能量转换系统和方法与流程

本发明涉及能量转换领域，特别地，涉及将风能和动能等转换为电能的系统和方法。

背景技术：

存在多种不同能量转换系统和方法。例如，风力涡轮机用于将风能转换为电能并输送到电网传递。再例如车辆的制动能量回收系统，用于将移动车辆的动能回收为电能作为车辆的动力或动力的补充。

但是这些能量转换系统的应用场景相对简单固定，而且占用空间大，无法进行小型化并适用于多种应用场景。因此，存在新颖的能量转换系统和方法的需求。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提出一种能量转换系统和方法。该能量转换系统和方法用于将风能和动能转换为电能，可以实现小型化和适用于多种应用场景的要求，同时在结构简单的情况下仍然具有较高的能量转换效率。

根据本发明的一方面，提出一种能量转换系统，包括：基座；运动平台，所述运动平台可移动地位于所述基座的表面并且包括扇叶；发电机，所述发电机位于所述基座的中心并且所述发电机的转子与所述运动平台通过摇臂可枢转地连接。

根据一个实施例，所述运动平台还包括：支架，其被设置为支撑所述扇叶并且将所述扇叶的转动传递到所述运动平台的第一离合器；第一离合器，被设置为在接合时将所述所述扇叶的转动传递到所述运动平台的第一变速箱，以及在断开时不传递所述扇叶的转动；至少一个动力轮，被设置为驱动所述运动平台在所述基座上围绕所述基座的中心进行转动；第一变速箱，被设置为分别与所述第一离合器和所述至少一个动力轮连接，并且调节所述至少一个动力轮的转动速度。

根据一个实施例，所述扇叶与所述第一离合器之间通过至少一个第一同步带连接。

根据一个实施例，所述第一变速箱与所述动力轮之间通过至少一个第二同步带连接。

根据一个实施例，所述运动平台还包括平衡轮，其被设置为调节所述运动平台的移动。

根据一个实施例，所述运动平台还包括离心轮，所述基座为圆形并且在边缘具有侧壁，所述离心轮抵靠所述侧壁内侧转动。

根据一个实施例，所述发电机还包括：第二离合器，其被设置为在接合时将所述所述摇臂沿所述基座的中轴的转动传递到所述发电机的第二变速箱，以及在断开时不传递所述摇臂沿所述基座的中轴的转动；第二变速箱，其被设置为分别与所述第二离合器和所述发电机的转子连接并且调节所述发电机的转子的转动速度。

根据本发明的另一方面，提出一种进行能量转换的方法，该方法使用至少一个如上所述的能量转换系统，该方法包括：将所述运动平台的扇叶的转动转换为所述运动平台的移动；将所述运动平台的移动转换为所述发电机的转子的转动；以及将所述发电机的转子的转动转换为电能。

根据一个实施例，所述方法还包括通过施加外力使所述运动平台获得初始速度。

根据一个实施例，所述方法还包括通过断开所述运动平台的扇叶与所述运动平台的动力轮之间的转动传递使所述运动平台停止移动。

通过采用本发明的实施例的能量转换系统和方法，可以减少系统的占用空间，可适用性强，在结构简单便于维护和控制的情况下，可以获得较高的能量转换效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

当结合以下附图考虑时，可以参考以下详细描述更全面地理解本发明的各种目标、特性和优点，其中相同的附图标记表示相同或类似的特征。以下附图仅用于示例目的而并非旨在限制所公开的主题，本发明的保护范围在随附权利要求中给出。在附图中，

图1示出根据本发明的实施例的能量转换系统的剖面示意图；

图2示出根据本发明的实施例的能量转换系统的另一剖面示意图；

图3示出根据本发明的实施例的能量转换系统的俯视图；以及

图4示出根据本发明的实施例的能量转换方法的示例流程图。

具体实施方式

现在将参照附图详细描述根据本发明的实施例的能量转换系统以及使用该系统进行能量转换的方法。

图1为根据本发明的实施例的能量转换系统的一个示例性剖面图，该剖面图对应于从侧面看过去运动平台处于基座最右侧的情况。图2则示出本发明的实施例的能量转换系统的另一剖面图，其中对应于从侧面看过去运动平台刚好位于基座中心轴a与观察者眼睛之间的位置。图3则示出从上向下的俯视系统的情况。

