CN105531918A - 风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种风力发电系统(1)包括：风车(10)；感应旋转机(20)，其联接到风车(10)的旋转轴；电力转换装置(30)，其将励磁电流供应到感应旋转机(20)；热介质流通结构(40)，其使得接收感应旋转机(20)所产生的热量的热介质得以流通；蓄热器(50)，其蓄积热介质的热量；热力发电机(60)，其将蓄热器(50)中所蓄积的热介质的热量转换为电力；以及电枢控制单元，其根据电力系统(100)的电力需求来控制励磁电流。电枢控制单元执行发电模式控制与发热模式控制中的一者或两者，在发电模式控制中，感应旋转机(20)作为发电机来操作，在发热模式控制中，感应旋转机(20)作为发热机来操作。

Description

风力发电系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统。明确地说，本发明涉及一种这样的风力发电系统，其中，所述风力发电系统可通过使用风力来利用电力与热力两种方式产生电力，可根据电力需求而控制所产生的电力，且可有效地利用风能。
背景技术
近年来，使用可再生能源的发电系统已引起为人所注意。作为这些发电系统之一，风力发电系统已为人所知，其中风力发电系统使用发电机而将风车的旋转能量转换为电能。此外，最近，已提出风力热力发电系统，其中，由发热机将风车的旋转能量转换为热能，且热能转换为电能，发热机通过感应加热(涡流)而发热，(例如，参见第2011-102576号日本专利特开(专利文献1)和第2012-43728号日本专利特开(专利文献2))。
此外，举例来说，第2003-120505号日本专利特开(专利文献3)和第2004-63930号日本专利特开(专利文献4)提出一种改进发电效率的技术和一种在使用可再生能源的发电系统中有效地利用所产生的电力的技术。专利文献3提出通过以下方式来提高风力发电装置的效率的技术：在风力发电装置中，使用因发电机(该发电机经由轴联接到风车)的损耗所致的余热来驱动涡轮机，且从发电机(该发电机经由轴而联接到涡轮机)回收电力作为所产生的电力。另一方面，专利文献4提出一种按以下方式在使用自然能源的发电系统中将所产生的电力有效地用作热能的技术：发电装置(光伏发电或风力发电)所产生的过量电力由热电主体转换为热，且热量蓄积在集热装置(电热水器)中。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：第2011-102576号日本专利特开
专利文献2：第2012-43728号日本专利特开
专利文献3：第2003-120505号日本专利特开
专利文献4：第2004-63930号日本专利特开
发明内容
技术问题
此风力发电系统将作为一种自然现象的风用作动力源，因此无法稳定地产生电力。此外，风力发电系统所产生的电力与电力需求无关，因此无法根据电力需求来控制所产生的电力。也就是说，风力发电系统具有诸多缺点，以至于在高电力需求时无法产生电力，因此无法进行供应，而在低电力需求时，由于所产生的电力量超过需求而产生过量电力。因此，需要备用系统以在电力系统中维持需求与供应之间的平衡，且此备用系统的实例如下：过量电力存储在蓄电池中，且在电力短缺的情况下从蓄电池供应；通过将风力发电系统与火力发电设施结合来调整所产生的电力的波动。然而，蓄电池价格高昂，因此经济性不高。另一方面，火力发电设施需要始终待用，以使得火力发电设施可立即启动，且在待用期间消耗煤炭且排放CO2。
专利文献1和2中的每一个中所描述的风力热力发电系统能够在蓄热器中蓄积发热机所产生的热量，且能够使用热量来产生电力。因此，可在没有昂贵蓄电池的情况下根据电力需求供应电力。然而，此风力热力发电系统将风车的旋转能量转换为热能，接着将热能转换为电能，因此，相比风车的旋转能量直接转换为电能的常规风力发电系统，其发电效率较低。此外，必须从头开始设计其中所包含的发电机，这可导致成本的增加。
另一方面，第2003-120505号日本专利特开中所描述的技术针对于通过以下方式来提高风力发电装置的发电效率：使用因发电机的损耗所致的余热来产生电力且回收所产生的电力。此外，第2004-63930号日本专利特开中所描述的技术针对于通过以下方式来将所产生的电力有效地用作热能：将按照惯例倾卸的过量电力转换为热量、存储热量且将其作为热利用。然而，这些技术都没有实现稳定的电力供应，且都没有促成电力系统中的稳定化。
已根据上文所述的情况而做出本发明，本发明的一个目标在于提供一种风力发电系统，其中该风力发电系统可通过使用风力来利用电力与热量两种方式产生电力，可根据电力需求而控制所产生的电力，且可有效地利用风能。
问题的解决方案
