空气压缩式风力发电系统及其控制方法与流程

本发明属于风电领域，尤其涉及一种空气压缩式风力发电系统及其控制方法。

背景技术：

对于常规的风力发电设备，常规的切出风速是25m/s，一般切入风速3m/s左右，所以经常出现虽然有风，但风机却停转，而有时虽然风速很大，但为了保护风机也必须停转，从而造成很大的能源浪费。

同时，由于风能时有时无、时大时小的不稳定特性，如果直接并网对电网冲击比较大，所以一般电网控制风能比例不能超过10%。为了能让绿色可再生资源得比例提高，减少空气污染，就得解决如何把不稳定变为稳定输出的问题。由于风能是不稳定能量传递，是一个波动的过程，现有的把风能转化为机械能或液压能输出的方案还是无法避免出现输出的波动特性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明利用空气介质具有减震吸振的特点，提出了把风能转变为空气压缩能储存，再通过稳压输出发电，从而获得稳定的电能输出的方案，并实现削峰填谷输出发电。

本发明具体采用以下技术方案：

一种空气压缩式风力发电系统，其特征在于，包括：依次连接的带有叶片的动力机构、空气压缩储能装置和发电装置；所述动力机构的主轴经第一变速箱连接空气压缩储能装置的空气压缩机；所述空气压缩机的出口端连接单向阀的进口端；所述单向阀的出口端连接储气罐的进口端；所述储气罐的出口端连接变量稳压阀的进口端；所述变量稳压阀连接控制器；所述变量稳压阀的出口端连接发电装置的气动马达；所述气动马达经第二变速箱连接发电机。

优选地，还包括测风机构和追风器；所述追风器包括分别连接空气压缩机的出口端和单向阀的进口端的旋转接头、以及转筒、固定筒、圈齿、旋转马达和齿轮；所述转筒与所述第一变速箱和空气压缩机外部的罩壳底部相固定；所述固定筒位于转筒的下方，与塔架的最上端相固定；所述转筒的下端套设在固定筒内，并由固定筒支撑；所述圈齿固定在转筒下端的内壁上，旋转马达固定在固定筒的内壁上；所述旋转马达的输出轴连接齿轮，齿轮与圈齿构成啮合；所述测风机构位于转筒的上侧，与旋转马达分别连接追风控制器。

优选地，所述旋转接头包括包括旋转头、空心轴、轴承、密封圈、弹簧、弹簧垫片和卡台；所述旋转头的下部内侧和空心轴的上部均为漏斗形状并相套接，其间填充有漏斗形状密封圈；所述旋转头的底部内侧安装有轴承，轴承内壁与空心轴外壁贴合；所述轴承下方固定连接弹簧的一端，弹簧的另一端通过弹簧垫片固定在卡台上；所述卡台作为空心轴上固定设置的突出部，位于轴承的下方。

优选地，所述空气压缩机和单向阀之间通过分向阀分为第一管路和第二管路；所述第二管路中接有大小转换器；所述大小转换器包括大气压缸和同轴的小气压缸；所述空气压缩机的出口端接小气压缸的进口端且单向阀的进口端接大气压缸的出口端，或空气压缩机的出口端接大气压缸的进口端且单向阀的进口端接小气压缸的出口端。

优选地，所述储气罐的两端分别连接有第一换热器和第二换热器；所述第一换热器及第二换热器各自分别连接低温介质储罐和高温介质储罐；所述空气压缩机的出口端连接第一换热器，所述气动马达的进口端链接第二换热器。

优选地，所述储气罐内至少有一段设置为稳压仓；所述稳压仓包括：进气通道、稳压仓体和调节腔体；所述进气通道的出口处设置有相配合的气塞和气咀以连通稳压仓体，所述气塞套设在活动杆上；所述调节腔体通过气膜密封，活动杆穿过气膜在调节腔体中通过调节弹簧与步进电机的输出轴连接；所述稳压仓体上带有出气口。

优选地，所述叶片端部带有单向关节，与主轴末端的轮毂通过转轴构成铰接，并由挡片限位；所述转轴处设置有由液压杆驱动的刹车片。

优选地，所述空气压缩机有1个以上，为多级串联设置。

以及根据以上空气压缩式风力发电系统的控制方法之一，其特征在于：所述控制器控制变量稳压阀在给定的时间段内稳定输出给定的功率。

以及根据以上空气压缩式风力发电系统的控制方法之二，其特征在于：所述控制器控制变量稳压阀在用电高峰时段提高输出功率，在用电低谷时段降低输出功率，并控制单位时间内的总输出功率与输入功率保持平衡。

