CN106286138A - 一种可升降的气压储能型风力发电机组及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可升降的气压储能型风力发电机组及其发电方法，其技术方案主要包括：可升降的风力发电机和气压储能发电系统。风力发电机是风力机的三个桨叶依次通过齿环上的三个铰链点安装在齿环上，齿环安装在旋转升降套筒上的三个齿环支架上的三个齿环轴承中，气压储能发电系统是第一、第二空气压缩机产生的高压气体分别经第一单向阀、第二单向阀后串联，并传送到地面，再经冷却器、空气过滤器、第一截止阀进入到稳压罐中；本发明的风力发电机组不仅能实现整体风力机的升降，使维修更为方便，而且提供了多台空气压缩机与气压储能相结合的新型风力发电方式，同时提供了该发电机组的发电方法。

Description

一种可升降的气压储能型风力发电机组及其发电方法

技术领域

本发明属于风力发电及储能技术领域，尤其涉及一种可升降的气压储能型风力发电机组及其发电方法。

背景技术

作为可再生、绿色清洁的风力发电，越来越受到世界各国的普遍重视和发展。风力发电的方式以及风力发电技术也呈现出多样性，尤其近年来，随着海上风力发电大规模的开发利用、单机装机容量不断增大，但随之而来的风力发电机组机舱重量、维修成本、发电机组可靠性等问题，也越来越制约着机组的大型化发展，另外，风能的不稳定性、间歇性也极大的影响着风电质量。有效降低风力发电成本、提高风电机组可靠性、提高风电质量已成为风力发电的关键问题之一。

就目前现场使用的齿轮箱增速异步发电机组和直驱永磁同步发电机组而言，齿轮箱不仅限制了风力发电机组的大型化，而且增加了成本、降低了机组可靠性，据报道，齿轮箱的使用寿命一般为20年左右，且更换2MW风力机的齿轮箱需要50万美元和一周的维修时间。直驱式风力发电机组虽然省略了齿轮箱，但发电机需要更高的极对数，这极大的增加了发电机半径，并且昂贵的永磁稀土材料也增加了发电机组的制造成本。新型的液压型变速恒频风力发电技术虽能有效的解决了上述问题，但需要的大量工作介质和复杂的控制方法，且液压传动又极易造成二次污染。

因此，研发一种可升降的气压储能型风力发电机组，不仅能有效提高风力发电机组的可靠性、降低维修成本，而且能极大地能提高风电质量。查阅资料，专利CN201010567771（移动升降式风力发电站）包括有地面移动部分和空中移动部分，风力发电机的风叶固定在支架的上端与支架连接的支架升降装置，控制器接受风速检测装置的信号，并控制支架的升降。该专利实现了小型风力发电机叶片的自动升降，但并不适合当前水平轴式的大型风力发电机组，所采用的升降方式并不能实现风力机整体的升降，且传统的风力发存在的问题依然没有解决；专利CN1277323A（风力储能动力发电方法及其风力储能动力设备）改变了现行风力发电系统中发电功率与自然风速之间的关系，并能存储风能、扩大风速范围，解决了传统风力发电存不稳定等问题，但并没有考虑到风力机升降，不能有效解决风力机零部件维修问题，而且采用的空气压缩机仍需要通过带传动增速，所采用储能方式也需要通过多级储能气缸储能，释能的过程还需要通过减压气缸减压，虽然稳定了工作压力，但所需设备过多，致使风力发电系统效率较低、能量损失过大。

发明内容

为了有效解决当前风力发电机组存在的问题，本发明提供了一种结构简单、风力机整体可升降的气压储能型风力发电机组及其发电方法。本发明的风力发电机组不仅能实现整体风力机的升降，使维修更为方便，而且提供了多台空气压缩机与气压储能相结合的新型风力发电方式，同时，本发明也提供了该发电机组的发电方法。

