CN105804949B - 塔式卧叶液压储能风力发电机 - Google Patents

Abstract

塔式卧叶液压储能风力发电机，包括塔筒、塔柱及风轮和发电机构，塔柱固定在基座上，塔筒以环绕塔柱转动的方式悬挂在塔柱上端，在塔筒上固装有集风口和调向尾翼，二者处于塔筒的两侧相隔180º的位置上；在塔筒的轴线上有一根中轴，中轴上转动固装有轮轴，在轮轴的中部固装多层螺旋风叶，上部装有两层水平风叶即构成风轮；轮轴下部安装变速箱；发电机构包括变速箱和与变速箱的从动齿轮轴转动连接的常合齿轮机油泵，再通过管路接电机组油马达，发电机与电机组油马达轴接；变速箱的次从动齿轮上轴接有分动机油泵，再用管连通储能油缸组。风能转换为液压能，由油压马达驱动发电机，保障发电品质，用液压储能装置，做到有风无风都发电。

Description

塔式卧叶液压储能风力发电机

技术领域

本发明涉及一种塔式卧叶液压储能风力发电机。

背景技术

目前，世界上常见风机是立式水平轴三叶风机，风叶形状采用标准流线型结构；应用升力原理获得推力使风轮旋转。此类风机存在风叶迎风面小，风力产生的气流接触叶片的作用时间短，风叶笨重，机架过高，全套设施安装在架顶；吊装、维护、检修不便，传动、变速、调向、控制机构复杂，技术难度大。风机切入切出额定风速域较窄，风轮扫掠面积很大而风能利用率则较低，风场占地面积广，风机布点稀疏，风资源浪费大，风机抗沉降能力差，不适宜建在海岸、沙漠风资源丰富地带，小微风机蓄电附属设施价格昂贵，难予推广，大型风力发电场投资成本高，经济效益不明显。

此外，电力行业一直在为用电低谷期，网电高达15—32%的自然流失损耗寻求一种大容量有效蓄能方法，至今无果，依然是长期困扰电力系统的世界性技术疑难。

发明内容

本发明的目的提供一种塔式卧叶液压储能风力发电机，以解决目前普遍使用的立式水平轴三叶风机存在的风叶笨重，机架过高，全套设施安装在架顶；吊装、维护、检修不便，传动、变速、调向、控制机构复杂，技术难度大等问题。同时，为电网在用电低荷期的过多电能寻求一种储能装置。

技术方案：

塔式卧叶液压储能风力发电机，包括塔筒、塔柱及风轮和发电机构，塔柱固定在基座上，塔筒以环绕塔柱转动的方式悬挂在塔柱上端，在塔筒上固装有集风口和调向尾翼，二者处于塔筒的两侧相隔180º的位置上；在塔筒内腔的中心轴线上有一根中轴，中轴上转动套装有轮轴，在轮轴的中部固装多层螺旋风叶，上部装有两层水平风叶即构成风轮；轮轴下部安装风轮变速箱；发电机构包括变速箱和与变速箱的从动齿轮转动轴接的常合齿轮机油泵，再通过高压油管路与电机组油马达连通，发电机组与电机组油马达轴接；变速箱的第二级从动齿轮上轴接有分动机油泵，再用管路连通储能油缸组。

塔筒由下部的圆柱形筒体和上部的圆锥形筒体构成，二者的结合部对应的塔柱上制作有环形轨道，在圆柱形筒体上沿等间隔安装有个滚轮，滚轮与环形轨道转动接触；其中有个滚轮的滚轮座上焊有向塔顶上伸的随动柱，顶端装有可随塔筒同步转动的半圆引流罩。

固定在轮轴中部的螺旋风叶处于塔筒中圆柱形部的各层为等尺寸叶片，处于锥形筒部的各层叶片适应锥形筒腔形状。

集风口做在塔筒的圆柱形筒体段，口部两侧竖向制作有两扇活动门板，形成斗形，两门板之间装有偏心导流板；塔筒上与集风口位置对应的另一侧固装调向尾翼。

在锥形筒的上端有塔盖，塔盖上嵌有多片相对水平面呈45°倾角的导流片。

轮轴上部的两层水平风叶均通过轮轴上的毂盘与轮轴固定；每层水平叶片均有8片，相邻两叶片的间隔以等圆心角方式排列，通过叶轴固接在毂盘上。每片叶片由上下两个半叶铰接在叶轴上构成。

