CN110318950A - 一种风力压缩空气储能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种风力压缩空气储能发电系统，包括风机头部、设置在风机基础上的塔筒，所述风机头部与塔筒相连接，所述风机头部包括风机叶片、机舱、风力机主轴等；在所述机舱内，风力机主轴经弹性联轴器与空气压缩机相连接；所述空气压缩机的出气口通过连接管路与塔筒内的进气总管相连接；在所述塔筒内从上至下依次设有若干独立的储气室，各储气室均设有进气管、出气管以及安全阀，所述进气管与进气总管相连通，在所述进气管上设有进气控制阀，所述出气管与出气总管相连通，所述出气管上设有出气控制阀，所述出气总管与背压式汽轮机相连接。上述系统能解决风力发电的储能问题，又能解决风力发电波动大，电能质量不高的问题。

Description

一种风力压缩空气储能发电系统
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，尤其涉及一种风力压缩空气储能发电系统。
背景技术
近年来风电在全世界范围内发展迅速，但风力发电也因其输出功率随气象条件变化，发电不稳定且为间歇性等原因存在上网电量波动大、电能质量低等问题，又被人们贬低为“垃圾电”，造成其大面积的接入电网存在困难。近年来大规模的“弃风限电”严重影响了风电的发展。为了增强风力发电系统的稳定性，并保证对负荷的连续供电，使用风力发电储能技术显得越来越重要。储能技术在风力发电系统中的应用主要通过自身的储能方式，将转换而来的电能源进行存储。储能技术还可以保证电力系统中存储足够的电量，而在风力发电系统中电能不足时补偿使用，进而提高风力发电系统的稳定性。
压缩空气储能是指将低谷期、风电等不易储藏的电力用于压缩空气，将压缩后的高压空气密封在储气设施中，在需要时释放压缩空气推动透平发电的储能方式。目前，地下储气站采用报废矿井、沉降在海底的储气罐、山洞、过期油气井和新建储气井等多种模式，地上储气站采用高压的储气罐模式。
如图1所示，压缩空气储能一般包括五个主要部件：压气机d、燃烧室i及换热器、透平k、储气装置g(地下或地上洞穴或压力容器)、电动机/发电机b。其工作原理是：压气机d和透平k不同时工作，电动机与发电机共用一机。在储能时，压缩空气储能中的电动机耗用电能a，驱动压气机d压缩空气e并存于储气装置g中；放气发电过程中，高压空气从储气装置g释放，进入燃气轮机燃烧室i同燃料h一起燃烧后，驱动透平k带动发电机输出电能a。
上述压缩空气储能主要特点：容量在不断增大，运行方式灵活，启动时间短，污染物少，投资相对于抽水电站更少，但报废矿井、山洞、过期油气井或新建储气井中都需要一定的地质条件；而使用储气罐储存压缩空气则需要有体积庞大的储能装置，制造成本高，生产困难，所以至今无法推广使用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种风力压缩空气储能发电系统，其先将风能转化为空气压缩能储存在多个密封储气室中，再利用空气压缩能进行发电，以便解决风力发电的储能问题，又解决了风力发电波动大，电能质量不高的问题，能够促进风力发电更广泛的应用。
为了实现上述目的，本发明提出了一种风力压缩空气储能发电系统，包括风机头部、设置在风机基础上的塔筒，所述风机头部与塔筒相连接，所述风机头部包括风机叶片、轮毂、机舱、主轴承、风力机主轴、刹车机构、散热器、冷却风扇、风速仪风向标、控制系统、机架、偏航减速器、偏航轴承、机舱罩以及变桨系统；在所述机舱内，风力机主轴经弹性联轴器与空气压缩机相连接；所述空气压缩机的出气口通过连接管路与塔筒内的进气总管相连接；在所述塔筒内从上至下依次设有若干独立的储气室，各储气室均设有进气管、出气管以及安全阀，所述进气管与进气总管相连通，在所述进气管上设有进气控制阀，所述出气管与出气总管相连通，所述出气管上设有出气控制阀，所述出气总管与背压式汽轮机相连接。
优选的是，所述风力机主轴经弹性联轴器与设置于机舱内的齿轮箱相连接，所述齿轮箱与所述空气压缩机相连接。
优选的是，所述空气压缩机出气口与塔筒内进气总管的连接使用旋转接头进行连接，所述旋转接头的转动体安装于偏航轴承下端，随偏航系统一起旋转，所述旋转接头的上端通过管路连接空气压缩机的出气口；所述旋转接头的固定体与塔筒上端法兰固定，所述旋转接头的出气口与进气总管相连接。
