利用压缩空气补风的风力发电系统及其方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体为利用压缩空气补风的风力发电系统及其方法。

背景技术

在碳达峰碳中和的大背景下，以风力发电、光伏发电为代表的新能源发电占比将越来越大。

风力发电机是将风能转换为电能的设备，一般有风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构等组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在风轮轴的带动下旋转发电。但风力发电受风场风速的影响大：一方面，当风速小于切入风速时(通常为3m/s)，由于风力提供的扭矩小，风力发电机从电网切出，停止发电；另一方面，当电网有高负荷需求时，风场风速却经常不能为风力发电机提供足够的动力，只能带部分负荷运行。因此，风力发电受自然条件影响大，需要与储能技术配合。

压缩空气储能是利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电的技术。国内有研究单位进行压缩空气通过膨胀机带动发电机发电的研究，实现利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在高压密封设施内，在用电高峰时压缩空气通过膨胀机带动发电机发电。上述技术，能量利用效率高，但系统复杂，而且不能解决风力发电受风场风速影响较大，输出功率不稳定，适应性差等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供利用压缩空气补风的风力发电系统及其方法，结构简单，设计合理，功率输出稳定，能有效提高系统对环境风速的适应能力以及对电网负荷需求的适应能力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

利用压缩空气补风的风力发电系统，包括设置在风力发电机的风轮叶片上的补风装置；所述的补风装置包括补风喷嘴、喷嘴连杆、竖杆和输送导管；

所述的喷嘴连杆的两端通过竖杆与风轮叶片的前侧连接；

所述的输送导管设置在风轮叶片内部，其输入端连接压缩空气储罐的出口，输出端连接补风喷嘴；

所述的补风喷嘴均匀布置在喷嘴连杆上，喷射方向与来流风向相同且正对风轮叶片的前缘滞止点。

进一步的，所述的竖杆的数量为两个，且对称设置；两个竖杆的一端均与喷嘴连杆连接，另一端均与风轮叶片垂直连接。

进一步的，所述的喷嘴连杆与风轮叶片的前侧平行设置，其与风轮叶片相对的一侧设置有补风喷嘴。

进一步的，所述的输送导管包括主管和支管；所述的主管穿过风力发电机的空心轴进入轮毂，其一端连接压缩空气储罐的出口，另一端分别与各支管的输入端连接；所述的支管设置在风轮叶片内部，其输出端连接补风喷嘴；所述的支管的数量与风轮叶片的数量一一对应。

更进一步的，所述的主管包括非旋转主管和旋转主管，非旋转主管和旋转主管通过设置在轮毂外机头处的旋转式动密封机构进行转换连接；所述的支管为跟随风轮叶片转动的旋转部件，且支管的输入端与旋转主管连接。

进一步的，所述的喷嘴连杆与风轮叶片之间通过竖杆设置有第一调节装置；所述的喷嘴连杆与补风喷嘴之间通过竖杆设置有第二调节装置；所述的第一调节装置和第二调节装置均采用角度调节装置。

进一步的，所述的第一调节装置用于调节角a的角度；所述的角a为喷嘴连杆与风轮叶片弦线之间的夹角。

进一步的，所述的第二调节装置用于调节角b的角度；所述的角b为喷嘴连杆与补风喷嘴喷口朝向之间的夹角。

利用压缩空气补风的风力发电方法，包括，

当风力发电负荷大于电网需求时，利用余电压缩空气，将压缩空气储存在压缩空气储罐中；

当风场风速小于切入风速或者电网需求符合大于风力发电负荷时，将储存在压缩空气储罐中的压缩空气通过输送导管送入补风喷嘴并喷出，对风力发电机风轮叶片的来流进行补风，完成风力发电。

进一步的，根据风力发电机风轮叶片迎风角度的变化，通过第一调解装置和第二调节装置，分别控制角a和角b的角度范围，使喷出的压缩空气方向与来流风向相同，且正对风力发电机风轮叶片的前缘滞止点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明系统通过在风力发电机的风轮叶片上设置补风装置，并将补风装置与压缩空气储罐连接，从而在风力发电负荷大于电网需求时，利用余电压缩空气并储存在压缩空气储罐中，以便在风场风速小于切入风速时，将压缩空气通过输送管道送至布置在风轮叶片前侧喷嘴连杆上的补风喷口后喷出，进行补风，提高风轮叶片前端来流风速，使其大于切入风速，支持风力发电机在小风速下稳定运行，提高设备对环境风速的适应能力，提高设备的利用效率；同时，在电网需求负荷大于风力发电负荷时(由于风速低，降低了风力发电机的出力)，也可将压缩空气送至补风喷嘴的喷口补充到风轮叶片的来流中，提高风轮叶片前端的来流风速，进而提高风力发电机的发电出力。

进一步，本发明系统采用的两个竖杆对称设置，竖杆的两端均分别连接在喷嘴连杆上和风轮叶片上，以保证稳定性和可操作性。

进一步，本发明系统通过将喷嘴连杆与风轮叶片的前侧平行设置，并将补风喷嘴设置在喷嘴连杆与风轮叶片相对的一侧，能有效提高风轮叶片前端来流风速，提高设备对环境风速的适应能力。

进一步，本发明系统采用主管和支管进行压缩空气输送，高效便捷，能有效保证输送效果，使的补充到风轮叶片来流中的风均匀，可靠稳定。

进一步，本发明系统通过将转动的旋转部件支管和旋转主管连接，同时旋转主管和非旋转主管之间采用旋转式动密封机构实现转换连接，从而将压缩空气高效可靠的送至补风喷嘴，从而补充来流风速，提高效率。