本发明及其优选方案通过将风能转变为空气压缩能的涉及思路，构建了一套行之有效且性能优越的方案，其将波动式的风能转换为高压空气进行储能，并通过变量稳压阀控制输出，实现稳压输出或削峰填谷输出发电。

在优选的设计方案当中，本发明还提供了能够使叶片始终正对风向的追风器装置的实现方案；提供了大小转换器和稳压仓的设计方案，可以把风速切入和切出范围大大扩大，提供能源的利用率，减少资源浪费；进一步提高能量利用效率的换热器结构；增强在大风状态下安全性的叶片弯折方案等。

通过本发明及其优选方案的实施，能够极大改进和提升现有风力发电装置的性能，具备很高的应用前景和市场价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例1主要结构示意图；

图2为本发明实施例1塔架顶部装置结构示意图；

图3为本发明实施例1旋转接头结构示意图；

图4为本发明实施例1大小转换器结构示意图；

图5为本发明实施例1大小转换器工作过程示意图1；

图6为本发明实施例1大小转换器工作过程示意图2；

图7为本发明实施例1热交换器结构示意图；

图8为本发明实施例1稳压仓结构示意图；

图9为本发明实施例1可弯折叶片结构示意图1；

图10为本发明实施例1可弯折叶片结构示意图2；

图11为本发明实施例1可弯折叶片结构示意图3；

图12为本发明实施例1可弯折叶片结构示意图4；

图13为本发明实施例1可弯折叶片结构示意图5；

图14为本发明实施例2主要结构示意图；

图中：

100-罩壳；101-轮毂；102-叶片；103-主轴；104-刹车器；105-第一变速箱；106-挡片；107-转轴；108-叶片安装端；109-刹车片；110-液压杆；111-固定端；1071-转轴凸起部；1072-转轴孔；

200-塔架；201-空气压缩机；202-旋转接头；203-分向阀；204-第一管路；205-大小转换器；206-第二管路；207-单向阀；208-储气罐；209-变量稳压阀；210-控制器；2010-离合器；2011-第二空气压缩机；

301-气动马达；302-发电机；303-第二变速箱；304-蓄电池组；305-电网接口；

401-测风机构；402-转筒；403-固定筒；404-圈齿；405-旋转马达；411-旋转头；412-空心轴；413-密封圈；414-轴承；415-弹簧；416-弹簧垫片；417-卡台；

501-大缸活塞；502-小缸活塞；503-滑动轴承；504-联动轴；505-大缸进气口；506-大缸出气口；507-小缸出气口；508-小缸进气口；

601-第一换热器；602-第二换热器；603-低温介质储罐；604-高温介质储罐；

701-气塞；702-气咀；703-气膜垫；704-气膜；705-稳压仓体；706-下弹簧盘；707-上弹簧盘；708-螺母；709-螺杆；710-调节弹簧；711-调节腔体；712-步进电机。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举2个实施例，作详细说明如下：

如图1所示，在本发明第一个实施例当中，其主要结构包括：依次连接的带有叶片102的动力机构、空气压缩储能装置和发电装置。其中，动力机构的主轴103经用于叶片102应急停转的刹车器104、以及第一变速箱105连接空气压缩储能装置的空气压缩机201；空气压缩机201的出口端经过气流管路连接单向阀207的进口端；单向阀207的出口端连接储气罐208的进口端；储气罐208的出口端连接变量稳压阀209的进口端；变量稳压阀209连接控制器210，用以实现输出功率的控制；变量稳压阀209的出口端连接发电装置的气动马达301；气动马达301经第二变速箱303连接发电机302。

该种结构将动力机构产生的能量通过空气压缩机201转换为空气压缩能，并存储于储气罐208当中；通过变量稳压阀209再将储气罐208当中的能量可控地释放，从而转换为平稳的电能。

如图2所示，本实施例提供的空气压缩式风力发电系统的上部结构还包括有测风机构401和追风器。追风器包括分别连接空气压缩机201的出口端和单向阀207的进口端的旋转接头202、以及转筒402、固定筒403、圈齿404、旋转马达405和齿轮；转筒402与第一变速箱105和空气压缩机201外部的罩壳100底部相固定；固定筒403位于转筒402的下方，与塔架200的最上端相固定；转筒402的下端套设在固定筒403内，并由固定筒403支撑；圈齿404固定在转筒402下端的内壁上，旋转马达405固定在固定筒403的内壁上；旋转马达405的输出轴连接齿轮，齿轮与圈齿404构成啮合。旋转马达405转动时，齿轮啮合圈齿404即可带动追风器转筒402旋转。驱动旋转马达405可以直接使用系统发电机302提供的电力。

