一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱装置的制作方法

1.本发明涉及风能制热相关技术领域，特别涉及一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱装置。


背景技术：

2.新型高效清洁能源综合利用系统的开发可以在一般发电上网基础上进一步扩大清洁能源消纳途径，实现智慧能源与公共管网之间的互联互通创新应用，缓解多种能源发展不均衡、清洁能源利用不充分等能源供给矛盾。风能作为第二大新型环保清洁能源，由于可挖掘能量大、无污染等特点，在发电和新型环保供暖领域的规模化开发前景和商业化发展潜力巨大。风力致热供暖的概念主要起源于解决风能资源丰富地区弃风限电现象日益严重问题的需求，同时与“边缘偏无”地区制热供暖需求与风电消纳的特征相互契合密切相关，逐渐成为世界范围内公认的解决风电消纳和采暖减排双重问题的结合点。
3.将风能转换为热能的方法有很多种，转换途径一般分为两大类，一种是直接转换方式，即风能-机械能-热能；另一种是间接转换方式，如风能-机械能-电能-热能，包括风力发电再经电阻器变成热、风力发电电解水-制取氢气和氧气-燃烧氢气得热、风力发电-电锅炉致热等等。现阶段市场上常见的多数是基于间接转换方式的风电致热，受限于风能与电能之间较低的转化率，其系统能量利用率和热能转化效率最高也只能达到 15%左右，且同等能量输出条件下的系统规模比较庞大，只能用在地域开阔的独立建筑供暖。
4.上世纪末，国外采用风力搅拌液体或者风力挤压液体的风力致热技术成功探索出风能-机械能-热能直接转换模式，迂回解决了风能-电能低转化效率的问题，系统总的热转化效率可达30%-40%，主要用于禽舍、温室、水产养殖、浴室或者干燥农产品等。核心机理在于将风能转换为机械能后直接利用，不用经过风力发电过程。具有设备结构和操作简单、对风能质量（风的间歇、风速变化）要求不高、可以在较宽风速范围内工作、制热器工作性能与风力机的动力特性更易实现合理的匹配等优点。
5.目前较为常见的风力制热技术有搅拌液体致热、固体摩擦致热、油压阻尼孔致热、压缩空气制热等，但迄今为止，也仅限于个别研究者的机理探索和试验装置验证，尚未出现实际的工程应用，尤其是关于一些新型高效风力致热装置的研究，基本处于停滞阶段。主要原因在于，一方面，这些制热装置大部分都是采用垂直轴风力机驱动形式，虽然能够更加便捷地传递机械能，但对于风力机自身对于风能质量的适应能力较差，自启动与自调速困难，风能转化成的机械能实际力矩和扭矩较低，驱动能力受限；另一方面，已知风力制热器中，简单的液体搅拌、固体摩擦类制热器常常会因“空穴”或者摩擦造成构件的侵蚀磨损，制热效率衰减速度快，维护更换频率高；压缩空气制热器由于有周期性脉动，震动幅度大，噪声大，驱动转速受限；涡流制热器的结构和控制则过于复杂。再加上与它们相配套的热量搜集与利用装置更加不成熟，现阶段已有研究的风力制热技术从实际使用的效果来看，制热效率都非常低，无法针对性匹配满足终端用户的用热需求，工程应用难度很大。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱装置；实现制热制冷的新型清洁能源冷热装置，可以在较大风速范围内，利用风力机捕获风能产生的机械能，直接驱动机械式热泵机组工作并与周围环境进行热交换，制热供暖或者吸热制冷。
7.为实现上述目的，本发明一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱装置；所述装置包括水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组和综合智能控制测量系统；所述水平轴风力机组通过变速调节驱动机构与机械式热泵机组连接；所述综合智能控制测量系统分别与水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组配合连接。
8.优选的，所述水平轴风力机组包括风机叶轮、机头组件、上转向机构、垂直传动轴、下转向机构、塔筒底座和风速风向监测仪；所述风机叶轮设置在机头顶端，且通过机头组件与上转向机构连接，上转向机构通过风机塔筒内的垂直传动轴与下转向机构连接，下转向机构设置在塔筒底座内；所述下转向机构与变速调节驱动机构配合连接；所述风速风向监测仪设置在与风机叶轮对应的另一侧；所述垂直传动轴采用分段连接形式，通过复合形式的轴连接组件上下连接，并与塔筒形成装配组合。
