本發(fā)明屬于風力發(fā)電及儲能技術領域，尤其涉及一種可升降的氣壓儲能型風力發(fā)電機組及其發(fā)電方法。

背景技術：

作為可再生、綠色清潔的風力發(fā)電，越來越受到世界各國的普遍重視和發(fā)展。風力發(fā)電的方式以及風力發(fā)電技術也呈現(xiàn)出多樣性，尤其近年來，隨著海上風力發(fā)電大規(guī)模的開發(fā)利用、單機裝機容量不斷增大，但隨之而來的風力發(fā)電機組機艙重量、維修成本、發(fā)電機組可靠性等問題，也越來越制約著機組的大型化發(fā)展，另外，風能的不穩(wěn)定性、間歇性也極大的影響著風電質量。有效降低風力發(fā)電成本、提高風電機組可靠性、提高風電質量已成為風力發(fā)電的關鍵問題之一。

就目前現(xiàn)場使用的齒輪箱增速異步發(fā)電機組和直驅永磁同步發(fā)電機組而言，齒輪箱不僅限制了風力發(fā)電機組的大型化，而且增加了成本、降低了機組可靠性，據報道，齒輪箱的使用壽命一般為20年左右，且更換2MW風力機的齒輪箱需要50萬美元和一周的維修時間。直驅式風力發(fā)電機組雖然省略了齒輪箱，但發(fā)電機需要更高的極對數，這極大的增加了發(fā)電機半徑，并且昂貴的永磁稀土材料也增加了發(fā)電機組的制造成本。新型的液壓型變速恒頻風力發(fā)電技術雖能有效的解決了上述問題，但需要的大量工作介質和復雜的控制方法，且液壓傳動又極易造成二次污染。

因此，研發(fā)一種可升降的氣壓儲能型風力發(fā)電機組，不僅能有效提高風力發(fā)電機組的可靠性、降低維修成本，而且能極大地能提高風電質量。查閱資料，專利CN201010567771（移動升降式風力發(fā)電站）包括有地面移動部分和空中移動部分，風力發(fā)電機的風葉固定在支架的上端與支架連接的支架升降裝置，控制器接受風速檢測裝置的信號，并控制支架的升降。該專利實現(xiàn)了小型風力發(fā)電機葉片的自動升降，但并不適合當前水平軸式的大型風力發(fā)電機組，所采用的升降方式并不能實現(xiàn)風力機整體的升降，且傳統(tǒng)的風力發(fā)存在的問題依然沒有解決；專利CN1277323A（風力儲能動力發(fā)電方法及其風力儲能動力設備）改變了現(xiàn)行風力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電功率與自然風速之間的關系，并能存儲風能、擴大風速范圍，解決了傳統(tǒng)風力發(fā)電存不穩(wěn)定等問題，但并沒有考慮到風力機升降，不能有效解決風力機零部件維修問題，而且采用的空氣壓縮機仍需要通過帶傳動增速，所采用儲能方式也需要通過多級儲能氣缸儲能，釋能的過程還需要通過減壓氣缸減壓，雖然穩(wěn)定了工作壓力，但所需設備過多，致使風力發(fā)電系統(tǒng)效率較低、能量損失過大。

技術實現(xiàn)要素：

為了有效解決當前風力發(fā)電機組存在的問題，本發(fā)明提供了一種結構簡單、風力機整體可升降的氣壓儲能型風力發(fā)電機組及其發(fā)電方法。本發(fā)明的風力發(fā)電機組不僅能實現(xiàn)整體風力機的升降，使維修更為方便，而且提供了多臺空氣壓縮機與氣壓儲能相結合的新型風力發(fā)電方式，同時，本發(fā)明也提供了該發(fā)電機組的發(fā)電方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種可升降的氣壓儲能型風力發(fā)電機組及其發(fā)電方法的技術方案主要包括：可升降的風力發(fā)電機和氣壓儲能發(fā)電系統(tǒng)。

所述可升降的風力發(fā)電機包括：風力機基礎座、支撐柱、導向導軌、升降套筒、上軸承、下軸承、上固定座、下固定座、上吊架、下支撐架、旋轉升降套筒、第一小齒輪、第二小齒輪、第一壓空氣縮機、第二空氣壓縮機、齒環(huán)、鋼絲繩、前吊環(huán)、后吊環(huán)、前滑輪、后滑輪、提升機、齒環(huán)支架、齒環(huán)軸承等；氣壓儲能發(fā)電系統(tǒng)包括：第一單向閥、第二單向閥、冷卻器、空氣過濾器、第一截止閥、第二截止閥、第三截止閥、穩(wěn)壓罐、第一壓力表、第二壓力表、儲氣罐、風速測量計、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、電磁換向閥、氣動馬達、發(fā)電機以及控制器等。