优选的是，在所述进气管上依次设有进气控制阀和止回阀，其中所述止回阀靠近储气室。
优选的是，各储气室上还可设有卸荷阀、压力表和/或密封舱门。
优选的是，在靠近背压式汽轮机的出气总管上设有总控制阀。
优选的是，所述塔筒内设有工作通道。
优选的是，所述弹性联轴器包括相互配合的左半联轴器和右半联轴器，在所述左半联轴器的右端沿着圆周的方向设有若干凹槽或凸台，在所述右半联轴器的左端沿着圆周的方向设有若干凸台或凹槽，各凸台与各凹槽一一对应；所述凸台置于对应的凹槽内，所述凹槽内在凸台的两侧分别设有齿轮箱液压弹性支撑，所述凸台与对应的凹槽经由齿轮箱液压弹性支撑进行隔离，所述齿轮箱液压弹性支撑分别与所述凸台以及凹槽相连接；每个齿轮箱液压弹性支撑内注入有高压液体，各个凸台相同一侧的齿轮箱液压弹性支撑分别通过连接管路与第一均压管路相连通，并且各个凸台相同一侧的齿轮箱液压弹性支撑通过第一均压管路实现彼此连通，用于正/反向扭矩的传递；各个凸台相同另一侧的齿轮箱液压弹性支撑分别通过连接管路与第二均压管路相连通，并且各个凸台相同另一侧的齿轮箱液压弹性支撑通过第二均压管路实现彼此连通，用于反/正向扭矩的传递，所述第一均压管路和第二均压管路设置在所述弹性联轴器上；所述第一均压管路经设有第一阀门的管路与进液管路相连通，所述第二均压管路经设有第二阀门的管路与进液管路相连通，使得从进液管路进入的高压液体能够进入各齿轮箱液压弹性支撑内；所述进液管路上分别设有止回阀门以及进液端口，其中所述进液端口用于与充压设备相连接，所述止回阀门用于在充压后，对齿轮箱液压弹性支撑、第一均压管路以及第二均压管路进行密封。
优选的是，在所述左半联轴器的右端沿着圆周的方向均匀的设有若干凹槽或凸台，在所述右半联轴器的左端沿着圆周的方向均匀的设有若干凸台或凹槽，各凸台与各凹槽一一对应。
优选的是，所述进液管路上还设有压力表，所述压力表用于测量齿轮箱液压弹性支撑的压力。
本发明的该方案的有益效果在于上述风力压缩空气储能发电系统改变了现有的风力发电技术路线，将原来的风力发电路线：风力能---机械能---电能---并网，改变为：风能---机械能---空气压缩能(---储能)---机械能---电能---并网。该技术路线将储能技术直接应用于风力发电系统中，彻底改变了风力发电不稳、电能品质不好的问题，为大规模风电上网提供了新的技术。
本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统不用建立专门的压缩空气储气设施，每一个风力发电装置都能进行储能发电，同时利用该系统发出的电能更加稳定。该技术的应用将促进风力发电技术的进步，并极大改进风力发电的现状，使风力发电得到更大的发展。
附图说明
图1示出了现有技术中压缩空气储能的原理示意图。
图2示出了本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统的局部结构示意图。
图3示出了本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统的局部结构示意图。
图4示出了图3中M部的局部结构放大示意图。
图5示出了图3中N部的局部结构放大示意图。
图6示出了图4中的A向视图。
图7示出了图4中的B-B的截面结构示意图。
图8示出了本发明所涉及的弹性联轴器的结构示意图。
图9示出了本发明所涉及的弹性联轴器的加压原理示意图。
附图标记：a-电力，b-电动机/发电机，c-第一离合器，d-压气机，e-空气，f-压缩空气，g-储气装置，h-燃料，i-燃料室，k-透平，m-废气，n-第二离合器，1-风机叶片，2-风力机主轴，3-弹性联轴器，4-空气压缩机，5-机舱，6-进气总管，7-进气控制阀，8-储气室，9-出气控制阀，10-出气总管，11-塔筒，12-背压式汽轮机，13-风机基础，14-安全阀，15-卸荷阀，16-旋转接头，17-止回阀，18-压力表，19-横隔板，20-竖隔板，21-密封舱门，22-总控制阀，23-工作通道，24-连接管路，31-左半联轴器，32-凹槽，33-右半联轴