CN1363761A

CN1363761A - 多风轮机混合储能式风力发电机

Info

Publication number: CN1363761A
Application number: CN 02104338
Authority: CN
Inventors: 王仁
Original assignee: 王磊
Current assignee: Wang Ren
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: CN1281849C

Abstract

本发明是多风轮机混合储能式风力发电机。它包括: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、气泵等共同构成多风轮机装置,和储气器、致热器、多级热储换器、气轮发电机等共同构成混合储能发电装置;工作时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,然后被压缩低温空气经自控电磁阀节流且经多级热储换器加热释能给一个气轮发电机转换成标准电能。本发明用于建造风电田时,是以多个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混合储能发电装置。

Description

多风轮机混合储能式风力发电机

本发明涉及各种风力发电机、风力发电田以及航船风力发电装置等，适用于有风力资源地区将风能转变成便利的电能。

已有各种立轴(垂直轴)或横轴(水平轴)风力发电机是单个风轮机支架的方式，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需要升速和稳速装置、变电装置、储能装置配合或内燃发电机协作等等，不但设施复杂，而且风电的质量较标准市电的质量差；通常实用的储能装置多使用各种蓄电池，然而众所周知蓄电池电压低，往往需要逆变器配合工作，且蓄电池自身寿命短维护工作量大，从而增加了风力发电的运行成本，且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高于风力发电等方式的转换率，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)，它是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先例。已有的各种风力发电、风力致热储热等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年代末至今已开发有横轴浆叶式、立轴式达里厄斯(Darrious)和萨夫纽斯(Savonius)等风轮机，多为中、小或微型发电装置，但已有技术均是单个风轮机支架的方式和非混合式风力发电机；由于每一个风轮机均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、风电质量和经济效果较差而缺乏竞争力是制约风能利用的主要因素(按目前币值，风力发电装置平均制造成本约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/度等因素计算，风电成本平均约合7美分/度)。

本发明目的是提出一种多风轮机混合储能式风力发电机；它可全面的解决上述问题，使各种用途风力发电机设计制造简易、支架结构更稳固且材料费用较少；提高风力发电机可靠性、使用寿命和风能利用率；减少风力发电机设计、制造、运行和维护成本；提高风电质量，且可直接输出连续稳定的50-60周标准电能从而与市电相当的用电或输电设备相匹配提高风电竞争力从而发展风电业。

本发明中合并有所述多个已有技术或装置部分工作原理，主要是：用一个几何框架体刚性支架，安装多个风轮机及相关部件，它们分工合作以逐级压气储能和致热储能二种混合方式转换积储风能，然后将混合储能适量的等熵释能给一个气轮发电机转换成标准电能。

本发明含括：a、一个有中心伸高撑架的几何框架体刚性支架，它中心伸高的撑架上安装横轴风轮机、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、管路等共同构成的本多风轮机装置；b、储气器、致热器、多级热储换器(热储存兼热交换器)、多级透平式气轮发电机以及相关器件共同构成的本混合储能发电装置；c、本机工作时各风轮机均经升速箱带动气泵，它们分工合作进行逐级绝热压缩自然界空气给储气器、将风能转换为势能储存，和联系着逐级绝热压气储能进行致热给多级热储换器、将风能转换为多级热能储存，高压储气器中的被压缩低温空气经自控电磁阀节流且经多级热储换器加热、等熵释能供给一个多级透平式气轮发电机转换成标准电能。其中：几何体刚性支架，最好是俯视周边为等边3-6角形的多边框架体刚性支架，它周边框架的每个边中间连接有立撑、每个顶角部安装一个立轴风轮机；压气储能部分最好采用一个与环境绝热的、适合容量、工作压力的高压钢罐储气器；致热器部分最好采用闭路压缩工质气体的热管转换致热方式；热储换器最好采用一个与环境绝热的多温水容器式多级热储换器和以低廉的水来储热的方式。

