CN108266324B - 一种风力发电机能源叠加存储系统 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电机能源叠加存储系统和方法，包括工质压力循环系统、传动介质循环系统、加压循环系统和空气能循环系统，增压器通过位序排列使其在不同时间段升温增压，增压器通过直接吸收太阳能，一级增压器中导压工质首先升温增压，增压后导压工质通过二级加压泵将导压工质排入下一阶段的二级增压器，三级增压器通过吸收太阳能对导压工质再次加热增压，并通过下一阶段的三级加压装置将导压工质排入导压工质膨胀器内，与导压工质膨胀器内的换热管路内的传动介质产生热交换使其产生饱和气体，使用本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储方法及系统，将随机性风能和太阳辐射热能通过多个增压器位序逐级增压蓄能，提高能源利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风力发电机能源叠加存储系统。
背景技术
能源是人类社会发展的基石，是经济活动和发展的动力。而如今，传统化石能源可开采储量逐年减少，面临枯竭；能源的粗放使用导致环境污染。风能是一种清洁的可再生能源，是新能源代表之一，其蕴藏量巨大。
然而，二级和三级风圈占风力资源的85%。根据高层建物实测数据，0.5m/s-2m/s的风速几乎在24小时不停。这部分风资源发风频率高，并且有明显的间歇性、随机性的缺点，这部分风资源能流密度小，机械能转化低，即使现在最好的风力发电机也不能将这部分资源有效馈入电网。另外，在风力发电机周边散落的太阳热辐射能一直被浪费掉。
所以能将随机的风能和周期性的光照形成的热能存储，并根据需要，满足人类的需要，是当前解决风电行业能源存储问题的关键技术和研发方向。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足之处，提供一种风力发电机能源叠加存储系统，可以将随机性风能经过多级加压装置转化成导压工质的压力势能，并结合昼夜的周期性和各增压器陆续接受太阳光热辐射热能或太阳能转化的其他热能形成的温差，温差带来导压工质的压差，完成导压工质的逐级升温加压，实现能源存储循环。
然后高温高压饱和导压工质气体转化成传动介质的压力势能，传动介质在通过液压执行部件转化成机械能。而传动介质储存容器之间形成高压、低压、减压工作状态实现连续循环对外做功。同时，本专利的能源存储和做功的过程，导压工质、传动介质处在封闭的内循环，减少了能源重复存储过程中的衰减。在运行过程，经过空气能散热器形成的热空气又同时作用在风力发电机中，实现能源的相互叠加存储和利用。
本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，包括工质压力循环系统、传动介质循环系统、加压循环系统和空气能循环系统，其特征在于，所述工质压力循环系统为基础系统，包括至少两级增压器，所述增压器通过位序排列使其在不同时间段升温增压，增压器通过直接吸收太阳能或太阳能转化的其他热能，使导压工质热膨胀，产生更大压力。一级增压器中导压工质首先升温增压，增压后导压工质通过二级加压泵将导压工质排入下一阶段的二级增压器，所述二级增压器连通二级工质储存容器，二级工质储存容器中工质压力与一级工质储存容器内的导压工质存在递增性，所述二级工质储存容器后面通过管路连通三级增压器，三级增压器通过吸收太阳能对导压工质再次加热增压，并通过下一阶段的三级加压泵将导压工质排入导压工质膨胀器内，与导压工质膨胀器内的换热管路内的传动介质产生热交换使其产生饱和气体，最终使导压工质饱和气体进入第一传动介质储存容器以使传动介质储存容器内的传动介质获得高压势能，以驱动系统末端的液压执行部，所述液压执行部可以为液压马达或液压伸缩缸；
所述增压器为真空板体结构，所述增压器的最外层为透光性较强的玻璃罩，所述玻璃罩内为黑色吸热层，所述黑色吸热层内嵌入导压工质管路，所述导压工质管路紧邻设置有另外一路辅助加热管路。
所述传动介质储存容器内高压导压工质饱和气体推动传动介质进入液压执行部做功后，当传动介质储存容器内只有导压工质饱和气体时与涡轮机导通，涡轮机对高压导压工质饱和气体进行能量回收利用，经过涡轮机能量回收利用后，气态导压工质经涡轮机出口的冷凝一体结构冷凝成液态导压工质，排入空气能散热器冷却，所述空气能散热器内的导压工质经过降温降压通过一级加压泵再次进入一级导压工质储存容器，实现导压工质循环；
