CN205370851U - 一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，包括垂直轴风力驱动单元、空气压缩单元、储压发电单元；所述垂直轴风力驱动单元的垂直轴与空气压缩单元相连，驱动所述空气压缩单元将空气进行压缩；所述储压发电单元包括储能压缩空气罐及空气动力发电机；所述空气压缩单元与储能压缩空气罐连接，储能压缩空气罐与空气动力发电机连接；本实用新型采用垂直轴结构、空气集风增能、压缩空气储能、涡扇涡轮增压增速式发电方式，基本上克服了风力的随机性和不可控性，扩大了系统可使用风速范围，实现了全风况下的发电，提高了风力利用率，增加了年发电时间，提高了发电效率，将大大推动风力发电事业的发展，适于大范围推广应用。

Description

一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电领域，特别是涉及一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统。

背景技术

在风力发电技术领域，均采用由波动的风力直接驱动发电机的方式发电，尽管风机结构和发电机有很大改进，但风力本身固有的弊病限制了风力发电事业的进一步发展。因为不同地区不同季节不同时段风力差别很大。风本身的随机性波动和不可控性变化给风力发电造成很多困难，如经常出现弃风现象，浪费风力资源；或风电并网时易造成电网电压波动而影响正常供电。另外水平轴风叶式的系统结构，在占地、建设、造价、维护上也有诸多困难，都直接影响风力发电事业的发展。

由此可见，上述现有的风力发电系统在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可以克服风力本身的随机性波动和不可控性变化的缺陷并可全天候、全风况下发电的发电系统成为当前业界极需改进的目标。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种可以克服风力本身的随机性波动和不可控性变化的缺陷并可全天候、全风况下发电的发电系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，包括垂直轴风力驱动单元、空气压缩单元、储压发电单元；所述垂直轴风力驱动单元的垂直轴与空气压缩单元相连，驱动所述空气压缩单元将空气进行压缩；所述储压发电单元包括储能压缩空气罐及空气动力发电机；所述空气压缩单元与储能压缩空气罐连接，储能压缩空气罐与空气动力发电机连接。

进一步地，所述垂直轴风力驱动单元包括多级风力涡轮机；所述多级风力涡轮机包括上下排列的多个单级涡轮机；所述单级涡轮机包括垂直轴及套在垂直轴上的涡轮叶片，各单级涡轮机的垂直轴之间依次联接。

进一步地，所述垂直轴风力驱动单元还包括支架、集风屏及导风排；所述多级风力涡轮机安装在支架内，集风屛安装在支架上，向外伸出，导风排安装在集风屛与多级风力涡轮机之间，相邻导风排之间形成导风腔，把风引向多级风力涡轮机。

进一步地，所述空气压缩单元包括蜗轮蜗杆增速转向器及与所述蜗轮蜗杆增速转向器连接的空气压缩机。

进一步地，所述储压发电单元中的空气动力发电机包括涡扇涡轮增压器及与所述涡扇涡轮增压器连接的发电机。

进一步地，所述涡扇涡轮增压器余气的出气端与空气压缩单元的进气端通过管道连通。

进一步地，所述储压发电单元还包括空气干燥机，所述空气干燥机连接在储能压缩空气罐与空气动力发电机之间。

进一步地，所述空气压缩单元包括多台空气压缩机，所述储压发电单元包括多个储能压缩空气罐及多台空气动力发电机；所述多台空气压缩机通过管道与多个储能压缩空气罐连接。

进一步地，所述垂直轴风力驱动单元、空气压缩单元、储压发电单元由上至下依次设置，所述储压发电单元位于地下，所述空气动力发电机采用空气动力永磁磁悬浮发电机。

进一步地，还包括应急备用单元及中控系统；所述应急备用单元包括风机启动层、活动卷帘门、垂直轴抱死装置和/或电力空气压缩机；所述风机启动层位于多级风力涡轮机的顶端，采用Savonius型风机；所述活动卷帘门卷起时位于上、下两级涡轮机的空隙处，放下时可改变涡轮机进风口的大小；所述垂直轴抱死装置设置在垂直轴外周；所述电力空气压缩机利用发电机的电力驱动，并与储能压缩空气罐连接；所述活动卷帘门、垂直轴抱死装置、电力空气压缩机由中控系统控制。

通过采用上述技术方案，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型的风力发电系统，采用垂直轴结构驱动进行空气压缩储能，可产生稳定高压气流驱动空气动力发电机发电，基本上克服了风力的随机性和不可控性弊病，扩大了系统可使用风速范围，实现了全风况下的发电，提高了风力利用率，增加了年发电时间，提高了发电效率，将大大推动风力发电事业的发展，适于大范围推广应用；另外，本实用新型同时还具有占地小、建设、造价、维护成本低的优点。

