CN113417800A - 一种圆筒式风机及风光储一体化基站 - Google Patents

Abstract

一种圆筒式风机及风光储一体化基站，该圆筒式风机包括导流组件和转子组件，所述导流组件呈圆筒形，采用竖直固定安装方式，导流组件提供风道引导来风驱动转子组件旋转，所述转子组件同轴设置在圆筒形导流组件的内部，所述转子组件包括中心轴，转子组件可绕中心轴旋转，在中心轴的上端和/或下端与负载连接。将该风机集成安装到风光储一体化基站的塔杆上，在风机的顶部设置有光伏发电板，在风机的输出轴的下端连接有发电机或机械直驱压缩机等负载。该风机可利用360度各向来风，风利用效率高，风力可以发电和制冷，为基站提供电能和冷能，同时结合蓄电池和水水储能，实现了基站的多能互补供能模式，节能减排。

Description

一种圆筒式风机及风光储一体化基站

技术领域

本发明具体涉及一种圆筒式风机及风光储一体化基站，属于风机及电信基站能源供给技术领域。

背景技术

电信基站是实现现代通信网络的重要基础设施，其电能与冷能消耗占到整个通信网络总能耗的一半以上，尤其是目前迅速发展的5G技术，其比现有的4G能耗要高很多，5G通信基站内设备发热量大且比较集中，使得基站空调制冷系统占据整个基站耗电量的40％左右，所以降低制冷能耗是通信基站节能降耗的关键。随着国家提倡2030年碳达峰，2060年碳中和，加大蕴藏量巨大的风能和太阳能在基站的开发利用势在必行。现有技术中风机和光伏与电信基站的结合无法融为一体，风机利用效率较低，而且风能和太阳能具有很大的随机性和不确定性，为了稳定基站的能源供给，通常需要配备蓄电池进行储能。目前采用大规模电池储能，具有电池成本高的问题，而且储能的适配性也是一大问题，因此发展高效率风力多负载技术、降低储能成本、通过多能互补为基站提供综合能源供给可达到节省成本的目的，所以发展风、光、储多能互补微电网5G基站应用对我国能源碳峰值与碳中和具有重大意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种圆筒式风机及风光储一体化基站，目的在于提高风机的风能利用效率，使风机与基站融为一体，充分利用风能及太阳能等可再生能源为基站提供电能与冷能、利用多种储能方式增加储能的适配性、降低储能成本、减少基站电网的依赖。

本发明的技术方案为：一种圆筒式风机，包括导流组件和转子组件，所述导流组件呈圆筒形，采用竖直固定安装方式，导流组件提供风道引导来风驱动转子组件旋转，所述转子组件同轴设置在圆筒形导流组件的内部，所述转子组件包括中心轴，转子组件可绕中心轴旋转，在中心轴的上端和/或下端与负载连接。

进一步的，所述导流组件可由多个导流模块竖直串联组成，每个导流模块包括同轴间隔设置的上导流圈和下导流圈，在上导流圈和下导流圈之间绕其轴线周向均匀间隔竖直安装有多个导流固定叶片；在导流组件的顶端的上导流圈的内部固定连接有上转子支撑架，在导流组件的底端的下导流圈的内部固定连接有下转子支撑架，所述转子组件的中心轴的上端和下端分别与上转子支撑架和下转子支撑架转动连接。

进一步的，所述导流固定叶片的水平截面为扇形，扇形导流固定叶片的窄端向外、宽端向内，导流固定叶片在水平面内沿顺时针或逆时针倾斜一定角度，相邻导流固定叶片之间的空间形成所述风道。

进一步的，所述转子组件可由多个转子模块竖直串联组成，每个转子模块包括子中心轴，上、下子中心轴通过轴连接组件固定连接在一起，所述轴连接组件设置在中间转子支撑架的中心，轴连接组件相对于中间转子支撑架可以自由旋转，中间转子支撑架的外围与导流组件固定连接；在每个子中心轴上至少同轴固定连接有两个互相平行的中间支撑盘，子中心轴与中间支撑盘垂直，在所述中间支撑盘上绕子中心轴轴线周向均匀间隔竖直固定安装有多个转子叶片。

