1.本发明涉及风力发电技术领域，特别是风力发电的
储能技术领域，以及风力发电设备结构安全技术领域。
背景技术：
2.人们对于非石化能源的利用日益重视起来。非石化能源中的风能的利用技术，近些年来得到了大力地推广与应用。风力发电设备主要包括风力发电塔和设置在风力发电塔顶端的风力扇叶。风推动风力扇叶转动，进而带动发电机发电，实现风能向电能的转化。
3.风力发电虽然产生的环境污染小，并且具有可持续发展的优势，但其具有的问题也阻碍着风力发电技术的广泛应用。目前，风力发电最主要的问题就在于：由于风力的不可控，导致风力发电产生的电力不稳定，波动性大。这一问题的存在，使得风力发电的可靠性不符合电网的需求。
技术实现要素：
4.为了解决现有风力发电不稳定与波动性大的问题，本发明提供了一种风力发电储能装置及系统。
5.本发明的技术方案如下：
6.风力发电储能装置，包括设置在风力发电塔的内部空间的活塞筒；及与所述活塞筒匹配的活塞块；所述活塞块可以在所述活塞筒内沿重力方向进行活塞运动；在重力方向上，所述活塞运动最下端的位置为活塞截止位置；在所述活塞筒的侧壁上、重力方向上所述活塞截止位置下方设置有排气孔和进气孔；在所述风力发电塔外部设置有风力空气压缩机；所述风力空气压缩机的压缩空气排气口通过进气通道与所述进气孔连通。
7.可选地，所述风力发电储能装置包括悬吊索；所述悬吊索的第一端与所述活塞块连接；所述悬吊索的第二端与设置在所述风力发电塔上的悬吊升降机构连接；在重力方向上所述活塞筒的上端设置有供所述活塞块进出所述活塞筒的敞口；在所述风力发电塔的内部空间设置有供脱离所述活塞筒的所述活塞块摆动的空间。
8.可选地，所述悬吊升降机构上设置有锁定装置。
9.可选地，所述悬吊升降机构包括升降电动机。
10.可选地，所述悬吊升降机构包括升降发电机或升降电动发电一体机。
11.可选地，在所述活塞筒内设置有吊挂弹簧；所述吊挂弹簧的一端设置在所述活塞筒上，所述吊挂弹簧的另一端设置有第一挂接机构；在所述活塞块上设置有第二挂接机构；所述第一挂接机构与所述第二挂接机构相匹配进行挂接与脱离。
12.可选地，所述风力发电储能装置包括气动发电机；所述排气孔通过排气通道与所述气动发电机的进气端连通。
13.可选地，在所述排气通道上设置有单向阀；和/或在所述进气通道上设置有单向阀。
14.可选地，所述风力空气压缩机设置在所述风力发电塔的顶部；所述风力空气压缩机的进气口邻近所述风力发电塔的底部设置。
15.可选地，所述风力发电储能装置还包括太阳能发电装置；在所述风力发电塔的外壁上设置有所述太阳能发电装置的太阳能发电板。
16.可选地，所述太阳能发电板设置在可在所述风力发电塔的所述外壁上移动的移动机构上。
17.可选地，在所述风力发电塔和所述活塞筒之间设置有支撑架。
18.风力发电储能系统，包括若干如前所述风力发电装置，还包括设置在所述风力发电装置上的活塞块高度传感器，以及中央处理装置；所述活塞块高度传感器与所述中央处理装置电连接。
19.本发明的技术效果如下：
20.本发明的风力发电储能装置，包括设置在风力发电塔内的活塞筒和匹配的活塞块。设置的风力空气压缩机可以利用风力将外部空气从活塞筒的下部的进气孔向活塞筒内注入。随着活塞筒内注入的空气的量的增加，活塞块被逐步抬升，从而将风力的能量逐步转化为活塞块的势能。活塞块在活塞筒内沿重力方向下落时，其势能驱动活塞筒内的空气通过活塞筒的排气孔排出释放能量。从排气孔排出的空气可以驱动气动发电机等，将能量转化为电能。可见，本发明的技术方案，能够将不稳定的风力的能量逐步转化为活塞块的势能进行储存，从而使得风力发电设备产生的电能能够被转换成稳定可控的活塞块的势能，再通过合理控制活塞块的势能的释放，可以输出稳定可靠的电力，实现了本发明的目的。另外，本发明的风力发电储能系统，可以将多个风力发电储能装置统一管理，根据每个风力发电储能装置的储能状态合理调度，从而可以使得风力发电储能系统稳定输出电力，降低风力发电系统输出电力的波动性。