2、采用多级风力涡轮机作为风力驱动单元，被加速后的风推动涡轮机的花键垂直轴旋转(每分钟数十转)，做功后部分气流流向外部，中部强劲旋转气流被烟囱效应继续驱动加入上层的气流，继续对上层涡轮机做功，直到从顶部排出，风能利用率高。

3、采用集风屏配合导风排增大了风机掠风面积、加大进风量，通过集风增能的方式弥补了空气压缩单元的能量消耗，提高了发电系统的发电效率。

4、通过在发电机前端连接涡扇涡轮增压器，可以使从储能压缩空气罐中喷出的稳定高压气体，经涡扇部分再次增压后推动涡轮部分高速旋转，进而带动发电机主轴高速旋转，提高了发电系统的发电效率。

5、经过涡扇涡轮增压器的余气可返回空气压缩单元，作为其进气进行利用，提了风力资源的利用率。

6、通过设置多台空气压缩机、多台空气动力发电机，可以使各部分小型化而不影响整体的发电，多个储能压缩空气罐的设置使其可以交替使用，灵活性强。

7、通过设置应急备用单元，在遇到紧急情况时，可以使设备稳定运行、平稳发电，或是遇到紧急情况也可以随时停机，保护人员和设备安全。

附图说明

上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统的立面结构示意图；

图2是图1中的竖向剖面图；

图3是图2中的B-B向剖视图；

图4是图2中的A-A向剖视图；

图5是图2中的C-C向剖视图。

具体实施方式

如图1、2所示，本实用新型的一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，基本结构按上下顺序分为四层，依次为：垂直轴风力驱动单元、空气压缩单元4、电气设备单元5、储压发电单元6(包括储能压缩空气罐6.1及空气动力发电机)。其中，垂直轴风力驱动单元在风力的推动下驱动垂直轴旋转，进而驱动空气压缩单元4产生压缩空气，此空气存储在储压发电单元6的储能压缩空气罐6.1内达到一定(中等)气压后被喷出，喷出的稳定高压空气直接驱动空气动力发电机转动发电；电气设备单元5用于配电和系统控制。

本实用新型的上述发电系统使用空气压缩储能增压驱动技术，提高了系统可使用风速范围，在各类风力区都能运行。增加年发电时间的同时也改善所发电的动态性能。利于风场的并网使用，也可列阵式单独使用，灵活方便。下面结合附图对本实用新型进行进一步论述。

配合图1、2、3所示，垂直轴风力驱动单元包括多级风力涡轮机，多级风力涡轮机由上下排列的多个单级涡轮机3叠加组成，各单级涡轮机3由涡轮叶片3.1和花键垂直轴3.2组成。涡轮叶片3.1套装在花键垂直轴3.2上，涡轮叶片3.1在风力的推动下带动花键垂直轴3.2产生扭力矩。各单级涡轮机3的花键垂直轴3.2之间由万向节3.4联接。用万向节3.4连接是因为在单级涡轮机3泵转动时可能产生上下左右的活动,万向节3.4连接不会影响多级花键垂直轴向下传递力矩，使花键垂直轴3.2扭力矩平稳下传到下层的空气压缩单元。

配合图3所示，垂直轴风力驱动单元还包括组合钢支架1、集风屏2、活动卷帘门2.1、导风排2.2。组合钢支架1呈四方结构、多级风力涡轮机安装在组合钢支架1内，集风屛2安装在组合钢支架1上，以90°向四个方向伸出，处于最外围，导风排2.2安装在集风屛2与多级风力涡轮机之间，导风排2.2为直立设置的弧形板结构，有多个，围绕着多级风力涡轮机，把集风屛2掠来的风按一定角度(45°)导向涡轮机，它与涡轮叶片3.1之间45°吻合可以提高涡轮机的工作效率。直立的导风排2.2之间，自然形成多个导风腔2.3，把风引向多级风力涡轮机，也有利于加快风对涡轮机的推动产生稳定力矩。上下两个单级涡轮机3分别连在组合钢支架1的棱边上，上下两个单级涡轮机3间有空隙，利用这个空隙设置有智能控制的活动卷帘门2.1，多个活动卷帘门2.1均匀分布在支架面上，该活动卷帘门2.1把导风排2.2形成的导风腔2.3和单级涡轮机3隔开，在中控系统控制下由电磁阀调节，其卷起时位于上、下两级涡轮机的空隙处，放下时可改变涡轮机进风口的大小形成可控的空气流，从而控制多级风力涡轮机的转速，在正常风况下多级风力涡轮机正常输出，遇到紧急情况或系统维修时可关闭活动卷帘门2.1切断风源，保证人员和设备安全。可在集风屏2的表面上装有薄膜光伏，用于提供电源。

