CN107725274B - 基于风力动能的空气储能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于风力动能的空气储能发电系统，包括塔架、风轮、风机舱、热能回收机构、冷量回收机构和控制器，风轮和风机舱设置在塔架顶部，在风机舱内部设置有螺杆压缩机，风轮的风轮轴穿入风机舱的内部驱动螺杆压缩机向高压储气装置输送压缩空气，高压储气装置输出气体驱动透平膨胀机带动转子发电机发电，转子发电机输出的电能经AC‑DC转换模块、DC‑AC转换模块后与并入电网；热能回收机构用于收集压缩气体产生的热能；冷量回收机构用于收集发电产生的冷量；控制器用于对气体压缩和气体发电进行控制。有益效果：针对需电量进行实时发电，整个气体压缩和气体排放的系统结构简单、紧凑，易于维护，使用寿命长，成本低廉，环保无污染。
Description
技术领域
本发明涉及储风发电技术领域，具体的说是一种基于风力动能的空气储能发电系统。
背景技术
风力发电机是将风的动能转换为电能的电力设备。风能属于清洁能源，在将风能转换为电能的过程中对自然环境没有污染，因此，随着我国节能环保要求的逐步提高，风力发电得到了越来越广泛的应用，尤其在我国的北方和高海拔地区，风力资源较为丰富，风力发电在这些地区得到了大力的推广和应用。
可是风力发电也存在着明显的缺点，其中，最为突出的是风速不稳定，在进行发电过程中，发出的电量不稳定，需要先对未知电量的交流电先转换成直流，再将直流电转换成交流电后并入电网，要对未知交流电的处理，需要快速地对整流器中的电子开关进行快速的开通和关断，要想得到稳定的直流电，则对整流器的要求极高，价格昂贵，快速的切换开关，容易造成整流器的损坏。并且不能得到标准的直流电还会对后续的逆变、并网等过程产生影响。
众所周知的，晚上的平均风量大于白天的风量，而晚上的用电量小于白天的用电量。故在夜晚，风力发电处于峰值，用电量处于谷值；在白天，风力发电处于谷值，而用电却处于峰值。因此，对于现有的风力发电现象，有必要提出一种协调装置，以同电网用电需求相匹配，在用电峰值时，输出风力发电电能，以消除现有颠倒的供电现象。
对于风力发电时间颠倒的问题，有的风力发电系统采用蓄电池储电。但是，蓄电池通常充放电效率低下，衰减快，使用寿命短，储存电量小，而且对蓄电池的存放和调节要求极为严苛，导致成本高昂。并且，废旧蓄电池的处理对环境污染较大。
除此之外，在风力发电机发电的过程中会产生一些能源，例如热量或者冷量，但是这些能源目前并未被回收利用，造成了资源浪费。
故有必要提出一种技术来解决上述提出的所有问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于风力动能的空气储能发电系统，对风力进行储存，在需要用电时，释放风能进行发电。还能对发电量进行控制，并且对发电过程中产生的热量和冷量进行实时收集，节约能源
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于风力动能的空气储能发电系统，包括塔架和设置在塔架顶部的风轮，其关键在于：在所述塔架顶部还设置有风机舱，在该风机舱内部设置有螺杆压缩机，所述风轮的风轮轴穿入风机舱的内部并驱动所述螺杆压缩机，所述螺杆压缩机向高压储气装置输送压缩空气，所述高压储气装置输出的压缩空气驱动透平膨胀机，所述透平膨胀机带动转子发电机发电，所述转子发电机的电能输出端与AC-DC转换模块的交流输入端连接，所述AC-DC转换模块的直流输出端与DC-AC转换模块的直流输入端连接，所述DC-AC转换模块的交流输出端与电网输电线路连接；