本申请的风力发电系统包含风车、感应旋转机、电力转换装置、热介质流通结构、蓄热器、热力发电机以及电枢控制单元。感应旋转机联接到风车的旋转轴。电力转换装置被构造成将励磁电流供应到感应旋转机。热介质流通结构被构造成使得热介质得以流通，以接收由所述感应旋转机产生的热量。蓄热器被构造成对在所述热介质流通结构中流通的所述热介质的热量进行蓄积。热力发电机被构造成将所述蓄热器中所蓄积的所述热介质的热量转换为电力。电枢控制单元被构造成根据电力系统的电力需求来控制励磁电流。电枢控制单元被构造成执行发电模式控制和发热模式控制中的一者或两者，在所述发电模式控制中，通过如下控制来使得所述感应旋转机作为发电机进行工作：将来自所述电力系统的无功电流作为所述励磁电流进行供应；在所述发热模式控制中，通过如下控制来使得所述感应旋转机作为发热机进行工作：将转矩电流作为所述励磁电流进行供应，所述转矩电流导致产生负载转矩的滑移。
本发明的有利效果
风力发电系统可通过使用风力来利用电力与热量两种方式产生电力，可根据电力需求而控制将产生的电力，且可有效地利用风能。
附图说明
图1是示出本发明的风力发电系统的示例性整体构造的示意图。
图2是示出第一实施例中的感应旋转机的示例性构造的示意图。
图3是示出电枢中的电枢线圈的示例性连接的说明图。
图4是示出在感应旋转机作为发电机来操作的情况下的示例性励磁电流的说明图。
图5是示出在感应旋转机作为发电机与发热机两者来操作的情况下的示例性励磁电流的说明图。
图6是示出修改1中的场磁体的构造的示意图。
图7是示出典型感应旋转机的示例性速度-转矩特性的说明图。
具体实施方式
本发明者设想在风力发电系统中使用现有感应旋转机(感应发电机)，且设计感应旋转机的励磁方法，以便将一个感应旋转机作为正常发电机和发热机来操作。基于此理念，本发明者发现可根据电力需求来控制将产生的电力，且可通过根据电力需求将感应旋转机用作发电机或发热机来最有效地利用风能，因此完成本申请的风力发电系统。
【本发明的实施例的描述】
首先，列举且描述本发明的实施例。
(1)根据实施例的风力发电系统包含：风车；感应旋转机；电力转换装置；热介质流通结构；蓄热器；热力发电机；以及电枢控制单元。感应旋转机联接到风车的旋转轴。电力转换装置被构造成将励磁电流供应到感应旋转机。热介质流通结构被构造成使得热介质得以流通，以接收由所述感应旋转机产生的热量。蓄热器被构造成对在所述热介质流通结构中流通的所述热介质的热量进行蓄积。热力发电机被构造成将所述蓄热器中所蓄积的所述热介质的热量转换为电力。电枢控制单元被构造成根据电力系统的电力需求来控制励磁电流。电枢控制单元被构造成执行发电模式控制和发热模式控制中的一者或两者，在所述发电模式控制中，通过如下控制来使得所述感应旋转机作为发电机进行工作：将来自所述电力系统的无功电流作为所述励磁电流进行供应；在所述发热模式控制中，通过如下控制来使得所述感应旋转机作为发热机进行工作：将转矩电流作为所述励磁电流进行供应，所述转矩电流导致产生负载转矩的滑移。
根据该风力发电系统，感应旋转机可通过电枢控制单元作为发电机、发热机或两者来操作，进而获得稳定的电力供应。举例来说，当电力系统的电力需求处于峰值且风车通过接收风力来旋转时，感应旋转机作为正常发电机来操作，进而电力可从感应旋转机供应。通过将感应旋转机作为发电机来操作，如同常规风力发电系统中所使用的感应发电机，风车的旋转能量直接转换为电能，进而相比风力热力发电系统，获得较高发电效率和较大量的所产生的电力。另一方面，当电力系统的电力需求处于非峰值且风车通过接收风力来旋转时，感应旋转机作为发热机来操作，结果是感应旋转机所产生的热量可经由热介质流通结构而蓄积在蓄热器中。
此处，在该实施例的风力发电系统中，流至感应旋转机(感应发电机)的励磁电流以不同于常规控制的方式受到控制，进而强制性提供阻碍感应旋转机的旋转的负载转矩，以增加所产生的热量。具体来说，例如，通过将直流电作为励磁电流来施加，虽然假设在正常状态(发电模式)期间从电力系统(商用电源)施加无功电流(商用三相交流电)，但出现了与启动感应旋转机时相同的情形，进而提供与启动转矩一样大的负载转矩。此外，当感应旋转机还作为发电机操作以直接获得电力时，商用三相交流电和直流电可叠加施加。
此外，当电力系统的电力需求处于峰值但风车不旋转时，热力发电机(例如，涡轮发电机)可使用蓄热器中所蓄积的热量而产生电力，进而电力可从热力发电机供应。此外，感应旋转机所产生的电力的波动可由热力发电机调整。
也就是说，在该实施例的风力发电系统中，在需要电力时，感应旋转机作为具有高发电效率的发电机来操作，进而获得有效的发电。另一方面，当不需要电力时，感应旋转机可作为发热机来操作，且热量可蓄积在蓄热器中。接着，当需要电力时，热力发电机可使用蓄热器中所蓄积的热量而产生电力。因此，该实施例的风力发电系统可根据电力需求控制产生的电力，结果是可最有效地利用风能。
