CN1860485A - 调整和稳定风能传递的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调整和稳定风能传递的方法，如传递到电力网，从而尽管存在风速波动和摆动时也避免了突然的波动和摆动。所述方法优选地使用多个风车站，包括许多直接使用站、能量储存站和混合站，其中，能量可以直接被电力网使用，而且当需求高或风可利用性低时能量可被储存来以后使用。所述方法考虑到形成能量传递计划，从而调整直接能量和来自于储存的能量的使用，该调整以每天的风速预报为基础，该预报有助于预测即将来临的一天的能产生的风能的可利用性水平。所述计划优选地在这一天中设置减少数量的恒定能量输出时期，在这些输出时期中的任一时期内，能量传递水平仍然基本恒定，尽管存在风速和风能可利用性水平的波动和摆动也是如此。

Description

调整和稳定风能传递的方法
技术领域
本发明涉及风能(wind generated energy)系统，尤其涉及一种调整和稳定风能传递的方法，如传递到电力网(power grid)。
发明背景
过去几十年以来，从自然资源如太阳和风生产能量已经成为这个国家的一个重要的目标。尝试减少对如来自于外国资源的石油的依赖已经成为一个重要的国家问题。能量专家担心，一些资源，包括石油、天然气和煤，可能在某一天会用完。由于这些关注，许多企图利用来自于被称为自然“可选”资源的能量的项目已经启动。
尽管太阳能可能是最广泛的已知可选资源，但是，同样存在利用来自于风的巨大能量的潜力。例如，风力农场(wind farm)已经在该国的许多地区建立，在这些地区风是自然吹起来的。在许多的这些应用中，修建了许多“面向”这些风的风车(windmill)。当风向着风车吹来时，产生旋转力并利用该旋转力驱动发电机从而由该发电机发电。该能量经常用于公共发电站的补充能量并由电力网分配。
当风条件相当稳定且是可预测的时候，风力农场最好运作。这样的条件使得稳定且可预知量的能量被产生并被供给，因此避免了相反地影响系统的起伏和摆动。然而，存在的困难是，根据风的真正属性，风是不可预知且不稳定的。在大多数情况下，风速、风的频率以及风的持续时间是相当地不同的，也就是说，在整个持续期内，内从来不会以相同的速度吹，而且风速自身会时刻地发生较大的变化。另外，因为风产生的能量在数学上是风速立方的函数，所以甚至在风速存在最轻微的起伏或摆动时也会导致风产生的能量不成比例地变化。例如，在风速上的三倍变化(增加或减少)会导致风产生的能量发生二十七倍的变化，也就是3的立方等于27。
而这一点在风力农场传递能量到电力网的情况下是尤其重要的，因为这样的电力网是一个由多个更小的网组成的巨大网。在一个地区的突然起伏会扰乱其他地区，而且在某些情况下甚至会破坏整个系统。由于这些问题，风力农场电输出经常很难处理，而且还会引起整个系统的问题。
与风起伏和摆动相关的另一个问题涉及电力网中输送线路的峰值功率灵敏性。当风速波动重大且产生基本的风能输出波动时，系统必须设计成能解决这些变化，这样以便于系统具有充足的输电线容量来承受功率波动和摆动。同时，如果太多考虑这些峰值功率输出，该系统可能会结束保守设计，也就是说，如果系统被设计成在小的百分比时期内承受波动，那么在更大百分比时期内的电力网容量不会被有效地使用。
另一个相关的问题是在某些环境下与风的存在或风速很低相关的风能暂时丧失问题。当这种问题发生时，在风能供给上就会存在间隙，这对整个电力网输出是有害的。当大的风力农场使用时，这是特别重要的，其中该风力农场更加依赖于风能的存在补偿峰值需求时期。
