CN107503888B - 风电能源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风电能源装置，用于解决现有风电能源装置电能输出稳定性差的技术问题。技术方案是风力涡轮、压缩系统、存储系统、逻辑控制系统、涡轮发电机和内燃机。所述风力涡轮由外界自然风带动旋转，所述压缩系统机通过能量分配器和转轴与风力涡轮相连，将风力涡轮的机械能转化为高压气体的势能。所述存储系统用于存储高压气体并通过管道和流量控制阀将高压气体引入涡轮发电机，驱动其发电。所述逻辑控制系统可以控制压缩系统中空气压缩机工作的数量以及内燃机的工作与否，保证了发电机能够稳定的输出预定的电能。所述内燃机通过离合器和涡轮发电机相连，通过逻辑控制系统的控制来参与发电，保证了电能的稳定输出。

Description

风电能源装置
技术领域
本发明属于风电领域，特别是涉及一种风电能源装置。
背景技术
风力发电是电力产业中迅速发展的一支。传统的风电能源装置常利用风力涡轮驱动空气压缩机产生高压气体并储存于高压气罐中，通过高压气体推动涡轮发电机旋转，来为电力网提供电力。需要特别注意的是，传统的风电能源装置仍存在一些不足之处。比如，风速的自然变化会造成输出的电能不稳定。在一个精细的风电能源装置中，风速变化将导致存储系统中高压气体压力发生变化，进而导致发电机产生的电能不稳定。因为电能的销售需要提前24小时，所以如果风电能源装置所产生的电能不稳定的话，这将导致这部分电能在电力市场中难以销售。由此可以看出，市场对于能够稳定输出电能的风电能源装置的需求是长期存在的。
文献1“申请公布号是CN103075307A的中国发明专利”公开了一种能将风能转换成高压气体的风力压气储能装置。该装置包括机舱、塔架、塔基、风力涡轮、驱动轴和空气压缩机。该装置主要是利用风能驱动风力涡轮旋转，空气压缩机将风力涡轮的机械能转化为高压气体的势能，然后将能量储存起来。该装置结构简单、效率高，但无法实现多级控制。
文献2“申请公布号是CN105888982A的中国发明专利”公开了一种智能风电风力发电系统。该系统包括支架、风力涡轮、涡轮发电机、蓄电池和MCU控制芯片。该系统主要是利用外界自然风带动风力涡轮旋转，推动涡轮发电机发电，将电能同时储存于蓄电池中以供用户使用，但该系统电能输出不稳定。
发明内容
为了克服现有风电能源装置电能输出稳定性差的不足，本发明提供一种风电能源装置。该装置包括风力涡轮、压缩系统、存储系统、逻辑控制系统、涡轮发电机和内燃机。所述风力涡轮由外界自然风带动旋转，所述压缩系统机通过能量分配器和转轴与风力涡轮相连，将风力涡轮的机械能转化为高压气体的势能。所述存储系统用于存储高压气体并通过管道和流量控制阀将高压气体引入涡轮发电机，驱动其发电。所述逻辑控制系统可以控制压缩系统中空气压缩机工作的数量以及内燃机的工作与否，以保证发电机能够稳定的输出预定的电能。所述内燃机通过离合器和涡轮发电机相连，通过逻辑控制系统的控制来参与发电，以保证电能的稳定输出。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风电能源装置，其特点是包括风力涡轮12、压缩系统16、存储系统、逻辑控制系统、涡轮发电机42和内燃机50。所述的存储系统由风塔存储部分26和主存储部分30构成，风塔存储部分26由绝热外框20包围，主存储部分30是一个文氏管。风力涡轮12通过能量分配器14与压缩系统16相连，压缩系统16中若干空气压缩机79将风力涡轮12的机械能转化为高压气体的势能，并将产生的高压气体通过主管道24和喷嘴28转移至存储系统，再通过管道36和流量控制阀38转移给涡轮发电机42，驱动涡轮发电机42发电。所述的内燃机50通过内燃机离合器52与涡轮发电机42相连。转轴70通过空气压缩机离合器72与空气压缩机79相连。内燃机控制系统54和空气压缩机控制系统80分别控制内燃机离合器52和空气压缩机离合器72的连接与分离。所述的风力涡轮12由与大圆盘116相连的涡轮叶片114组成。大圆盘116绕轴120旋转。每个涡轮叶片114都有一个带有活塞124的汽缸122。每个活塞124都与杆126相连，杆126与小圆盘128相连。