进一步，本发明系统采用的第一调节装置和第二调节装置均为角度调节装置，实现角a和角b的角度调节，即可根据风轮叶片迎风角度的变化，使得调节后的补风会产生最大升力，补风效果最佳。

附图说明

图1为气流流过风力发电机风轮叶片时的流线示意图。

图2为本发明实施例中所述系统的结构示意图。

图3为补风装置和风力发电机风轮叶片的安装结构示意图。

图4为图3中A-A剖向结构示意图。

图5为喷嘴连杆与竖杆的连接示意图。

图中：1-补风喷嘴，2-喷嘴连杆，3-补风装置，4-竖杆，5-第一调节装置，6-第二调节装置，7-压缩空气储罐，8-风轮叶片，9-主管，10-支管。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明利用压缩空气补风的风力发电系统，如图2-5所示，包括风力发电机、压缩空气储罐7、以及由补风喷嘴1、喷嘴连杆2、竖杆4和输送导管组成的补风装置3；

如图2和图4所示，所述的风力发电机的风轮叶片8的前侧通过两个对称设置的竖杆4与喷嘴连杆2的两端连接；所述的喷嘴连杆2与风轮叶片8的前侧平行设置，其与风轮叶片8相对的一侧均匀设置有补风喷嘴1，补风喷嘴1的喷射方向与来流风向相同且正对风轮叶片8的前缘滞止点；如图1所示，由于风轮叶片8对气流的影响，使流线沿风轮叶片8几何形状弯曲。风轮叶片8前端有前缘滞止点，前缘滞止点以上的流线流经风轮叶片8的上表面，前缘滞止点以下的流线流经风轮叶片8的下表面，由于风轮叶片8上表面隆起，流经风轮叶片8上表面的气流加速，压力降低，流经风轮叶片8下表面的气流，速度相对于上表面的速度小，压力大于风轮叶片8上表面的压力，风轮叶片8上、下表面的压力差就是风轮叶片8的升力。在风力发电机上，升力推动风轮叶片8围绕叶轮轴转动发电。

其中，如图3所示，竖杆4为两个对称设置的杆，一端均连接在喷嘴连杆2上，另一端垂直于风轮叶片8；若干个补风喷嘴1均匀布置在喷嘴连杆2与风轮叶片8相对的一侧，且补风喷嘴1与支管10连通。

其中，第一调节装置5和第二调节装置6由伺服电机带动齿轮传功分别连接喷嘴连杆2和竖杆4的转轴，从而带动喷嘴连杆2和竖杆4，实现角a和角b的角度调节；如图5所示，第一调节装置5用于调节角a的角度，角a为喷嘴连杆2与风轮叶片8弦线之间的夹角；第二调节装置6用于调节角b的角度，角b为补风喷嘴1喷口朝向与喷嘴连杆2之间的夹角；根据风轮叶片8迎风角度的变化，分别调节第一调节装置5和第二调节装置6，控制角a和角b，使补风喷嘴1喷出的压缩空气方向与来流风向相同且正对风轮叶片8的前缘滞止点。补风会产生最大升力，补风效果最佳。

如图2所示，所述的补风装置3的输送导管包括穿过风力发电机的空心轴进入轮毂内的主管9和设置在风轮叶片8内部的支管10；主管9的输入端连接压缩空气储罐7的出口，输出端分别连接各个支管10的输入端；支管10的数量与风轮叶片8的数量一一对应，且各个支管10的输出端连接补风喷嘴1的入口；所述的支管10为跟随叶片转动的旋转部件，主管9包括非旋转主管和旋转主管；所述的旋转主管与支管10连接，非旋转主管和旋转主管之间设置有旋转式动密封机构，实现旋转部件支管10和非旋转主管的转换连接；所述的旋转式动密封机构设置在轮毂外的机头处，即轮毂外的非旋转区域，且旋转式动密封机构可采用毡圈密封或O形圈密封，也可采用其它形式的密封方式。

其中，如图3所示，补风喷嘴1位于风轮叶片8前缘，通过喷嘴连杆2与风轮叶片8前缘连接，压缩空气通过位于风轮叶片8内部的支管10输送到补风喷嘴1区域。

在实际使用中，当风力发电负荷大于电网需求时，利用余电压缩空气，储存在压缩空气储存罐7中。当风场风速小于切入风速时，将压缩空气通过布置在风轮叶片8前面的补风喷口1喷出，进行补风，提高风轮叶片8前端来流风速，使其大于切入风速，支持风力发电机在小风速下稳定运行。当电网需求符合大于风力发电负荷时，将储存在压缩空气储罐7中的压缩空气通过输送导管送入补风喷嘴1并喷出，对风力发电机风轮叶片8的来流进行补风，完成风力发电。

基于上述任意系统，本发明还提供利用压缩空气补风的风力发电方法，包括，

当风力发电负荷大于电网需求时，利用余电压缩空气，将压缩空气储存在压缩空气储罐7中；

当风场风速小于切入风速时，将储存在压缩空气储罐7中的压缩空气通过输送导管送入补风喷嘴1并喷出，对风力发电机风轮叶片8的来流进行补风，完成风力发电；

当电网需求符合大于风力发电负荷时，将储存在压缩空气储罐7中的压缩空气通过输送导管送入补风喷嘴1并喷出，对风力发电机风轮叶片8的来流进行补风，完成风力发电。

其中，根据风力发电机风轮叶片8迎风角度的变化，通过第一调解装置5和第二调节装置6，分别控制角a和角b的角度范围，使喷出的压缩空气方向与来流风向相同，且正对风力发电机风轮叶片8的前缘滞止点。

本发明所述的利用压缩空气补风的风力发电系统及其方法也适用于竖直轴风力发电机。