CN105464905A - 风气发电装置及风气发电装置多机并联矩阵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风气发电装置,其包括:用于将风力转化成机械力的风力传动部件;用于被动地随着风向变化而辅助带动风力传动部件的被动辅助偏航部件;用于将机械力从空中传递至地面的机械力传递部件;用于通过机械力压缩空气空气压缩部件;用于储存被压缩的空气储气部件;用于通过被压缩的空气来发电的气动发电部件;用于带动所述风力传动部件变桨的变桨辅助部件。根据本发明的风气发电装置,通过机械制气实现了更高的风能利用效率;能够更稳定地驱动发电机工作;提供高质量的稳定的电力。

Description

风气发电装置及风气发电装置多机并联矩阵系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域,具体而言,本发明涉及一种风气发电装置及风气发电装置多机并联矩阵系统。
背景技术
在当前自然资源愈发紧张的大环境下,合理利用新兴能源成为一种趋势。目前,不少科研力量及企业均致力于研究对风能、太阳能等新兴能源的利用。其中,风力发电装置便是利用风能的产物。现有的风力发电装置通常经由风力推动风叶枢转从而带动发电机作切割磁感线运动来发电,这种方式虽然实现了风力资源的利用,但其却存在能量利用效率过低、发电稳定性差等局限及缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风气发电装置及风气发电装置矩阵系统,其能够解决能量转化效率过低、发电稳定性差等问题。
根据本发明的一个方面,提供一种风气发电装置,其包括:风力传动部件,其能够枢转地将风力转化成机械力;被动辅助偏航部件,其用于被动地随着风向变化而辅助带动所述风力传动部件,使所述风力传动部件的轴线能够被调整至与风向对准;机械力传递部件,连接至所述风力传动部件,其用于将机械力从空中传递至地面;空气压缩部件,布置在地面并连接至所述机械力传递部件,其用于通过机械力压缩空气;储气部件,连接至所述空气压缩部件,其用于储存被压缩的空气;气动发电部件,通过阀门连接至所述储气部件,其用于通过被压缩的空气来发电;变桨辅助部件,其包括连接至所述储气部件的引流管道,由所述引流管道引出的被压缩的空气驱动的涡轮油泵及由所述涡轮油泵驱动的液压臂;所述液压臂用于带动所述风力传动部件变桨。
可选地,还包括冷量回收系统,其用于将所述气动发电部件发电后产生的低温废弃空气中所含的冷量用来冷却所述空气压缩部件排出的被压缩的空气。
可选地,所述被动偏航部件包括液压阻尼系统、偏航尾舵及翼舵;所述偏航尾舵及翼舵用于感测风向变化及带动所述风力传动部件;所述液压阻尼系统用于防止所述偏航尾舵及翼舵过度偏航。
可选地,所述机械力传递部件包括:第一传动轴、第一锥齿轮组件、第二传动轴、第二锥齿轮组件;其中,所述第一传动轴连接至所述风力传动部件并能够随着风力传动部件枢转以传递机械力;所述第一锥齿轮组件能够枢转地连接所述第一传动轴及所述第二传动轴,以用于变向传递机械力;所述第二锥齿轮组件能够枢转地连接所述第二传动轴及所述空气压缩部件,以用于变向传递机械力。
可选地,所述第二传动轴为铰接式扭力传动杆。
可选地,所述第二传动轴为铰接式套管。
可选地,所述第一锥齿轮组件用于将沿水平轴线枢转的机械力变向成沿垂直轴线枢转的机械力;所述第二锥齿轮组件用于将沿垂直轴线枢转的机械力变向成沿水平轴线枢转的机械力。
可选地,所述风力传动部件包括:轮毂,其连接所述第一传动轴;风叶,其从所述轮毂上径向地延伸且能够关于所述轮毂枢转。
可选地,所述空气压缩部件包括具有三级或四级压气过程的低速高压空气压缩机。
可选地,所述储气部件包括二级受压的高压暂储罐。
