风力发电装置 本发明涉及的是一种通过循环水系统与水轮发电机组组合使用的风力发电装置。
风能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，目前世界上已有许多国家将风力发电列入了开发计划。但目前风力发电的单发电机组的功率一般都比较小，有些只能用于产生低压直流电。分散的风能是向电网直接输送大功率的交流电所遇到的一个实际困难。
目前的风力发电方式除由风轮经齿轮箱驱动发电设备外，与循环水系统相配合，通过压力水流驱动水轮发电机发电也是一种方式，如，SU 1813917-A1对此已有所介绍。但其在垂直高度上通常是单级的风塔，故难以达到较高的工作水压和增大能量密度。此外，NL 8004268，DT 2838139，FR 2384964等一些文献报导的是另一种由风轮经液压泵通过液压马达带动发电机发电的方式。由于受液压马达的功率限制，其要驱动大功率的发电机组目前尚有困难。另一方面，上述的发电方式通常是以一个风塔上地单个风轮带动一台发电机组的“一对一”的驱动方式，即使如FR 2384964介绍可由两个风轮共用一台液压马达来驱动一台发电机，但其所能允许共用的风轮数量仍有限，发电功率同样难于大幅度提高。
本发明的第一个目的是针对上述情况提供一种能大幅度提高单发电机组发电功率，采用通过循环水系统与水轮发电机组组合使用的风力发电装置。本发明第二个目的是在此基础上提供一种以较高的风能转换效率，使风能得到更为充分利用的通过循环水系统与水轮发电机组组合使用的风力发电装置。
本发明涉及的风力发电装置，由能根据风向作水平转向的风轮带动水泵使水循环运行来驱动水轮发电机组发电。其循环水系统中至少应包括有一对竖直设置的低压上水管和高压下水管，低压上水管的始端与储水结构相连。在低压上水管的竖直区段中至少设置有一个由风轮带动的变量水泵及与之连接的单向阀所构成的采风集能单元与该低压上水管相连接。低压上水管在其上方顶部与高压下水管相连接，高压下水管的末端连接于调压室，其自身可按常规设置与水轮机配用的阀门，以防止小风或无风时高压下水管内的水通过水轮机流向储水结构，导致其储水超量溢出。调压室内恒定压力的高压水则被引入水轮发电机组。调压室与储水结构之间设置有带有可受调压室预设压力控制的自动阀门或其它形式的泄流通道，以便在风力超强时的泄流，保持供驱动水轮发电机的高压水的压力的恒定和整机安全。上述采用变量水泵的目的是为能根据风力大小的变化对风轮驱动状态的不同而改变其输出水量，并且以用GN 96233770.6所介绍的变量齿轮泵结构方式的变量水泵为好。上述所说的由成对竖直设置并在上方顶部相连接的低压上水管和高压下水管所成的管路一般可采用高压下水管在内、低压上水管位于其外的套管式管道。此管道同时还可作为承载集能单元和其它构件自重用的支承结构，不必再专设如上述文献中所示的塔架承载结构。所说的这些管道在地面布设时，以使其按行列排列并围成规则的六边形等多边形的构架阵形式的集能风场，其间以互联桁梁等结构相互联接固定，以增大抵抗强风颠覆的稳定性。各低压上水管的始端均与储水结构相连，各高压下水管的末端汇聚于所说的调压室，即可集各组管路的高压水共同驱动一台或选配若干台不同功率的水轮发电机组发电。
为进一步提高风力发电的发电功率，上述的低压上水管或套管管道的竖直区段可由两段或多段管段经连接结构连接构成，各管段的连接部位处均可设置有所说的采风集能单元，则各竖直管道中即均可有多个采风集能单元同时工作，使水逐级提升，将水的位能增大并向高压下水管输送，并且还可将上述的集能风场通过管道联网并用。
众所周知，在正常风力变化范围内，风轮需要一个可变的负荷阻力矩造就一个与风力相适应的由风轮叶面所形成的轴向速度分量，以便提高风能的转换效率。在上述结构中如果使用的是如CN 96233770.6所介绍的变量齿轮泵结构方式的变量水泵，由于其结构中采用的是由位置确定的主动齿轮与可沿轴向移动的从动齿轮构成的一对工作齿轮，通过调节从动齿轮沿轴向的移动来改变其与主动齿轮的啮合长度，达到调节和改变输出流量，并同时产生相应的可变负荷阻力矩，可被用来有效地控制风轮叶面在工作时形成的轴向速度分量，实现获得较高的风能转换效率。因此其在适应风力变化随时改变水泵的输出流量和充分利用风能方面将会显示出明显的优越性。