上述大面积的集风屏2配合导风排2.2增大了风机掠风面积、加大进风量，通过集风增能的方式弥补了空气压缩单元4的能量消耗，提高了发电系统的发电效率。

配合图4所示，在多级风力涡轮机顶上有专门用于启动风机的启动层1.1，由风直接推动。它是两个轴线错开的半园形叶片直接与轴连接的Savonius型风机。上述启动层1.1可以保持垂直轴一直处于转动状态，不会出现垂直轴停止转动后重新启动麻烦的问题。

配合图5所示，空气压缩单元4包括蜗轮蜗杆增速转向器4.1和多台空气压缩机4.2，优选采用轴流式空气压缩机，每台空气压缩机4.2由前置空气过滤器4.3罩着。垂直轴风力驱动单元的垂直轴(花键垂直轴3.2)向下连到蜗轮蜗杆增速转向器4.1的主轴，经该装置把垂直轴扭矩转向水平轴转矩，带动多台空气压缩机4.2轴水平转动产生压缩空气。靠蜗轮蜗杆的齿数比把空气压缩机4.2的转速提高到额定工作转速(每分钟数百转)。在高速旋转的蜗杆的带动下，非电动的空气压缩机4.2前腔形成局部负压把空气吸入压缩机内，经压缩机螺杆机头的作用，在腔内多次压缩使空气到达额定压力由出口喷出压缩空气。这样垂直轴的机械能就转化为压缩空气的压力能。为了提高压缩空气流量，由多台空气压缩机4.2产生的多股压缩气，利用压缩气管道4.4把多股气流合并为一股额定压力额定流量的压缩空气。该压缩气管道4.4设有单向阀和排水阀。以防止多台压缩机之间发生压气回窜，完全的送到底层的储压发电单元6发电。也便于压缩空气的水分在中心控制下由管道排除。空气压缩单元4内还设有刹车系统-垂直轴抱死装置4.5，垂直轴抱死装置4.5设置在垂直轴外周，当出现紧急情况时对垂直轴进行抱死刹车，同时关闭所有进风口，使设备停止运行，保护人员和设备安全。另外，在空气压缩单元4中，除了常规的非电动空气压缩机，也还设置有由发电机系统的发电机供电的备用电动空气压缩机。

上层空气压缩机产生的压缩空气在压缩气管道4.4导引下穿越位于中间的电气控制单元5到达底部的储压发电单元6，该部分优选设置于地下，可简化系统结构减少投资，便于维护。

储压发电单元6其作用是把压缩空气的压力存储起来，利用稳定的高压空气驱动发电机转动发电，把压缩空气能转化为电能。配合图1、2所示，储压发电单元6包括多个储能压缩空气罐6.1、压缩空气干燥机6.2、管道阀门等后期处理装置、多台空气动力发电机(包括涡扇涡轮增压器6.3及与其连接的发电机6.4)；其中，由空气压缩单元4直传下的压缩空气，经过进气阀和压缩气管道4.4进入储能压缩空气罐6.1暂时储存。该气罐内气体由出气阀喷出恒定气压的压缩空气，罐内压力缓慢下降当该气罐压力低于额定压力时出气阀关闭进气阀打开该气罐再次充气。系统由其他储能压缩空气罐供气。在中控系统控制下保证出气的额定气压额定流量。另外，还有应急备用储能压缩空气罐，当外界风源断停或有意外事故发生时，在中控系统控制下启动由内部电路供电的备用电动空气压缩机对储能压缩空气罐6.1充气。这种自动轮替工作，又有应急保证，是为了在绝对可控状况下输出足量的恒压恒流量的压缩空气。储能压缩空气罐6.1本身有排水排油口，可把罐内的残留水油自动排出。所输出的压缩空气进入压缩空气干燥机6.2对高压气过滤去水去油处理，采用吸附干燥机式工作也采用单向阀门控制轮替工作以保证最终恒压恒流稳定输出经处理的压缩空气。经过管道直接喷入带有涡扇涡轮增压器6.3的涡扇部分，在涡扇涡轮增压器6.3的涡扇推动下，所产生的气流以螺旋线的形式用极高的能量离开涡扇部分进入后部的涡轮部分，带动主轴旋转；由于气流在涡扇涡轮增压器6.3的涡扇部分的升压腔内再次升压，所产生的压力可大大增加。发电机6.4主轴与涡轮部分的主轴直接连接，由涡轮取得动能驱动发电机6.4使其达到额定转速(每分数千转)发出电流。按需优选的是多极磁悬浮永磁式发电机或双转子永磁发电机。所发电经过变流器可使多台百千瓦级发电机并机运行，加大系统发电功率(本系统为兆瓦级)。永磁发电机利用永磁励磁可以较低转速运行，为同步并车提供便利。由于多台发电机6.4使用同等压力同等流量的压缩空气为动力源，用同一机型的涡扇涡轮增压器6.3驱动，发电机6.4之间转速可以恒定一致，不受外界风力等因素的影响。经过变流器还可以做到电流同位相，通过全功率变流器多台模块间的环流电趋于零输入同一变压器，可以实现模块化并机发电。发电机6.4和涡扇涡轮增压器6.3是动力直接耦合，省去齿轮箱提高效率、降低噪音、减少维护。另外，永磁发电机不需要电励磁装置，重量轻体积小可靠性强。随电磁材料的发展和电子技术进步还可以提高发电功率，降低成本。另外，涡扇涡轮增压器6.3的出气端与空气压缩单元4的进气端通过管道6.5连通，使经过涡扇涡轮增压器6.3后的高压余气返回到空气压缩机前端以提高小型空气压缩机的进气量，降低空气压缩机运行的温度，充分节约能源，提高发电效率。