为实现上述目的，本发明一种可升降的气压储能型风力发电机组及其发电方法的技术方案主要包括：可升降的风力发电机和气压储能发电系统。

所述可升降的风力发电机包括：风力机基础座、支撑柱、导向导轨、升降套筒、上轴承、下轴承、上固定座、下固定座、上吊架、下支撑架、旋转升降套筒、第一小齿轮、第二小齿轮、第一压空气缩机、第二空气压缩机、齿环、钢丝绳、前吊环、后吊环、前滑轮、后滑轮、提升机、齿环支架、齿环轴承等；气压储能发电系统包括：第一单向阀、第二单向阀、冷却器、空气过滤器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、稳压罐、第一压力表、第二压力表、储气罐、风速测量计、第一压力传感器、第二压力传感器、电磁换向阀、气动马达、发电机以及控制器等。

所述可升降的风力发电机是风力机的三个桨叶依次通过齿环上的三个铰链点安装在齿环上，齿环安装在旋转升降套筒上的三个齿环支架上的三个齿环轴承中，同时在旋转升降套筒上下各安装有上固定座、下固定座，上固定座又安装着上吊架、第一空气压缩机，下固定座安装着下支撑架、第二空气压缩机，其中上吊架安装有第一小齿轮，下支撑架安装有第二小齿轮，且第一、第二小齿轮都与齿环啮合，并通过联轴器分别与第一空气压缩机、第二空气压缩机连接。旋转升降套筒经升降套筒外的上轴承、下轴承安装在升降套筒上，升降套筒通过固定在支撑柱上的导向导轨安装在支撑柱上。钢丝绳经安装在升降套筒上的前、后吊环和安装在支撑柱顶端的前、后滑轮与安装在风力机底座内部的提升机连接。

所述的气压储能发电系统是第一、第二空气压缩机产生的高压气体分别经第一单向阀、第二单向阀后串联，并传送到地面，再经冷却器、空气过滤器、第一截止阀进入到稳压罐中，稳压罐出口高压气体依次通过第一压力表、第一压力传感器、第二截止阀，然后分成两条支路，一路直接经第三截止阀与气动马达连接，气动马达经联轴器与发电机连接；一路经电磁换向阀、第二压力传感器、第二压力表、储气罐依次连接。所述的第一压力传感器、第二压力传感器、电磁换向发、第三截止阀和安装在发电机端部的风速测量计分别通过信号线与控制器连接。

采用上述组成的可升降气压储能型风力发电机组的发电方法主要包括以下几个步骤：

A. 风力机桨叶在风能作用下，带动齿环旋转运动同时带动与齿环相啮合的两个小齿轮转动，两个小齿轮分别通过联轴器带动第一、第二压缩机产生高压气体，从而实现风能转换为气压能量的过程。

B. 高压气体经第一单向阀、第二单向阀后串联连接，并通过安装在地面上冷却器、空气过滤器、第一截止阀进入到稳压罐中。稳压罐气体依次通过第一压力表、第一压力传感器、第二截止阀后，分为两条支路，一路直接经第三截止阀进入气动马达，并带动发电机直接发电，从而实现将气压能转变为电能；一路经电磁换向阀、第二压力传感器、第二压力表存储到储气罐中；

C. 当风速测量计显示低于3m/s、第二压力表显示气体压力高于第一压力表值时，控制器控制电磁换向阀接通，储气罐释能并与稳压罐出口气体一起供给气动马达，气动马达带动发电机发电；当风速测量计显示低于3m/s、第二压力表压力气体又等于第一压力表值时，控制器控制电磁换向发断开，同时关闭第二截止阀，气动马达不工作；

D. 当风速测量计显示3-10m/s时，控制器控制电磁换向阀断开，稳压罐内的气体直接供给气动马达带动发电机发电；当风速测量计显示10-24m/s时，控制器控制电磁换向阀接通，稳压罐出口的高压气体一部分进入储气罐内储能，一部分带动气动马达进行发电；

