CN102287963A

CN102287963A - 储能式风能发电制冷制热系统

Info

Publication number: CN102287963A
Application number: CN2010102018637A
Authority: CN
Inventors: 王正德
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明系提供一种储能式风能发电制冷制热系统，主要是利用风能转换成机械能带动空气压缩系统，将高压气体储存于气瓶中，再经由气体驱动马达带动发电机发电，无最低工作风速的限制，亦无最高过载风速的问题，且不使用蓄电池组蓄电，无汰换蓄电池的成本费用及废弃蓄电池造成二次污染的环保问题，同时在其空气压缩系统压缩气体时，将可形成加压供热作用，以供应热水器、电炉或室内暖气系统所需热能，而在其输出气体驱动马达带动发电机发电时，则可形成降压供冷作用，以供应室内冷气系统所需冷源，据此达到一体多用途之经济效益，不但可供应预期所需之电力，更能减少热水器、电炉、以及冷、暖气机等大耗电量电器的使用，确深具产业利用性与实用价值。

Description

储能式风能发电制冷制热系统

技术领域

本发明系关于一种储能式风能发电制冷制热系统，其主要是以风力作为动力源，将之转换成机械能带动空气压缩系统，将高压气体储存于储能气瓶中，待欲用电时，再将储能气瓶内的气体输出驱动马达带动发电机发电供应所需，并在其压缩气体及气体输出时，可分别产生加压供热降压供冷作用，以提供热水器、电炉、以及冷、暖气系统所需之热能或冷源。

背景技术

相较于核能发电、火力发电及水力发电等方式所存在的安全疑虑及环保问题，风力发电无疑是一种更安全且不破坏环境之虞的较佳选择，尤其是因为核能、火力发电的需求而大量开采石油、燃气、煤矿等自然资源，不仅造成自然环境的破坏与地球的暖化效应，更面临了能源危机问题，是以风能等绿色能源乃逐渐受到重视，成为欧美等先进国家积极开发研究之标的。

以目前风能发电系统的种类区分，大致可分为独立型、混合型、以及并联型三种类型，略加以介绍说明如下：

1.独立型系统(小型风能发电机)，请配合参阅图1所示，其主要是将风能转换成机械能带动风能发电机10运转而输出直流电，经整流器11将直流电转换成稳定的电压供应直流负载12使用，或将直流电再经由逆变器14转换成交流电供应给交流负载15使用，或是将之储存于蓄电池组13备用，使其在无风时，得以将蓄电池组13所储存的直流电经逆变器14转换成交流电，供应交流负载15所需电力，由于其输出功率受到风速强度与环境因素等影响，因此系统必须设置较大容量的蓄电池组13作为辅助电源以调节风力变化所需。

2.混合型系统(中型风能发电机)，请配合参阅图2所示，其基本上仍是利用风能发电机20输出交流电，经整流器21转换成稳定的电压后，直接供应直流负载22使用，或是将之储存于蓄电池组23，或是通过逆变器24将之转换成交流电供应交流负载25所需，而与前述独立型系统不同之处，乃在于其增设有辅助发电机或太阳能发电等辅助发电装置26，利用辅助发电装置26所产生的交、直流电，可透过切换器27的切换而直接供应交流负载25，或者可将辅助发电装置26所产生的交流电经另一整流器28转换成稳定的电压力而储存于蓄电池23备用，在此一系统中，因为有辅助发电装置26，所以蓄电池组容量可以减半设计。

3.并联型系统(大型风能发电机)，请参阅图3所示，是目前风力发电中应用最为广泛的系统，其系统中设有切换器34作为自动转换，在有风的情况下，利用风能发电机30输出交流电，并经整流器31转换成稳定的直流电，再经逆变器32转换成交流电供应交流负载33使用，而在风小或无风时，则以并联之市电网路35供电，藉以使电力供应能持续稳定，也是各系统中唯一可以不使用蓄电池组且能与市电并网的风能发电系统。

