CN100343508C - 一种大型风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型风力发电系统，包括风力机装置、与风力机装置连接的能量转换传递装置；风力机装置的每个风力机上安装有液体压力泵，液体压力泵的输入、输出管口分别与安装有单向阀的液体输入管道和液体输出管道密闭连通；液体输入、输出管道分别连接于液体高、低压循环主管道上；发电机组连接在液体高压主管道和液体低压循环主管道之间；高压循环主管道和低压循环主管道之间还设有液体压力缓冲装置和液体压力释放回流及液体添加装置。

Description

一种大型风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，尤其是涉及到一种利用风力机群获得的机械能经转换进行应用的风力发电系统。

背景技术

现有的大型风水结合发电法，如中国申请号为01135136.5(公开号为：CN1348062)，利用多个风力提水系统，将低位水库中的水提向高位水库中储存，使风能以势能的形式大容量的储存在高位水库中，水力发电系统利用储存在高位水库中的水发电；这种将风力机群获得的机械能进行应用的发电系统，单机安装容量大，输出电能质量好，安全可靠，但应用条件比较苛刻，同时蓄水受到一定条件的限制，可开发难度较大。

CN97107614.6提出了不依赖于蓄水水库的、与循环水系统相配合的风力发电装置。由能根据风向作水平转向的风轮带动变量水泵使水循环运行来驱动水轮发电机组发电；其特征是：水循环系统中包括有竖直设置的高压下水管和低压上水管，低压上水管的始端与蓄水结构相连，在低压上水管的竖直区段中设置有采风积能单元，采风积能单元由风轮带动的变量水泵及与之连接的单向阀组成；低压上水管在上方顶部与高压下水管相连接，高压下水管末端连接于调压室，将恒定压力的高压水引入水轮发电机组，调压室与蓄水结构之间设置有带有可受调压室预设压力控制的自动阀门的泄流通道。

但是这种多风轮组合应用的风力发电装置技术的采风集能单元，第一级安装高度只能在10m以下或更低的吸水高度，当风力达不到吸水高度的功率时，装置无法运转，且第一级单元采风面积在留足对地安全距离以后更难以做大，限定了液体流量，而增加后级单元以提高压力来增加功率，则效率不高，设备产出的性价比不理想。

我国目前风力发电技术中采用的一般是水平轴式异步风力发电机机，是将数台风电机分别自动并入电网，组成风电场的发电系统，这种方法安装管理方便，见效快，能量转换效率高，但控制技术复杂，同时对容量小的孤立运行的小电网电压稳定性有较大的影响，也有碍于我国风电远期大量发展的空间。

随着风力发电场规模的增加，在某些情况下风电场引起的电压波动和闪变可能超出国家有关标准。人们非常关心由风电场运行后对电能质量带来的负面影响。

基于上述情况，现有风力发电机组的并网运行技术虽然是一种良好的发展趋势，但是到目前为止，国内已经并网运行的风力发电机的数量并不是很多。据全国风力发电信息中心报导，截止到2003年底，全国累计运行风力发电机组1042台，总容量为567.02MW。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提供一种将风力机械能经转换应用的大型风力发电系统，使风能利用技术更趋简单，输出电能质量好，安全运行可靠性得到改善，操作管理较为方便，单机装机容量大，性价比好，风电上网占电网容量的允许比例不受限制，易于普及，可开发应用前景看好并可进行大规模应用的风力发电方法。

本发明的另一个目的是提供一种水平轴风力机多功能回转体，该回转体除了具有使机头能够可控回转的功能外，还同时具有使能量传递转换装置密闭、承压、承重，双管双向通水的多重功能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大型风力发电系统，包括风力机装置、与风力机装置连接的能量转换传递装置以及与之相连的发电装置和各信息采集点与信息控制后台机相连的信息控制装置；其特征是每个风力机装置安装有能量转换用的液体压力泵，液体压力泵的输入、输出管口分别与安装有单向阀的液体输入管道和液体输出管道密闭连通；液体输入管道和输出管道分别连接于液体低压循环主管道和液体高压主管道上；发电机组连接在液体高压主管道和液体低压循环主管道之间；所述的高压循环主管道和低压循环主管道之间还设有液体压力缓冲装置和液体压力释放回流及液体添加装置。

