CN101158522A - 风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统 - Google Patents

风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统 Download PDF

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Abstract

一种“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”，是由“联合聚风特大、极大、旋转型风力机组”及“多叶桨聚能风力机组”或“采用上述风力机组形成的发电能量”五种动力中任何的一种形成风力热泵的驱动动力，其还可用电网电力、燃油、燃气动力辅助与补充驱动，从而实现全天候使用；其可采用水、气、热源与回收热量作为低温热源，可将风力供热、制冷、净水、干燥等不同需求目标的系统装置同时交替共同设计；其构成了“风力热泵”的全新概念与产业技术基础，其为风能更广泛、多样地开发利用，为海水、苦咸水淡化提供了全新的途径；为新能源产业发展提供了新的巨大机会与发展空间，其经济、社会、环境、生态价值十分巨大。

Description

风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统
技术领域
本发明涉及一种全新动力类型的热泵供热、制冷、净水、干燥系统，尤其是以最新发明的四种全新类型风力机作为技术基础形成的上述功能的风力热泵系统装置。
背景技术
热泵技术及其产业化发展业已成为新能源行业的一大热点，其具有十分突出的高效节能效果，当前气源、水源、地源热泵技术已经得到较为广泛的应用。
热泵机组的运行是由不同类型的动力与能源驱动方式推动的，如按工作原理分类主要有：
①蒸气压缩式热泵：其也称为机械压缩式热泵，该类型热泵用电动机、内燃机、蒸汽轮机、燃气机等驱动热泵压缩机，使热泵工质在系统中循环流动，其是应用最广泛的热泵装置。
②吸收式热泵：其用蒸汽、热水、燃烧等任何来源的热量作为驱动力量，使发生器中的工质对(工质+吸收剂)溶液沸腾，生产工质蒸汽，并在热泵中循环流动，实现制热功能。
如以驱动能源进行分类，主要包括：①电动热泵：以电能为热泵运行的驱动能源，如：电动机驱动；②燃气热泵；以天然气、煤气、液化气、沼气等燃烧驱动，如：汽轮机；③燃烧热泵，以汽油、柴油、重油等驱动，如：柴油机驱动；还有太阳能、生物能源、地热等。
热泵系统的主要应用目标包括：供热、制冷、净水、干燥等不同方面，同一热泵机组可实现供热与制冷的交替转换；而净水、干燥均是通过热泵产生的热量直接加热与蒸发实现。
风力供热与制冷：当前，供热是热泵最重要的应用需求形式，而如能实现用风力驱动或再通过其它能源方式辅助驱动热泵机组，解决风能丰富地区全年大部分时间的供热问题，尤其在海岛等风能丰富地区推广将产生十分巨大的社会、经济、环境、生态效益。
风力净水：在当前许多海岛、戈壁、草原，生活饮用水长期供应困难，官兵与群众长期饮用苦咸水、污染水的情况大量存在。但是采用膜渗透技术进行海水、苦咸水净化，设备投入资金大，维护费用高，技术要求难，形成效果差，而采用直接蒸发与冷凝的水净化淡化方法就可简单解决，但采用该方法需要大量的、长期稳定的热力供应来源；而利用戈壁、海岛丰富存在的风力资源与海水、地热条件建设风力热泵机组形成稳定热源是再理想不过的选择。
风力热泵干燥：各种干燥设备应用广泛，如：海产品的干燥、食品、奶粉、食盐……等的干燥，但是采用直接加热干燥的方式能耗巨大，因为其将燃料或电力形成的热量一次性排放，无法回收再用，而采用热泵干燥系统，尤其是在风能丰富地区采用风力热泵干燥系统，或是再与其它能源驱动方式实现一体化设计的风力+电力+燃油等的热泵机组并且交替使用，在无风、微风时间用电力或其它能源形式驱动或补充驱动，在有风力时间全部或大部分动力由风力驱动，上述其它用途类型的风力热泵系统也是如此，即可形成多方面的巨大效益。