在对应水平风叶根部的毂盘上焊有两片 “U”形引流弧板，能将任一叶片与横轴有夹角时，向内沿侧滑的气流向叶片后折吹，减少迎风面气流内沿漏损。在每个叶片的外端安装有叶尖操纵小翼，同时叶尖操纵小翼通过推杆和弹簧连接在叶片根部。

在变速箱中还安装了分动油泵驱动齿轮，分动油泵齿轮轴下部通过一个牙嵌离合器与分动机油泵轴接，分动机油泵通过油管连接在储能缸组的管路上；来自于常合齿轮机油泵工作用高压油经换向开关，通过调压限压阀和管路，一路接通电机组油马达，另一路为过压油由管路接接入储能缸组的管路中；同时经换向开关后的分流油用管路接入储能缸组的管路中构成储能装置。

上述储能油缸组的每个油缸中装有自紧自封高压塞，自紧自封高压塞的圆心处固接有塞轴，塞轴在缸内的部分套有回位弹簧。

从储能油缸用管路接通到塔外机组油马达，塔外机组油马达与发电机组轴接，发电后的低压油由管路再接通到低压油罐中，就构成了利用储能装置发电的设备。

电机组油马达工作后的低压油用管路接入储能缸组的低压油罐中，由低压油罐底部接出的管路接通机油滤清器，再用管路从机油滤清器接通到集油箱，在集油箱出口端装有一个集滤器，再用管路接通各机组的油泵。

为了解决外电网在用电低谷期间过量电浪费问题，结合本发明的设备功能，设置一个把电能装换为液压能的装置，此装置由一个引入外部电力的电接口，从接口用电力线接电机，在电机的轴端，轴接机油泵，从机油泵引出两条管路，一条管路接储能油缸组，一条管路接集油箱，即构成了外电网过量电能的储能装置。用电高峰期，利用储存的液压能带动发电机组发电，向电网供电，可减轻电网负荷。

按照上述方案制成的塔式卧叶液压储能风力发电机，设备投资低，容易制造，安装方便，稳定性能好；风力收集面积大，产生的风力强，风能利用率高。其运行方式是风能转换成机械能，再变机能为液压能，由油压马达驱动发电机发电，变风轮刚性传动为柔性传动，风机与电机隔离，消除机械振颤，保障发电品质，并采用液压储能装置，储存风能，收到有风发电，无风也发电的效果。兼有将网电流失损耗转换液压能储存，择时用于发电，反补电网功用 。

附图说明

图1是风塔及风机构成示意图。

图2是风能转换成液压能到发电机过程的机构示意图。

图3是储能装置示意图。

图4是利用储存的液压能发电的装置示意图。

图5是把外电网过量电转换为液压能的装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，作为实施例，对技术方案进一步说明。

参照图1、2、3、4，整个风塔通过底部的基座1上固装的四根塔柱2支撑，且四根塔柱2分布在一个正方形的四角处。塔柱2外围以旋转方式安装有塔筒3，塔筒3的上截是锥形筒体，下截是圆柱形筒体。塔筒3的轴线上有一根中央固定轴12，在中央固定轴12的上下端附近通过两个轴承28转动固装有轮轴11，且轮轴11套装在中央固定轴12上。轮轴11的下部处于地下机房中，中央固定轴12下端也在地下机房中与地基固定，上端伸出在塔顶之上，装有避雷针13。在轮轴下部安装变速箱26，变速箱的作用是轮轴11转动的动力经变换后，驱动常合齿轮机油泵30及分动机油泵30a工作的机构，也处于地下机房中。在轮轴11下部安装一个钳式制动装置29和制动锁止盘27，在变速箱26的上方的轮轴11上还安装有减速球盘25及盘外减速环24；构成对轮轴11转动状态的控制机构。

塔筒、风叶和轮轴承担着将风能转换为机械能的作用，其中风叶和轮轴构成风轮，在风轮外装一个不等径座式风塔作集风装置，下部为圆柱形筒体，其柱面上的一侧装有可随风向变化自动调向的调向尾翼4；集风口23开在与调向尾翼呈180度角的另一侧。在集风口23的左右两侧各铰接一扇活门22，集风口23的上、下沿固定安装两块板，与两扇活门22一起形成斗形，口部面积大，利益收集风束；在集风口23的内口的竖向中心线上，用转轴安装有偏心导流板21，可根据风向和风力大小紧靠在一扇活门上，引导风束，流向开启的半个集风口对应的螺旋风叶19，使进入螺旋风叶的风，沿螺旋风叶旋转的方向流动，能驱动与螺旋风叶固接一体的轮轴11转动。