21.上述可选方式所具有的进一步效果，将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
22.图1为本发明风力发电储能系统的实施例的结构原理图。
23.图2为图1所示实施例的一个工作状态图。
24.图3为图1所示实施例中风力发电塔的横截面图。
25.图中标识说明如下：
26.101、太阳能发电板；102、风力扇叶；103、风力发电塔；104、卷扬机；105、悬吊索； 106、敞口；107、活塞块；108、活塞筒；109、太阳能发电板；110、轨道；111、吊挂弹簧； 112、排气孔；113、进气孔；114、单向阀；115、气动发电机；116、进气口；117、升降电机；118、进气通道；119、风力空气压缩机；120、发电机；
27.201、摆动空间；202、第一挂接机构；203、第二挂接机构；
28.301、光传感器。
具体实施方式
29.以下结合附图所示实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
30.为了方便叙述，先对本发明附图所示实施例的方向进行统一说明。图1和图2中的
上下方向为重力方向，在以下叙述中，如无特别说明，所采用的措辞“上”、“下”均指在重力方向的上、下；“升高”、“上升”、“下降”均指在重力方向上的上升、下降；“顶部”、“底部”等其他描述方位的措辞均是以重力方向为描述基础。
31.另外需要说明的是，为了清晰展示本发明的具体结构，附图没有按实际尺寸比例进行绘制，例如附图中风力扇叶102在整个视图的比例与实际并不一致，但这不影响对本发明技术方案的说明。
32.图1显示了本发明的风力发电储能装置的原理结构。风力发电储能装置包括设置在风力发电塔内部的活塞筒108，以及与活塞筒108匹配的活塞块107。已有的风力发电塔是中空的结构体，风力发电塔内部具有足够的空间容纳活塞筒108。活塞筒108的轴线与重力方向平行，活塞块107可以在活塞筒108内沿活塞筒108的所述轴线的方向进行活塞运动。活塞块 107在活塞筒108内进行活塞运动的最下端(重力方向的最下端)为活塞截止位置，在该位置重力方向以下的活塞筒108的侧壁上分别设置有排气孔112和进气孔113。
33.在风力发电塔103的顶部设置除了设置有常规的风力扇叶102和发电机120外，还设置有太阳能发电板101和风力空气压缩机119。风力扇叶102与发电机120连接，风力扇叶102 在风力作用下转动，带动发电机120发电。太阳能发电板101属于太阳能发电装置的一部分，用于收集太阳能，并通过太阳能发电装置将太阳能转换为电能。
34.风力发电设备为了提高风力发电效率，往往制成后的体积巨大。例如，有资料显示，1.5mw 的风力发电设备，其风力扇叶的长度为34-45m，风力发电塔的高度为65-100m，每个风力扇叶的重量约为6-8吨。当然，随着风力发电设备发电功率的提高，其尺寸会更为巨大。现有的风力发电设备固然具有发电功率高的优势，但在风力较小时，由于巨大的尺寸与质量，风力扇叶不会被风推动，风力发电设备也无法发电，造成了风力发电设备利用效率较低的问题。风力空气压缩机119与小尺寸的风力扇叶(由于尺寸相对较小，在附图中没有明显示出)连接，较小的风力就可以驱动这些小尺寸的风力扇叶转动，进而驱动风力空气压缩机119工作。风力空气压缩机119具有进气端和排气端，进气端与设置在风力发电塔103上的进气口116 连通，排气端通过进气通道118与进气孔113连通。风力空气压缩机119能够将外部空气进行压缩并通过进气端-排气端-排气通道118-进气口116输入到活塞筒108中。在其他实施例中，在进气通道118上可以设置有单向阀，以使得压缩空气以一定的方向流动。在本实施例中，风力空气压缩机119设置在风力发电塔103的顶部，而进气口116邻近风力发电塔103 的底部设置。由于进气口116与风力空气压缩机119的进气端之间具有较大的高度差，因此利于产生烟囱效应，使得进气端与进气口116之间的通道内气流可以快速上升，提高了风力空气压缩机119的工作效率。