还包括热能回收机构，所述热能回收机构用于收集和储存螺杆压缩机工作时产生的热能；
还包括冷量回收机构，所述冷量回收机构用于收集和储存透平膨胀机工作时产生的冷量，该冷量回收机构设置有蓄冷箱，该蓄冷箱经冷量收集管路收集透平膨胀机气体膨胀产生的冷量；
还包括控制器，所述控制器分别与所述螺杆压缩机、高压储气装置、转子发电机、透平膨胀机、热能回收机构、冷量回收机构、AC-DC转换模块和所述DC-AC转换模块连接。
通过风轮的风轮轴带动螺杆压缩机工作，将螺杆压缩机压缩的压缩空气储放于高压储气装置中，在需要发电时，控制器控制高压储气装置向透平膨胀机输出压缩空气，进而透平膨胀机带动转子发电机实现发电；由于是对高压储气装置储存的压缩气体进行释放，释放出的气体平稳非常，则转子发电机发出的电能也非常稳定，避免的风速大小造成发电不稳定的缺陷。转子发电机发出稳定的交流电能，经整流器、逆变器处理后，并入电网。由于高压储气装置输出的空气较为稳定，并网系统中降低了对整流器和逆变器的要求，整体结构简单、紧凑，易于维护，使用寿命长，成本低廉，环保无污染。
由于高压储气装置输出的压缩空气可大可小，则发电电压可根据需要对压缩气体输出量进行控制，为了实现高压输出，还可在所述DC-AC转换模块的交流输出端与电网输电线路之间设置变压器，以满足人们的需求。
螺杆压缩机压缩空气时，由于螺杆压缩机做功会释放出较多的热能，通过热能回收机构能够收集和储存热能，环保节能。
高压储气装置的大小和数量能够根据实际需求灵活地增加或减少，其储能量巨大，需要进行发电时，随时可控制高压储气装置进行压缩气体输出，使用方便。
当高压储气装置输出压缩气体经透平膨胀机时，由于气体快速膨胀对外做功消耗自身的内能，则气体温度会急速下降导致透平膨胀机温度下降，产生大量的冷量，该冷量经冷量回收机构进行回收和储存。
进一步描述，所述热能回收机构包括蓄热箱，该蓄热箱和所述螺杆压缩机之间设置有热能收集管路，该热能收集管路内具有蓄热循环水，在所述热能收集管路中安装有第一变频水泵；
在所述螺杆压缩机的螺杆上安装有螺杆转速传感器，所述控制器的螺杆转速输入端与所述螺杆转速传感器连接，所述控制器的流速控制输出端与所述第一变频水泵连接；
所述蓄热箱包括蓄热箱体，该蓄热箱体内具有采用相变材料制成的蓄热内芯，在该蓄热内芯上开设有蓄热流道，在所述蓄热箱体上设有可拆卸的蓄热箱门，该蓄热箱门大小大于蓄热内芯在蓄热箱门上的投影面积。
通过水泵能够使冷却水在热能收集管路内实现循环，再利用冷却水快速吸收螺杆压缩机工作时产生的热能，并将热能在蓄热箱内快速释放，以此循环。并且通过螺杆转速传感器检测螺杆压缩机螺杆转速值，可以反应螺杆压缩机在工作过程中发出的热量，当螺杆压缩机发出的热量越大时，控制器控制变频水泵改变运行频率，从而改变循环水的流速，实现实时热量采集和储存。使用相变材料能够快速吸收冷却水中的热能，并且蓄热量大，通过箱门的设计更便于内芯的取拿与更换。
再进一步描述，所述蓄热箱可拆卸地安装在第一拖挂板车上，该拖挂板车能够被第一拖车拖动。
采用以上结构，使蓄热箱能够运输到需要的地方再释放热量，大大提高了灵活性和实用性。
再进一步描述，所述冷量收集管路内具有蓄冷循环水，在所述冷量收集管路中安装有第二变频水泵；
在所述高压储气装置和所述透平膨胀机之间设置有空气流量传感器，所述空气流量传感器与所述控制器的空气流量信号输出端连接；
所述蓄冷箱包括蓄冷箱体，该蓄冷箱体内具有采用相变材料制成的蓄冷内芯，在该蓄冷内芯上开设有蓄冷流道，在所述蓄冷箱体上设有可拆卸的蓄冷箱门，该蓄冷箱门门框大于蓄冷内芯在蓄冷箱门上的投影面积。