小圆盘128绕着机舱18内固定的支撑杆130旋转。当驱动风力涡轮12绕轴120旋转时，风力涡轮12及涡轮叶片114的旋转使得杆126及小圆盘128绕二级轴132旋转，杆126带动活塞124在汽缸122里做功。空气通过汽缸进气口134进入汽缸122。所述的逻辑控制系统由内燃机控制系统54和空气压缩机控制系统80构成。能量分配器14将风力涡轮12输送的能量分别传送给转轴70，每个转轴70上都带有一个离合器72和一个空气压缩机79。每个空气压缩机79上都留有空气进气口76和将高压气体输送到风塔存储区26的管道。空气压缩机控制系统80用于控制风力涡轮12和离合器72。
所述绝热外框20的材料是玻璃纤维。
本发明的有益效果是：该装置包括风力涡轮、压缩系统、存储系统、逻辑控制系统、涡轮发电机和内燃机。所述风力涡轮由外界自然风带动旋转，所述压缩系统机通过能量分配器和转轴与风力涡轮相连，将风力涡轮的机械能转化为高压气体的势能。所述存储系统用于存储高压气体并通过管道和流量控制阀将高压气体引入涡轮发电机，驱动其发电。所述逻辑控制系统可以控制压缩系统中空气压缩机工作的数量以及内燃机的工作与否，保证了发电机能够稳定的输出预定的电能。所述内燃机通过离合器和涡轮发电机相连，通过逻辑控制系统的控制来参与发电，保证了电能的稳定输出。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明风电能源装置的结构示意图。
图2是本发明电能源装置的逻辑控制示意图。
图3是图1中风力涡轮的结构示意图。
图4是图1中压缩系统的结构示意图。
图中，12-风力涡轮；14-能量分配器；16-压缩系统；18-机舱；19-方向控制系统；20-绝热外框；24-主管道；26-风塔存储部分；28-喷嘴；30-主存储部分；32-吼道；36-管道；38-流量控制阀；40-涡轮发电机涡轮；44-涡轮发电机轴；50-内燃机；52-内燃机离合器；54-内燃机控制系统；56-排气管道；58-热交换器；70-转轴；72-空气压缩机离合器；76-空气进气口；79-空气压缩机；80-空气压缩机控制系统；114-涡轮叶片；116-大圆盘；120-轴；122-汽缸；124-活塞；126-杆；128-小圆盘；130-支撑杆；132-二级轴；134-汽缸进气口。
具体实施方式
以下实施例参照图1～4。
本发明风电能源装置包括风力涡轮12、压缩系统16、存储系统的风塔存储部分26和主存储部分30、逻辑控制系统的内燃机控制系统54和空气压缩机控制系统80、涡轮发电机42和内燃机50。能量分配器14与风力涡轮12相连，而且可以从风力涡轮12中导出能量，将其传给压缩系统16，使其产生高压气体。这些高压气体具有很高的势能。高压气体的势能包括压力能和热能，因此压力的损失或热量的损失都将降低高压气体中的势能。机舱18中包含着压缩系统16，并且与方向控制系统19相连。方向控制系统19可以控制并转动机舱18，使其处在相对于风向最有利的位置。其中压缩系统16的绝热外框20是用绝热材料制成的，以减小压缩过程中高压气体的势能损失。主管道24将高压气体从压缩系统16转移到风塔存储部分26，并将接收过来的高压气体将通过喷嘴28从风塔存储部分26转移到主存储部分30。主存储部分30其实是一个文氏管，其中的高压空气将加速通过吼道32，而在风塔存储部分26中流动的高压气体也将加速通过喷嘴28。由于两种高压气体在加速的过程中都将压力势能转换成了动能，因此其压力必然会减小。然后这两种高压气体形成的组合流在主存储部分30的下游部分，由于其管道为扩张型管道因此又会将动能转换为压力势能。最终高压空气将流过导管36和流量控制阀38。流量控制阀38控制了流入到发电机42中的高压气体流量，高压空气做为第一部分能量，通过带动涡轮发电机42的涡轮40转动来产生电能。除此之外，涡轮发电机轴44上还通过内燃机离合器52连接了一个内燃机50，这个内燃机50将做为第二部分能量带动涡轮发电机涡轮40产生电能。内燃机50还包括一个具有绝热外框20的排气管道56。排气管道56将内燃机50的热废气引导到热交换器58上，它位于管道36处。热交换器58将热量从热废气转移到了高压空气，从而增加了高压气体的势能，并提高风电能源装置的效率。绝缘外框20在风电能源装置中很重要，因为它保证了系统本质上是一个绝热的系统，这样可以减少能量的损失。
