专利名称：助力储压风力机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能自动助力的空气储压式风力机，它以储存的高 气压为发电机、矿山开采、坑道作业、油田负压抽油等，提供强大的 高压空气压力源，同时可实现单台发电机的发电功率达到数十兆瓦 级。
二背景技术：
目前的风力机，主要是直接为发电机提供旋转动力。将风能转变 成旋转机械能，再带动发电机发电转换成电能。另一种形式是将风能 转换成机械能，再转换成液压能，由液压马达转换成电能。它存在着 以下几个问题
1. 这两种类型的风力机都只能为发电机提供旋转动力，使用单
2. 直接使用机械变速和机械调速来达到发电机发电所要求的转 速。其结构相当复杂，精度要求高，制造困难，能量损耗大，故障多。 要将几百吨重的设备全部架设安装到几十米高的立柱顶端，架设安装 难度大，需要特殊专用的高空吊装作业设备。故整体建设成本比较犬， 上网电价就比较高， 一般厂家还制造不了，影响了开发风电事业的积 极性。
3. 若用液压传动，高空架设重量虽说减少了一半，但仍有一百多
吨重。如果管路出现微小的渗漏和回油现象，则输出功率就会急剧下 降。还必须将数十吨液压油提升输送到几十米高的供油油箱内，增大 了电能损耗，在液压传动系统中，随着时间的增长和自然界的变化， 密封部分容易老化、生锈而发生油液渗漏。除传动动力减小外，将造 成油液的二次污染。几个兆瓦的油马达制造比较困难。
4.目前在陆地单台风力发电机功率的极限是3兆瓦。其中风轮直 径超过100米，风叶对材料的重量、强度以及安装的稳定度要求极高， 制造相当困难，我国还不能生产，世界也只有个别的几个国家垄断生 产，制造成本比较高。外购除价格高外，还要受到其它许多制约，这 对发展中国家开发风力发电机事业造成了很大困难。在我国，这种风 力发电机的发电上网价都在0.60元/kwh以上，需要国家补贴，这不 符合我国国情，它影响和限制了我国风电事业开发和发展。
发明内容
本发朋的目的是研制一种能够自动助力，以气体储压的形式将动 力从高空引转至地面的一种新式风力机。它可对风力机自动助力，使 风轮的启动风速减小到l米/秒以下，并能增加旋转动力。它将风能 以空气压縮的方式储存，随时使用。可进行风力发电。油田负压抽油、 矿山开釆、地下坑道供氧作业等多种用途。它可单台也能够多台并联 获得更加强大的空气压缩动力能，可达到单台风力发龟机的发电功率 至数十兆瓦级。这是其它单台风力发电机不可能达到的。本发明结构 简单、制造容易、成本低、用途广，有望风力发电上网电价接近甚至 低于火力发电电价。
本发明基本原理是在风轮主轴上增加一台自动助力器。它可在 1米/秒以下的风速内助力于风轮启动，旋转时增加动力。将高速流 动的空气经过多级特殊组合的气泵压缩增压后储存起来，并可多台并 联后给风力发电机的气轮机提供强大的空气压縮动力，带动发电机发 电，给地下坑道作业供氧，矿山开采风镐，油田负压抽油设备提供空 气压縮动力。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为了提高风轮l的启 动性能，并增加转动力矩，在主轴2上安装了一台助力器3。主轴2 安装在旋转塔4上，并随风力方向的改变做360°的任意旋转，同时 带动气泵5对高速流动的空气进行压縮、增加后输送至储压立柱6中 储存。再经过调压开关7给气轮机9供给所需流量的高压气体，并带 动变功率发电机8旋转发电(如图1)。同时也可以将A、 B、 C、 D…… 等多台风力机并联给储压罐14集中供压，以获得更加强大的压缩空气 动力(如图3、 4)，供发电机8，矿山开采风镐15，坑道供氧装置16，
油田负皮抽油装置n等提供强大的压縮空气动力。