此外，在该实施例的风力发电系统中，通过向感应旋转机供应包含无功电流分量和转矩电流分量的励磁电流，感应旋转机还可作为发电机与发热机两者来操作。因此，还可控制感应旋转机的所产生的电量和所产生的热量。举例来说，当不需要如此多的电力时，通过感应旋转机，风车的旋转能量的一部分可作为电能来获得，且剩余部分可作为热能来获得。
同时，在常规风力发电系统中，无法获得大于发电机的容量(额定输出)的输出。当超过额定风速时，风车受到控制以通过桨距控制等而在一定程度上避开风。也就是说，在强风的情况下，将避开风能。另一方面，在该实施例的风力发电系统中，可在将感应旋转机作为发电机来操作的同时，将感应旋转机作为发热机来操作，且在强风的情况下，由感应旋转机执行电力的产生与热量的产生，进而获得大于发电机的额定输出的输出。因此，可最大地回收能量，而不徒劳地错过风能。此外，使用风速范围变宽，结果是还可使安全风速较高。
此外，在该实施例的风力发电系统中，已产生热量的感应旋转机可通过使用热介质流通结构而使热介质流通来得以冷却，进而防止感应旋转机被烧坏。
应注意，感应旋转机还称为“感应电机”，其为感应发电机和感应电动机的通用术语。在该实施例的风力发电系统中，感应发电机(感应电动机)的现有技术用于感应旋转机，进而可便宜地且简单地构造感应旋转机。感应旋转机的一个实例是密闭式电动机。通常，此感应旋转机包含：具有场核心的场磁体和设置在场核心周围的场导体；以及电枢，其被设置成以一定间隔设置在电枢与场磁体之间，且具有含有面向场磁体的凸极的电枢核心和缠绕在凸极周围的电枢线圈。感应旋转机具有如下结构：场磁体和电枢中的一者充当联接到风车的旋转轴的转子，且另一者充当定子。此外，感应旋转机包含：在外部被供应励磁电流的初级侧电枢线圈；以及未电连接到外侧且两端短路的次级侧导体(例如，鼠笼形导体)。此处，因为此次级侧实质上充当场磁体，所以次级侧将称为“场磁体”，且次级侧的核心和导体将分别称为“场核心”和“场导体”。
(2)作为该实施例的风力发电系统的一种模式，可使用如下构造：在发热模式控制中，所述电枢控制单元将所述转矩电流控制为直流电或交流电。
图7示出典型感应旋转机的示例性速度-转矩特性，且水平轴线表示旋转速度，且垂直轴线表示转矩。如图7所示，通常，在感应旋转机中，启动转矩大于输出额定输出时的额定转矩。此外，感应旋转机的输出与旋转速度(旋转次数)与转矩的乘积成比例。当感应旋转机(转子)根据风车的旋转而以额定旋转速度(额定旋转次数)旋转且励磁电流由电枢控制单元控制以将直流电作为转矩电流供应时，电枢中所产生的磁场的旋转速度变为0，进而导致与被称为“动态制动”的现象具有相同的原理的现象。假设转子是固定的，且定子相对旋转，那么滑移变为100％，这是与启动感应旋转机时的状态相同的状态。因此，获得与启动转矩一样大的负载转矩，且通过热的产生来消耗负载转矩的功(输出)。也就是说，通过将直流电施加到感应旋转机(电枢线圈)，可获得与启动转矩一样大的转矩，且因此感应旋转机的损耗增加，进而增加所产生的热的量。应注意，在此情况下，感应旋转机以大于额定转矩的转矩操作，因此获得大于发电机的额定输出的功(输出)。此外，只要转矩电流导致产生大于额定转矩的负载转矩的滑移，直流电和交流电都可作为转矩电流来施加。
(3)作为该实施例的风力发电系统的一种模式，可使用如下构造：在发热模式控制中，所述电枢控制单元将所述转矩电流控制为交流电，所述交流电具有允许从额定转矩至停转转矩的频率。
如图7所示，从额定转矩到停转转矩的转矩大于额定转矩。明确地说，停转转矩是可由感应旋转机输出的最大转矩，且大于额定转矩和启动转矩。此外，当感应旋转机(转子)根据风车的旋转以额定旋转速度(额定旋转次数)旋转时，励磁电流由电枢控制单元控制，以将具有实现使负载转矩与额定转矩一样大的滑移的频率的交流电作为转矩电流供应到停转转矩，进而获得大于额定转矩的功(输出)。具体地说，当供应具有实现停转转矩的频率的交流电时，可获得较大的功(输出)。具体来说，通过作为具有实现导致停转转矩的滑移的频率的交流电来控制且调整电枢中所产生的磁场的旋转速度，获得了与停转转矩一样大的负载转矩，结果是其功(输出)通过热的产生来消耗。因此，感应旋转机的损耗进一步增加，进而进一步增加所产生的热的量。
(4)作为该实施例的风力发电系统的一种模式，可使用如下构造：风力发电系统包含隔热容器，该隔热容器容纳感应旋转机，其中，所述热介质流通结构使得所述热介质在所述隔热容器中流通。
根据该构造，感应旋转机所产生的热量可由热介质回收，而不损失热量。此外，即使在产生热量的场磁体充当转子时，场磁体所产生的热量也可容易地转递到热介质。
(5)作为该实施例的风力发电系统的一种模式，可使用如下构造：风力发电系统包含电力控制单元，所述电力控制单元被构造成根据所述电力系统的电力需求来控制将由所述热力发电机产生的电力。