当前电动热泵的应用较为广泛，但其需要大量的电力供应与电力通达条件作为推广基础。在一些地区(如：戈壁、海岛、偏远地区)风力热泵更是其他热泵能源驱动方式所难于替代的，风力热泵更可在其它风能丰富，人口稠密地区广泛大规模采用。
但是，该理想设计采用现有类型的风力机组设计形态是难于实现的，原因有四，1、现有类型风力机的设计形态无法实现与热泵机组的结构安装配合；2、其形成的单机出力能力不足，单机无法直接带动；3、其难于实现运行调控，无法满足稳定性能的要求；4、其更难实现与其它能源驱动方式的一体化结构设计。
而由本发明专利相同申请人在07年最新提出的四种全新类型的风力发电机组发明专利技术设计就为实现本发明上述理想设计目标提供了最为基础的技术保证，四种全新机组包括：
1、联合聚风特大功率风力发电机组  (中国发明专利号：200710065444.3)
2、联合聚风极大功率风力发电机组  (中国发明专利号：200710175590.1)
3、旋转型联合聚风风力发电机组    (中国发明专利号：200710176148.0)
4、多叶桨聚能风力发电机组及系统  (中国发明专利号：200710177693.1))
(注：[联合聚风风力发电机组]发明专利技术方案历经“03年大功率、04年更大功率、05年超大功率、07年特大功率、07年极大功率、07年旋转型机组”合计五年、六项发明专利的创新完善及过程发展，其性能日臻完美，功率日臻强大，结构日臻简捷，成本日臻低廉，建设日臻方便，适应性日臻广泛。可以看出，其中的“特大、极大”名称是在上述创新完善的演进过程中自然形成的，其代表着不同的机组设计结构与可形成的不同功效与能力发展，而“多叶桨聚能风力发电机组及系统”是另外一种全新思路与独特结构的最新发明专利设计。)
上述四类全新类型的风力发电机组采用的风力机的机型形态，适合于单机超大、特大功率出力能力设计采用，其可轻松地实现超过20-50兆瓦及其以上单机出力能力设计，及可方便地形成梯级出力方式设计与其之间的相互转换和与风力变化协调配合的方便调控，可带来成本、效率等系列综合优势，可分别适合于各种风力、风向与地理与气候条件下采用。
其实，任何一种风力发电机组的机型设计均是由不同类型的风力机和与其配合驱动的发电机一体化构成，而对于“形成出力能力、配合安装结构、实现方便调控与梯级出力能力设计与相互转换”等应用功能，均是由风力机组的创新结构设计实现的，因此上述全新类型的风力机机型也为实现本发明多种全新类型风力热泵机组的设计目标提供了最为基础的保证。
发明内容
本发明的目的旨在针对风力热泵的现实、广泛、多方面的需求及引进本发明相同申请人拥有的具有上述综合优势性能的四种类型风力机机型最新关键专利技术设计，从而提出一种全新动力形式的、多种设计形态的“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”发明专利技术方案，其可带来如上所述的诸多应用效益与需求满足；此外，在上述系统装置中还均可同时采用“风力驱动与电网电力或其它能源驱动方式实现一体化配合，并可同时实现其交替转换或共同一体化驱动的设计形式，及用‘由热泵建设业主独立设立的四种全新类型风力发电机组形成的直接通达电力，带动热泵电机或通过其实现的电热方式热量进行驱动的设计方式。
