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Title:
WIND ENERGY COLLECTION DEVICE AND WIND POWER GENERATION SYSTEM THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/053257
Kind Code:
A1
Abstract:
A wind energy collection device and a wind power generation system thereof comprise a cylindrical or truss-type tower body (1) erected on the ground. Two water pumps (2) operating independently are mounted back to back at the top of the tower body. Driving rotary shafts (2-1) of the two water pumps each have a wind turbine (3) mounted at one end. The rotation directions of the two wind turbines are opposite to each other. High pressure water outlet pipelines of the two water pumps converge and are then connected to a high pressure water delivery main pipe (11). One end of the high pressure water delivery main pipe is provided with a flow-fixed nozzle (12). A high-speed water flow sprayed out of the nozzle drives a water turbine (13) to rotate. The water turbine then drives a generator (14) to generate electricity. The wind energy collection device has a simple structure and a high wind energy utilization rate. The volume of the water pump and the flow of the nozzle of the water turbine in the wind power generation system are both fixed, so as to ensure that the total resistance coefficient of the whole water transmission system is constant, and therefore make the ratio of the rotation speed of the driving rotary shafts of the water pumps to the wind speed be constant, thereby enabling the wind energy conversion efficiency of the wind turbine to reach the highest value for different wind speeds.

Inventors:
ZHU, Yongbo (Room202, Building13 Guangmingshijia Taijian, Fuzhou Fujian 9, 350009, CN)
Application Number:
CN2012/079160
Publication Date:
April 18, 2013
Filing Date:
July 26, 2012
Export Citation:
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Assignee:
ZHU, Yongbo (Room202, Building13 Guangmingshijia Taijian, Fuzhou Fujian 9, 350009, CN)
International Classes:
F03D9/00; F03D1/02; F04B13/00; F04B17/02
Domestic Patent References:
WO2012023866A12012-02-23
Foreign References:
CN102384035A2012-03-21
CN202273819U2012-06-13
CN102384055A2012-03-21
CN202273815U2012-06-13
TW201124621A2011-07-16
US20040096327A12004-05-20
CN101994673A2011-03-30
CN101158335A2008-04-09
CN101268275A2008-09-17
US7566983B12009-07-28
EP1677002A22006-07-05
US20090273186A12009-11-05
US20090230688A12009-09-17
Attorney, Agent or Firm:
FUZHOU YUANCHUANG PATENT AND TRADEMARK AGENT LTD. (Room214 Floor5 Zhongrong Commercial Mansion, No.75 Wuyi Middle Road Taijian, Fuzhou Fujian 5, 350005, CN)
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Claims:
权利要求书

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。

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 攻角相反, 转向相反, 贝 |J, 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, gp : 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(风力基本理论一-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, 4一安装平台, 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, 11一高压输水总管, 12 喷嘴, 13—水轮机, 14 一发电机, 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 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 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。