CN108799002A - 风驱磁致热储能调峰式风力发电系统 - Google Patents

Abstract

风驱磁致热储能调峰式风力发电系统利用风力驱动系统直接驱动发电机发电以供实时用电需求，多余的风能由风力驱动系统中的传动系统进行功率分流，驱动磁力耦合制热系统，将风能转化为热能，加热储热介质，高温储热介质可储存在高温储能罐中以备使用，当风力发电不能满足实时用电需求时，高温储能罐中的高温储热介质经蒸汽发生器进行热交换，蒸汽发生器中流过的低温液体介质吸收高温储热介质的热量变为气态的高温蒸汽，高温蒸汽驱动汽轮机，汽轮机驱动发电机产生电能。风驱磁致热储能调峰式风力发电系统包含以下关键部分：风力驱动系统、加热器、高温储能罐、低温储能罐、蒸汽发生器、汽轮机、发电机、凝汽器、除氧器和各种类型的泵。

Description

风驱磁致热储能调峰式风力发电系统

技术领域

风力发电、风热器、磁致热、温差发电、新能源、清洁能源、风能、可再生能源、节能减排。

背景技术

地球环境恶化，需要清洁能源，现有的风力发电技术存在许多缺憾，致使其发展受到制约。风热储能技术的发展给风力发电的应用带来新的契机，风热技术的能量转化路线有：(1)风能——机械能——电能——热能；(2)风能——机械能——空气压缩能——热能；(3)风能——机械能——热能。现有风热技术中的风驱电磁涡流致热是相对比较好的一种技术，它使用通电线圈，系统仍然比较复杂而且系统风热转换的总效率较低。

本人先前曾提出了几种风热器(极大负荷不可调和极大负荷可调)的发明申请，专利申请号为201710033385.5(垂直轴风热器，极大负荷不可调)、201710033382.1(水平轴风热器，极大负荷不可调)、201710033401.0(垂直轴极大负荷可调风热器)、201710033381.7(水平轴极大负荷可调风热器)，可供参阅。

发明内容

本发明提出了一种新的风力发电系统——风驱磁致热储能调峰式风力发电系统，它是磁致热技术应用的一种延伸，是对现有风力发电系统的一种技术升级。

风驱磁致热储能调峰式风力发电系统利用风力驱动系统直接驱动发电机发电以供实时用电需求，多余的风能由风力驱动系统中的传动系统进行功率分流，驱动磁力耦合制热系统，将风能转化为热能，加热储热介质，高温储热介质可储存在高温储能罐中以备使用，当风力发电不能满足实时用电需求时(风力较小或无风时)，高温储能罐中的高温储热介质经蒸汽发生器进行热交换，蒸汽发生器中流过的低温液体介质(常使用水作为媒介)吸收高温储热介质的热量变为气态的高温蒸汽，高温蒸汽驱动汽轮机，汽轮机驱动发电机产生电能。风驱磁致热储能调峰式风力发电系统包含以下关键部分：风力驱动系统、加热器、高温储能罐、低温储能罐、蒸汽发生器、汽轮机、发电机、凝汽器、除氧器和各种类型的泵。风力驱动系统由风轮和齿轮传动以及带、链传动等组成，齿轮传动以及带、链传动等组成变速分动系统，进行功率分流，以满足发电机发电和加热器、高温储能罐、低温储能罐中磁力耦合制热系统的制热需求，磁力耦合制热系统在高温储能罐、低温储能罐中用于保温，而加热器中的磁力耦合制热系统用于将低温储热介质加热为高温储热介质，加热器、高温储能罐、低温储能罐的容器壳体可用多层材料制成，其外层材料采用绝热材料以防止热量散失。

附图说明

图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示为风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的几种基本的系统原理图，其风力驱动系统2由风轮2-1和齿轮传动以及带、链传动等组成，原理图中的加热器、高温储能罐、低温储能罐由磁力耦合制热系统和容器壳体等组成。图1、图2、图3、图4中风轮2-1采用垂直轴风轮，风轮的叶片可以采用升力型叶片或阻力型叶片，常见的风轮形式有Darrieus型风轮、Savonius型风轮、风杯型风轮、涡轮型风轮等多种形式。图6中风轮2-1采用水平轴风轮，为使风轮叶片与风向保持合理的角度，须增加偏航系统，此外，为了得到稳定的功率输出，还可以增加变桨系统，实时改变叶片的角度，对于小型水平轴风力驱动系统可不要变桨系统、偏航系统，直接利用简单的尾翼(又名偏航器)依靠风力作自适应旋转调整。图1、图2、图3、图4、图5、图6中的磁力耦合制热系统采用一组磁力耦合面，其中图1、图2、图3、图4、图6为盘式磁力耦合制热系统，图5为筒式磁力耦合制热系统，磁力耦合制热系统可以同时在平行和垂直于轴向的方向上布置磁力耦合面，即采用盘式和筒式互相融合的混合式磁力耦合制热系统。图7中的磁力耦合制热系统为采用两组磁力耦合面的一种形式。各种形式的风驱磁致热储能调峰式风力发电系统中的磁力耦合制热系统可以采用两组以上的磁力耦合面串联使用，磁力耦合制热系统既可采用极大负荷可调节的形式，也可采用极大负荷不可调节的形式，极大负荷不可调节磁力耦合制热系统是将极大负荷可调磁力耦合制热系统中的调节机构(由1-4、1-5、1-6等零部件组成)去除，其热负荷控制通过在动力传动中加入的离合器来控制通断。风驱磁致热储能调峰式风力发电系统中采用的极大负荷不可调节磁力耦合制热系统、极大负荷可调磁力耦合制热系统、垂直轴风力驱动系统、水平轴风力驱动系统等可灵活选用，风驱磁致热储能调峰式风力发电系统中的磁力耦合制热系统和风力驱动系统就是风热器在风驱磁致热储能调峰式风力发电系统中的具体应用。加热器中的磁力耦合制热系统用于加热低温储热介质，高温储能罐和低温储能罐中的磁力耦合制热系统用于保温。