器，34-凸台，35-齿轮箱液压弹性支撑，36-连接管路，371-第一均压管路，372-第二均压管路，38-进液管路，39-压力表，310-止回阀门，311-进液端口，312-液压泵，313-输送管路，314-控制阀门，315-注液端，316-第一阀门，317-第二阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图2-7所示，本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统包括风机头部、设置在风机基础13上的塔筒11，所述风机头部与塔筒11相连接，所述风机头部包括风机叶片1、轮毂、机舱5、主轴承、风力机主轴2、刹车机构、弹性联轴器3、空气压缩机4、散热器、冷却风扇、风速仪风向标、控制系统、机架、偏航减速器、偏航轴承、机舱罩以及变桨系统等。上述风机头部的结构使用现代大型风力发电机组(如：1.5MW双馈风力发电机组)的成熟技术，只是将风力发电机组后端的发电机更换为大型空气压缩机(如：550KW螺杆式空压机)，从而将风力发电改为风力压缩空气。上述风机头部的结构、控制与现代大型风力发电机组类似，仅是将后端能源转换从电能改为压缩空气的气压势能，能源转换方式为：风能—机械能—气压势能。
在所述机舱5内，风力机主轴2经弹性联轴器3与空气压缩机4相连接，所述风力机主轴2在风机叶片1的作用下可实现旋转运动。为了调节转速，所述风力机主轴2可以经弹性联轴器3与设置于机舱5内的齿轮箱相连接，所述齿轮箱与所述空气压缩机4相连接。
所述空气压缩机4的出气口通过连接管路24与塔筒11内的进气总管6相连接，具体的所述空气压缩机4出气口与塔筒11内进气总管6的连接可以使用超柔软管连接，也可使用旋转接头16连接。所述旋转接头16的转动体安装于偏航轴承下端，随偏航系统一起旋转，所述旋转接头16的上端通过管路连接空气压缩机4的出气口；所述旋转接头16的固定体与塔筒11上端法兰固定，所述旋转接头16的出气口与进气总管6相连接。
在所述塔筒11内从上至下依次设有若干独立的储气室8，具体的所述储气室8可以采用以下两种方式：
第一种：将塔筒11内部空间通过增加隔板的方式设计为多个独立储气室，各储气室可采取密封储能设计：在所述塔筒11内使用钢板焊接于塔筒11内部与塔筒11内壁构成储气室，横隔板19保证上下两面密封以及承力；竖隔板20与塔筒11内壁保证周向承力以及密封。
第二种：采用安装高压气囊等其他储能装置存储压缩空气，当安装高压气囊作为储气室时，每个高压气囊均与塔筒11内壁相连接。
各储气室8均设有进气管、出气管，所述进气管与进气总管6相连通，在所述进气管上依次设有进气控制阀7和止回阀17，其中所述止回阀17靠近储气室8；所述出气管与出气总管10相连通，所述出气管上设有出气控制阀9，所述出气总管10与背压式汽轮机12相连接，在靠近背压式汽轮机12的出气总管10上设有总控制阀22。各储气室8上还可以设有安全阀14、卸荷阀15、压力表18以及密封舱门21。压缩空气按控制经进气总管6以及进气管进入储气室8，并根据要求控制储气室8内的压缩空气通过出气管以及出气总管10排出；在存储压力超过设计值或需要维修检查时，排出压缩空气，保证整机安全。所述塔筒11内设有工作通道23，可进行各种电气安装、各种运行维护检查等。
所述背压式汽轮机12可安装于塔筒11内部，也可安装于塔筒11外部，与出气总管10相连，通过总控制阀22控制出气量的大小从而控制发电量。
本发明所涉及的弹性联轴器3的结构示意图如图8-9所示，其包括相互配合的左半联轴器31和右半联轴器33，所述左半联轴器31和右半联轴器33分别用于与风力机主轴2和空气压缩机4(或齿轮箱)相连接，在所述左半联轴器31的右端沿着圆周的方向均匀的设有若干凹槽32或凸台34，在所述右半联轴器33的左端沿着圆周的方向均匀的设有若干凸台34或凹槽32，各凸台34与各凹槽32一一对应。也就是说，若将所述左半联轴器31的右端的结构记作凹槽32时，则右半联轴器33的左端的结构为凸台34；若将左半联轴器31的右端的结构记作凸台34时，则右半联轴器33的左端的结构为凹槽32，二者是相对应的。
