CN102384035A - 一种风能采集装置及其风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风能采集装置及其风力发电系统，包括立于地面的圆筒式或衔架式塔身，其特征在于：所述塔身顶端背靠背地安装有两台独立运转的水泵，两水泵的驱动转轴的末端处各安装有一台风力涡轮机，所述两台风力涡轮机的旋转方向相反，两水泵的高压出水管路经汇流后通入高压输水总管，所述高压输水总管末端设置有定量喷嘴，从喷嘴中喷射出来的高速水流驱动水轮机旋转，水轮机再驱动发电机产生电能。该风能采集装置设计合理、结构简单，有利于提高风能的利用率；该风力发电系统的水泵的容积和水轮机的喷嘴都是定量的，确保整个水力传动系统的总阻力系数是恒定的，从而得到，水泵的驱动转轴的转速与风速之比恒定，即叶片的叶尖速比是恒定的，风力涡轮机对风能的转换效率，对应不同的风速都可以达到最高值。

Description

一种风能采集装置及其风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，尤其是一种风能采集装置及其风力发电系统。

背景技术

风力发电是世界获取能源最重要的方式之一。随着地球的资源枯竭，人们获取能源的成本也越来越高。但是，风是太阳照射地球使空气流动自然产生的产物，风能严格来说是太阳能的一种产物。风能安全，清洁，资源丰富，取之不竭。最重要的是风能是一种永久性的大量存在的本地资源，可以为我们提供长期稳定的能源供应，它没有原料风险，更没有燃料价格风险，也不会产生碳排量。尽管风力发电的优点很多，但是，由于发电设备的局限，使得风力发电不能得到有、广泛的应用，尤其是由于发电系统的种种缺陷造成的发电效率不高，而设备成本投资大。目前，传统的风力发电设备只要存在的问题如下：

1、传统的单涡轮风力发电机为了吸收较大的风能，一般都是依靠加大扫风面积来实现，这样就会导致某些基础部件与辅助设施的配置成本（如地基、塔身、偏航系统、平台、机舱、运输、安装等）增加。

2、传统的叶片转轴转速恒定的风力发电机，其只能保证风能转换效率在某个风速下，叶尖速比最优，达到最高的风能捕捉效率。另外，对现有的某些专利所述的同样采用液压泵来转换风能，并通过液力传动的风力发电系统中，通过采用变量泵来控制输出流量，或者在液力输送的管道中设置各种各样的液压功能元件来控制传输流体的压力与流速来满足最佳叶尖速比的要求，这样虽然勉强满足了叶尖速比的要求，但是也使得能量在传递的过程中，沿程压力损失增加，能耗增加，发电量较少。

3、大自然的风速大小随时变化，传统的风力发电机，在其整个能量的传输与转换链上，每个功能组件都需要按最高要求的参数来配置才能满足其使用安全性要求，但在大部分的低风速时间里，只能小负荷出力，存在极大的装机资源浪费，即年发电利用小时数（折算到满负荷装机容量）特别低，只能达到一般水电站发电机组的40%左右。

4、传统的风力发电机，其传动链短，且刚性足，当风速突变时，会对机械零件造成意外的冲击损伤，零件提早出现的疲劳损坏，大大降低系统的整体使用寿命。

发明内容

本发明提供一种风能采集装置及其风力发电系统，该风能采集装置设计合理、结构简单，有利于提高风能的利用率；该风力发电系统的水泵的容积和水轮机的喷嘴都是定量的，确保整个水力传动系统的总阻力系数是恒定的，从而得到，水泵的驱动转轴的转速与风速之比恒定，即叶片的叶尖速比是恒定的，风力涡轮机对风能的转换效率，对应不同的风速都可以达到最高值。

本发明的技术方案在于：一种风能采集装置，包括立于地面上的圆筒式或衔架式塔身，其特征在于：所述塔身顶端背靠背地安装有两台独立运转的水泵，两水泵的驱动转轴的末端处各安装有一台风力涡轮机，所述两台风力涡轮机的旋转方向相反（叶片攻角相反）。

上述水泵为低转速柱塞泵，该低转速柱塞泵包括驱动转轴、安装在驱动转轴上的凸轮以及若干个沿驱动转轴的轴向和径向布置的柱塞，所述柱塞由凸轮驱动，使其能够在各自的缸体内做往复直线运动，所述缸体上安装有低压进水单向阀和高压出水单向阀。

