CN110685861A - 风电地热联合开采*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地热高效开采***领域，特别涉及一种利用风能联合地热能源实现高效环保开采地热能源，尤其是风电地热联合开采***，包括风塔***和设置在地面以下的地热开采***，所述风塔***包括固定在地面上的塔架、设置在所述塔架上的风电转化组件、实现风能利用的风动传动组件、抽水***，所述风动传动组件分别通过离合控制组件的开启来控制与所述风电转化组件、所述抽水***实现配合连接或分离，所述地热开采循环线路用于实现换热并将热量交换储存起来实现后续再利用。本发明将风塔***与地热开采***结合起来，既能利用风塔***产生的电能，又能利用风塔***产生的机械能，自发地实现地热资源的开采，不需要提供辅助动力来维持***运行。

Description

风电地热联合开采***
技术领域
本发明涉及地热高效开采***领域，特别涉及一种利用风能联合地热能源实现高效环保开采地热能源，尤其是风电地热联合开采***。
背景技术
地热能是一种清洁能源，是可再生能源；地球作为一个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，这种热量渗出地表及形成所述的地热，正因如此才使得地热开发前景十分广阔。
社会上已经存在较多的地热类的供热产品和技术，现有的利用制热设备实现供热其主要缺点是消耗大量电能、造成电路增容。目前利用地热能时，前期通常需要施工组建地热***，地热***中包含大量的大功率耗电设备，在保持地热***正常运转的过程中需要消耗大量电能，这使得在利用地热能的同时也需要消耗大量电能。
目前也有很多单位和个人针对地热开采相关领域进行了设计、改进，但现在大多数的研究方案和内容都存在联合地热开采匹配不合理、技术方案可行性差，换热效果较差、换热效率较低，同时，存在能量储备难、流失严重等问题，依旧无法实现针对光伏及地联合开采设计出一套较为合理高效的研究方案。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一所采用的技术方案是：风电地热联合开采***，包括风塔***1和设置在地面以下的地热开采***31，所述风塔***1包括固定在地面上的塔架2、设置在所述塔架2上的风电转化组件、实现风能利用的风动传动组件、抽水***21，所述风动传动组件分别通过离合控制组件的开启来控制与所述风电转化组件、所述抽水***21实现配合连接或分离，所述抽水***21与储水加热装置、所述地热开采***31配合形成地热开采循环线路，所述地热开采循环线路用于实现换热并将热量交换储存起来实现后续再利用。
优选地，所述风电转化组件包括机舱3、位于机舱3内部的永磁同步发电机6、充电控制器8、蓄电池组9、逆变器10，所述机舱3通过旋转支座14与所述塔架2相连，所述永磁同步发电机6与所述风动传动组件相配合，所述充电控制器8通过电缆束7与所述永磁同步发电机6相连，所述蓄电池组9与所述充电控制器8相连并用于储存来自所述永磁同步发电机6的电量，通过所述逆变器10将所述蓄电池组9中的直流电转换为交流电供用户使用和/或供给本装置内部用电。
优选地，所述风动传动组件包括前端风轮4、后端风轮5、对风装置11，所述前端风轮4与所述后端风轮5分别位于机舱3的前后两端并均与所述永磁同步发电机6相配合连接，所述对风装置11固定在机舱上，所述前端风轮4、所述后端风轮5受风力后带动所述永磁同步发电机6的转子转动，所述前端风轮4与所述后端风轮5上的传动杆分别通过齿轮换向器或齿轮换向机构与一齿轮变速箱b17相连，各所述齿轮变速箱b17均与所述抽水***21相连。
优选地，所述对风装置11包含风向传感元件13、伺服电机14、齿轮变速箱a15和变速控制器a16，所述对风装置11可通过其上的风向传感器12及时对风向和风速进行检测，并通过带有控制器的伺服电机14、齿轮变速箱a15和变速控制器a16对机舱3的角度进行调节。
优选地，所述离合控制组件包括四个离合控制器19，分别配合在所述前端风轮4与所述永磁同步发电机6之间、所述后端风轮5与所述永磁同步发电机6之间、所述前端风轮4与对应的所述齿轮变速箱b17之间、所述后端风轮5与对应的所述齿轮变速箱b17之间，其中两个所述离合控制器19分别用于控制所述前端风轮4、所述后端风轮5的传动杆与所述永磁同步发电机6两端转子的离合，另外两个所述离合控制器19分别控制所述前端风轮4、所述后端风轮5的传动杆与两齿轮变速箱b17的离合，还包括位于塔架2底部外侧的离合控制开关20，所述离合控制开关20可通过电缆束7对离合控制器19进行远程离合控制。
