CN108953051A - 自主聚能储能一体化风力发电系统、风力发电电网 - Google Patents

自主聚能储能一体化风力发电系统、风力发电电网 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自主聚能储能一体化风力发电系统、风力发电电网(作为发电单元运行)，聚能装置包括聚风管道、主动叶轮、传动单元和空气压缩叶轮，主动叶轮可转动地安装在聚风管道的进风口，空气压缩叶轮可转动地安装在聚风管道内；储能调压装置包括储能罐和风压调节组件，储能罐的进风口与聚风管道的出风口连接，储能罐的出风口的端部设有风压调节舱和风压调节组件。本发明的有益效果为：能主动的将大气中的风能更高效聚拢在一起，增强发电能力；能在任何风速下开始工作；能将聚拢的风能储存；通过控制风力发电的出力，让风电对电网更友好，不是所谓的“垃圾电”，使人类可以更高效方便的利用风能。

Description

自主聚能储能一体化风力发电系统、风力发电电网
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种自主聚能储能一体化风力发电系统、风力发电电网。
背景技术
长期以来，人类对风能的利用在不断的改进着，特别是大型风力发电机的出现，使风能的利用效率达到了空前的。风力发电在我们日常的生活中发挥着及其重要的作用。
但是，风力发电的一个显著特点是其随机波动性，这种波动性会对电网的安全和经济运行产生极大的影响。
然而，风力发电以其低碳高效的特性在我们的能源结构中占有及其重要的地位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自主聚能储能一体化风力发电系统、风力发电电网，用以解决现有风力发电的波动性对电网的安全和经济运行产生极大的影响的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
本发明第一方面公开了一种自主聚能储能一体化风力发电系统，包括：
聚能装置，包括聚风管道、主动叶轮、传动单元和空气压缩叶轮，所述主动叶轮可转动地安装在所述聚风管道的进风口，所述空气压缩叶轮可转动地安装在所述聚风管道内，所述主动叶轮与所述空气压缩叶轮之间通过所述传动单元传动连接，所述空气压缩叶轮的转速大于所述主动叶轮的转速；
储能调压装置，包括储能罐和风压调节组件，所述储能罐的进风口与所述聚风管道的出风口连接，所述储能罐的出风口的端部设有风压调节舱，所述风压调节舱上安装有所述风压调节组件，以调节所述储能罐中进入所述风压调节舱的风压；以及，
风力发电装置，安装在所述储能罐的出风口的后端，利用从所述储能罐后端的风压调节舱的出风口吹出的风发电。
进一步的，所述风压调节组件包括：
风压调节壳体，所述风压调节壳体具有开口和与所述开口连通的风压调节腔，所述风压调节壳体的开口密封地安装在所述风压调节口，所述风压调节腔位于所述储能罐的外部；
风压储能活塞，气密地安装在所述风压调节腔的侧壁；以及，
风压储能弹性构件，设置在所述风压储能活塞与所述风压调节腔的底部之间。
进一步的，所述风力发电装置包括依次传动连接的汽轮机、变速箱和发电机组，所述汽轮机由从所述风压调节舱吹出的风驱动。
优选的，上述的自主聚能储能一体化风力发电系统还包括控制装置，所述风压调节舱的出风口与所述风力发电装置之间安装有风力控制装置，所述控制装置与所述风力控制装置的控制端信号连接，以调节从所述风压调节舱的出风口喷出的空气的流量和压力。
进一步的，所述控制装置集成有定位模块和通信模块，以分别获取所述自主聚能储能一体化风力发电系统的安装位置、该安装位置下的风力预报数据。
进一步的，上述的自主聚能储能一体化风力发电系统还包括信号输出端与所述控制装置通信连接的风动能数据获取传感器，所述主动叶轮前的所述聚风管道内、所述空气压缩叶轮后的所述聚风管道内、所述储能罐的出风口中的至少一处安装有所述风动能数据获取传感器。
优选的，所述风动能数据获取传感器包括空气密度传感器和风速传感器。