本发明提出的“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”技术方案是由以下设计方式实现的：(一)其采用“联合聚风特大功率风力机组”、“联合聚风极大功率风力机组”、“旋转型联合聚风风力机组”、“多叶桨聚能风力机组”四种全新类型风力机组的设计形态；并将上述任何一种风力机与选用的任何一种热泵机组压缩机类型实现多种传动方式的配合，实现风力驱动热泵的目标，从而形成“联合聚风特大功率风力热泵机组”、“联合聚风极大功率风力热泵机组”、“旋转型联合聚风风力热泵机组”、“多叶桨聚能风力热泵机组”创新设计；(二)其还可采用四种全新类型风电机组形成的风力发电电力直接应用于驱动热泵机组电动机形成驱动动力的设计形态；(三)上述驱动方式与结构可同时实现与其它能源动力驱动方式现实一体化配合的设计；(四)其将选用的热泵压缩机与不同形式(气源、水源、地源)的热泵系统装置进行连接配合并与供热、制冷、净水、干燥等不同应用需求功能目标的系统装置配合，形成实现设计功能目标的风力热泵系统，并可使其形成多级热泵系统设计，并可同时选择建设可交替或共同实现上述“二位、三位、四位一体合一”功能目标的多用途的风力热泵系统。
以下分别对其进行具体介绍：
(一)其采用“联合聚风特大功率风力机组”、“联合聚风极大功率风力机组”、“旋转型联合聚风风力机组”、“多叶桨聚能风力机组”四种全新类型风力机组的设计形态，并将上述任何一种风力机与选用的任何一种热泵机组压缩机类型实现多种传动方式的配合，实现风力驱动热泵的目标，从而形成“联合聚风特大功率风力热泵机组”、“联合聚风极大功率风力热泵机组”、“旋转型联合聚风风力热泵机组”、“多叶桨聚能风力热泵机组”创新设计
本发明“风力供热、制冷、净水、干燥系统”是采用全新类型、全新设计的四种风力机形态设计作为最为基础的技术创新要素与形成优势来源，也就是说：没有四种全新类型风力机组的创新发明技术，也就没有可以投入实际应用的风力热泵机组的产生条件。其形成的四种全新风力热泵机组的基本结构与功效如下：
1、联合聚风特大功率风力热泵机组
联合聚风特大功率风力热泵机组是将多个长菱形“立式形态”设计的“分风式风力机组”[下简称：立式分风机组]间隔并列联合设置，因此在其相邻间隔设置的各个长菱形机组的两侧，均可形成由分风机舱分风与其相互影响聚风所形成的间隔过流通道，在其中形成聚风效果，而立式双桨轮风轮的桨叶正好并列处于聚风过流通道中，从而使聚集的强大风力持续切向冲击立式双桨轮风轮的最大力矩处，推动其旋转形成最大出力能力转换。
“立式分风机组”是由立式双桨轮风轮相互齿合联合连动构成，并可通过并列设置的分风机组形成相互之间的联合连动，从而可使若干个联合并列设置的分风机组实现一体化联合连动的集中出力态势。可通过<>形聚风斜面的双向合并天然构成并列双桨轮风轮内侧的设备间(分风机舱)；其通过“伞式桨叶伸缩调控系统”的上下简单移动控制可一同准确、快速地整体地调控立式双桨轮风轮各个桨叶的伸展幅面，从而实现微风启动、随风调频、刹车减力、台风避让的应用需求调控。立式分风机舱分风角为正面面对风向的完全固定形态，其对风方法是利用自然界风力路径来回相对直线运动的特点，通过立式双桨轮风轮正、反旋转方向的调节变化方式适应风力方向的整体变化。因聚风通道有顺风作用，立式双桨轮风轮对风向又没有特别严格的出力条件要求，因此在风向小角度左右偏离设置方向主线的情况下，不会对机组运行产生任何影响。
其动力输出轴垂直于地面或水面平台，可在其上方便地配合设置与热泵压缩机传动机构的配合(其主体图示见示意图1所示)
2、联合聚风极大功率风力热泵机组
“联合聚风极大功率风力热泵机组”可实现极其巨大的单机出力能力设计；可将其简单理解为是“联合聚风特大功率风力热泵机组”的卧式形态，其由卧式分风机舱、卧式双桨轮风轮构成卧式分风式风力机，并使其纵向间隔并列联合设置形成卧式联合聚风风力机组，与1-多个热泵机组压缩机或其传动系统配合形成；