由于这些问题，过去已经尝试过储存由风产生的能量，以便于风能可以在峰值需求时期和/或少风与无风存在时期使用，也就是说从最可以利用时期时移能量到最需要的时期。然而，这些过去的系统并不能以可靠而稳定的方式来实施。过去的尝试并不能减少无效率和存在的困难以及上面讨论的波动和摆动问题，而这些问题是在持续期内使用风作为能源所固有的。
尽管这些问题，由于风是重要的绝对不会用完的自然资源，而且在全世界许多地方经常是很丰富的，所以还是希望发展一种利用风产生的能量的方法，该方法利用风产生的能量提供电能，以这样的方式不仅允许能量被储存，而且也使得可以调整、管理和稳定能量到电力网的传递，由此消除了风能波动和摆动，而且同时在传递前填补了风能间隙，这样也就消除了相反地影响电力网的波动和摆动。
发明内容
本发明涉及一种利用和储存风能并有效地调整、管理和稳定能量传递的方法，该方法是以这样的方式实现的，通过消除和稳定能量到电力网的传递，并避免会相反地影响能量传递系统的突然波动和摆动，从而减少和避免了风能的波动和摆动。本方法通常包括这样一个过程：利用每天的风预报和推测来预先考虑即将来临的一天的风条件和特征，然后使用这些数据有效地计划和发展传递计划表，目标是在输出到电力网的风能水平可以在即将来临的24小时内保持稳定的地方，使该系统能提供最长的可能时间。在这方面，本系统考虑使用不同类型的能量产生系统，包括可以储存能量为以后使用的系统和控制系统，该控制系统可以确定多少能量被储存以及多少能量在任何指定的时间由储存中获得来使用。
一方面，本系统包括风车站，这些风车站致力于不同的用途以确定产生多少风能。第一类这些风车站致力于产生被电力网或社区直接或立即使用的能量(在下文中被称为“直接使用站”)。第二类这些风车站致力于使用压缩空气能量系统储存能量(在下文中被称为“能量储存站”)。第三类这些风车站可以在前两者之间转换(在下文中被称为“混合站”)。该系统优选地设计成具有预定数量和比率的每种类型风车站，使得该系统在产生适当量的用于直接使用的能量和任何指定时间的储存时既经济又能量有效。这些系统优选地用于社区和/或送到现存的电力网，在这些社区需要大量的风车站即风力农场，如此以便于来自于该系统的能量可以用于补充传统的能源。
每个直接使用站优选地具有一个水平轴风轮机(HAWT)和一个位于风车机舱中的发电机，如此以便于由风引起的旋转运动直接通过发电机转换成电能。例如，通过直接连接发电机到风轮机旋转轴上就可以实现这种转换，如此以便于来自于风的机械能直接驱动发电机。通过将发电机位于风车轴上的齿轮箱的下游，并直接使用风车的机械能，从而可以避免通常由其它类型排列引起的能量损失。
依据将机械旋转能以旋转机械能的形式从高于地面的机舱带下到地面上来说，所述能量储存站是更加复杂的。同样，每个能量储存站与一个压缩机以如下的形式连接，即以将风能直接转换成压缩空气能的形式连接。每个能量储存站的水平方向风轮机优选地具有一个水平轴，该水平轴与一个第一齿轮箱连接，该第一齿轮箱连接到垂直轴上，该垂直轴沿所述风车塔向下延伸，依次地该垂直轴连接到一个第二齿轮箱上，该第二齿轮箱连接到位于地面上的另一个水平轴上。然后，所述的低的水平轴连接到所述压缩机上，这样，来自于风的机械能可以直接转换成压缩空气能并被储存。
所述来自于每个能量储存站的压缩空气优选地引导进行一个或多个高压储存箱或管道储存系统，在这些储存处所述压缩空气可以被储存。储存压缩空气允许来自于风的能量被储存持续期。通过这样的方式储存能量，所述压缩空气可以在适当的时候通过涡轮膨胀机释放和膨胀，如此当极少风或无风可利用时和/或在峰值需求时。然后，所述释放和膨胀的空气可以驱动发电机，这样来自于风的能量就可以根据所需求的时期而用于产生电能，也就是说，确切需要电的时间可以与风确切吹起的时间一致，也可以与风确切吹起的时间不一致。