将风轮或风轮座设置于可沿轴向往复运动的结构上，并可使之与风向尾翼相关联，使风轮能保持与风向一致。将该结构与适当形式的复位构件，例如与弹性复位构件相配用，使其能随风力大小的变化沿轴向作相应的往复移动。风轮或风轮座的这种轴向往复运动与上述变量齿轮水泵的从动齿轮相结合，就可用来控制变量水泵的流量，风轮座的旋转动力可通过齿轮箱增速传递给变量水泵工作。
由此可见，本发明在结构上又是一种不依赖于蓄水水库的水力发电装置，是以在管道中的循环水为水源，由风力将水能汇集，水头则是由高压下水管所形成的落差。其中的管道、水轮发电机组，以及建筑等方面所涉及的则均属目前的成熟技术，不再赘述。
以下用附图所示的实例对本发明的上述内容作进一步说明，例中采用的是变量齿轮水泵的采风集能单元和套管管道安装设置的结构形式。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述的实例。
图1：本发明风力发电装置的工作原理示意图
图2：本发明风力发电装置可采用的集能风场的局部布置方式
图3：图2的A-A视图
图4：本发明风力发电装置中采风集能单元的外观结构图
图5：图4中的管段连接结构
图6：图5的B-B视图
图7：图4中J段位置的结构分图
图8：图4中K段位置的结构分图
图9：图4中L段位置的结构分图
图10：图4中的变量齿轮水泵的结构图
图11：图10的G-G剖视图
图12：带有E-E半剖视的图11的左视图
如图所示，图1是本发明所说的通过循环水系统与水轮发电机组组合使用的风力发电装置的工作原理。由风轮带动变量齿轮泵3使水循环运行而驱动水轮发电机组9发电。该循环水系统包括若干组由成对竖直设置并在上方顶部相连接的低压上水管11和高压下水管12所构成的套管管道。其设置方式可采用以互联桁梁55互联固定，且使其如图2和图3所示按行列布置排列，并使其围成规则的六边形等多边形的构架式排布的形式。各组套管管道均采用以高压下水管12在内、低压上水管11位于其外形式的套管24，且各组套管管道均同时用作承载集能单元及其它构件自重的的承载结构。各组高低压水管的上方顶部连接处可设置排气堵塞1，供试机时排放空管内的空气。各低压上水管11的始端均与储水结构10相连，各高压下水管12的末端可通过管网共同与按常规带有与水轮机配用的阀门的调压室6连通，再使其恒定压力的高压水驱动一台或选配若干台不同功率的水轮发电机组9发电。调压室6与储水结构10之间设置有带有可受调压室6的预设压力所控制的自动阀门8的泄流通道7，如因超强风力而导致水压过高超过预设压力时，能自动泄流，以保证整机安全运行。在高压下水管12与调压室6之间还设置有排气装置4，用于排放混入循环水管道中的气体，并可有相应管道与储水结构连通，以防止水量损失。高压下水管12与调压室6间可加设一截止阀5，并在与储水结构10之间并联设置有带另一截止阀的连通旁路13，可供维护检修时使用。各套管管道24的竖直区段均由若干管段经连接结构14顺序连接而成，如图4所示。
由图4可见，风轮25安装在风轮座28上，其动力经齿轮箱22驱动变量齿轮水泵3工作。变量齿轮水泵3经回转支承架17连接于管段连接结构14上，并经进水管15和串接有一个单向阀2的出水管16分别与下方和上方套管管段24中的低压上水管11连通。由支撑杆36加长尾部并带有风向尾翼37的方向舵30穿过风轮座28，通过与齿轮箱22、变量齿轮水泵3与回转支承架17联接，实现使风轮25能随风转向的功能。
图5和图6所示的是图4中所述的套管管段间所采用的一种连接结构14的结构形式。在其与上下套管管段连接的固定座上装有能绕其中心回转用于连接采风集能单元的回转支承架17，沿其圆周设置有三个轴线均与管段中心线垂直并可沿该固定座上的环状滚道18滚动的的承重滚轮19，以及三个同样可沿该滚道18滚动且其轴线均与套管中心线平行的定心滚轮20。它们可以减少集能单元随风转向的阻力。连接结构14内有一个接入管路后可直接与两端套管的中心高压下水管12连通的中心孔道53，且其轴向两端部各有一组相互分隔且端面开放分别用于与上下方所连套管管段的低压上水管11连通的腔体21，并通过与位于可回转的支承架17上的活动缸套54上各自的侧路通道，分别连通变量齿轮水泵3的进水管15和出水管16。
