CN100353051C - 风力抽水蓄能发电调峰装置 - Google Patents

Abstract

一种风力抽水蓄能发电调峰装置，它包括烟囱状中空导风塔、上水库、下水库、水力发电机组、风力转子泵、风力透平机、哥氏力旋转器、风力旋流发生器、风流加热器和空气热泵。该发明将风能、水能以及热能进行综合开发利用，不仅可以消除风力风向变化无常而给发电机组以及上网指数参数带来的不良影响，有效提高风力发电质量，将风力发电上网电价大幅提高，而且还可以使单位千瓦投资和运行成本大幅下降。

Description

风力抽水蓄能发电调峰装置

                        技术领域

本发明涉及风力利用技术，同时涉及抽水蓄能发电技术，具体讲是提供一种风力抽水蓄能发电调峰装置。

                        背景技术

能源工业作为国民经济的基础产业，对社会的进步、经济的发展和人民生活水平的提高，起着十分重要的作用。随着社会经济的高速发展，世界性矿物能源的日益短缺，以及矿物能源的大量使用，给人类社会环境带来的越来越严重的环境污染，大力开发和利用风能、太阳能和水能等环保洁净可再生能源，已经成为各国能源战略决策的重要部分。自20世纪80年代中期以来，世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展，设计、制造技术越来越趋向成熟，已经逐渐使风力发电技术市场化、产业化、规模化。功率等级也从几十千瓦发展到兆瓦级，发电成本也已逐渐向火电发电成本靠近。风力发电作为世界上增长最快的能源产业，装机容量年增长率在30％以上。到2003年初全球风力发电装机容量达到了3200万千瓦，其发电量已经相当于32座标准核电站的发电量。丹麦、德国、西班牙、美国和印度等国家的风力发电产业得到了空前的发展，丹麦风力发电容量已占整个电网容量的18％以上，德国的风力发电装机总容量已达2000万千瓦。相比之下，我国风力发电发展进展极其缓慢。尽管我国是一个风力资源大国，仅陆地可开发的风力资源就在2.5亿KW以上，加上近海可开发风力资源可达10亿KW以上，其储量为世界第一。但是，自1983年开始起步的我国风力发电，到2005年5月总装机仅为76万KW，风力发电场43个，风力发电机1300多台，占全国总装机容量的0.13％。这种状况和我国第二能源消耗大国的地位极不相称，造成这种状况的原因虽然是多方面的，但是主要还是技术支持不够，缺乏我国自主的知识产权技术。目前我国风力发电技术设备还主要依赖国外进口，单位千瓦投资较高，运行成本较高，是制约我国风力发电行业发展的重要因素，其次是发电设备存在的一些技术缺陷，比如低于5m/s以下风速不能经济运行等，以及风能能源存在着一些比如风力风向变化无常，发电上网指标参数难以控制等特性，也在一定程度上致使我国的风力发电事业举步维艰。为了改变这种局面，研究和开发具有我国自主知识产权的风力发电新技术，降低单位千瓦投资和运行成本，是实现我国可再生能源战略决策的重要任务。

                      发明内容

本发明的目的是提供一种风力抽水蓄能发电调峰装置，该装置不仅可以消除风力风向变化无常，而给发电机组以及上网指标参数带来的不良影响，而且还可以通过提高装机容量综合利用率，提高上网电价，使单位千瓦投资及运行成本大幅下降。