优选地，所述离合控制器19包含摩擦片19a、从动片19b、减振器阻尼片19c、减振器弹簧19d、从动片毂19e、压盘19f、膜片弹簧19g、分离装置19h、电动传动杆19j。所述离合控制器19采用现象离合器结构，能够实现所需功能即可，再次只是展现一种离合器的结构形式。
优选地，通过离合控制开关20控制各个所述离合控制器19的工作与否，可以达到以下目的：前端风轮4和后端风轮5产生的机械能既可同时用来发电或同时用来抽水，也可一个用来发电另外一个用来抽水。
优选地，所述抽水***21包含两相对设置且其上端部均转动连接在抽水***21的壳体上的曲柄连杆机构22、活塞23、单向阀24、抽水管25、出水管26，两所述齿轮变速箱b17分别与抽水***21中的两所述曲柄连杆机构22相连，各所述曲柄连杆机构22的下端分别与位于抽水管25内部的各所述活塞23相连，在各所述活塞23以及所述抽水管25的底部均安装有单向阀24，各所述曲柄连杆机构22均可将旋转运动转变为上下往复的活塞运动，所述抽水管25通过上水管27与所述地热开采***31的出水端相连，两分别设置在所述抽水管25上端的所述出水管26分别与所述储水加热装置相连通。
优选地，各所述单向阀24可控制所述抽水管25内的气体只能向上运动，利用压井原理将水从上水管27抽上来，并经由出水管26流入高位储水箱29中。
优选地，所述储水加热装置包括高位储水箱29，所述高位储水箱29通过下水管28与所述地热开采***31的进水端相连，所述下水管28中部与进水口30相连，一位于高位储水箱29中的热力交换风机29a用于使高位储水箱29上部水位维持相对稳定的温度，该温水可通过高位储水箱29上部的出水口供用户作为生活用水使用。
通过进水口30可及时补充水源。
优选地，所述高位储水箱29中的水可利用其重力势能经由下水管28流入所述地热开采***31的高导热套管32中。
优选地，在进水口30、高位储水箱29、热力交换风机29a、下水管28、出水管26，抽水管25管路上均安装有流量计、控制阀、温度计及压力表等辅助控制及显示仪表，本图中不做表示。
优选地，所述地热开采***31包括位于塔架2的地面之下的U型地热井31、高导热套管32，所述高导热套管32位于U型地热井31内部，所述高导热套管32的进口端与所述下水管28下部相连、出口端与所述上水管27相连。
优选地，所述高导热套管32分为绝热段34和取热段36，所述高导热套管32在其绝热段34的外壁附有保温层35。
所述保温层35的作用是减少水流经过绝热段34时的热量损失。
优选地，在所述地热开采***31的出口端的地面上安装有一热量交换箱37，在所述的热量交换箱37上部安装有排气阀38。
优选地，所述热量交换箱37安装在上水管27的下端。
冷水经过高位储水箱29流入高导热套管32，然后经过绝热段进入取热段36，在取热段36吸收来自地热层的热量后变成热水，由风塔***1中活塞23作用于抽水管25的压井原理产生的吸力将热水向上升起，经过热量交换箱37时热量被交换储存起来用于供暖或其他商业用途。排气阀38位于热量交换箱37上部，取热段产生的蒸汽经由排气阀38排出。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明将风塔***与地热开采***结合起来，既能利用风塔***产生的电能，又能利用风塔***产生的机械能，自发地实现地热资源的开采，不需要提供辅助动力来维持***运行；且在***运行过程中，高导热套管中的水为封闭式循环，不与岩石接触，避免了环境污染的问题。
2、本发明中的前端风轮和后端风轮通过离合控制器的控制，产生的机械能既可同时用来发电或同时用来抽水，也可一个用来发电另外一个用来抽水，可控制地热的开采效率。
3、本发明中的前端风轮和后端风轮相比传统风力发电的单风轮对风能的利用更高。
4、本发明既可利用冷水来开采地热资源在冬天时进行供暖，又可在夏天时将高位储水中被太阳加热后的水循环至地下，将热量储存起来，增设热量存储、减少能量流失、提高能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部件一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部件并不一定按照实际的比例绘制。
图1风电地热联合开采***透视图。
图2风电地热联合开采***剖面图。
图3塔架剖切图。
图4抽水***放大图。
图5离合控制器放大图。
图6风电地热联合开采***正视图。
图7风电地热联合开采***侧视图。