上述水泵为定量泵。

上述塔身的顶端设置有一个可绕塔身回转中心偏航旋转的安装平台，所述安装平台为受控偏航旋转平台，所述两水泵固定在安装平台的上侧面。

上述的低转速柱塞泵上的缸体上的高压出水单向阀，连接高压出水口，所有的高压出水口通过一定层级的汇流，最终汇流在一个汇流总管中，所述浮动连接套包括可以作相对360度转动的外套与内套，内、外套之间设置有密封圈，内、外套配合形成了浮动的中空管道，所述的汇流总管与可旋转的浮动连接套的内套固定连接，所述浮动连接套的外套固定在高压输水管道的上端部，所述高压输水管道设置在塔身内，直通到地面。

本发明的另一技术方案在于：一种风力发电系统，包括均匀分布在风电场中的一定数量的风能采集装置，其特征在于：从每个风能采集装置的高压输水管道输送到地面的高压水流，经汇流后通入高压输水总管，所述高压输水总管末端设置有喷嘴，高压水流从喷嘴中喷射出来，驱动水轮机旋转，水轮机再驱动发电机产生电能。

上述喷嘴为定量喷嘴。

上述高压输水管道系统中不设置压力控制与流速控制元件，所述水轮机的出水口经低压回流管路逐级连接至每个风能采集装置的水泵的低压进水口。

上述水轮机的出水口为敞开式，即与大气相通，所述低压回流管路上设置有吸程辅助回流泵。

这里要声明的是，整个系统的介质不局限于是水，也可以是其他形式的液态流体。

本发明的优点有以下几点：

1、风能采集装置上的两个风力涡轮机上的叶片攻角相反，转向相反，则，上风向风力涡轮机对下风向涡轮机来说，相当于起到了导叶的作用，即：风从上风向涡轮机流出后，产生反向螺旋运动，其速度有所下降（风力基本理论---涡流理论），但这种螺旋作用却提高了下风向涡轮机的风能转换效率，也可以说在扫风面积不变的情况下，两台风力涡轮机的配合可以接近风能转换效率的极限。这相对于为了吸收相同风能功率而一味依靠加大扫风面积的传统的单涡轮风力发电机（实际风能转换效率只能达到30%左右）来说，本专利可以大幅度降低某些基础部件与辅助设施的配置成本（如地基、塔身、偏航系统、平台、机舱、运输、安装等）。

2、因采用定量柱塞泵与定量喷嘴的水轮机，且在整个输水管道系统内，不装设压力控制与流速控制元件，确保从低压进水管的吸水口到水轮机的高压喷嘴出水口之间的整个水力传动系统内的局部阻力系数之和与沿程阻力系数之和是恒定的，从而得到，水轮机喷嘴的出水射流速度与柱塞泵的驱动转轴的转速之比恒定，也与风速之比恒定；作用在叶片上的风压与管道内的水压之比恒定；透过风力涡轮叶片扫风面内的风能与水轮机喷嘴射出的水能之比恒定；二组对应的物理特性之间只是介质的密度不同而已。也就是说风场的风速有多快，风力涡轮机就跟着旋转多快，是无需干预自适应的，这也意味着风力涡轮机的叶片的叶尖速比，对应不同的风速是恒定的；即风力涡轮机的叶片对风能的转换效率，对应不同的风速都可以达到最高值。从风力涡轮机的风能的输入到水轮机的喷嘴的水能输出的整个系统，其总效率是恒定的，即叶片风能捕捉效率、低速柱塞泵的机械效率、水力传动效率三者恒定。总效率不随风速改变而改变。这与传统的叶片转轴转速恒定的风力发电机，其只能保证风能转换效率在某个风速下，叶尖速比最优，达到最高的风能捕捉效率，本专利具有无可比拟的优势。另外，对现有某些专利所述的同样采用液压泵来转换风能，并通过液力传动的风力发电系统中，通过采用变量泵来控制输出流量，或者在液力输送的管道中设置各种各样的液压功能元件来控制传输流体的压力与流速来满足最佳叶尖速比的要求来说，本专利具有简单与完全自适应的优势。

3、大自然的风速大小随时变化，传统的风力发电机，在其整个能量的传输与转换链上，每个功能组件都需要按最高要求的参数来配置才能满足其使用安全性要求，但在大部分的低风速时间里，只能小负荷出力，存在极大的装机资源浪费，即年发电利用小时数（折算到满负荷装机容量）特别低，只能达到一般水电站发电机组的40%左右。本专利所述的风电场内，将多个风力涡轮机输出的高压水集中来发电，水轮发电机组无需按并入的风力涡轮机的额定出力功率的算术和来配置水轮机组的总装机容量，只需按一定的经济比例配备即可。当风场的风速超过预设值时，系统自动安排一定比例的风力涡轮机偏航退出运行，这样系统在高风速区也能按照预设的满装机容量发电，同时，高压管道上可以设置一些压力安全保护装置，来确保系统持续、安全、稳定地工作，又能大幅度地提高系统年发电利用小时数。