进一步的，所述转子叶片的截面为钝角三角形，其钝角所对应的平面为转子叶片迎风面，当转子叶片经过相应的风道时，该转子叶片迎风面与风道的夹角为22度。

一种风、光、储一体化基站，包括塔杆、控制系统和储能系统，在所述塔杆的上部安装有所述圆筒式风机，在风机的外围固定安装有基站器材安装架，在风机的顶部设置有光伏发电板和避雷针，在风机的输出轴的下端连接有增速齿轮箱，在所述增速齿轮箱上设置有至少两个输出轴，在每个输出轴上均设置有离合器，在离合器的另一端分别与发电机或机械直驱压缩机等负载连接。

进一步的，所述储能系统包括蓄电池模块和水储能模块，所述光伏发电板和发电机发出的电能通过控制系统与蓄电池模块连接将所发电能储存在蓄电池模块中，所述机械直驱压缩机通过控制系统与水储能模块连接将所产生的冷能储存在水储能模块中。

进一步的，所述基站还包括电驱压缩机和电源转换装置，所述电源转换装置分别与控制系统、城市电网、电驱压缩机电性连接。

进一步的，所述风机的导流组件与塔杆固定连接，所述基站器材安装架固定安装在在导流组件的外围。

有益效果：（1）圆筒式风机的导流组件和转子组件均采用模块化设计，有利于制造、安装及维护，独特设计的导流模块和转子模块相互配合使得风机的效率大幅提高，具体为：导流模块可以充分利用360度各个方向的来风，导流固定叶片形成的导流风道可以增加空气流速，当进入导流风道的风排出时与内部的转子叶片呈最佳的22度角对转子叶片做平板升力型推动，这样使进入的风力产生最大的升力系数，得到最佳的作用力，使风机的效率得到最大化；风机转子叶片设计为钝角三角型，增大了迎风面的受力面积和转子叶片稳定性，当转子叶片旋转到排风面时会把风机内部的风有效的往外排出，可有效防止内部涡流的产生，降低了风机内部的风阻；同时导流模块可对处于排风面的转子叶片形成屏蔽，减小排风面处空气进入风机内部，进一步降低风阻。

（2）本专利的圆筒式风机可与通信基站的塔杆及通信器材等牢固连接融合为一体，基站可通过城市电网、太阳能光伏、风能、电池储能和水储能等多种能源提供能量，实现了多能互补，工作模式灵活，且以风能为主，把风能和光伏相结合，就地利用可再生能源，减少对城市电网的依赖，实现节能减排；

（3）当风能充足时，风机可同时带动发电机和机械压缩机等多个负载，发电机所发的电能通过蓄电池储存，机械压缩机产生的冷能通过水储存，通过电池储能和水储能相结合，既增大了储能量，又解决了采用单一蓄电池储能成本高、能量利用不合理的问题。

附图说明

图1基站的整体结构示意图。

图2为风机多负载示意图。

图3 为多能互补供能模式示意图。

图4为圆筒式风机立体结构示意图。

图5为图4的前视图。

图6为图5中的A-A剖视图。

图7为导流组件立体结构示意图。

图8为图7的前视图。

图9为图8中的B-B剖视图。

图10为转子组件立体结构示意图。

图11为图10中E区放大图。

图12为图10中F区放大图。

附图标记：1塔杆，2圆筒式风机，3基站器材，4光伏发电板，5避雷针，6地面机房，7塔上机房，8电源转换装置，11控制系统，12蓄电池模块，13城市电网，14水蓄能模块，18电驱压缩机，31基站器材安装架；