所述可升降的風力發(fā)電機是風力機的三個槳葉依次通過齒環(huán)上的三個鉸鏈點安裝在齒環(huán)上，齒環(huán)安裝在旋轉升降套筒上的三個齒環(huán)支架上的三個齒環(huán)軸承中，同時在旋轉升降套筒上下各安裝有上固定座、下固定座，上固定座又安裝著上吊架、第一空氣壓縮機，下固定座安裝著下支撐架、第二空氣壓縮機，其中上吊架安裝有第一小齒輪，下支撐架安裝有第二小齒輪，且第一、第二小齒輪都與齒環(huán)嚙合，并通過聯(lián)軸器分別與第一空氣壓縮機、第二空氣壓縮機連接。旋轉升降套筒經升降套筒外的上軸承、下軸承安裝在升降套筒上，升降套筒通過固定在支撐柱上的導向導軌安裝在支撐柱上。鋼絲繩經安裝在升降套筒上的前、后吊環(huán)和安裝在支撐柱頂端的前、后滑輪與安裝在風力機底座內部的提升機連接。

所述的氣壓儲能發(fā)電系統(tǒng)是第一、第二空氣壓縮機產生的高壓氣體分別經第一單向閥、第二單向閥后串聯(lián)，并傳送到地面，再經冷卻器、空氣過濾器、第一截止閥進入到穩(wěn)壓罐中，穩(wěn)壓罐出口高壓氣體依次通過第一壓力表、第一壓力傳感器、第二截止閥，然后分成兩條支路，一路直接經第三截止閥與氣動馬達連接，氣動馬達經聯(lián)軸器與發(fā)電機連接；一路經電磁換向閥、第二壓力傳感器、第二壓力表、儲氣罐依次連接。所述的第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、電磁換向發(fā)、第三截止閥和安裝在發(fā)電機端部的風速測量計分別通過信號線與控制器連接。

采用上述組成的可升降氣壓儲能型風力發(fā)電機組的發(fā)電方法主要包括以下幾個步驟：

A. 風力機槳葉在風能作用下，帶動齒環(huán)旋轉運動同時帶動與齒環(huán)相嚙合的兩個小齒輪轉動，兩個小齒輪分別通過聯(lián)軸器帶動第一、第二壓縮機產生高壓氣體，從而實現(xiàn)風能轉換為氣壓能量的過程。

B. 高壓氣體經第一單向閥、第二單向閥后串聯(lián)連接，并通過安裝在地面上冷卻器、空氣過濾器、第一截止閥進入到穩(wěn)壓罐中。穩(wěn)壓罐氣體依次通過第一壓力表、第一壓力傳感器、第二截止閥后，分為兩條支路，一路直接經第三截止閥進入氣動馬達，并帶動發(fā)電機直接發(fā)電，從而實現(xiàn)將氣壓能轉變?yōu)殡娔?；一路經電磁換向閥、第二壓力傳感器、第二壓力表存儲到儲氣罐中；

C. 當風速測量計顯示低于3m/s、第二壓力表顯示氣體壓力高于第一壓力表值時，控制器控制電磁換向閥接通，儲氣罐釋能并與穩(wěn)壓罐出口氣體一起供給氣動馬達，氣動馬達帶動發(fā)電機發(fā)電；當風速測量計顯示低于3m/s、第二壓力表壓力氣體又等于第一壓力表值時，控制器控制電磁換向發(fā)斷開，同時關閉第二截止閥，氣動馬達不工作；

D. 當風速測量計顯示3-10m/s時，控制器控制電磁換向閥斷開，穩(wěn)壓罐內的氣體直接供給氣動馬達帶動發(fā)電機發(fā)電；當風速測量計顯示10-24m/s時，控制器控制電磁換向閥接通，穩(wěn)壓罐出口的高壓氣體一部分進入儲氣罐內儲能，一部分帶動氣動馬達進行發(fā)電；