再进一步描述，所述蓄冷箱可拆卸地安装在第二拖挂板车上，该第二拖挂板车能够被第二拖车拖动。
通过第二拖车将蓄冷箱运输到需冷量的位置，提高了冷量利用率，节能环保。
再进一步描述，所述高压储气装置包括N个并联的高压储气罐，在N个所述高压储气罐的压缩空气输出口处分别设置有一个进气电磁阀，在N个所述高压储气罐的压缩空气输出口处分别设置有一个送气电磁阀。
采用以上结构，N个并联的高压储气罐进气口与高压储气装置的进气总管连接，N个并联的高压储气罐出气口均与高压储气装置的出气总管连接。能够根据实际需求增加或减少高压储气罐的数量，并且在储存气体过程中，实现进气电磁阀对需要储存气体的高压储气罐入口进行智能控制；并且需要输出压缩气体时，N个送气电磁阀依次打开，进行智能送气。储气罐技术成熟，可靠性高，成本低廉。其中N为大于等于0的正整数。
再进一步描述，在所述电网输电线路上连接有电流传感器；所述电流传感器与所述控制器的电流检测端连接，N个所述送气电磁阀分别与所述控制器N个的送气电磁阀控制输出端连接；
所述控制器根据所述电流传感器检测的电流值来控制所述送气电磁阀、透平膨胀机、转子发电机、AC-DC转换模块、DC-AC转换模块和所述变压器工作。
通过检测电网输电线路上电流，来判断电网的用电情况，当电网用电量大时，控制器可实时控制透平膨胀机、转子发电机、AC-DC转换模块、DC-AC转换模块和所述变压器工作，同时控制高压储气装置压缩空气输出口的送气电磁阀进行送气发电。
再进一步描述，N个所述高压储气罐分别连接有一个空气压力传感器，N个所述空气压力传感器分别与所述控制器的N个压力信号输入端连接；N个所述进气电磁阀分别与所述控制器的N个进气电磁阀控制输出端连接。
空气压力传感器对高压储气罐内的气体压力进行检测，在螺杆压缩机在向高压储气装置进行送气的过程中，当高压储气罐的压力达到最大气压时，控制进气电磁阀进行切换，使螺杆压缩机向下一个高压储气罐输送压缩气体。在发电过程中，当高压储气罐内的气体压力过小时，控制器控制送气电磁阀进行切换，控制下一高压储气罐进行送气，智能切换，提高发电可靠性和发电量的稳定性。
再进一步描述，N个所述高压储气罐或者并排设置在塔架旁的安装支架上；
N个所述高压储气罐或者并排设置所述风机舱内部；
N个所述高压储气罐或者均安装在塔架的内部。
高压储气罐安装在所述塔架旁，便于增加或减少高压储气罐的数量或更换大小型号，其能够储放大量压缩空气，满足压缩空气实际储存需求，灵活性高。
高压储气罐并排设置在塔架旁的安装支架上，便于高压储气罐的安放，使高压储气罐摆放整齐，高效利用场地空间。
高压储气罐并排设置所述风机舱内部一体化的设计使整体外观更加紧凑，并且，塔架内部空间较大，能够安装较大型号的高压储气装置，以储存更多的压缩空气。
再进一步描述，所述风机舱包括固定在塔架上端的机座和盖合在机座上的外壳体，所述机座和外壳体合围形成容置空间，所述螺杆压缩机、转子发电机和透平膨胀机均位于容置空间内。
采用以上结构，结构紧凑，稳定可靠，易于安装、维护和保养。
本发明的有益效果：将风的动能进行空气压缩，当需要发电时，进行实时发电，解决了用电峰值时电网供电不足的问题；利用收集好的气体进行时需实发，输出气体均匀，发电量稳定，对电能的整流、逆变和变压等过程要求少，设备成本低。并且系统对压缩气体过程中产生的热能进行实时回收，和对输出压缩气体进行发电过程中产生的冷量进行利用，节约能源。整个气体压缩和气体排放的系统结构简单、紧凑，易于维护，使用寿命长，成本低廉，环保无污染。
附图说明
图1是本发明的风能-电能的能量转换框图；
