CN105649883A - 热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法及系统，其方法是组合风力涡轮利用恒压溢流的控制方式，通过液力偶合器维持发电机的转速稳定，组合风力涡轮中多余的机械能耗散成热能并储存于储能水箱中，以供铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时使用。其系统包括烟囱、组合风力涡轮、液力偶合器、储能水箱和热管组件，烟囱包括由上至下依次连接的出风段、扩散管、铅垂风道和进风段，组合风力涡轮设于铅垂风道内，储能水箱设于铅垂风道外周，热管组件连接于储能水箱和扩散管之间，组合风力涡轮的输出端与液力偶合器连接，液力偶合器的输出端与发电机连接。本发明通过利用系统自身储能进行调节和利用，降低了生产成本，发电衡定。

Description

热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法及系统

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，特别涉及一种热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法及系统。

背景技术

能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。在过去的200多年里，建立在石油、天然气、煤炭等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染和生态破坏，严重威胁着人类的可持续发展。风能作为一种清洁的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，分布广泛，越来越受到世界各国的重视，是解决石化类能源枯竭危机的最好替代能源之一。我国风能资源丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大。因此，利用风能资源的风力发电系统是具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

目前，现有的风力发电系统主要有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类，大体可分为风轮(包括尾舵)、铁塔、发电机三个部分，其工作原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。而由于自然界的风力是非恒定的，风力发电机组的发电效率很低，受环境影响较大，其需要复杂的结构才能在一定的条件下实现稳定的发电，一方面，当风速过大时，风力发电机组需要利用刹车系统刹车制动以防损坏叶片，另一方面，因风量不稳定，风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流后利用蓄电池储能，然后用逆变器逆变为交流220V市电，才能保证稳定使用，而且风力发电机组的风能利用率较低，造成了多余风能的浪费。因此，现有的风力发电系统存在着很大的不足。

由此可见，针对现有风力发电系统存在的不足，开发一种环境适应性强、结构安全可靠、应用范围广、发电稳定的风力衡定发电系统对新能源发电技术的发展和应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种环境适应性强、发电稳定的热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，该系统结构安全可靠，可有效克服现有风力发电系统环境适应性差、结构复杂、发电不稳定等问题。

本发明的技术方案为：一种热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法，在烟囱的铅垂风道中设置具有固定导向叶片的组合风力涡轮，在铅垂风道外周设置储能水箱，组合风力涡轮利用恒压溢流的控制方式，通过液力偶合器维持发电机的转速稳定，组合风力涡轮中多余的机械能耗散成热能并储存于储能水箱中，以供铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时使用。

所述储能水箱外周还设有太阳能集热器，太阳能集热器收集的热能也储存于储能水箱中。

所述铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时，储能水箱中储存的热能传递至铅垂风道上方的管道中，加热铅垂风道上方的空气产生烟囱效应，上升的热气流使铅垂风道中的风速增大，保持液力偶合器输出转速稳定，实现发电机的转速衡定，从而使电网输出稳定的纯正弦交流电。

一种热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，包括烟囱、组合风力涡轮、液力偶合器、储能水箱和热管组件，烟囱包括由上至下依次连接的出风段、扩散管、铅垂风道和进风段，扩散管的直径大于铅垂风道的直径，扩散管与出风段的连接处形成第二收敛区间；组合风力涡轮设于铅垂风道内，储能水箱设于铅垂风道外周，热管组件连接于储能水箱和扩散管之间，组合风力涡轮的输出端与液力偶合器连接，液力偶合器的输出端与发电机连接。

所述烟囱下部的进风段外周还设有外风罩，外风罩上方为进风口，烟囱顶部为出风口，外风罩与进风段之间形成第一收敛区间；外风罩外侧分布有多个太阳能集热器，各太阳能集热器内侧设有集热器支撑杆，太阳能集热器通过集热器支撑杆倾斜固定于外风罩上，且各太阳能集热器分别通过热管与储能水箱连接。其中，将进风口设置于储能水箱的侧面，通过第一收敛区间与储能水箱包围的铅垂风道相通，风从进风口进入，经流第一收敛区间进入铅垂风道中，经过组合风力涡轮将风能转换为机械能，并经传动轴输出给液力偶合器。太阳能集热器通过集热器支撑杆呈一定角度倾斜固定安装于外风罩上，通过热管与储能水箱相连，采用热水向上、冷水向下的原理将热能储存于储能水箱中。

所述烟囱的出风段上设有方向舵，外风罩上方与进风口相对的一侧设有屏蔽罩(即进风口和屏蔽罩分别位于储能水箱相对的两外侧)，方向舵通过方向舵支撑杆与屏蔽罩固定连接，通过方向舵控制屏蔽罩的位置，可使进风口总是正对着风向。