进一步的，上述的自主聚能储能一体化风力发电系统还包括控制端与所述控制装置信号连接的第一控制阀，所述第一控制阀为止逆阀，所述第一控制阀安装在所述聚风管道靠近所述储能罐的端部；并且/或者，
还包括控制端与所述控制装置信号连接的第二控制阀，所述第二控制阀为止逆阀，所述储能罐能固定有调压挡板，所述调压挡板位于所述储能罐的出风端，所述第二控制阀安装在所述调压挡板上以调节所述调压挡板两侧的气压。
本发明第二方面公开了一种风力发电电网，包括控制器和多个上述任一技术方案所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，每个所述控制装置均与所述控制器通信连接。
本发明具有如下优点：
能主动的将大气中的风能更高效聚拢在一起，增强发电能力；能在任何风速下开始工作；能将聚拢的风能储存；通过控制风力发电的出力，让风电对电网更友好，不是所谓的“垃圾电”，使人类可以更高效方便的利用风能。
本发明不仅能更经济高效的捕捉风能，提高了发电机的使用效率，从而能降低发电成本。更为重要的是它的出力的可控性，极大地减轻了电网电力平衡的难度。为其发展提供了巨大的空间。
由于每个发电单元的发电量能够人为的控制，由这些发电单元组成的电网的输出电量也是能人为控制的，这种“电网”(作为供电电源)对社会电网是友好的！为广泛利用风电提供了最好的解决方案！
能彻底改变风电“疯”的特性，常规风电的发电数量因风的变化无常而随时波动，这种波动性会给电网造成很多问题，因而风电也被称为”垃圾电“。本发电系统可以人为控制发电量的相对稳定，为电网的安全经济运营提供了保证，也为社会广泛利用风能提供了条件。另外，常规风力发电机均有“弃风”问题(在切入风速以下和切出风速以上都是不发电的)，而我们的发电系统能将所有风能收集起来加以利用，风能的转换效率大大的提高了。所以说这项发明是颠覆性的，革命性的！
由于不再需要额外的储能系统来减少弃风，这个系统为在风力集中的区域发展集中式(风力资源好，土地成本低，规模效益高，发电成本低)的风电创造了条件，为我们更高效的更多的利用风能创造了良好条件。
附图说明
图1为本发明所述的自主聚能储能一体化风力发电系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明所述的风力发电电网的控制图。
图中：
110、聚风管道；120、主动叶轮；130、传动单元；140、空气压缩叶轮；
210、储能罐；211、风压调节口；212、储能罐的进风口；213、储能罐的出风口；214、风压调节舱；215、调压挡板；
310、风压储能活塞；320、圆柱螺旋弹簧；330、风压调节壳体；331、风压调节腔；
410、汽轮机；420、变速箱；430、发电机组；
510、风力控制装置；520、第一控制阀；530、第二控制阀；
600、偏航法兰；
700、支架。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例公开了一种自主聚能储能一体化风力发电系统，参见图1，其包括：
聚能装置，包括聚风管道110、主动叶轮120、传动单元130和空气压缩叶轮140，主动叶轮120可转动地安装在聚风管道110的进风口，在从聚风管道110的进风口来的风的作用下主动叶轮120转动，空气压缩叶轮140可转动地安装在聚风管道110内，主动叶轮120与空气压缩叶轮140之间通过传动单元130传动连接，从而带动空气压缩叶轮140转动，设置传动单元130的传动比可使得空气压缩叶轮140的转速大于主动叶轮120的转速，由主动风轮在风力的作用下旋转，通过传动单元130带动空气压气叶轮高速转动，将空气压缩叶轮140前、主动叶轮120后的空气快速抽空，并将其吹入储能罐210中。由于主动叶轮120在受到风力的作用开始旋转做功，其后面的空气压力较其前面的空气压力变小，这个压差促进主动叶轮120前的空气加速进入，这种加速的空气一方面增强了主动叶轮120的转动速度，另一方面，会造成主动叶轮120前面的空气压力小于其外围的空气压力，因此，受到“吸引”的空气就会流向主动叶轮120。由此，就产生了空气的聚集效应，也就是聚(空气)能的效应，另外该传动单元130可以选用变速箱，具体地可选用电磁耦合变速箱；