本发明的技术解决方案还包括:
l.所述的助力储压风力机，其特征是所述的助力器3，是由滑 动连杆1G，重力锤ll，滑道12，推力板13组成。推力板在外力的作用 下，将滑动连杆10经过滑轨12推向另一端。使连杆10的力臂长度始
终是L>H。使F L>F H，贝!j a b c区间的F Labc积分总合大于 c d a区间的F Lcda积分总合。故重锤11在F Labc—F Lcda积 分总合的力矩作用下，给主轴2增加了一个转动力矩。使风轮i所需 的启动风速降低。同时为风力机主轴2增加一个转动力矩。
2. 所述的助力储压风力机，其特征是整机只使用了增速装置， 减少了调速装置,并将增速装置与主轴2设计成为一体，简化了结构， 减f氐了制造成本。
3. 所述的助力储压风力机，其特征是所述的气泵5是由轴向多 级压缩机和高压增压机联合组成。它将高速流动的气体经轴向压縮机 压缩后，提高了增压机的进口压力。再经增压后，获得了高压空气， 向储压立柱6中输送储压。
4. 所述的助力储压风力机，其特征是将钢制立柱6制造成单层 或多层储压室，既起到立柱对风机的支撑作用，同时又是一组储压罐， 这就节约了大量的钢材，降低了制造成本。
5. 所述的助力储压风力机，其特征是风力机根据设备用气量的 大小，可设置单台，也可将A、 B、 C、 D……等多台风力机并联使用， 以获取更加强大的空气压缩动力。
6. 所述的助力储压风力机，其特征是；若用来进行风力发电，发 电机8必须是专用设计的变功率发电机。它可根裾储气罐中所储气体 的压力和储量，自动调节发电机的发电功率。也可根据发电时间段的 指令，调节发电机的发电功率。自动调压开关7随着发电机8所改变 后的功率要求，自动调节所需气压和流量，确保发电机发电的电压和 频率是恒定的。
7. 所述的助力储压风力机，其特征是单台或多台风力机并联后 将储存的气压集中向集压罐14供应，以保证风镐15，坑道供氧装置16，
油田负压抽油装置n所需气压。油田抽油装置i7，必须是自行设计专 用的负压抽油装置。
8.所述的助力储压风力机，其特征是助力器3，除用于风力机 外，亦可用于自行车、三轮车、电动自行车，以及其它转动设备中， 同样起到旋转助力作用。 本发明的优点和效果
1. 由于本发明采用了气压转换装置，使风力机的结构更加简单， 制造容易，可百分之百的国产化生产，简化了许多制造难度大的零部 件，降低了制造成本，使用范围更加广泛，可直接用来风力发电，油 田负压抽油，矿山开釆气压工具用气，以及地下坑道作业供养。在国 内外属于先进的新一代风电设备。
2. 由于本发明采用了直接由调压开关控制气压来调节转速实现 发电，也可供其它设备使用。减少了许多精度要求高，设计制造复杂， 故障多，成本高的变速调速装置，超长风叶等零部件。从而降低了制 造成本，节约了大量的安装、维修费用。
3. 由于本发明采用了风能+助力能的模式，使整体的转动功率增
加20%以上，启动风速可降低至l米/秒以下，内陆的大小风区、海
洋、江河、湖泊沿岸、沙漠、荒山均可使用。'扩大了使用地域，将更 多地造福人类。
4. 由于本发明采用了单台或多台风力机并联使用，可获得所需要 的更大的空气压力能。将实现单台风力发电机发电功率达到数10兆
瓦级。这是其它风力发电机组极难实现的。因采用了多台并联，使风
力机的风轮直接减小到自己能制造的程度。可使风电上网电价接近和 低于火力发电电价。这是对人类的巨大贡献，为风力发电事业开辟了 一条广阔的新途径。
5. 由于本发明采用了设计的一套特殊的可360°任意旋转的旋转 塔，可根据风向的改变自动对正风向，且不影响立轴转动，对输出的 气压导管、线路等均无妨碍