所述组合风力涡轮包括多组涡轮、传动轴和出风整流罩，多组涡轮由上至下分布于传动轴上，出风整流罩设于传动轴的顶端，传动轴下端与液力偶合器连接。

所述热管组件包括蒸发器、冷凝器和比例调节阀，蒸发器、冷凝器和比例调节阀通过管道循环连接，蒸发器设于储能水箱内，冷凝器设于扩散管内(冷凝器置于储能水箱的上方，即由扩散管与烟囱所组成的第二收敛区间中)，蒸发器与冷凝器之间装有对造风能力进行控制的比例流量阀。当铅垂风道中风力充足时，比例流量阀处于关闭状态，当铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时，比例流量阀打开，冷凝器中的制冷剂在重力作用下经比例流量阀进入蒸发器中吸收储能水箱中的热能气化，气化后的制冷剂进入冷凝器中再次冷凝，散发的热量加热第二收敛区间中的空气，产生烟囱效应使得铅垂风道中的风速增大。

所述储能水箱为外侧中部内凹的圆柱形箱体，储能水箱中部设有与烟囱相对应的通道；通道的下部呈倒置的漏斗形，与进风段相对应；通道的中部呈圆柱形，与铅垂风道相对应；通道的上部呈漏斗形，与扩散管的底部相对应。

所述液力偶合器外侧还设有散热箱体，液力偶合器底部设有溢流阀；储能水箱中还设有内箱，内箱通过铅垂风道中周向均布的四个中空支撑架与包围铅垂风道的储能水箱相通。其中，液力偶合器置于组合风力涡轮的下方，其输入端与组合风力涡轮的传动轴相接，输出端与液力偶合器下方的发电机相接。液力偶合器安装有进行压力控制的溢流阀，且增加了与溢流阀相通的旁路渠道，并在液力偶合器的泵轮上开孔，使其与旁路渠道相连，当液力偶合器中压力恒定时，溢流阀关闭，当液力偶合器中压力过大时，溢流阀打开，液力偶合器中用来驱动组合风力涡轮旋转以外的多余液体通过泵轮上的孔流经旁路渠道从溢流阀中流出，从而保持液力偶合器输出转速衡定。散热箱体外周为储能水箱的内箱，储能水箱的内箱通过铅垂风道中周向均布的四个中空支撑架与包围铅垂风道的储能水箱相通。

通过上述热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法及系统进行发电时，其原理是：当铅垂风道中风力充足时，比例流量阀处于关闭状态，风从进风口进入，经流第一收敛区间后进入铅垂风道中，经过组合风力涡轮将风能转换为机械能后，经传动轴输出给液力偶合器。其中，通过溢流阀控制液力偶合器输出转速稳定，多余的机械能耗散成热能经液力偶合器外的散热箱体储存于储能水箱中，太阳能集热器产生的热能也储存于储能水箱中。当铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时，比例流量阀打开，冷凝器中的制冷剂在重力作用下经比例流量阀进入蒸发器中，吸收储能水箱中的热能后气化，气化的制冷剂向上进入冷凝器中再次冷凝，散发的热量加热第二收敛区间中的空气，使其产生烟囱效应，上升的热气流使风道中风速增大，保持液力偶合器输出转速稳定，实现发电机的转速衡定并向负载或电网输出稳定的纯正弦交流电。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法及系统改变了现有风力发电系统中利用风机发电及利用蓄电池储存多余能量的原理，通过利用系统自身储能进行调节和利用，降低了生产成本，环境适应性强，结构安全可靠，发电衡定。

2、本热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统通过在液力偶合器中安装溢流阀用来控制液力偶合器中的压力，有利于保持液力偶合器输出转速稳定，从而实现发电机的转速衡定。

3、本热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统的结构简单，容易拆装，在实际应用中，既能单独作为发电系统使用，也能并网使用，向电网输出稳定的纯正弦交流电，应用范围较广。

附图说明

图1为本热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统的结构示意图。

图2为图1的A-A截面视图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其结构如图1或图2所示，包括进风口14、组合风力涡轮6、液力偶合器10、发电机11、热管15、烟囱、太阳能集热器8、风向标、热管组件和储能水箱17。其中，烟囱包括由上至下依次连接的出风段1、扩散管4、铅垂风道16和进风段18，出风段的顶部为出风口24，组合风力涡轮置于铅垂风道中，包括多组涡轮6-1、传动轴6-2和出风整流罩6-3，出风整流罩设于传动轴的顶端，多组涡轮利用传动轴连接，各组涡轮包括动叶片和用来起固定支撑与导风作用的前导风叶片、后导风叶片(动叶片、前导风叶片和后导风叶片为一整体，即为组成单个涡轮的三个叶片)，扩散管置于多组涡轮的上方，与烟囱固定连接，形成第一收敛区间19。液力偶合器置于组合风力涡轮的下方，其输入端与组合风力涡轮的传动轴相接，输出端与液力偶合器下方的发电机相接。液力偶合器安装有进行压力控制的溢流阀12，且增加了与溢流阀相通的旁路渠道，并在液力偶合器的泵轮上开孔与旁路渠道相连。热管组件包括蒸发器5、冷凝器3和比例流量阀20，蒸发器置于储能水箱中，冷凝器置于储能水箱的上方，即铅垂风道中由扩散管与烟囱所组成的风道收敛区间中，蒸发器与冷凝器之间装有对造风能力进行控制的比例流量阀。进风口设置于储能水箱的侧面，通过第一收敛区间21与储能水箱包围的铅垂风道相通。风向标包括方向舵2、屏蔽罩7和方向舵支撑杆(图中未示出)，方向舵支撑杆两端分别与方向舵和屏蔽罩固定连接，屏蔽罩与进风口相对位于储能水箱的两侧，风向标通过方向舵控制屏障罩的位置，使进风口总是正对着风向。太阳能集热器通过集热器支撑杆22呈一定角度倾斜固定安装于外风罩9上，通过热管15与储能水箱相连。液力偶合器外边装有散热箱体13，散热箱体外边为储能水箱的内箱23，储能水箱的内箱通过铅垂风道中周向均布的四个中空支撑架25与包围铅垂风道的储能水箱相通。