4、传统的风力发电机，其传动链短，且刚性足，当风速突变时，会对机械零件造成意外的冲击损伤，零件提早出现的疲劳损坏，大大降低系统的整体使用寿命。本系统采用水力传动，传动链长，且刚性弱，面对这种突变风，在水力传动系统内只以波的形式传播，瞬动变得柔和，对机械零件的冲击影响大大降低，提高系统的使用寿命。

5、对于水电站内的机电设备，只需选择传统的合适的水轮机，就能实现在宽水头（即喷嘴的出水射流速度）变化范围内，得到高的能量转换效率。传统的水轮机、发电机、控制系统、辅助系统，性能可靠，标准化程度高，运行经验丰富，保养维护容易，使用寿命长等综合优势明显。

附图说明

图1是风能采集装置的立体结构示意图。

图2是风能采集装置的局部剖视结构示意图。

图3是水泵的局部剖视图。

图4是浮动连接套的局部剖视图。

图5是风力发电系统的结构示意图。

图6是喷嘴和水轮机的安装结构示意图。

图中：1—塔身，2—水泵，3—风力涡轮机，4—安装平台，5—浮动连接套，6—汇流总管，7—高压输水管道；

5-1—外套，5-2—内套，5-3—密封圈；

2-1—驱动转轴，2-2—凸轮，2-3—柱塞，2-4—缸体，2-5—低压进水单向阀，2-6—高压出水单向阀，2-7—复位弹簧；

10—风能采集装置，11—高压输水总管，12—喷嘴，13—水轮机，14—发电机，15—低压回流管路。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

本发明的风能采集装置，包括立于地面上的圆筒式或衔架式塔身1，其特征在于：所述塔身1顶端背靠背地安装有两台独立运转的水泵2，两水泵2的驱动转轴的末端处各安装有一台风力涡轮机3，所述两台风力涡轮机3的旋转方向相反（叶片攻角相反）。

上述水泵2为低转速柱塞泵，该低转速柱塞泵包括驱动转轴2-1、安装在驱动转轴上的凸轮2-2以及若干个沿驱动转轴的轴向和径向布置的柱塞2-3，所述柱塞2-3由凸轮2-2驱动，使其能够在各自的缸体2-4内做往复直线运动，所述缸体2-4上安装有低压进水单向阀2-5和高压出水单向阀2-6。上述水泵为定量泵。

上述塔身的顶端设置有一个可绕塔身回转中心偏航旋转的安装平台4，所述安装平台4为受控偏航旋转平台，所述两水泵固定在安装平台4的上侧面。

上述两台低转速柱塞泵上的所有缸体2-4上的高压出水口通过一定层级的汇流，最终汇流在一个汇流总管6中，所述浮动连接套5包括可以作相对360度转动的外套5-1与内套5-2，内、外套之间设置有密封圈5-3，内、外套配合形成了浮动的中空管道，所述的汇流总管6与可旋转的浮动连接套5的内套5-2固定连接，所述浮动连接套的外套5-1固定在高压输水管道7的上端部，所述高压输水管道7设置在塔身内，直通到地面。

本发明所提供的另一技术方案是：一种风力发电系统，包括均匀分布在风电场中的一定数量的风能采集装置10，其特征在于：从每个风能采集装置10的高压输水管道7输送到地面的高压水流，经汇流后通过高压输水总管11输送到发电厂内，位于发电厂内的高压输水总管11末端固定设置有喷嘴12，从喷嘴12中喷射出来的高速水流驱动水轮机13旋转，水轮机13再驱动发电机14产生电能。

上述喷嘴12为定量喷嘴。

上述高压输水管道系统中不设置压力控制与流速控制元件，所述水轮机13的出水口经低压回流管路15逐级连接至每个风能采集装置10的水泵2的低压进水口。

上述水轮机13的出水口为敞开式，即与大气相通，所述低压回流管路15设置有吸程辅助回流泵。

对上述的风力发电系统的更具体的阐述如下：

本发明包括立于地面上，有一定高度的圆筒式或衔架式塔身，在塔的顶端设置有一个可绕塔身回转中心偏航旋转的安装平台；在该安装平台上，沿着风流动的方向上的看，前后背靠背地安装有两台独立运转的低转速柱塞泵，即上风向低转速柱塞泵与下风向低转速柱塞泵，在每个低转速柱塞泵中，伸出安装平台外的驱动转轴的末端处，各安装有一台低转速风力涡轮机，从风的流动方向上看，两台低转速风力涡轮机旋转方向刚好相反。

