风能全方向水平收集纵向提速智能储能调节稳定发电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风能全方向水平采集纵向提速智能储能调节稳定发电系统，实现了风能全方向水平采集纵向提速、采集风量有效调节、高风速多余能量和谷电时段富余电量多方式储能、低风速智能瞬时释放能量补充的高、低风速情形下保持高质量稳定发电、降低建设成本和便于安装维修的目标，解决了传统风力发电不稳定的难题。主要包括风能全方向水平采集纵向提速智能调节装置；进风量智能平衡调级装置(含升降机构与陷落舱室)；风力发电机与永磁齿轮传动组合；高风速储能与低风速稳定发电系统(真空电磁齿轮贮能飞轮、空气压缩机及冷却换热机构，电磁齿轮电路供电控制系统，压缩空气充放智能阀)；发电机塔架与地上、下压缩空气储罐系统；降噪系统等。降噪系统等。降噪系统等。

【技术实现步骤摘要】
风能全方向水平收集纵向提速智能储能调节稳定发电系统
(一)

[0001]本专利技术属于绿色能源风力发电
，具体涉及对传统风力发电机组风力利用方面的创新，改变传统风力发电机风能水平采集直接利用的现状，本专利技术采用风能全方向水平采集纵向提速智能储能调节平稳发电的风能高效利用方式。
(二)
技术介绍

[0002]风能是一种取之不尽、用之不竭、持续再生的绿色能源，现行风力发电机组是利用风的动能带动风力发电机组的扇浆形叶轮旋转，再通过多级增速提升旋转的速度，来促使风力发电机组发电。(1)虽然风能是持续再生能源，但是由于风速时大时小，从而导致现行风力发电机组利用风能具有工作效率不稳定性和工作状态不确定性，从而导致风能利用率不高的困惑、发电不稳定产生“垃圾电”的现象。(2)不同风速对现行风力发电机组的工作效率(发电量)和工作状态(稳定性和产生故障)产生不同影响。风速不足会使现行风力发电机组因工作效率过低而造成发电量不足的问题；风速过大则会降低传统风力发电机组工作的稳定性，导致工作中的风力发电机组时常发生故障，同样也造成了发电量不足的现象。(3)现行风力发电机组投入成本大，安装难度高，维修不方便。现行风力发电机组的叶轮和发电设备安装在柱形高空塔筒上，且体积大、重量大、安装标准和要求高，导致安装难度大，维修不方便；为维持柱形高空塔筒及安装在上面的风力发电机组设备的安全，在地基与基础的设计和施工、柱形高空塔筒的结构选材以及安装施工等方面的要求，导致建设投入成本过大。(4)考虑到风电场发电装机容量，现行风力发电机组的叶轮的长度大多在 100米以上，若风力发电装置选址建设在鸟类迁徙常规路径上，叶片可能会对鸟类造成伤害。(5)现行风力发电机组的风电场的噪声较大，会产生一定量级的次声波，对距离风电场较近的居民有较大的噪声影响。(6)因而现行风力发电机组技术特别是结构还有待改进和提高，此技术点是本专利技术的立足点和出发点。
(三)
技术实现思路

[0003]鉴于现行扇浆形叶轮叶片式风力发电机组存在对风速无法进行有效调节、建设成本投入过大、安装维修不方便等方面的不足，本专利技术的目的在于提供一种风能全方向水平采集纵向提速、进风口风量有效调节、高风速多方式储能、低风速瞬时(毫秒级)释放储能补充、保证风力发电机系统高位运行、高质量发电的风力发电机系统，以解决现行扇浆形叶轮叶片式风力发电机组存在的不足，并达到以下目标：(1)高风速时(正常风速范围内)，在保证风力发电机系统高位运行、高质量发电的情况下，对多余能量采用真空电磁齿轮传动飞轮储能系统(调频)和真空电磁齿轮传动压缩