图2为本发明的风机舱的内部结构示意图；
图3为本发明的塔架外部结构示意图；
图4为本发明的蓄热箱的内部结构示意图；
图5为本发明的蓄冷箱的内部结构示意图；
图6为本发明的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
结合图1可以看出，一种基于风力动能的空气储能发电系统，包括塔架1和设置在塔架1顶部的风轮3，在所述塔架1顶部还设置有风机舱2，在该风机舱2内部设置有螺杆压缩机4，所述风轮3的风轮轴31穿入风机舱2的内部并驱动所述螺杆压缩机4，所述螺杆压缩机4向高压储气装置5输送压缩空气，所述高压储气装置5输出的压缩空气驱动透平膨胀机7，所述透平膨胀机7带动转子发电机6发电，所述转子发电机6的电能输出端与AC-DC转换模块13的交流输入端连接，所述AC-DC转换模块13的直流输出端与DC-AC转换模块9的直流输入端连接，所述DC-AC转换模块9的交流输出端与电网输电线路连接。
作为一种实施方式，在DC-AC转换模块9的交流输出端与电网输电线路变压器12之间还设置有变压器12，具体见图1。
从图1-5可以看出，还包括热能回收机构8，所述热能回收机构8用于收集和储存螺杆压缩机4工作时产生的热能。
从图1-3可以看出，还包括冷量回收机构14，所述冷量回收机构14用于收集和储存透平膨胀机7工作时产生的冷量，该冷量回收机构14设置有蓄冷箱141，该蓄冷箱141经冷量收集管路142收集透平膨胀机7气体膨胀产生的冷量；
从图6可以看出，还包括控制器10，所述控制器10分别与所述螺杆压缩机4、高压储气装置5、转子发电机6、透平膨胀机7、热能回收机构8、冷量回收机构14、AC-DC转换模块13、DC-AC转换模块9和所述变压器12连接。
从图2可以看出，所述热能回收机构8包括蓄热箱81，该蓄热箱81和所述螺杆压缩机4之间设置有热能收集管路82，该热能收集管路82内具有蓄热循环水，在所述热能收集管路82中安装有第一变频水泵83。
从图6还可以看出，在所述螺杆压缩机4的螺杆上安装有螺杆转速传感器41，所述控制器10的螺杆转速输入端与所述螺杆转速传感器41连接，所述控制器10的流速控制输出端与所述第一变频水泵83连接。
结合图3还可以看出，所述蓄热箱81可拆卸地安装在第一拖挂板车84上，该拖挂板车84能够被第一拖车85拖动。
结合图2还可以看出，冷量收集管路142内具有蓄冷循环水，在所述冷量收集管路142中安装有第二变频水泵143；
结合图6还可以看出，在所述高压储气装置5和所述透平膨胀机7之间设置有空气流量传感器71，所述空气流量传感器71与所述控制器10的空气流量信号输出端连接。
其中，从图4可以看出：所述蓄热箱81包括蓄热箱体811，该蓄热箱体811内具有采用相变材料制成的蓄热内芯812，在该蓄热内芯812上开设有蓄热流道813，在所述蓄热箱体811上设有可拆卸的蓄热箱门814，该蓄热箱门814门框大于蓄热内芯812在蓄热箱门814上的投影面积。
其中，从图5可以看出，所述蓄冷箱141包括蓄冷箱体141a，该蓄冷箱体141a内具有采用相变材料制成的蓄冷内芯141b，在该蓄冷内芯141b上开设有蓄冷流道141c，在所述蓄冷箱体141a上设有可拆卸的蓄冷箱门141d，该蓄冷箱门141d门框大于蓄冷内芯141b在蓄冷箱门141d上的投影面积。
优选地，蓄冷流道141c呈“S”形，有效提高了蓄冷效率。
从图3还可以看出，所述蓄冷箱141可拆卸地安装在第二拖挂板车144上，该第二拖挂板车144能够被第二拖车145拖动。