图中，1、风塔***；2、塔架；3、机舱；4、前端风轮；5、后端风轮；6、永磁同步发电机；7、电缆束；8、充电控制器；9、蓄电池组；10、逆变器；11、对风装置；12、风向传感器；13、伺服电机；14、旋转支座；15、齿轮变速箱a；16、变速控制器a；17、齿轮变速箱b；18、变速控制器b；19、离合控制器；19a、摩擦片；19b、从动片；19c、减振器阻尼片；19d、减振器弹簧；19e、从动片毂；19f、压盘；19g、膜片弹簧；19h、分离装置；19j、电动传动杆；20、离合控制开关；21、抽水***；22、曲柄连杆机构；23、活塞；24、单向阀；25、抽水管；26、出水管；27、上水管；28、下水管；29、高位储水箱；29a、热力交换风机；30进水口；31、地热开采***；32、高导热套管；33、U型地热井；34、绝热段；35、保温层；36、取热段；37、热量交换箱；38、排气阀。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1-7中所示，风电地热联合开采***，包括风塔***1和设置在地面以下的地热开采***31，所述风塔***1包括固定在地面上的塔架2、设置在所述塔架2上的风电转化组件、实现风能利用的风动传动组件、抽水***21，所述风动传动组件分别通过离合控制组件的开启来控制与所述风电转化组件、所述抽水***21实现配合连接或分离，所述抽水***21与储水加热装置、所述地热开采***31配合形成地热开采循环线路，所述地热开采循环线路用于实现换热并将热量交换储存起来实现后续再利用。
优选地，所述风电转化组件包括机舱3、位于机舱3内部的永磁同步发电机6、充电控制器8、蓄电池组9、逆变器10，所述机舱3通过旋转支座14与所述塔架2相连，所述永磁同步发电机6与所述风动传动组件相配合，所述充电控制器8通过电缆束7与所述永磁同步发电机6相连，所述蓄电池组9与所述充电控制器8相连并用于储存来自所述永磁同步发电机6的电量，通过所述逆变器10将所述蓄电池组9中的直流电转换为交流电供用户使用和/或供给本装置内部各设备零件的用电，与本装置的各用电设备的线路连接属于现有技术，根据需要进行快速连接即可。
在前端风轮4、后端风轮5受到风力驱动时会实现转动，转动的过程中通过对风装置11可实现跟随风向调整其自身方向，提高风力利用率。
前端风轮4、后端风轮5会通过转动将风力转化为机械能，然后带动风电转化组件上的永磁同步发电机6的转子转动实现风力发电（具体风力发电原理和设备已非常成熟，为现有技术，在此不作赘述），并通过所述蓄电池组9与所述充电控制器8用于储存来自所述永磁同步发电机6的电量，等待后续利用。
优选地，所述风动传动组件包括前端风轮4、后端风轮5、对风装置11，所述前端风轮4与所述后端风轮5分别位于机舱3的前后两端并均与所述永磁同步发电机6相配合连接，所述对风装置11固定在机舱上，所述前端风轮4、所述后端风轮5受风力后带动所述永磁同步发电机6的转子转动，所述前端风轮4与所述后端风轮5上的传动杆分别通过齿轮换向器或齿轮换向机构（均采用现有的换向机构即可，不作为换向结构内部设计连接不作为本申请的创新点）与一齿轮变速箱b17相连，各所述齿轮变速箱b17均与所述抽水***21相连。
正常状态下，前端风轮4、后端风轮5转动会带动永磁同步发电机6工作，同时也会带动齿轮变速箱b17工作，进而电动抽水***21工作，通过各对应位置处配合安装的离合控制器19可以实现相配合的零件的配合与分离，离合控制器19的原理和作用属于本领域的技术人员熟知的，在此不再对其结构进行详细的描述，采用现象离合器结构，能够实现分离、结合的所需功能即可。
优选地，所述对风装置11包含风向传感元件13、伺服电机14、齿轮变速箱a15和变速控制器a16，所述对风装置11可通过其上的风向传感器12及时对风向和风速进行检测，并通过带有控制器的伺服电机14、齿轮变速箱a15和变速控制器a16对机舱3的角度进行调节，在进行检测后，具体控制角度调节的调节范围以及检测的角度偏移连接角度大小的设定有技术人员根据实际情况进行输入参数值设定，不作为创新点，具体参数值的设定不存在创新之处。
优选地，所述离合控制组件包括四个离合控制器19，分别配合在所述前端风轮4与所述永磁同步发电机6之间、所述后端风轮5与所述永磁同步发电机6之间、所述前端风轮4与对应的所述齿轮变速箱b17之间、所述后端风轮5与对应的所述齿轮变速箱b17之间，其中两个所述离合控制器19分别用于控制所述前端风轮4、所述后端风轮5的传动杆与所述永磁同步发电机6两端转子的离合，另外两个所述离合控制器19分别控制所述前端风轮4、所述后端风轮5的传动杆与两齿轮变速箱b17的离合，还包括位于塔架2底部外侧的离合控制开关20，所述离合控制开关20可通过电缆束7对离合控制器19进行远程离合控制，具体线路连接部分不存在创新点。