由上述说明，可知在现有的各种风能发电系统中，除了并联型风能发电系统以外、独立型风能发电系统与混合型风能发电系统，均需要使用蓄电池组储存电能，以作为辅助电源，以便调节风力变化导致发电不稳定时的供电所需，一般而言，风能发电机的输出效率约在20％～40％之间，而受限于蓄电池组的使用寿命因素，其储能的效率会逐日下降，同时也会造成风力发电效率逐日降低，所以必须在一定限期内汰换蓄电池组，如此一来，势将衍生蓄电池组的汰换成本与费用，相对地将增加风能发电的成本，且废弃蓄电池也会对环境造成二次污染，尚难真正达到绿色能源的目标。

再者，此类风能发电系统因系仰赖风作为动力，故只有在风速到达一定值(约3～4m/s)以上，才能进行发电，而一旦风速高于一定值(20m/s)以上，则可能造成风能发电机烧毁，换言之，即现有的风能发电系统，必须局限在一定范围内的风速下运作，风速过小将无法发电，而风速过大则可能造成设备的毁损，诚为其实际运作上所亟待解决、突破的重要课题。

发明内容

有鉴于现有风能发电系统所存在的风速局限及蓄电池组的汰换问题，本发明提出一种储能式风能发电制冷制热系统，其舍弃习知风能转换成机械能直接掣动发电机进行发电的模式，而改以风能转换为机械能掣控空气压缩系统将高压气体储存于储能气瓶中，再利用储能气瓶输出气体带动发电机进行发电供应交、直流负载的供电模式，以便能免除蓄电池组的使用，有效解决其汰换费用及衍生的环保问题，同时在风速的运用上将可不受最低及最高风速限制，使其能有效地运用风能，达极佳的产业经济效益与实用价值。

本发明的另一目的在于经由其风能转换为机械能传动空气压缩系统压缩空气，再利用气压驱动发电机发电的运作模式，使其在空气压缩机将气体加压储存于储能气瓶时，得以形成加压供热作用，藉以提供电热水器、电炉或室内暖气系统使用，据此得以减省用电量，达极佳的实用经济效益。

本发明的又一目的在于经由其风能转换为机械能传动空气压缩系统压缩空气，再利用气压驱动发电机发电的运作模式，使其在储能气瓶的气体输出驱动发电机时，得以形成降压供冷作用，藉以提供冷气机或室内空调系统使用，以减省用电量，达极佳的实用经济效益。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种储能式风能发电制冷制热系统，其主要包含：

一风能机，受风力推动，用以将风能转换为机械能，以掣动压缩机；

一压缩机，受风能机所掣动，用以将气体压缩储存于储能器内部；

至少一个储能器，用以储存压缩机所压缩的高压气体，并可输出气体以掣动发电机；

一发电机，系由气动马达与交流发电马达所构成，气动马达受储能器所输出的气体驱动，再由气动马达带动交流发电机运转发电；

一加压供热系统，内含有液能/空能转换器，用以配合压缩机将液压转换为气压储存于储能器，并可由其气体输出口产生热能以供应热源；

一降压供冷系统，系配管连接于前述储能器与发电机之后，可储存该储能器输出气体驱动发电机的低温以供应冷源；

据此，构成一种将风能转换为气压储存再行驱动发电机之间接风能发电模式，并在其过程中兼具有制冷及制热功能的系统。

本发明的优点在于：本发明将风能转换为机械能掣动压缩机配合液能空能转换器将气体加压储存于储能器的高压气瓶内，再经由高压气瓶内的气体输出驱动马达带动发电机运转，达到预期的发电功能，且其所产生的电压及电流稳定，可直接供应交、直流负载使用，且在其储能及发电过程中，可分别产生制热及制冷的能力，使其兼具有供应热水器、冷气机或室内冷、暖气系统所需冷、热源的能力，进一步降低其用电量，具有发电及节能双效合一的产业经济效益与实用价值。

