CN203796478U - 一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，它包括垂直轴风力机、储能球、抽水泵和水力发电装置；所述垂直轴风力机包括风轮、低速轴、变速箱和发电机，所述风轮安装在低速轴顶端，它位于海平面之上，所述低速轴下端深入到储能球内部，并与变速箱输入轴连接，所述变速箱设有两个输出轴，其中一个输出轴为与抽水泵连接的高速轴，另一个输出轴与发电机连接，所述抽水泵布置在储能球内部，通过抽水泵将储能球中的海水抽出，所述储能球建在海平面之下的海床上，在储能球内还设置水力发电装置。本实用新型既能保证电网正常运行，又提高了系统的稳定性、减少了能源浪费，是一种较理想的海上风力、水力、储能联合发电系统。

Description

一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种风力水力储能联合发电系统，尤其是一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，属于抽水蓄能型电站技术领域。

背景技术

风能是最具有商业潜力、最具活力的可再生能源之一，具有蕴藏丰富、分布广、无污染等优点，风力发电因符合“节能减排、低碳生活”的环保理念而正在全球范围内形成热潮。但是由于风速风向的随机性变化，使风电系统的输出功率很不稳定，常常会发生电网需求用电的时候，风场的风力不足，发电量不够的现象；或者出现风场风力很大，但是电网对电量的需求并不是很大，导致风能浪费的现象。

水力发电也是一种绿色能源，具有对环境冲击小，发电效率高，发电成本低，启动快等优点。水力发电与抽水储能技术结合起来可以对电力系统进行调峰填谷、调频、调相及作为紧急事故备用方案。

风力与水力结合的发电系统有效地解决了风力发电机功率输出不稳定、并网后对电网冲击严重的问题，例如申请号为201310343464.8的中国专利申请文件公开了一种海上风力抽水储能的水力发电装置，它包括风力机、储能球、抽水泵和水力发电装置；所述风力机建于海平面之上，所述储能球建在海平面之下的海床上，在储能球上设置海水进水口，在进水口处设置水力发电机发电，所述抽水泵可将储能球内冲击水力发电机发电后的海水排至大海中。该专利申请的技术方案将风力抽水储能与水力发电二者结合起来，实现了两大能源的组合利用，既能避免风力发电对电网的冲击，又能充分利用水资源储能；但由于其采用水平轴风力机，抽水泵设置在塔筒的顶部，不仅给整个系统结构稳定性带来负面影响，而且制造成本较高；另外，该专利申请的技术方案是通过风力机捕获风能后驱动抽水泵运转，抽水泵将储能球中海水抽出，使风能转换为机械能，再将机械能转换为海水的势能，然后利用进入储能球的海水驱动水力发电装置发电，而非通过风力发电机直接发电，因此，该专利申请技术方案的发电模式难以实现与风力变化及电网运行状况的最佳匹配，即使在风速能够满足风电并网需求时，也要通过上述能量转换过程，造成了不必要的能源浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种将风能发电与抽水储能发电组合利用，既能充分利用海洋这一丰富的自然资源、降低由于风的随机性对电网所带来的影响，又可提高系统稳定性、减少能源浪费的垂直轴海上风力水力储能联合发电系统。

本实用新型所述问题是以下述技术方案实现的：

一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，它包括垂直轴风力机、储能球、抽水泵和水力发电装置；所述垂直轴风力机包括风轮、低速轴、变速箱和发电机，所述风轮安装在低速轴顶端，它位于海平面之上，所述低速轴下端深入到储能球内部，并与变速箱输入轴连接，所述变速箱设有两个输出轴，其中一个输出轴为与抽水泵连接的高速轴，另一个输出轴与发电机连接，所述抽水泵布置在储能球内部，通过抽水泵将储能球中的海水抽出，所述储能球建在海平面之下的海床上，在储能球内还设置水力发电装置。

上述垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，所述水力发电装置设有与发电机连接的水轮机，所述水轮机进水口通过进水管与储能球外面的海水连通，其动力输出轴与发电机连接。

上述垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，所述储能球侧壁上设有低速轴穿入口、排压气管口、海水进水口和排水口，所述低速轴穿入口及排压气管口位于储能球的顶部，在低速轴穿入口处设置塔筒，在排压气管口处设置排压气管，所述塔筒和排压气管的顶端延伸至海平面之上，所述海水进水口和排水口布置在低速轴穿入口的两侧，在海水进水口处设置进水阀门，在排水口处设置排水阀门。

上述垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，所述抽水泵设有抽水管和排水管，所述抽水管进水口布置在储能球的底部，所述排水管与储能球的排水口连通。

