CN114109725A - 新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，包括设备平台、圆筒形蓄水池、集风墙、集风仓和电网；其中所述设备平台上设有电站、发电系统装置、储能系统装置和设备仓管理维修用房；其中圆筒形蓄水池的外围设有集风墙；其中所述集风墙上设有若干个纳风模块；每个所述纳风模块均通过吸风管与集风仓连接固定；其中集风仓与动力风管连接，其中每个所述动力风管上设有风速调节稳定器；发电系统装置包括风能发电机和水轮发电机；储能系统装置包括风能水泵和电动水泵。本发明利用海洋风为主，利用浅水海域建造，不占用陆上土地；风能发电与储能发电之间取最优化组合方案，充分利用自然风能，避免重复投资，避免造成转换过程中的能源消耗。

Description

新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备及其方法
技术领域
本发明涉及海上风能发电系统，尤其涉及新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备及其方法。
背景技术
1、当前风力发电设备存在问题较多，最核心的问题是风能利用率低，现有理论与实践证明，现有风力发电机，在不间断运转发电周期内，风能利用率不足60%，而因故障、强风停机和电网“谷”时段逼停等实际运转情况，风能利用率在40%以下，另外，还有设备成本高，建设难度大，设备本身耗能多等诸多问题，所以风力发电技术急需重大变革。
2、在节能举措方面，利用电网 “谷”时段多余电能，蓄水储能业已兴起，是解决电力浪费的有效办法，但在风力发电领域实为重复投资，且在其运行中，仍然会发生不可避免的能源浪费，直接依用风能蓄水储能再发电是非常可取的方向。
3、在本发明提出之前，已有人设想过用风车提水蓄能，但因小型风车动力有限，大型风车成本过高等因素无法实现。且在电网“峰”点时段用风力蓄水，再用水力发电，重复建设，资源浪费。
4、我国著名科学家钱学森曾提出过“风筒式风车”的概念，美国一家公司据此曾经尝试过在三叶风机上增加套筒，开发“增能风力发电机”，这种风电机仍然是现行高杆风力发电机，加风筒后可以提高单机发电效率，但增加的投资巨大所以未能成功推广。本发明是空气动力学中的“风洞试验原理”的反向思维，与传统风力发电技术完全不同。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备及其方法，利用海洋风为主，利用浅水海域建造，不占用陆上土地；风能发电与储能发电之间取最优化组合方案，充分利用自然风能，避免重复投资，避免造成转换过程中的能源消耗。
一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，包括设备平台、圆筒形蓄水池、集风墙、集风仓、电网和风向、风速、风能强度数据采集调节控制系统；其中所述设备平台上设有电站、发电系统装置、储能系统装置和设备仓管理维修用房；其中圆筒形蓄水池的外围设有集风墙；其中所述集风墙上设有若干个纳风模块；每个所述纳风模块均通过吸风管与集风仓连接固定；其中集风仓与动力风管连接，其中每个所述动力风管上设有风速调节稳定器；发电系统装置包括风能发电机和水轮发电机；电站分别通过输电线缆与风能发电机和水轮发电机连接；风能发电机与对应的动力风管连接；电站与电网并网；水轮发电机与尾水管连接；尾水管的另一端插入海里；储能系统装置包括风能水泵和电动水泵；风能水泵和电动水泵的一端均通过对应的扬水管与蓄水池连接且另一端连接吸水管；风能水泵与对应的动力风管连接。
本发明进一步改进在于：风能发电机和风能水泵分别通过尾风传输管路与尾风收集仓连接。
本发明进一步改进在于：所述纳风模块与吸风管之间设有自开闭风阀；所述纳风模块包括吸风口边框、喇叭形纳风筒采用双曲面。
本发明进一步改进在于：其中所述动力风管的出仓风管段内设有动力风管自开闭风阀。
本发明进一步改进在于：所述集风墙为圆筒形，吸风管上的风阀由风向测控装置控制，自开闭风阀与风向、风速、风能强度数据采集调节控制系统电联。
本发明进一步改进在于：风能发电机和风能水泵与风机同轴设置；风能发电机的风机叶片在额定风速下转速最大，风能发电机的机泵采用磁悬轴承。
本发明进一步改进在于：，所述设备平台上设有连廊通道。
本发明进一步改进在于：所述圆筒形蓄水池的上方设有光伏发电组件和光伏发电站；其光伏发电站通过电缆与电站连接。
