CN109372696A - 利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统，属于风力储能技术领域，包括风能采集系统；所述风能采集系统包括塔桶，安装在塔桶上端部的动力装置，动力装置通过动力传动装置连接空气压缩机；动力传动装置通过传动轴连接动力装置，传动轴的下端连接空气压缩机；空气压缩机连接空气净化装置；空气净化装置连接压缩空气储能器；压缩空气储能器连接空气压缩膨胀机，空气压缩膨胀机的动力输出端连接发电机，还包括蜗轮增压热能回收系统。本发明具有调峰效益，对电网安全性、稳定性增强以及供电质量提高带来的效益，且可以降低投资费用、减少排放；填谷效益，由于采用压缩空气蓄能使原来只能被丢弃的风电得以充分利用，提高了风电运行效益。因而新系统可进一步促进可再生能源发电的发展。
Description
技术领域
本发明属于风力发电储能技术领域，特别是涉及一种利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统。
背景技术
众所周知，风能是清洁的可再生能源，其发电成本低，我国风能资源量丰富，且风电技术较为成熟，因此未来风电将是我国重点发展的可再生能源发电方式，其发展的规模与速度，将直接关系到我国节能减排战略和国家关于调整和优化能源结构，提高可再生能源比例的目标。
然而，在风电快速发展中，暴露出诸多问题，风能作为可再生能源之一，存在间歇性和稳定性差两个致命的问题，在电网的高负荷需求时期，风电是不可靠的，在低负荷时期却可能发出大量电网难以消纳的功率。这样，大规模依赖风能发电的电网可能会产生严重的安全性与稳定性问题，大规模风电送出消纳的矛盾日益突出，“弃风”的问题逐渐严重。据统计，近年来风电企业弃电量约占应发电总量的1/3，造成巨量的资源浪费，同时对电网安全稳定运行和风电的可持续发展提出双重挑战。由于风力资源的不稳定性，电力蓄能是制约风电大规模利用的最主要瓶颈之一。如何利用蓄能技术将这些间歇式能源“拼接”起来，并稳定地输出，是提高可再生能源比例和可再生能源大规模利用必须解决的问题。
通过使用蓄能系统可极大地避免以上缺点。然而电能的储蓄是困难而又昂贵的，如使用最常用的蓄电方式-铅酸电池，虽然其技术已达到相当成熟的阶段，然而规模、成本等因素限制了其在远程独立程序中的应用，其每千瓦时的成本为几百美元，用于大功率储能几乎不可能。此外，电池维护和自放电也是与之相关的技术瓶颈，同时还会对环境造成威胁。
压缩空气储能(CAES)是一种公认的有潜力的大规模储能方式，它的储能成本较低，对环境的污染很小。在一个典型的压缩空气系统中，在电网的低负荷时期，一部分电能用来驱动空气压缩机。压缩的空气储存在某种特定的空间(如地下溶洞或人造的储气室等)里。然后，在用电高峰时期，压缩的高压空气被释放出来，经过膨胀驱动透平发电。压缩空气蓄能系统要使用气体燃料，通常是天然气，与在压缩空气中燃烧以提高压缩空气的温度，从而提高系统的效率。与传统的燃气轮机发电不同，CAES系统通过储气室提供压缩空气，减少了机组运行时的燃料需求。
我国风能储备丰富，且分布均匀，为了实现风力发电的优质利用，提出一种风力发电和大规模蓄能的一体化系统及集成方法是非常重要的，这种系统当电网处于用电低谷时，通过风电与压缩空气储能系统的集成，用部分或全部的风电驱动多级压气机系统压缩空气、并将高压空气储存起来；在用电高峰时，释放出来驱动燃气透平发电供给电网。这样的系统大大地提高了风能的利用率与效益、同时也大幅提高了电网的安全性与稳定性。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统，其特征在于：包括风能采集系统、空气压缩机、空气净化装置、压缩空气储能器、压缩空气膨胀机以及发电机；
