电容储能器及其能源转换装置的制作方法

1.本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种电容储能器及其能源转换装置。


背景技术：

2.一般情况下，地球每秒钟能接收到来自太阳1.76
×
10
17
焦耳的能量，如能将该能量全部转换为电能，那么所转换成的电能足以供4000个类似纽约的主要城市使用24小时。由此可见，太阳能具有巨大的潜力。但是以目前科技而言，太阳能广泛应用的最大阻碍在于能源的储蓄。由于太阳能的产量对天气有着高依赖性，所以太阳能的产出并不能与能源需求完美契合。
3.目前，电网拥有多种不同的能量储存方案，但是这些方案都存在不足，不足之处主要存在于造价、稳定性、能量密度、维护、可运输性等方面。电容储能器可以很好地解决上述问题，但电容储能器具有输出电压不稳以及输出电流太高等问题，使得电容储能器没有得到广泛应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对电容储能器具有输出电压不稳以及输出电流太高等问题，提出一种电容储能器及其能源转换装置。
5.本发明所提出的技术方案如下：
6.本发明提出了一种能源转换装置，包括用于储存电能的电容器、永磁体、内线圈、外线圈、叶片、涡轮发电机；
7.电容器的两极分别连接内线圈、外线圈；内线圈、外线圈同轴设置；永磁体分别正对着内线圈和外线圈，用于提供笼罩内线圈、外线圈的磁场；叶片伸入到内线圈、外线圈之间；叶片还安装在涡轮发电机上，用于通过叶片的转动驱动涡轮发电机发电。
8.本发明上述的能源转换装置中，电容器的两极包括负极和正极；负极与内线圈电性连接；正极与外线圈电性连接。
9.本发明上述的能源转换装置中，电容器的两极包括负极和正极；负极与外线圈电性连接，正极与内线圈电性连接。
10.本发明上述的能源转换装置中，内线圈和外线圈均处于永磁体和涡轮发电机之间。
11.本发明上述的能源转换装置中，内线圈、外线圈固定设置；叶片有多个，多个叶片绕内线圈轴向可转动设置，并连接成一体。
12.本发明还提出了一种电容储能器，包括如上所述的能源转换装置。
13.本发明的电容储能器及其能源转换装置通过采用电容器释放电弧的频率可控，被偏转的动能也可通过调整磁场强度以及电弧频率来控制，使得涡轮发电机将可控的动能转换为电能，从而确保能源转换装置输出的稳定性。本发明的电容储能器及其能源转换装置设计新颖，实用性强。
附图说明
14.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
15.图1示出了本发明优选实施例的能源转换装置的结构示意图；
16.图2示出了图1所示的能源转换装置的另一方向上的结构示意图；
17.图3示出了图1所示的能源转换装置的叶片的结构示意图。
具体实施方式
18.本发明所要解决的技术问题是：电容储能器具有输出电压不稳以及输出电流太高等问题，具体来说，电容器可快速充能，并快速将储存在内的能量释放出去，电容器的电压和电荷之间的关系可以通过以下公式表达：
19.q＝c
×
v
20.其中，q为电容器的电荷；
21.c为电容器的电容；
22.v为电容器的电压。
23.通过该公式，如果电容器的电容不变，那么随着电容器内储存的能量(或电荷)增加，电压也会相应增加。又由于电压与电流的关系可通过以下公式表达：
24.v＝i
×
r
25.其中，v为电压；
26.i为电流；
27.r为电阻；
28.如果电阻不变，随着电压增高，电流也会相应增加，从而大幅增加功率。
29.功率可以通过以下公式表达：
30.p＝i
×
v
31.其中，p为功率；
32.v为电压；
33.i为电流。
34.由此可见，不同于常见的锂电池，随着电容器内储存的能量增加，电容器输出的功率也会大幅增加。如此高的功率会超过我们平常使用的设备的额定功率，将会对我们的设备造成伤害。同时，如果在电容器内储存较多的能量，电容器将会出现上述高功率的问题，可在电容器内储存较少的能量从而确保功率不会过高，将使得电容器的能量密度低于其他储存方式，使得电容器成为不了一个很好的储存介质。
35.另外，因为电容器的电压跟电容器内储存的能量成正比，所以当电容器在放电时，电容器的电压将会随着时间推移而降低。因此，电容器的放电电压十分不稳定。然而，目前常见的电子设备都需要一个稳定的电压来驱动实现该设备应有的功能，电池在放电过程中电压基本稳定而满足了这一条件，供电过程中不稳定的电压为电容器无法代替电池的主要原因之一。
36.目前技术可以通过大幅增加电容器容量来降低充满电状态下电容器的电压，从而降低输出功率，这类电容器被称为超级电容器，但是超级电容器造价昂贵，同时并不能解决电压的问题。