本发明是这样实现的：由一个中心伸高的横轴风轮机撑架位居中心，在它周围适当距离结合着适当间距、高度和俯视周边为多边(或多角)形框架式的多个立轴风轮机共用支架，每个边桁中间均设有立撑，在横轴风轮支架的适当位置，用多根斜拉撑连接着多个立轴风轮机共用支架的各角形成锥顶向上的棱锥框形结构，共同构成一个多边框架体刚性支架；该支架周边框架各角部均安装有一个立轴风轮机，中心撑架上安装一台横轴风轮机，这些风轮机与各自连接的升速箱、气泵、管路等共同构成了多风轮机装置，且周围的多台立轴风轮机适当低于中心的横轴风轮机。该风轮机装置由多台立轴风轮机分担从低压至高压与环境绝热的逐级压气(空气)储能回路工作，由横轴风轮机担任与环境绝热的致热回路工作；该致热回路联系着绝热压气储能回路及多级热储换器，用来收集和利用逐级压气过程移出的热量。该高压储气器中的已压缩空气经预设或自动定量电磁阀节流传动(根据该风力发电机个性设计参数要求，和用电高低峰的负载来调节释能时的节流量进行传动)和多级热储换装置加热、等熵释能提供给一台适合的多级透平式气轮发电机(发电机为三相或单相等标准发电机)将其动能转换成连续稳定的标准电能。其中高压储气器最好是采用一个埋入地面或水面以下与环境绝热的、适合容积和工作压力的高压钢罐方式；其中致热器最好采用方便的气体热管闭路压缩转换致热器和采用空调机气体工质的方式；其中多级热储换器最好是采用一个埋入地面或水面以下与环境绝热的、适合容积和多级保温的水容器式多级热储换器，以低廉的水来储热的方式，且多级热储换器中结构有气体热管致热换热回路部件和被压缩低温空气等熵释能传动发电过程进行逐级加热的换热回路部件等，而且尽量使该多级换热装置方式满足于逐级绝热等熵压气储能和致热储能与等熵释能发电时多级(三级；相应于三温热储换器)透平传动过程的等熵热能置换要求条件，以提高能量转换效率。

由于本发明多风轮机混合储能式风力发电机能输出连续稳定的50-60Hz标准电能直接适合用电或输电设备，并且能方便的调节电力供量以适合用电高低峰的负载，从而提高了风力发电质量；由于本机是多个风轮机共用一个几何框架体刚性支架，既节约了风轮机架构材料和费用又增加了它的抗风能力；由于本机各风轮机工作负荷是进行逐级压气储能的气泵，因而低风速启动性能好、负荷转矩与转速的匹配性能好和工作风速适应范围宽(约为2.5米/秒-25米/秒)从而风能利用率高。由于本机是多台风轮机收集能量、和逐级绝热压气储能传动、以及等熵释能提供给一台气轮发电机组工作，因而大大减少了发电机用量和其繁琐的调控等辅助设施，不仅提高了风能利用率和风力发电质量，还简化了风力发电装置制造工艺和设施而且减少了投资、运行和维护等费用，从而大幅度降低了风电总成本(约40％)。

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

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风力发电机中的本发明风轮机装置采用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风力发电机中的风轮机装置采用等边3--6角形的多边(或多角)框架体刚性支架时的俯视示意图。

参照附图1--6、在一个中心伸高撑架[24]的周围适当距离结合一个适当间距、高度、和俯视周边为多边(或多角)形的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的结构样式，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]经适当加强及轴系结构[29]各安装有一个立轴风力机[1]，中心伸高撑架[24]的适当位置用多根斜拉撑[27]将周边框架(立轴风轮机共用支架)各角部牢固的连接成一整体(形成锥顶向上的棱锥形结构)，共同构成一个多边框架体刚性支架；该支架周边框架各角均安装有一个立轴风轮机[1]、中心撑架[24]安装一个横轴风轮机和这些风轮机各自连接的升速箱[2]、气泵[3]、管路等，共同构成多风轮机装置。该多风轮机装置中的多个风轮机分担低--高压逐级压缩空气储能传动回路工作和致热回路工作，最好由立轴风轮机[1]经升速齿轮箱[2]连接气泵[3]，采用逐级等压差式压缩空气，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截止阀[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绝热的热交换管路[7--8]冷却后的高压空气送入高压储气器[9]；最好由横轴风轮机[19]经圆锥齿轮箱[20]导向纵轴传动连接气泵[21]经多级热储换器[18]、余热回收器[22]和气体工质容器[23]以及联系着热交换管路[7--8]构成封闭式热系回路、进行气体热管闭路压缩转换致热(最好采用空调机的气体工质)，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，在被压缩的低温空气通过汽轮发电机逐级透平释能发电时、仍用着这部分热量加热已压缩的低温空气来增加作工出力；多级热储换器[18]最好是一个埋入地面或水面以下与环境绝热的和适合容积、多级保温的水容器式多级热储换器，该水容器式多级热储换器最好是设有常压通气孔[17]和分隔为60℃、80℃和100℃的三温式热储换器其中结构有气体热管致热回路部分换热元件[16]与已压缩低温空气等熵释能传动发电过程进行逐级加热回路部分换热元件[15]等；高压储气器中的被压缩低温空气经预设或自动定量节流电磁阀[10](根据发电参数要求可调节限量)，和多级热储换器[18]加热、等熵释能供给一台多级气轮机[14]透平绝热膨胀将压缩空气的弹性势能转换成动能，经离合器[13]连接一台适合的交流发电机[12](三相或单相50-60Hz标准电力的发电机)将其动能转换成电能，且使气轮发电机输出稳定的标准电能直接适合用电或输电设备；交流发电机[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，浮充一个小型蓄电池以供给各控制电路[11]工作使用，各电路装置中的0电位均接地，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)，共同构成混合储能发电装置。本发明风力发电机由所述多风轮机装置和混合储能发电装置共同构成，它有超常的抗风能力，其中各部分容易协调、匹配、设计和制造，从而易实现个性化及系列化产品。