其中，所述风能采集系统包括塔桶，安装在塔桶上端部的动力装置，所述动力装置通过动力传动装置连接空气压缩机；所述动力装置包括机壳，垂直塔桶方向安装在机壳上的动力轴，在动力轴通过离合器连接叶片轴，所述叶片轴的外端部安装叶片，在机壳内所述动力轴上安装有主动伞齿轮；所述动力传动装置包括沿塔桶高度方向安装在塔桶内的传动轴，所述传动轴的上端部安装有与主动伞齿轮啮合的第一被动伞齿轮；所述传动的下端部安装第二被动伞齿轮，所述第二被动伞齿轮啮合第三被动伞齿轮，所述第三被动伞齿轮安装在第二传动轴上，所述第二传动轴延伸出塔桶底座，所述第二传动轴连接空气压缩机的动力轴，所述空气压缩机的进气口安装有过滤器，所述空气压缩机的出气口通过第一高压输气管连接空气净化装置；
所述空气净化装置包括数个串联的净化筒，末级净化筒下端的出气口通过第二高压输气管连接压缩空气储能器的进气端；所述高压管路上设有单向阀和电控球阀；所述压缩空气储能器的出气端安装有减压阀，所述减压阀通过输气管连接空气压缩膨胀机，所述空气压缩膨胀机的动力输出端连接发电机，所述发电机连接于电网连接的配电柜；
还包括蜗轮增压热能回收系统；所述蜗轮增压热能回收系统包括蜗轮增压器，所述蜗轮增压器的尾气蜗轮的进气口连接空气压缩膨胀机排气口，尾气蜗轮的出气口连接排气尾管；蜗轮增加器的进气蜗轮的进气口连接与大气连通的空气过滤器；进气蜗轮的出气口通过耐热管路连接空气压缩膨胀机或者热气储存器。
本发明还可以采用如下技术措施：
还包括热能回收系统，所述热能回收系统包括用于盛装换热介质的换热箱，所述第一高压输气管盘绕在换热箱内，所述换热箱连接提供介质循环的水泵，换热箱的进水口连接换热介质；换热箱的出水口连接储热介质箱；所述储热介质箱和换热箱之间的输水管路上安装有控制水泵工作状态的控制器；所述储热介质箱的出水口外连接用户单元。
还包括冷气回收系统，所述冷气回收系统包括连接尾气蜗轮的出气口的排气尾管的冷气输送管路，所述冷气输送管路连接冷气用户单元。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明具有调峰效益，对电网安全性、稳定性增强以及供电质量提高带来的效益，且可以降低投资费用、减少排放；填谷效益，由于采用压缩空气蓄能使原来只能被丢弃的风电得以充分利用，提高了风电运行效益。因而新系统可进一步促进可再生能源发电的发展。
附图说明
图1是本发明的实施例1结构示意图；
图2是本发明的实施例2结构示意图；
图3是本发明的实施例3结构示意图。
图中：10、风能采集系统；11、塔桶；11-1、塔桶底座；12、动力装置；12-1、机壳；12-2、动力轴；12-3、叶片轴；12-4、叶片；12-5、主动伞齿轮；12-6、离合器；13、动力传动装置；13-1、传动轴；13-2、第一被动伞齿轮；13-3、第二被动伞齿轮；13-4、第三被动伞齿轮；13-5、第二传动轴；20、空气压缩机；21、空气过滤器；22、第一高压输气管；30、空气净化装置；31、净化筒；32、第二高压输气管；33、单向阀；34、电控球阀；35、减压阀；40、压缩空气储能器；50、压缩空气膨胀机；60、发电机；70、热能回收系统；71、换热箱；72、水泵；73、储热介质箱；80、冷气回收系统；90、蜗轮增压热能回收系统；91、尾气蜗轮；92、进气蜗轮；93、空气过滤器；100、热气储存器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例1，请参阅图1，一种利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统，包括风能采集系统10、空气压缩机20、空气净化装置30、压缩空气储能器40、压缩空气膨胀机50以及发电机60；