根据该构造，当电力系统的电力需求处于峰值且风车不旋转时，电力从热力发电机供应，而当风车旋转但较大量的电力需要产生时，电力可同时从感应旋转机和热力发电机供应。换句话说，通过添加热力发电机所产生的电力，可供应大于充当发电机的感应旋转机所产生的电量的电力。此外，当电力系统的电力需求处于非峰值时，热力发电机的发电可停止以进入到待用中，其中热量被蓄积。
【本发明的实施例的细节】
下文参照附图来描述本发明的实施例的特定实例。应注意，相同或对应部分被给予相同附图标号，且不重复进行描述。
【第一实施例：场磁体＝转子(内侧)，电枢＝定子(外侧)】
<风力发电系统的整体构造>
参照图1到图5，将描述根据第一实施例的风力发电系统。图1所示的风力发电系统1包含：风车10；感应旋转机20；电力转换装置(逆变器)30；热介质流通结构40；蓄热器50；以及热力发电机60。感应旋转机20容纳在隔热容器250中(参见图2)。在此实例中，如图1所示，风车10安装到塔91的上部所设置的机舱92，且感应旋转机20和电力转换装置30容纳在机舱92中。此外，蓄热器50和热力发电机60设置在塔91的下部(底座)所建构的建筑物93中。感应旋转机20和热力发电机60连接且互连到电力系统(商用电)100。
(风车)
风车10具有如下结构：三个叶片12相对于水平延伸的旋转轴11径向安装到旋转轴11。旋转检测器13(参见图2)安装到风车10的旋转轴11，以检测旋转速度(旋转次数)。
(感应旋转机)
使用现有感应电机(用于高温泵的密闭式电动机)来构造感应旋转机20。在此实例中，感应旋转机20是鼠笼形三相感应电机(发电机或电动机)，且包含场磁体210和电枢220，其中场磁体210和电枢220被设置成其间具有间隔，如图2所示。场磁体210是连接到风车10的旋转轴11的转子，且电枢220是定子。具体来说，场磁体(转子)210包含：场核心211，连接到风车10的旋转轴11；以及场导体215，设置在场核心211周围。场磁体210根据风车10的旋转而旋转。此外，电枢(定子)220设置在场磁体210外部，其中在电枢(定子)与场磁体210之间存在空间，且包含：电枢核心221，具有面向场磁体210的凸极；以及电枢线圈225，缠绕在凸极周围。在此实例中，感应旋转机20(场磁体210)直接联接到风车10的旋转轴11；然而，感应旋转机20可经由增速齿轮(未示出)而连接到增速齿轮的输出轴。当不使用增速齿轮时，可避免增速齿轮所伴随的问题。
感应旋转机20经由电力转换装置30而连接到电力系统100。因此，感应旋转机20可从电力系统100获得励磁电流以产生电力，且可将所产生的电力供应到电力系统100。
在场磁体(转子)210中，导体设置成围绕具有圆柱形的场核心211的鼠笼的形式，且此鼠笼形导体构成场导体215。此鼠笼形导体(场导体215)按以下形式形成：导体条215b设置在场核心211的外周所设置的多个狭缝中，其中在导体条215b与狭缝之间设置有间隔；且导体端环215r设置在场核心211的两端，以使这些导体条215b短路。此鼠笼形转子具有极简单的结构，因此有利的是不可能出现故障。在此实例中，采用将鼠笼形导体用于场导体215的鼠笼形转子；然而，可采用使用线圈的线圈型转子，其中导体作为场导体215而缠绕，且其两端短路。可例如通过相互堆叠设置电磁钢片(例如，硅钢片)而形成场核心211。场磁体215可例如使用铜或铝而形成。
在电枢(定子)220中，三相电枢线圈225(U相、V相和W相)以分布式绕组的方式缠绕在电枢核心221的凸极周围。在此实例中，如图3所示，电枢线圈225的相应相位以Y连接的形式相互连接。此外，在此实例中，电枢核心221具有如下结构，包含：磁轭部分，具有圆柱形；以及凸极，从此磁轭部分朝向场磁体210向内突出。电枢线圈225呈分布式绕组的形式，但也可呈集中式绕组的形式。返回到图2，可例如通过相互堆叠设置电磁钢片(例如，硅钢片)而形成电枢核心221。在此实例中，优选使用(例如)具有陶瓷绝缘层的超耐热的线圈，这是因为在高温环境下(例如，在具有高温的热介质400内)使用电枢线圈225。作为此超耐热的线圈，已知具有允许在高达400℃下使用的耐热性的超耐热的线圈。在使用温度较低的情况下，还可使用漆包线，例如，聚酰胺酰亚胺铜线或聚酰亚胺铜线。
(隔热容器)
隔热容器250容纳感应旋转机20(场磁体(转子)210和电枢(定子)220)。可例如通过围绕金属容器设置隔热材料来构造隔热容器250。此隔热材料的实例包含石棉、玻璃棉、泡沫塑料、砖、陶瓷或由这些材料的适当组合形成的复合材料。
