CN1281849C - 多风轮机混合储能式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明是多风轮机混合储能式风力发电机，作为风力发电机单机或多机组合的风力发电田(站)等风电转换系统成套装置， 它主要由多风轮机装置和混合储能发电装置二部分共同构成，所述多风轮机装置是一个几何框架体刚性支架，它中心伸高的架撑上安装横轴风轮机、周边框架安装多个立轴风轮机，这些风轮机各自连接有升速箱、气泵等构成，所述混合储能发电装置是储气器、致热器、多级热储换器、气轮发电机等构成；各风轮机经升速箱带动气泵，它们分工合作进行逐级绝热压缩自然界空气给储气器和联系着逐级绝热压气储能进行致热给多级热储换器，随而压缩空气经节流和储换器加热释能给一个气轮发电机转换成标准电能。本发明作为多机组合的风力发电田(站)时，是以多个所述多风轮机装置按适当距离分布或按适当距离分布后的共同连接体，共用一个或合并多个所述混合储能发电装置。

Description

多风轮机混合储能式风力发电机

1、技术领域：

本发明属于风力发电机类、是一种多风轮机混合储能式风力发电机，它作为大、中、小型风力发电机单机或其多机组合的风力发电田(厂，站)等风电转换装置。

2、背景技术：

已有各种立轴(垂直轴)或横轴(水平轴)风力发电机是单风轮机支架的方式，然而这种方式支架抗风性能较差且结构材料费用多，已有风力发电机中风轮机直接负荷是发电机，因其负荷转矩与转速的匹配性能差和工作风速范围窄从而风能利用率低，由于风速风向的不稳定特性，为了使风力发电稳定，已有风力发电机运行的稳速、或并网或内燃发电机协作等，设施复杂而且风电的质量较差，从而增加了风力发电的投资和运行成本，若储能装置大量使用蓄电池对环境也会造成相当的污染。周知利用风能致热的转换效率较高、但热能的远距离传输不及电能传输便利；据悉早在1978年德国的芬德尔夫(Huntorf)就建造了压缩空气储能电站(《世界发明》1988年第11卷第9期11页)，用于调整电力负载水平，以适合高、低峰时期用电量，但利用风能致热和压缩空气混合储能式的风力发电机至今尚无成功先例。已有的各种风力发电、风力致热储热技术在美欧俄日等国早已开发利用，其容量通常从数十瓦至数百千瓦，也有少量兆瓦级的风力装置，我国从70年代末重视风能利用，至今已开发有高、中、低速浆叶的横轴式风轮机及达里厄斯(Darrious)和萨夫纽斯(Savonius)等立轴式风轮机，已有技术采用单个风轮机支架的方式或非混合储能式风力发电机，由于每一根风轮组轴需要配合安装一台发电机，因而其风力发电机综合成本高、维护量大，已有风电质量和经济效果较差，从而缺乏竞争力阻碍风电业的大发展(按目前币值，风力发电装置平均制造总成本约1000美元/千瓦，寿命30年、折旧率1％、常年平均风速5米/秒、装置风能利用率20％、装置平均维护费约1.4美分/度、装置地域使用等各种税费合计按1美分/度、风险投资利益回报按1美分/度等众因素计算，风电成本平均约合7美分/度)。

3、发明内容：

作为风力发电单机或多机组合装置，本发明提出一种多风轮机混合储能式风力发电机。

本发明解决方案是：1.提出多风轮机混合储能式风力发电机，该整个机构方案的特征在于a、作为单机包括多风轮机混合装置部分和混合储能发电装置部分连接一起构成，作为多机组合时是以多个所述的多风轮机混合装置部分按适当距离分布或按适当距离分布后的共同连接体，连接一个或合并多个所述的混合储能发电装置部分构成；b、所述多风轮机混合装置部分主要包括：一个中心伸高撑架的多边或多角形框架体刚性支架及其中包含的一个横轴风轮、多个立轴风轮、升速传动件、气泵[3]和连接管路[7-8]连接一起构成；C、混合储能发电装置部分主要包括：储气器、自控阀、致热工质气体容器、余热回收器、致热气泵[21]、所述连接管路[7-8]、多级热储换器和多级气轮发电机连接一起而构成；d、采用多风轮机压气储能和联系致热储能，以气、热二种混合储能方式转换积储风能，随而将所储能量通过多级热储换器和多级气轮发电机透平转换成标准电能的工作方式构成。