所述的液体压力缓冲装置包括在液体高压主管道上T接的连接压力缓冲储气包的液体缓冲管道及闸阀，所述的压力缓冲储气包上还连接有压力气管，压力气管的末端设有气阀和空气压缩机。

所述的液体压力释放回流及液体添加装置包括在液体高压主管道上T接的安装有受控液体压力释放阀的液体压力释放管道，其末端连接有液体储存消能池；消能池底部还连接液体回流管和液体单向自动阀，液体回流管的另一端连接到低压循环主管道上；消能池的另一侧还连接有从低压液体循环主管道上引出的液体添加管道、阀门以及液体添加泵。

所述的风力机装置可以是垂直轴式风力机。

所述的风力机装置还可以是水平轴式风力机。

当采用水平轴式风力机装置时，风力机装置通过液体泵和连接弯管与液体连通型多功能回转体相连；所述的多功能回转体是水平轴式风力机装置的塔架与机头座的连接部件，能够与连通器构造式的塔架兼液体输送管、塔架内液体压力管连通。

所述的多功能回转体包括一端有法兰端的内压力管体，在内压力体管的上端加工有一环凸部，与密封装置配合密封连接于回转体端盖上；密封装置的上端密封连接有弯管；所述的内压力管体的外面套有外套管，所述的外套管包括其上端与内压力管体间以同一轴线相对回转的外上端管和其下端带有法兰端的外下端管；其中外上端管焊接在上端盖上，其侧面上端还焊接有带有法兰端的上端短管；外上端管的下端部分插套在外下端管内，通过填充在其间的密封材料和密封圈使两者密封；外下端管的法兰端上固定有轴承环盖兼齿轮座，半圆筒抱合机仓固定在齿轮座的外面；回转体调向齿轮配合在传动杆上并连接在回转体端盖和传动杆轴承座上；内压力管体、外下端管固定在塔架上部，而上端管则与机头座相连；通过它们的轴承和可控调向齿轮在风力机对风控制装置驱动下，在风向变化时，机头便能水平地可控回转，使风轮迎风工作；同时该多功能回转体内外管同轴心，使液体与设备连通且密闭，并且能够承压、承重，使回转动作可控。

所述的密封装置包括一密封固定罩，装配在密封固定罩内部的压力缸套，压力缸套和内压力管体之间的密封环，内压力管承重抱合环以及压力缸套和承重抱合环之间的轴承，另外在上端盖和压力缸套之间以及固定罩的内外之间还设有密封垫圈。

所述的回转体上还可以设有避雷装置，避雷装置包括外下端管侧面的避雷静触头和避雷动触头以及半圆筒抱合机仓内壁上固定的避雷连线。

在延伸的液体高压力、低压力循环主管道上，按照需求构建、并联全部数个上述的风力机能量转换装置；由于能量在转换的过程中有一些损失，系统应有一定的扩展。

对于液体高压力、低压力循环主管道的设计，可根据流量的大小，在延伸长度范围内，分段缩变直径尺寸，以减少初期费用的投入，整个系统布局以中心向外辐射式为好。为了减小系统液体压力水锤作用，在高压力主管道上T接液体缓冲管道并设一闸阀，连接于压力缓冲储气包，为了使气包内气体能在一定压力下保持较大的体积空间，提高缓冲效果，设置空气压缩机和自动气阀进行自动调整。同时为了使系统的液体压力在工作时能得到一定范围的调整，发电系统甩负荷时液体压力能可得到释放，系统能安全运行，在高压力主管上T接液体压力释放管道并安装受控液体压力释放溢流阀，将调整控制释放的能量液体输入开放式液体储存消能池进行消能回流，消能后的液体经安装于池底的液体回流管和液体单向阀回流至液体低压力循环主管道，回流单元还用于向主管补充液体。消能池的容量大小和功能的设计，以能容纳系统全部液体和消减最大能量为基本指标之一。

传递能量的介质液体，从开放式液体储存消能池，通过添加液体管道、液体添加泵、阀门，在整个系统投运前，向全部液体循环管道设备系统注满介质液体，不留有空气，液体泵内空气由泵的自动排气阀排出。所应用的介质液体，在气温较高、运行时不冻结的地区可以采用极方便的自然淡水，使用中的自然淡水应定期消毒杀菌；在气温较低的地区、条件恶劣的环境下，应选用粘滞性小、不易挥发、人工制造的不冻液或其它不冻液体作媒介质，例如，采用市场上有售的车用防冻液或类似的不冻液体。