可选地,所述储气部件还包括空气调节箱,其布置在所述高压暂储罐和所述气动发电部件之间。
可选地,所述高压暂储罐外表面布置有薄膜太阳能面板,其用于吸收太阳能并转化为辅助动力源。
可选地,所述气动发电部件包括膨胀机及发电机,所述膨胀机具有亚音速叶片;所述膨胀机能够通过被压缩的空气来驱动所述发电机,所述发电机用于发电。
根据本发明的另一个方面,还提供一种风气发电装置的多机并联矩阵系统,其包括多台并联布置的如前所述的风气发电装置。
可选地,多台所述风气发电装置的台数与所述气动发电部件的总数的比值小于或等于1:1。
可选地,多台所述风气发电装置共用同一个气动发电部件;多台所述风气发电装置将各自的所述储气部件中储存的被压缩的空气通过管路输送至公共空气调节箱,所述公共空气调节箱连接至同一个所述气动发电部件
根据本发明的风气发电装置,一方面,先将风力转化为机械力,再应用机械力来压缩空气,并最终通过压缩空气进行发电。此种发电模式对风力质量的需求大大降低,使得只要有风存在便能够使对应的设备动作来压缩空气从而发电。如此使得此套设备对风资源的利用效率相比于现有的风力发电装置大大提高,而不会存在现有的风力发电装置中对风速过高或过低的风资源均无法利用的窘境。另一方面,通过储气部件在整套风气发电装置中的调节作用,使得被压缩的空气能够稳定地驱动发电机工作,保持恒定的电流,从而直接产生交流电供电网使用。这样可以保证产生高质量的电能,有效地改善了现有风力发电装置中完全依靠风资源自身好坏来决定发电稳定性的现状;同时,基于储气部件的储存作用,使其还能保留部分被压缩的空气供电网调峰应急使用。再一方面,通过机械力传递部件将机械力传递至地面来进行空气压缩和气动发电动作,使得风气发电装置在空中的机舱的负载大大降低,实现高空轻载化,使之能够配套使用被动辅助偏航部件,同时避免了在现有的风力发电装置中需要进行高空维护操作或高空装卸设备的缺点,大大提高了设备维护的便利性。根据本发明的风气发电装置多机并联矩阵系统,除具有上述优点外,还能够使系统内的全部风气发电装置共用公共空气调节箱及气动发电部件,从而在整合发电效率的同时还降低了设备成本。
附图说明
图1是本发明的风气发电装置的一个实施例的示意图;
图2是本发明的多机并联矩阵系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
如图1示出了本发明的风气发电装置的一个实施例。其包括塔筒620及置于塔筒620上的机舱610。在机舱610的一端布置有轮毂120,从轮毂120上径向地延伸出三根风叶110,在风力的作用下,风叶110将带动轮毂120枢转。其中,应当知道的是,风叶的数量并不一定为三根,其可根据实际情况来设计。机舱610远离叶片110的一侧设有被动辅助偏航部件,被动辅助偏航部件包括偏航尾舵710、翼舵720、偏航辅助蓄电池730及液压阻尼系统740。其中偏航尾舵710及翼舵720用于感测风向变化及被动地随着风向变化而带动机舱610、轮毂210及叶片110转动,从而使这些部件的轴线能够实时地被调整至与风向对准,以达到最好的风力利用状态。然而,当风力过大时,由于惯性可能会导致出现过度转动。此时,配备的液压阻尼系统740能够制动机舱610、轮毂210及叶片110,以实现更准确的偏航效果。值得注意的是,当风力变化处于极端工况时,也可辅以电机来推动风力传动部件,从而有效控制偏航。尽管某些情况下可能需要电机辅助,但由于被动辅助偏航部件的存在,起辅助作用的电机也只需要少量的电能供应即可完成偏航动作,这些电能由风气发电装置自身所配置的偏航辅助蓄电池730(例如,布置在塔筒内)即可满足供应。因此,此套被动辅助偏航部件的应用大大简化了机舱内的强电系统,甚至在大部分情况下无需用到强电。