本實用新型涉及一種塔式臥葉液壓儲能風力發(fā)電機。

背景技術：

目前，世界上常見風機是立式水平軸三葉風機，風葉形狀采用標準流線型結構；應用升力原理獲得推力使風輪旋轉。此類風機存在風葉迎風面小，風力產生的氣流接觸葉片的作用時間短，風葉笨重，機架過高，全套設施安裝在架頂；吊裝、維護、檢修不便，傳動、變速、調向、控制機構復雜，技術難度大。風機切入切出額定風速域較窄，風輪掃掠面積很大而風能利用率則較低，風場占地面積廣，風機布點稀疏，風資源浪費大，風機抗沉降能力差，不適宜建在海岸、沙漠風資源豐富地帶，小微風機蓄電附屬設施價格昂貴，難予推廣，大型風力發(fā)電場投資成本高，經濟效益不明顯。

此外，電力行業(yè)一直在為用電低谷期，網電高達15—32%的自然流失損耗尋求一種大容量有效蓄能方法，至今無果，依然是長期困擾電力系統(tǒng)的世界性技術疑難。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的提供一種塔式臥葉液壓儲能風力發(fā)電機，以解決目前普遍使用的立式水平軸三葉風機存在的風葉笨重，機架過高，全套設施安裝在架頂；吊裝、維護、檢修不便，傳動、變速、調向、控制機構復雜，技術難度大等問題。同時，為電網在用電低荷期的過多電能尋求一種儲能裝置。

技術方案：

塔式臥葉液壓儲能風力發(fā)電機，包括塔筒、塔柱及風輪和發(fā)電機構，塔柱固定在基座上，塔筒以環(huán)繞塔柱轉動的方式懸掛在塔柱上端，在塔筒上固裝有集風口和調向尾翼，二者處于塔筒的兩側相隔180o的位置上；在塔筒內腔的中心軸線上有一根中軸，中軸上轉動套裝有輪軸，在輪軸的中部固裝多層螺旋風葉，上部裝有兩層水平風葉即構成風輪；輪軸下部安裝風輪變速箱；發(fā)電機構包括變速箱和與變速箱的從動齒輪轉動軸接的常合齒輪機油泵，再通過高壓油管路與電機組油馬達連通，發(fā)電機組與電機組油馬達軸接；變速箱的第二級從動齒輪上軸接有分動機油泵，再用管路連通儲能油缸組。

塔筒由下部的圓柱形筒體和上部的圓錐形筒體構成，二者的結合部對應的塔柱上制作有環(huán)形軌道，在圓柱形筒體上沿等間隔安裝有個滾輪，滾輪與環(huán)形軌道轉動接觸；其中有個滾輪的滾輪座上焊有向塔頂上伸的隨動柱，頂端裝有可隨塔筒同步轉動的半圓引流罩。

固定在輪軸中部的螺旋風葉處于塔筒中圓柱形部的各層為等尺寸葉片，處于錐形筒部的各層葉片適應錐形筒腔形狀。

集風口做在塔筒的圓柱形筒體段，口部兩側豎向制作有兩扇活動門板，形成斗形，兩門板之間裝有偏心導流板；塔筒上與集風口位置對應的另一側固裝調向尾翼。

在錐形筒的上端有塔蓋，塔蓋上嵌有多片相對水平面呈45°傾角的導流片。

輪軸上部的兩層水平風葉均通過輪軸上的轂盤與輪軸固定；每層水平風葉均有8片，相鄰兩葉片的間隔以等圓心角方式排列，通過葉軸固接在轂盤上。每片葉片由上下兩個半葉鉸接在葉軸上構成。

在對應水平風葉根部的轂盤上焊有兩片“U”形引流弧板，能將任一葉片與橫軸有夾角時，向內沿側滑的氣流向葉片后折吹，減少迎風面氣流內沿漏損。在每個葉片的外端安裝有葉尖操縱小翼，同時葉尖操縱小翼通過推桿和彈簧連接在葉片根部。