E. 當風力機葉片、空氣壓縮機、齒輪等需要檢修時，升降套筒和旋轉套筒在提升機的作用下，沿支撐柱的導軌下移動，旋轉套筒可根據風向沿升降套筒調整風力機的方向，風力機葉片可沿齒環(huán)上的交接點轉動，獲取最大風能。在穩(wěn)壓罐需要檢修時，關閉第一截止閥；在儲氣罐檢修時關閉第二截止閥。

本發(fā)明采用上述技術方案后，具有的有益效果是：

1）采用齒環(huán)帶動小齒輪的發(fā)電方式，不僅省略了增速齒輪箱、極大的簡化了風力發(fā)電機的結構，更可有效的提高風力機的可靠性。齒環(huán)帶動小齒輪的發(fā)電方式，不僅還可以實現(xiàn)齒環(huán)帶動二臺空氣壓縮機發(fā)電方式，還可安裝多臺空氣壓縮機或直接安裝多臺發(fā)電機進行發(fā)電。

2）風力機固定在升降套筒上，可以實現(xiàn)風力機整體的升降，極大的降低了風力機高空作業(yè)的維修成本。其可旋轉升降套筒的結構，可以實現(xiàn)風力機自動對風功能，簡化了風力機結構，尤其簡化了大型水平軸式風力發(fā)電機自動對風機構。

3）采用柔性的氣壓傳動風力發(fā)電方式，不僅可以有效減輕機艙重量、解決傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)的齒輪箱等所帶來的問題，還能實現(xiàn)地面發(fā)電、達到真正的綠色發(fā)電目的。

4）本發(fā)明將氣壓儲能裝置引入到發(fā)電系統(tǒng)中，不僅能有效的改善風電的隨機性、不穩(wěn)定性、極大的提高風電質量，還能擴大風能利用范圍，彌補氣壓傳動效率較低的問題。并且，相同結構的氣壓儲能型多機組組成的風力發(fā)電場，可以實現(xiàn)集中發(fā)電的目的，解決了風電場單臺機組并網出現(xiàn)的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種可升降風力發(fā)電機結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的氣壓儲能型風力發(fā)電機組發(fā)電方法流程圖。

圖中：1.槳葉； 2.鉸接點；3.上軸承；4.前吊環(huán)；5.前滑輪；6.鋼絲繩；7.上固定座；8.上吊架；9.第一空氣壓縮機；10.第一小齒輪；11.齒環(huán)；12.齒環(huán)支架；13.旋轉升降套筒；14.升降套筒；15.導軌；16.提升機；17.風力機基礎座；18.支撐柱；19.下軸承；20.下固定座；21.下支撐架；22.第二空氣壓縮機；23.第二小齒輪；24.齒環(huán)軸承；25.后滑輪；26.后吊環(huán)；27.風速測量計；28.第一單向閥；29.第二單向閥；30.冷卻器；31.空氣過濾器；32.第一截止閥；33.穩(wěn)壓罐；34.穩(wěn)壓罐排污閥；35.第一壓力表；36.第一壓力傳感器；37.第二截止閥；38.儲氣罐；39.第二儲氣罐排污閥；40.第二壓力表；41.第二壓力傳感器；42.電磁換向閥；43.控制器；44.第三截止閥；45.氣動馬達；46.發(fā)電機。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明：

本發(fā)明專利涉及的一種可升降的氣壓儲能型風力發(fā)電機組及發(fā)電方法中所述的可升降風力發(fā)電機結構示意圖如圖1所示，其中，風力機槳葉1依次通過鉸接點2安裝在齒環(huán)11上，齒環(huán)11安裝在旋轉升降套筒13上的三個齒環(huán)支架12端部的三個齒環(huán)軸承24中，同時，旋轉升降套筒13上、下各安裝有上固定座7、下固定座20，上固定座7前端安裝著上吊架8，后端安裝著第一空氣壓縮機9，上吊環(huán)架8下端安裝有第一小齒輪10，第一小齒輪10與齒環(huán)11嚙合并經聯(lián)軸器與第一空氣壓縮機9連接；下固定座20前端安裝著下支撐架21，后端安裝著第二空氣壓縮機22，下支撐架21上端安裝有第二小齒輪23，第二小齒輪23與齒環(huán)11嚙合并經聯(lián)軸器與第二控制壓縮機22連接。旋轉升降套筒13的上、下兩端分別經安裝在升降套筒14上的上軸承3、下軸承19與升降套筒14連接。升降套筒14經固定在支撐柱18上的導向導軌15安裝在支撐柱18上。升降套筒14通過安裝在其上端的前吊環(huán)4、后吊環(huán)26與鋼絲繩6連接，鋼絲繩6通過分別通過安裝在支撐柱18頂端前滑輪5、后滑輪25后，與安裝在風力機底座17內部的提升絞車16相連。