综上,其大幅度降低了偏航系统的成本。然而,由于现有技术中的风力传动部件、机舱及其内设部件重量很大,无法由被动辅助偏航部件推动,因而无法应用此套偏航系统。只有在基于本发明已大大减轻空中机舱的载荷的前提下,才能够真正应用此被动辅助偏航部件。另外,从轮毂120布置在机舱610内的一侧延伸出第一传动轴210,其能够随着轮毂120枢转而枢转。轮毂120连接至第一锥齿轮组件220,该第一锥齿轮组220件包括两个相互配合的锥齿轮,其中一个锥齿轮连接至第一传动轴210,从而随着第一传动轴210枢转而枢转;另一个锥齿轮则连接至第二传动轴230,以带动第二传动轴230枢转。第一锥齿轮组件220的两个锥齿轮基本垂直地相互啮合,从而能够将沿水平轴线的枢转运动转换成沿垂直轴线的枢转运动,也即经此部件将风力转化而成的机械力传递至地面。其中,第二传动轴230上可为铰接式扭力传动杆,其上可设有多个万向节231,以适于传递扭力;可选地,第二传动轴230也可为铰接式套管。此外,第二传动轴230的另一端将连接至第二锥齿轮组件240。第二锥齿轮组件240同样包括一对相互配合的锥齿轮,其中一个锥齿轮经由第二传动轴230带动而枢转,另一个锥齿轮则连接至空气压缩机310的动力输入部件。第二锥齿轮组件240的两个锥齿轮基本垂直地相互啮合,从而能够将沿垂直轴线的枢转运动转换成沿水平轴线的枢转运动,也即经此部件将传递至地面的机械力作为动力提供给布置在地面空气压缩机310(例如,布置在塔筒620的底部)。值得注意的是,此处的给空气压缩机310为具有三级或四级压气过程的低速高压空气压缩机。这使得无论传递来的机械力很大或很小,该压缩机都能够被驱动从而压缩空气。这对应地使得本发明的风气发电装置的风力应用范围大大增加,无论是很小的风速推动风叶110并最终带动传动杆缓慢地枢转,或是很大的风速推动风叶110并最终带动传动杆迅速地枢转,其都能够形成驱动该低速高压空气压缩机310的机械力,并最终对空气进行压缩。由此大大提高了此套风气发电装置设备的能量利用效率,空气压缩机310在地面的布置同样也大大减小了对机舱610的承载能力要求。此后,空气压缩机310将被压缩的空气传递至连接于其后的高压暂储罐410。此处的高压暂储罐410具有二级受压结构,其起到分级暂储被压缩空气的作用,例如将被压缩的空气再次细分为多种不同压强来进行储存。其进而起到使随后的发电步骤具有更稳定动力的作用,即,在当前空气压缩量较大时,可以将部分压缩空气储存在高压暂储罐410中,避免后续的发电步骤受到冲击;而在当前空气压缩量较小时,则将高压暂储罐410中储存在压缩空气补充使用,以免后续的发电步骤产生发电不稳定的现象。应用时,使压缩空气先储存在高压暂储罐410中,经过暂储及调节后再供应至气动发电部件进行发电。这些在实际意义上实现了如何将不稳定的风能转化为稳定的机械能并进一步地用于发电。优选地,在高压暂储罐410上还可铺设有薄膜太阳能面板440,其可以吸收太阳能并作为辅助动力源应用,从而在有限的结构空间内实现对能源的最高利用效率。优选地,在高压暂储罐410后还可布置空气调节箱420,空气调节箱420能够分级地储存空气,并且在必要的时候才完全释放出此部分空气来用于发电;例如,使用该部分储存的被压缩的空气发电来满足电网调峰需求。优选地,出于结构优化设计的考虑,可以将高压暂储罐410和空气调节箱420一上一下的布置在塔筒620中,从而最合理地提高空间利用率。随后空气调节箱420通过阀门430流体连通至膨胀机510及发电机520,从而通过被压缩的空气来驱动膨胀机510以便带动发电机520发电。其中,阀门430起到对膨胀机510空气供应的调节作用。优选地,此处的膨胀机510具有亚音速叶片,由此其具有相对更小的噪音及更高的安全系数。由于此时的驱动力非常稳定且符合标准,因此甚至可以直接应用同步发电机520来产生交流电,进而能够直接应用于电网,具有非常好的适用性。另外,本发明的风气发电装置将空气压缩机310及发电机520这些重型设备均挪至地面,相当有效地减轻了风气发电装置的机舱610的载荷,这有利于设备维护及更换。