储能调压装置，包括储能罐210和风压调节组件，储能罐的进风口212与聚风管道110的出风口连接，以接纳从聚风管道110出来的空气并加以存储，储能罐的出风口的端部设有风压调节口211和风压调节组件，以调节储能罐中的风压，通过风压调节组件调节储能罐210中的风压，以保证储能罐210内压力的稳定；以及，
风力发电装置，安装在储能罐的出风口的后端，利用从储能罐210的出风口吹出的风发电。
另外，聚能装置具有偏航功能入风口随风向变化而变化。即，当风向变化时，入风口做出相应转动，以使得入风口始终正对风向，以最大化地使尽可能多的风经入风口进入聚风管道。
为了更好的聚拢风，聚风管道110的进风口设置成向远离聚风管道110的方向敞开的开口状，使得较小风速也能驱动主动叶轮120转动，从而使得在较小风速下就可以工作。
储能罐210的储能功能是由压力储能器(如弹簧储能方式)来完成的。
实施例2
在实施例1的基础上，风压调节组件的一种结构，其包括：
风压调节壳体330，风压调节壳体330具有连通至储能罐210的风压调节腔331，风压调节壳体330的开口密封地安装在风压调节口211，风压调节腔331位于储能罐的外部，风压调节壳体330倒扣在风压调节口211上；
风压储能活塞310，气密地安装在风压调节腔331的侧壁，通过活塞在风压调节腔331内沿风压调节腔331的轴线方向往复运动，以调节活塞、风压调节腔331与储能罐所围成的空间的容积，从而起到对该空间内的空气压力进行调节的目的；以及，
风压储能弹性构件，设置在风压储能活塞310与风压调节腔331的底部之间，通过风压调节构件的变形来实现活塞位置的调节，风压调节构件的具体结构可以灵活选型，只要其满足通过自身伸缩来实现调节活塞的位置即可，风压调节构件的一种结构为圆柱螺旋弹簧320，由于圆柱螺旋弹簧320并不能提供径向力，因此，当选用圆柱螺旋弹簧320时，为了防止活塞的侧面(摩擦面)与风压调节腔331的侧壁之间形成夹角(该夹角不利于活塞的往复滑动、甚至会出现卡死现象，造成风压调节失灵)，圆柱螺旋弹簧320的数量为多个，多个圆柱螺旋弹簧320以风压调节腔331的轴线为轴线周向均匀布置，从而使得在多个圆柱螺旋弹簧320的作用下产生径向力，以保证活塞的侧面始终与风压调节腔331的侧壁始终贴合，从而利于活塞的往复运动。
此处，为了提高本发明的调节能力，可以采用增大风压调节壳体330的容积(即将改变风压调节壳体330的大小)或者改变其数量来进行。风压调节壳体330的数量可以为一个，也可以为两个及两个以上，同时，风压调节壳体330可以竖直布置(风压储能活塞310沿竖直方向往复运动)也可以水平布置(风压储能活塞310沿水平方向往复运动)。
风力发电装置的一种结构为：其包括依次传动连接的汽轮机410、变速箱420和发电机组430，汽轮机410由从风压调节舱214吹出的风驱动。在从储能罐的出风口213出来的压力较高的风的作用下汽轮机410转动，通过变速箱420带动发电机组430工作，从而完成风力发电的作业。
另外，自主聚能储能一体化风力发电系统还包括支架700和偏航法兰600。出于安装的考虑，储能罐210、聚风管道110均安装在支架700上，支架700的底端抵接在地面等安装基础上，为了固定储能罐210，支架700上设置有与储能罐210适应的安装通孔，以保证储能罐牢固固定；由于储能罐水平布置，为了最大化地聚风聚风管道110的进风口的一端也水平布置，因此聚风管道110的出风口需要经过弯折后从上部连接至储能罐，因此，支架700上同样设置与固定聚风管道110的进风口一端适应的安装通孔，以牢固固定聚风管道110。另外聚风管道110通过上部连接至储能罐，使得经空气压缩叶轮140加速过的风得到缓冲后才进入储能罐，避免对储能调压装置造成瞬间冲击，利于系统的平稳工作。