隔热容器250设有供旋转轴11插入的轴插入开口253，且旋转轴11经由轴插入开口253而联接到感应旋转机20的场磁体(转子)210。在此实例中，通孔沿着场核心211的中心轴线而形成。旋转轴11插入到通孔中，且场磁体210固定到旋转轴11。此外，在隔热容器250中，轴承261、262设置在两个位置处，即，插入旋转轴11的一侧以及与其相对的一侧。旋转轴11由轴承261、262可旋转地支撑。
此外，隔热容器250设有经由其供应热介质400的入口部分251以及经由其排放热介质400的出口部分252，且热介质400在其中流通以接收感应旋转机20所产生的热量。在此实例中，入口部分251设置在隔热容器250的插入旋转轴11的一侧，且出口部分252设置在相对的一侧。热介质流通结构40的供应管41和排放管42分别连接到入口部分251和出口部分252。此外，轴密封部分263设置在隔热容器250的轴插入开口253处。此处，从入口部分251供应到隔热容器250中的热介质400优选具有不超过100℃的温度(例如，常温)。因此，可有效地冷却已产生热的感应旋转机20。此外，在温度不超过100℃的情况下，设置在入口部分251附近的轴密封部分263具有约100℃的耐热性以使得市售的流体密封件可足够用于轴密封部分263。已通过接收感应旋转机20所产生的热而加热到预定温度(例如，200℃到350℃)的热介质400从出口部分252排放到隔热容器250外部。
(热介质)
热介质400的实例包含水、油、熔盐等。在水用于热介质400的情况下，当热介质400被加热到超过水转变为蒸汽的100℃的温度时，隔热容器250的内部压力升高。另一方面，在大气压力下具有超过100℃的沸点的油或熔盐用于热介质400的情况下，即使在热介质400被加热到超过100℃的温度时，也能够抑制隔热容器250的内部压力升高。热介质400优选在大气压力下具有超过200℃的沸点，且更优选，具有超过350℃温度的沸点。具体而言，热介质400优选在使用温度范围中(例如，常温到350℃)是液体。在此实例中，在大气压力下具有超过350℃的沸点的油用于热介质400，且热介质400可在隔热容器250中流通，且可由感应旋转机20加热到约350℃。
(电力转换装置、电枢控制单元)
电力转换装置30将励磁电流供应到感应旋转机20(电枢线圈225)。电枢控制单元310(参见图2)连接到电力转换装置30以根据电力系统100的电力需求来控制到感应旋转机20(电枢线圈225)的励磁电流。电枢控制单元310执行发电模式控制与发热模式控制中的一者或两者。在发电模式控制中，通过将感应旋转机20控制为将来自电力系统100的无功电流作为励磁电流供应，所述感应旋转机20作为发电机操作。在发热模式控制中，通过将感应旋转机20控制为将实现导致负载转矩的滑移的转矩电流作为励磁电流供应，所述感应旋转机20作为发热机操作。
在发热模式控制中，当转子(此处，场磁体210)根据风车10的旋转而旋转时，通过控制到感应旋转机20(电枢线圈225)的励磁电流来控制电枢220中所产生的磁场的旋转速度以便导致产生负载转矩的滑移。因此，负载转矩被强制性提供到转子，且因此根据负载转矩的所诱发的电流在场磁体210的场导体215中流动，结果是场导体215产生热。换句话说，阻碍感应旋转机20(转子)的旋转的负载转矩的功(输出)作为损耗而转换为热。应注意，可根据感应旋转机20的规格来适当地确定到电枢线圈225的转矩电流的值(电流的量值)以便获得预定负载转矩，且可例如将转矩电流的值设置为与额定电流(设计值)相同的电流值。原则上，负载转矩随着转矩电流的值变大而增加；然而，转矩电流的过大值导致电枢核心221的磁饱和，结果是负载转矩达到顶点。转矩电流值可例如不小于额定电流值的50％且不大于额定电流值的110％。
举例来说，当风车10旋转且感应旋转机20旋转时，可通过将无功电流(三相交流电)(例如，如图4所示的无功电流)作为励磁电流从电力系统100供应，感应旋转机20作为正常发电机操作。应注意，图4的水平轴线表示时间(t)且垂直轴线表示电流值(i)。关于水平轴线和垂直轴线，相同的情况适用于下文所述的图5。另一方面，当供应导致产生负载转矩的滑移的转矩电流时，感应旋转机20中的损耗(所产生的热的量)增加，进而感应旋转机20可作为发热机来操作。在此实例中，在发热模式控制中，将转矩电流作为直流电(即，作为转矩电流)来控制，直流电在电枢线圈225的U相、V相和W相中的至少两个中流动，且直流电被施加在U相与V相之间、U相与W相之间或V相与W相之间。具体来说，例如，直流电可流动成使得相等的直流电从三个相位中的两个(例如，U相和W相)输入，且因两个相位所致的直流电从所述相位中的剩余一个(例如，V相)输出，或直流电可流动成使得直流电从三个相位中的任一个输入，且直流电从三个相位中的另一个输出。