此外,作为对高压暂储罐410中的空气所能产生的机械力的进一步应用,本发明还配套设置了变桨辅助部件,其包括连接至高压暂储罐410的引流管道810,由引流管道810引出的高压空气驱动的涡轮油泵820及由涡轮油泵820驱动的液压臂830;液压臂830能够用来带动轮毂120及叶片110完成变桨动作。如此,则省略了用来实现变桨动作的大功率电动装置,使得整个风力系统无需额外设备强电系统,提提供用于电控的弱电系统即可。在保持变桨效果的同时又大大降低了成本。
此外,作为对发电后所产生的低温废弃空气的回收利用,还提供了冷量回收系统,例如,其可为一条冷量回收回路910,其用于将经由发电机520发电后产生的低温废弃空气中包含的冷量引导至空气压缩机310处,以冷却空气压缩机310排出的被压缩的空气,对其进行降温。
下面将参照图1描述本发明的工作过程,当风经过风叶110时,风力推动,使其促动轮毂210关于水平轴线(一般情况下)枢转;轮毂210继而带动第一传动轴210枢转;第一传动轴210通过第一锥齿轮组件220将其关于水平轴线的枢转运动转换成第二传动轴230关于垂直轴线的枢转运动;第二传动轴230再通过第二锥齿轮组件240将其关于垂直轴线的枢转运动转换成空气压缩机310的动力输入;空气压缩机310被驱动从而压缩空气,并将经压缩的空气输送至高压暂储罐410进行暂储;接着经压缩的空气输送至空气调节箱420进行调节;随后经压缩的空气被供应至膨胀机510,使膨胀机510带动发电机520发电,以实现将风能转化为机械能,并最终转化为电能的全过程。此过程中的能量损耗非常小,最终能够实现非常高的风能至电能的转化效率,这远高于现有任何一种风气发电装置的能量利用效率。
如图2所示,本发明还提供了一种基于该风气发电装置的多机并联矩阵系统,其能够以多台此种风气发电装置100并联地构成发电矩阵,并且这些风气发电装置100可以通过管路900汇集至若干台公共空气调节箱400,并共用最终的气动发电部件500。这样布置,使得在风力资源较少时,通过多台风气发电装置的制气功能实现少量气动发电部件500发电,以保持其稳定性;而在风力资源较为丰富时,既可以选择通过多台风气发电装置的制气功能实现多台气动发电部件500发电,以提高其点产量;也可以选择储备部分压缩空气以备不时之需。从而实现“分散制气、集中发电”。使得通过压缩空气对发电量的管控更为精确合理。并且通过本发明的多机并联矩阵系统成规模地运用本发明的风气发电装置时,由于使用了公共空气调节箱400,可以大量储备被压缩的空气,这在实际运用中起到了非常明显的作用。当公共空气调节箱储存了足够的被压缩空气时,除了可以应用本发明的多机并联矩阵系统满足日常的供电需要时,还能备有足够的余量来满足不时之需。这对于实际应用中能够及时支援各处的供电,使风能发电的应用能够更普及应用,并且更有效地为人类的生活带来益处。
如上根据附图对本发明的具体实施方式进行了详细的描述。所属领域的技术人员根据上述说明可以对实施方式中具体的特征进行等同的改型或变型,毫无疑问,这些改变的实施方式也将落入权利要求书所覆盖的保护范围内。

Claims (16)

1.一种风气发电装置,其特征在于,包括:
风力传动部件,其能够枢转地将风力转化成机械力;
被动辅助偏航部件,其用于被动地随着风向变化而辅助带动所述风力传动部件,使所述风力传动部件的轴线能够被调整至与风向对准;
机械力传递部件,连接至所述风力传动部件,其用于将机械力从空中传递至地面;