所述凸台34置于对应的凹槽32内，所述凹槽32内在凸台34的两侧分别设有齿轮箱液压弹性支撑35，所述凸台34与对应的凹槽32经由齿轮箱液压弹性支撑35进行隔离，所述齿轮箱液压弹性支撑35分别与所述凸台34以及凹槽32相连接。
每个齿轮箱液压弹性支撑35内注入有高压液体，高压液体管路分布如下：各个凸台34相同一侧的齿轮箱液压弹性支撑35分别通过连接管路36与第一均压管路371相连通，并且各个凸台34相同一侧的齿轮箱液压弹性支撑35通过第一均压管路371实现彼此连通，用于正/反向扭矩的传递；各个凸台34相同另一侧的齿轮箱液压弹性支撑35分别通过连接管路36与第二均压管路372相连通，并且各个凸台34相同另一侧的齿轮箱液压弹性支撑35通过第二均压管路372实现彼此连通，用于反/正向扭矩的传递，所述第一均压管路371和第二均压管路372设置在所述弹性联轴器3上；所述第一均压管路371经设有第一阀门316的管路与进液管路38相连通，所述第二均压管路372经设有第二阀门317的管路与进液管路38相连通，使得从进液管路38进入的高压液体能够进入各齿轮箱液压弹性支撑35内；所述进液管路38上分别设有压力表39、止回阀门310以及进液端口311，其中所述进液端口311用于与充压设备相连接，所述止回阀门310用于在充压后，对齿轮箱液压弹性支撑35、第一均压管路371以及第二均压管路372进行密封；所述压力表39用于测量齿轮箱液压弹性支撑35的压力，充压后可以取下。
所述高压液体管路可设置在所述弹性联轴器3的内部、外壁上或者端面处等位置，可以根据实际需要进行设置。
在本实施例中，所述充压设备包括液压泵312，所述液压泵312与输送管路313相连接，在所述输送管路313上设有控制阀门314，在所述输送管路313的末端设有注液端315，所述注液端315用于与所述进液端口311相配合使用。
当所述弹性联轴器3整体安装后，在使用之前，先用液压泵312通过管路进行预充压，充压值根据传递扭矩大小及扭转角度偏差进行调节；充压后，对齿轮箱液压弹性支撑35、第一均压管路371以及第二均压管路372进行密封，以保持预充压力不变。在使用过程中，第一均压管路371以及第二均压管路372可保证相应的齿轮箱液压弹性支撑35出力一致，通过压力表39进行测压，如果压力不够时，可进行补压。
本发明所涉及的弹性联轴器3通过向齿轮箱液压弹性支撑充高压液体，能够为风力机主轴2和空气压缩机4(或齿轮箱)之间提供足够的传递扭矩，使风力机主轴2和空气压缩机4(或齿轮箱)之间为弹性连接，所述齿轮箱液压弹性支撑起到减震、缓冲、补偿位移的作用，当弹性联轴器3传递的转矩增大时，相关齿轮箱液压弹性支撑之间会平衡压力。
本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统的工作原理如下：使用风力机主轴直接带动空气压缩机对空气进行压缩，并将压缩后的空气直接存储于塔筒内各级高压储气室中，各级高压储气室通过出气总管连接于背压式汽轮机，在需要发电时，控制各级储气室中的压缩空气推动背压式汽轮机进行发电。
本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统也改变了现有的风力发电技术路线，将原来的风力发电路线：风力能---机械能---电能---并网，改变为：风能---机械能---空气压缩能(---储能)---机械能---电能---并网。该技术路线将储能技术直接应用于风力发电系统中，彻底改变了风力发电不稳、电能品质不好的问题，为大规模风电上网提供了新的技术。
本发明所涉及的风力压缩空气储能发电系统不用建立专门的压缩空气储气设施，每一个风力发电装置都能进行储能发电，同时利用该系统发出的电能更加稳定。该技术的应用将促进风力发电技术的进步，并极大改进风力发电的现状，使风力发电得到更大的发展。

Claims (10)

1.一种风力压缩空气储能发电系统，包括风机头部、设置在风机基础上的塔筒，所述风机头部与塔筒相连接，所述风机头部包括风机叶片、轮毂、机舱、主轴承、风力机主轴、刹车机构、散热器、冷却风扇、风速仪风向标、控制系统、机架、偏航减速器、偏航轴承、机舱罩以及变桨系统；其特征在于：在所述机舱内，风力机主轴经弹性联轴器与空气压缩机相连接；所述空气压缩机的出气口通过连接管路与塔筒内的进气总管相连接；在所述塔筒内从上至下依次设有若干独立的储气室，各储气室均设有进气管、出气管以及安全阀，所述进气管与进气总管相连通，在所述进气管上设有进气控制阀，所述出气管与出气总管相连通，所述出气管上设有出气控制阀，所述出气总管与背压式汽轮机相连接。