210导流组件，211导流模块，212上导流圈，213下导流圈，214上转子支撑架，215下转子支撑架，216导流固定叶片；

230转子组件，231转子模块，232转子叶片，233中间支撑盘，234中间转子支撑架，235轴连接组件，236轴承座，237子中心轴；

250中心轴，251增速齿轮箱，252输出轴，253离合器，254发电机，255冷媒机械压缩机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚完整的说明。

一种圆筒式风机，其结构如图4-6所示，包括竖直固定安装的导流组件210和转子组件230，导流组件呈圆筒形，导流组件提供风道引导来风驱动转子组件旋转，转子组件同轴设置在导流组件的内部，转子组件可相对于导流组件自由转动；如图1-2所示，导流组件210可固定安装在通信基站的塔杆1上部，在导流组件的外围固定安装有三组基站器材安装架31以供基站器材3安装使用；所述转子组件包括中心轴250，转子组件可绕中心轴旋转，在中心轴的上端和/或下端可与多种负载连接。图2中示出了中心轴的下端与增速齿轮箱251连接，在所述增速齿轮箱上设置有至少两个输出轴252，在每个输出轴上均设置有离合器253，离合器的另一端分别与发电机254和机械直驱压缩机222等负载连接。增速齿轮箱251、发电机254、机械直驱压缩机222均设置在塔上机房7内。如此配置，可使风机与基站完美的结合融为一体。

所述导流组件210可由多个导流模块211竖直串联组成，如图7-9所示给出了由六个导流模块串联组成的导流组件，每个导流模块包括同轴间隔设置的上导流圈212和下导流圈213，当串联时，上、下导流模块可以共用导流圈；在导流组件的顶端的上导流圈的内部固定连接有上转子支撑架214，在导流组件的底端的下导流圈的内部固定连接有下转子支撑架215，所述转子组件的中心轴250的上端和下端分别通过轴承座236与上转子支撑架214和下转子支撑架215转动连接，使转子组件平稳转动。在每个导流模块中，在上导流圈212和下导流圈213之间绕其轴线周向均匀间隔竖直安装有三十六个导流固定叶片216；如图9所示，所述导流固定叶片的水平截面为扇形或称为桃形，一头大一头小，小头叫窄端，大头叫宽端，窄端为小圆弧，宽端为大圆弧，扇形导流固定叶片的窄端向外、宽端向内，且窄端与宽端的圆弧中点连线不经过导流圈的轴线，即导流固定叶片在水平面内沿顺时针或逆时针倾斜一定角度，相邻导流固定叶片之间的空间形成锥形导流风道。这样导流模块可以接收360度各个方向的来风，并引导来风进入导流风道，导流固定叶片形成的锥形导流风道还可以增加空气流速，有利于转子组件的旋转，提高风能利用效率。

如图10-12所示，所述转子组件230可由多个转子模块231竖直串联组成，图10中示出了由三个转子模块竖直串联组成的转子组件。每个转子模块包括子中心轴237，上、下子中心轴通过轴连接组件235固定连接在一起共同组成中心轴250，如图12所示，所述轴连接组件235设置在中间转子支撑架234的中心，轴连接组件相对于中间转子支撑架可以自由旋转，中间转子支撑架235的外围可与导流组件的导流圈固定连接，从而进一步稳定转子组件；在每个子中心轴237上至少同轴固定连接有两个互相平行的中间支撑盘233，子中心轴237与中间支撑盘233垂直，在所述中间支撑盘233上绕子中心轴轴线周向均匀间隔竖直固定安装有十八个转子叶片232，转子叶片均垂直穿过中间支撑盘并与中间支撑盘固定连接。如图6所示，转子叶片232的水平截面为钝角三角形，该钝角三角形钝角所对应的转子叶片平面为迎风面，该迎风面的倾斜方向与导流固定叶片216的倾斜方向一致，当转子叶片经过相应的风道时，该转子叶片迎风面与导流固定叶片所形成风道的夹角保持22度，这样当转子叶片的迎风面旋转经过相应的锥形风道时，从锥形风道出来的风可对转子叶片做最大的平板升力型推动，能达到转子叶片升力与推力的合力最大化，使进入的风力产生最大的升力系数，得到最佳的作用力，使风机的效率得到最大化，在排气面能有效的把风排出降低排风阻力。转子叶片设计为钝角三角型，增大了迎风面的受力面积和转子叶片稳定性，当转子叶片旋转到排风面不做功时三角形能有效的减少外空气进入风机内部形成绕流，同时也会把风机内部的风有效的往外绕出甩出，降低了风机内部的风阻。