空气储能系统(调峰)方式进行能量储存，最大限度地提升风能的利用率；(2)超高风速时(极端恶劣天气，如台风等超出正常高风速范围，对发电机组整体工作状态和安全产生影响时)，优先启动智能载轨式弧形挡风机构，通过泄风方式降低强风力对机构的侧向压力，其次通过全方向风能收集增速装置的升降机构，智能控制下降进行进风口风量的有效调节，直至全方向风能采集提速装置完全下降至收集舱室。(3)低风速时，采用磁力传动真空飞轮储能系统(调频)瞬时(毫秒级) 释放储能和空气压缩储能系统(调峰)释放压缩空气补充风力技术，保证风力发电机系统高位运行、高质量发电；最低保证达到发电机组正常发电标准以上风力能力(避免现有风力发电不稳定<俗称“垃圾电”>的问题)。(4)本专利技术改变了现行风力发电机组，利用风的动能直接带动风力发电机组的扇浆形叶轮旋转，再通过多级增速机提升旋转的速度来促使风力发电机组发电的方式，而是通过风能全方向水平采集纵向提速，带动高速涡轮扇叶转轴旋转的发电机组发电。其发电机的安装方式，可独立采用上置式、或下置式，也可采用上置式与下置式组合方式。本专利技术无需现行风力发电机必须配套的长叶轮及轮毂、导流罩及变浆系统、偏航减速机、高速制动盘等装置机构，同时由于改变了风能收集方式，通过风力纵向提速，风力的利用效率有效提升，高空塔筒的高度可以相对降低、支撑系统以及地基基础设计和建设标准也对应下降，建设用地也可相应减少，在同等发电能力(装机容量)条件下的建设投入大大降低。
[0004]为了达到上述目标，本专利技术采取了以下设备结构设计和技术方案：风能全方向水平采集纵向提速智能储能调节稳定发电系统结构组成，包括以下装置(机构、设备、系统)：(1)风能全方向水平采集纵向提速智能储能调节稳定发电装置包括：底板、轴承(轨道轴承、支承轴承、定位轴承)支承、涡轮转轴、大型风力发电机组与永磁齿轮传动大飞轮组合、真空电磁齿轮传动储能飞轮、真空电磁齿轮传动空气压缩机及冷却换热介质储罐、电磁齿轮智能控制供电电路、喇叭状弧形结构、固定式隔风板、智能载轨式弧形挡风泄风机构，一二级涡轮等。(2)进风量智能平衡调级装置(含升降机构与陷落舱室)包括：喇叭状弧形结构大圆外缘轨道、与轨道及挡风板连接的滑轮、智能载轨式弧形挡风板、步进电机与控制电路、风向风速检测仪、升降机构与陷落收集舱室。(3)二级(或多级)涡轮、转轴传动机构及带储能装置(永磁齿轮传动大飞轮)的大功率风力发电机组合，包括：涡轮转轴、增(减)速传动机构(可根据需要增减)、动力齿轮和转轴专业箱体、大功率发电机组与永磁齿轮传动大飞轮储能传动组合、发电机组超速与欠速保护机构、电压不平衡、电流不平衡、高电压、低电压、低频、高频、过电流、过功率、过传动及无功调节机构等保护机构。(4)高风速储能与低风速稳定发电系统(真空电磁齿轮传动储能飞轮与电磁齿轮电路智能供电控制系统、真空电磁齿轮传动空气压缩机与电磁齿轮电路智能供电控制系统及配套冷却机构、压缩空气充放气智能阀组合)：包括风力发电机组与永磁齿轮传动大飞轮组合、分步式真空电磁齿轮智能控制供电电路、真空电磁齿轮传动储能飞轮、真空电磁齿轮传动空气压缩机、压缩空气储罐和压力平衡管道、压缩空气释放管道与智能压力感应与阀门系统、空气压缩机冷却换热介质储罐及管道阀门系统等。
(5)风力发电机塔架、地基基础与地上、地下压缩空气储罐及整体防雷系统。风力发电机塔架、地基与基础、地下压缩空气储能罐及管道系统、整体防雷系统。(6)风能全方向水平采集纵向提速风力发电机降噪结构设计与整体环境降噪设计：包括结构体降噪应用设计和整体环境降噪应用设计。(7)系统电缆组件、整流、逆变、变压与并网设备：系统电缆组件包括光伏组件电路电缆组件、风力发电机组电路电缆组件、控制系统电缆组件、信息系统电缆组件、数据无线传输设备；风力发电电能的整流、逆变、变压与并网设备。(8)设备运行状态感知(检测测量、感应与传输)、分析预警、智能控制及后台干预管理系统。
四、附图说明
[0005]图1：风能全方向水平采集纵向提速智能储能发电机系统
‑
整体结构
[0006]图2：风能全方向水平采集纵向提速智能储能调节稳定发电系统
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风力发电机部分结构
[0007]图3：一、二级涡轮及叶片示意图
[0008]图4：底板设备安装示意图
