好的经济效益和社会效益。 |
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