“联合聚风极大功率风力热泵机组”为联合聚风热泵技术更低成本、更优结构实现更大功率发展提供了更为广阔的拓展空间，其可通过将各个联合连动的卧式桨轮风轮设计长度的超长延长方式，如：几十米、几百米，实现其单机更为巨大的出力能力设计，而该设计只需提供一组桨轮风轮传动齿轮即可。
与立式联合聚风热泵机组比较，卧式桨轮风轮可为风力热泵机组承接风力方向角度的变化范围提供了更为广泛的偏差容许空间。与立式并列设置的联合聚风热泵机组比较，卧式机组的设置条件更加简单，其可上下独立成为一个出力单元与设置单元。与立式并列设置的联合聚风热泵机组比较，超长联合一体化设置的卧式机组的稳定性大幅度提高，对其支持稳定性设施与支持材料综合成本的要求有较大幅度的下降，建设的方便性大幅度提高，因此其尤其适合在海上、滩涂建设低成本、规模化、超大型机组采用。
联合聚风极大功率风力机组的动力输出轴可垂直或水平于地面或水面平台设置，可在其上方便地配合设置与热泵压缩机传动机构的配合(其主体图示见示意图3、4所示)
3、旋转型联合聚风风力热泵机组
因为“联合聚风极大功率风力热泵机组”由上下联合并列一体化设置的卧式分风式风力机所形成的“卧式联合聚风风力机组”可独立形成一个出力单元，这就为其旋转型设计提供了基础条件。
“旋转型联合聚风风力热泵机组”，属“联合聚风极大功率风力热泵机组”的特殊设计应用形态，主体结构与功效与极大功率机组相似，由卧式分风机舱、卧式双桨轮风轮形成“卧式分风式风力机”，并将其纵向间隔并列联合设置形成方形或梯形形态的“卧式联合聚风风力机组”，在其中部或中下部设置热泵压缩机或“多热泵压缩机传动系统”，并与主体框架共同构成机组的旋转主体结构，该旋转主体结构可分别与“斜拉式旋转塔架”或“支撑式旋转塔架”配合形成两种建设方式，其可使机组主体结构实现∠300°-∠360°的旋转对风，适用于风向经常大方向变化的海上和一些地区陆地采用；其出现将使联合聚风热泵机组实现全能适用的水平。其动力输出轴水平于地面或水面平台，可在其上方便地配合设置与热泵压缩机传动机构的配合(其主体图示见示意图5所示)
4、多叶桨聚能风力热泵机组及系统
“多风轮聚能风力热泵机组及系统”是“采用‘多压点桨轮式水(液)轮机’将多个风轮形成的分散出力通过流体液压转换与传动的形式集中释放，实现聚能单机巨大出力能力效果，其由：多风轮与液压泵配合动力输出部分、储液、输液、调压、调控系统装置部分、封闭型多压点桨轮式水(液)轮机与热泵机配合部分、多风轮聚能热泵机组多样化设计部分等四个主体功能部分构成；其具有建设方便灵活、控制容易、单机功率大、建设成本低、风能利用充分、运行稳定、形成出力稳定优良等诸多方面的巨大优势，其将形成风力热泵新型建设与应用方式。其动力输出轴垂直于地面或平台，可在其上方便地配合设置与热泵压缩机传动机构的配合(其主体功能图示见示意图6所示；其多样化常规设计见示意图7所示。)
上述四种类型的全新风力机均可形成巨大的单机出力能力设计与拥有方便的动力输出结构与多样化的输出位置，因此其可方便地与各种热泵机组采用的各种不同类型压缩机形成多种形式与结构的传动配合，将上述任何一种风力机与选用的任何一种热泵机组压缩机类型实现多种传动方式的配合，从而实现风力驱动热泵的目标。
其主要可采用的传动结构与方式包括：1、曲轴传动；2、齿轮与高速齿轮配合传动；3、皮带轮传动；4、齿轮与皮带轮配合；5、形成大齿轮盘与若干个小齿轮配合形成一体化配合传动与分离，即：采用在同一传动大齿轮盘上一同配合设置一个或多个热泵压缩机传动齿轮形成出力能力的梯级大幅度调整变化与方便配合与分离(见示意图2所示)；6、上述结构相互配合传动或与高速齿轮增速器配合传动等，或依据具体情况将上述结构方式交替与一体化配合采用(注：实现不同形式的传动配合设计属一般成熟技术，因此在此不过多描述。)