所述一级工质储存容器与一级增压器、一级增压器与二级增压器、二级增压器与二级工质储存容器、二级工质储存容器与三级增压器、三级增压器与导压工质膨胀器、导压工质膨胀器与传动介质储存容器、传动介质储存容器与涡轮机、传动介质储存容器与液压执行部的连接管道上分别设置有控制阀。
所述一级加压泵、二级加压泵和三级加压泵均为加装置，由风力发电机转化的不稳定风能和涡轮机回收的能源为运行能源，实现加压循环，并通过导压工质蓄积压力势能。
所述冷凝一体结构与涡轮机构成一个整体，设置于涡轮机构出口，将导压工质饱和气体冷凝液化，冷凝回收导压工质饱和气体热能，将热能重新回收入导压工质压力循环系统。
优选的，所述导压工质饱和气体冷凝，采用冷媒回收的热能优先传递到一级增压器、二级增压器中。
优选的，所述液压执行部后面通过管道连接设置有传动介质蓄热储存容器，所述传动介质经过液压执行部对外做工后通过管道进入传动介质蓄热储存容器内，所述传动介质蓄热储存容器内的传动介质通过管道经过导压工质膨胀器与导压工质进行热交换后排入第二传动介质储存容器内，实现再次循环，所述传动介质储存容器至少设置有三个，在能源输出时各容器之间形成高压、低压、减压的工作状态，实现传动介质在容器中连续循环。
优选的，所述二级工质储存容器、导压工质膨胀器、传动介质储存容器、连接管路和液压执行部具有绝热保温功能，所述二级工质储存容器、导压工质膨胀器、传动介质储存容器、连接管路和液压执行部采用绝热保温材质制成。
优选的，所述导压工质为低沸点值物质，所述导压工质可为低沸点冷媒。
优选的，所述空气能散热器设置于风力发电机风道口，既能提高空气动能，利于能源叠加回收，又能利于降温。
优选的，所述一级增压器、二级增压器、三级增压器的导压工质入口设在增压器的中上部，导压工质出口设在增压器的底部，各级增压中设置有外部热源加热装置。所述导压工质储存容器、加压装置、传动介质储存容器、液压执行部和传动介质蓄热储存容器设置在三个增压器组成的立体罩体内。
优选的，所述二级加压泵与二级增压器之间连接设置有空气能散热器。
优选的，所述加压装置，通过风力发电转化的不稳定风能和涡轮机回收的能源实现加压循环，并通过导压工质蓄积压力势能。
优选的，所述导压工质膨胀容器至少有两个，当一个导压工质膨胀容器中只剩余饱和气态导压工质，无法再经过吸热生成饱和气态导压工质时，可以切换到另外一个续满液态导压工质的导压工质膨胀器，实现导压工质补充和切换使用。
优选的，传动介质为高沸点并和导压工质不溶的液态物质，将导压工质饱和气体压力转化成机械能，与导压工质饱和气体密度比值越大，系统能源转化效率越高。
优选的，所述传动介质蓄热储存容器可以为换热装置，通过传动介质将热量传递到导压工质膨胀器中，保证导压工质吸热后气化，维持导压工质饱和气体恒定压力。
本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，将随机性风能和太阳辐射热能通过多个增压器位序逐级增压蓄能，提高能源利用效率，同时又利于导压工质饱和气体冷凝热量回收；通过液态传动介质密度比导压工质饱和气体大的优势提高转化效率，提高了系统的单位利用效率，相比高压气体直接推动汽轮机发电系统结构更加紧凑；通过传动介质在传动介质存储容器中的连续使用，避免了抽水蓄电站需要庞大的结构，所以整体结构简单，操作使用方便，稳定性好，可靠性高。
附图说明
附图1是本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统的流程示意图。附图2是本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统实施例1的正面结构示意图。附图3是本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统实施例1的背面结构示意图。附图4和5是本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统实施例2的结构示意图。附图6是本发明所述的一种风力发电机能源叠加存储系统实施例3结构示意图。
1－一级增压器 2－二级增压器 3－三级增压器 4－一级工质储存容器 5－二级工质储存容器 6－导压工质膨胀器 61－第一导压工质膨胀器 62－第二导压工质膨胀器7－加压装置 71－一级加压泵 72－二级加压泵 73－三级加压泵 8－空气能散热器 9－传动介质储存容器 91－第一传动介质储存容器 92－第二传动介质储存容器 93－第三传动介质储存容器 10－导压工质 11－液压执行部 12－传动介质蓄热储存容器 13－涡轮机 14－反光镜 15－传动介质。