能量转换传递装置与发电装置是通过水轮同步发电机来衔接的，水轮同步发电机将能量转换传递装置中的动压力能转换成电能，并入电网。

系统在运行的过程中，当风力过大，风力机转速提高，使液体泵的转速超过极限和发电系统甩负荷或紧急故障时，信息控制系统装置会自动启动风力机自动控制装置及系统安全调节装置的压力释放阀，使系统安全运行；当风力较大或较小时，应调整液体压力系统的压力设定值，使系统能量得以充分利用和发挥。水轮发电机的调速调功应与系统风能储备和安全消能相协调，既要满足要求，又不要使调节余量过大。

利用常规水电技术和设备应用于本发明的风力发电，是本技术方案的最大特点之一，这是非常方便容易的；根据现有技术产品挑选风力机、水泵、水轮发电机的形式和出力、风场的单位能量参数和设备的工作效率、参数等，设计确定建造风力电站的规模；同时本技术方案由于采用常规水力发电、电力排灌技术和方法，技术成熟、设备材料资源丰富，操作方便，安全管理易于控制，可组建大型风力发电厂。这种集中利用风能能量式的大型系统发电方法的直接效果是：能提供单机大容量电能上网，解决现有技术上网所出现的小容量和电能质量的问题；同时本风电系统装机容量可大可小，可从0.5～10MW以上，灵活设计应用，充分利用风电的特点，可补偿电网枯水期和用电高峰电能稀缺的矛盾。作为替代能源的成功开发，它的意义远远不仅仅是它本身的有益性、有利性、环保性，它将产生历史性的影响，将促进人类的社会进步和发展。

同时，现有技术风力发电机多为水平轴式，控制技术复杂，输出电能质量欠佳，而本技术方案配套液体泵体积相对较小，属普通机械产品，结构简单，无高精尖控制电路设备；当采用垂直轴风力机时，安装维护更加简单，价格更低廉，安全可靠性会得到更大的改善；另外，本发明还克服了风水结合发电法带来的储能条件限制，使风场选址灵活，可以不借助水库直接将转换的能量流体进行发电并入电网或供给负载，造价低、建设周期短、无淹没损失、无移民费用；据测算，每1MWh电能可减排232吨CO₂，CO₂减排效果明显，大大减少了对自然生态环境的影响。

附图说明

图1为本发明实施例垂直轴式风力机发电系统示意图；

图2为本发明实施例水平轴式风力机发电系统部分示意图；

图3为本发明实施例多功能回转体的剖视图。

具体实施方式

以下实施例是对发明的进一步的详细描述，但是本发明并不仅限于下列实施例。

实施例1

如图1所示，将经过选择的风力机装置、能量转换传递装置、发电信息控制装置的设备材料，在风力机群的每个风力机装置1上，安装一台液体压力泵3，连接风力机1与液体压力泵的主轴2将泵3的输入输出管口与经安装的可控封闭循环输入输出管道7和8及设备相连通。把经过选型防止液体倒流和满足维修功能的单向自动阀及手动阀5、6安装在输入输出循环液体管7、8之中，将7、8连接于液体循环、压力主管道9、10上，并在9、10的设计部位安装管道伸缩节。在延伸的液体循环、压力主管道9、10上，构建、并联全部数个上述的风力机能量转换装置。