风塔上部为直径逐渐收缩的锥形筒体，与下方的圆柱形筒体活动连接。锥形塔筒顶部焊有与水平面呈45°倾角的多页导流片17构成的塔盖18，能把从螺旋风叶19上来的风束，引向上面的两层水平风叶15，成为驱动水平风叶15转动的动力。这样，风塔竖向中心线上的轮轴11就受到螺旋风叶19和水平风叶15两部分的旋转力的驱动。且由于下部的圆柱形筒体内的多层螺旋风叶是等尺寸的，每层螺旋风叶的周围边沿上焊接有竖向翼片5，使进入螺旋风叶19中的风束限制在螺旋风叶中，并逐渐加速呈螺旋线上升，流到锥形筒体内腔时，因为这一段的多层螺旋风叶19直径逐渐变小，使其中的风束密度增大，流速更快，所以，经导流片17吹向水平风叶15的风力更强劲，增大了水平风叶15的转动力。这种塔式布局有利于风量的收集、引导、收束，加强入塔气流流速作用。

圆柱形筒体与锥形筒体的界面处的塔柱2上装有环形轨道6，圆柱形筒体上沿通过滚轮座等间距安装有四个滚轮20， 四个滚轮卡于轨道上自由转动，其中，有3个滚轮座上焊有伸向塔顶的随动柱7，三根随动柱顶端装有可随塔筒3同步转动的半圆引流罩8，可收集罩下半圆区内的风，并引导、吹向水平风叶15。

塔顶的两组水平风叶15，每组8片，分别通过叶轴16固接在两个毂盘14上，毂盘与轮轴11固定，在毂盘14的上、下位置，对应风叶根部，焊有两片平卧“U”形引流弧板10，可将任一水平风叶片与横轴有夹角时，向内沿侧滑的气流，由风叶后部折返，减少迎风面气流内沿漏损。叶轴16外端装有可调水平风叶15的张合角的叶尖操纵小翼9，叶尖操纵小翼9铰接在叶轴16的轴端，有一根推杆和弹簧连接在水平叶片根部，能在弹簧力的作用下伸缩，带动叶轴16上的上下两条叶片作张合动作。

这样，位于塔中央的风轮，以轮轴11为转轴，叠装有共轴的多层多片螺旋风叶19，完成风塔下部集风口23来的风量的输送任务，同时，在螺旋风叶中旋转上升的风束流，也给轮轴11转动力。塔上两层，每层八片为板式水平风叶15，装有张合调整机构，铰接在叶轴16上的水平风叶15迎风区旋转时自动张开承受风压，逆风区旋转时自动收拢减小风阻。狂风期，在水平叶片15外端的叶尖小翼9在纵轴处承受风压后摆，压缩推杆尾部弹簧，将杆上锥板楔入两叶后肋条之间，控制风叶张合角度。

塔内七层为螺旋风叶，叶面上下有等距离对置竖向翼片5，作为收集引导入内的风量向上运行的部件；本例，塔筒四层螺旋风叶为等径等距叠布。锥筒三层为不等径不等距叠布，逐级缩径递减导程，这种多层多片风叶布置，可大幅缩减风轮扫掠面，风轮中风束密实度高，漏风率小，入塔气流作用面积大，风压作用时间长，且对入塔气流有收束挤压、加速气流，提高气流动量，获取倍增能量的效果。由于塔筒是悬吊于环形轨道上的，且由滚轮支撑在轨道内转动，故塔筒3下部的调向尾翼4能由风力的推动，转动塔筒，使集风口23，始终对着风吹来的方向，接收风力。

如上制成的风机总重量相对现有的立式风机较轻，不足立式风机的1/3重，风塔低矮，只有立式风机1/5，风塔基座1宽大坚实，单位压强小，抗塔基不均匀沉降能力强。

参照图2，在轮轴11的下部安装的变速箱26，有两级从动轮传递动力；第一级由分动油泵驱动动轮31与常合齿轮机油泵30轴接构成，对来自集油箱37的液压油加压。常合齿轮机油泵30加压后的高压油通过管路经换向开关36再经高压限流阀33，接通电机组油马达35，带动发电机组34工作。第二级由与分动油泵驱动齿轮31齿合的从动齿轮31a轴接的牙签离合器32构成，在牙签离合器32的轴端，轴接分动机油泵30a，承担对管路A中的油液加压输送到储能油缸组41中。

