压缩空气储能式微小型风力发电机.pdf

一种压缩空气储能式微小型风力发电机，包括风机主体部、气体储能部和储能转换部；风机主体部的风轮和发电机之间的风机主轴上设有风机驱动轮和风机离合器；气体储能部主要由依次连接在一起的储气主轴、空气压缩机、储气管线和储气罐组成，储气主轴上设有储气驱动轮和储气离合器，储气驱动轮对应风机驱动轮；储能转换部主要由依次连接在一起的释气管线、释气马达和释气主轴组成，释气管线连接在储气罐上，释气主轴上设有释气驱动轮和释气离合器，释气驱动轮对应风机驱动轮；风机主体部、气体储能部和储能转换部在控制器控制下，实现风机主体部自行发电、或风机主体部带动气体储能部运行储能、或储能转换部带动风机主体部发电的三种状态。

权利要求书
1.   一种压缩空气储能式微小型风力发电机，包括风机主体部（1）、气体储能部（2）和储能转换部（3）；所述风机主体部（1）主要由风轮（11）、风机主轴（12）和发电机（16）组成，其特征在于：所述风轮（11）和发电机（16）之间的风机主轴（12）上设有风机驱动轮（13）和风机离合器（14）；所述气体储能部（2）主要由依次连接在一起的储气主轴（22）、空气压缩机（25）、储气管线（26）和储气罐（28）组成，所述储气主轴（22）上设有储气驱动轮（23）和储气离合器（24），所述储气驱动轮（23）与风机主体部（1）的风机驱动轮（23）相对应；所述储能转换部（3）主要由依次连接在一起的释气管线（36）、释气马达（35）和释气主轴（32）组成，所述释气管线（36）连接在气体储能部（2）的储气罐（28）上，所述释气主轴（32）上设有释气驱动轮（33）和释气离合器（34），所述释气驱动轮（33）与风机主体部（1）的风机驱动轮（13）相对应；所述风机主体部（1）、气体储能部（2）和储能转换部（3）在控制器的控制下，实现风机主体部（1）自行运行发电，或实现风机主体部（1）空转并带动气体储能部（2）进行压缩空气储能，亦或实现储能转换部（3）利用气体储能部（2）所储压缩空气带动风机主体部（1）进行运行发电。

2.  根据权利要求1所述压缩空气储能式微小型风力发电机，其特征在于：所述气体储能部（2）还包括有储气离合执行器（21）；所述储气离合执行器（21）在控制器的控制下实现对储气离合器（24）接合/断离动作的控制。

3.  根据权利要求1或2所述压缩空气储能式微小型风力发电机，其特征在于：所述气体储能部（2）的储气管线（26）上设有截止阀（27）。

4.  根据权利要求1所述压缩空气储能式微小型风力发电机，其特征在于：所述储能转换部（3）还包括有释气离合执行器（31）；所述释气离合执行器（31）在控制器的控制下实现对释气离合器（34）接合/断离动作的控制。

5.   根据权利要求1或4所述压缩空气储能式微小型风力发电机，其特征在于：所述储能转换部（3）的释气管线（36）上设有截止阀（37）。

6.  根据权利要求1所述压缩空气储能式微小型风力发电机，其特征在于：所述风机主体部（1）的风机驱动轮（13）、气体储能部（2）的储气驱动轮（23）和储能转换部（3）的释气驱动轮（33）为齿轮，亦或为摩擦轮。