35.排气孔112通过排气通道与气动发电机115连通，在该排气通道上设置有单向阀114。气动发电机115能够接受来自排气孔112输入的气流，并将气流的能量转换为电能。
36.活塞块107与活塞筒108之间的配合间隙符合活塞与活塞缸体之间的配合间隙的要求，从而活塞块107能够在活塞筒108内进行活塞运动。活塞块107是具有较大质量的活塞体，其上方连接有悬吊索105。悬吊索105的一端与活塞块107连接，另一端缠绕在卷扬机104 的卷轮上。卷扬机104与升降电机117都属于悬吊升降机构。升降电机117在电力驱动下能够转动卷扬机104的卷轮以通过悬吊索105提升活塞块107。升降电机117具有锁定功能，通过执行该功能，使得活塞块107能够悬吊在任意高度，不会由于重力而下降。在其他实施例中，
卷扬机104也可以设置其他已有的锁定机构来实现前述锁定功能，在此不再赘述。在本实施例中，还设置有向升降电机117供电的蓄电池(图中未示出)，太阳能发电板101收集的太阳能被转换成电能后，电能被存储于该蓄电池中；发电机120产生的电能也可以存储于该蓄电池中。
37.从图1和图2中还可以看到，活塞筒108的上端并非如常规的活塞缸体一样是密封的，而是设置有敞口106，活塞块107能够通过敞口106进出活塞筒108。为了便于活塞块107进出活塞筒108，敞口106的边缘具有坡度，形成坡口。这样，当活塞块107进入活塞筒108 时，即使活塞块107对于敞口106具有一定偏差，也可以通过坡口进行纠偏，使得活塞块107 能够顺利进入活塞筒108，降低了操作精度要求。在敞口106的上方的风力发电塔103的内部空间，具有一定的容积，能够容纳活塞块107在悬吊状态下进行摆动。
38.在活塞筒108内设置有吊挂弹簧111。吊挂弹簧111的一端固定在活塞筒108的底部，另一端设置有作为第一挂接机构202的挂钩。在活塞块107的底部设置第二挂接机构203。第二挂接机构203包括设置在活塞块107底部的凹槽和电动推杆，电动推杆的推杆可以伸入所述凹槽。第一挂接机构202的挂钩伸入到所述凹槽后，电动推杆伸入所述凹槽，进而伸入所述挂钩中，从而将吊挂弹簧111设置有第一挂接机构202这一端与活塞块107连接。相应地，当电动推杆从所述凹槽中收回时，吊挂弹簧111与活塞块107脱离连接。
39.从图1至图3可以看到，在风力发电塔外壁上设置有轨道110，在轨道110上设置有可沿轨道110移动的太阳能发电板109。轨道110为环绕风力发电塔103的轴线的环形轨道。在太阳能发电板109所在的移动框架上设置有光传感器301，当光传感器301获得光照信号后，会反馈给中央处理系统，从而驱动太阳能发电板109在轨道110上移动，以获得最强的太阳光照。在其他实施例中，也可以在风力发电塔103的外部朝向太阳光方向均固定设置太阳能发电板，可以节省轨道110及相关的移动机构，也可以节省能源。太阳能发电板109所获取的太阳能可以被利用，例如为升降电机117提供电力。
40.以下结合附图，通过对附图所示实施例的工作过程进行描述，以进一步阐述本发明的技术方案。