在本实施例中，所述高压储气装置5包括3个并联的高压储气罐51，在3个所述高压储气罐51的压缩空气输出口处分别设置有一个进气电磁阀，在3个所述高压储气罐51的压缩空气输出口处分别设置有一个送气电磁阀。
则共3个进气电磁阀；3个送气电磁阀。
从图6还可以看出，在所述电网输电线路上连接有电流传感器11；所述电流传感器11与所述控制器10的电流检测端连接，3个所述送气电磁阀分别与所述控制器103个的送气电磁阀控制输出端连接；所述控制器10根据所述电流传感器11检测的电流值来控制所述送气电磁阀、透平膨胀机7、转子发电机6、AC-DC转换模块13、DC-AC转换模块9和所述变压器12工作。
在本实施例中，结合图6可以看出，3个所述高压储气罐51分别连接有一个空气压力传感器53，3个所述空气压力传感器53分别与所述控制器10的3个压力信号输入端连接。3个所述进气电磁阀分别与所述控制器10的3个进气电磁阀控制输出端连接。
作为一种优选方式，3个所述高压储气罐51或者并排设置在塔架1旁的安装支架52上，具体见图3。
作为另一种优选方式，3个所述高压储气罐51或者并排设置所述风机舱2内部；
再作为另一种优选方式，3个所述高压储气罐51或者均安装在塔架1的内部。
结合图2还可以看出，所述风机舱2包括固定在塔架1上端的机座21和盖合在机座21上的外壳体22，所述机座21和外壳体22合围形成容置空间，所述螺杆压缩机4、转子发电机6和透平膨胀机7均位于容置空间内。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于风力动能的空气储能发电系统，包括塔架(1)和设置在塔架(1)顶部的风轮(3)，其特征在于：在所述塔架(1)顶部还设置有风机舱(2)，在该风机舱(2)内部设置有螺杆压缩机(4)，所述风轮(3)的风轮轴(31)穿入风机舱(2)的内部并驱动所述螺杆压缩机(4)，所述螺杆压缩机(4)向高压储气装置(5)输送压缩空气，所述高压储气装置(5)输出的压缩空气驱动透平膨胀机(7)，所述透平膨胀机(7)带动转子发电机(6)发电，所述转子发电机(6)的电能输出端与AC-DC转换模块(13)的交流输入端连接，所述AC-DC转换模块(13)的直流输出端与DC-AC转换模块(9)的直流输入端连接，所述DC-AC转换模块(9)的交流输出端与电网输电线路连接；
还包括热能回收机构(8)，所述热能回收机构(8)用于收集和储存螺杆压缩机(4)工作时产生的热能；
还包括冷量回收机构(14)，所述冷量回收机构(14)用于收集和储存透平膨胀机(7)工作时产生的冷量，该冷量回收机构(14)设置有蓄冷箱(141)，该蓄冷箱(141)经冷量收集管路(142)收集透平膨胀机(7)气体膨胀产生的冷量；
还包括控制器(10)，所述控制器(10)分别与所述螺杆压缩机(4)、高压储气装置(5)、转子发电机(6)、透平膨胀机(7)、热能回收机构(8)、冷量回收机构(14)、AC-DC转换模块(13)和所述DC-AC转换模块(9)连接；
所述热能回收机构(8)包括蓄热箱(81)，该蓄热箱(81)和所述螺杆压缩机(4)之间设置有热能收集管路(82)，该热能收集管路(82)内具有蓄热循环水，在所述热能收集管路(82)中安装有第一变频水泵(83)；
在所述螺杆压缩机(4)的螺杆上安装有螺杆转速传感器(41)，所述控制器(10)的螺杆转速输入端与所述螺杆转速传感器(41)连接，所述控制器(10)的流速控制输出端与所述第一变频水泵(83)连接；