本发明考虑了可以设计储存箱、管道系统和/或相关的元件以及它们的组合来吸收和释放热，从而维持所储存的空气在相当稳定的温度，甚至在压缩和膨胀期间也如此。例如，当使用大的储存箱时，优选的实施例包括使用由管道组成的热传递系统，这些管道延伸穿过每个箱的内部，其中热传递液体(如防冻剂)可以穿过管道而进行分配，从而提供成本效率的方法来保持箱体中的温度在相当稳定的状态。
本系统同样可以结合其它加热系统，这样的系统包括设置有储存箱的加热装置，该储存箱可以帮助产生另外的热能和压力能，而且该系统提供了一个装置，使用该装置，可以防止所述膨胀空气冻结。选择性地，本发明也考虑联合使用太阳热、来自于压缩机的废热、燃烧器和低值化石燃料能等来提供必须的热，从而提高储存箱中的压缩空气的温度和压力。本系统同样考虑可以使用从涡轮膨胀机排出的由所述压缩空气膨胀产生的冷空气作为其它的冷却用途，也就是说，如在夏季期间空气调节服务是需要的。
还可见的是，上面讨论的直接使用站可以用于直接从风车站产生电而直接传递到电力网。另一方面，可见的是，可以使用能量储存站来时移风能的传递，从而使得即使在与风确切吹起的时间不一致的时候，也就是说，甚至在没有风吹起的时候和/或峰值需求期间，风能也可以也是可利用的。尽管存在风速波动和摆动，通过调整和管理从不同站到电力网的能量流，这些站的调整和使用使得现行系统以稳定的方式提供了持续和不间断的能量到电力网。
本系统优选地包含混合风车站，这些站可以在直接使用能和储存能之间按规格改制和转换，也就是说，可以使用一个开关来确定用于直接使用和储存的能量水平。在这样的情况下，用于直接使用的能量和用于储存的能量之间的比率可以通过进行一定的调整来进一步改变，即如通过使用位于混合站上的离合器和齿轮，如此以便于提供适当量的每种能量。这就使得混合站可以在实际的任何时候按规格改制成一指定的实际应用，从而允许系统根据任何指定时候的风可利用性和能量需求来提供适当量的用于直接使用和储存的能量。
使用这三种类型的风车站，本系统能够更好地分配风能以直接传递到电力网或能量储存和使用，这可以根据风条件和电力网的需求来确定。也就是说，混合站可以结合直接使用站和能量储存站使用，从而提供适当比率的能量，这些能量使得大的风力农场以更加复杂和专用的形式被设计，如，以便于适当量的能量在适当的时候被传递到电力网，从而满足了系统的特定需求。简而言之，综合使用三种类型的风车站使得一个系统更加特定适用和专用，从而可以更长期地提供能量的恒定供给。
在任何特定位置的风模式会时刻变化，即每个季节、每个月、而且更重要地每天、每时和每分都在变化。因此，这些波动和摆动必须结合系统的能量储存来处理，以便于以更恒定的比率提供持续的能量。
本发明考虑了从特定地区所获得的每天风预报来设想每个即将来临的一天的风条件和风特征，其中风力农场位于这些地区。这些风预报打算以最近的天气预报技术为基础，而这些技术可用于尽可能地使确切期望的风条件接近于即将来临的24小时的进程。尽管这些预报并不会完全准确，但是它们提供了非常近似的期望风条件，这对于计划和发展风传递计划表是足够的，这将使得系统可以持续地运作。
一旦获得了每天的预报，本方法就考虑使用这些数据在预报的基石上计算即将来临的一天的能量传递计划表，其目标是产生更长的可能时间，在该时间内风能输出到电力网的水平可以保持恒定。例如，在优选的实施例中，可以期望的是，在任何指定的一天内，不会有多于大约三次恒定能量输出时期，如此将会存在少于三次的能量输出比率变化(尽管达到7次能量输出比率变化，或如果必要可以提供这样的恒定能量时期)，该能量输出在任何指定的一天供给电力网。通过使系统提供更长的风能输出恒定时间，本系统使能量波动和摆动被减少，而且在某些情况下两者一起被消除，这样的波动和摆动如由风速波动和摆动引起。