在變速箱中還安裝了分動油泵驅動齒輪，分動油泵齒輪軸下部通過一個牙嵌離合器與分動機油泵軸接，分動機油泵通過油管連接在儲能油缸組的管路上；來自于常合齒輪機油泵工作用高壓油經換向開關，通過調壓限壓閥和管路，一路接通電機組油馬達，另一路為過壓油由管路接入儲能油缸組的管路中；同時經換向開關后的分流油用管路接入儲能油缸組的管路中構成儲能裝置。

上述儲能油缸組的每個油缸中裝有自緊自封高壓塞，自緊自封高壓塞的圓心處固接有塞軸，塞軸在缸內的部分套有回位彈簧。

從儲能油缸組用管路接通到塔外機組油馬達，塔外機組油馬達與發(fā)電機組軸接，發(fā)電后的低壓油由管路再接通到低壓油罐中，就構成了利用儲能裝置發(fā)電的設備。

電機組油馬達工作后的低壓油用管路接入儲能油缸組的低壓油罐中，由低壓油罐底部接出的管路接通機油濾清器，再用管路從機油濾清器接通到集油箱，在集油箱出口端裝有一個集濾器，再用管路接通各機組的油泵。

為了解決外電網在用電低谷期間過量電浪費問題，結合本發(fā)明的設備功能，設置一個把電能裝換為液壓能的裝置，此裝置由一個引入外部電力的電接口，從接口用電力線接電機，在電機的軸端，軸接機油泵，從機油泵引出兩條管路，一條管路接儲能油缸組，一條管路接集油箱，即構成了外電網過量電能的儲能裝置。用電高峰期，利用儲存的液壓能帶動發(fā)電機組發(fā)電，向電網供電，可減輕電網負荷。

按照上述方案制成的塔式臥葉液壓儲能風力發(fā)電機，設備投資低，容易制造，安裝方便，穩(wěn)定性能好；風力收集面積大，產生的風力強，風能利用率高。其運行方式是風能轉換成機械能，再變機能為液壓能，由油壓馬達驅動發(fā)電機發(fā)電，變風輪剛性傳動為柔性傳動，風機與電機隔離，消除機械振顫，保障發(fā)電品質，并采用液壓儲能裝置，儲存風能，收到有風發(fā)電，無風也發(fā)電的效果。兼有將網電流失損耗轉換液壓能儲存，擇時用于發(fā)電，反補電網功用。

附圖說明

圖1是風塔及風機構成示意圖。

圖2是風能轉換成液壓能到發(fā)電機過程的機構示意圖。

圖3是儲能裝置示意圖。

圖4是利用儲存的液壓能發(fā)電的裝置示意圖。

圖5是把外電網過量電轉換為液壓能的裝置結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖，作為實施例，對技術方案進一步說明。

參照圖1、2、3、4，整個風塔通過底部的基座1上固裝的四根塔柱2支撐，且四根塔柱2分布在一個正方形的四角處。塔柱2外圍以旋轉方式安裝有塔筒3，塔筒3的上截是錐形筒體，下截是圓柱形筒體。塔筒3的軸線上有一根中央固定軸12，在中央固定軸12的上下端附近通過兩個軸承28轉動固裝有輪軸11，且輪軸11套裝在中央固定軸12上。輪軸11的下部處于地下機房中，中央固定軸12下端也在地下機房中與地基固定，上端伸出在塔頂之上，裝有避雷針13。在輪軸下部安裝變速箱26，變速箱的作用是輪軸11轉動的動力經變換后，驅動常合齒輪機油泵30及分動機油泵30a工作的機構，也處于地下機房中。在輪軸11下部安裝一個鉗式制動裝置29和制動鎖止盤27，在變速箱26的上方的輪軸11上還安裝有減速球盤25及盤外減速環(huán)24；構成對輪軸11轉動狀態(tài)的控制機構。