能量转换系统10主要包括基座100，运动平台101，发电机112。

基座100具有圆盘形状的表面，该表面可以尽可能光滑以减少运动平台101在其上运动时的摩擦力。在基座100表面的外侧具有垂直设置的侧壁100-1。侧壁100-1也可以采用其它方式设置，例如上沿高于基座100的上表面，下沿低于基座100的底面。侧壁100-1可以与基座100的表面一体形成，也可以单独提供并紧固连接。侧壁100-1具有面型基座100中心的内侧，该内侧的表面优选与基座100的表面垂直设置。侧壁100-1的内侧与基座100的表面同样可以是尽可能光滑的。基座100的表面中心处具有通孔，其下设置用于容纳发电机112的空间并且使发电机112的中心轴a，特别是转子的中心轴a穿过通孔并可以自由转动。在安装时可以将基座100的表面中心与发电机112的中心轴a重合。

位于基座100的表面上的运动平台101包括扇叶102，支架110，第一离合器103，第一变速箱104，动力轮109。扇叶102设置在支架110的顶部的转动轴上并且具有多个叶片，例如在图1所示的示例性运动平台101中具有三个叶片。当有气流流过扇叶102或者运动平台101向前移动使得扇叶102切割气流时，扇叶102可以转动。扇叶102通过第一同步带105将扇叶的转动传递的运动平台101的第一离合器103。第一离合器103在接合使可以将扇叶102的转动传递到第一变速箱104，并且在断开时不传递扇叶102的转动。

第一变速箱104通过第二同步带106将来自第一离合器103的扇叶102的转动传递到运动平台101的动力轮109(参见图2和图3所示)。运动平台101可以包括至少一个动力轮109，在图1-2所示的本发明的实施例中，具有2个动力轮109。第一变速箱104分别连接第一离合器1003和动力轮109。第一变速箱104的作用不仅在于将第一离合器103传递的扇叶102的转动传递到动力轮109，还可以调节至少一个动力轮109的转动速度。动力轮109驱动运动平台101在基座100上围绕基座100的表面中心(即发电机112的中心轴a)进行圆周转动。

可以理解的是，上述第一同步带105和第二同步带106可以采用皮带传动、链条传动或其它能够满足将转动运动传递到下一部件的其它传动方式。根据本发明的实施例，第一离合器103和第一变速箱104可以整合设置在一个外壳内，如附图中所示，也可以分别设置为独立的部件。

运动平台101上还设置有平衡轮以调节运动平台101的平稳移动。如图1和图3中所示，平衡轮可以采用后平衡轮108的形式。后平衡轮108通过后支架121与运动平台101的主体连接。运动平台101与基座100的侧壁100-1内侧相对的侧面还设置有离心轮107。离心轮107用于抵靠在侧壁100-1的内侧上转动。

发电机112设置在基座100的表面中心下部的空间内。发电机112的转子的旋转轴通过刚性的摇臂111可枢转地连接。摇臂111的一端与运动平台101固定连接，而另一端固定在发电机112的转子的旋转轴上，使得摇臂111可以带动发电机112的旋转轴一起围绕中心轴a进行转动。

根据本发明的实施例，在发电机112的转子的旋转轴和摇臂111之间还可以设置有第二离合器113和第二变速箱114。第二离合器113将转子的旋转轴与摇臂111接合时，可以将摇臂111沿基座100的表面中心轴的转动传递到发电机112的第二变速箱114，并且在断开接合时不传递摇臂111的转动。第二变速箱114分别连接第二离合器113和发电机112的转子的旋转轴，用于将来自第二离合器113的摇臂111的转动传递到发电机111的转子，并且可以调节转子的旋转速度。与第一离合器103和第一变速箱104类似，第二离合器113和第二变速箱114也可以整合设置在一个外壳内，如附图中所示，也可以分别设置为独立的部件。