发电机6.4发出的电流由定子引出，所述电流经内部馈电线路回送到位于系统中部的电气设备单元5。电气设备单元5的任务是：1、把发电机发的电能转化为可用的电流或直接供用户使用或并网后再供用户使用。2、控制整个发电系统按要求发出额定功率。3、对发电系统的全部工作加以控制。

具体配合图1、2所示，电气设备单元5包括变流器5.1和配电变压器5.2，电流经变流器5.1变为稳定的工频电流再由配电变压器5.2变成用户所需电压的电流，直接提供给用户使用或并网后与外电网联合提供用户使用。变流器5.1有两个部分：机侧变流器和网侧变流器实现对有功功率、无功功率的灵活控制。机侧变流器要控制各个发电机输出功率，针对实际情况，控制发电机转子定位和电动状态以便各发电机电流可以同位相安全并车运行，提高系统输出功率。网侧变流器主要用于稳定母线的电压，对电网输出电流进行解耦控制，保证单元功率因数运行。按双闭环控制策略、发电机不是直接与电网相连接，使发电机与电网之间相互影响减少，若出现电网故障发电机损害减到最小。

电气设备单元5还包括中控系统，中控系统有控制器与分布在各单元中的各种探测器连接，搜集各种工况数据进行仿真、监控、调节、控制以实现发电系统的协调工作。部分所产生的电流除内部照明通风冷却使用外，另外部分所产生电流回馈送到位于储能压缩空气罐6.1前的备用电力空气压缩机，在中控系统的控制下，当外界风力波动或突发故障引起空气罐压力减少时启动备用电力空气压缩机产生高压气流加入储能压缩空气罐6.1，确保储能压缩空气罐6.1稳定输出高压气流，保证发电系统不受风力波动干扰稳定发电。整个发电系统实现智能化控制。

以下将描述本实用新型的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统的工作步骤：

(一)大面积集风收集风能

自然风通过四扇可转向的集风屛2和固定的导风排2.2，把大面积掠到的风在导风腔2.3内聚集，形成正压区，在涡轮机背后形成负压区把风引入涡轮机。

(二)逐级整流风能转化为机械能

聚集的水平风通过弧形的导风排2.2，转化为旋转气流进入导风腔2.3。导风排2.2为弧形筒状，起到使其加速和改变风向和形态的作用。

(三)被加速后的风推动涡轮机的花键垂直轴3.2旋转(每分钟数十转)

做功后部分气流流向外部，中部强劲旋转气流被烟囱效应继续驱动加入上层的气流，继续对上层涡轮机做功，直到从顶部排出。涡轮叶片3.1带动花键垂直轴3.2将扭矩传递到中层的蜗轮蜗杆增速转向器4.1。

(四)机械能转化为空气压缩能

空气压缩单元4内，花键垂直轴3.2通过星型的蜗轮蜗杆增速转向器4.1将垂直扭矩转成水平扭矩。并按蜗轮蜗杆的齿数比再次提高蜗杆转速，推动多台空气压缩机4.2按额定转速转动(每分数百转)。多台空气压缩机4.2的气流并合并为一股高压足量气流，储存于储能压缩空气罐6.1内。