每个低转速柱塞泵内，沿着驱动转轴的轴向与径向上均布置有一定数量的柱塞，这些柱塞分别在各自的缸体内被约束，只能做往复直线运动，固定在缸体上的单向阀，控制着水只能从低压侧被吸入缸内，从高压侧排出到高压出水管中，柱塞的往复运动是依靠安装在驱动转轴上的凸轮来驱动的。两台低转速柱塞泵上的所有缸体上的高压出水口通过一定层级的汇流，最终汇流在一个汇流总管中，该汇流总管与可旋转的浮动连接套的外套固定连接，浮动连接套包括可以作相对360度转动的外套与内套，内、外套之间设置有密封圈，内、外套配合形成了浮动的中空管道，浮动连接套的内套固定在高压输水管道的上端部，高压输水管道设置在塔身内，直通到地面，且该浮动连接套的回转中心与安装平台的回转中心重合。以而实现了当安装平台偏航时，也能从塔顶持续不断地将高压水流通过该高压输水管道输送到地面。至此，完成了对低密度的风能捕捉并转换成高密度的水能输送出去。

在风电场中，相邻地布置有一定数量的相同或相近的上述的风能采集装置，从每个风能采集装置的塔中的高压输水管道输送到地面的高压水流，经汇流后通过高压输水总管输送到发电厂内；在整个输水管道系统内，不装设压力控制与流速控制元件，在高压输水总管的末端，固定设置有一定数量的定喷口喷嘴。从喷嘴中喷射出来的水流，驱动水轮机旋转，水轮机再驱动发电机产生电能。在发电厂内，根据每个风电场的具体的年风速概率分布情况，有选择地设定一个经济风速（该速度低于风力涡轮机的额定出力风速），然后，将接入发电厂内的每台风能采集装置按此经济风速对应的输出功率（小于额定功率）来算术累加，选择经济的总装机容量的水轮机、发电机、控制系统与其他配套的辅助设施。当风场的风速超出设定的经济风速时，安排个别风能采集装置选择性地退出，确保系统在高风速时还能照常发电。从水轮机出水口出来的低压水在系统中被循环使用，通过低压输水管道最终送至塔顶的低速柱塞泵内，由于水轮机的出口可以是对大气敞开的或是密闭的，对于敞开式的，还需要有吸程辅助水泵将常压的水扬程到一定高度，以确保塔顶的柱塞泵的进水口的对吸程的要求。对于密闭式的则不需要这种吸程辅助水泵。

这里要声明的是，整个系统的介质不局限于是水，也可以是其他形式的液态流体，例如：液压油等。

本发明不局限上述最佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种风能采集装置，包括立于地面上的圆筒式或衔架式塔身，其特征在于：所述塔身顶端背靠背地安装有两台独立运转的水泵，两水泵的驱动转轴的末端处各安装有一台风力涡轮机，所述两台风力涡轮机的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的风能采集装置，其特征在于：所述水泵为低转速柱塞泵，该低转速柱塞泵包括驱动转轴、安装在驱动转轴上的凸轮以及若干个沿驱动转轴的轴向和径向布置的柱塞，所述柱塞由凸轮驱动，使其能够在各自的缸体内做往复直线运动，所述缸体上安装有低压进水单向阀和高压出水单向阀。

3.根据权利要求1或2所述的风能采集装置，其特征在于：所述水泵为定量泵。

4.根据权利要求1所述的风能采集装置，其特征在于：所述塔身的顶端设置有一个可绕塔身回转中心偏航旋转的安装平台，所述安装平台为受控偏航旋转平台，所述两水泵固定在安装平台的上侧面。

5.根据权利要求2所述的风能采集装置，其特征在于：两台低转速柱塞泵上的所有缸体上的高压出水口通过一定层级的汇流，最终汇流在一个汇流总管中，所述浮动连接套包括可以作相对360度转动的外套与内套，内、外套之间设置有密封圈，内、外套配合形成了浮动的中空管道，所述的汇流总管与可旋转的浮动连接套的内套固定连接，所述浮动连接套的外套固定在高压输水管道的上端部，所述高压输水管道设置在塔身内，直通到地面。

6.一种风力发电系统，包括均匀分布在风电场中的风能采集装置，其特征在于：从每个风能采集装置的高压输水管道输送到地面的高压水流，经汇流后通入高压输水总管，所述高压输水总管末端设置有喷嘴，高压水流从喷嘴中喷射出来，以驱动水轮机旋转，水轮机再驱动发电机产生电能。

7.根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于：所述喷嘴为定量喷嘴。

8.根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于：所述高压输水管道系统中不设置压力控制与流速控制元件，所述水轮机的出水口经低压回流管路逐级连接至每个风能采集装置的水泵的低压进水口。

9.根据权利要求6所述的风力发电系统，其特征在于：所述水轮机的出水口为敞开式，即与大气相通，所述低压回流管路上设置有吸程辅助回流泵。

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