本发明的目的是这样实现的：一种风力抽水蓄能发电调峰装置，它包括烟囱状中空导风塔、上水库、下水库、水力发电机组、风力转子泵、风力透平机、哥氏力旋转器、风力旋流发生器、风流加热器和空气热泵。上水库一般建在地势较高处，如山顶等地方，下水库一般建在地势较低处，上水库库容按双日调节或周调节进行设计，下水库库容按日调节进行设计。烟囱状中空导风塔由钢筋混凝土建设而成，建在下水库中(也可建在上水库)，其进风口在水库水面以上。在烟囱状中空导风塔中，从下至上依次设置有进风口、空气热泵冷凝器、风流加热器、哥氏力旋转器、第一组风力旋流发生器、第一组风力透平机、第二组风力旋流发生器和第二组风力透平机，风力透平机和风力旋流发生器可设置多组，多组风力透平机均和动力主轴相连接。在烟囱状中空导风塔的顶部出口处，设置有空气热泵膨胀器，出口上部设置有防雨罩。风流加热器的热量可以来自地热、太阳能、垃圾燃烧热能等，其作用一方面是用来加热中空导风塔中的空气，使其和中空导风塔进口处的空气流产生温差和风压，另一方面推动哥氏力旋转器进行高速旋转。空气热泵冷凝器通过管道和空气热泵膨胀器相连接，其作用是对中空导风塔中的热能进行回收并重复利用。哥氏力旋转器基于哥氏力原理制作而成，其作用是使中空导风塔中的空气形成螺旋上升气流，在中空导风塔的中心部位形成一定负压，以促使更多的气流从中空导风塔的进口处进入中空导风塔。风力旋流发生器的作用是使上升气流形成龙卷风效果，使上升气流中心地带形成真空柱，以达到引导更多的风流进入中空导风塔的目的。风力透平机在高速风流的作用下，进行高速旋转，带动动力主轴进行高速旋转。风力转子泵布置在下水库泵房内，通过连轴器和动力主轴连接在一起，在风力透平机的驱动下，风力转子泵将下水库的水不断地提升到上水库。水轮发电机组布置在下水库的水电站厂房内，根据电网调峰需要，水轮发电机组将上水库储蓄的水能转变成电能，并在不需要电网调峰时，进行电网调相。

该发明的工作原理是这样的：由于水库水面以上的空气和周围陆地上的空气存在着一定的温差，这使得烟囱状中空导风塔进风口的空气有很强的流动性，当中空导风塔的风流加热器，对进入塔内的风流加温后，塔内塔外的温差加大，塔内空气受热膨胀，气压上升，在哥氏力旋转器的作用下，加上中空导风塔的抽吸作用，有压气流高速旋转上升，高速旋转上升气流，在风力旋流发生器的作用下，使有压高速旋转上升气流，逐渐转化成螺旋上升气流，根据离心力原理，螺旋上升气流中心地带会形成一定的负压真空柱，这种负压真空柱，会使中空导风塔进口处的大量的风流，被抽吸到中空导风塔，这样会使本来空气流动性很强的水库水面以上的风流风力得到一定程度的加强，无自然风时，中空导风塔中也会有较强的风流进行螺旋上升，当有一定自然风力时，中空导风塔中就会形成更强大的螺旋上升气流，中空导风塔中的高速风流通过风力透平机时，风力透平机高速旋转，带动动力主轴进行高速旋转，高速旋转的动力主轴，带动转子泵将下水库的水提升到上水库进行储蓄，水轮发电机组根据电网调峰要求将上水库储蓄的水能转化成电能。在不需要调峰发电时，水轮发电机组可进行电网调相运行。当中空导风塔中的上升风流，将风能通过风力透平机转化成机械能后，准备从中空导风塔出口流出时，空气热泵膨胀器将该气流中热量进行吸收，并通过管道将吸收的热量输送到空气热泵冷凝器处进行释放，以对风流加热器提供的热量进行回收并重复利用。

该发明具有一定的新颖性，具体体现在在申请日以前没有同样的发明或者实用新型，在国内外出版物上公开发表过，在国内外公开使用过或者以其它方式为公众所知，也没有同样的发明或实用新型由他人向专利局提出过申请并且记载在申请日以后公布的专利申请文件中。

该发明也具有一定的创造性，具体体现在在申请日以前，国内外风力发电单位千瓦投资及运行成本普遍较高，尤其是在我国，由于缺乏我国自主的知识产权技术，风力发电技术设备主要依赖国外进口，这使得我国风力发电单位千瓦投资及运行成本更是缺乏市场竞争力，加上发电设备存在的一些技术缺陷，比如低于5m/s以下风速不能经济运行等，以及风能能源存在着一些比如风力风向变化无常，发电上网指标参数难以控制等特性，致使我国的风力发电事业举步维艰。该发明提供的风力抽水蓄能发电调峰装置，不仅可以消除风力风向变化无常，而给发电机组以及上网指标参数带来的不良影响，而且还可以通过提高装机容量综合利用率，提高上网电价，使单位千瓦投资及运行成本大幅下降。该发明和目前国内外普遍采用的风力发电场技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