本发明用于建造风电田时，是以多个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混合储能发电装置。

Claims

1.风力发电机、风力发电田装置或船舶风力发电装置等；本发明的特征是：用一个几何框架体刚性支架，安装多个风轮机及相关部件，它们分工合作以逐级压气储能和致热储能二种混合储能方式转换积储风能，然后将混合储能适量的等熵释能给一个气轮发电机转换成标准电能，共同构成一个多风轮机混合储能式风力发电机。

2.按权利要求1规定的风力发电机其特征在于：

a、一个中心伸高撑架的几何框架体刚性支架，它的中心伸高撑架上安装有横轴风轮机[19]、周边框架安装有多个立轴风轮机[1]，这些风轮机各自连接有升速箱、气泵、管路等共同构成多风轮机装置，

b、高压储气器[9]、致热器、工质气体容器[23]、余热回收器[22]、热交换管路[7--8]、多级热储换器[18]、多级透平式气轮发电机和相关器件共同构成混合储能发电装置，

c、本机工作时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高压储气器[9]、将风能转换为势能储存，和联系着逐级绝热压气储能进行致热给多级热储换器[18]、将风能转换为多级热能储存，然后高压储气器[9]中的被压缩低温空气经自控电磁阀[10]节流且经多级热储换器[18]加热、等熵释能供给一个多级透平气轮发电机[12-14]转换成标准电能。

3.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：其中的几何体刚性支架是俯视周边为等边3-6角形的多边框架体刚性支架、它周边框架的每个边[25]中间连接有立撑[26]、每个角部[28]经适当加强及轴系结构[29]各安装有一个立轴风力机[1]，中心伸高撑架[24]的适当位置用多根斜拉撑[27]将周边框架各角部牢固的连接形成锥顶向上的棱锥框形结构整体。

4.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：其中的压气储能部分是用一个与环境绝热的、适合容量、工作压力的高压钢罐储气器[9]，致热器部分是采用闭路压缩工质气体的热管转换致热器、且热储换器是采用一个与环境绝热的多温水容器式多级热储换器[18]和以水储热的方式、而且多级热储换器[18]中结构有气体热管致热换热回路部件[16]和被压缩低温空气等熵释能传动发电过程进行逐级加热的换热回路部件[15]。

5.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：其中的高压储气器和多级热储换器采用埋入地面或水面以下的方式。

6.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：其中多级透平气轮发电机[12-14]采用三级透平，多级热储换器[18]采用三温热储换器，它们相应于逐级绝热等熵压气储能和致热储能与等熵释能时三级透平传动过程的等熵热能置换要求条件。

7.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：其中多级热储换器[18]采用设有常压通气孔[17]和水温分隔为60℃--80℃--100℃的水容器式三温式热储换器。

8.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：由立轴风轮机[1]经升速齿轮箱[2]连接气泵[3]逐级等压差式压缩空气、空气经滤清器[4]进入，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]，冷却高压空气的热交换管路[7--8]与环境绝热；由横轴风轮机[19]经圆锥齿轮箱[20]导向纵轴传动连接气泵[21]经多级热储换器[18]、余热回收器[22]和工质气体容器[23]以及联系着热交换管路[7--8]构成封闭式热系回路、进行工质气体热管闭路压缩转换致热。

9.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是；经离合器[13]连接一台三相或单相50-60Hz的交流发电机[12]将其动能转换成稳定的标准电能直接适合用电或输电设备，交流发电机[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，浮充一个小型蓄电池以供给各控制电路[11]工作使用，各电路装置中的0电位均搭铁接地。

10.按权利要求1或2规定的风力发电机其特征是：用于建造风电田装置时，是以多个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混合储能发电装置。