9.优选的，所述机头组件包括轮毂、导流罩、机舱、液压动力单元、刹车制动器和回转机构；所述风机叶轮与设置在导流罩内的轮毂配合连接，且通过风能输出轴与刹车制动器连接；所述刹车制动器通过上转向机构与液压动力单元连接，且上转向机构与回转机构连接；所述回转机构位于机头与塔筒的连接处，将机头固定在塔筒顶端，并与液压动力单元配合，带动机头转动。
10.优选的，所述变速调节驱动机构包括下转向机构、联轴器和电磁制动器；所述下转向机构的一端与垂直传动轴匹配连接，另一端连接联轴器和电磁制动器后再与机械式热泵机组连接。
11.优选的，所述机械式热泵机组包括压缩机、驱动轴、循环管路和蒸发器；所述驱动轴通过联轴器与变速调节驱动机构连接，驱动轴与压缩机连接，带动压缩机运行，且带动压缩机内的制冷工质在循环管路中闭合运行，产生或吸收热量，并与外界进行冷/热交换，实现制热供暖或供冷；所述蒸发器与循环管路连接，设置在压缩机的上部。
12.优选的，所述综合智能控制测量系统包括风力机组控制模块和热泵机组控制测量模块；所述风力机组控制模块分别与水平轴风力机组和变速调节驱动机构连接，适于对风力机组和变速调节驱动机构的运行、启停和偏航进行控制调节，所述热泵机组控制测量模块与机械式热泵机组连接，适于对机械式热泵机组的启停、状态测量和冷热模式转换的控制。
13.有益效果：本发明技术方案，采用机械式热泵机组与水平轴风力机组实现风力制热，不同于传统的风能-电能-热能转换技术和一般的垂直轴风力机搅拌、压缩等制热技术，是在综合水平轴风力机组高效捕获风能、机械式热泵机组增焓致热等多项优势技术的基础上实现的风能-热能直接转换利用技术，整个装置的风能综合利用效率高达60%以上，并且能够实现稳定的工程应用供给。其中的机械能复合传动系统综合考虑长距离传动、塔筒结构匹配、多个转向与增速配比等因素，设计结构科学精巧，传动效率高。风力机组输出与热泵机组输入
机械能的转速、扭矩等匹配合理，驱动机构稳定可靠，有效提高了机械式热泵机组对风力机产生机械能的平衡适应性，对于整个装置的工程化利用具有积极的促进作用。再加上热泵机组自身的功能构造特性，还可以通过自动调节实现不同季节的供热或者供冷，不仅在传统风力制热技术上进一步延伸与拓展，丰富装置功能，扩大应用领域，而且为风能清洁能源的创新消纳与应用开辟了崭新的技术途径。本发明所用硬件及系统控制模块均为现有技术，是市场常见模块，降低硬件开发成本。
附图说明
14.图1为本发明整体结构示意图；图2本发明中机头组件结构示意图；图3为本发明中变速调节驱动机构结构示意图：图4为本发明中机械式热泵机组结构示意图；图5为本发明中综合智能控制系统功能流程图；图中1-风机叶轮，2-机头组件，3-风机塔筒，4-垂直传动轴，5-风速风向监测仪，6-变速调节驱动机构，7-机械式热泵机组，8-复合式连接器，9-塔筒底座，10-风能输出轴，11-上转向机构，12-液压动力单元，13-回转机构，14-刹车制动器，15-下转向机构，16-联轴器，17-电磁制动器,18-压缩机，19-驱动轴，20-循环管路，21-蒸发器，22-逆向调节阀，23-轴流风机。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：如图1所示，一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱冷热装置包括水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组和综合智能控制测量系统。综合智能控制测量系统包括风力机组控制模块和热泵机组控制测量模块；综合智能控制测量系统控制水平轴风力机组启动后，风机叶轮1根据风速风向监测仪5检测到的风速和风向数据，调整最佳迎风角度，最大程度捕获风能并转化为机械能到风能输出轴10，释放刹车制动器14，经上转向机构11的变速和转向后，转化为高扭矩低转速的机械能，再经垂直传动轴4、下转向机构15转化为低扭矩高转速的机械能，通过由联轴器16、电磁制动器17和驱动轴19传递到机械式热泵机组7的压缩机18，然后机械式热泵机组7开始工作，与外界形成循环往复的热交换，从而将机械能转化为可供热供暖的热能。