E. 当风力机叶片、空气压缩机、齿轮等需要检修时，升降套筒和旋转套筒在提升机的作用下，沿支撑柱的导轨下移动，旋转套筒可根据风向沿升降套筒调整风力机的方向，风力机叶片可沿齿环上的交接点转动，获取最大风能。在稳压罐需要检修时，关闭第一截止阀；在储气罐检修时关闭第二截止阀。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

1）采用齿环带动小齿轮的发电方式，不仅省略了增速齿轮箱、极大的简化了风力发电机的结构，更可有效的提高风力机的可靠性。齿环带动小齿轮的发电方式，不仅还可以实现齿环带动二台空气压缩机发电方式，还可安装多台空气压缩机或直接安装多台发电机进行发电。

2）风力机固定在升降套筒上，可以实现风力机整体的升降，极大的降低了风力机高空作业的维修成本。其可旋转升降套筒的结构，可以实现风力机自动对风功能，简化了风力机结构，尤其简化了大型水平轴式风力发电机自动对风机构。

3）采用柔性的气压传动风力发电方式，不仅可以有效减轻机舱重量、解决传统风力发电系统的齿轮箱等所带来的问题，还能实现地面发电、达到真正的绿色发电目的。

4）本发明将气压储能装置引入到发电系统中，不仅能有效的改善风电的随机性、不稳定性、极大的提高风电质量，还能扩大风能利用范围，弥补气压传动效率较低的问题。并且，相同结构的气压储能型多机组组成的风力发电场，可以实现集中发电的目的，解决了风电场单台机组并网出现的问题。

附图说明

图1是本发明的一种可升降风力发电机结构示意图；

图2是本发明的气压储能型风力发电机组发电方法流程图。

图中：1.桨叶； 2.铰接点；3.上轴承；4.前吊环；5.前滑轮；6.钢丝绳；7.上固定座；8.上吊架；9.第一空气压缩机；10.第一小齿轮；11.齿环；12.齿环支架；13.旋转升降套筒；14.升降套筒；15.导轨；16.提升机；17.风力机基础座；18.支撑柱；19.下轴承；20.下固定座；21.下支撑架；22.第二空气压缩机；23.第二小齿轮；24.齿环轴承；25.后滑轮；26.后吊环；27.风速测量计；28.第一单向阀；29.第二单向阀；30.冷却器；31.空气过滤器；32.第一截止阀；33.稳压罐；34.稳压罐排污阀；35.第一压力表；36.第一压力传感器；37.第二截止阀；38.储气罐；39.第二储气罐排污阀；40.第二压力表；41.第二压力传感器；42.电磁换向阀；43.控制器；44.第三截止阀；45.气动马达；46.发电机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明专利涉及的一种可升降的气压储能型风力发电机组及发电方法中所述的可升降风力发电机结构示意图如图1所示，其中，风力机桨叶1依次通过铰接点2安装在齿环11上，齿环11安装在旋转升降套筒13上的三个齿环支架12端部的三个齿环轴承24中，同时，旋转升降套筒13上、下各安装有上固定座7、下固定座20，上固定座7前端安装着上吊架8，后端安装着第一空气压缩机9，上吊环架8下端安装有第一小齿轮10，第一小齿轮10与齿环11啮合并经联轴器与第一空气压缩机9连接；下固定座20前端安装着下支撑架21，后端安装着第二空气压缩机22，下支撑架21上端安装有第二小齿轮23，第二小齿轮23与齿环11啮合并经联轴器与第二控制压缩机22连接。旋转升降套筒13的上、下两端分别经安装在升降套筒14上的上轴承3、下轴承19与升降套筒14连接。升降套筒14经固定在支撑柱18上的导向导轨15安装在支撑柱18上。升降套筒14通过安装在其上端的前吊环4、后吊环26与钢丝绳6连接，钢丝绳6通过分别通过安装在支撑柱18顶端前滑轮5、后滑轮25后，与安装在风力机底座17内部的提升绞车16相连。