37.本发明就该技术问题而提出的技术思路是：构造了一种能源转换装置，将电容器所储存的电能重新转换成动能，再将动能通过涡轮发电机发电。在这个过程中，通过控制电容器释放电能的频率，调整动能，使得涡轮发电机将可控的动能转换为电能，从而确保能源转换装置输出的稳定性。
38.为了使本发明的技术目的、技术方案以及技术效果更为清楚，以便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
39.如图1-图3所示，图1示出了本发明优选实施例的能源转换装置的结构示意图；图2示出了图1所示的能源转换装置的另一方向上的结构示意图；图3示出了图1所示的能源转换装置的叶片的结构示意图。具体地，能源转换装置包括用于储存电能的电容器1、永磁体7、内线圈6、外线圈5、叶片101、涡轮发电机10；
40.电容器1的两极分别连接内线圈6、外线圈5；内线圈6、外线圈5同轴设置；永磁体7分别正对着内线圈6和外线圈5，用于提供笼罩内线圈6、外线圈5的磁场8；叶片101伸入到内线圈6、外线圈5之间；叶片101还安装在涡轮发电机10上，用于通过叶片101的转动驱动涡轮发电机10发电。
41.在上述技术方案中，能源转换装置的工作原理为：与电容器1的两极分别连接的内线圈6、外线圈5之间形成有电压差，该电压差会将内线圈6、外线圈5之间的空气离子化为电弧9；电弧9运动的部分动能会被永磁体7所产生的磁场8偏转。电弧9被偏转的动能可推动叶片101转动，从而通过涡轮发电机10转换为电能。在这个过程中，电容器1释放电弧的频率可控，被偏转的动能也可通过调整磁场强度以及电弧频率来控制，使得涡轮发电机10将可控的动能转换为电能，从而确保能源转换装置输出的稳定性。
42.进一步地，在本实施例中，电容器1的两极包括负极2和正极3；负极2与内线圈6电性连接；正极3与外线圈5电性连接。通过这种设置，当内线圈6、外线圈5之间的空气离子化为电弧9时，电弧内的正离子被内线圈6所吸引而向其移动，电弧内的负离子被外线圈5所吸引而向其移动。如图1所示，负极2与内线圈6之间、正极3与外线圈5之间分别通过电线4连接。
43.可以理解，在其他实施例中，负极2与外线圈5电性连接，正极3与内线圈6电性连接。
44.进一步地，内线圈6和外线圈5均处于永磁体7和涡轮发电机10之间。永磁体7采用钕磁铁或者铁氧体等。
45.当空气离子化后，空气将转化为正离子与负离子，并相应地被负极和正极所吸引。吸引的过程中将给正离子与负离子赋予动能；同时，正离子与负离子将在磁场中移动，磁场将会对移动中的离子产生一个相应的作用力，该作用力可通过以下公式计算得到：
46.f＝qvbsinθ
47.其中，f为作用力大小；
48.q为离子的电荷量；
49.v为离子的速度；
50.b为磁场的强度；
51.θ为磁场与离子行动方向的角度。
52.此作用力将作用在离子上，f＝ma，离子将会拥有一个加速度并开始沿着内外圈移
动，此时离子的移动的动能将被偏转，并通过涡轮发电机转化为稳定的输出。
53.如图3所示，内线圈6、外线圈5固定设置；叶片101有多个，多个叶片101绕内线圈6轴向可转动设置，并连接成一体。
54.进一步地，本发明还提出了一种电容储能器，包括如上所述的能源转换装置。
55.目前能源储存方式主要分为三种：电网锂电池、水坝、压缩空气。其中，电网锂电池拥有许多优点，例如电压稳定，具有市场上最高的能量密度，能够稳定可控地输出。锂电池是一个十分成熟的技术，但是也有相应的缺点。最为明显的为其昂贵的造价，其二为锂电池内最为重要的元素锂目前已经供不应求，而锂的开采对环境有着致命的打击，如同使用水力压裂的开采方式，将会对开采的生态环境有着不可逆转的伤害。而电容器可使用铝来制作。铝不仅仅是地球上第三多的材料，同时铝的可回收率将近百分之一百，电容器对环境的影响将会小很多。水坝为如今最为常见的能量储存方式，原理简单，可靠耐用，较高的能量密度使得水坝很受欢迎。但是水坝造价昂贵，运维麻烦，最为重要的是，水坝并非在任何地方都可以建造。电容器能量密度可以比水坝高，可使用自动化系统来去除管理费，电容器的长寿命也可以去出需要频繁更换部件的费用。压缩空气，是将能量储存在其中，在需要电能的时候将空气放出，空气的动能通过涡轮发电机转化为电能。虽然压缩空气较为便宜，但压缩空气的能量密度并不高，同时，为了确保输出的电压为稳定，释放空气时需要先确保压力不会有任何明显变化，这样会出现节流损失，使得压缩空气系统的效率更低。而本发明拥有同样较低的能量储存价格以及相对高的效率。
56.本发明的电容储能器及其能源转换装置通过采用电容器释放电弧的频率可控，被偏转的动能也可通过调整磁场强度以及电弧频率来控制，使得涡轮发电机将可控的动能转换为电能，从而确保能源转换装置输出的稳定性。本发明的电容储能器及其能源转换装置设计新颖，实用性强。
57.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。