專利名稱：風力抽水蓄能發電調峰技術裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及風力利用技術，同時涉及抽水蓄能發電技術，具體講是提供一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置。
背景技術：
能源工業作為國民經濟的基礎產業，對社會的進步、經濟的發展和人民生活水平的提高，起著十分重要的作用。隨著社會經濟的高速發展，世界性礦物能源的日益短缺，以及礦物能源的大量使用，給人類社會環境帶來的越來越嚴重的環境污染，大力開發和利用風能、太陽能和水能等環保潔凈可再生能源，已經成為各國能源戰略決策的重要部分。自20世紀80年代中期以來，世界風力發電技術取得了突飛猛進的發展，設計、制造技術越來越趨向成熟，已經逐漸使風力發電技術市場化、產業化、規模化。功率等級也從幾十千瓦發展到兆瓦級，發電成本也已逐漸向火電發電成本靠近。風力發電作為世界上增長最快的能源產業，裝機容量年增長率在30％以上。到2003年初全球風力發電裝機容量達到了3200萬千瓦，其發電量已經相當于32座標準核電站的發電量。丹麥、德國、西班牙、美國和印度等國家的風力發電產業得到了空前的發展，丹麥風力發電容量已占整個電網容量的18％以上，德國的風力發電裝機總容量已達2000萬千瓦。相比之下，我國風力發電發展進展極其緩慢。盡管我國是一個風力資源大國，僅陸地可開發的風力資源就在2.5億KW以上，加上近海可開發風力資源可達10億KW以上，其儲量為世界第一。但是，自1983年開始起步的我國風力發電，到2005年5月總裝機僅為76萬KW，風力發電場43個，風力發電機1300多臺，占全國總裝機容量的0.13％。這種狀況和我國第二能源消耗大國的地位極不相稱，造成這種狀況的原因雖然是多方面的，但是主要還是技術支持不夠，缺乏我國自主的知識產權技術。目前我國風力發電技術設備還主要依賴國外進口，單位千瓦投資較高，運行成本較高，是制約我國風力發電行業發展的重要因素，其次是發電設備存在的一些技術缺陷，比如低于5m/s以下風速不能經濟運行等，以及風能能源存在著一些比如風力風向變化無常，發電上網指標參數難以控制等特性，也在一定程度上致使我國的風力發電事業舉步維艱。為了改變這種局面，研究和開發具有我國自主知識產權的風力發電新技術，降低單位千瓦投資和運行成本，是實現我國可再生能源戰略決策的重要任務。
發明內容
本發明的目的是提供一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，該裝置不僅可以消除風力風向變化無常，而給發電機組以及上網指標參數帶來的不良影響，而且還可以通過提高裝機容量綜合利用率，提高上網電價，使單位千瓦投資及運行成本大幅下降。
本發明的目的是這樣實現的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，它包括煙囪狀中空導風塔、上水庫、下水庫、水力發電機組、風力轉子泵、風力透平機、哥氏力旋轉器、風力旋流發生器、風流加熱器和空氣熱泵。上水庫一般建在地勢較高處，如山頂等地方，下水庫一般建在地勢較低處，上水庫庫容按雙日調節或周調節進行設計，下水庫庫容按日調節進行設計。煙囪狀中空導風塔由鋼筋混凝土建設而成，建在下水庫中(也可建在上水庫)，其進風口在水庫水面以上。在煙囪狀中空導風塔中，從下至上依次設置有進風口、空氣熱泵冷凝器、風流加熱器、哥氏力旋轉器、第一組風力旋流發生器、第一組風力透平機、第二組風力旋流發生器和第二組風力透平機，風力透平機和風力旋流發生器可設置多組，多組風力透平機均和動力主軸相連接。在煙囪狀中空導風塔的頂部出口處，設置有空氣熱泵膨脹器，出口上部設置有防雨罩。風流加熱器的熱量可以來自地熱、太陽能、垃圾燃燒熱能等，其作用一方面是用來加熱中空導風塔中的空氣，使其和中空導風塔進口處的空氣流產生溫差和風壓，另一方面推動哥氏力旋轉器進行高速旋轉。空氣熱泵冷凝器通過管道和空氣熱泵膨脹器相連接，其作用是對中空導風塔中的熱能進行回收并重復利用。