具体实施方式
实施例一
现参照附图1、附图2和附图3，结合实施例1说明如下：一种风力发电机能源叠加存储系统，包括有工质压力循环系统、传动介质循环系统、加压循环系统和空气能循环系统，其特征在于，所述工质压力循环系统为基础系统，包括至少两级增压器，所述增压器通过位序排列使其在不同时间段升温增压，增压器通过直接吸收太阳能或太阳能转化的其他热能，使导压工质热膨胀，产生更大压力。
一级增压器1位于设备东侧，在日出时首先接受阳光照射升温，一级增压器1中的导压工质10开始气化增压，缩短与二级增压器2的压力差；当阳光充足时，一级增压器1中的导压工质10压力逐渐超过二级增压器2的压力，导压工质10气化的气态存在于一级增压器1的上部，升温后的液态导压工质10从一级增压器1底部出口通过二级加压泵72进入二级增压器2。
二级增压器2位于设备西侧，随着日照偏移，二级增压器2开始接受阳光照射升温，二级增压器2中的导压工质10继续升温增压，导压工质10气化的气态存在于二级增压器2的上部，升温后的液态导压工质10从二级增压器2底部出口二级工质储存容器5。
三级增压器3设置在一级增压器1与二级增压器2之间，朝向正南并倾斜向上方。当二级增压器2完成向二级工质储存容器5的导压工质10升温加压循环，三级增压器3与二级工质储存容器5连通，二级工质储存容器5中的液态导压工质10依靠重力进入三级增压器3中，等待第二个光照周期升温增压。
三级增压器3接受阳光照射，导压工质10继续升温增压，实现逐级升温增压，达到最高温度进入导压工质膨胀器6中，其中，导压工质膨胀器6可以设置多个，例如：第一导压工质膨胀器61，第二导压工质膨胀器62进行切换使用，在本实物例只设置了一个；三级增压器3中还设置有传动介质15吸热管路，吸收太阳能热量的高温传动介质15存储在传动介质蓄热储存容器12中。
导压工质10在导压工质膨胀器6中吸热膨胀生成高压饱和气体，通入传动介质储存容器9，将高压势能传递给传动介质15，传动介质15驱动系统末端的液压执行部11做功，导压工质10在通过涡轮机13能量回收和设置在涡轮机出口的冷凝一体结构进行热量回收，回收的热量优先进入一级增压器、二级增压器，利于减少能量损失。气态导压工质10经过冷凝后，变成液态，经过设在风力发电机风道口的空气能散热器8散热，恢复自然温度下的液态导压工质10。所述液压执行部11可以为液压马达或液压伸缩缸。
导压工质10从空气能散热器8经过一级加压泵71进入一级工质储存容器4，然后从一级工质储存容器4进入一级增压器1，完成导压工质加压循环。
所述增压器为真空板体结构，所述增压器的最外层为透光性较强的玻璃罩，所述玻璃罩内为黑色吸热层，所述黑色吸热层内嵌入导压工质管路，所述导压工质管路紧邻设置有另外一路辅助加热管路，在太阳光照不足时可以将储存的热能通过辅助加热管路加热实现循环。
第一传动介质储存容器91连通导压工质膨胀器6，导压工质10高压饱和气体将压力传递给传动介质15，第一传动介质储存容器91处于高压状态；第一传动介质储存容器91继续连通液压执行部11，高压传动介质15通过液压执行部11对外做功，将压力势能转化成机械能；从液压执行部11流出的传动介质15处于低压，流入传动介质蓄热储存容器12进行吸热，然后进入导压工质膨胀器6中换热，给导压工质10提供热能，以保持导压工质10饱和气体的压力，最后排入处在低压状态的第二传动介质储存容器92。
第一传动介质储存容器91中的传动介质15完全进入第二传动介质储存容器92，第一传动介质储存容器91中只有导压工质10高压饱和气体，第一传动介质储存容器91关闭液压执行部11和导压工质膨胀器6连通，与涡轮机13连通；第一传动介质储存容器91中导压工质10气体推动涡轮机13，处在减压状态，并且在第三传动介质储存容器93中的传动介质15向第一传动介质储存容器91循环前完成减压，处于低压状态。
第二传动介质储存容器92中蓄满从第一传动介质储存容器91循环的传动介质15，关闭传动介质15的入口，连通导压工质膨胀器6和液压执行部11，第二传动介质储存容器92中的传动介质15获得高压，继续对液压执行部11做功，循环入第三传动介质储存容器93中，然后从第三传动介质储存容器93依次循环入第一传动介质储存容器91，实现连续对外做功，避免了像蓄水电站等发电技术需要庞大体积存储传动介质。