本发明机构中部分优选方案的特点是：采用压气储能回路动力由所述多个立轴风轮机供给，致热储能回路动力由横轴风轮机供给，且合并压气和致热管路。采用3--6个立轴风轮机为气泵提供动力且以逐级串联方式压缩空气。采用一个横轴风轮机和周围3--6个立轴风轮机安装于一个支架上。采用一个上部锥顶向上且含中心伸高撑架的棱锥框架体、其下边与中心伸高撑架周围的直立框架的上边共边连接构成的俯视周边为等边的3-6角形框架体刚性支架。采用包括储气器、多级热储换器、致热工质容器、余热回收器、连接管路及风轮支架地基一起埋入地或水下，且均与环境隔热和良好接地，其多级热储换器采用一体内间隔式水容器。

与已有相比，本发明多个风轮机混合装置的框架体刚性支架更稳固且工料费用少，且又增加了它的抗风能力相对提高了可靠性、使用寿命和风能利用率；由于本机各风轮机的负荷是进行逐级压气储能的气泵，因而低风速启动特性好、负荷转矩与转速的匹配特性好和风速适应范围宽(如设计额定风速为5米/秒的机型、适应范围约为2.5米/秒-25米/秒、抗风能力约为50米/秒-75米/秒、)从而风能利用率高。由于本机是采用横轴和立轴风轮混合的多台风轮机拖动多个气泵且相互关联、分工合作的收集能量、将压气的势能和热能全储、随而通过多级热储换器和多级气轮发电机透平转换成标准电能的工作方式构成，因而大大减少了发电机用量和其繁琐的辅助设施，不但能输出连续稳定的标准电能、且可方便的调节电力供量以适合用电高低峰的负载，因而提高了风能利用率和风力发电质量，还简化了制造工艺和设施而且减少了投资、运行和维护等费用，从而可降低风电总成本，且可以电、热联产。

4、附图说明：

图1是本发明的多风轮机混合储能式风力发电机原理图。

图2是图1风力发电机的一个实例其中的风轮机混合装置中、采用的等边五角形框架体刚性支架时的立体示意图。

图3-6分别是图1风力发电机其中的风轮机混合装置中采用的等边3--6角形的多边或多角框架体刚性支架时的俯视示意图。

5、实例(结合附图说明)：参照附图1-6，

在安装有一个横轴风轮机[19]的中心伸高撑架[24]的周围适当距离结构一个适当间距、高度、和俯视周边为多边或多角形的直立框架式的可以安装多个立轴风轮机[1]的共用支架，如图2-6的所示，它最好是等边的3-6角形，它周边框架的每个边桁[25]中间连接有立撑[26]，每个角部[28]有加强撑和轴系结构[29]并且安装一个立轴风力机[1]，中心伸高撑架[24]的适当位置用多根斜拉撑[27]将周边直立框架(作为立轴风轮机共用支架)各1003 2002.2角部牢固的连接成一整体，形成锥顶向上的棱锥形结构，共同构成一个上部为锥顶向上且含中心伸高撑架的棱锥框架体、与其下部的直立框架的上边共边连接构成的俯视周边为等边的3-6角形框架体刚性支架，它适合一个横轴风轮机和3--6个立轴风轮机混合安设所共用；由3--6个立轴风轮机分担逐级串联压缩空气储能，各自连接升速传动件[2]、气泵[3]、连接管路[7--8]及相关联件等；由横轴风轮机[19]分担致热回路工作、其连接升速传动件[20]、气泵[21]、管路[7]及相关联件等，共同构成多风轮机混合装置；所述混合储能发电装置主要含：储气器[9]、致热工质气体容器[23]、余热回收器[22]、致热气泵[21]、连接管路[7--8]、多级热储换器[18]、多级气轮发电机、等熵释能透平设置有机连接一起而构成。