说明书压缩空气储能式微小型风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电机，具体是一种压缩空气储能式微小型风力发电机。
背景技术
风力发电是以自然界存在的风能作为动力的发电技术，其具有清洁、环保、可持续等优点，近些年来，已得到各国政府及企业的广泛认可，在世界范围内刮起了一股风能发电热潮。
由于实现风力发电的风力发电机是依靠风能来驱动的，因而风力发电机对风能是有特定要求的。通常情况下，风力发电机要求的启动风速为2.5～3m/s（即微风程度）、要求的停机风速为＞17m/s。亦即，当自然界的风速低于2.5m/s时，依靠其驱动的风力发电机无法正常启动；当自然界的风速高于17 m/s 时，依靠其驱动的风力发电机安全、稳定性将会受到严重威胁，故而无法继续运行发电（需停机或让风轮脱开发电机自行空转）。这使得风力发电机的运行状态随着风能的波动性和间歇性呈间歇式发电，导致风力发电技术存在严重的不稳定性和非连续性，进而制约了风力发电技术的推广、普及。
有鉴于此，各研究单位及风机制造商针对微小型的风力发电机（风力发电机按其容量划分为容量1KW以下的微型风力发电机、容量1～10KW的小型风力发电机、容量10～100KW的中型风力发电机和容量100KW以上的大型风力发电机），研发出了各种兼具压缩空气储能驱动的微小型风力发电机。纵观这些兼具压缩空气储能驱动的风力发电机，绝大部分是利用风力发电机（或其它供电设备）所提供电源并以空气压缩机进行压缩空气储能，当自然界风速不足以启动风力发电机时，再以所储压缩空气对风力发电机进行驱动并实现发电，例如中国专利文献公开的“压缩空气储能式风力发电机”（公开号：CN 202690327；公开日：2013年01月23日）等。此类技术虽在一定程度上改善了风力发电机的间歇式发电的不足（即低风速状态下的启动运行），但却未能彻底解决此问题（主要体现在高风速下的停机上），而且此类技术的压缩空气储能方式势必对已得电量造成损耗，可靠性、经济性和实用性差。
此外，中国专利文献公开了名称为“机械耦合式压缩空气储能微型混合风力发电系统”（公开号：CN 102410150；公开日：2012年4月11日），该技术利用行星齿轮在风力发电机上冗余形成了以涡旋式复合机为主体的压缩空气储能系统。其工作过程是：当风速较高时，利用行星齿轮运动分解的特性，由风轮驱动发动机和涡旋式复合机共同旋转，利用涡旋式复合机的流量控制技术将超过负载需求的多余能量通过涡旋式复合机进行压缩空气储能；当风速较低或无风时，通过涡旋式复合机将压缩空气储能释放并以此转化为机械能，再利用行星齿轮运动合成的特性，由涡旋式复合机与风轮共同（或由涡旋式复合机单独）为发电机提供工作动力。该技术虽依靠风能实现了发电和压缩空气储能，但其不仅存在结构复杂、制造难度大、运行平稳性差等缺陷；而且，其压缩空气的储能仅在发电机过载运行状态下实现，即在较高风速下，仅依靠涡旋式复合机分担发电机的过载，发电机却无需脱机，从而在高风速下，发电机和涡旋式复合机均呈满载状态时，多余的载荷无法卸除，进而对风力发电机的安全、稳定运行造成严重威胁，可靠性差。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述风力发电机的运行特性以及现有压缩空气储能驱动技术的不足，提供一种结构简单、便于制造成型、运行经济性好、可靠性高的压缩空气储能式微小型风力发电机。
本发明所采用的技术方案是：一种压缩空气储能式微小型风力发电机，包括风机主体部、气体储能部和储能转换部；所述风机主体部主要由风轮、风机主轴和发电机组成，所述风轮和发电机之间的风机主轴上设有风机驱动轮和风机离合器；所述气体储能部主要由依次连接在一起的储气主轴、空气压缩机、储气管线和储气罐组成，所述储气主轴上设有储气驱动轮和储气离合器，所述储气驱动轮与风机主体部的风机驱动轮相对应；所述储能转换部主要由依次连接在一起的释气管线、释气马达和释气主轴组成，所述释气管线连接在气体储能部的储气罐上，所述释气主轴上设有释气驱动轮和释气离合器，所述释气驱动轮与风机主体部的风机驱动轮相对应；所述风机主体部、气体储能部和储能转换部在控制器的控制下，实现风机主体部自行运行发电，或实现风机主体部空转并带动气体储能部进行压缩空气储能，亦或实现储能转换部利用气体储能部所储压缩空气带动风机主体部进行运行发电。