一种新型全风力风能发电和风能储能发电的方法，包括以下步骤：
步骤1：全风力收集：通过集风墙上的纳风模块，将自然风全部收集至集风仓；纳风模块与集风仓之间的吸风管，设有由风向采集数据控制的自开闭阀，当纳风模块背或侧风时适时关闭，不使集风仓往吸风导管漏风，当纳风模块迎风时适时打开以吸风；
步骤2；风力分配与稳定风速：通过若干装有风速调节稳定器的动力风管，将风流送往风能发电机或风能水泵；
步骤3：风能发电，电网潮流制度下的“峰”时段；风能发电机在风流推动下启动发电；
步骤4：风能储能，电网潮流制度下的“谷”时段；风能水泵在速度稳定的风流推动下启动，将低水位水抽送至蓄水池，将风能转化为水势能，储存能量；
步骤5：水能发电，电网潮流制度下的“峰”时段；水轮机在储水池高位水能推动下发电；
步骤6：尾风收集利用：将风能发电机和风能水泵的尾风，通过管道收集，再次利用，使得自然风的利用率大于1；
步骤7：电站并网：将风能发电机和水轮发电机所发的电输入电站，由电站向电网输送。
进一步的，尾水收集利用：水能发电机发电后的尾水流入低位水池，作为风能水泵抽水蓄能的水源。
本发明集风仓与吸风导管和动力风输出导管相连接，吸风导管将自然风输入仓内，通过风强度检测数据经风强度自动调节装置保持仓内风压力稳定。再将稳定风压送往动力风导管输送至风能发电机或风能水泵；按检测数据自动开启或关闭动力风导管阀，利用输出风量调节仓内风压，遇有强风时，所有动力风导管全部开启，当仓内风压仍然高于控制值上限临界时，自动开启泄压阀释压，在运行中始终保持集风仓内的风压处于动态平衡状态。
同时集风墙为圆筒形，同一时点风向对集风量没有影响，但集风墙时刻存在迎风、背风和侧风面的状态，吸风管与集风仓是相通的，为使背风和侧风面时集风仓不向吸风管倒排风（漏风），吸风管上的风阀由风向测控装置控制，适时开启和关闭。
风能发电机 采用风筒式风能发电机，该机由风机与发电机组成，用于风能发电。
风能水泵 采用风筒式（或管道式）风能水泵，由风机和水泵组成，用于抽水蓄能。
储能水池 ，白天风能全部用于发电输送电网，晚上风能全部用于抽水蓄能，第二天由水轮发电机用蓄水发电输送电网，实现风能全时段利用，利用率最大化；同时蓄水池与集风墙一体化； 蓄水池为圆筒形，集风墙附看在蓄水池周边，节省投资，充分利用占地（海洋）面积潜能。
蓄水池顶还可以安装光伏发电系统，再提高装置系统利用率。
本发明的有益效果：
第一是在风能发电技术上寻求新路，充分提高风能利用率；第二是在风能发电与储能发电之间取最优化组合方案，充分利用自然风能，避免重复投资，避免造成转换过程中的能源消耗；第三是降低风能开发利用成本，提高风电企业效益和电网效益。
附图说明
图1、本发明的工作原理图；
图2、发电系统的原理图；
图3、储能系统原理图；
图4、设备平台结构示意图；
图5、图4的俯视图；
图6、纳风模块的结构示意图；
图7、动力风管布设连接图；
图8、圆筒形蓄水池周围布设图；
图9、图8的俯视图；
图10、动力风管与风速调节稳定器连接的局部放大图；
图11：集风墙的弧形翼板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-9所示，本实施例的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，包括设备平台a、圆筒形蓄水池1、电网10和风向、风速、风能强度数据采集调节控制系统；其中所述设备平台a上设有电站9、发电系统装置、储能系统装置和设备仓管理维修用房17；其中圆筒形蓄水池1的外围设有集风墙2；如图11所示，集风墙2顶边底边设置伸向集风墙外侧一定长度向上、下倾斜的弧形翼板2-1，提高集风采集面。
其中所述集风墙2上设有若干个纳风模块118；每个所述纳风模块118均通过吸风管3与集风仓4连接固定；其中集风仓4与动力风管6连接，其中每个所述动力风管6上设有风速调节稳定器117；发电系统装置包括风能发电机7和水轮发电机8；电站9分别通过输电线缆16与风能发电机7和水轮发电机8连接；风能发电机7与对应的动力风管6连接；电站9与电网10并网；水轮发电机8与尾水管15连接且另一端通过输水管14与圆筒形蓄水池1连接；尾水管15的另一端插入海里；储能系统装置包括风能水泵18和电动水泵19；风能水泵18和电动水泵19的一端均通过对应的扬水管20与蓄水池1连接且另一端连接吸水管21；风能水泵18与对应的动力风管6连接；其中风能发电机7和风能水泵18与风机同轴设置，风能发电机7的风机叶片在额定风速下转速最大，风能发电机7等机泵采用磁悬轴承。