附图说明

图1为习知独立型风能发电系统之系统方块示意图。

图2为习知混合型风能发电系统之系统方块示意图。

图3为习知并联型风能发电系统之系统方块示意图。

图4为本发明风能发电制冷制热系统之系统方块示意图。

图5为本发明风能发电制冷制热系统之系统结构简示图。

图6为本发明风能发电制冷制热系统之系统配置示意图。

元件符号说明

10风能发电机 11整流器 12直流负载 13蓄电池组

14逆变器 15交流负载 20风能发电机 21整流器

22直流负载 23蓄电池组 24逆变器 25交流负载

26辅助发电装置 27切换器 28整流器 30风能发电机

31整流器 32逆变器 33交流负载 34切换器

35市电网路 40风能机 401叶片 41压缩机

42储能器 421高压气瓶 422高压气瓶 43发电机

431气动马达 432交流发电马达 44加压供热系统 441液能/空能转换器

45降压供冷系统 46直流负载 47交流负载

具体实施方式

图4的系统方块示意图、图5的系统结构简示图及图6的系统配置示意图为本发明的较佳实施例，如图所示，本发明在设计上，主要设有一风能机40、一压缩机41、一储能器42、以及一发电机43所组成，并在压缩机41处可外接加压供热系统44，而在储能器42及发电机43处则可外接降压供冷系统45，另外该发电机43所产生的电力可直接供应直流负载46及交流负载47。其中：

风能机40是用以将风能转换为机械能的装置，其可由采用水平或垂直型态组列的多数叶片401(图中所示为垂直组态)所构成，其转轴(未标号)可直接或间接传动压缩机41，藉以将气体加压储存于储能器42内，而为取得良好的风能效果，该风能机40可采用一定高度以上的设置，以取得较佳的受风环境；

压缩机41可为自动变量的压缩机，其受风能机40的转轴所掣动，且随其风速的大小而得以自动调变其压缩效率，亦即无论风速大小，均可以掣动该压缩机41将气体加压储存于储能器42内部或高压气瓶(外加储能器)421、422内；

储能器42可视需要作预定容量设制(其型体可搭配风能机的架高设置需求而作预定高度之柱型设计)，亦可外加数个高压气瓶421、422连结构成所需储存量，利用该储能器42的柱型高度作为风能机40的架高设置；

发电机43包括一气动马达431及一交流发电马达432，该气动马达431受储能器42输出的气压所驱动，再由该气动马达431传动交流发电马达432进行发电，因其是以储能器42输出的气体作为动力来源，而非以风力直接掣动发电，所以电力输出稳定，其产生的交流电可直接供应交流负载47，或经转换后供应直流负载46使用；

加压供热系统44可为具冷热交换功能之热水储存筒，其内部置设有液能/空能转换器441，其连接于前述压缩机41，藉以配合压缩机41转换为气压储存于前述储能器42内，其液能/空能转换器441的气体出口温度可达80～180℃，此一高温热能可加以接引运用而取代太阳能或一般热水器及室内暖气系统；

降压供冷系统45可为具冷热交换功能的冰水储存筒，其直接配管连接于前述储能器42与发电机43之间，藉以在储能器42的输出气体降压驱动发电机43时，其出口温度可达-40～-60℃，此一低温冷源加以接引运用于冷气机或室内空调系统；