所述气体储能部还包括有储气离合执行器；所述储气离合执行器在控制器的控制下实现对储气离合器接合/断离动作的控制。
所述气体储能部的储气管线上设有截止阀。
所述储能转换部还包括有释气离合执行器；所述释气离合执行器在控制器的控制下实现对释气离合器接合/断离动作的控制。
所述储能转换部的释气管线上设有截止阀。
所述风机主体部的风机驱动轮、气体储能部的储气驱动轮和储能转换部的释气驱动轮为齿轮，亦或为摩擦轮。
本发明的有益效果是：利用三个离合器在风力发电机上简单、紧凑的形成了冗余设计的压缩空气储能系统（即气体储能部和储能转换部组成），该储能系统在正常风速状态下（即风速为2.5～17 m/s）与风力发电机脱离，确保风力发电机正常运行发电，在较高风速状态下（即风速＞17 m/s）使空转风轮（风轮与发电机脱机）与气体储能部结合，进而以无电力损耗、利用风能可靠的进行压缩空气储能，在较低风速状态下（即风速＜2.5 m/s）使储能转换部与风力发电机结合，利用所储压缩空气的释放来驱动风力发电机正常运行发电，有效提高并保障了风力发电机运行的稳定性、安全性和连续性，进而合理、有效、充分地利用了自然界的风能资源，运行经济性好，可靠性高，实用性强。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的一种结构原理示意图。
图2是本发明的控制原理框图。
图中代号含义：1—风机主体部；11—风轮；12—风机主轴；13—风机驱动轮；14—风机离合器；15—增速器；16—发电机；17—风速测量仪；18—整流器；19—控制器；2—气体储能部；21—储气离合执行器；22—储气主轴；23—储气驱动轮；24—储气离合器；25—空气压缩机；26—储气管线；27—截止阀；28—储气罐；3—储能转换部；31—释气离合执行器；32—释气主轴；33—释气驱动轮；34—释气离合器；35—释气马达；36—释气管线；37—截止阀。
具体实施方式
参见图1和图2：本发明包括风机主体部1、气体储能部2和储能转换部3。其中，风机主体部1为微型或小型风力发电机。该风机主体部1主要由风轮11、风机主轴12、增速器15、发电机16、风速测量仪17、整流器18和控制器19等组成。风轮11用于捕获风能，将风能转换为机械能。风机主轴12用于传动并深化机械能，为了实现本发明的发明目的，在风机主轴12上设有风机驱动轮13（通常为齿轮或摩擦轮）和风机离合器14，它们处在风轮11与增速器15之间的风机主轴12上，风机离合器14的接合或断离动作受控制器19的控制。增速器15用于将风机主轴12输入的旋转动力提升后传递给发电机16。发电机16在旋转动力的作用下，做磁力切割运动并产生电能。风速测量仪17为测速风标，用于探测风能的方向和速度。整流器18用于将发电机16输出的低压交流电整流。控制器19用于对整流器输出的电流进行整流；对蓄电池组进行充电或用户供电等。
气体储能部2主要由依次连接在一起的储气主轴22、空气压缩机25、储气管线26和储气罐28组成。储气主轴22和空气压缩机25设置在上述风机主体部1的机舱内；在储气主轴22上设有储气驱动轮23（即齿轮或摩擦轮；应匹配风机主体部1的风机驱动轮13）和储气离合器24，储气驱动轮23与风机主轴12上的风机驱动轮23在位置上相对应，储气离合器24的离合执行器（即储气离合执行器21）对应在储气驱动轮23处，储气离合执行器21受风机主体部1的控制器19控制，用于控制储气离合器24的接合或断离动作；储气离合器24断离状态下，储气主轴22上的储气驱动轮23与风机主轴12上的风机驱动轮13脱离，反之，储气离合器24在接合状态下，储气主轴22上的储气驱动轮23与风机主轴12上的风机驱动轮13相啮合。