本专利所述的圆桶式风机具有如下特点：（1）采用外导流固定叶片与内转子移动叶片相结合，外导流叶片进入口与排出口成锥度，使风进入后产生一定的增速，外导流叶片与圆中心角度一致，使360度无死角进风；当有风时进入导流叶片的风会对转子叶片做升力与阻力型运动，它们的合力将产生中心轴的旋转力矩，这时要使导流叶片与转子叶片产生的力矩最大化，就要使转子叶片与风道成22度夹角，使转子叶片做平板升力型运动，由于转子叶片在旋转时其与特定风道的夹角也在变化中，超过38度后风力利用系数大大的降低，但会进入下一个风道，这样每一个风道与经过的转子叶片的初始夹角均为22度，使风经过时产生最佳的升力系数，使风力资源转化率大大的提高；外导流叶片还可降低转子叶片回转时的风力阻力，当转子叶片返回时导流叶片将把外界风对它的响应达到最小，使转子叶片回来时阻力最小。

（2）风机采用的导流圈有一定的宽度，便于安装导流叶片，有利于整个风机的稳定及与塔杆的牢固连接。

（3）风机采用模块化叠加，方便安装与运输，风机有上下两个与地面垂直的输出功率轴，可以灵活接入负载，使风机可以直接满足用户需求。

可将上述风机应用安装于5G电信基站，以解决基站所需的电能与冷能的供应问题。如图1-3所示，一种风、光、储一体化基站，包括塔杆1，在塔杆1上部安装有上述的圆筒式风机2，在风机2的外围固定安装有基站器材31，基站器材可以是信号发射器或接收器等。在风机2的顶部设置有光伏发电板4和避雷针5，在风机的下方设置有塔上机房7，在塔上机房内安装设置有由风机驱动的发电机和机械直驱压缩机；在塔杆底部附近地面上设置有地面机房6，如图3所示地面机房6内设置有控制系统11、储能系统、电源转换装置8、电驱压缩机制冷系统18以及各种基站设备等，储能系统包括蓄电池模块12和水储能模块14，电源转换装置8分别与控制系统11、城市电网13、电驱压缩机18电性连接；所述光伏发电板和发电机发出的电能通过控制系统储存在蓄电池模块中，所述机械直驱压缩机产生的冷能或热能通过控制系统储存在水储能模块中。所述控制系统是一套综合的智能控制调度系统，可检测风力及光伏的能量输入、智能匹配负载输出，根据风力总功率与通信基站的能量需求，选择启动发电机及机械直驱压缩机负载，并控制蓄电池的充放电，控制水储能模块的充冷与冷能释放，以及控制电源转换装置对城市电网的接入与切断等，因此实现了城市电网、光伏发电板、风机、储能系统等多能互补为基站设备提供电能及冷能等。