图8、图9所示为风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统的两种基本形式，图示为盘式磁力耦合制热系统，其磁力耦合面布置在垂直于轴向的方向上，磁力耦合制热系统的感应盘组件1-1与容器壳体同体。极大负荷可调磁力耦合制热系统中的部件1-4可选用滚珠丝杠组件、滑动丝杠组件或沟槽凸轮组件。

图10所示为风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的磁力耦合制热系统中的磁块固定盘组件1-2的示意图，N极和S极永磁体交替排列，磁极方向平行于轴向。筒式磁力耦合制热系统的磁块固定筒组件中的N极和S极永磁体同样交替排列，但其磁极方向垂直于轴向。

图11所示是极大负荷可调磁力耦合制热系统用的一种调节机构，电机经齿轮传动驱动周向布置的多组滑动丝杠组件1-4。极大负荷可调磁力耦合制热系统用的调节机构中的滑动丝杠组件可以用滚珠丝杠组件或沟槽凸轮组件替代。

图12所示是极大负荷可调磁力耦合制热系统用的一种滚珠丝杠型调节机构，用滚珠丝杠组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号1-5为滚珠丝杠组件。

图13所示是极大负荷可调磁力耦合制热系统用的一种沟槽凸轮型调节机构，用沟槽凸轮组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号1-6为沟槽凸轮组件。

图14所示为高速回转导电接头，采用模块化结构，滑环的数量根据需要确定，图中所示为三个滑环(可为六个或任意个)，连通三根导线，中间环1-33、防护层1-32、防护层1-34、防护层1-37采用电绝缘材料，1-35为电刷，1-36为滑环(镶嵌于防护层1-37内)，1-38为微调弹簧(用来平衡接触压力)，1-39为导线，1-42为轴承。图14中滑环内接电刷，外接外部电源。高速回转导电接头以电刷和滑环作为动态接触，也可以将电刷和滑环反装，由电刷内接滑环，外接外部电源。

图15、图16、图17、图18所示为电动调速专用高速回转接头，采用模块化串联结构，可串联任意通道，其外转子静止不动，以连接外部电源，其内转子用于连接电动调节机构的驱动电机。两端密封环1-70、1-71可采用碳化钨、石墨等材料，中间有电线进出部分的1-55、1-57、1-58、1-74、1-75可采用电绝缘材料，1-72采用电接触材料，1-73采用电绝缘材料镶嵌电接触材料的组合结构，1-64为弹簧，用来平衡接触压力，弹簧处的导向销1-65对弹簧起导向限位作用，防止高速回转时弹簧在离心力作用下失效。电动调速专用高速回转接头可用来取代高速回转导电接头，其比高速回转导电接头具有更好的防水、防尘和防爆性能，但其结构复杂，制造困难，经济性差。

图19所示为风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的一种基本的系统原理图，其高温储能罐、低温储能罐中采用电加热器用于保温，以方便风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的布局设计，高温储能罐、低温储能罐也可采用独立的风力驱动系统驱动磁力耦合制热系统用于保温，由于高温储能罐、低温储能罐用于保温的能量需求很小，在罐体材料绝热性能比较好的情况下，也可以不使用加热装置用于保温。

各种风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的组成可根据具体使用需求灵活设计，风力驱动系统、磁力耦合制热系统的类型和高温储能罐、低温储能罐的保温方式等可灵活选用组合为一个发电系统。风驱磁致热储能调峰式风力发电系统中的加热器是能量消耗的关键部分，采用风力驱动系统驱动磁力耦合制热系统制热，以提高能量转化效率。

具体实施方式

风驱磁致热储能调峰式风力发电系统所包含的各组成零部件，现代工业制造技术均可加工制造，相关标配组件可由专业厂家配套。

风驱磁致热储能调峰式风力发电系统作为一种新型风力发电系统，其成品要想成功应用，必须具备以下条件：(1)实验测试标定——建立测试台架，以完成相应部件的实际测试，确保安全可靠。(2)控制——设计合理的开环和闭环控制程序，以便可以远程自动控制和人为控制，并培训合格的工程师，使其熟知相关设备的性能和操作控制以及维护方法。

Claims (5)