上述垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，在变速箱与发电机连接的输出轴上设置第一离合器，在水轮机动力输出轴与发电机轴之间设置第二离合器，在变速箱与抽水泵之间的高速轴上设置第三离合器。

本实用新型是一种建于浅海上以风力发电为主、水力发电为辅的联合发电系统，它采用垂直轴风力发电机，将抽水泵布置在储能球的内部，使整个系统结构稳定可靠，制造成本相对降低。本实用新型的发电模式能够很好地与风力变化及电网运行状况相匹配，当风速较大，超出电网需求时，它可将风力机捕获的风能一部分转化为电能来满足电网需求，另一部分驱动抽水泵抽取海水，将机械能转化为水的势能，将风能进行存储；当风速较大，正好满足电网需求时，系统直接通过风力机驱动发电机发电；当风速较大，但电网不需要电时，风力机捕获的风能转换为机械能，只用来驱动抽水泵工作，将储能球中的海水抽出，将机械能转化为水的势能，将风能进行存储；当风速下降，风力发电量不能满足当前电网的需求时，海水通过储能球上的海水进水口流入，并冲刷水轮机的叶轮，由风力机与水轮机共同驱动发电机向电网供电；当风速低于切入风速，风力机停止工作，由海水驱动水轮机，带动发电机发电。本实用新型的储能球体积大，储能总量巨大，是一种结构简单、操作方便的储能装置，储能球能抵抗海水压力，设备利用率高。本实用新型在变速箱与发电机、水轮机与发电机、水泵与变速箱之间均设置了离合器，保证了不同发电模式的顺利切换。总之，本实用新型充分利用了海洋这一丰富的自然资源、降低了由于风的随机性对电网所带来的影响，既能保证电网正常运行，又提高了系统的稳定性、减少了能源浪费，是一种较理想的海上风力、水力、储能联合发电系统。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型结构示意图；

图2是储能球结构示意图。

图中各标号清单为：1、风轮，2、低速轴，3、海水，4、储能球，4-1、低速轴穿入口，4-2、排压气管口，4-3、排水口，4-4、排水阀门，4-5、海水进水口，4-6、进水阀门，5、变速箱，6、高速轴，7、第一离合器，8、抽水管，9、进水管，10、发电机，11、第二离合器，12、水轮机，13、抽水泵，14、排水管，15、排压气管，16、第三离合器，17、塔筒。

具体实施方式

参看图1，本实用新型包括垂直轴风力机、储能球4、抽水泵13和水力发电装置；所述垂直轴风力机包括风轮1、低速轴2、变速箱5和发电机10，所述风轮1安装在低速轴2顶端，它位于海平面之上，所述低速轴2下端深入到储能球4内部，作为变速箱5的输入轴，所述变速箱5设有两个输出轴，其中一个输出轴为与抽水泵连接的高速轴6，另一个输出轴与发电机10连接，所述抽水泵13布置在储能球4内部，通过抽水泵13将储能球4中的海水抽出，所述储能球4建在海平面之下的海床上，在储能球4内还设置水力发电装置；所述水力发电装置设有与发电机10连接的水轮机12，所述水轮机12进水口通过进水管9与储能球4外面的海水连通，其动力输出轴与发电机10连接。

参看图1、图2，本实用新型的储能球4侧壁上设有低速轴穿入口4-1、排压气管口4-2、海水进水口4-5和排水口4-3，所述低速轴穿入口4-1及排压气管口4-2位于储能球4的顶部，在低速轴穿入口4-1处设置塔筒17，在排压气管口4-2处设置排压气管15，所述塔筒17和排压气管15的顶端延伸至海平面之上，所述海水进水口4-5和排水口4-3布置在低速轴穿入口4-1的两侧，在海水进水口4-5处设置进水阀门4-6，在排水口4-3处设置排水阀门4-4。

参看图1，本实用新型的抽水泵13设有抽水管8和排水管14，所述抽水管8进水口布置在储能球4的底部，所述排水管14与储能球4的排水口4-3连通；本实用新型在变速箱5与发电机10连接的输出轴上设置第一离合器7，在水轮机12动力输出轴与发电机10之间设置第二离合器11，在变速箱5与抽水泵13之间的高速轴6上设置第三离合器16。

参看图1、图2，本实用新型是一种建于浅海上以风力发电为主、水力发电为辅的联合发电系统，它采用垂直轴风力发电机，将抽水泵13布置在储能球4的内部，使整个系统中的结构稳定可靠，制造成本相对降低。