优选地，所述离合控制器19包含摩擦片19a、从动片19b、减振器阻尼片19c、减振器弹簧19d、从动片毂19e、压盘19f、膜片弹簧19g、分离装置19h、电动传动杆19j。所述离合控制器19可采用现象离合器结构，能够实现所需功能即可。
优选地，通过离合控制开关20控制各个所述离合控制器19的工作与否，可以达到以下目的：前端风轮4和后端风轮5产生的机械能既可同时用来发电或同时用来抽水，也可一个用来发电另外一个用来抽水。
可以根据需要来调节前端风轮4和后端风轮5用于抽水的情况，多种选择模式，当外界的换热需求量较大时可以选择前端风轮4和后端风轮5同时用于抽水，保证供求需要；当电能存储量较充足时，可以暂停发电，继续提高换热效率；同时根据季节性需求，当冬季，换热要求量较大时，可以选择充足的双抽水模式；当夏季用电高峰，用电量需求较大时，可以选择双轮发电模式，提高发电量；另外，在使用中的具体情况由工组人员进行自行组合、自行调节，模式多样、适应性更强。
优选地，所述抽水***21包含两相对设置且其上端部均转动连接在抽水***21的壳体上的曲柄连杆机构22、活塞23、单向阀24、抽水管25、出水管26，两所述齿轮变速箱b17分别与抽水***21中的两所述曲柄连杆机构22相连，各所述曲柄连杆机构22的下端分别与位于抽水管25内部的各所述活塞23相连，在各所述活塞23以及所述抽水管25的底部均安装有单向阀24，各所述曲柄连杆机构22均可将旋转运动转变为上下往复的活塞运动，所述抽水管25通过上水管27与所述地热开采***31的出水端相连，两分别设置在所述抽水管25上端的所述出水管26分别与所述储水加热装置相连通。
优选地，各所述单向阀24可控制所述抽水管25内的气体只能向上运动，利用压井原理将水从上水管27抽上来，并经由出水管26流入高位储水箱29中。
优选地，所述储水加热装置包括高位储水箱29，所述高位储水箱29通过下水管28与所述地热开采***31的进水端相连，所述下水管28中部与进水口30相连，一位于高位储水箱29中的热力交换风机29a用于使高位储水箱29上部水位维持相对稳定的温度，该温水可通过高位储水箱29上部的出水口供用户作为生活用水使用。
通过进水口30可及时补充水源。
优选地，所述高位储水箱29中的水可利用其重力势能经由下水管28流入所述地热开采***31的高导热套管32中。
优选地，在进水口30、高位储水箱29、热力交换风机29a、下水管28、出水管26，抽水管25管路上均安装有流量计、控制阀、温度计及压力表等辅助控制及显示仪表，本图中不做表示。
优选地，所述地热开采***31包括位于塔架2的地面之下的U型地热井31、高导热套管32，所述高导热套管32位于U型地热井31内部，所述高导热套管32的进口端与所述下水管28下部相连、出口端与所述上水管27相连。
优选地，所述高导热套管32分为绝热段34和取热段36，所述高导热套管32在其绝热段34的外壁附有保温层35。
所述保温层35的作用是减少水流经过绝热段34时的热量损失。
优选地，在所述地热开采***31的出口端的地面上安装有一热量交换箱37，在所述的热量交换箱37上部安装有排气阀38。
优选地，所述热量交换箱37安装在上水管27的下端。
在进行地热换热开采时：
冷水经过高位储水箱29流入高导热套管32，然后经过绝热段进入取热段36，在取热段36吸收来自地热层的热量后变成热水，由风塔***1中活塞23作用于抽水管25的压井原理产生的吸力将热水向上升起，经过热量交换箱37时热量被交换储存起来用于供暖或其他商业用途。排气阀38位于热量交换箱37上部，取热段产生的蒸汽经由排气阀38排出。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中；对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.风电地热联合开采***，其特征在于：包括风塔***（1）和设置在地面以下的地热开采***（31），所述风塔***（1）包括固定在地面上的塔架（2）、设置在所述塔架（2）上的风电转化组件、实现风能利用的风动传动组件、抽水***（21），所述风动传动组件分别通过离合控制组件的开启来控制与所述风电转化组件、所述抽水***（21）实现配合连接或分离，所述抽水***（21）与储水加热装置、所述地热开采***（31）配合形成地热开采循环线路，所述地热开采循环线路用于实现换热并将热量交换储存起来实现后续再利用。