16.风机叶轮1启动旋转捕捉风能并转化为机械能，通过水平传动-上转向-垂直传动，将机械能从机头位置传送到塔筒下方的底座位置，然后通过下转向机构连接变速调节驱动机构，驱动机械式热泵机组7输入轴运动。水平轴风力机组可以根据风速风向监测仪5的监测数据进行对风和偏航，最大限度捕捉风能并在极端情况下避风自我保护。
17.机头组件2除将风能转化的机械能进行转换和传递外，还具有自动偏航、制动保护等功能。风速风向监测仪5实时检测风资源数据并传递给风力机组控制模块，综合智能控制测量系统向液压动力单元12 发出指令，带动回转机构13运动，回转机构13为现有技术其包括回转体和回转支承；进而调整风机叶轮1的迎风角度，最大程度捕获风能。或，当风速大于设定偏航风速时，通过回转机构13带动机头组件2和风机叶轮1避风保护，防止超速失衡。水
平轴风力机组制动与偏航的动力均来自于液压动力单元12，可调启动风速范围为0m/s—额定风速。刹车制动器14则是水平轴风力发电机组的重要保护机构，在极端情况下完成水平轴风力机组的制动与刹车，防止风机叶轮1失速，制动需要的动力同样由液压动力单元12提供。
18.垂直传动轴4置于风机塔筒3内部，采用分段式结构，两端通过联轴器分别连上转向机构11和下转向机构15，两段之间通过复合式连接器8连接，并通过现有技术与风机塔筒3紧密装配，确保垂直传动机构自上而下的稳定运行，有效提高机械能传动效率。上转向机构11和下转向机构15均为现有技术设备。风机塔筒3靠近复合连接器8的圆周位置开有3个活动观察窗，便于维修和检修。塔筒底座9则是从实际的工程便捷性出发，为垂直传动机构下部的转向变速等装置提供安装空间，同时底部与水平轴风力机组基础的锚栓组件连接，实现整个水平轴风力机组的安装和固定。
19.变速调节驱动机构6主要用于将风力机组输送过来的机械能进行转向，并调节成与压缩机18适应匹配的输入能量，驱动机械式热泵机组7工作。风机叶轮1加速旋转，风能输出轴10的转速达到机械式热泵机组设定启动转速时，电磁制动器17闭合接入，机械能通过下转向机构转向接入热泵机组的驱动轴19，开始带动热泵机组压缩机18运行，产生热能。风能输出轴10 的转速小于或超出机械式热泵机组7转速范围，则电磁制动器17 断开，机械式热泵机组7停止工作。下转向机构同时具有调速功能，增速比一般不小于5，可调启动转速为0rpm—1000rpm。
20.水平轴风力机组的传动机构传送下来的机械能首先通过下转向机构15，进行变速调节，与机械式热泵机组的输入轴和输入扭矩进行适应匹配，获得最佳驱动动力，然后通过联轴器接入机械式热泵机组的输入主轴，电磁制动器17的作用在于当驱动力过高或过低时，断开机械式热泵机组7的主轴连接，防止热泵机组压缩机损坏。
21.机械式热泵机组7采用分级控制的单机准二级压缩和双机复叠式压缩组合结构，由水平轴风力机组提供的机械能通过一根外接主轴同步驱动热泵机组内的高、底温两台压缩机18，可以实现大区间超低温运行环境下可达最优制热效率。系统需要制冷时，可根据控制模式指令调节逆向调节阀22，完成制热与制冷模式切换。机械式热泵机组7为现有技术设备，其还包括干燥过滤器、膨胀阀和换热器。
22.图5为综合综合智能控制测量系统功能流程图。总的控制模式分为手动模式与自动模式，手动模式可以单独控制各执行机构的启停。自动运行模式下，风机叶轮1接到启动指令开始运行时，可以根据风度风向仪监测仪5测量的实时风速、风向主动偏航调整迎风角度，最大化利用风能并控制合理转速。当主动偏航无法将转速控制到机械式热泵机组7需要的转速范围，控制测量系统将主动断开底部电磁制动器17，机械式热泵机组7脱机自我保护。水平轴风力机组持续偏航调整转速至合适的范围，底部电磁制动器17重新接入。停止运行时，风机叶轮1接受停止信号，主动向左偏航避风，风速逐渐降低，减小到制动转速以下时，上部刹车制动器14和底部电磁制动器17同时启动，机械式热泵机组7停机，直至迎风角度达到90
°
时，左偏航停止，水平轴风力机组停止运行。
23.机械式热泵机组的启停与风力驱动装置相互联动。收到启动信号时，首先开启冷凝器出口前的截止阀，使系统高低压侧平衡，然后启动风扇和热水泵，待风机叶轮1转速达到设定转速后，机械能通过驱动轴19输入，带动压缩机18开始工作制热。停机时，机械式热