本实施例通过上述发电系统可实现热能造风辅助的风力耦合衡定发电，当铅垂风道中风力充足时，比例流量阀处于关闭状态，风从进风口进入，经流第一收敛区间后，进入铅垂风道中，经过组合风力涡轮将风能转换为机械能，经传动轴输出给液力偶合器。通过溢流阀控制液力偶合器输出转速稳定，多余的机械能耗散成热能经液力偶合器外的散热箱体储存于储能水箱中，太阳能集热器产生的热能也储存于储能水箱中。当铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时，比例流量阀打开，冷凝器中的制冷剂在重力作用下经比例流量阀进入蒸发器中吸收储能水箱中的热能气化，气化的制冷剂向上进入冷凝器中再次冷凝，散发的热量加热第一收敛区间中的空气产生烟囱效应，上升的热气流使铅锤风道中风速增大，保持液力偶合器输出转速稳定，实现发电机的转速衡定并向负载或电网输出稳定的纯正弦交流电。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法，其特征在于，在烟囱的铅垂风道中设置具有固定导向叶片的组合风力涡轮，在铅垂风道外周设置储能水箱，组合风力涡轮利用恒压溢流的控制方式，通过液力偶合器维持发电机的转速稳定，组合风力涡轮中多余的机械能耗散成热能并储存于储能水箱中，以供铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时使用。

2.根据权利要求1所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法，其特征在于，所述储能水箱外周还设有太阳能集热器，太阳能集热器收集的热能也储存于储能水箱中。

3.根据权利要求1所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电方法，其特征在于，所述铅垂风道中风力不足以维持发电机转速稳定时，储能水箱中储存的热能传递至铅垂风道上方的管道中，加热铅垂风道上方的空气产生烟囱效应，上升的热气流使铅垂风道中的风速增大，保持液力偶合器输出转速稳定，实现发电机的转速衡定。

4.热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，包括烟囱、组合风力涡轮、液力偶合器、储能水箱和热管组件，烟囱包括由上至下依次连接的出风段、扩散管、铅垂风道和进风段，扩散管的直径大于铅垂风道的直径；组合风力涡轮设于铅垂风道内，储能水箱设于铅垂风道外周，热管组件连接于储能水箱和扩散管之间，组合风力涡轮的输出端与液力偶合器连接，液力偶合器的输出端与发电机连接。

5.根据权利要求4所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，所述烟囱下部的进风段外周还设有外风罩，外风罩上方为进风口，烟囱顶部为出风口，外风罩与进风段之间形成第一收敛区间；外风罩外侧分布有多个太阳能集热器，各太阳能集热器内侧设有集热器支撑杆，太阳能集热器通过集热器支撑杆倾斜固定于外风罩上，且各太阳能集热器分别通过热管与储能水箱连接。

6.根据权利要求5所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，所述烟囱的出风段上设有方向舵，外风罩上方与进风口相对的一侧设有屏蔽罩，方向舵通过方向舵支撑杆与屏蔽罩固定连接。

7.根据权利要求4所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，所述组合风力涡轮包括多组涡轮、传动轴和出风整流罩，多组涡轮由上至下分布于传动轴上，出风整流罩设于传动轴的顶端，传动轴下端与液力偶合器连接。

8.根据权利要求4所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，所述热管组件包括蒸发器、冷凝器和比例调节阀，蒸发器、冷凝器和比例调节阀通过管道循环连接，蒸发器设于储能水箱内，冷凝器设于扩散管内。

9.根据权利要求4所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，所述储能水箱为外侧中部内凹的圆柱形箱体，储能水箱中部设有与烟囱相对应的通道；通道的下部呈倒置的漏斗形，与进风段相对应；通道的中部呈圆柱形，与铅垂风道相对应；通道的上部呈漏斗形，与扩散管的底部相对应。

10.根据权利要求9所述热能造风辅助的风力耦合衡定发电系统，其特征在于，所述液力偶合器外侧还设有散热箱体，液力偶合器底部设有溢流阀；

储能水箱中还设有内箱，内箱通过铅垂风道中周向均布的四个中空支撑架与包围铅垂风道的储能水箱相通。