哥氏力旋轉器基于哥氏力原理制作而成，其作用是使中空導風塔中的空氣形成螺旋上升氣流，在中空導風塔的中心部位形成一定負壓，以促使更多的氣流從中空導風塔的進口處進入中空導風塔。風力旋轉器的作用是使上升氣流形成龍卷風效果，使上升氣流中心地帶形成真空柱，以達到引導更多的風流進入中空導風塔的目的。風力透平機在高速風流的作用下，進行高速旋轉，帶動動力主軸進行高速旋轉。風力轉子泵布置在下水庫泵房內，通過連軸器和動力主軸連接在一起，在風力透平機的驅動下，風力轉子泵將下水庫的水不斷地提升到上水庫。水輪發電機組布置在下水庫的水電站廠房內，根據電網調峰需要，水輪發電機組將上水庫儲蓄的水能轉變成電能，并在不需要電網調峰時，進行電網調相。
該發明的工作原理是這樣的由于水庫水面以上的空氣和周圍陸地上的空氣存在著一定的溫差，這使得煙囪狀中空導風塔進風口的空氣有很強的流動性，當中空導風塔的風流加熱器，對進入塔內的風流加溫后，塔內塔外的溫差加大，塔內空氣受熱膨脹，氣壓上升，在哥氏力旋轉器的作用下，加上中空導風塔的抽吸作用，有壓氣流高速旋轉上升，高速旋轉上升氣流，在風力旋流器的作用下，使有壓高速旋轉上升氣流，逐漸轉化成螺旋上升氣流，根據離心力原理，螺旋上升氣流中心地帶會形成一定的負壓真空柱，這種負壓真空柱，會使中空導風塔進口處的大量的風流，被抽吸到中空導風塔，這樣會使本來空氣流動性很強的水庫水面以上的風流風力得到一定程度的加強，無自然風時，中空導風塔中也會有較強的風流進行螺旋上升，當有一定自然風力時，中空導風塔中就會形成更強大的螺旋上升氣流，中空導風塔中的高速風流通過風力透平機時，風力透平機高速旋轉，帶動動力主軸進行高速旋轉，高速旋轉的動力主軸，帶動轉子泵將下水庫的水提升到上水庫進行儲蓄，水輪發電機組根據電網調峰要求將上水庫儲蓄的水能轉化成電能。在不需要調峰發電時，水輪發電機組可進行電網調相運行。當中空導風塔中的上升風流，將風能通過風力透平機轉化成機械能后，準備從中空導風塔出口流出時，空氣熱泵膨脹器將該氣流中熱量進行吸收，并通過管道將吸收的熱量輸送到空氣熱泵冷凝器處進行釋放，以對風流加熱器提供的熱量進行回收并重復利用。
該發明具有一定的新穎性，具體體現在在申請日以前沒有同樣的發明或者實用新型，在國內外出版物上公開發表過，在國內外公開使用過或者以其它方式為公眾所知，也沒有同樣的發明或實用新型由他人向專利局提出過申請并且記載在申請日以后公布的專利申請文件中。
該發明也具有一定的創造性，具體體現在在申請日以前，國內外風力發電單位千瓦投資及運行成本普遍較高，尤其是在我國，由于缺乏我國自主的知識產權技術，風力發電技術設備主要依賴國外進口，這使得我國風力發電單位千瓦投資及運行成本更是缺乏市場競爭力，加上發電設備存在的一些技術缺陷，比如低于5m/s以下風速不能經濟運行等，以及風能能源存在著一些比如風力風向變化無常，發電上網指標參數難以控制等特性，致使我國的風力發電事業舉步維艱。該發明提供的風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，不僅可以消除風力風向變化無常，而給發電機組以及上網指標參數帶來的不良影響，而且還可以通過提高裝機容量綜合利用率，提高上網電價，使單位千瓦投資及運行成本大幅下降。該發明和目前國內外普遍采用的風力發電場技術相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步。
該發明也具有一定的實用性，具體體現在該發明能夠制造或者使用，并且能夠產生以下積極有益的效果(1)該發明將風能、水能以及熱能進行綜合開發利用，不僅可以使風力資源得到有效開發利用，而且也使水能資源開發利用價值得到進一步提升，尤其是在我國北方水資源匱乏地區，應用該發明可以改變電網水電結構嚴重不合理的狀況。
(2)該發明通過風力抽水蓄能發電調峰，不僅可以有效提高風力發電質量，而且還可以將風力發電上網電價大幅提高，進而使風能開發利用價值得到進一步提升。