所述一级加压泵、二级加压泵和三级加压泵均为加压装置7，由风力发电机转化的不稳定风能和涡轮机13回收的能源为运行能源，实现加压循环，并通过导压工质蓄积压力势能。
优选的，所述液压执行部11后面通过管道连接设置有传动介质蓄热储存容器12，所述传动介质经过液压执行部11对外做工后通过管道进入传动介质蓄热储存容器12内，所述传动介质蓄热储存容器12内的传动介质通过管道经过导压工质膨胀器6与导压工质进行热交换后排入第二传动介质储存容器92内，实现再次循环，所述传动介质储存容器至少设置有三个，在能源输出时各容器之间形成高压、低压、减压的工作状态，实现传动介质在容器中连续循环。
优选的，所述二级工质储存容器5、导压工质膨胀器6、传动介质储存容器9、连接管路和液压执行部11具有绝热保温功能，避免系统运行中能源浪费，提高能源转化效率，所述二级工质储存容器5、导压工质膨胀器6、传动介质储存容器、连接管路和液压执行部11采用绝热保温材质制成。
优选的，所述导压工质为低沸点值物质，所述导压工质可为低沸点冷媒，例如：R410a，新戊烷等。
优选的，所述空气能散热器8设置于风力发电机风道口，既能提高空气动能，利于能源叠加回收，又能利于降温。
优选的，所述一级增压器1、二级增压器2、三级增压器3的导压工质入口设在增压器的中上部，导压工质出口设在增压器的底部，便于液态工质从增压器的上部进入，增压后从下部流出，各级增压中设置有外部热源加热装置。
优选的，所述二级加压泵72与二级增压器2之间连接设置有空气能散热器8，防止太阳光照过强，一级增压器1中的高温导压工质10进入二级增压器2，造成气液平衡，影响导压工质从一级增压器1向二级增压器2的循环，需要更大的机械能，所以对高温导压工质10进行初步的降温。
优选的，所述加压装置7，并联一路带有逆止阀的管路，在上级增压器中的导压工质压力超过下级时可以通过逆止阀的管路直接进入下级增压器中。
优选的，所述导压工质膨胀器6至少两个，当第一导压工质膨胀器61中只剩余饱和气态工质，无法再经过吸热生成饱和气态工质时，可以切换到续满液态导压工质的第二导压工质膨胀器62，实现工质补充和切换使用。
优选的，传动介质15为高沸点并和导压工质10不溶的液态物质，例如：新戊烷和水，R410和矿物质油，将导压工质饱和气体压力势能转化成机械能，避免像汽轮机发电技术中，需要更大的散热结构对气体散热和气体液化时热量回收的难度，并且传动介质15与导压工质饱和气体密度比值越大，同压力同质量做功的情况下，需要气体液化散热量就越小，系统能源转化效率也越高。
优选的，所述传动介质蓄热储存容器12可以为换热装置，在大型太阳能热水工程中，可以通过热水和传动介质15换热，减少传动介质15的用量，然后通过传动介质将热量传递到导压工质膨胀器6中，保证导压工质吸热后气化，维持导压工质饱和气体恒定压力。
实施例二
现参照附图1、4和5，结合实施例说明如下：一种风力发电机能源叠加存储系统，本实施例与实施例1基本相同，区别点在于：本实施例将风力发电机和增压器做成一个整体设备，既能吸收太阳光辐射的热能，还能通过导流结构板体提高风能密度，进而提高风力发电机效率。
本实施例包括有垂直轴风力发电机和导流结构板体，所述垂直轴风力发电机外部设有流线型导风结构板体，用来提高风能密度，所述垂直轴风力发电机设置在导风结构板体内部。
其中，一级增压器1、二级增压器2设置在导风板体上，并通过各导风板体陆续接受阳光的时间布置一级增压器1、二级增压器2，实现一级增压器1、二级增压器2逐级升温增压过程。
其中，三级增压器3设置在风力发电机顶部，其他设备设置与风力发电机内部。
实施例三
现参照附1和6，结合实施例说明如下：一种风力发电机能源叠加存储系统，本实施例与实施例1基本相同，区别点在于：通过反光镜14，提高阳光加热的速度，实现增压器快速升温加压，加速工质的连续运行，其中，本实施例设置两个以上的导压工质膨胀器6。
结合实施例说明如下：一种风力发电机能源叠加存储系统，所述一级增压器1和二级增压器2安装在旋转轴上，通过反光镜14，提高阳光加热的速度。经过加热的增压器，完成工质循环，经旋转轴，进入遮挡物的背光区。
本实施例的优势在于实现增压器快速升温加压，加速工质的连续运行，其中，本实施例设置两个以上的导压工质膨胀器6。其中，更适合更大功率的风力发电机使用。本实施例需要设置太阳跟踪装置和增压器旋转装置。本实施例适合日间需要大量稳定电力的场所使用，加速了导压工质的循环速度，能有效节约导压工质的用量。