2.根据权利要求1所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述风力机主轴经弹性联轴器与设置于机舱内的齿轮箱相连接，所述齿轮箱与所述空气压缩机相连接。
3.根据权利要求1或2所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述空气压缩机出气口与塔筒内进气总管的连接使用旋转接头进行连接，所述旋转接头的转动体安装于偏航轴承下端，随偏航系统一起旋转，所述旋转接头的上端通过管路连接空气压缩机的出气口；所述旋转接头的固定体与塔筒上端法兰固定，所述旋转接头的出气口与进气总管相连接。
4.根据权利要求1所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：在所述进气管上依次设有进气控制阀和止回阀，其中所述止回阀靠近储气室。
5.根据权利要求1所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：各储气室上还可设有卸荷阀、压力表和/或密封舱门。
6.根据权利要求1所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：在靠近背压式汽轮机的出气总管上设有总控制阀。
7.根据权利要求1所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述塔筒内设有工作通道。
8.根据权利要求1所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述弹性联轴器包括相互配合的左半联轴器和右半联轴器，在所述左半联轴器的右端沿着圆周的方向设有若干凹槽或凸台，在所述右半联轴器的左端沿着圆周的方向设有若干凸台或凹槽，各凸台与各凹槽一一对应；所述凸台置于对应的凹槽内，所述凹槽内在凸台的两侧分别设有齿轮箱液压弹性支撑，所述凸台与对应的凹槽经由齿轮箱液压弹性支撑进行隔离，所述齿轮箱液压弹性支撑分别与所述凸台以及凹槽相连接；每个齿轮箱液压弹性支撑内注入有高压液体，各个凸台相同一侧的齿轮箱液压弹性支撑分别通过连接管路与第一均压管路相连通，并且各个凸台相同一侧的齿轮箱液压弹性支撑通过第一均压管路实现彼此连通，用于正/反向扭矩的传递；各个凸台相同另一侧的齿轮箱液压弹性支撑分别通过连接管路与第二均压管路相连通，并且各个凸台相同另一侧的齿轮箱液压弹性支撑通过第二均压管路实现彼此连通，用于反/正向扭矩的传递，所述第一均压管路和第二均压管路设置在所述弹性联轴器上；所述第一均压管路经设有第一阀门的管路与进液管路相连通，所述第二均压管路经设有第二阀门的管路与进液管路相连通，使得从进液管路进入的高压液体能够进入各齿轮箱液压弹性支撑内；所述进液管路上分别设有止回阀门以及进液端口，其中所述进液端口用于与充压设备相连接，所述止回阀门用于在充压后，对齿轮箱液压弹性支撑、第一均压管路以及第二均压管路进行密封。
9.根据权利要求8所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：在所述左半联轴器的右端沿着圆周的方向均匀的设有若干凹槽或凸台，在所述右半联轴器的左端沿着圆周的方向均匀的设有若干凸台或凹槽，各凸台与各凹槽一一对应。
10.根据权利要求8或9所述的风力压缩空气储能发电系统，其特征在于：所述进液管路上还设有压力表，所述压力表用于测量齿轮箱液压弹性支撑的压力。
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CN112526170A (zh) * 2020-12-01 2021-03-19 方曼珊 风向标自调心校准装置

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