其中设备平台16设有连廊通道5。
所述圆筒形蓄水池1的上方设有光伏发电组件116和光伏发电站13；其光伏发电站13通过输电线缆16与电站9连接。
其中本系统风能发电机，风能水泵等终端设备平台位于高位水池下方，沿集风墙内侧环形设置，标高位置以靠近集风仓为选择，使风动力导管最短，终端设备位于集风仓下方；风能水泵（含备用电力水泵），按吸程和扬程要求，需要时另设辅助平台。
圆筒形蓄水池1、设备平台a、集风墙2等土建设计，按本系统各项功能均以最优形态得以实现的要求制定建筑方案，方案论证确定后按国家和地方相关现行规范设计；建筑物除满足本系统设备设施安装，还做到荷载、交通、维护、日常管理、维修更新，使用安全等要求，海上平台要建与陆地交通相连接的栈桥路道，系统设计寿命不低于70年。
且本系统所有设施设备采用的材料，满足抗风蚀、水蚀、海水浸蚀的要求。
其中如图1所示，风能发电机7和风能水泵18分别通过尾风传输管路与尾风收集仓连接。
如图6所示，所述纳风模块118与吸风管3之间设有自开闭风阀22；所述纳风模块118包括吸风口边框118-1、喇叭形纳风筒的纳风面118-2采用双曲面。
纳风模块与集风仓之间的吸风管，设有由风向采集数据控制的自开闭阀，当纳风模块背或侧风时适时关闭，不使集风仓往吸风导管漏风，当纳风模块迎风时适时打开以吸风。
如图7所示，其中所述动力风管6的出仓动力风管段6-1内设有动力风管自开闭风阀6-2。
如图9所示：所述集风墙2为圆筒形，吸风管上的风阀由风向测控装置控制，吸风管自开闭风阀22与风向、风速、风能强度数据采集调节控制系统电联。
一种新型全风力风能发电和风能储能发电的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：全风力收集：通过集风墙上的纳风模块，将自然风全部收集至集风仓；纳风模块与集风仓之间的吸风管，设有由风向采集数据控制的自开闭阀，当纳风模块背或侧风时适时关闭，不使集风仓往吸风导管漏风，当纳风模块迎风时适时打开以吸；
其中圆筒形集风墙吸收风能虽与风向无关系，仍需风向数据采集，有效控制吸风导管阀适时开闭；风速和风压强度数据采集对系统运行作用巨大，按自然风速计算集风量，按集风量计算仓内风压强度，按仓内风压强度计算动力风出风口数量和强风下集风仓释风量，风向、风速、风强度测量控制系统对风能收集利用系统的正常运行十分重要。
步骤2；风力分配与稳定风速：通过若干装有风速调节稳定器的动力风管，将风流送往风能发电机；
步骤3：风能发电，电网潮流制度下的“峰”时段；风能发电机在风流推动下启动发电；
步骤4：风能储能，电网潮流制度下的“谷”时段；风能水泵在速度稳定的风流推动下启动，将低水位水抽送至蓄水池，将风能转化为水势能，储存能量；
步骤5：水能发电，电网潮流制度下的“峰”时段；水轮机在储水池高位水能推动下发电；
步骤6：尾风收集利用：将风能发电机和风能水泵的尾风，通过管道收集，再次利用，使得自然风的利用率大于1；
步骤7：电站并网：将风能发电机和水轮发电机所发的电输入电站，由电站向电网输送。:
尾水收集利用：水能发电机发电后的尾水流入低位水池，作为风能水泵抽水蓄能的水源。
本实施例风能发电机和风能水泵的尾风收集，当通过发电机或水泵的动力风强度不受尾风影响时，考虑尾风再利用；技术上必要时，留有在尾风系统中增设负压装置的空间，保证通过风机的风速稳定；尾风可利用时，本装置可将风能利用率再提高，甚至有大于100%的可能。
将储能蓄水发电后尾水收集再利用，减少水资源消耗量。本系统以利用海洋风为主，海上无需建低水位水池。现行风电机所需风速在3米/s以上，以3-25米/s为佳。经试验确认，本系统所需风速在1米/s即可启用。当超强风时，通过风速上限自控制释放装置，可自动调节系统风速，25米/s以上风速，不影响设备正常运行，免除现行风电机在强风时锁机。所以，利用风力时长比现行风电机长很多。