另外，为了方便将聚风管道110安装到储能罐上，聚风管道110与储能罐之间通过法兰连接，当选用偏航法兰600时聚风管道110的左侧与储能罐的进风口212的左侧平齐，聚风管道110的右侧相对储能罐的右侧向左偏离，使得当储能罐210设置在左侧时，空气自储能罐的左侧填满后才向右流动，利于气流的流动，即空气在储能罐的流动方向只有一个，从左向右，空气的流动截面面积为储能罐的横截面积，避免空气经储能罐210进入后向左右两个方向(空气的流动截面面积为储能罐的横截面积的两倍)流动，当空气密度变化时单一方向流动相比双向(向左右两个方向)流动能带来更小的波动，进一步利于储能调压装置平稳、可靠工作。
实施例3
在实施例1或2的基础上，自主聚能储能一体化风力发电系统还包括控制装置，储能罐的出风口213与风力发电装置之间安装有风力控制装置510，控制装置与风力控制装置510的控制端信号连接，以调节从储能罐的出风口213喷出的空气的流量和压力。通过调节风力控制装置510控制空气的流量和压力，以便风力发电机的出力在一定的时间范围内保持稳定。风力控制装置210为电控阀。
控制装置集成有定位模块和通信模块，以分别获取自主聚能储能一体化风力发电系统的安装位置、该安装位置下的风力预报数据。通过获取到的、该安装位置下的风力预报数据调节风力控制装置510的开度，以达到调节储能罐内的压力和风力发电装置的发电功率。通过相关区域大气风功率预测；推定集能器入口空气量及空气能(与速度成正比)；叠加上储气罐中的空气能量，可以预设排气量和流速，以使风力控制装置510在相应的时间按照预设好的排气量和流速进行工作，以便保持风力发电装置的出力稳定。
实施例4
在实施例1、2或3的基础上，自主聚能储能一体化风力发电系统还包括信号输出端与控制装置通信连接的风动能数据获取传感器，主动叶轮120前的所述聚风管道110内、空气压缩叶轮140后的所述聚风管道110内、储能罐内与风压调节口211保持间距的位置、储能罐内与所述风压调节口211对应的位置、储能罐的出风口213中的至少一处安装有风动能数据获取传感器，以分别获取相应位置的风动能数据，获取后将该动能数据发送至控制装置，由控制装置计算出相应位置的风的动能，具体计算方式采用风动能计算公式：E＝1/2ρtsu3，其中ρ为空气密度，单位为kg/m3，t为时间，单位为s，s为风流经的横截面积(为固定数值，为风动能数据获取传感器安装处的横截面的面积)，单位为m2，u为风速，单位为m/s。控制装置计算出相应位置的风动能后，调节风力控制装置510的开度，以完成自动控制的闭环，使得系统可自动采集数据并根据数据完成自动调节。
风动能数据获取传感器包括空气密度传感器和风速传感器。同时其还可包括风压传感器和湿度传感器。以分别获取相应位置的风压和湿度数据。同时，可根据相应位置的风压和湿度自动调节风力控制装置510的开度。
自主聚能储能一体化风力发电系统还包括控制端与控制装置信号连接的第一控制阀520，第一控制阀520为止逆阀，第一控制阀520安装在聚风管道110靠近储能罐的端部。通过自动调节第一控制阀520的开度，对流入储能罐中的气流起到缓冲作用，防止气流突变影响系统稳定、可靠工作；并且/或者，
还包括控制端与控制装置信号连接的第二控制阀530，第二控制阀530为止逆阀，储能罐210能固定有调压挡板215，调压挡板215位于风压调节口211后，第二控制阀530安装在调压挡板215上以调节调压挡板215两侧的气压，调压挡板215与储能罐的出风口213之间形成调压舱214，进一步对气流起到缓冲作用，对气流的动态平衡实时控制，以进一步解决风能的不确定性。
实施例5
本实施例第一方面公开了一种风力发电电网，参照图2，其包括控制器和多个实施例1-4中任一项的自主聚能储能一体化风力发电系统，每个控制装置均与控制器通信连接。
由于单体风力风力发电机的出力可以控制，为风力发电电网(发电机集群)的总体出力平衡提供了条件。一旦风力发电电网能够自动调节风场的发电出力；那么，就能构协调控制相关区域多个风场的总体出力。为区域电网的电力经济平衡和调节提供了可靠的调节。