该发明也具有一定的实用性，具体体现在该发明能够制造或者使用，并且能够产生以下积极有益的效果：

(1)该发明将风能、水能以及热能进行综合开发利用，不仅可以使风力资源得到有效开发利用，而且也使水能资源开发利用价值得到进一步提升，尤其是在我国北方水资源匮乏地区，应用该发明可以改变电网水电结构严重不合理的状况。

(2)该发明通过风力抽水蓄能发电调峰，不仅可以有效提高风力发电质量，而且还可以将风力发电上网电价大幅提高，进而使风能开发利用价值得到进一步提升。

(3)该发明不仅可以消除风力风向变化无常而给发电机组以及上网指数参数带来的不良影响，而且还可以通过提高装置综合利用率，使单位千瓦投资和运行成本大幅下降。

(4)该发明不仅可以对风能进行小规模的开发利用，而且也可以对风能进行大规模的开发利用。

(5)该发明不仅可以大幅提高风力发电年利用小时数，而且还可以使水轮发电机在不进行调峰发电时，进行电网调相运行，以进一步提高风力发电的收益率。

                        附图说明

图1是该发明一实施例立面剖视图。

图2是图1中哥氏力旋转器7放大立面剖视图。

图3是图2中A-A剖视图。

图4是图1中风力旋流发生器8放大立面剖视图。

图5是图4的俯视图。

图中，1上水库  2下水库  3烟囱状中空导风塔  4进风口  5热泵冷凝器  6风流加热器  7哥氏力旋转器  7-1叶片  7-2轮毂  7-3轮壳  7-4连轴器  7-5空心轴  7-6轴承  8风力旋流发生器  8-1叶片8-2轮毂  8-3轴承  8-4空心轴  8-5连轴器  9风力透平机  10热泵膨胀器  11防雨罩  12动力主轴  13变速器  14风力转子泵  15转子泵进水管  16转子泵出水管  17水轮发电机组  18水轮机进水管

                    具体实施方式

在图1中，上水库1一般建在地势较高处，如山顶等地区，其库容按双日调节或周调节进行设计，下水库2一般建在地势较低处，其库容按日调节进行设计。烟囱状中空导风塔3由钢筋混凝土建设而成，其截面为圆形，上小下大，建在下水库中也可建在上水库中。进风口4设置在水库水面以上，在烟囱状中空导风塔3的下部四周侧面均开有进风口4，其作用就是将水库水面以上的空气流引进烟囱状导风塔3。热泵冷凝器5采用翼片式结构，和热泵膨胀器10通过管路相连通，安装布置在进风口4上部，其作用是将热泵膨胀器10吸收的热量在此释放。风流加热器6采用翼片式结构，通过管路和地热或太阳能热源或垃圾焚烧热源相连通，安装布置在热泵冷凝器5的上部，其作用是对空气流进行加温。哥氏力旋转器7是根据哥氏力理论制作而成，其结构在图2和图3中详细说明，哥氏力旋转器7安装布置在风流加热器6的上部，其主轴和风力旋流发生器8的主轴通过连轴器连接在一起，其作用是一方面通过空气流向心运动产生的哥氏力，驱动其主轴高速旋转进而带动风力旋流发生器8旋转；另一方面是使空气流形成旋流。风力旋流发生器8是由玻璃钢材料制作而成，其结构在图4和图5中详细说明，第一个风力旋流发生器8的主轴和哥氏力旋转器7的主轴通过联轴器连接在一起，安装布置在哥氏力旋转器7的上部，第二个风力旋流发生器8安装布置在风力透平机9的上部，风力旋流发生器8的作用就是使中空导风塔3中的风流形成螺旋上升风流。风力透平机9设置多台，分别安装布置在烟囱状中空导风塔3的不同位置，其主轴均和动力主轴12通过连轴器连接在一起，风力透平机9的作用就是将高速螺旋上升的气流能量转换成机械能，驱动动力主轴12高速旋转。热泵膨胀器10采用翼片式结构，安装布置在烟囱状中空导风塔3出口处，通过管道和热泵冷凝器5相连通，其作用就是对即将废弃的高速上升气流中的热能进行回收，并通过管道输送到热泵冷凝器5处进行释放。防雨罩11安装布置在烟囱状中空导风塔3的出口处的上部，其作用是防止雨雪进入导风塔。动力主轴12由碳素钢制作而成，它的作用是将风力透平机获得的机械能传递给风力转子泵14。变速器13的主轴一端通过连轴器和动力主轴12连接在一起，另一端通过连轴器和风力转子泵14主轴连接在一起，其作用是改变动力主轴12的转速以适应于风力转子泵14的工作要求。风力转子泵14通过变速器13和动力主轴12连接在一起，其作用是将机械能转换成水能，将下水库中的水提升到上水库。转子泵进水管15和下水库2相连通，转子泵出水管16和上水库1相连通。水轮发电机组17安装布置在水电站厂房内，水轮机进水管18和上水库1相连通，水轮机尾管和下水库相连通，水轮发电机组的作用就是将上水库中的水能转换成电能，其调度运行根据电网调峰要求进行，在不调峰发电时可进行电网调相运行。