1.风驱磁致热储能调峰式风力发电系统的技术方案——其特征是利用风力驱动系统直接驱动发电机发电以供实时用电需求，多余的风能由风力驱动系统中的传动系统进行功率分流，驱动磁力耦合制热系统，将风能转化为热能，加热储热介质，高温储热介质可储存在高温储能罐中以备使用，当风力发电不能满足实时用电需求时，高温储能罐中的高温储热介质经蒸汽发生器进行热交换，蒸汽发生器中流过的低温液体介质吸收高温储热介质的热量变为气态的高温蒸汽，高温蒸汽驱动汽轮机，汽轮机驱动发电机产生电能，风驱磁致热储能调峰式风力发电系统包含风力驱动系统、加热器、高温储能罐、低温储能罐、蒸汽发生器、汽轮机、发电机、凝汽器、除氧器和各种类型的泵。

2.根据权利要求1所述的风驱磁致热储能调峰式风力发电系统，其特征是使用风力驱动系统，风力驱动系统由风轮和齿轮传动以及带、链传动等组成，齿轮传动以及带、链传动等组成变速分动系统，进行功率分流，以满足发电机发电和加热器、高温储能罐、低温储能罐中磁力耦合制热系统的制热需求，风轮可以采用垂直轴风轮或水平轴风轮，垂直轴风轮的叶片可以采用升力型叶片或阻力型叶片，常见的垂直轴风轮形式有Darrieus型风轮、Savonius型风轮、风杯型风轮、涡轮型风轮等多种形式，对于水平轴风轮，为使水平轴风轮的叶片与风向保持合理的角度，须增加偏航系统，此外，为了得到稳定的功率输出，还可以增加变桨系统，实时改变叶片的角度，对于小型水平轴风力驱动系统可不要变桨系统、偏航系统，直接利用简单的尾翼(又名偏航器)依靠风力作自适应旋转调整。

3.根据权利要求1所述的风驱磁致热储能调峰式风力发电系统，其特征是使用磁力耦合制热系统，磁力耦合制热系统在加热器中用于将低温储热介质加热为高温储热介质，磁力耦合制热系统也可以在高温储能罐、低温储能罐中用于保温，磁力耦合制热系统在工作时存在相对旋转磁场和感应磁场的相互耦合作用，相对旋转磁场由转子或定子上交替排列的N极磁块和S极磁块产生，感应磁场由定子或转子上的感应盘或感应筒中产生的感应电流产生，感应盘或感应筒采用具有优良导电性能的导体板或导体筒，磁力耦合面为相对旋转磁场和感应磁场相互耦合的理论假设中性面，磁力耦合面位于磁块和感应盘之间或磁块和感应筒之间，盘式磁力耦合制热系统的磁力耦合面垂直于转子中心轴，筒式磁力耦合制热系统的磁力耦合面平行于转子中心轴，混合式磁力耦合制热系统的磁力耦合面同时布置于平行和垂直于转子中心轴的方向上，磁力耦合制热系统可以采用一组磁力耦合面或多组磁力耦合面串联，磁力耦合制热系统既可采用极大负荷可调节的形式，也可采用极大负荷不可调节的形式，极大负荷可调磁力耦合制热系统通过调节机构用来调节磁场耦合间隙或磁场耦合面积以改变极大负荷可调磁力耦合制热系统的热负荷，在调节机构驱动电机扭矩允许的情况下可以用一组调节机构同时调节多组磁力耦合面，极大负荷不可调磁力耦合制热系统由于没有调节机构来实时调节其热负荷，只能通过在传动系统中加入离合器来控制通断达到供热需求。

4.根据权利要求1所述的风驱磁致热储能调峰式风力发电系统，其特征是使用加热器、高温储能罐、低温储能罐，加热器、高温储能罐、低温储能罐的容器壳体可用多层材料制成，其外层材料采用绝热材料以防止热量散失，可通过传感器实时检测各罐体中的熔融液体温度，以便控制热负荷，当高温储能罐、低温储能罐的容器壳体的绝热性能能满足需求时，高温储能罐、低温储能罐中可以不使用磁力耦合制热系统进行保温，为了方便整个发电系统的布局安装，高温储能罐、低温储能罐中可以使用电加热系统进行保温，常用的电加热原理有电阻制热和电磁涡流制热。

5.根据权利要求3所述的磁力耦合制热系统，其特征是可以使用极大负荷可调磁力耦合制热系统，极大负荷可调磁力耦合制热系统使用调节机构来调节它的热负荷，此调节机构可以用滚珠丝杠型调节机构或滑动丝杠型调节机构或沟槽凸轮型调节机构，滚珠丝杠型调节机构的工作原理是其调节机构以滚珠丝杠组件使旋转运动转化为直线运动，从而调节磁力耦合间隙或磁力耦合面积以达到改变极大负荷可调磁力耦合制热系统的热负荷的目的，使用滑动丝杠组件取代滚珠丝杠型调节机构中的滚珠丝杠组件便形成滑动丝杠型调节机构，使用沟槽凸轮组件取代滚珠丝杠型调节机构中的滚珠丝杠组件便形成沟槽凸轮型调节机构。