每天计划表计划和执行的方式使用了上面讨论的风车站以及一个用于控制储存的能量和由储存所获得的使用的能量的阀控制系统。该系统考虑能够控制在任何指定时间内风能输出水平量，这可以使用适当数量的直接使用站和能量储存站来产生能量以及转换适当数量的混合站而进行控制。然后，该系统也考虑了及时在任何指定时间控制多少能量被直接供给电力网以及多少能量使用压缩机和膨胀机通过能量储存来提供。以持续更新风预报为基础，所述控制对于维持适当水平的能量储存同样是必须的，从而所述系统不会用完所储存的能量。以风预报为基础，在任何指定的一天内预测在储存时对于其它能量的需要(如当期望在即将来临的24小时内所需要的电可以超过供给的电时)以及不需要的时间(如当期望在接下来的24小时内存在足够的风提供直接的能量时)是可能的。
附图说明
图1a显示了一个水平轴风轮机系统的流程图，该系统致力于产生用于直接使用的能量；
图1b显示了一个改进的水平轴风轮机系统的流程图，该系统致力于在一个压缩空气能量系统中储存能量；
图2a显示了一个混合水平轴风轮机系统的流程图，该系统用于在直接使用和能量储存之间产生电；
图2b显示了一个压力释放阀系统的例子；
图3显示了堪萨斯州在1996年11月份的风矩形图(windhistogram)；
图4显示了同样在堪萨斯州的1996年11月1日到6日期间的六天的每天的风的变化曲线图；
图5显示了Nordex N50/800与计算机模式之间的对比；
图6包含了两个图表，显示了1996年11月1日的两种可能的传递计划(schedule)；
图7a包含了两个图表，显示了直接使用和能量储存之间的比率为87/13，所述上图表将恒定的输出时期与风/能量可利用曲线进行了对比，而所述下图表将恒定输出时期与供给储存的能量进行了对比，这两个图表都是1996年11月1日那天的；
图7b包含了两个图表，所述上图表显示了随时间变化所储存能量的变化，而所述下图表显示了储存时的压力和温度曲线，这两个图表都是1996年11月1日那天的；
图8a包含了两个图表，这两个图表是1996年11月5日在同一地方的图表，显示了直接使用和能量储存之间的比率为60/40，所述上图表将恒定的输出时期与风/能量可利用曲线进行了对比，而所述下图表将恒定输出时期与供给储存的能量进行了对比；
图8b包含了1996年11月5日的两个图表，所述上图表显示了随时间变化所储存能量的变化，而所述下图表显示了储存时的压力和温度曲线；
图9a包含了1996年11月6日在同一地方的两个图表，显示了直接使用和能量储存之间的比率为50/50，所述上图表将恒定的输出时期与风/能量可利用曲线进行了对比，而所述下图表将恒定输出时期与供给储存的能量进行了对比；
图9b包含了1996年11月6日的两个图表，所述上图表显示了随时间变化所储存能量的变化，而所述下图表显示了储存时的压力和温度曲线；和
图10是一个显示三天的每天传递计划的图表，该图表指示了以混合站的设置为基础的直接使用和能量储存的可操作风车的数量，以及每天所使用的储存箱的数量和每天发电的成本。
具体实施方式
本发明的设备部分包括三种不同类型的风车站，包括具有水平轴风轮机的第一类、具有水平轴风轮机的第二类以及第三类，其中第一类的风轮机使用发电机将旋转机械能转换成电能，并将电能直接使用(在下文中第一类被称为“直接使用站”)，而其中第二类的风轮机将机械旋转能转换成压缩空气能以便于能量储存(在下文中第二类被称为“能量储存站”)，另外第三类在一个单一的风车站合并了前述两种的类型特征，该风车站具有将机械旋转能转换成电能以便于直接使用和/或能量储存的能力(在下文中第三类被称为“混合站”)。本系统被设计来使用和调整上述的三种类型风车站，以便于风能的预定部分可以用于直接使用的能量，而能量的又一预定部分可以用于能量储存。