下文描述感应旋转机20在此情况下作为发热机操作的原理。举例来说，当场磁体(转子)210根据风车10的旋转而以额定旋转速度(额定旋转次数)旋转的同时通过电枢控制单元310将直流作为转矩电流从电力转换装置30施加时，获得与启动转矩一样大的负载转矩。接着，所诱发的电流在场磁体210的场导体215中流动，且其功(输出)随着场导体215中的热的产生而被消耗。此处，如上文关于图7所述，启动转矩通常大于额定转矩，以使得可获得大于感应旋转机20的额定输出的功(输出)，因此导致大量产生的热量。
此外，通过电枢控制单元310执行发电模式控制与发热模式控制两者，感应旋转机20还可作为发电机与发热机两者来操作。在此情况下，可通过供应包含无功电流分量和转矩电流分量的励磁电流且调整无功电流分量和转矩电流分量的比率来控制感应旋转机20的所产生的电力的量和所产生的热的量。举例来说，如图5所示，转矩电流(直流电)可叠加在无功电流(三相交流电)上。假设额定电流值是10，图5示出其中直流电1(在此图中，“i+1”)叠加在U相和W相上的励磁电流以及其中直流电-2(在此图中，“i-2”)叠加在V相上的励磁电流。随着转矩电流分量增加，感应旋转机20的所产生的热的量的比率增加。
(热介质流通结构)
热介质流通结构40使热介质400在隔热容器250中流通以接收感应旋转机20所产生的热(参见图1和图2)。在此实例中，热介质流通结构40包含：供应管41，其一端连接到隔热容器250的入口部分251，且将热介质400供应到隔热容器250中；排放管42，其一端连接到隔热容器250的出口部分252，且将热介质400排放到隔热容器250外部；以及循环泵43，设置在供应管41处。此外，供应管41的另一端和排放管42的另一端中的每一个连接到蓄热器50。热介质流通结构40使用循环泵43以使热介质400在感应旋转机20(隔热容器250)与蓄热器50之间流通，进而使热介质400在隔热容器250中流通。此处，优选的是，根据感应旋转机20所产生的热所加热的热介质400的温度使用循环泵43来调整热介质400的流率。具体来说，当热介质400具有高于预定温度的温度时，热介质400的流率增大，而当热介质400具有低于预定温度的温度时，流率减小。因此，可将感应旋转机20维持在使用温度范围中。
感应旋转机20所加热的热介质400通过排放管42被提供到蓄热器50。在此实例中，蓄热器50被填充以集热材料，且第一热交换管51和第二热交换管52设置在其中，以使得蓄热器50具有热交换功能。第一热交换管51的一端连接到排放管42且已被加热到预定温度的热介质400(例如，油)在第一热交换管51中流通以在热介质400与集热材料之间获得热交换，结果是热介质400的热在集热材料中蓄积。另一方面，二次热介质(例如，水)在第二热交换管52中流通以在集热材料与二次热介质之间获得热交换，结果是在第二热交换管52中流通的二次热介质转变为蒸汽。因此产生的二次热介质的蒸汽(例如，高温高压蒸汽)经由第二热交换管52被提供到热力发电机60。也就是说，蓄热器50还具有热交换器的功能。对于集热材料来说，可使用潜伏集热材料或敏感集热材料，或可将两者结合使用。通常，潜伏集热材料涉及固体与液体之间的相变，且实现比敏感集热材料高的集热密度。此处，供应管41连接到第一热交换管51的另一端。因热交换而冷却的热介质400再次通过循环泵43经由供应管41被提供到感应旋转机20(隔热容器250)。
(热力发电机、电力控制单元)
热力发电机60将感应旋转机20所加热的热介质400的热转换为电力。在此实例中，蓄热器50中所蓄积的热被转换为电力。图1所示的热力发电机60具有结合蒸汽涡轮机61和发电机62的构造，由于蒸汽涡轮机61(从蓄热器50供应的蒸汽使蒸汽涡轮机61旋转)驱动发电机62可产生电力，且可将所产生的电力供应到电力系统100。此外，电力控制单元80连接到热力发电机60以便根据电力系统100的电力需求而控制将由热力发电机60产生的电力。
从热力发电机60(蒸汽涡轮机61)排放的二次热介质的蒸汽由蒸汽冷凝器71冷却且转变为液体，且接着通过循环泵72被供应到蓄热器50(第二热交换管52)。因此，二次热介质在蓄热器50与热力发电机60之间流通。
<风力发电系统的效果>
如上所述的第一实施例的风力发电系统1具有以下效果。
(1)因为通过电枢控制单元310感应旋转机20可作为发电机、发热机或两者来操作，所以可根据电力需求来控制将产生的电力，进而可最有效地利用风能。举例来说，当电力系统100的电力需求处于峰值且风车10旋转时，感应旋转机20操作为具有高发电效率的发电机(发电模式控制)，进而电力可从感应旋转机20供应。另一方面，当电力系统100的电力需求处于非峰值且风车10旋转时，感应旋转机20作为发热机来操作(发热模式控制)，进而感应旋转机20所产生的热可经由热介质流通结构40而蓄积在蓄热器50中。此外，当电力系统100的电力需求处于峰值但风车10不旋转时，热力发电机60可使用蓄热器50中所蓄积的热而产生电力，进而电力可从热力发电机60供应。因此，在没有例如蓄电池或火力发电设施等备用系统的情况下，根据风力发电系统1可获得稳定电力供应。