上述由常合齿轮机油泵30处理后的高压油的过剩部分，通过管路A分流到储能缸组41，同时，经调压限流阀33处理后的液压油，一部分供电机组油马达35带动发电机组34工作，多余的液压油也通过管路A送储能缸组41中，电机组油马达35工作后的低压油，由管路B送入低压油罐47中储放。

参照图3、4，储能缸组41是由多个储能油缸组成，储能油缸组中的高能液压油，经缸底部的阀门和管路D再提供给塔外发电机组油马达52带动塔外发电机组53发电。区间储能油缸41到塔外发电机组油马达52间的管路上以顺序安装有球阀开关50、稳流控制件51和电源切换装置54。塔外发电机组油马达52工作后的低压油用管路C送入低压油罐47中储放备用。分动油泵驱动动轮31的轴端接转速表。

参照图3，储能油缸组41的每个油缸中装有自紧自封高压塞44，自紧自封高压塞44的圆心点处固接有塞轴45，塞轴45在缸内的部分套有回位弹簧46，在缸外的部分上部制作有油位指示标记。缸盖43上开孔安装有一个浮球阀42；在缸体上部一侧安装有低压溢油管40，缸体一侧中下部装有安全阀39，缸体一侧下部装有与分动机油泵30a出口处的管路A连通进油口，进油口处装有单向止回阀38，收集来自换向开关36处的分流油、高压限压阀33处的过压油和网电加压油泵58送来的高压油，储存在储能油缸组41中供塔外机组油马达52带动发电机组53发电。

参照图3，低压油罐47的上部有两条管路，一条连通电机组油马达35工作后的流出的低压油管B，另一条接通塔外机组油马达52工作后流出的低压油管C；低压油罐47下部有用管子接通机油滤清器48，处理后的油接通集油箱37，集油箱37与一个集滤器49连通，经集滤器49处理后的液压油输送发到电机组的油泵处理供发电机组发电用。

参照图5，在外电网用电低峰期，有大量过剩的电量，即可通过电接口56，和控制开关55电接电动机57，带动与电动机57轴接的机油泵58工作，变电能为液压能，通过管路A再送回储能油箱41中备用，工作循环用油来自集油箱47。形成了利用电网多余电能的储能装置。

轮轴11下端穿出塔底轴承座后，向下伸入机房适当长度，依次叠装风轮传动箱主动齿，风轮减速球盘，外设对应减速环片，风轮制动锁止盘，外设对应制动锁止操作件，以保飓风来袭时设备安全和检修时人员安全。

液压系统具有将机械能转换为液压能实现远距离传递、分流、储存能量并将液压能转换为电能的作用，系统中配有两套发电机组，一套为风轮直接驱动的发电机组，一套为储能油缸控制的发电机组。

风轮主动齿装于变速箱内，变速箱只有一对常合齿，具有降扭增速作用，从动齿轮轴下端装有常合机油泵，上端装有分动油泵主动齿，通过自控牙嵌离合器与分动油泵相接。风塔机组驱动力由常合油泵提供，经电控换向开关、液压调压限流阀、驱动油马达带动发电机工作，向外输电，多余液压油流向储能缸。

储能油缸组可接收分动油泵、常合油泵换向油流和风塔机组分压油流以及外电网驱动的电动油泵油流四条油路经止回阀进入缸内的高压油液，并将液能屯集转换储存，无风时打开电磁阀释放液能，高压油液经调压稳流液控元件和三电源切换装置旁路，驱动塔外机组油马达带动电机旋转而发电。多个组合储能缸分上下低高压油室，油缸配备自封自密活塞、安全阀、浮球阀、油位指示计、回位弹簧、溢流管、油压报警器等设施。

附设的外电网电动机组可利用并接电接口，将外电网在负载用电低谷期自然流失耗损的电能引入本系统，驱动大型电动机带动大型油泵，将电能转换为液能完成蓄积储存，用电高峰期则释放液压油能发电返补电网，减少电网电力浪费。

液压系统低压油路中，还配置有低压储油罐，油液净化集滤器、滤清器、配油箱以及罐缸间串并联油管、开关等器件，确保油路循环流动顺畅无阻。

按照上述方案做成的塔式卧叶液压储能风力发电机，塔式多层风叶共轴风轮，利用竖轴将风叶捕获的能量转换为旋转动力，垂直输入地下，风轮传动及调控装置发电机组等全套设备搁于地下室，不像立式风机那样悬置高空，并与风轮液态隔离，设备运转安全可靠，操作维修方便，省吊装和高空电缆费用。