本专利采用塔杆把圆桶式风机顶置在一定的高度，便于风机接受各方向的来风；圆桶式风机顶部布有光伏发电板，防止雨水流入圆桶式风机内，同时也能发电，实现风机、光伏与基站的融合一体化。圆桶式风机设有导流固定叶片与转子叶片，且导流固定叶片与转子叶片呈特定角度布置，通过导流固定叶片引导风力进入转子组件后，风力与转子叶片成一定角度范围推动转子叶片做平板升力型运动做功，使转子叶片产生最佳做功合力，使进入风机的风力得到高效利用，转子叶片转动带动中间支撑盘转动，中间支撑盘又带动中心轴转动，并转换为中心轴的旋转机械能输出。中心轴与增速齿轮箱连接，通过齿轮箱后变成多个输出轴，每个输轴上有离合器相连，离合器另一端与发电机、冷媒压缩机等负载连接，控制系统可自动切换负载，解决风机在微风时输出功率不能与负载自动匹配的问题，最终把风力产生的动力转换成5G基站所需要的电能与冷能或热能。储能采用分类模块化电储能和水储能，大大的减少了电池储能单一性，同时也解决了储能成本高与储能极限等问题。

当控制系统检测有光伏发电或风机转速时，且蓄电池模块需要充电时，开启风、光发电各自充入不同的电池模块，开启充电模式储能，微风启动时转速仪自动检测转速、电池储能状态、水储能温度，达到一定转速与扭矩时离合器自吸合负载，跟据控制系统检测自动匹配所需负载，当匹配发电机时，断开城市电网，10 ~30秒后风力发电充电模式开启，发电机的离合器吸合，开始风力发电并充入电池模块内，依次检测电池模块电压，优先充低压电池，当电池充满到厂家提供参数例如96%电量时自动停止充电。

当风力达一定风速，且控制系统检测基站设备有降温需求及水蓄冷模块有蓄冷需求时，机械压缩机的离合器吸合，冷媒压缩机开始工作，这时发电系统与机械压缩机制冷系统两种负载同时启动，把风能转换的电能与储存在的蓄电池储能模块内；机械压缩机产生的冷能可优先供应设备的实施降温需求，当冷量富余时再把冷能储存在水蓄冷模块中；压缩机开启工作时，控制系统还需检测制冷系统的压力、温度、膨胀阀开启度、蓄冷模块水温等参数。制冷系统高压管路达到设计压力与冷凝温度后电子膨胀阀跟据压缩机产气量自动匹配开启度，使管道高压与低压均在设计参数内运行。膨胀阀截流后，冷媒从高压介质变成低压介质会释放大量的冷量，冷量进入蓄冷模块水箱内，通过换热盘管把制出的冷量与水进行冷热交换。当达到设计水温时自动关闭这个蓄冷模块，进行下一个模块进行蓄冷，这样依次把所有蓄冷模块充冷。

无风时，释放水储能模块的冷能供基站电气设备冷却降温使用，释放蓄电池的电能供电气设备使用，水储能模块的蓄冷量大于基站24小时需求量的20%，当水蓄冷量不足时，自动切换电压缩机制冷模式，先利用蓄电池电量，当蓄电池电量也不足时，切换到城市电网为基站供电供冷，确保基站稳定运行。

本专利还提供一种风、光、储多能互补一体化基站的能源供给系统方法，该系统可采用圆筒式风机、光伏、城市电网为输入，采用蓄电池模块和水储能模块作为蓄能系统；当风机的总输出功率高于通信基站的能量需求时，风机能量充裕，控制系统将风能分配到发电机负载、机械压缩机制冷系统及储能系统中，风机输出电能和冷能优先为通信基站设备提供能量，富余电能和冷能储存到蓄电池和水储能模块中，即风机输出功率不足时，由控制系统进行统筹调度，利用蓄电池为设备供电，利用水蓄冷模块提供冷能，并利用城市电网作为最后的能量补充，实现风、光、储、电网等多能互补的能源模式，提高基站的运行稳定性。