实例中多风轮机混合装置中优选以多个立轴风轮机[1]分担提供逐级压缩空气储能回路工作动力，且均经升速齿轮箱[2]连接气泵[3]逐级等压差式压缩空气，并且和致热回路工作相互关联，空气经滤清器[4]进入第一级气泵，压气过程泵内的积水和油垢等物可定期的经排污阀[5]排除，为防止高压空气逆程泄漏每一级气泵的排气口与相连接的高压管路之间均加装有单向阀[6]，将逐级压缩增压和经与环境隔热的连接管路[7--8]冷却后的高压空气送入储气器[9]；由横轴风轮机[19]提供致热储能回路工作动力、可经圆锥齿轮箱[20]导向和纵轴传动连接气泵[21]，并通过多级热储换器[18]，余热回收器[22]和气体工质容器[23]以及联系合并连接管路[7--8]进行热交换构成封闭式热系回路，这样气体热泵闭路转换致热和逐级压缩空气储能回路工作相互关联，既合理分工又密切合作将逐级压缩空气储能时移去的热能回收并经多级热储换器[18]储存，在被压缩的空气通过汽轮发电机逐级透平发电时，仍以这部分热量加热已压缩空气使其达到等熵释能、来增加释能过程的作工出力；

多级热储换器[18]内含热交换器[15、16]，实例中多级热储换器[18]采用一体内间隔式水容器、且居中隔间的温度为80℃且是一个与环境绝热(隔热)的埋入地或水下的三级保温式水容器式多级热储换器，该水容器式多级热储换器还有通气孔[17]。所述储气器中的被压缩低温空气经预设和自动定量节流电磁阀[10](根据发电参数要求可调节限量)，再经多级热储换器[18]加热后等熵释能供给一台三级气轮机[14]透平将压缩空气的弹性势能转换成动能，且经离合器[13]连接一台适合的发电机[12]将其动能转换成稳定的标准电能。发电机[12]输出电能的一部分提供给控制变压器将其低压输出整流后，浮充一个蓄电池以供给各控制电路[11]工作，附图1和2中外围画有虚线的部件和标有接地符号的部件即：包括储气器[9]、多级热储换器[18]、致热工质容器[23]、余热回收器[22]、连接管路[7-8]及风轮支架地基一起埋入地或水下，且均与环境隔热和良好接地，以及该装置中涉及的制动器、传感器、控制器、等相关器件(未画出)。

本发明单机由所述多风轮机混合装置和所述混合储能发电装置连接构成，作为多机组合的风力发电田(厂、站)时是以多个所述多风轮机混合装置按适当距离分布或按适当距离分布后的共同连接体，并且连接一个或合并多个所述混合储能发电装置共同构成。本发明机构有超常的抗风能力，其中各部分容易协调、匹配、设计和制造，易实现个性化及系列化产品。

Claims (5)

1.多风轮机混合储能式风力发电机，由多风轮机混合装置部分和混合储能发电装置部分连接构成，其特征在于a、所述多风轮机混合装置部分含有：一个中心伸高撑架(24)的多边或多角形框架体刚性支架、横轴风轮(19)、多个立轴风轮(1)、这些风轮升速连接的气泵、及合并压气和致热管路(7-8)；所述混合储能发电装置部分含有：储气器、自控阀、致热工质容器、余热回收器(22)、上述管路(7-8)、多级热储换器(18)及多级气轮发电机；b、采用多风轮机压气储能和联系致热储能，以储气、储热二种混合储能方式转换积储风能，随将所储能量通过多级热储换器(18)和多级气轮发电机透平，转换成标准电能的工作方式构成。

2.按权利要求1所述的风力发电机，其特征在于致热储能回路动力由横轴风轮机(19)供给，压气储能回路动力由多个立轴风轮机(1)供给，且以逐级串联方式压缩空气。

3.按权利要求1所述的风力发电机，其特征在于一个横轴风轮机和周围的3-6个立轴风轮机安装于一个支架上，且采用一个上部为锥顶向上且含中心伸高撑架(24)的棱锥框架体、它的下边与中心伸高撑架周围的直立框架的上边共边连接构成的俯视周边为等边的3-6角形框架体刚性支架。

4.按权利要求1所述的风力发电机，其特征在于储气器(9)、多级热储换器(18)、致热工质容器(23)、余热回收器(22)、合并压气和致热管路(7-8)及风轮支架地基一起埋入地或水下，且均与环境隔热和良好接地，其中多级热储换器采用一体内间隔式水容器，且居中隔间的温度为80℃。

5.按权利要求1所述的风力发电机作为多机组合时，其特征是以多个上述的多风轮机混合装置部分按适当距离分布或按适当距离分布后的共同连接体，连接一个或合并多个所述的混合储能发电装置部分构成。

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