若风机主体部1的机舱足够大，储气罐28可以考虑放置在风机主体部1的机舱内，若风机主体部1的机舱紧凑，那么储气罐28无法置于机舱内部，此时可以考虑将储气罐28固定在机舱外部（例如塔架或地面），无论储气罐28放置在哪个位置，均应保证储气管线26和储气罐28之间形成密封连接。在储气管线26上设有截止阀27（也可以在储气罐28进口处设置相应阀门代替），该截止阀27的启/闭动作受风机主体部1的控制器19控制。
储能转换部3主要由依次连接在一起的释气管线36、释气马达35和释气主轴22组成。释气管线36密封连接在气体储能部2的储气罐28的出口处，在释气管线36上设有截止阀37（也可以在储气罐28出口处设置相应阀门代替），该截止阀37的启/闭动作受风机主体部1的控制器19控制。释气马达35和释气主轴32设置在上述风机主体部1的机舱内；在释气主轴32上设有释气驱动轮33（即齿轮或摩擦轮；应匹配风机主体部1的风机驱动轮13）和释气离合器34，释气驱动轮33与风机主轴12的风机驱动轮13在位置上相对应，释气离合器34的离合执行器（即释气离合执行器31）对应在释气驱动轮33处，释气离合执行器31受风机主体部1的控制器19控制，用于控制释气离合器34的接合或断离动作；释气离合器34在断离状态下，释气主轴32上的释气驱动轮33与风机主轴12上的风机驱动轮13脱离，反之，释气离合器34在接合状态下，释气主轴32上的释气驱动轮33与风机主轴12上的风机驱动轮13相啮合。
本发明的风机主体部1、气体储能部2和储能转换部3在风机主体部1的控制器19（也可以单设总的控制器，但这将在一定程度上增大设置成本和难度）的控制下，实现风机主体部1自行运行发电，或实现风机主体部1空转并带动气体储能部2进行压缩空气储能，亦或实现储能转换部3利用气体储能部2所储压缩空气带动风机主体部1进行运行发电。具体的，当风机主体部1的风速测量仪17检测到的自然界风能风速为正常风速状态（即适宜风力发电机运行的风速，2.5～17 m/s）时，风机主体部1的控制器19控制风机离合器14为接合状态，同时控制气体储能部2和储能转换部3与风机主体部1脱机（即空气压缩机25和释气马达35停机，储气管线26上的截止阀27和释气管线36上的截止阀37关闭），即此时的风机主体部1与传统风力发电机无异，依靠风能进行发电；当风机主体部1的风速测量仪17检测到的自然界风能风速处于较高风速状态（即风速＞17 m/s）时，风机主体部1的控制器19控制风机离合器14为断离状态（即风轮11与增速器15脱机旋转），同时通过储气离合执行器21控制储气离合器24为接合状态，并控制储气管线26上的截止阀27打开，此时的储气驱动轮23与风机主体部1的风机驱动轮23啮合，空转的风机主体部1通过储气驱动轮23驱动空气压缩机25启动，进而以无任何电力损耗即可实现压缩空气储能；当风机主体部1的风速测量仪17检测到的自然界风能风速处于较低风速状态（即风速＜2.5 m/s）时，风机主体部1的控制器19通过储气离合执行器21控制储气离合器24为断离状态（此时的储气驱动轮23与风机驱动轮13脱开）、并控制储气管线26上的截止阀27关闭，同时，通过释气离合执行器31控制释气离合器34为接合状态、控制释气管线36上的截止阀37打开、控制风机主体部1的风机离合器14为接合状态，此时的释气驱动轮33与风机主体部1的风机驱动轮13相啮合，释气马达35输出的旋转动力作用在风机主轴12上，驱动增速器15做功，实现发电机16正常运行发电。本发明的这三种状态随着风能的波动变化而进行不同的切换，进而保障风力发电机无需跟随风能的波动性和间歇性，使风力发电机的运行实现良好的稳定性、安全性和连续性。
上述具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。