(3)該發明不僅可以消除風力風向變化無常而給發電機組以及上網指數參數帶來的不良影響，而且還可以通過提高裝置綜合利用率，使單位千瓦投資和運行成本大幅下降。
(4)該發明不僅可以對風能進行小規模的開發利用，而且也可以對風能進行大規模的開發利用。
(5)該發明不僅可以大幅提高風力發電年利用小時數，而且還可以使水輪發電機在不進行調峰發電時，進行電網調相運行，以進一步提高風力發電的收益率。
圖1是該發明一實施例立面剖視圖。
圖2是圖1中哥氏力旋轉器(7)放大立面剖視圖。
圖3是圖2中A-A剖視圖。
圖4是圖1中風力旋轉發生器(8)放大立面剖視圖。
圖5是圖4的俯視圖。
圖中，1上水庫 2下水庫 3煙囪狀中空導風塔 4進風口 5熱泵冷凝器 6風流加熱器 7哥氏力旋轉器 7-1葉片 7-2輪轂 7-3輪殼 7-4連軸器 7-5空心軸 7-6軸承 8風力旋流發生器 8-1葉片8-2輪轂 8-3軸承 8-4空心軸 8-5連軸器 9風力透平機 10熱泵膨脹器 11防雨罩 12動力主軸 13變速器 14風力轉子泵 15轉子泵進水管 16轉子泵出水管 17水輪發電機組 18水輪機進水管具體實施方式
在圖1中，上水庫(1)一般建在地勢較高處，如山頂等地區，其庫容按雙日調節或周調節進行設計，下水庫(2)一般建在地勢較低處，其庫容按日調節進行設計。煙囪狀中空導風塔(3)由鋼筋混凝土建設而成，其截面為圓形，上小下大，建在下水庫中(也可建在上水庫中)。進風口(4)設置在水庫水面以上，在煙囪狀中空導風塔(3)的下部四周側面均開有進風口(4)，其作用就是將水庫水面以上的空氣流引進煙囪狀導風塔(3)。熱泵冷凝器(5)采用翼片式結構，和熱泵膨脹器(10)通過管路相連通，安裝布置在進風口(4)上部，其作用是將熱泵膨脹器(10)吸收的熱量在此釋放。風流加熱器(6)采用翼片式結構，通過管路和地熱或太陽能熱源或垃圾焚燒熱源相連通，安裝布置在熱泵冷凝器(5)的上部，其作用是對空氣流進行加溫。哥氏力旋轉器(7)是根據哥氏力理論制作而成，其結構在圖2和圖3中詳細說明，哥氏力旋轉器(7)安裝布置在風流加熱器(6)的上部，其主軸和風力旋流發生器(8)的主軸通過連軸器連接在一起，其作用是一方面通過空氣流向心運動產生的哥氏力，驅動其主軸高速旋轉進而帶動風力旋流發生器(8)旋轉；另一方面是使空氣流形成旋流。風力旋流發生器(8)是由玻璃鋼材料制作而成，其結構在圖4和圖5中詳細說明，第一個風力旋流發生器(8)的主軸和哥氏力旋轉器(7)的主軸通過聯軸器連接在一起，安裝布置在哥氏力旋轉器(7)的上部，第二個風力旋流發生器(8)安裝布置在風力透平機(9)的上部，風力旋流發生器(8)的作用就是使中空導風塔(3)中的風流形成螺旋上升風流。風力透平機(9)設置多臺，分別安裝布置在煙囪狀中空導風塔(3)的不同位置，其主軸均和動力主軸(12)通過連軸器連接在一起，風力透平機(9)的作用就是將高速螺旋上升的氣流能量轉換成機械能，驅動動力主軸(12)高速旋轉。熱泵膨脹器(10)采用翼片式結構，安裝布置在煙囪狀中空導風塔(3)出口處，通過管道和熱泵冷凝器(5)相連通，其作用就是對即將廢棄的高速上升氣流中的熱能進行回收，并通過管道輸送到熱泵冷凝器(5)處進行釋放。防雨罩(11)安裝布置在煙囪狀中空導風塔(3)的出口處的上部，其作用是防止雨雪進入導風塔。動力主軸(12)由碳素鋼制作而成，它的作用是將風力透平機獲得的機械能傳遞給風力轉子泵(14)。變速器(13)的主軸一端通過連軸器和動力主軸(12)連接在一起，另一端通過連軸器和風力轉子泵(14)主軸連接在一起，其作用是改變動力主軸(12)的轉速以適應于風力轉子泵(14)的工作要求。風力轉子泵(14)通過變速器(13)和動力主軸(12)連接在一起，其作用是將機械能轉換成水能，將下水庫中的水提升到上水庫。轉子泵進水管(15)和下水庫(2)相連通，轉子泵出水管(16)和上水庫(1)相連通。水輪發電機組(17)安裝布置在水電站廠房內，水輪機進水管(18)和上水庫(1)相連通，水輪機尾管和下水庫相連通，水輪發電機組的作用就是將上水庫中的水能轉換成電能，其調度運行根據電網調峰要求進行，在不調峰發電時可進行電網調相運行。