其中，所述风能采集系统10包括塔桶11，安装在塔桶上端部的动力装置12，所述动力装置通过动力传动装置13连接空气压缩机20；所述动力装置12包括机壳12-1，垂直塔桶方向安装在机壳上的动力轴12-2，在动力轴通过离合器12-6连接叶片轴12-3，所述叶片轴的外端部安装叶片12-4，在机壳内所述动力轴上安装有主动伞齿轮12-5；所述动力传动装置13包括沿塔桶高度方向安装在塔桶内的传动轴13-1，所述传动轴的上端部安装有与主动伞齿轮啮合的第一被动伞齿轮13-2；所述传动的下端部安装第二被动伞齿轮13-3，所述第二被动伞齿轮啮合第三被动伞齿轮13-4，所述第三被动伞齿轮安装在第二传动轴13-5上，所述第二传动轴延伸出塔桶底座11-1，所述第二传动轴13-5连接空气压缩机20的动力轴，所述空气压缩机的进气口安装有过滤器21，所述空气压缩机的出气口通过第一高压输气管22连接空气净化装置30；
所述空气净化装置30包括数个串联的净化筒31，末级净化筒下端的出气口通过第二高压输气管32连接压缩空气储能器40的进气端；所述高压管路上设有单向阀33和电控球阀34；所述压缩空气储能器40的出气端安装有减压阀35，所述减压阀通过输气管连接空气压缩膨胀机50，所述空气压缩膨胀机的动力输出端连接发电机60，所述发电机连接于电网连接的配电柜；
还包括蜗轮增压热能回收系统90；所述蜗轮增压热能回收系统包括蜗轮增压器，所述蜗轮增压器的尾气蜗轮91的进气口连接空气压缩膨胀机排气口，尾气蜗轮的出气口连接排气尾管；蜗轮增加器的进气蜗轮92的进气口连接与大气连通的空气过滤器93；进气蜗轮的出气口通过耐热管路连接空气压缩膨胀机或者热气储存器100；由空气压缩膨胀机排气口排出的高压低温余气将推动尾气蜗轮工作，然后排出低温尾气，蜗轮增加器的进气蜗轮进气口连接与大气连通的空气过滤器吸入新鲜空气，经过进气蜗轮的压缩成为高温高压的热气，此时产生的热气可以与空气压缩膨胀机进气相连，提高压缩空气的膨胀系数，提高能量利用率，也可以连接热气储能器，高温高压的热气通过热气储存器进行储存热能，当需要是打开存储的热气可以直接输送至热气用户端，例如热风口。
实施例2，请参阅图2，还包括热能回收系统70，所述热能回收系统包括用于盛装换热介质的换热箱71，所述第一高压输气管22盘绕在换热箱内，所述换热箱连接提供介质循环的水泵72，换热箱的进水口连接换热介质；换热箱的出水口连接储热介质箱73；所述储热介质箱和换热箱之间的输水管路上安装有控制水泵工作状态的控制器；所述储热介质箱的出水口外连接用户单元。
实施例3，请参阅图3，还包括冷气回收系统80，所述冷气回收系统包括连接尾气蜗轮的出气口的排气尾管的冷气输送管路，所述冷气输送管路连接冷气用户单元。
本发明具有调峰效益，对电网安全性、稳定性增强以及供电质量提高带来的效益，且可以降低投资费用、减少排放；填谷效益，由于采用压缩空气蓄能使原来只能被丢弃的风电得以充分利用，提高了风电运行效益。因而新系统可进一步促进可再生能源发电的发展。