Claims (11)
1.一种风力发电机能源叠加存储系统，包括工质压力循环系统、传动介质循环系统、加压循环系统和空气能循环系统，其特征在于，所述工质压力循环系统为基础系统，包括至少两级增压器，所述增压器通过位序排列使其在不同时间段升温增压，增压器通过直接吸收太阳能或太阳能转化的其他热能，使导压工质热膨胀，产生更大压力，一级增压器中导压工质首先升温增压，增压后导压工质通过二级加压泵将导压工质排入下一阶段的二级增压器，所述二级增压器连通二级工质储存容器，二级工质储存容器中工质压力与一级工质储存容器内的导压工质存在递增性，所述二级工质储存容器后面通过管路连通三级增压装置，三级增压器通过吸收太阳能对导压工质再次加热增压，并通过下一阶段的三级加压泵将导压工质排入导压工质膨胀器内，与导压工质膨胀器内的换热管路内的传动介质产生热交换使其产生饱和气体，最终使导压工质饱和气体进入第一传动介质储存容器以使传动介质储存容器内的传动介质获得高压势能，以驱动系统末端的液压执行部；
所述传动介质储存容器内高压导压工质饱和气体推动传动介质进入液压执行部做功后，当传动介质储存容器内只有导压工质饱和气体时与涡轮机导通，涡轮机对高压导压工质饱和气体进行能量回收利用，经过涡轮机能量回收利用后，气态导压工质经涡轮机出口的冷凝一体结构冷凝，排入空气能散热器冷却，所述空气能散热器内的导压工质经过降温降压通过一级加压泵再次进入一级工质储存容器，导压工质在一级工质储存容器中存储，从一级工质储存容器再次进入一级增压器实现导压工质循环；
所述一级加压泵、二级加压泵和三级加压泵均为加压装置，由风力发电机转化的不稳定风能和涡轮机回收的能源为运行能源，并通过导压工质蓄积压力势能。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述液压执行部后面通过管道连接设置有传动介质蓄热储存容器，所述传动介质经过液压执行部对外做工后通过管道进入传动介质蓄热储存容器内，所述传动介质蓄热储存容器内的传动介质通过管道经过导压工质膨胀器与导压工质进行热交换后排入第二传动介质储存容器内，实现再次循环，所述传动介质储存容器至少设置有三个，在能源输出时各容器之间形成高压、低压、减压的工作状态，实现传动介质在容器中连续循环。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述二级工质储存容器、导压工质膨胀器、传动介质储存容器、连接管路和液压执行部具有绝热保温功能。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述导压工质为低沸点值物质。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述空气能散热器设置于风力发电机风道口。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述一级增压器、二级增压器、三级增压器的导压工质入口设在增压器的中上部，导压工质出口设在增压器的底部，各级增压中设置有外部热源加热装置。
7.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述二级加压泵与二级增压器之间连接设置有空气能散热器。
8.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述加压装置，并联一路带有逆止阀的管路，在上一级增压器中的导压工质压力超过下一级时可以通过逆止阀的管路直接进入下一级增压器中。
9.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述导压工质膨胀容器至少两个，当一个导压工质膨胀容器中只剩余饱和气态工质，无法再经过吸热生成饱和气态工质时，可以切换到另外一个续满液态导压工质的导压工质膨胀器，实现工质补充和切换使用。
10.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，传动介质为高沸点并和工质不溶的液态物质。
11.根据权利要求1所述的一种风力发电机能源叠加存储系统，其特征在于，所述传动介质蓄热储存容器为换热装置，通过传动介质将热量传递到导压工质膨胀器中。
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