所述蓄热箱(81)包括蓄热箱体(811)，该蓄热箱体(811)内具有采用相变材料制成的蓄热内芯(812)，在该蓄热内芯(812)上开设有蓄热流道(813)，在所述蓄热箱体(811)上设有可拆卸的蓄热箱门(814)，该蓄热箱门(814)大小大于蓄热内芯(812)在蓄热箱门(814)上的投影面积；
通过水泵能够使冷却水在热能收集管路内实现循环，再利用冷却水快速吸收螺杆压缩机工作时产生的热能，并将热能在蓄热箱内快速释放，以此循环；
并且通过螺杆转速传感器检测螺杆压缩机螺杆转速值，可以反应螺杆压缩机在工作过程中发出的热量，当螺杆压缩机发出的热量越大时，控制器控制变频水泵改变运行频率，从而改变循环水的流速，实现实时热量采集和储存，使用相变材料能够快速吸收冷却水中的热能，并且蓄热量大，通过箱门的设计更便于内芯的取拿与更换；
所述蓄热箱(81)可拆卸地安装在第一拖挂板车(84)上，该第一拖挂板车(84)能够被第一拖车(85)拖动；
所述冷量收集管路(142)内具有蓄冷循环水，在所述冷量收集管路(142)中安装有第二变频水泵(143)；
在所述高压储气装置(5)和所述透平膨胀机(7)之间设置有空气流量传感器(71)，所述空气流量传感器(71)与所述控制器(10)的空气流量信号输出端连接；
所述蓄冷箱(141)包括蓄冷箱体(141a)，该蓄冷箱体(141a)内具有采用相变材料制成的蓄冷内芯(141b)，在该蓄冷内芯(141b)上开设有蓄冷流道(141c)，在所述蓄冷箱体(141a)上设有可拆卸的蓄冷箱门(141d)，该蓄冷箱门(141d)门框大于蓄冷内芯(141b)在蓄冷箱门(141d)上的投影面积；
所述蓄冷箱(141)可拆卸地安装在第二拖挂板车(144)上，该第二拖挂板车(144)能够被第二拖车(145)拖动。
2.根据权利要求1所述的基于风力动能的空气储能发电系统，其特征在于：所述高压储气装置(5)包括N个并联的高压储气罐(51)，在N个所述高压储气罐(51)的压缩空气输出口处分别设置有一个进气电磁阀，在N个所述高压储气罐(51)的压缩空气输出口处分别设置有一个送气电磁阀。
3.根据权利要求2所述的基于风力动能的空气储能发电系统，其特征在于：在所述电网输电线路上连接有电流传感器(11)；所述电流传感器(11)与所述控制器(10)的电流检测端连接，N个所述送气电磁阀分别与所述控制器(10)N个的送气电磁阀控制输出端连接；所述控制器(10)根据所述电流传感器(11)检测的电流值来控制所述送气电磁阀、透平膨胀机(7)、转子发电机(6)、AC-DC转换模块(13)、DC-AC转换模块(9)和变压器(12)工作。
4.根据权利要求2所述的基于风力动能的空气储能发电系统，其特征在于：N个所述高压储气罐(51)分别连接有一个空气压力传感器(53)，N个所述空气压力传感器(53)分别与所述控制器(10)的N个压力信号输入端连接；
N个所述进气电磁阀分别与所述控制器(10)的N个进气电磁阀控制输出端连接。
5.根据权利要求2所述的基于风力动能的空气储能发电系统，其特征在于：N个所述高压储气罐(51)或者并排设置在塔架(1)旁的安装支架(52)上；
N个所述高压储气罐(51)或者并排设置所述风机舱(2)内部；
N个所述高压储气罐(51)或者均安装在塔架(1)的内部。
6.根据权利要求1所述的基于风力动能的空气储能发电系统，其特征在于：所述风机舱(2)包括固定在塔架(1)上端的机座(21)和盖合在机座(21)上的外壳体(22)，所述机座(21)和外壳体(22)合围形成容置空间，所述螺杆压缩机(4)、转子发电机(6)和透平膨胀机(7)均位于容置空间内。
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