其热泵机组采用的压缩机形式主要有：涡旋式、滚动转子式、螺杆式、离心式、往复活塞式等成熟技术与产品。以涡旋式、滚动转子式、螺杆式、离心式为主。
(二)其还可采用四种全新类型风电机组形成的风力发电电力直接应用于驱动热泵机组电动机形成驱动动力的设计形态
其还包括用由业主独立设立的上述形式的风力发电机组形成的电力直接驱动热泵电动机的设计形式；其也包括由新型风力发电机组产生的电流，通过转换成为电热热量，用来驱动吸收式热泵形态设计的上述功效的风力热泵系统建设形式。(或形成电力热量，并与采用的吸收式热泵配合，使发生器中的工质对(工质+吸收剂)溶液沸腾，生产工质蒸汽，并在热泵中循环流动，实现制热功能。
(三)上述驱动方式与结构可同时实现与其它能源动力驱动方式现实一体化配合的设计多数风力热泵系统的动力来源是不能只由风力单一动力方式完成，其最好与其它能源与动力驱动方式现实一体化配合设计，实现应用互补。如：本发明可采用外界电网电力电动机、或采用汽轮机、柴油机且可同时实现一体化的离合式交替或共同配合一体化驱动设计形式的传动驱动配合系统形成。本发明提出的热泵系统压缩机与风力机实现相互传动的装置与结构十分适合同时配合一体化安装电力或其它能源驱动方式的驱动机构。
(四)其将选用的热泵压缩机与不同形式(气源、水源、地源)的热泵系统装置进行连接配合并与供热、制冷、净水、干燥等不同应用需求功能目标的系统装置配合，形成实现设计功能目标的风力热泵系统，并可使其形成多级热泵系统设计，并可同时选择建设可交替或共同实现上述“二位、三位、四位一体合一”功能目标的多用途的风力热泵系统
本发明风力热泵可包括气源、水源、地源热泵系统装置，干燥系统还可利用回收热形成低温热源，因此可依实际情况进行类型选择，其可分别与供热、制冷、净水、干燥功能装置配合连接，从而形成上述一体化的热泵应用功能。其功能结构演化简图，见示意图(8)(9)(10)所示。因净水、干燥与有些供热需要的温度较高，上述风力热泵系统还可设计为多级热泵系统。本发明可同时选择建设可交替或共同实现上述“二位、三位、四位一体合一”功能目标的多用途的风力热泵系统。
以上四大系统相互融合即可构成与实现本发明全部技术方案，其各个部分综合连接配合与工作方式演示图示见(示意图11)所示。
本发明提出的“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”为以不竭生态能源提供巨大供暖、供热能力提供了技术条件；为广泛存在的风力能源实现更为广泛与多样化的开发应用提供了技术基础；为海水、苦咸水净化、淡化提供了全新的途径和应用选择；为风电与风力热泵的配合应用提供了机会，为风电与热泵建设方式及产业发展提供了新的巨大空间，其技术、经济、环境、社会价值十分巨大。
附图说明
图1是“联合聚风特大功率风力热泵机组”的侧视结构示意图。
图2是  图示1中侧视的“多热泵压缩机与发电机配合传动系统”的俯视示意图。
图3是“联合聚风极大功率风力热泵机组”的侧视结构示意图。
图4是“联合聚风极大功率风力热泵机组”的主视结构示意图。
图5是“斜拉式旋转型联合聚风风力热泵机组”的侧视宏观示意图。
图6是“多风轮聚能风力热泵机组”主体功能结构与液压流程系统的示意图。
图7是“多风轮聚能热泵机组多样化设计结构的宏观侧视结构示意图(举例)。
图8是“风力热泵及其供热系统”结构与功能流程演绎的示意图。
图9是“风力热泵及其净水系统”结构与功能流程演绎的示意图。
图10是“风力热泵及其干燥系统”结构与功能流程演绎的示意图。
图11是“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”结构与功能流程演绎的示意图。
图中标记总揽：