由于区域的风电出力可控，地域的风电出力就可控，全国的风电出力也可控。风电将不再是“垃圾”电(一直以来风电出力波动大，对电网的平衡和安全构成极大的危险)；而是电网友好的优质电源(低碳，环境友好，安全性高)。
由控制器(图2中的服务器)对各个自主聚能储能一体化风力发电系统(如2中的WF1、、、WFn)的出力进行统计，然后收集负载的供电需求功率，将二者进行对比，相应地调节各个控制装置，以满足负载的供电需求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，包括：
聚能装置，包括聚风管道、主动叶轮、传动单元和空气压缩叶轮，所述主动叶轮可转动地安装在所述聚风管道的进风口，所述空气压缩叶轮可转动地安装在所述聚风管道内，所述主动叶轮与所述空气压缩叶轮之间通过所述传动单元传动连接，所述空气压缩叶轮的转速大于所述主动叶轮的转速；
储能调压装置，包括储能罐和风压调节组件，所述储能罐的进风口与所述聚风管道的出风口连接，所述储能罐的出风口的端部设有风压调节舱，所述风压调节舱上安装有所述风压调节组件，以调节所述储能罐中进入所述风压调节舱的风压；以及，
风力发电装置，安装在所述储能罐的出风口的后端，利用从所述储能罐后端的风压调节舱的出风口吹出的风发电。
2.根据权利要求1所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，所述风压调节组件包括：
风压调节壳体，所述风压调节壳体具有连通至所述储能罐的风压调节腔，所述风压调节壳体的开口密封地安装在所述储能罐的一端；
风压储能活塞，气密地安装在所述风压调节腔的侧壁；以及，
风压储能弹性构件，设置在所述风压储能活塞与所述风压调节腔的底部之间。
3.根据权利要求2所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，所述风力发电装置包括依次传动连接的汽轮机、变速箱和发电机组，所述汽轮机由从所述风压调节舱吹出的风驱动。
4.根据权利要求3所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，还包括控制装置，所述风压调节舱的出风口与所述风力发电装置之间安装有风力控制装置，所述控制装置与所述风力控制装置的控制端信号连接，以调节从所述风压调节舱的出风口喷出的空气的流量和压力。
5.根据权利要求4所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，所述控制装置集成有定位模块和通信模块，以分别获取所述自主聚能储能一体化风力发电系统的安装位置、该安装位置下的风力预报数据。
6.根据权利要求5所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，还包括信号输出端与所述控制装置通信连接的风动能数据获取传感器，所述主动叶轮前的所述聚风管道内、所述空气压缩叶轮后的所述聚风管道内、所述储能罐的出风口中的至少一处安装有所述风动能数据获取传感器。
7.根据权利要求6所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，所述风动能数据获取传感器包括空气密度传感器和风速传感器。
8.根据权利要求7所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，其特征在于，还包括控制端与所述控制装置信号连接的第一控制阀，所述第一控制阀为止逆阀，所述第一控制阀安装在所述聚风管道靠近所述储能罐的端部；并且/或者，
还包括控制端与所述控制装置信号连接的第二控制阀，所述第二控制阀为止逆阀，所述储能罐能固定有调压挡板，所述调压挡板位于所述储能罐的出风端，所述第二控制阀安装在所述调压挡板上以调节所述调压挡板两侧的气压。
9.一种风力发电电网，其特征在于，包括控制器和多个权利要求4-8中任一项所述的自主聚能储能一体化风力发电系统，每个所述控制装置均与所述控制器通信连接。
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