测风机构401位于转筒402的上侧，与旋转马达405分别连接追风控制器210，该测风机构401具体可以采用现有常规技术当中气象领域常用的能够标定当前风向的装置。测风机构401向追风控制器210发送风速和风向信号，追风控制器210则根据风向控制旋转马达405转动给定的角度，齿轮啮合圈齿404转动追风器的转筒402旋转机舱方向，从而可以使叶片102始终正对风向，以最大化地利用风能。

如图3所示，旋转接头202包括包括旋转头411、空心轴412、轴承414、密封圈413、弹簧415、弹簧垫片416和卡台417；旋转头411的下部内侧和空心轴412的上部均为漏斗形状并相套接，其间填充有漏斗形状密封圈413，以形成一个密封可以旋转的连接方式，使高压空气从旋转头411进口端进入，从空心轴412出口端出不漏气。

旋转头411的底部内侧安装有轴承414，轴承414内壁与空心轴412外壁贴合；轴承414下方固定连接弹簧415的一端，弹簧415的另一端通过弹簧垫片416固定在卡台417上；卡台417作为空心轴412上固定设置的突出部，位于轴承414的下方。在该结构当中，弹簧415上部顶着旋转头411，下部通过弹簧垫片416压着卡台417，使得空心轴412旋转连接不会出现上下松动；

如图1、图4-图6所示，空气压缩机201和单向阀207之间通过分向阀203分为第一管路204和第二管路206；第二管路206中接有大小转换器205；大小转换器205包括大气压缸和同轴的小气压缸，大缸活塞501和小缸活塞502通过联动轴504连接，联动轴504外套设有滑动轴承503以减小摩擦力。空气压缩机201的出口端接小气压缸的进口端且单向阀207的进口端接大气压缸的出口端，或空气压缩机201的出口端接大气压缸的进口端且单向阀207的进口端接小气压缸的出口端。

该结构的意义在于，例如，当风速超过切入风速25m/s时，叶片102转速变快，为了减少叶片102转速可以通过提高输出气压值来减速。此时，把空气压缩机201的出口端接小缸进气口508，高压气体进入小气压缸推动小缸活塞502，小缸活塞502通过联动轴504推动大缸活塞501，大缸活塞501向大缸出气口506挤压流量更多的高压气体，输入到储气罐208。同样行程小气压缸推动大气压缸需要更大的功率，所以也反作用于空气压缩机201，同样空气压缩机201再反作用于第一变速箱105以增加叶片102的输出扭力，从而减少叶片102的转速，保护叶片102安全；同理，当风速低于切入风速3m/s，使空气压缩机201的出口端接大缸进气口505，小缸出气口507接储气罐208的进口端，同样行程，大气压缸推动小气压缸功率降低，大气压缸反作用于风机叶片102的输出功率降低，使得低于3m/s的风速叶片102也能转动做功，这样大大的扩大风能利用范围。

如图7所示，为了提高能量利用效率（空气压缩的过程中有一部分能量被转化为热能），在本实施例中，储气罐208的两端分别连接有第一换热器601和第二换热器602；第一换热器601及第二换热器602各自分别连接低温介质储罐603和高温介质储罐604；空气压缩机201的出口端连接第一换热器601，气动马达301的进口端链接第二换热器602。将产生的热能通过换热器储存到高温介质储罐604；储气罐208输出高压气体时，加热气体可以增加输出功率，通过高温介质储罐604输出热能提高输出气体的功率，输出端通过换热后变成低温介质回流到低温介质储罐603，低温介质储罐603的介质再通过换热器又把入口端高温气体交换回流到高温介质储罐604，从而实现循环的过程。

如图8所示，为了进一步提高储气罐208内气压的稳定性，在本实施例中，将储气罐208内的至少一部分设置为稳压仓（优选为进气口或出气口处）。其中，稳压仓包括：进气通道、稳压仓体705和调节腔体711。

其中，进气通道的出口处设置有相配合的气塞701和气咀702以连通稳压仓体705，气塞套设在可以进行水平位移的活动杆上；调节腔体711通过气膜704密封，并通过气膜垫703进一步固定，活动杆穿过气膜704在调节腔体711中通过调节弹簧710与步进电机712的输出轴连接，步进电机712的输出轴为螺杆709的形态，与螺母708配合，通过上弹簧盘707将调节弹簧415固定，调节弹簧710的另一端通过下弹簧盘706与活动杆相固定，下弹簧盘706固定在气膜垫703上；稳压仓体705上带有出气口。