下面将详细介绍根据本发明的实施例的使用能量转换系统进行能量转换的方法。

如图4所示，能量转换方法主要包括如下步骤：

s410：将运动平台的扇叶的转动转换为运动平台的移动；

s420：将运动平台的移动转换为发电机的转子的转动；

s430：将发电机的转子的转动转换为电能。

在步骤s410中，首先通过向运动平台101施加外力使其获得初始速度。运动平台101随后在基座100的表面上沿圆周转动。如图2所示，在没有气流时，运动平台101的扇叶102切割空气而进行旋转。如果空间中存在空气流动，例如气流的风向与运动方向相反，则在运动平台101的移动过程中，扇叶102的旋转将不断加速。本领域技术人员可以理解，如果气流的风向与运动方向相同，气流作用仍然可以用于使扇叶102更快地转动。如果忽略风阻和运动中的摩擦力，则运动平台100的扇叶102可以不断地加速。

在初始时，第一离合器103处于接合状态，使得扇叶102的转动可以传递到运动平台101的动力轮109，但是第二离合器104则处于断开状态，使得运动平台101的圆周运动所产生的摇臂111沿基座100的表面中心进行的旋转移动不能被传递到发电机112的转子的转动轴。这样，加速旋转的扇叶102的转动可以被传递到运动平台101的动力轮109，使得运动平台101的圆周移动不断加速。

当运动平台101的速度达到设定阈值时，将第二离合器113接合，使得运动平台101的圆周转动可以通过摇臂111传递到发电机112的转子的旋转轴上带动转子转动。通过第二变速箱114的变速，可以保持发电机112的转子保持满足发电所需的稳定转速以进行发电，从而将转子的转动转换为电能。

如果需要运动平台101停止圆周运动，可以将第一离合器103断开以使扇叶102与第一变速箱104分离，则运动平台101的动力轮109不再获得驱动力。

根据本发明的实施例，在运动平台101上设置平衡轮的作用在于保持运动平台的稳定。由于扇叶102的中心较高，为了保证运动平台101的稳定运行，需要平台尽量紧贴基座100的表面移动，同时后支架121尽量延伸以使后平衡轮108距离运动平台101的主体部分尽可能远以获得更高的平衡效果。

设置离心轮107主要针对圆周运动对发电机112的离心力的负面影响。由于运动平台101自身的质量相对较大，当运动平台101通过摇臂111带动发电机112的转子围绕发电机112的中心轴a旋转时，中心轴承会承受较大的径向离心力。为减小该径向离心力对中心轴承的磨损，抵靠在基座100的侧壁100-1的内侧表面上滚动的离心轮107可以提供离心力的反作用力。

根据本发明的能量转换系统可以在室内无风的环境中运行与测试。当运动平台101达到一定速度后，在室内空间会产生气流乱流。这种乱流对运动平台101的阻力会干扰平台的圆周移动速度。对此，可以基于风洞测试设计室内环境形状以及运动平台101的外形以达到最优的能量转换效率。

另外，运动平台101的支架110可以被设置为随着运动平台101的圆周运动调整扇叶102的朝向以获得更好的转动效果。还可以设置能量转换系统10的外部轮廓，使得扇叶102在圆周的固定位置或位置范围内被气流推动旋转。本领域技术人员将理解，本发明的实施例的能量转换系统可以在室内和室外的不同环境中运行。

在进行风洞测试和实际运行时，可以在基座100上同时设置多个运动平台101，每个运动平台101都通过各自的摇臂111连接到发电机112的转子的中心轴。通过优化，多个运动平台101可以有效减少空气阻力，稳定扇叶102转速，同时多个运动平台101也可以共同为发电机112提供动力，增加发电机112的发电功率。

通过采用本发明的实施例的能量转换系统和方法，可以减少系统的占用空间，可适用性强，在结构简单便于维护和控制的情况下，可以获得较高的能量转换效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。