为了防止系统液体压力水锤作用，在高压力主管10上T接液体缓冲管道并设一管道阀11，连接于压力缓冲储气包12，为了使气包内气体能在一定压力下保持较大的体积空间，提高缓冲效果，设置空气压缩机15，压力气管13和自动气阀14进行自动调整。为了使系统的液体压力在工作时能得到一定范围的调整，发电系统甩负荷时液体压力能得到释放，系统能安全运行，在高压力主管10上T接液体压力释放管道16并安装受控液体压力释放阀17，将调整控制释放的能量液体输入开放式液体储存消能池18进行消能回流，消能后的液体经安装于池底的液体回流管19和液体单向阀20回流至液体低压力循环主管道9，回流单元19、20还用于向低压主管道9补充液体。由液体高压力主管道10与主阀门24、水轮发电机组25、低压液体循环主管道9、各组输入输出液体管道7、8、各组输入输出液体自动阀及手动阀5、6、液体泵3，组成一个液体能量传递、转换的循环网。传递能量的介质液体，在整个系统投运前，从开放式液体储存消能池18，通过添加液体管道21、液体添加泵23、阀门22，向低压液体循环主管道9及全部循环系统注满介质液体，不留有空气，液体泵3内空气，由泵的自动排气阀4排出。系统所应用的介质液体，是极方便的自然淡水，并应拟期消毒杀菌；在气温较低的地区、条件恶劣的环境下，应选用粘滞性小、不易挥发、人工制造的不冻液或其它不冻液体作媒介质。

将能量液体转换成电能的设备是水轮同步发电机25，是普通常规现有技术产品，它与其它配套现有电力技术设备以及信息控制系统装置27，组成由后台机管理、控制各系统装置信号采集控制点的能量转换发电及控制系统装置。水轮同步发电机25将能量循环系统装置中的动压力能转换成电能，由电力输出电缆26并入电网。

实施例2

如附图2所示：选择水平轴式风力机装置、能量转换传递装置、发电和信息控制装置之设备材料，在风力机群的每个水平轴式风力机装置64上，安装一台液体压力泵3，连接水平轴式风力机64与液体压力泵的主轴65，将泵3通过输入输出连接弯管60连接到本发明的液体连通型多功能回转体61上，回转体61与连通器构造式的塔架兼液体输送管63、塔架内液体压力管62相连通。把经过选型防止液体倒流和满足维修功能的单向自动阀及手动阀5、6安装在输入输出循环液体管道7、8之中，连接7、8于液体循环、压力主管道9、10上。在延伸的液体循环、压力主管道9、10上，构建、并联全部数个上述的风力机能量转换装置。

其中所述的液体多功能回转体如图3所示，采用一定长度、一定直径，一端有法兰端的金属管作为内压力管体46，在内管46的上端，加工一环凸部，与回转体端盖59上压力缸套41、43、密封环44、47、轴承48、内压力管承重抱合环42、密封垫圈30、45、密封固定罩57、弯管29，一起装配，作为传递高压能量液体的连接通路，回转体上端与内压力管体46间可以以轴相对回转。

用一定长度、直径、两端有法兰端的回转体下端管40，将其扩张一端为承插端，该管的横截面积至少应是内压力管体46有效过水横截面积的1.2倍。其基本要求是略大于内管液体通过能力。

一定长度的回转体上端管32，与下端体40同直径，在上端管32侧面套环处，嵌套几道密封环36，设定焊接处，焊接承重力、承压力兼轴承环形板35，将上端管32焊接端盖59，并在上端盖59中心切一圆孔，直径稍大于内压力管体46环凸部的直径1～2毫米。在距上端盖59设定处的侧面，切一与内压力管体46直径相等的孔，用一带法兰端与内压力管体46直径相同的设计短管58焊接之，以连接回流液体通路。将调向齿轮传动轴承支座33、风力机控制电缆机构动触点支座49，按设定位置焊接。

将回转体上端管32插入下端体管40内，两管承插间应能填上填料54并压实，盖上兼作下承重环的填料盖55，安装轴承53，并与轴承上端盖兼回转体的调向固定齿轮基座52、在上面焊接风力机控制电缆静触头支座50，一起用连接螺栓56固定在外回转体下端40的法兰端上。

将回 转体调向齿轮34传动杆31，安装于回转体上端的轴承座33上，通过风力机的对风控制装置对传动杆31、齿轮34的控制，在风向变化时，机头便能水平地可控回转，使风轮迎风工作。焊接、安装避雷静触头39，连接避雷连线37、避雷动触头38并安装于半圆筒抱合机仓51内壁上，罩上半圆筒抱合机仓51并连接避雷连线37于回转体上端体32上，将圆管方头机头座28固定于回转体上端盖59之上，把本回转体固定的内压力管体46、下端体40固定在塔架上部，而回转部分的上端体则与机头座相连，通过它们的轴承和对风控制装置，连接已安装于机头座的风力机、液体泵、控制装置，连通液体能量传导系统，使输出能量液体和回流液体进行能量的转换和传递，这个回转体就具有与液体能量转换、传导设备相连通、承压、承重、可控回转的多种功能。