本发明专利涉及的一种可升降的气压储能型风力发电机组及发电方法所述的气压储能发电系统如图2所示，其中，第一空气压缩机9、第二空气压缩机22产生的高压气体分别经第一单向阀28、第二单向阀29后串联，并传送到地面，经冷却器30、空气过滤器31、第一截止阀32进入到稳压罐33中，稳压罐33出口高压气体依次通过第一压力表35、第一压力传感器36、第二截止阀37，然后分成两条支路，一路直接经第三截止阀44、气动马达45与发电机46连接；一路经电磁换向阀42、第二压力表40、第二压力传感器41、储气罐38依次连接。所述的第一压力传感器36、第二压力传感器41、电磁换向发42、第三截止阀44和安装在风力机端部的风速测量计27分别通过信号线连接到控制器43。

采用上述组成的可升降气压储能型风力发电机组的发电方法主要包括以下几个步骤：

A. 风力机桨叶1在风能作用下，带动齿环11旋转运动，同时带动与齿环11相啮合的第一小齿轮10、第二小齿轮23转动，两个小齿轮分别通过联轴器带动第一空气压缩机9、第二压缩机22产生高压气体，从而将风能转换为气压能。

B. 高压气体经第一单向阀28、第二单向阀29后串联连接并传送到地面，再通过冷却器30、空气过滤器31、第一截止阀32进入到稳压罐33中。气体压力稳定后，依次通过第一压力表35、第一压力传感器36、第二截止阀后37，分为两条支路，一路直接经第三截止阀44进入气动马达45，气动马达45带动发电机46直接发电；一路经电磁换向阀42、第二压力表40、第二压力传感器41进入到储气罐38中；

C. 当风速测量计27显示低于3m/s、第二压力表40显示气体压力高于第一压力表35值时，控制器43控制电磁换向阀42接通，储气罐38释能并与第二截止阀37出口气体一起供给气动马达45；当风速测量计27显示低于3m/s、第二压力表压力40气压又等于第一压力表35值时，控制器43控制电磁换向阀42断开，同时关闭第二截止阀37，气动马达45不工作；

D. 当风速测量计27显示3-10m/s时，控制器43控制电磁换向阀42断开，稳压罐33内的气体直接供给气动马达45带动发电机46发电；当风速测量计27显示10-24m/s时，控制器43控制电磁换向阀42接通，第二截止阀37出口压力空气一部分进入储气罐38内储能，一部分带动气动马达45进行发电；

E. 当风向发生变化时，旋转升降套筒13在风力作用下，沿着升降套筒14的上轴承3和下轴承19转动，并自动对风；当风力机组等需要检修时，旋转升降套筒13随着升降套筒14在提升机16的带动下，沿支撑柱18的导向导轨15向下移动，带检修完成后，再随提升机14上移至风力机发电位置；风力机的三个桨叶1可沿齿环11上的交接点2转动，用于调整桨叶角。当稳压罐33需要检修时，关闭第一截止阀32，并且稳压罐33中的沉淀物从稳压罐排污阀34排出；当储气罐38需要检修时关闭第二截止阀37，储气罐38中的沉淀物从储气罐排污阀39排出。当气动马达45、发电机46需要检修时，控制器43控制第三截止阀44关闭。

最后说明的是：以上实施例仅用来说明本专利的技术实施方案而非限制。对本专利的技术方案进行修改或等同替换、不脱离本专利技术方案的宗旨和范围的，均应涵盖在本专利的权利要求范围内。

Claims (3)

1.一种可升降的气压储能型风力发电机组，其特征在于，包括可升降的风力发电机和气压储能发电系统；

所述可升降的风力发电机包括：风力机基础座、支撑柱、导向导轨、升降套筒、上轴承、下轴承、上固定座、下固定座、上吊架、下支撑架、旋转升降套筒、第一小齿轮、第二小齿轮、第一压空气缩机、第二空气压缩机、齿环、钢丝绳、前吊环、后吊环、前滑轮、后滑轮、提升机、齿环支架、齿环轴承；气压储能发电系统包括：第一单向阀、第二单向阀、冷却器、空气过滤器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、稳压罐、第一压力表、第二压力表、储气罐、风速测量计、第一压力传感器、第二压力传感器、电磁换向阀、气动马达、发电机以及控制器；