进一步来说本发明可以将风能直接转化为压缩空气输出和储存，以及收集产生高压空气时的热能；可以在发电的同时将多余的风能以压缩空气的形式储存起来并可以做到热电联产；可以在无风时利用储存的压缩空气转化成电能；本发明可以改变现有的风电布局为风气电水布局，优先发展分布式风压气动力驱动和储存系统，可以直接生产压缩空气，能够忽略风力发电-输送效率-电动机的占总效率30％-40％的损失，降低生产成本，减少有形化石资源变成无形的窒息的有毒气体的可能，该压缩空气的储能系统具有无限次循环和低污染特点，特别是利用可能的弃风或暂时无法消纳时风能制造并储存压缩空气，同时还可以制热，在有需求时利用压缩空气发电创造价值并可以制冷，满足众多用户多种需求。
本发明可以直接利用储气容器中的压缩空气给下游产业使用，例如，本综合系统实施例在污水处理厂使用时，通过本系统将风能转变成压缩空气，用压缩空气供给活性污泥细菌去消化污水中的有机质；也可以通过本综合系统将电网低谷期的电能代替风能获得压缩空气。
本发明作为间歇性、不确定性的可再生能源的利用和储存，低谷电力资源的储存和再利用，具有经济性、安全性、零排放和高效性，特别是在外部环境剧烈变化的条件下，可以长时间连续工作且具有较高的可靠性。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统，其特征在于：包括风能采集系统、空气压缩机、空气净化装置、压缩空气储能器、压缩空气膨胀机以及发电机；
其中，所述风能采集系统包括塔桶，安装在塔桶上端部的动力装置，所述动力装置通过动力传动装置连接空气压缩机；所述动力装置包括机壳，垂直塔桶方向安装在机壳上的动力轴，在动力轴通过离合器连接叶片轴，所述叶片轴的外端部安装叶片，在机壳内所述动力轴上安装有主动伞齿轮；
所述动力传动装置包括沿塔桶高度方向安装在塔桶内的传动轴，所述传动轴的上端部安装有与主动伞齿轮啮合的第一被动伞齿轮；所述传动的下端部安装第二被动伞齿轮，所述第二被动伞齿轮啮合第三被动伞齿轮，所述第三被动伞齿轮安装在第二传动轴上，所述第二传动轴延伸出塔桶底座，所述第二传动轴连接空气压缩机的动力轴；所述空气压缩机的进气口安装有过滤器，所述空气压缩机的出气口通过第一高压输气管连接空气净化装置；
所述空气净化装置包括数个串联的净化筒，末级净化筒下端的出气口通过第二高压输气管连接压缩空气储能器的进气端；所述高压管路上设有单向阀和电控球阀；所述压缩空气储能器的出气端安装有减压阀，所述减压阀通过输气管连接空气压缩膨胀机，所述空气压缩膨胀机的动力输出端连接发电机，所述发电机连接于电网连接的配电柜；
还包括蜗轮增压热能回收系统；所述蜗轮增压热能回收系统包括蜗轮增压器，所述蜗轮增压器的尾气蜗轮的进气口连接空气压缩膨胀机排气口，尾气蜗轮的出气口连接排气尾管；蜗轮增加器的进气蜗轮的进气口连接与大气连通的空气过滤器；进气蜗轮的出气口通过耐热管路连接空气压缩膨胀机或者热气储存器。
2.根据权利要求1所述的利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统，其特征在于：还包括热能回收系统，所述热能回收系统包括用于盛装换热介质的换热箱，所述第一高压输气管盘绕在换热箱内，所述换热箱连接提供介质循环的水泵，换热箱的进水口连接换热介质；换热箱的出水口连接储热介质箱；所述储热介质箱和换热箱之间的输水管路上安装有控制水泵工作状态的控制器；所述储热介质箱的出水口外连接用户单元。
3.根据权利要求1所述的利用风力收集压缩空气作为动力的发电系统，其特征在于：还包括冷气回收系统，所述冷气回收系统包括连接尾气蜗轮的出气口的排气尾管的冷气输送管路，所述冷气输送管路连接冷气用户单元。
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