能量分配器14将风力涡轮输送的能量传送给转轴70，每个转轴70上都带有一个空气压缩机离合器72和一个空气压缩机79。每个空气压缩机79上都有一个从外部环境吸入空气的空气进气口76和一个把高压气体输送到风塔存储部分26的管道。每个空气压缩机79应有85％的工作效率。它们都是平行排列的，以保证每个空气压缩机79都有一个独立的空气进气口76。也就是说，任何一个空气压缩机的空气进气口都不是与其他空气压缩机直接连接的，而是相互独立的。每一台空气压缩机79都能独立地为风塔储存部分26提供高压气体。压缩系统16中还包括有空气压缩机控制系统80，空气压缩机控制系统80与风力涡轮12和多数空气压缩机离合器72是相互连接的。当风速相对较高时，空气压缩机控制系统80就关闭了一组预定的空气压缩机离合器72，以获得预定压力的高压气体。当风速相对较低时，控制压缩系统80就打开了一组预定的空气压缩机离合器72，以获得预定压力的高压气体。
风力涡轮12由与大圆盘116相连的涡轮叶片114组成。大圆盘116将绕轴120旋转。每个涡轮叶片114都包含有一个带有活塞124的汽缸122。每个活塞124都与杆126相连，杆126又与小圆盘128相连。小圆盘128可以绕着机舱内固定的支撑杆130旋转。当风力驱动风力涡轮12绕轴120旋转，风力涡轮12及涡轮叶片114的旋转就会使得杆126及小圆盘128绕二级轴132旋转，所以杆126将带动活塞124在汽缸122里做功。空气通过汽缸进气口134进入汽缸122，活塞124通过对气体做功产生高压气体，高压气体通过管道流到风塔存储部分26。
本发明结构原理简单，主要采用了多级逻辑控制系统进行控制，通过对内燃机和空气压缩机的综合控制实现电能高效稳定的输出。

Claims (2)

1.一种风电能源装置，包括风力涡轮(12)、压缩系统(16)、存储系统、逻辑控制系统、涡轮发电机(42)，其特征在于：还包括内燃机(50)；所述的存储系统由风塔存储部分(26)和主存储部分(30)构成，风塔存储部分(26)由绝热外框(20)包围，主存储部分(30)是一个文氏管；风力涡轮(12)通过能量分配器(14)与压缩系统(16)相连，压缩系统(16)中若干空气压缩机(79)将风力涡轮(12)的机械能转化为高压气体的势能，并将产生的高压气体通过主管道(24)和喷嘴(28)转移至存储系统，再通过管道(36)和流量控制阀(38)转移给涡轮发电机(42)，驱动涡轮发电机(42)发电；所述的内燃机(50)通过内燃机离合器(52)与涡轮发电机(42)相连；转轴(70)通过空气压缩机离合器(72)与空气压缩机(79)相连；内燃机控制系统(54)和空气压缩机控制系统(80)分别控制内燃机离合器(52)和空气压缩机离合器(72)的连接与分离；所述的风力涡轮(12)由与大圆盘(116)相连的涡轮叶片(114)组成；大圆盘(116)绕轴(120)旋转；每个涡轮叶片(114)都有一个带有活塞(124)的汽缸(122)；每个活塞(124)都与杆(126)相连，杆(126)与小圆盘(128)相连；小圆盘(128)绕着机舱(18)内固定的支撑杆(130)旋转；当驱动风力涡轮(12)绕轴(120)旋转时，风力涡轮(12)及涡轮叶片(114)的旋转使得杆(126)及小圆盘(128)绕二级轴(132)旋转，杆(126)带动活塞(124)在汽缸(122)里做功；空气通过汽缸进气口(134)进入汽缸(122)；所述的逻辑控制系统由内燃机控制系统(54)和空气压缩机控制系统(80)构成；能量分配器(14)将风力涡轮(12)输送的能量分别传送给转轴(70)，每个转轴(70)上都带有一个空气压缩机离合器(72)和一个空气压缩机(79)；每个空气压缩机(79)上都留有空气进气口(76)和将高压气体输送到风塔存储部分(26)的管道。
2.根据权利要求1所述的风电能源装置，其特征在于：所述绝热外框(20)的材料是玻璃纤维。
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