风力全时段利用：当风速大于1米/s，全时段可发电（或储能）。本系统发电（储能）按系统规模大小，由若干风能发电机和风能水泵组成，可按风力大小自动控制发电机或水泵启动数量，达到全时段利用风能的效果。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：包括设备平台（a）、圆筒形蓄水池（1）、电网（10）和风向、风速、风能强度数据采集调节控制系统；其中所述设备平台（a）上设有电站（9）、发电系统装置、储能系统装置和设备仓管理维修用房（17）；其中圆筒形蓄水池（1）的外围设有集风墙（2）；其中所述集风墙（2）上设有若干个纳风模块（118）；每个所述纳风模块（118）均通过吸风管（3）与集风仓（4）连接固定；其中集风仓（4）与动力风管（6）连接，其中每个所述动力风管（6）上设有风速调节稳定器（117）；发电系统装置包括风能发电机（7）和水轮发电机（8）；电站（9）分别通过输电线缆（16）与风能发电机（7）和水轮发电机（8）连接；风能发电机（7）与对应的动力风管（6）连接；电站（9）与电网（10）并网；水轮发电机（8）与尾水管（15）连接且另一端通过输水管（14）与圆筒形蓄水池（1）连接；尾水管（15）的另一端插入海里；储能系统装置包括风能水泵（18）和电动水泵（19）；风能水泵（18）连接风机；风能水泵（18）和电动水泵（19）的一端均通过对应的扬水管（20）与蓄水池（1）连接且另一端连接吸水管（21）；电动水泵（19）与电站（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：风能发电机（7）和风能水泵（18）分别通过尾风传输管路与尾风收集仓连接。
3.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：所述纳风模块（118）与吸风管（3）之间设有自开闭风阀（22）；所述纳风模块（118）包括吸风口边框（118-1）和双曲面喇叭形纳风筒（118-2）。
4.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：其中所述动力风管（6）的出仓动力风管段（6-1）内设有动力风管自开闭风阀（6-2）。
5.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：所述集风墙（2）为圆筒形，吸风管上的风阀由风向测控装置控制，吸风管自开闭风阀（22）与风向、风速、风能强度数据采集调节控制系统电联。
6.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：风能发电机（7）和风能水泵（18）与风机同轴设置，风能发电机（7）的风机叶片在额定风速下转速最大，风能发电机（7）和风能水泵（18）的机泵采用磁悬轴承。
7.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：其中设备平台（16）上设有连廊通道（5）。
8.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电综合装备，其特征在于：所述圆筒形蓄水池（1）的上方设有光伏发电组件（116）和光伏发电站（13）；其光伏发电站（13）通过输电线缆（16）与电站（9）连接。
9.根据权利要求1所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：全风力收集：通过集风墙上的纳风模块，将自然风全部收集至集风仓；纳风模块与集风仓之间的吸风管，设有由风向采集数据控制的自开闭阀，当纳风模块背或侧风时适时关闭，不使集风仓往吸风导管漏风，当纳风模块迎风时适时打开以吸风；
步骤2；风力分配与稳定风速：通过若干装有风速调节稳定器的动力风管，将风流送往风能发电机或风能水泵；
步骤3：风能发电，电网潮流制度下的“峰”时段；风能发电机在风流推动下启动发电；
步骤4：风能储能，电网潮流制度下的“谷”时段；风能水泵在速度稳定的风流推动下启动，将低水位水抽送至蓄水池，将风能转化为水势能，储存能量；
步骤5：水能发电，电网潮流制度下的“峰”时段；水轮机在储水池高位水能推动下发电；
步骤6：尾风收集利用：将风能发电机和风能水泵的尾风，通过管道收集，再次利用，使得自然风的利用率大于1；
步骤7：电站并网：将风能发电机和水轮发电机所发的电输入电站，由电站向电网输送。
10.根据权利要求9所述的一种新型全风力风能发电和风能储能发电的方法，其特征在于：尾水收集利用：水能发电机发电后的尾水流入低位水池，作为风能水泵抽水蓄能的水源。
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