据此，经由上揭功能架构组成的本发明风能发电制冷制热系统运用于一般住宅时，乃得视用电量或其季节风向的差异，于其适当位置制设一组或一组以上的风能机40及压缩机41，并将之分别连加于高压供热系统44之液能/空能转换器441，藉以将气体加压储存于储能器42内，其储能器42的数目可视实际需求而增减，再将储能器42与发电机43连结，如此构成完整的系统回路，当有风时(无论风速高低)，可利用风能驱动风能机40而将之转换为机械能，藉以驱动压缩机41配合液能/空能转换器441将液压转换为气压而储存于预设的储能器42内，待欲使用电力时，再将储能器42的气压降压输出而驱动发电机43运转，进而产生电力供应各种电器所需，达到预期的风能发电功能，且在其将液压转换为气压的过程中，乃得产生加压供热作用，以供应热水器、电炉或室内暖气系统、温水游泳池、三温暖所需的热能，而在其气压降压输出时，则可产生降压供冷作用，以供应冷气机或室内空调所需，如此一来，不但得以达到利用风能发电的经济效益，更因其过程中兼具了制热及制冷的功能，可供应诸如热水器、电炉、冷气机及室内冷、暖气系统等耗电量较大的电器使用，从而可相对节省其用电量，达发电及节能双效合一的产业经济效益与实用价值。

归纳本发明储能式风能发电制冷制热系统的性能，乃具有以下竞争优势：

1.没有最低风速限制，所以微风也可以储能用来发电；

2.不使用蓄电池，所以没有蓄电池效率降低及汰换储能配件造成的成本及二次污染问题；

3.风力充足的情况下，其制热能力得以取代太阳能热水气、电炉或室内暖气系统；

4.只要储能器有气，其制冷能力就能持续为室内提供冷气；

5.可轻易提升其储能容量，不会有蓄电池寿命问题而造成发电成本增加；

6.采用气体驱动马达带动发电机发电，电压电流稳定；

7.能随用电量自动调整发电负载，不浪费储存的能源；

8.提升储能容量简单，所以发电时间几乎没有限制；

9.不使用蓄电池储能，所以没有高温或低温导致蓄电池效率降低问题；

10.因为没有最低风速限制，所以架设选址几乎没有风速风向问题；

总结以上说明，可知本发明在利用风能进行发电的设计上，乃舍弃习知直接驱动发电机进行发电的设计，而是改以将风能转换为机械能掣动压缩机配合液能空能转换器将气体加压储存于储能器的高压气瓶内，再经由高压气瓶内的气体输出驱动马达带动发电机运转，达到预期的发电功能，且其所产生的电压及电流稳定，可直接供应交、直流负载使用，且在其储能及发电过程中，可分别产生制热及制冷的能力，使其兼具有供应热水器、冷气机或室内冷、暖气系统所需冷、热源的能力，进一步降低其用电量，达发电及节能双效合一的产业经济效益与实用价值，整体而言，诚不失为一优异、突出的创新设计，爰依法提出专利申请。

Claims

1.一种储能式风能发电制冷制热系统，其特征在于主要包含：

2.如权利要求1所述的储能式风能发电制冷制热系统，其特征在于：

所述风能机采用水平或垂直型态组列的多数叶片构成，其转轴可直接或间接传动压缩机。

3.如权利要求1所述的储能式风能发电制冷制热系统，其特征在于：

所述储能器由至少一个以上的高压气瓶所构成。

4.如权利要求1所述的储能式风能发电制冷制热系统，，其特征在于：

所述储能器制成柱型体状，该柱型体可作为风能机的架高设置者。

5.如权利要求1所述的储能式风能发电制冷制热系统，，其特征在于：

所述加压供热系统为具冷热交换功能的热水储存筒，其内部置设有液能/空能转换器。

6.如权利要求1所述的储能式风能发电制冷制热系统，，其特征在于：

所述降压供冷系统为具冷热交换功能的冰水储存筒。

7.一种储能式风能发电系统，其特征在于主要包含：

至少一个储能器，用以储存压缩机所压缩之高压气体，并输出气体以掣动发电机；

一发电机，由气动马达与交流发电马达所构成，气动马达受储能器所输出的气体驱动，再由气动马达带动交流发电机运转发电；

据此，构成一种将风能转换为气压储存再行驱动发电机的间接风能发电系统。