(2)在感应旋转机20作为发电机与发热机两者来操作的情况下，还可控制感应旋转机20的所产生的电量和所产生的热量。因此，当不需要如此多的电力时，通过感应旋转机20，风车10的旋转能量的一部分可作为电能来获得，且剩余部分可作为热能来获得。此外，通过在将感应旋转机20作为发电机来操作的同时，还将感应旋转机20作为发热机来操作，在强风的情况下，由感应旋转机20执行电力的产生与热量的产生，进而获得大于发电机的额定输出的输出。因此，可最大地回收能量，而不徒劳地错过风能。此外，使用风速范围变宽，结果是还可提高安全风速。
(3)当电力系统100的电力需求处于峰值且风车10不旋转时，电力从热力发电机60供应，而当风车10旋转但需要产生较大电量时，电力可同时从感应旋转机20和热力发电机60供应。
(4)此外，感应电机的现有技术可用于感应旋转机，且因此可便宜地且简单地构造感应旋转机。
【第二实施例：场磁体＝转子(内侧)，电枢＝定子(外侧)】
在第一实施例中，描述在发热模式控制中，电枢控制单元310将直流电作为转矩电流施加到感应旋转机20(电枢线圈225)。在第二实施例中，将描述在发热模式控制中，具有实现额定转矩到停转转矩的频率的交流电作为转矩电流施加到感应旋转机20(电枢线圈225)。此处，作为特定实例，下文描述将转矩电流作为具有实现停转转矩的频率的交流电来控制的情况。应注意，第二实施例的构造与第一实施例的构造相同，不同之处在于电枢控制单元310进行的感应旋转机20的励磁方法不同于第一实施例，且因此下文主要描述不同之处。
具体来说，在发热模式控制中，电枢控制单元310被构造成控制具有实现导致停转转矩的滑移的预定频率的三相交流电，且将此作为转矩电流施加到电枢线圈225。
下文描述感应旋转机20在此情况下作为发热机操作的原理。举例来说，当场磁体(转子)210根据风车10的旋转而以额定旋转速度(额定旋转次数)旋转的同时通过电枢控制单元310将具有实现停转转矩的频率的交流电从电力转换装置30施加时，获得与停转转矩一样大的负载转矩。接着，所诱发的电流在场磁体210的场导体215中流动，且其功(输出)随着场导体215中的热的产生而被消耗。此处，如上文关于图7所述，停转转矩通常远大于额定转矩和启动转矩，以使得可获得远大于感应旋转机20的额定输出的功(输出)，因此导致大量的所产生的热。
【变型例1：场磁体＝定子(外侧)，电枢＝转子(内侧)】
第一实施例和第二实施例中的每一个所描述的是在感应旋转机20中场磁体210充当转子且电枢220充当定子的构造(旋转场磁体型)。感应旋转机20可被进一步修改以具有如下构造，即场磁体210与电枢220之间的位置关系被颠倒、场磁体210充当定子且电枢220充当转子(旋转电枢型)。
举例来说，如图6所示，在场磁体(定子)中，导体按鼠笼的形式设置在具有圆柱形的场核心211的内圆周处，且此鼠笼形导体可充当场导体215。此鼠笼形导体(场导体215)按以下形式形成：导体条215b设置在场核心211的内圆周处所设置的多个狭缝中，其中在导体条215b与狭缝之间具有间隔；且导体端环215r设置在场核心211的两端处，以使这些导体条215b短路。另一方面，电枢(转子)设置在场磁体210内部，其中在电枢(转子)与场磁体210之间具有间隔，且电枢(转子)联接到风车的旋转轴。具体来说，可采用如下结构：电枢核心联接到风车的旋转轴，且电枢线圈缠绕在朝向场磁体向外突出的电枢核心的凸极周围。如同第一实施例，电枢线圈可呈三相分布式绕组的形式。此外，电枢线圈可经由滑环而被供应来自电力转换装置的励磁电流。
如同此构造，当转子(此处是电枢)根据风车的旋转而旋转时，到电枢线圈的励磁电流受电枢控制单元控制以导致产生负载转矩的滑移，结果是根据负载转矩的所诱发的电流在场磁体的场导体中流动。结果，场导体产生热。举例来说，当如同第一实施例，电枢(转子)根据风车的旋转而以额定旋转速度(额定旋转次数)旋转且直流电作为转矩电流而施加到转矩电流时，获得了与启动转矩一样大的负载转矩，结果是其功(输出)通过场导体的热的产生来消耗。或者，当如同第二实施例，具有实现停转转矩的频率的交流电作为转矩电流而施加到电枢线圈时，获得了与停转转矩一样大的负载转矩，结果是其功(输出)通过场导体的热的产生来消耗。
此外，通过此构造，产生热量的场磁体是定子，以使得可采用如下构造，即感应旋转机不容纳在隔热容器中。具体来说，通过向场磁体设置使热介质流通的孔或通过将管设置在场磁体的外圆周表面处，场磁体设有热介质流动路径以允许热介质在其中流通，且使用此热介质流动路径来构造热介质流通结构，进而感应旋转机(场磁体)所产生的热可传递到热介质。在此情况下，可省略隔热容器，因此获得较小大小。