本發(fā)明專利涉及的一種可升降的氣壓儲能型風力發(fā)電機組及發(fā)電方法所述的氣壓儲能發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示，其中，第一空氣壓縮機9、第二空氣壓縮機22產生的高壓氣體分別經第一單向閥28、第二單向閥29后串聯(lián)，并傳送到地面，經冷卻器30、空氣過濾器31、第一截止閥32進入到穩(wěn)壓罐33中，穩(wěn)壓罐33出口高壓氣體依次通過第一壓力表35、第一壓力傳感器36、第二截止閥37，然后分成兩條支路，一路直接經第三截止閥44、氣動馬達45與發(fā)電機46連接；一路經電磁換向閥42、第二壓力表40、第二壓力傳感器41、儲氣罐38依次連接。所述的第一壓力傳感器36、第二壓力傳感器41、電磁換向發(fā)42、第三截止閥44和安裝在風力機端部的風速測量計27分別通過信號線連接到控制器43。

采用上述組成的可升降氣壓儲能型風力發(fā)電機組的發(fā)電方法主要包括以下幾個步驟：

A. 風力機槳葉1在風能作用下，帶動齒環(huán)11旋轉運動，同時帶動與齒環(huán)11相嚙合的第一小齒輪10、第二小齒輪23轉動，兩個小齒輪分別通過聯(lián)軸器帶動第一空氣壓縮機9、第二壓縮機22產生高壓氣體，從而將風能轉換為氣壓能。

B. 高壓氣體經第一單向閥28、第二單向閥29后串聯(lián)連接并傳送到地面，再通過冷卻器30、空氣過濾器31、第一截止閥32進入到穩(wěn)壓罐33中。氣體壓力穩(wěn)定后，依次通過第一壓力表35、第一壓力傳感器36、第二截止閥后37，分為兩條支路，一路直接經第三截止閥44進入氣動馬達45，氣動馬達45帶動發(fā)電機46直接發(fā)電；一路經電磁換向閥42、第二壓力表40、第二壓力傳感器41進入到儲氣罐38中；

C. 當風速測量計27顯示低于3m/s、第二壓力表40顯示氣體壓力高于第一壓力表35值時，控制器43控制電磁換向閥42接通，儲氣罐38釋能并與第二截止閥37出口氣體一起供給氣動馬達45；當風速測量計27顯示低于3m/s、第二壓力表壓力40氣壓又等于第一壓力表35值時，控制器43控制電磁換向閥42斷開，同時關閉第二截止閥37，氣動馬達45不工作；

D. 當風速測量計27顯示3-10m/s時，控制器43控制電磁換向閥42斷開，穩(wěn)壓罐33內的氣體直接供給氣動馬達45帶動發(fā)電機46發(fā)電；當風速測量計27顯示10-24m/s時，控制器43控制電磁換向閥42接通，第二截止閥37出口壓力空氣一部分進入儲氣罐38內儲能，一部分帶動氣動馬達45進行發(fā)電；

E. 當風向發(fā)生變化時，旋轉升降套筒13在風力作用下，沿著升降套筒14的上軸承3和下軸承19轉動，并自動對風；當風力機組等需要檢修時，旋轉升降套筒13隨著升降套筒14在提升機16的帶動下，沿支撐柱18的導向導軌15向下移動，帶檢修完成后，再隨提升機14上移至風力機發(fā)電位置；風力機的三個槳葉1可沿齒環(huán)11上的交接點2轉動，用于調整槳葉角。當穩(wěn)壓罐33需要檢修時，關閉第一截止閥32，并且穩(wěn)壓罐33中的沉淀物從穩(wěn)壓罐排污閥34排出；當儲氣罐38需要檢修時關閉第二截止閥37，儲氣罐38中的沉淀物從儲氣罐排污閥39排出。當氣動馬達45、發(fā)電機46需要檢修時，控制器43控制第三截止閥44關閉。

最后說明的是：以上實施例僅用來說明本專利的技術實施方案而非限制。對本專利的技術方案進行修改或等同替換、不脫離本專利技術方案的宗旨和范圍的，均應涵蓋在本專利的權利要求范圍內。