图1中：1.桨轮轴；2.桨轮辊；3.桨轮桨叶；4.分风机舱；5.塔架；6.设备机舱；7.热泵压缩机；8.多热泵压缩机与发电机配合传动系统；9.安装平台。
图2中：10.安装平台；11.齿轮配合与分离滑道；12.大齿轮传动盘；13.风力机动力输出轴；14.压缩机传动齿轮轴。
图3中：15.“目”字形塔架；16.桨轮风轮；17.分风机舱；18.斜拉钢丝绳。
图4中：19.桨轮桨叶；20.热泵压缩机与电动机配合；21.“目”字形塔架；22.风轮串联。
图5中：23.斜拉固定机顶；24.钢丝绳；25.卧式分风机舱；26.桨轮风轮；27.旋转“目”字形塔架；28.热泵机组与传动设备机舱；29.旋转设备平台；30.固定支撑平台；31.旋转驱动装置；32.支撑塔架与水面。
图6中：33.风轮风叶；34.风叶杆；35.风叶轴；36.回转式液压泵；37.风舵；38.支撑套管；39.风力机安装架；40.高压输液管；41.负压输液管；42.压水结构体管路；43.热泵压缩机；44.平衡调压装置；45.高压调压稳压箱；46.溢流调压阀；47.安装基座；48.回流储液箱。
图7中：49.分散设置的风力机；50.高压负压输液管路；51.封闭型多压点桨轮式水(液)轮机；52.分散风轮安装架；53.上下多层一体化串联轴；54.多叶风轮(4.6)；55.多层聚能大功率压缩机。
实施方式
由上可见，“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”技术方案可以根据实际情况和设计要求选择采用“联合聚风特大功率风力热泵机组”、“联合聚风极大功率风力热泵机组”、“旋转型联合聚风风力热泵机组”、“多叶桨聚能风力热泵机组”中的任何一种机组形成风力热泵装置，其可选择采用水源、气源、地源中任何一种形态并且可利用回收热量作为低温热源，其可选择采用电力、燃油、燃气动力方式作为辅助与补充驱动动力，从而实现全天候使用；其还可采用由上述四类全新风电机组形成的发电能力直接驱动热泵电动机的设计，因此这可实现超长距离的方便一体化风力热泵功能设计，这可大大提高其设计应用的便利性；此外，将供热、制冷、净水、干燥等不同应用需求功能目标的系统可同时交替或共同安装实现。
可见，本发明“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”是采用独创技术与现有的成熟技术实现多样化配合为手段，以实现多样化功能目标为目的，从而实现本发明“为新能源产业发展提供新机会与空间”的最终目的。

Claims (1)

1.一种“风力热泵及其供热、制冷、净水、干燥系统”，其特征在于：
(一)其采用“联合聚风特大功率风力机组”、“联合聚风极大功率风力机组”、“旋转型联合聚风风力机组”、“多叶桨聚能风力机组”四种全新类型风力机组的设计形态；并将上述任何一种风力机与选用的任何一种热泵机组压缩机类型实现多种传动方式的配合，实现风力驱动热泵的目标，从而形成“联合聚风特大功率风力热泵机组”、“联合聚风极大功率风力热泵机组”、“旋转型联合聚风风力热泵机组”、“多叶桨聚能风力热泵机组”创新设计；
(二)其还可采用四种全新类型风电机组形成的风力发电电力直接应用于驱动热泵机组电动机形成驱动动力的设计形态；
(三)上述驱动方式与结构可同时实现与其它能源动力驱动方式现实一体化配合的设计；
(四)其将选用的热泵压缩机与不同形式(气源、水源、地源)的热泵系统装置进行连接配合并与供热、制冷、净水、干燥等不同应用需求功能目标的系统装置配合，形成实现设计功能目标的风力热泵系统，并可使其形成多级热泵系统设计，并可同时选择建设可交替或共同实现上述“二位、三位、四位一体合一”功能目标的多用途的风力热泵系统。
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