【变型例2：场磁体＝定子(内侧)，电枢＝转子(外侧)】
第一实施例和第二实施例中的每一个所描述的是如下构造，即转子(场磁体210)在感应旋转机中设置在定子(电枢220)内部(内部转子型)。感应旋转机20可被进一步修改以具有如下构造，即场磁体210充当定子、电枢220充当转子且转子(电枢220)设置在定子(场磁体210)外部而不改变场磁体210与电枢220之间的位置关系(外部转子型)。
举例来说，可采用如下结构：电枢核心联接到旋转轴以结合风车的旋转轴而使电枢旋转，且场磁体(场核心)由例如隔热容器等外壳以悬臂方式支撑且固定到该外壳。此外，在此情况下，电枢线圈可经由滑环被供应来自电力转换装置的励磁电流。
【变型例3：场磁体＝转子(外侧)，电枢＝定子(内侧)】
在上文所述的修改1的感应旋转机中，还可采用如下构造(外部转子型)，即电枢充当定子、场磁体充当转子且转子(场磁体)如同修改2设置在定子(电枢)外部。
应注意，在上文所述的第一实施例和第二实施例以及变型例1到3的风力发电系统中的每一个中，在感应旋转机容纳在隔热容器中且热介质在其中流通的构造的情况下，可例如通过在场磁体211的表面中设置不平坦性或鳍片以增大场磁体210的表面积来提高场磁体210与热介质400之间的热交换效率。此外，热介质流通结构40可通过将隔热材料缠绕在热介质流通结构40的供应管41或排放管42周围以提供隔热功能来用作蓄热器。在此情况下，通过热力发电机60在热介质流通结构40中流通的热介质的热可用于产生电力。
本文所公开的实施例在任何方面都是说明性且非限制性的。本发明的范围由权利要求书界定，且希望包含在该范围和等同于权利要求书的含义内的所有修改。
工业适用性
本发明的风力发电系统适用于使用可再生能源来发电的领域。
附图标号列表
1：风力发电系统
10：风车
11：旋转轴
12：叶片
13：旋转检测器
20：感应旋转机
210：场磁体
211：场核心
215：场导体
215b：导体条
215r：导体端环
220：电枢
221：电枢核心
225：电枢线圈
250：隔热容器
251：入口部分
252：出口部分
253：轴插入开口
261、262：轴承
263：轴密封部分
30：电力转换装置
310：电枢控制单元
40：热介质流通结构
400：热介质
41：供应管
42：排放管
43：循环泵
50：蓄热器
51：第一热交换管
52：第二热交换管
60：热力发电机
61：蒸汽涡轮机
62：发电机
71：蒸汽冷凝器
72：循环泵
80：电力控制单元
91：塔
92：机舱
93：建筑物
100：电力系统(商用电源)

Claims (5)

1.一种风力发电系统，包括：
风车，
感应旋转机，所述感应旋转机被联接到所述风车的旋转轴；
电力转换装置，所述电力转换装置被构造成将励磁电流供应到所述感应旋转机；
热介质流通结构，所述热介质流通结构被构造成使得热介质得以流通，以接收由所述感应旋转机产生的热量；
蓄热器，所述蓄热器被构造成对在所述热介质流通结构中流通的所述热介质的热量进行蓄积；
热力发电机，所述热力发电机被构造成将所述蓄热器中所蓄积的所述热介质的热量转换为电力；以及
电枢控制单元，所述电枢控制单元被构造成根据电力系统的电力需求来控制所述励磁电流，
所述电枢控制单元被构造成执行发电模式控制和发热模式控制中的一者或两者；在所述发电模式控制中，通过如下控制来使得所述感应旋转机作为发电机进行工作：将来自所述电力系统的无功电流作为所述励磁电流进行供应；在所述发热模式控制中，通过如下控制来使得所述感应旋转机作为发热机进行工作：将转矩电流作为所述励磁电流进行供应，所述转矩电流导致产生负载转矩的滑移。
2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中，在所述发电模式控制中，所述电枢控制单元将所述转矩电流控制为直流电或交流电。
3.根据权利要求1所述的风力发电系统，其中，在所述发热模式控制中，所述电枢控制单元将所述转矩电流控制为交流电，所述交流电具有允许从额定转矩至停转转矩的频率。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的风力发电系统，包括容纳所述感应旋转机的隔热容器，其中，所述热介质流通结构使得所述热介质在所述隔热容器中流通。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的风力发电系统，包括电力控制单元，所述电力控制单元被构造成根据所述电力系统的电力需求来控制将由所述热力发电机产生的电力。
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