[0009]图5：风能全方向水平采集纵向提速智能储能发电机系统风力流向立面示意图
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.风能全方向水平采集纵向提速、风量采集有效调节、高风速多方式储能(调频、降峰)、低风速智能瞬时释放储能补充(调频、补峰)的风能全方向水平采集纵向提速智能储能调节稳定发电系统的主体装置(图1、图2)，其特征在于区别于传统风力发电机风能水平采集直接利用，而本发明装置采用风能全方向水平采集纵向提速的风能利用方式：(1)装置具体结构以其中涡轮上置式部分为例(图11)，此装置从下至上由底板、3层喇叭状弧形结构、通过16块隔风板将360
°
等分为22.5
°
弧联成的整体结构，形成上下2层各16个(共32个)、22.5
°
弧的相对独立的风力导向通道至一、二级涡轮；同时通过控制2块智能载轨式挡风板的位置，保证任何风向时由3层喇叭状弧形结构、16块隔风板与2块挡风板共同构成上下2层各8个(共16个)、180
°
弧的正对来风方向的相对独立的风能采集面和风力导向通道、上下2层各8个(共16个)、180
°
弧的由挡风板与隔风板构成的相对封闭空间；3层喇叭状弧形结构的下部大圆直径相等，3层大圆为上下结构、其上下之间的距离与挡风隔板构成360
°
的风能接收面，3层大圆边缘外固定轨道用于安装2块90
°
弧的、且可沿大圆外缘轨道移动的挡风板，2块挡风板分别配步进电机，沿轨道360
°
步进且可停在任何位置(大多数时刻，2块挡风板，各以22.5
°
弧为1个步进单位，且各与4块隔风板形成相对封闭的空间，图19)；3层喇叭状弧形结构的上部小圆的直径不相等，由下至上，其直径逐个变大，最下面的第1小圆直径最小、最上面的第3小圆直径最大。最下面第1小圆顶面低于中间第2小圆顶面，构成第一级出风口、安装一级涡轮；中间第2小圆顶面低于最上面第3小圆顶面，构成第二级出风口、安装二级涡轮；一、二级涡轮共用转轴，第一级涡轮主要是提高涡轮转轴的旋转速度、第二级涡轮增大涡轮转轴扭矩，以确保高电力负荷时风力发电机组的高水平运行(第一级涡轮与转轴刚性固定；第二级大涡轮通过正向齿轮向转轴传递动力，当转轴转速高于第二级大涡轮转速时，第二级大涡轮不向转轴传递动力，处于空转状态；当转轴转速低于第二级大涡轮转速时，第二级大涡轮与第一级涡轮共同向转轴传递动力，增加转轴的转速和扭矩)。第1内小圆上部通过轴承固定涡轮转轴，涡轮转轴与底板上的风力发电机组相连，风力发电机组的外壳等不转动的部件通过螺栓固定在喇叭状弧形结构的下面，风力发电机组转子等转动部件与上部一、二级涡轮、转轴、永磁齿轮传动大飞轮通过轨道轴承、支承轴承和定位轴承固定于底板之上；底板上还对称安装了真空电磁齿轮传动储能飞轮、真空电磁齿轮传动空气压缩机及电磁齿轮传动智能控制供电电路、真空电磁齿轮传动空气压缩机冷却换热介质储罐与管道、压缩空气充放气智能阀组件等。(2)本发明装置按上置式、下置式镜像组合安装，上下各有2个独立的风能采集面和一、二级涡轮(一、二级出风口)，出风口一上一下，形成装置结构对称的力平衡，提高结构与塔架的稳定性；上置式、下置式相互独立自成发电体系，中间通过“压缩空气充放平衡环状管道和蓄热保温水箱(寒冷地区保温水可改为防冻液)”结构相连(图13、图1、图2)，上置式、下置式发电机组共用一套压缩空气储能储罐和蓄热保温水箱。(3)本发明的优势还在于当风能资源丰富时，可调整塔架高度安装多套发电机组于一个塔架结构上，增加单塔装机容量；当风能资源相对匮乏时，调整塔架高度增加喇叭形结构数量，增加风能采集面积；装机容量需求小时，可以单独采用上置式、或采用下置式。2.进风量智能平衡调级装置(含升降机构与陷落舱室)图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建柏，丁晓峰，朱玉婕，
申请(专利权)人：朱建柏，
类型：发明
国别省市：