本发明的优点是改变了现有风机类型，变径风塔有集风，加大风压作用，塔轻，抗沉降力强，风轮叠装多层螺旋形及水平风叶，受风面积大，续压时间长，能以较小的风轮扫抹面，获得较高的风能利用率。能对捕获到的风流实施加速，以加大气流动量，获取较大转矩，提高风机输出功率，额定风速域较宽，内陆最大风力、风向变化时，调向反应灵敏，在风能向电能转换过程中利用液压系统，变风轮刚性传动为柔性传动。风机与电机隔离，消除机械振颤，保障发电品质，并采用特殊装置，变相储存风能，收到有风发电，无风也发电的效果。狂风期边发电边储能，且兼有将网电流失损耗转换储存，择时释放能量发电，反补电网功用。具有风机布点稠密，风源利用率高，用材少，易制造，投资小，成本低，回收快，收益好的特点。

Claims (8)

1.塔式卧叶液压储能风力发电机，包括塔筒、塔柱及风轮和发电机构，其特征在于塔柱（2）固定在基座（1）上，塔筒（3）以环绕塔柱转动的方式悬挂在塔柱上端，在塔筒上固装有集风口（23）和调向尾翼（4），二者处于塔筒的两侧相隔180º的位置上，所述集风口（23）做在塔筒的圆柱形筒体段，口部两侧竖向制作有两扇活动门板（22），形成斗形，两门板之间装有偏心导流板（21）；塔筒上与集风口（23）位置对应的另一侧固装调向尾翼（4）；在塔筒（3）内腔的中心轴线上有一根中轴（12），中轴（12）上转动套装有轮轴（11），在轮轴（11）的中部固装多层螺旋风叶（19），上部装有两层水平风叶（15）即构成风轮；轮轴（11）下部安装变速箱（26）；发电机构包括变速箱（26）和与变速箱的从动齿轮(26a)转动轴接的常合齿轮机油泵(30)，再通过高压油管路与电机组油马达(35)连通，发电机组(34)与电机组油马达（35）轴接；变速箱（26）的第二级从动齿轮（31a）上轴接有分动机油泵(30a)，再用油管连通储能油缸组（41）。

2.根据权利要求1所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于塔筒由下部的圆柱形筒体和上部的圆锥形筒体构成，二者的结合部对应的塔柱上制作有环形轨道（6），在圆柱形筒体上沿等间隔安装有4个滚轮（20），滚轮（20）与环形轨道转动连接；其中有3个滚轮的滚轮座上焊有向塔顶上伸的随动柱（7），顶端装有可随塔筒同步转动的半圆引流罩（8）。

3.根据权利要求1所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于固定在轮轴（11）中部的螺旋风叶（19）处于圆柱形部的各层为等尺寸叶片，处于锥形部的各层叶片适应锥形筒腔形状。

4.根据权利要求1或3所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于轮轴（11）上部的两层水平风叶（15）均通过轮轴上的毂盘（14）与轮轴固定；每层水平叶片（15）均有8片，相邻两叶片的间隔以等圆心角方式排列，通过叶轴（16）固接在毂盘（14）上；每片叶片由上下两个半叶铰接在叶轴（16）上构成。

5.根据权利要求1所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于在对应水平风叶（15）根部的毂盘上焊有两片 “U”形引流弧板，在每个叶片（15）的外端安装有叶尖操纵小翼（9），同时叶尖操纵小翼（9）通过推杆和弹簧连接在叶片根部。

6.根据权利要求1所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于在变速箱（26）中还安装了分动油泵驱动齿轮（31），分动油泵齿轮轴下部通过一个牙嵌离合器（32）与分动机油泵（30a）轴接，分动机油泵（30a）通过油管连接在储能缸组的管路上；来自于常合齿轮机油泵（30）工作用高压油经换向开关（36），通过调压限压阀（33）和管路，一路接通电机组油马达（35），另一路由管路接接入储能油缸组（41）的管路A中；同时经换向开关后的分流油用管路接入储能缸组的管路A中构成储能装置。

7.根据权利要求6所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于储能油缸组（41）的每个油缸中装有自紧自封高压塞（44），自紧自封高压塞（44）的圆心处固接有塞轴（45），塞轴（45）在缸内的部分套有回位弹簧（46）。

8.根据权利要求6或7所述的塔式卧叶液压储能风力发电机，其特征在于从储能油缸组（41）用管路接通到塔外机组油马达（52），塔外机组油马达（52）与发电机组轴接，发电后的低压油由管路C再接通到低压油罐（47）中，就构成了利用储能装置发电的设备。