(五)释放空气压能转化为空气动能

设于底层的储能压缩空气罐6.1可以通过上管道收集高压气体，也可通过备用电动空气压缩机收集高压气体，保证罐内有充足的高压气体。储存的高压气经过后处理装置去油吸水。后喷射向涡扇涡轮增压器6.3，高压气再次经过涡扇部分增压推动涡轮部分高速旋转(每分钟数千转)。

(六)空气动能转为发电能

在高速转动涡轮部分推动下，永磁发电机转子高速旋转，形成旋转磁场，定子切割磁力线，产生大功率交流电。

(七)把发电机发的电变成可用可控的电

多台发电机6.4可以并车运行发电。所发的电经变流器5.1把交流电变为工频电和全功率可用可控的用户电供用户使用。

本实用新型为智能型发电机系统，主要通过设置中控系统进行本地控制(或远端操控)。中控系统与设置在各层的探测器、传感器完成数字采集、仿真、模拟、控制等智能功能。目的在于保证系统在额定工况下平衡工作，又能应对风力的变动和紧急情况，最后输出安全稳定电力。

本实用新型的风机启动层1.1、活动卷帘门2.1、垂直轴抱死装置4.5、电力空气压缩机都属于应急备用单元。除了风机启动层1.1外，其余活动卷帘门2.1、垂直轴抱死装置4.5、电力空气压缩机都可以由中控系统控制。

本实用新型的发电系统整合了涡轮压缩空气技术、涡轮增压技术和智能控制技术，组成一种全天候风力发电系统，实现全风况下灵活的规范配制使用。使本系统能有效解决现行大型风电系统的稳压稳流稳频稳相问题。可提高国产风力发电质量，加快研制自主知识产权的风电设备提升市场竞争力。对解决国产风力发电因为并网困难而造成资源浪费都将有十分重要意义。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，包括垂直轴风力驱动单元、空气压缩单元、储压发电单元；

所述垂直轴风力驱动单元的垂直轴与空气压缩单元相连，驱动所述空气压缩单元将空气进行压缩；

所述储压发电单元包括储能压缩空气罐及空气动力发电机；

所述空气压缩单元与储能压缩空气罐连接，储能压缩空气罐与空气动力发电机连接。

2.根据权利要求1所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述垂直轴风力驱动单元包括多级风力涡轮机；

所述多级风力涡轮机包括上下排列的多个单级涡轮机；所述单级涡轮机包括垂直轴及套在垂直轴上的涡轮叶片，各单级涡轮机的垂直轴之间依次联接。

3.根据权利要求2所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述垂直轴风力驱动单元还包括支架、集风屏及导风排；

所述多级风力涡轮机安装在支架内，集风屛安装在支架上，向外伸出，导风排安装在集风屛与多级风力涡轮机之间，相邻导风排之间形成导风腔，把风引向多级风力涡轮机。

4.根据权利要求1所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述空气压缩单元包括蜗轮蜗杆增速转向器及与所述蜗轮蜗杆增速转向器连接的空气压缩机。

5.根据权利要求1-4任一项所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述储压发电单元中的空气动力发电机包括涡扇涡轮增压器及与所述涡扇涡轮增压器连接的发电机。

6.根据权利要求5所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述涡扇涡轮增压器余气的出气端与空气压缩单元的进气端通过管道连通。

7.根据权利要求1-4任一项所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述储压发电单元还包括空气干燥机，所述空气干燥机连接在储能压缩空气罐与空气动力发电机之间。

8.根据权利要求1-4任一项所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述空气压缩单元包括多台空气压缩机，所述储压发电单元包括多个储能压缩空气罐及多台空气动力发电机；所述多台空气压缩机通过管道与多个储能压缩空气罐连接。

9.根据权利要求1-4任一项所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，所述垂直轴风力驱动单元、空气压缩单元、储压发电单元由上至下依次设置，所述储压发电单元位于地下，所述空气动力发电机采用空气动力永磁磁悬浮发电机。

10.根据权利要求2或3所述的垂直轴空气压缩储能式空气动力发电系统，其特征在于，还包括应急备用单元及中控系统；

所述应急备用单元包括风机启动层、活动卷帘门、垂直轴抱死装置和/或电力空气压缩机；

所述风机启动层位于多级风力涡轮机的顶端，采用Savonius型风机；

所述活动卷帘门卷起时位于上、下两级涡轮机的空隙处，放下时可改变涡轮机进风口的大小；

所述垂直轴抱死装置设置在垂直轴外周；

所述电力空气压缩机利用发电机的电力驱动，并与储能压缩空气罐连接；

所述活动卷帘门、垂直轴抱死装置、电力空气压缩机由中控系统控制。