泵机组首先停止压缩机18及机组内循环管路20等组件工作，然后关闭热水泵、关闭冷凝器出口前的截止阀，防止冷凝器的高温液体流入蒸发器21再次启动时的能量损失，最后关闭风扇。
24.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述装置包括水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组和综合智能控制测量系统；所述水平轴风力机组通过变速调节驱动机构与机械式热泵机组连接；所述综合智能控制测量系统分别与水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组配合连接。2.根据权利要求1所述的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述水平轴风力机组包括风机叶轮、机头组件、上转向机构、垂直传动轴、下转向机构、塔筒底座和风速风向监测仪；所述风机叶轮设置在机头顶端，且通过机头组件与上转向机构连接，上转向机构通过风机塔筒内的垂直传动轴与下转向机构连接，下转向机构设置在塔筒底座内；所述下转向机构与变速调节驱动机构配合连接；所述风速风向监测仪设置在与风机叶轮对应的另一侧；所述垂直传动轴采用分段连接形式，通过复合形式的轴连接组件上下连接，并与塔筒形成装配组合。3.根据权利要求2所述的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述机头组件包括轮毂、导流罩、机舱、液压动力单元、刹车制动器和回转机构；所述风机叶轮与设置在导流罩内的轮毂配合连接，且通过风能输出轴与刹车制动器连接；所述刹车制动器通过上转向机构与液压动力单元连接，且上转向机构与回转机构连接；所述回转机构位于机头与塔筒的连接处，将机头固定在塔筒顶端，并与液压动力单元配合，带动机头转动。4.根据权利要求3所述的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述变速调节驱动机构包括下转向机构、联轴器和电磁制动器；所述下转向机构的一端与垂直传动轴匹配连接，另一端连接联轴器和电磁制动器后再与机械式热泵机组连接。5.根据权利要求4所述的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述机械式热泵机组包括压缩机、驱动轴、循环管路和蒸发器；所述驱动轴通过联轴器与变速调节驱动机构连接，驱动轴与压缩机连接，带动压缩机运行，且带动压缩机内的制冷工质在循环管路中闭合运行，产生或吸收热量，并与外界进行冷/热交换，实现制热供暖或供冷；所述蒸发器与循环管路连接，设置在压缩机的上部。6.根据权利要求5所述的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述综合智能控制测量系统包括风力机组控制模块和热泵机组控制测量模块；所述风力机组控制模块分别与水平轴风力机组和变速调节驱动机构连接，适于对风力机组和变速调节驱动机构的运行、启停和偏航进行控制调节，所述热泵机组控制测量模块与机械式热泵机组连接，适于对机械式热泵机组的启停、状态测量和冷热模式转换的控制。

技术总结
本发明涉及一种基于机械式热泵机组的水平轴风力机直驱装置；其特征在于：所述装置包括水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组和综合智能控制测量系统；所述水平轴风力机组通过变速调节驱动机构与机械式热泵机组连接；所述综合智能控制测量系统分别与水平轴风力机组、变速调节驱动机构、机械式热泵机组配合连接。本发明实现制热制冷的新型清洁能源冷热装置，可以在较大风速范围内，利用风力机捕获风能产生的机械能，直接驱动机械式热泵机组工作并与周围环境进行热交换，制热供暖或者吸热制冷。或者吸热制冷。或者吸热制冷。


技术研发人员：刘俊 刘振强 郑翔南 李强 杨凯
受保护的技术使用者：中船重工海为郑州高科技有限公司新疆分公司 乌鲁木齐达坂城海为支油风电有限公司 中船重工海为郑州高科技有限公司 新疆海为新能电力工程有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/6/28