通过以上装置，当稳压仓体705内压力超出预定气压值时，气膜704向调节腔体711的方向鼓起，从而带动气塞701向调节腔体711的方向运动，从而使气咀702的出气孔变小，直至关闭。而当稳压仓体705通过出气口向外输出高压气体时，稳压仓体705内压力减小，气膜704向稳压仓体705的方向缩回，从而带动气塞701回拉，气咀702打开，储气罐208或单向阀207的高压气体又可以通过气咀702进入稳压仓体705。步进电机712的作用则是通过螺杆709旋转螺母708升降上弹簧盘707，对调节弹簧415进行微调控制从而调节稳压仓体705内的气压阈值。

如图9-图13所示，本实施例对叶片102结构也有特殊的设计，其中，叶片102端部带有单向关节，与主轴103末端的轮毂101延伸出的叶片安装端108通过转轴107构成铰接，并由挡片106限位，使其转动的范围控制在90°左右而不会出现反折；转轴107处设置有由液压杆110驱动的刹车片109。

转轴107由叶片102上的转轴107凸起部1071和叶片安装端108上的转轴107孔1072构成，刹车片109和液压杆110均设置在叶片安装端108上，且位于转轴107的侧部，在设备常规运转的情况下，刹车片109处于刹车状态，以保证叶片102保持展开的可工作状态，叶片安装端108可通过带有螺纹的固定端111与轮毂101相固定。

如图13所示，叶片102弯折的具体实现方式：当飓风来时，可以通过追风器的运转，使叶片102转向风向背面，此时慢慢松开刹车片109，由于风力的作用，叶片102向后慢慢弯折，直到90度时，刹车片109重新制动，确保叶片102处于抗风的最佳角度。同理当飓风结束，叶片102需要展开时，可以通过追风器的运转，叶片102转向风向正面，此时慢慢松开刹车片109，由于叶片102自重和风力的原因，轮毂101下面的弯折叶片102可以向后慢慢伸展，直到与叶片安装端108展平成为一直线，之后由刹车片109完成固定。对于处于其他角度的叶片102，可以通过轮毂101的转动，使每一片叶片102转动至竖直朝下的方向，通过离合刹车片109的方式完成叶片102的展平。以上方案弯折和展开叶片102不用依靠额外的动力，单靠风力和叶片102自重就能实现。驱动液压杆110可以直接使用系统发电机302提供的电力。

在本实施例中，提供了两种对能量输出的控制方案，其一在于：控制器210控制变量稳压阀209在给定的时间段内稳定输出给定的功率。

可以通过压力感测传感器等装置，实时监测储气罐208内的压力状况，即可以通过控制器210结合气压状况数据以及储气罐208罐体体积计算得出高压气体每个时间单位的输入量。再通过气压单元信号的变化，结合罐体体积和变量稳压阀209输出气体的流量，得出储气罐208体每个时间单位的气体输入量；接下来即可以根据设定的时间窗口来平均输出；如时间窗口为4小时，根据4小时总输入多少气体量，再平均分配每小时进行输出的量。设4小时输入功率为4mw，那么平均每小时为1mw,此时变量稳压阀209，即按每小时1mw稳定输出功率。该种方式类似于银行零存整取原理，也像一个水池，上面输入的水有时有，有时没有，有时大有时小不稳定地输入，但下方出水口的输出不受影响。同时由于空气具有吸振、减震效果，能够消除振波式的能量输入，再经过变量稳压阀209的一道调节，能够实现更好的稳定输出的效果。

其二在于：控制器210控制变量稳压阀209在用电高峰时段提高输出功率，在用电低谷时段降低输出功率，并控制单位时间内的总输出功率与输入功率保持平衡。

可设定峰谷输出功率，并根据24小时输入量来分配峰谷输出功率；可以把24小时分高中低三段平均每段8小时，低段为纯储能，中段为4小时总输入来平均每小时输出量拉平，高段为低段加高峰总和平均每小时输出量。这样保证高峰卖电，低谷储存，中峰平均输出不会给储气罐208太大压力。

如图14所示，在本发明提供的第二个实施例中，由于考虑到在第一个实施例的方案当中，如果要进一步扩大储气罐208的储能总量，起到更好的平衡削峰填谷效果，储气罐208体内的压力也需要提高，此时，仅采用一级空气压缩机201可能难以达到良好的效果，因此可以引入多级增压输入；在本实施例中，通过离合器2010增加连接了第二空气压缩机2011，并分别通过管线输出，提升了储能总量。

在本实施例中，塔架200的底部直接作为发电机302的外壳，直接在其之内安装定子、转子，以进一步节约成本和空间。

在本实施例中，还采用了蓄电池组304用于储存电力，增强了调峰和应急的能力，电力通过电网接口305进行输出。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的空气压缩式风力发电系统及其控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。