本实用新型在停机未运行的状态时，风轮1静止、排水阀门4-4和进水阀门4-6关闭、水轮机12及发电机10均不运行，储能球4内部无海水3。

本实用新型在正常运行后，其工作模式能够很好地与风力变化及电网运行状况相匹配：

当风速足够大，超出电网负荷要求时，第一离合器7、第三离合器16均接合，第二离合器11分离，排水阀门4-4打开，进水阀门4-6关闭，风轮1捕获风能驱动低速轴2转动，通过变速箱5提升转速后，由高速轴6驱动抽水泵13将储能球4内部积攒的海水3经排水管14排到大海中，使风轮1产生的机械能转化为为海水的势能，同时变速箱5的另一输出轴驱动发电机10发电，将机械能转化为电能，此时水轮机12处于非工作状态，本实用新型为风力发电与储能组合的工作模式。

当风速足够大，并且满足电网负荷要求时，第一离合器7接合，第二离合器11、第三离合器16均分离，此时排水阀门4-4、进水阀门4-6均关闭，抽水泵13与水轮机12均处于非工作状态，风轮1捕获的风能经低速轴2、变速箱5和高速轴6驱动发电机10发电，此时本实用新型为风力发电工作模式。

当风速足够大，并且电网不需要电时，第三离合器16接合，第一离合器7、第二离合器11均分离，排水阀门4-4打开，进水阀门4-6关闭，风轮1捕获的风能用来驱动抽水泵13，将储能球4中积攒的海水抽出，使风轮1产生的机械能转化为海水的势能，从而实现储能的过程，此时本实用新型为储能工作模式。

当风速不足时，排水阀门4-4和进水阀门4-6打开，由于排压气管15保持储能球4内部与外界大气压一致，海水3由海水进水口4-5经过进水管9流入水轮机12中并冲刷水轮机发电，海水3流入储能球4内部，第一离合器7、第二离合器11和第三离合器16均接合，此时由风力机和水轮机12共同驱动发电机10发电，通过控制进水阀门4-6控制海水的流量，实现水力发电和风力发电的配合，满足发电机输出最大功率要求，并且风轮1产生的一部分机械能直接驱动抽水泵13，使储能球4中的海水通过排水口4-3排入大海中，此时本实用新型为风力发电、水力发电及储能组合的工作模式。

当风速小于切入风速时，排水阀门4-4关闭，进水阀门4-6打开，第一离合器7、第三离合器16分离，第二离合器11接合，海水3流入水轮机12内冲刷水轮，由水轮机12的动力输出轴驱动发电机10发电，同时，风力机不运行，此时本实用新型为水力发电工作模式。

Claims (5)

1.一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，其特征是，它包括垂直轴风力机、储能球（4）、抽水泵（13）和水力发电装置；所述垂直轴风力机包括风轮（1）、低速轴（2）、变速箱（5）和发电机（10），所述风轮（1）安装在低速轴（2）顶端，它位于海平面之上，所述低速轴（2）下端深入到储能球（4）内部，并与变速箱（5）的输入轴连接，所述变速箱（5）设有两个输出轴，其中一个输出轴为与抽水泵连接的高速轴（6），另一个输出轴与发电机（10）连接，所述抽水泵（13）布置在储能球（4）内部，通过抽水泵（13）将储能球中的海水抽出，所述储能球（4）建在海平面之下的海床上，在储能球（4）内还设置水力发电装置。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，其特征是，所述水力发电装置设有与发电机（10）连接的水轮机（12），所述水轮机（12）进水口通过进水管（9）与储能球外面的海水连通，其动力输出轴与发电机（10）连接。

3.根据权利要求2所述的一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，其特征是，所述储能球（4）侧壁上设有低速轴穿入口（4-1）、排压气管口（4-2）、海水进水口（4-5）和排水口（4-3），所述低速轴穿入口（4-1）及排压气管口（4-2）位于储能球（4）的顶部，在低速轴穿入口（4-1）处设置塔筒（17），在排压气管口（4-2）处设置排压气管（15），所述塔筒（17）和排压气管（15）的顶端延伸至海平面之上，所述海水进水口（4-5）和排水口（4-3）布置在低速轴穿入口（4-1）的两侧，在海水进水口（4-5）处设置进水阀门（4-6），在排水口（4-3）处设置排水阀门（4-4）。

4.根据权利要求3所述的一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，其特征是，所述抽水泵（13）设有抽水管（8）和排水管（14），所述抽水管（8）进水口布置在储能球（4）的底部，所述排水管（14）与储能球（4）的排水口（4-3）连通。

5.根据权利要求4所述的一种垂直轴海上风力水力储能联合发电系统，其特征是，在变速箱（5）与发电机（10）连接的输出轴上设置第一离合器（7），在水轮机（12）动力输出轴与发电机（10）之间设置第二离合器（11），在变速箱（5）与抽水泵（13）之间的高速轴（6）上设置第三离合器（16）。