因此，本专利实现了电信基站把光伏与风力相结合，使资源就地得用，圆桶式风机应用于基站，它采用圆外部固定的方式与基站的稳固性高度一致，使得风机与基站完美融为一体，有效的满足了基站电力与制冷的需求；圆桶式风机采用外导流固定叶片与内转子叶片始终形成一定角度，使任何一方进入的风都能有效的转换成机械动能，外导流叶片外小内宽，支撑稳定，内转子叶片采用三角形，当风流到三角形平面时产生一定的作用力，使叶片顺时针旋转产生动能，使得风能利用效率显著提高；电池储能与水储能两者结合满足基站需求同时，解决了电池储能成本高、污染大、难处理等难题，使得不稳定的风能和太阳能变成稳定的能源输出；风力与光伏减少对电网依赖需求，风能、光伏、储能足够时能做到基站离网运行。

Claims (9)

1.一种圆筒式风机，其特征在于：包括导流组件和转子组件，所述导流组件呈圆筒形，采用竖直固定安装方式，导流组件提供风道引导来风驱动转子组件旋转，所述转子组件同轴设置在圆筒形导流组件的内部，所述转子组件包括中心轴，转子组件可绕中心轴旋转，在中心轴的上端和/或下端与负载连接。

2.根据权利要求1所述的一种圆筒式风机，其特征在于：所述导流组件可由多个导流模块竖直串联组成，每个导流模块包括同轴间隔设置的上导流圈和下导流圈，在上导流圈和下导流圈之间绕其轴线周向均匀间隔竖直安装有多个导流固定叶片；在导流组件的顶端的上导流圈的内部固定连接有上转子支撑架，在导流组件的底端的下导流圈的内部固定连接有下转子支撑架，所述转子组件的中心轴的上端和下端分别与上转子支撑架和下转子支撑架转动连接。

3.根据权利要求2所述的一种圆筒式风机，其特征在于：所述导流固定叶片的水平截面为扇形，扇形导流固定叶片的窄端向外、宽端向内，导流固定叶片在水平面内沿顺时针或逆时针倾斜一定角度，相邻导流固定叶片之间的空间形成所述风道。

4.根据权利要求1所述的一种圆筒式风机，其特征在于：所述转子组件可由多个转子模块竖直串联组成，每个转子模块包括子中心轴，上、下子中心轴通过轴连接组件固定连接在一起，所述轴连接组件设置在中间转子支撑架的中心，轴连接组件相对于中间转子支撑架可以自由旋转，中间转子支撑架的外围与导流组件固定连接；在每个子中心轴上至少同轴固定连接有两个互相平行的中间支撑盘，子中心轴与中间支撑盘垂直，在所述中间支撑盘上绕子中心轴轴线周向均匀间隔竖直固定安装有多个转子叶片。

5.根据权利要求4所述的一种圆筒式风机，其特征在于：所述转子叶片的截面为钝角三角形，其钝角所对应的平面为转子叶片迎风面，当转子叶片经过导流组件的风道时，转子叶片迎风面与风道的夹角为22度。

6.一种风光储一体化基站，其特征在于：包括塔杆、控制系统和储能系统，在所述塔杆的上部安装有权利要求1-5任一项所述的圆筒式风机，在风机的外围固定安装有基站器材安装架，在风机的顶部设置有光伏发电板和避雷针，在风机的输出轴的下端连接有增速齿轮箱，在所述增速齿轮箱上设置有至少两个输出轴，在每个输出轴上均设置有离合器，再离合器的另一端分别与发电机或机械直驱压缩机等负载连接。

7.根据权利要求6所述的一种风光储一体化基站，其特征在于：所述储能系统包括蓄电池模块和水储能模块，所述光伏发电板和发电机通过控制系统与蓄电池模块连接将所发电能储存在蓄电池中，所述机械直驱压缩机通过控制系统与水储能模块连接将产生的冷能储存在水储能模块中。

8.根据权利要求6所述的一种风光储一体化基站，其特征在于：所述基站还包括电驱压缩机和电源转换装置，所述电源转换装置分别与控制系统、城市电网、电驱压缩机电性连接。

9.根据权利要求6所述的一种风光储一体化基站，其特征在于：所述风机的导流组件与塔杆固定连接，所述基站器材安装架固定安装在在导流组件的外围。

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