[发明专利]一种风能采集装置及其风力发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，尤其是一种风能采集装置及其风力发电系统。

背景技术

风力发电是世界获取能源最重要的方式之一。随着地球的资源枯竭，人们获取能源的成本也越来越高。但是，风是太阳照射地球使空气流动自然产生的产物，风能严格来说是太阳能的一种产物。风能安全，清洁，资源丰富，取之不竭。最重要的是风能是一种永久性的大量存在的本地资源，可以为我们提供长期稳定的能源供应，它没有原料风险，更没有燃料价格风险，也不会产生碳排量。尽管风力发电的优点很多，但是，由于发电设备的局限，使得风力发电不能得到有、广泛的应用，尤其是由于发电系统的种种缺陷造成的发电效率不高，而设备成本投资大。目前，传统的风力发电设备只要存在的问题如下：

1、传统的单涡轮风力发电机为了吸收较大的风能，一般都是依靠加大扫风面积来实现，这样就会导致某些基础部件与辅助设施的配置成本（如地基、塔身、偏航系统、平台、机舱、运输、安装等）增加。

2、传统的叶片转轴转速恒定的风力发电机，其只能保证风能转换效率在某个风速下，叶尖速比最优，达到最高的风能捕捉效率。另外，对现有的某些专利所述的同样采用液压泵来转换风能，并通过液力传动的风力发电系统中，通过采用变量泵来控制输出流量，或者在液力输送的管道中设置各种各样的液压功能元件来控制传输流体的压力与流速来满足最佳叶尖速比的要求，这样虽然勉强满足了叶尖速比的要求，但是也使得能量在传递的过程中，沿程压力损失增加，能耗增加，发电量较少。

3、大自然的风速大小随时变化，传统的风力发电机，在其整个能量的传输与转换链上，每个功能组件都需要按最高要求的参数来配置才能满足其使用安全性要求，但在大部分的低风速时间里，只能小负荷出力，存在极大的装机资源浪费，即年发电利用小时数（折算到满负荷装机容量）特别低，只能达到一般水电站发电机组的40%左右。

4、传统的风力发电机，其传动链短，且刚性足，当风速突变时，会对机械零件造成意外的冲击损伤，零件提早出现的疲劳损坏，大大降低系统的整体使用寿命。

发明内容

本发明提供一种风能采集装置及其风力发电系统，该风能采集装置设计合理、结构简单，有利于提高风能的利用率；该风力发电系统的水泵的容积和水轮机的喷嘴都是定量的，确保整个水力传动系统的总阻力系数是恒定的，从而得到，水泵的驱动转轴的转速与风速之比恒定，即叶片的叶尖速比是恒定的，风力涡轮机对风能的转换效率，对应不同的风速都可以达到最高值。

本发明的技术方案在于：一种风能采集装置，包括立于地面上的圆筒式或衔架式塔身，其特征在于：所述塔身顶端背靠背地安装有两台独立运转的水泵，两水泵的驱动转轴的末端处各安装有一台风力涡轮机，所述两台风力涡轮机的旋转方向相反（叶片攻角相反）。

上述水泵为低转速柱塞泵，该低转速柱塞泵包括驱动转轴、安装在驱动转轴上的凸轮以及若干个沿驱动转轴的轴向和径向布置的柱塞，所述柱塞由凸轮驱动，使其能够在各自的缸体内做往复直线运动，所述缸体上安装有低压进水单向阀和高压出水单向阀。

上述水泵为定量泵。

上述塔身的顶端设置有一个可绕塔身回转中心偏航旋转的安装平台，所述安装平台为受控偏航旋转平台，所述两水泵固定在安装平台的上侧面。

上述的低转速柱塞泵上的缸体上的高压出水单向阀，连接高压出水口，所有的高压出水口通过一定层级的汇流，最终汇流在一个汇流总管中，所述浮动连接套包括可以作相对360度转动的外套与内套，内、外套之间设置有密封圈，内、外套配合形成了浮动的中空管道，所述的汇流总管与可旋转的浮动连接套的内套固定连接，所述浮动连接套的外套固定在高压输水管道的上端部，所述高压输水管道设置在塔身内，直通到地面。

本发明的另一技术方案在于：一种风力发电系统，包括均匀分布在风电场中的一定数量的风能采集装置，其特征在于：从每个风能采集装置的高压输水管道输送到地面的高压水流，经汇流后通入高压输水总管，所述高压输水总管末端设置有喷嘴，高压水流从喷嘴中喷射出来，驱动水轮机旋转，水轮机再驱动发电机产生电能。

上述喷嘴为定量喷嘴。

上述高压输水管道系统中不设置压力控制与流速控制元件，所述水轮机的出水口经低压回流管路逐级连接至每个风能采集装置的水泵的低压进水口。

上述水轮机的出水口为敞开式，即与大气相通，所述低压回流管路上设置有吸程辅助回流泵。

这里要声明的是，整个系统的介质不局限于是水，也可以是其他形式的液态流体。

本发明的优点有以下几点：