所述可升降的风力发电机是风力机的三个桨叶依次通过齿环上的三个铰链点安装在齿环上，齿环安装在旋转升降套筒上的三个齿环支架上的三个齿环轴承中，同时在旋转升降套筒上下各安装有上固定座、下固定座，上固定座又安装着上吊架、第一空气压缩机，下固定座安装着下支撑架、第二空气压缩机，其中上吊架安装有第一小齿轮，下支撑架安装有第二小齿轮，且第一、第二小齿轮都与齿环啮合，并通过联轴器分别与第一空气压缩机、第二空气压缩机连接；旋转升降套筒经升降套筒外的上轴承、下轴承安装在升降套筒上，升降套筒通过固定在支撑柱上的导向导轨安装在支撑柱上；钢丝绳经安装在升降套筒上的前、后吊环和安装在支撑柱顶端的前、后滑轮与安装在风力机底座内部的提升机连接。

2.根据权利要求1所述的一种可升降的气压储能型风力发电机组，其特征在于，气压储能发电系统是第一、第二空气压缩机产生的高压气体分别经第一单向阀、第二单向阀后串联，并传送到地面，再经冷却器、空气过滤器、第一截止阀进入到稳压罐中，稳压罐出口高压气体依次通过第一压力表、第一压力传感器、第二截止阀，然后分成两条支路，一路直接经第三截止阀与气动马达连接，气动马达经联轴器与发电机连接；一路经电磁换向阀、第二压力传感器、第二压力表、储气罐依次连接；所述的第一压力传感器、第二压力传感器、电磁换向发、第三截止阀和安装在发电机端部的风速测量计分别通过信号线与控制器连接。

3.一种可升降的气压储能型风力发电机组的发电方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

A. 风力机桨叶在风能作用下，带动齿环旋转运动同时带动与齿环相啮合的两个小齿轮转动，两个小齿轮分别通过联轴器带动第一、第二压缩机产生高压气体，从而实现风能转换为气压能量的过程；

B. 高压气体经第一单向阀、第二单向阀后串联连接，并通过安装在地面上冷却器、空气过滤器、第一截止阀进入到稳压罐中；稳压罐气体依次通过第一压力表、第一压力传感器、第二截止阀后，分为两条支路，一路直接经第三截止阀进入气动马达，并带动发电机直接发电，从而实现将气压能转变为电能；一路经电磁换向阀、第二压力传感器、第二压力表存储到储气罐中；

C. 当风速测量计显示低于3m/s、第二压力表显示气体压力高于第一压力表值时，控制器控制电磁换向阀接通，储气罐释能并与稳压罐出口气体一起供给气动马达，气动马达带动发电机发电；当风速测量计显示低于3m/s、第二压力表压力气体又等于第一压力表值时，控制器控制电磁换向发断开，同时关闭第二截止阀，气动马达不工作；

D. 当风速测量计显示3-10m/s时，控制器控制电磁换向阀断开，稳压罐内的气体直接供给气动马达带动发电机发电；当风速测量计显示10-24m/s时，控制器控制电磁换向阀接通，稳压罐出口的高压气体一部分进入储气罐内储能，一部分带动气动马达进行发电；

E. 当风力机叶片、空气压缩机、齿轮等需要检修时，升降套筒和旋转套筒在提升机的作用下，沿支撑柱的导轨下移动，旋转套筒可根据风向沿升降套筒调整风力机的方向，风力机叶片可沿齿环上的交接点转动，获取最大风能；在稳压罐需要检修时，关闭第一截止阀；在储气罐检修时关闭第二截止阀。