塔筒、風葉和輪軸承擔著將風能轉換為機械能的作用，其中風葉和輪軸構成風輪，在風輪外裝一個不等徑座式風塔作集風裝置，下部為圓柱形筒體，其柱面上的一側裝有可隨風向變化自動調向的調向尾翼4；集風口23開在與調向尾翼呈180度角的另一側。在集風口23的左右兩側各鉸接一扇活門22，集風口23的上、下沿固定安裝兩塊板，與兩扇活門22一起形成斗形，口部面積大，利益收集風束；在集風口23的內口的豎向中心線上，用轉軸安裝有偏心導流板21，可根據風向和風力大小緊靠在一扇活門上，引導風束，流向開啟的半個集風口對應的螺旋風葉19，使進入螺旋風葉的風，沿螺旋風葉旋轉的方向流動，能驅動與螺旋風葉固接一體的輪軸11轉動。

風塔上部為直徑逐漸收縮的錐形筒體，與下方的圓柱形筒體活動連接。錐形塔筒頂部焊有與水平面呈45°傾角的多頁導流片17構成的塔蓋18，能把從螺旋風葉19上來的風束，引向上面的兩層水平風葉15，成為驅動水平風葉15轉動的動力。這樣，風塔豎向中心線上的輪軸11就受到螺旋風葉19和水平風葉15兩部分的旋轉力的驅動。且由于下部的圓柱形筒體內的多層螺旋風葉是等尺寸的，每層螺旋風葉的周圍邊沿上焊接有豎向翼片5，使進入螺旋風葉19中的風束限制在螺旋風葉中，并逐漸加速呈螺旋線上升，流到錐形筒體內腔時，因為這一段的多層螺旋風葉19直徑逐漸變小，使其中的風束密度增大，流速更快，所以，經導流片17吹向水平風葉15的風力更強勁，增大了水平風葉15的轉動力。這種塔式布局有利于風量的收集、引導、收束，加強入塔氣流流速作用。

圓柱形筒體與錐形筒體的界面處的塔柱2上裝有環(huán)形軌道6，圓柱形筒體上沿通過滾輪座等間距安裝有四個滾輪20，四個滾輪卡于軌道上自由轉動，其中，有3個滾輪座上焊有伸向塔頂?shù)碾S動柱7，三根隨動柱頂端裝有可隨塔筒3同步轉動的半圓引流罩8，可收集罩下半圓區(qū)內的風，并引導、吹向水平風葉15。

塔頂?shù)膬山M水平風葉15，每組8片，分別通過葉軸16固接在兩個轂盤14上，轂盤與輪軸11固定，在轂盤14的上、下位置，對應風葉根部，焊有兩片平臥“U”形引流弧板10，可將任一水平風葉片與橫軸有夾角時，向內沿側滑的氣流，由風葉后部折返，減少迎風面氣流內沿漏損。葉軸16外端裝有可調水平風葉15的張合角的葉尖操縱小翼9，葉尖操縱小翼9鉸接在葉軸16的軸端，有一根推桿和彈簧連接在水平葉片根部，能在彈簧力的作用下伸縮，帶動葉軸16上的上下兩條葉片作張合動作。

這樣，位于塔中央的風輪，以輪軸11為轉軸，疊裝有共軸的多層多片螺旋風葉19，完成風塔下部集風口23來的風量的輸送任務，同時，在螺旋風葉中旋轉上升的風束流，也給輪軸11轉動力。塔上兩層，每層八片為板式水平風葉15，裝有張合調整機構，鉸接在葉軸16上的水平風葉15迎風區(qū)旋轉時自動張開承受風壓，逆風區(qū)旋轉時自動收攏減小風阻。狂風期，在水平葉片15外端的葉尖小翼9在縱軸處承受風壓后擺，壓縮推桿尾部彈簧，將桿上錐板楔入兩葉后肋條之間，控制風葉張合角度。