空气压缩部件,布置在地面并连接至所述机械力传递部件,其用于通过机械力压缩空气;
储气部件,连接至所述空气压缩部件,其用于储存被压缩的空气;
气动发电部件,通过阀门连接至所述储气部件,其用于通过被压缩的空气来发电;
变桨辅助部件,其包括连接至所述储气部件的引流管道,由所述引流管道引出的被压缩的空气驱动的涡轮油泵及由所述涡轮油泵驱动的液压臂;所述液压臂用于带动所述风力传动部件变桨。
2.根据权利要求1所述的风气发电装置,其特征在于,还包括冷量回收系统,其用于将所述气动发电部件发电后产生的低温废弃空气中所含的冷量用来冷却所述空气压缩部件排出的被压缩的空气。
3.根据权利要求1所述的风气发电装置,其特征在于,所述被动偏航部件包括液压阻尼系统、偏航尾舵及翼舵;所述偏航尾舵及翼舵用于感测风向变化及带动所述风力传动部件;所述液压阻尼系统用于防止所述偏航尾舵及翼舵过度偏航。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的风气发电装置,其特征在于,所述机械力传递部件包括:
第一传动轴、第一锥齿轮组件、第二传动轴、第二锥齿轮组件;
其中,所述第一传动轴连接至所述风力传动部件并能够随着风力传动部件枢转以传递机械力;
所述第一锥齿轮组件能够枢转地连接所述第一传动轴及所述第二传动轴,以用于变向传递机械力;
所述第二锥齿轮组件能够枢转地连接所述第二传动轴及所述空气压缩部件,以用于变向传递机械力。
5.根据权利要求4所述的风气发电装置,其特征在于,所述第二传动轴为铰接式扭力传动杆。
6.根据权利要求4所述的风气发电装置,其特征在于,所述第二传动轴为铰接式套管。
7.根据权利要求4所述的风气发电装置,其特征在于,
所述第一锥齿轮组件用于将沿水平轴线枢转的机械力变向成沿垂直轴线枢转的机械力;
所述第二锥齿轮组件用于将沿垂直轴线枢转的机械力变向成沿水平轴线枢转的机械力。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的风气发电装置,其特征在于,所述风力传动部件包括:
轮毂,其连接所述第一传动轴;
风叶,其从所述轮毂上径向地延伸且能够关于所述轮毂枢转。
9.根据权利要求1至3任意一项所述的风气发电装置,其特征在于,所述空气压缩部件包括具有三级或四级压气过程的低速高压空气压缩机。
10.根据权利要求1至3任意一项所述的风气发电装置,其特征在于,所述储气部件包括二级受压的高压暂储罐。
11.根据权利要求10所述的风气发电装置,其特征在于,所述储气部件还包括空气调节箱,其布置在所述高压暂储罐和所述气动发电部件之间。
12.根据权利要求10所述的风气发电装置,其特征在于,所述高压暂储罐外表面布置有薄膜太阳能面板,其用于吸收太阳能并转化为辅助动力源。
13.据权利要求1至3任意一项所述的风气发电装置,其特征在于,所述气动发电部件包括膨胀机及发电机,所述膨胀机具有亚音速叶片;所述膨胀机能够通过被压缩的空气来驱动所述发电机,所述发电机用于发电。
14.一种风气发电装置的多机并联矩阵系统,其特征在于,包括多台并联布置的如权利要求1至13任意一项所述的风气发电装置。
15.根据权利要求14所述的风气发电装置的多机并联矩阵系统,其特征在于,多台所述风气发电装置的台数与所述气动发电部件的总数的比值小于或等于1:1。
16.根据权利要求14所述的风气发电装置的多机并联矩阵系统,其特征在于,多台所述风气发电装置共用同一个气动发电部件;多台所述风气发电装置将各自的所述储气部件中储存的被压缩的空气通过管路输送至公共空气调节箱,所述公共空气调节箱连接至同一个所述气动发电部件。
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