图7所示的是图4中J段位置中的齿轮箱22和风轮座28相连接部位的一种传动结构。风轮经风轮座28和轴向滚动轴承29带动空心主轴27旋转，再经齿轮箱22中的齿轮传动增速，把动力传给输出轴23。齿轮箱22的输出轴23将与变量齿轮水泵3的主动齿轮49的主轴50相连，使风轮带动变量齿轮水泵3工作。该空心主轴27的轴承座31上安装的滚动轴承41支承着设置于其内部并向外延伸的空心方向舵30，其尾部将设置有风向尾翼37，从而使其能随风转向。其中的轴向滚动轴承29的具体结构将在图10的变量齿轮水泵中采用的该相同结构中一并介绍。
图8所示的是图4中K段位置的一种结构。在上述的空心方向舵30内还设置有一可作轴向往复运动的调节拉杆26，其一端用于和变量齿轮水泵3中可沿轴向移动的从动齿轮47所连接的端面密封体44相连接，另一端装有传动销33，该传动销33可在方向舵30上沿轴向开设的导向腰形长槽40中往复运动。在调节拉杆26的传动销所在端的尾部还设置有具有适当刚度的压缩弹簧34。一端连接于风轮座28并兼作连接结构的雨雪防护套35的另一端装有轴向止推轴承32和套置在空心方向舵30上的轴承内套39。当风力由大变小时，弹簧34可通过传动销33、轴承内套39、轴向止推轴承32和雨雪防护套35将风轮座28相应复位，调节拉杆26也将随风力的变小将变量齿轮水泵3的流量自动调小。风力由小变大时，由风力引起的运动及流量的变化则与之相反。风轮座28和雨雪防护套35的往复运动被轴承座31的两端限位，以保护相关构件不被损坏。在调节拉杆26的尾端同时还设置有一刚度较小的拉簧38，用于抵消变量齿轮水泵3中的从动齿轮47因来自其出水口上方水管管段中的水柱水压作用所受到的轴向力，以使风力变小时风轮座随小风力作轴向运动时不致受这一轴向力的影响而同样保持调节变量齿轮水泵时的灵敏性。
图9所示的是图4中L段位置的一种结构，在方向舵30的尾部，由支撑杆36加长并与风向尾翼37连接成一体，以实现随风转向。
图10、图11和图12所示的均为图4中的变量齿轮水泵的一种结构。上述与回转支承架17连接的变量齿轮水泵3的另一端与齿轮箱22相连。其详细变量原理及基本结构可参阅CN 96233770.6的内容。在本变量齿轮水泵3中的主动齿轮49的主轴50与上述的齿轮箱22的输出轴23相连接；可作轴向运动的从动齿轮47的端面密封体44与上述的调节拉杆26连接。风轮25的转动经空心主轴27和齿轮箱22的输出轴23可带动变量齿轮泵3的主轴50和主动齿轮49转动。同时，风力大小的变化使风轮座28沿该空心主轴27的轴向往复运动通过调节拉杆26可带动变量齿轮水泵3中与主动齿轮49相啮合的从动齿轮47作轴向运动，从而实现根据风力大小的变化自动控制变量齿轮水泵3的输出流量。为减小该从动齿轮47轴向运动时的摩擦阻力，从动齿轮47与中心轴45间设置有与图7中所采用的轴向滚动轴承29相同结构的轴向滚动轴承56。该轴向滚动轴承由轴承外套42和分离式滚道套46及两端的轴承盖形成环状滚道51，该滚道内的钢珠48在中心轴45的滚道和分离式滚道套46之间可作纯滚动，而在轴承外套42和分离式滚道套46所形成的矩形滚道内，钢珠48可以自由通过。该轴向滚动轴承结构可以减少轴上构件与其自身之间的摩擦力；其另一功能是可通过中心轴上滚道的钢珠传递扭矩，如上述图7中的轴向滚动轴承29即用来传递风轮的扭矩。为了进一步减少从动齿轮47轴向运动的阻力，在端面密封体44与主动齿轮49端面密封结构52的交接部位处还设置有滚轮43或其它类似的滚动构件，用以减小摩擦力，以提高调节拉杆26的控制灵敏度。
由上述内容不难理解，本发明的风力发电装置的原理简单，且有利于提高风能的转换效率，其功率可由设置的集能单元的数量来确定，因此可大大提高单发电机组的发电功率，甚至可接近或达到与现有水电站相类比的单发电机组的发电功率，故在对风能的大规模开发利用方面具有不可忽视的实用意义。特别是将其中的水系统设置为可防止水量损失的闭合循环的系统，还可使本发明的这一发电装置在如沙漠等缺水地区的使用成为可能。