塔內七層為螺旋風葉，葉面上下有等距離對置豎向翼片5，作為收集引導入內的風量向上運行的部件；本例，塔筒四層螺旋風葉為等徑等距疊布。錐筒三層為不等徑不等距疊布，逐級縮徑遞減導程，這種多層多片風葉布置，可大幅縮減風輪掃掠面，風輪中風束密實度高，漏風率小，入塔氣流作用面積大，風壓作用時間長，且對入塔氣流有收束擠壓、加速氣流，提高氣流動量，獲取倍增能量的效果。由于塔筒是懸吊于環(huán)形軌道上的，且由滾輪支撐在軌道內轉動，故塔筒3下部的調向尾翼4能由風力的推動，轉動塔筒，使集風口23，始終對著風吹來的方向，接收風力。

如上制成的風機總重量相對現(xiàn)有的立式風機較輕，不足立式風機的1/3重，風塔低矮，只有立式風機1/5，風塔基座1寬大堅實，單位壓強小，抗塔基不均勻沉降能力強。

參照圖2，在輪軸11的下部安裝的變速箱26，有兩級從動輪傳遞動力；第一級由分動油泵驅動動輪31與常合齒輪機油泵30軸接構成，對來自集油箱37的液壓油加壓。常合齒輪機油泵30加壓后的高壓油通過管路經換向開關36再經高壓限流閥33，接通電機組油馬達35，帶動發(fā)電機組34工作。第二級由與分動油泵驅動齒輪31齒合的從動齒輪31a軸接的牙簽離合器32構成，在牙簽離合器32的軸端，軸接分動機油泵30a，承擔對管路A中的油液加壓輸送到儲能油缸組41中。

上述由常合齒輪機油泵30處理后的高壓油的過剩部分，通過管路A分流到儲能缸組41，同時，經調壓限流閥33處理后的液壓油，一部分供電機組油馬達35帶動發(fā)電機組34工作，多余的液壓油也通過管路A送儲能缸組41中，電機組油馬達35工作后的低壓油，由管路B送入低壓油罐47中儲放。

參照圖3、4，儲能油缸組41是由多個儲能油缸組成，儲能油缸組中的高能液壓油，經缸底部的閥門和管路D再提供給塔外發(fā)電機組油馬達52帶動塔外發(fā)電機組53發(fā)電。區(qū)間儲能油缸組41到塔外發(fā)電機組油馬達52間的管路上以順序安裝有球閥開關50、穩(wěn)流控制件51和電源切換裝置54。塔外發(fā)電機組油馬達52工作后的低壓油用管路C送入低壓油罐47中儲放備用。分動油泵驅動動輪31的軸端接轉速表。

參照圖3，儲能油缸組41的每個油缸中裝有自緊自封高壓塞44，自緊自封高壓塞44的圓心點處固接有塞軸45，塞軸45在缸內的部分套有回位彈簧46，在缸外的部分上部制作有油位指示標記。缸蓋43上開孔安裝有一個浮球閥42；在缸體上部一側安裝有低壓溢油管40，缸體一側中下部裝有安全閥39，缸體一側下部裝有與分動機油泵30a出口處的管路A連通進油口，進油口處裝有單向止回閥38，收集來自換向開關36處的分流油、高壓限壓閥33處的過壓油和網電加壓油泵58送來的高壓油，儲存在儲能油缸組41中供塔外機組油馬達52帶動發(fā)電機組53發(fā)電。

參照圖3，低壓油罐47的上部有兩條管路，一條連通電機組油馬達35工作后的流出的低壓油管B，另一條接通塔外機組油馬達52工作后流出的低壓油管C；低壓油罐47下部有用管子接通機油濾清器48，處理后的油接通集油箱37，集油箱37與一個集濾器49連通，經集濾器49處理后的液壓油輸送發(fā)到電機組的油泵處理供發(fā)電機組發(fā)電用。