在图2和图3中，叶片7-1设置在轮毂7-2和轮壳7-3之间，三者均由玻璃钢材料整体制作而成。连轴器7-4设置在空心轴7-5的上端，通过平键和空心轴7-5连接固定在一起。空心轴7-5中心有一轴孔，和轮毂7-2焊接在一起。轴承7-6安装在空心轴7-5上，对空心轴7-5起径向支承和动态固定作用。

在图4和图5中，叶片8-1和轮毂8-2由玻璃钢材料整体制作而成。轴承8-3分别安装在空心轴8-4的上端和下端，对空心轴8-4起支承和动态固定作用。空心轴8-4中心有一轴孔，和轮毂8-2连接在一起。连轴器8-5设置在空心轴8-4的下端，通过平键和空心轴8-4连接在一起。

在上述图示中，虽然列举了本发明较佳实施例进行了说明，但众所周知，不应由该实施例反而限制了本发明的权利保护范围，亦即，任何熟悉该发明创新点的工程技术科学研究人员，若应用本发明主要之特征，进行若干细节的变动，皆仍应属于本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1、一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于在该装置包括烟囱状中空导风塔、上水库、下水库、水力发电机组、风力转子泵、风力透平机、哥氏力旋转器、风力旋流发生器、风流加热器、空气热泵冷凝器和空气热泵膨胀器；空气热泵冷凝器、风流加热器、哥氏力旋转器、风力旋流发生器、风力透平机和热泵膨胀器从下至上依次设置在烟囱状中空导风塔内；风力转子泵通过动力主轴和风力透平机连接在一起；风力转子泵进水管和下水库相连通，风力转子泵出水管和上水库相连通；水轮机进水管和上水库相连通，水轮机尾管和下水库相连通。

2、根据权利要求1所述的一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于上水库库容按双日调节或周调节进行设计，下水库库容按日调节进行设计。

3、根据权利要求1所述的一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于风流加热器热源来自地热或太阳能或垃圾焚烧所产生的热能。

4、根据权利要求1所述的一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于烟囱状中空导风塔设置在下水库中或上水库中，其进风口在水库水面以上。

5、根据权利要求1所述的一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于哥氏力旋转器和风力旋流发生器通过连轴器连接在一起，并设置在风力透平机的下部。

6、根据权利要求1所述的一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于热泵膨胀器和热泵冷凝器分别布置在烟囱中空导风塔的出风口和进风口，并通过管道相连通。

7、根据权利要求1所述的一种风力抽水蓄能发电调峰装置，其特征在于水轮发电机组按电网调峰要求进行发电调峰，在不进行发电调峰时进行电网调相运行。

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