6. 由于本发明采用了将钢制立柱设计成单层或多层储压罐结构， 使立柱增加了使用功能，同时也节约了大量的钢材和减少了对土地的 占用，降低了建设费用。
7. 由于本发明采用了空气储压，大小风速均可以使风力机按完全 有用的功率工作。将高速气流以高压的形式储存起来，用于风力发电 时可根据用电高峰时多发电，低峰时少发电进行指令性控制，也就提 高了使用价值，增加了收入。
8. 由于本发明采用了助力储压，使风力机的动能提高20%以上， 风能的利用率提高，从小风速到强风速可全部用来做功，减小了其它 风力发电^t中的无功功率，可使发电量增加40%以上。因结构简单， 百分之百的国内生产，气压控制精确、方便，能保证发电机能恒速旋 转，提高了上网电量的品质。因高空架设重量只是其它设备的1/'8， 使架设安装、维修费用降低。将复杂的调速装置换成了简单的气压开 关调节，降低了大量的制造成本。由于发电量的增加，制造成本的降 低，可使风电场的建设费用下降1/3—1/2。有望上网电价接近甚至低 于火力发电电价，有极强的实用价值。
四
本发明的附图l，图2,图3，图4，图5是整体结构工作原理示 意图，图中的标号说明
ln (n表示数量，下同)——风轮，2n——主轴，3n—助 力器，4n——旋转塔，5n——气泵，6n——储压立柱，7n——调 压开关，8n——发电机，9n——^轮机，10n——滑动连杆，11 n ——重力锤，12 n——滑轨，13 n——推力板，14 n——^压罐，15 n—风镐，16n—~^道供氧装置，17n—油田负压抽油装置， 18n—转动设备，A、 B、 C、 Eh"—多台并联风力机。
五具体实施例方式
新研制设计的助力储压风力机，若和3兆瓦的变功率发电机相配 合，为保证风力发电的输出功为3兆瓦，采用4台风轮直径为60米 的助力储压风力机并联使用。每台风轮的输出功率为650千瓦，加上 自动助力器，每台风力机可输出功率为650千瓦乂120%=780千瓦。4 台风力机并联，总的输出功率可达到780X4=3120千瓦。即3.12 兆瓦完全可满足3兆瓦的变功率发电机的需求。当风轮在助力器的帮 助下，若有l米/秒的风速时，即可启动带动主轴转动。通过主轴自 身的增速(主轴设计制造时就带有12倍的增速装置)。再带动气泵工 作，气泵由轴向压縮和高压增压两个部分完成。首先是将高速流动的 空气流通过轴向多级压缩后，将以0.6-0.8MPa的压力为高压增压机 的进口处提供中压气源，经高压增压机的加压后，可输出12.5MPa的 高压气体，输送至储压立柱中高压储存。每台立柱可储存268立方米
的气体。4台并联总储量为1072立方米的高压气体供给3. 2兆瓦的气 轮机工作。再带动3兆瓦的变功率发电机转动发电。发电机的转速恒 定为1500转/分，频率恒定为50HZ，发电机输出电压为480V。再经 变压器变压，与电网电压相匹配后，上网向外输送所发电量。变功率 发电机是根据当时风速的大小，所储存的气压大小，储量多少，自动 变动其输出功率(转速、频率和电压不变)。保证获得最大发电量。 调压开关又根据变功率发电机所提供的功率指令自动调节开关的大 小，确定向气轮机提供所需气流的流量和压力的多少，保证该发电功 率的正常实现。
根据以上设计、试验、计算和分析，可以认定采用助力储压风力 机带动变功率发电机发电是可行的。它将3兆瓦单台风力发电机所需 110米直径的风轮，因采用4台助力储压风力机带动的变功率发电机 发电功率同为3兆瓦。换成风轮直径只需50米。解决了单片风叶长 为55米的制造难度，改为单片风叶长仅为25米。由于采用了自动助 力器和变功率发电机，动力提高20%。总的发电量可增加40%。由 于制造难度减小，制造成本降低，高空架设安装重量仅为20多吨, 为其它机型的1/8，这又减少了架设安装和维修费用。使风力发电场 的建设费用减少1/3—1/2。可使上网电价接近甚至低于火力发电电 价。