将水平轴式风力机装置连接到能量液体转换传递装置、发电和信息控制装置的全过程和工作原理，除上述部分外，其它与实施例1相同，这里不再赘述。

Claims (5)

1.一种大型风力发电系统，包括风力机装置、与风力机装置连接的能量转换传递装置以及与之相连的发电装置；每个风力机装置安装有能量转换用的液体压力泵(3)，液体压力泵(3)的输入、输出管口分别与安装有单向阀的液体输入管道(7)和液体输出管道(8)密闭连通；液体输入管道(7)和输出管道(8)分别连接于液体低压循环主管道(9)和液体高压主管道(10)上；发电机组(25)连接在液体高压主管道(10)和液体低压循环主管道(9)之间；所述的液体高压主管道(10)和液体低压循环主管道(9)之间还设有液体压力缓冲装置和液体压力释放回流及液体添加装置，其特征是还具有与能量转换传递装置相连的各信息采集点和与信息控制后台机相连的信息控制装置，所述的液体压力缓冲装置包括在液体高压主管道(10)上T接有连接压力缓冲储气包(12)的液体缓冲管道及闸阀(11)，所述的压力缓冲储气包(12)上还连接有压力气管(13)，压力气管(13)的末端设有气阀(14)和空气压缩机(15)；所述的液体压力释放回流及液体添加装置包括在液体高压主管道(10)上T接有液体压力释放管道(16)并安装受控液体压力释放阀(17)，其末端连接有液体储存消能池(18)；消能池(18)底部还连接液体回流管(19)和液体单向自动阀(20)，液体回流管(19)的另一端连接到低压循环主管道(9)上；消能池(18)的另一侧还连接有从低压液体循环主管道(9)上引出的液体添加管道(21)、阀门(22)以及液体添加泵(23)；所述的风力机装置是水平轴式风力机(64)，且所述的水平轴式风力机(64)通过压力泵(3)和连接弯管(60)连接到液体连通型多功能回转体(61)上，回转体(61)与连通器构造式的塔架兼液体输送管(63)、塔架内液体压力管(62)相连通；塔架兼液体输送管(63)与液体输入管道(7)联通，塔架内液体压力管(62)与液体输出管道(8)联通。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征是所述的多功能回转体(61)包括一端有法兰端的内压力管体(46)，在内压力体管(46)的上端加工有一环凸部，与密封装置配合密封连接于回转体端盖(59)上；密封装置的上端密封连接有弯管(29)；所述的内压力管体(46)的外面套有外套管，所述的外套管包括其上端与内压力管体(46)间可以以轴相对回转的外上端管(32)和其下端带有法兰端的外下端管(40)；其中外上端管(32)焊接在上端盖(59)上，其侧面上端还焊接有带有法兰端的上端短管(58)；外上端管(32)的下端部分插套在外下端管(40)内，通过填充在其间的密封材料和密封圈使两者密封；外下端管(40)的法兰端上固定有轴承环盖兼齿轮座(52)，有半圆筒抱合机仓(51)固定在齿轮座(52)的外面；回转体调向齿轮(34)配合在传动杆(31)上并连接在回转体端盖(59)和传动杆轴承座(33)上；内压力管体46、外下端管(40)固定在塔架上部，而上端管(32)则与机头座(28)相连。

3.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于所述的回转体上还设有避雷装置，所述的避雷装置包括外下端管(40)侧面的避雷静触头(39)和避雷动触头(38)以及半圆筒抱合机仓(51)内壁上固定的避雷连线(37)。

4.根据权利要求2所述的风力发电系统，其特征在于所述的密封装置包括一密封固定罩(57)，装配在密封固定罩内部的压力缸套(41、43)，压力缸套和内压力管体之间的密封环(44、47)，内压力管承重抱合环(42)以及压力缸套和承重抱合环(42)之间的轴承(48)，另外在上端盖(59)和压力缸套(43)之间以及固定罩(57)的内外之间还设有密封垫圈(45、30)。

5.如权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于能量转换传递循环系统内的介质液体是自然淡水或不冻液介质。

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