41.外界风力可以驱动风力空气压缩机119的风力扇叶转动，特别时当外界风力较小，不能驱动大的风力扇叶102时，风力空气压缩机119的风力扇叶仍可以被驱动进行工作。处于工作状态的风力空气压缩机119不断地通过进气口116吸入空气，并将空气压缩，进而通过进气通道118和进气孔113将压缩的空气输入到活塞筒108内。不断进入到活塞筒108内的压缩空气逐步向上抬升了活塞块107，增加了活塞块107的势能，相当于将外部风力所具备的能量转换为活塞块107的势能。吊挂弹簧111连接活塞块107后，活塞块107上升后，吊挂弹簧111被拉伸，使得风力被转换为活塞块107的重力势能以及吊挂弹簧111的弹性势能，增加了本发明风力发电储能系统储蓄能量的量。
42.当活塞块107升高到一定高度，或者满足其他条件后，需要释放风力发电储能装置储蓄的能量，则打开单向阀114，同时保证卷扬机104的锁定装置打开，使得悬吊索105可以随活塞块107的下降而伸长，活塞块107可以顺利下降。下降的活塞块107在自身重力和吊挂弹簧111的弹力作用下推动活塞块107下方的活塞筒108内的空气通过排气孔112排出。被排出的空气通过排气通道驱动气动发电机115发电。在其他实施例中，可以设置与卷扬机104 连接的升降发电机，使得活塞块107下落过程中的势能可以通过升降发电机发电。或者在其
他实施例中，采用升降电动发电一体机替代升降电机117。
43.在另外的实施例中，可以将发电机120替换为风力空气压缩机，该风力空气压缩机的进气端与图1所示实施例中的进气口116连通，从而将大尺寸的风力扇叶102收集到的风能也转化为活塞块107的势能，可以输出稳定可靠的电力。
44.多组本发明的风力发电储能装置可以组网形成本发明的风力发电储能系统进行集中管理。风力发电储能系统中的风力发电储能装置上，设置活塞块高度传感器，通过对每个风力发电储能装置中活塞块107的高度等参数的监控，实时监控风力发电储能系统内风力发电储能装置存储的能量，并根据需要适时释放合适的风力发电储能装置存储的能量，从而可以使得风力发电储能系统能够持续稳定输出电力，解决风力发电存在的电力波动大的问题。
45.图2显示了本发明风力发电储能系统的另一个工作状态，以及另一种功能。如图2所示，活塞块107与吊挂弹簧111之间的连接断开，卷扬机104将活塞块107从活塞筒108中升起，活塞块107从敞口106脱离活塞筒108。脱离活塞筒108的活塞块107进入到敞口106上方可供活塞块107摆动的空间——摆动空间201。风力发电塔103由于高度较高，且具有风力扇叶102形成的迎风面，当风力非常大时，风力发电塔103要承受非常大的外力，使得风力发电塔103产生摆动，这种摆动对风力发电塔103的结构安全造成了隐患，已发生过在这种情况下风力发电塔倒塌的事故。如图2所示的活塞块107的状态，在风力发电塔103产生不利的摆动时，活塞块107也会随之产生周期滞后的摆动，从而抵消了风力发电塔103的上述摆动，提升了风力发电塔103的结构安全。活塞块107的这种提升风力发电塔103结构安全的原理类似于超高层建筑中的阻尼器的原理。因此，本发明的活塞块107除了具备储能的功能，还具有提升结构安全的功能。
46.为了提升风力发电塔103的结构安全，还可以在活塞筒108和风力发电塔103之间设置支撑架(附图中未示出)，例如在活塞筒108外壁与风力发电塔103内壁之间设置的支撑杆。由于本发明的活塞筒的高度大于风力发电塔高度的50％，因此，上述支撑架的设置，使得在受到外部风力作用下，风力发电塔103和活塞筒108成为一体受力结构，活塞筒108增强了风力发电塔103的强度，有利于提高风力发电塔103的结构安全。
47.值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以采用等同技术进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均包含于本发明所涵盖的范围内。技术特征：