2.根据权利要求1所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述风电转化组件包括机舱（3）、位于机舱（3）内部的永磁同步发电机（6）、充电控制器（8）、蓄电池组（9）、逆变器（10），所述机舱（3）通过旋转支座（14）与所述塔架（2）相连，所述永磁同步发电机（6）与所述风动传动组件相配合，所述充电控制器（8）通过电缆束（7）与所述永磁同步发电机（6）相连，所述蓄电池组（9）与所述充电控制器（8）相连并用于储存来自所述永磁同步发电机（6）的电量，通过所述逆变器（10）将所述蓄电池组（9）中的直流电转换为交流电供用户使用和/或供给本装置内部用电。
3.根据权利要求2所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述风动传动组件包括前端风轮（4）、后端风轮（5）、对风装置（11），所述前端风轮（4）与所述后端风轮（5）分别位于机舱（3）的前后两端并均与所述永磁同步发电机（6）相配合连接，所述对风装置（11）固定在机舱上，所述前端风轮（4）、所述后端风轮（5）受风力后带动所述永磁同步发电机（6）的转子转动，所述前端风轮（4）与所述后端风轮（5）上的传动杆分别通过齿轮换向器或齿轮换向机构与一齿轮变速箱b（17）相连，各所述齿轮变速箱b（17）均与所述抽水***（21）相连。
4.根据权利要求3所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述离合控制组件包括四个离合控制器（19），分别配合在所述前端风轮（4）与所述永磁同步发电机（6）之间、所述后端风轮（5）与所述永磁同步发电机（6）之间、所述前端风轮（4）与对应的所述齿轮变速箱b（17）之间、所述后端风轮（5）与对应的所述齿轮变速箱b（17）之间，其中两个所述离合控制器（19）分别用于控制所述前端风轮（4）、所述后端风轮（5）的传动杆与所述永磁同步发电机（6）两端转子的离合，另外两个所述离合控制器（19）分别控制所述前端风轮（4）、所述后端风轮（5）的传动杆与两齿轮变速箱b（17）的离合，还包括位于塔架（2）底部外侧的离合控制开关（20），所述离合控制开关（20）可通过电缆束（7）对离合控制器（19）进行远程离合控制。
5.根据权利要求3所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述抽水***（21）包含两相对设置且其上端部均转动连接在抽水***（21）的壳体上的曲柄连杆机构（22）、活塞（23）、单向阀（24）、抽水管（25）、出水管（26），两所述齿轮变速箱b（17）分别与抽水***（21）中的两所述曲柄连杆机构（22）相连，各所述曲柄连杆机构（22）的下端分别与位于抽水管（25）内部的各所述活塞（23）相连，在各所述活塞（23）以及所述抽水管（25）的底部均安装有单向阀（24），各所述曲柄连杆机构（22）均可将旋转运动转变为上下往复的活塞运动，所述抽水管（25）通过上水管（27）与所述地热开采***（31）的出水端相连，两分别设置在所述抽水管（25）上端的所述出水管（26）分别与所述储水加热装置相连通。
6.根据权利要求5所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述储水加热装置包括高位储水箱（29），所述高位储水箱（29）通过下水管（28）与所述地热开采***（31）的进水端相连，所述下水管（28）中部与进水口（30）相连，一位于高位储水箱（29）中的热力交换风机（29a）用于使高位储水箱（29）上部水位维持相对稳定的温度，该温水可通过高位储水箱（29）上部的出水口供用户作为生活用水使用。
7.根据权利要求1所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述地热开采***（31）包括位于塔架（2）的地面之下的U型地热井（31）、高导热套管（32），所述高导热套管（32）位于U型地热井（31）内部，所述高导热套管（32）的进口端与所述下水管（28）下部相连、出口端与所述上水管（27）相连。
8.根据权利要求7所述的风电地热联合开采***，其特征在于：所述高导热套管（32）分为绝热段（34）和取热段（36），所述高导热套管（32）在其绝热段（34）的外壁附有保温层（35）。
9.根据权利要求1所述的风电地热联合开采***，其特征在于：在所述地热开采***（31）的出口端的地面上安装有一热量交换箱（37），在所述的热量交换箱（37）上部安装有排气阀（38）。
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