在圖2和圖3中，葉片(7-1)設置在輪轂(7-2)和輪殼(7-3)之間，三者均由玻璃鋼材料整體制作而成。連軸器(7-4)設置在空心軸(7-5)的上端，通過平鍵和空心軸(7-5)連接固定在一起。空心軸(7-5)中心有一軸孔，和輪轂(7-2)焊接在一起。軸承(7-6)安裝在空心軸(7-5)上，對空心軸(7-5)起徑向支承和動態固定作用。
在圖4和圖5中，葉片(8-1)和輪轂(8-2)由玻璃鋼材料整體制作而成。軸承(8-3)分別安裝在空心軸(8-4)的上端和下端，對空心軸(8-4)起支承和動態固定作用。空心軸(8-4)中心有一軸孔，和輪轂(8-2)連接在一起。連軸器(8-5)設置在空心軸(8-4)的下端，通過平鍵和空心軸(8-4)連接在一起。
在上述圖示中，雖然列舉了本發明較佳實施例進行了說明，但眾所周知，不應由該實施例反而限制了本發明的權力保護范圍，亦即，任何熟悉該發明創新點的工程技術科學研究人員，若應用本發明主要之特征，進行若干細節的變動，皆仍應屬于本發明的專利保護范圍。
權利要求
1.一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于在該裝置包括煙囪狀中空導風塔、上水庫、下水庫、水力發電機組、風力轉子泵、風力透平機、哥氏力旋轉器、風力旋轉發生器、風流加熱器、空氣熱泵冷凝器和空氣熱泵膨脹器。空氣熱泵冷凝器、風流加熱器、哥氏力旋轉器、風力旋流發生器、風力透平機和熱泵膨脹器從下至上依次設置在煙囪狀中空導風塔內；風力轉子泵通過動力主軸和風力透平機連接在一起；風力轉子泵進水管和下水庫相連通，風力轉子泵出水管和上水庫相連通；水輪機進水管和上水庫相連通，水輪機尾管和下水庫相連通。
2.根據權利要求1所述的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于上水庫庫容按雙日調節或周調節進行設計，下水庫庫容按日調節進行設計。
3.根據權利要求1所述的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于風流加熱器熱源來自地熱或太陽能或垃圾焚燒所產生的熱能。
4.根據權利要求1所述的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于煙囪狀中空導風塔設置在下水庫中或上水庫中，其進風口在水庫水面以上。
5.根據權利要求1所述的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于哥氏力旋轉器和風力旋流發生器通過連軸器連接在一起，并設置在風力透平機的下部。
6.根據權利要求1所述的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于熱泵膨脹器和熱泵冷凝器分別布置在煙囪中空導風塔的出風口和進風口，并通過管道相連通。
7.根據權利要求1所述的一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，其特征在于水輪發電機組按電網調峰要求進行發電調峰，在不進行發電調峰時進行電網調相運行。
全文摘要
一種風力抽水蓄能發電調峰技術裝置，它包括煙囪狀中空導風塔、上水庫、下水庫、水力發電機組、風力轉子泵、風力透平機、哥氏力旋轉器、風力旋流發生器、風流加熱器和空氣熱泵。該發明將風能、水能以及熱能進行綜合開發利用，不僅可以消除風力風向變化無常而給發電機組以及上網指數參數帶來的不良影響，有效提高風力發電質量，將風力發電上網電價大幅提高，而且還可以使單位千瓦投資和運行成本大幅下降。
文檔編號H02P9/04GK1834451SQ20061007641
公開日2006年9月20日 申請日期2006年4月25日 優先權日2006年4月25日
發明者路金喜, 宋雙虎, 程穎光, 杜貴榮, 關占良, 李長江, 杜燁, 董淑惠, 陳建起, 關柯, 張文麗 申請人:河北農業大學