1.风力发电储能装置，其特征在于：包括设置在风力发电塔的内部空间的活塞筒；及与所述活塞筒匹配的活塞块；所述活塞块可以在所述活塞筒内沿重力方向进行活塞运动；在重力方向上，所述活塞运动最下端的位置为活塞截止位置；在所述活塞筒的侧壁上、重力方向上所述活塞截止位置下方设置有排气孔和进气孔；在所述风力发电塔外部设置有风力空气压缩机；所述风力空气压缩机的压缩空气排气口通过进气通道与所述进气孔连通。2.根据权利要求1所述风力发电储能装置，其特征在于：包括悬吊索；所述悬吊索的第一端与所述活塞块连接；所述悬吊索的第二端与设置在所述风力发电塔上的悬吊升降机构连接；在重力方向上所述活塞筒的上端设置有供所述活塞块进出所述活塞筒的敞口；在所述风力发电塔的内部空间设置有供脱离所述活塞筒的所述活塞块摆动的空间。3.根据权利要求2所述风力发电储能装置，其特征在于：所述悬吊升降机构上设置有锁定装置。4.根据权利要求2所述风力发电储能装置，其特征在于：所述悬吊升降机构包括升降电动机。5.根据权利要求2所述风力发电储能装置，其特征在于：所述悬吊升降机构包括升降发电机或升降电动发电一体机。6.根据权利要求2所述风力发电储能装置，其特征在于：在所述活塞筒内设置有吊挂弹簧；所述吊挂弹簧的一端设置在所述活塞筒上，所述吊挂弹簧的另一端设置有第一挂接机构；在所述活塞块上设置有第二挂接机构；所述第一挂接机构与所述第二挂接机构相匹配进行挂接与脱离。7.根据权利要求1所述风力发电储能装置，其特征在于：包括气动发电机；所述排气孔通过排气通道与所述气动发电机的进气端连通。8.根据权利要求7所述风力发电储能装置，其特征在于：在所述排气通道上设置有单向阀；和/或在所述进气通道上设置有单向阀。9.根据权利要求1所述风力发电储能装置，其特征在于：所述风力空气压缩机设置在所述风力发电塔的顶部；所述风力空气压缩机的进气口邻近所述风力发电塔的底部设置。10.根据权利要求1所述风力发电储能装置，其特征在于：还包括太阳能发电装置；在所述风力发电塔的外壁上设置有所述太阳能发电装置的太阳能发电板。11.根据权利要求10所述风力发电储能装置，其特征在于：所述太阳能发电板设置在可在所述风力发电塔的所述外壁上移动的移动机构上。12.根据权利要求1所述风力发电储能装置，其特征在于：在所述风力发电塔和所述活塞筒之间设置有支撑架。13.风力发电储能系统，其特征在于：包括若干如权利要求1至12之一所述风力发电装置，还包括设置在所述风力发电装置上的活塞块高度传感器，以及中央处理装置；所述活塞块高度传感器与所述中央处理装置电连接。
技术总结
本发明提供了一种风力发电储能装置及系统，其中风力发电储能装置包括设置在风力发电塔的内部空间的活塞筒；及与所述活塞筒匹配的活塞块；所述活塞块可以在所述活塞筒内沿重力方向进行活塞运动；在重力方向上，所述活塞运动最下端的位置为活塞截止位置；在所述活塞筒的侧壁上、重力方向上所述活塞截止位置下方设置有排气孔和进气孔；在所述风力发电塔外部设置有风力空气压缩机；所述风力空气压缩机的压缩空气排气口通过进气通道与所述进气孔连通。本发明的技术方案可以广泛应用于风力发电的储能，可以提高风力发电设备稳定输出电力的能力。力。力。
技术研发人员：叶贵锋 王轩 林帅 崔一
受保护的技术使用者：天津金键航天设备有限公司
技术研发日：2022.05.18
技术公布日：2022/8/2
声明：
“风力发电储能装置及系统的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：天津金键航天设备有限公司
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2024年05月17日 ~ 19日 
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