权利要求
1.助力储压风力机，基本是由风轮1n(n表示数量，下同)，主轴2n，助力器3n，旋转塔4n，气泵5n，储压立柱6n，调压开关7n组成。其特征是风轮1，在助力器3和流动风速的作用下，带动装有自动增速的主轴2转动，再由主轴2带动气泵5，将高速流动的气流压缩增压后储存在储压立柱6中，由调压开关7控制气轮机9和发电机8工作发电。也可由调压开关7控制给集压罐14提供高压气体，由集压罐14给矿山开采用工具风镐15；地下坑道作业供氧16；油田负压抽油机17等提供高压气体，使其正常工作。也可A、B、C、D……等多台风力机并联给气轮机9，集压罐14，提供高压气体如图1、图3、图4。
2. 根据权利要求1所述的助力储压风力机，其特征是主轴2必 须有装在同心轴上的增速装置，既保证主轴2的同心转动，又能达到 所需的增压转速。
3. 根据权利要求1和2所述的助力储压风力机，其特征是主轴 2—端安装风轮，另一端安装助力器3，必须保证主轴工作同心转动。
4. 根据权利要求1和3所述的助力储压风力机，其特征是助力 器3必须由滑动连杆10，重力锤ll,滑轨12，推板13组成。其中滑 动连杆IO，至少有二根组成，也可几根组成。重力锤11至少有2X2个组成，也可2Xn个组成。如图2。
5. 根据权利要求1和4所述的助力储压风力机，其特征是助力 器3中的滑动连杆10和重力缍U，在推力板13的作用下，将滑动连杆 10和重力锤ii经滑轨i2推向另一端，形成力臂L〉力臂H。
6. 根据权利要求1和5所述的助力储压风力机，其特征是推动 推力板13的动力，可以是机械传动力、液压传动力、气压传动力、电 磁传动力、永磁传动力及磁悬浮装置等。
7. 根据权利要求1和5所述的助力储压风力机，其特征是助力 器3中的重力锤11和滑动连杆10，必须是饶圆心O旋转。其运动轨迹必须是按特殊转动规律所设计的多变轨道，如图2。
8. 根据权利要求1所述的助力储压风力机，其特征是储压立柱 6，可以是一个单独的储压舱，也可以是几个储压舱联接使用，串联、 并联均可。
9. 根据权利要求1所述的助力储压风力机，其特征是风力机可 单台供压，也可A、 B、 C、 D……等多台并联给气轮机9和集压罐14 提供高压气体。保证发电机8正常发电；油田负压抽油装置17 (单台 或多台)、地下坑道供氧装置16、矿山开采工具风镐15 (单件或多件) 等正常工作。
10. 根据权利要求I、 3、 4、 5、 6、 7所述的助力储压风力机，其 特征是助力器3可用在任何形式的风力机、风力发电机上，也可用 于自行车、电动自行车、三轮车及其它转动设备上，作为助力器和主 动力。如图5。
全文摘要
本发明涉及一种带有自动助力装置的气体储压式风力机。它可给发电设备，坑道作业，矿山开采，油田负压抽油提供强大的高压汽源。目前的风力机多为由强风驱动大风轮，经机械变速和调速后直接带动发电机发电。它存在的问题是启动风速高；低风速和额定外风速均做无功功率，风能损失大；机械变速和调速装置实现恒速难度大，制造成本高；高空架设维修困难，费用高。本发明采用了自动助力装置，使风轮的启动风速更低，大小风力地区都可以使用，能最大限度的提高风能利用率。由于结构简单，避开了大风叶和机械调速装置的制造，使制造工艺简单，可实现百分之百国产化生产，成本降低，可实现单台风电功率为数十兆瓦，为我国风电产业开辟了一条全新道路。
文档编号F03D9/02GK101349250SQ20081015058
公开日2009年1月21日 申请日期2008年8月11日 优先权日2008年8月11日
发明者柳海源 申请人:柳海源