參照圖5，在外電網用電低峰期，有大量過剩的電量，即可通過電接口56，和控制開關55電接電動機57，帶動與電動機57軸接的機油泵58工作，變電能為液壓能，通過管路A再送回儲能油缸組41中備用，工作循環(huán)用油來自集油箱47。形成了利用電網多余電能的儲能裝置。

輪軸11下端穿出塔底軸承座后，向下伸入機房適當長度，依次疊裝風輪傳動箱主動齒，風輪減速球盤，外設對應減速環(huán)片，風輪制動鎖止盤，外設對應制動鎖止操作件，以保颶風來襲時設備安全和檢修時人員安全。

液壓系統(tǒng)具有將機械能轉換為液壓能實現(xiàn)遠距離傳遞、分流、儲存能量并將液壓能轉換為電能的作用，系統(tǒng)中配有兩套發(fā)電機組，一套為風輪直接驅動的發(fā)電機組，一套為儲能油缸控制的發(fā)電機組。

風輪主動齒裝于變速箱內，變速箱只有一對常合齒，具有降扭增速作用，從動齒輪軸下端裝有常合機油泵，上端裝有分動油泵主動齒，通過自控牙嵌離合器與分動油泵相接。風塔機組驅動力由常合油泵提供，經電控換向開關、液壓調壓限流閥、驅動油馬達帶動發(fā)電機工作，向外輸電，多余液壓油流向儲能油缸。

儲能油缸組可接收分動油泵、常合油泵換向油流和風塔機組分壓油流以及外電網驅動的電動油泵油流四條油路經止回閥進入缸內的高壓油液，并將液能屯集轉換儲存，無風時打開電磁閥釋放液能，高壓油液經調壓穩(wěn)流液控元件和三電源切換裝置旁路，驅動塔外機組油馬達帶動電機旋轉而發(fā)電。多個組合儲能缸分上下低高壓油室，油缸配備自封自密活塞、安全閥、浮球閥、油位指示計、回位彈簧、溢流管、油壓報警器等設施。

附設的外電網電動機組可利用并接電接口，將外電網在負載用電低谷期自然流失耗損的電能引入本系統(tǒng)，驅動大型電動機帶動大型油泵，將電能轉換為液能完成蓄積儲存，用電高峰期則釋放液壓油能發(fā)電返補電網，減少電網電力浪費。

液壓系統(tǒng)低壓油路中，還配置有低壓儲油罐，油液凈化集濾器、濾清器、配油箱以及罐缸間串并聯(lián)油管、開關等器件，確保油路循環(huán)流動順暢無阻。

按照上述方案做成的塔式臥葉液壓儲能風力發(fā)電機，塔式多層風葉共軸風輪，利用豎軸將風葉捕獲的能量轉換為旋轉動力，垂直輸入地下，風輪傳動及調控裝置發(fā)電機組等全套設備擱于地下室，不像立式風機那樣懸置高空，并與風輪液態(tài)隔離，設備運轉安全可靠，操作維修方便，省吊裝和高空電纜費用。

本發(fā)明的優(yōu)點是改變了現(xiàn)有風機類型，變徑風塔有集風，加大風壓作用，塔輕，抗沉降力強，風輪疊裝多層螺旋形及水平風葉，受風面積大，續(xù)壓時間長，能以較小的風輪掃抹面，獲得較高的風能利用率。能對捕獲到的風流實施加速，以加大氣流動量，獲取較大轉矩，提高風機輸出功率，額定風速域較寬，內陸最大風力、風向變化時，調向反應靈敏，在風能向電能轉換過程中利用液壓系統(tǒng)，變風輪剛性傳動為柔性傳動。風機與電機隔離，消除機械振顫，保障發(fā)電品質，并采用特殊裝置，變相儲存風能，收到有風發(fā)電，無風也發(fā)電的效果?？耧L期邊發(fā)電邊儲能，且兼有將網電流失損耗轉換儲存，擇時釋放能量發(fā)電，反補電網功用。具有風機布點稠密，風源利用率高，用材少，易制造，投資小，成本低，回收快，收益好的特點。