下述讨论描述了这三种类型风车站的每一种，紧接着描述了怎样调整风车站用于任何指定的应用：
A.直接使用站
图1a显示了直接使用站的示意流程图。该图显示了由风车产生的机械旋转能怎样转换成电能并作为电能供给直接使用。当直接转换时，来自于风的能量可以更有效地转换成电能，例如，当风吹到风车叶片直接发电时，通过直接利用由风引起的机械旋转运动可以强化风产生能系统的效率。
与用于产生电能的传统风车装置一样，本发明考虑到，每个直接使用站将包括一个风车塔，一个水平轴风轮机位于该风车塔上。该塔优选地竖立起来以定位风轮机在预定的高度，而且每个风轮机优选地面向风以最大化风截取面积，同样也最大化所述站的风能转换效率。风轮机，如由不同制造商所制造的风轮机，可以安装在所述塔顶上，而所述的风车叶片或叶扇定位为环绕水平定位的旋转轴。
在该实施例中，一个齿轮箱和发电机优选地位于所述风车的机舱中，这样所述轴的机械旋转能可以直接驱动发电机产生电能。通过将发电机利用一齿轮箱直接定位在所述轴上，机械能可以更加有效地转换成电能。然后，所述电能可以利用电线沿塔向下传输，该电线可以连接到其它电线或电缆上，而这些电线或电缆可以从直接使用站将电导流到电力网或其它用户。
本发明考虑到，直接使用站将用于与其它风车站连接，而这些其它风车站能储存风能以便于以后的使用，如在下面更详细描述的那样。如上面讨论的那样，这是因为风通常是不可靠且不可预测的，而且因此，只有直接使用站供给能量来直接使用不能使该系统用于以恒定的比率提供电力输出。因此，本发明考虑到，在安装有多个风车站的风力农场使用中，同样应当安装和使用其它的能量储存站。
B.能量储存站
图1b显示了能量储存风车站的示意流程图。该站优选地包括传统风车塔和水平轴风轮机，如上面讨论的那样，风轮机与直接使用站连接。同样，风轮机优选地位于所述风车塔顶上，而且可以面向风，如前面设计中的那样。一个旋转轴同样从所述风轮机延伸出以便于传送能量。
然而，与前面设计不一样，在该实施例中，来自于风的能量优选地在风车塔的基部被输出而用于能量储存。如图1b所示的那样，第一齿轮箱优选地位于风车机舱中邻近风轮机，该齿轮箱可以传递所述水平驱动轴的旋转运动到达垂直轴，该垂直轴沿风车塔向下延伸。在所述塔的基部，优选地存在第二个齿轮箱，该齿轮箱被设计来将所述垂直轴的旋转运动传递到另一个位于地面上的水平轴，该水平轴与一个压缩机连接。因此，来自于塔顶的风轮机的机械旋转能可以沿塔向下传递并直接通过位于塔基部或附近某处的压缩机来转换成压缩空气能。在压缩机中的机械发动机迫使压缩空气能进入一个或多个位于地面上的高压储存箱或管道系统。对于该排列，每个能量储存站可以直接将机械风能转换成压缩空气能，该压缩空气能可以储存以为了以后使用，如在峰值需求时期和/或少风或无风可用的时期。
本系统的能量储存部分优选地包括用于储存压缩空气能的装置，如储存箱或管道系统。对于其它关于储存箱、加热以及其它设备和方法的信息，可以参考2002年10月4日递交的序列号为No.10/263848的美国申请，其中的设备和方法可以结合本发明一起使用。而对于其它关于用于储存和输送风能的管道系统的信息，可以参考2003年5月30日由申请人递交的标题为“A Method of Storing and TransportingWind Generated Energy Using a Pipeline System”的美国临时申请以及2004年6月1日递交的相关的非临时申请，其中的管道系统可以结合本发明一起使用。所述的储存设备优选地定位为靠近能量储存站，如此以便于所述压缩空气可以输送储存而没有重大的压力损失。
可以使用不同尺寸的储存设备。本系统考虑到，所述储存设备的尺寸可以以涉及若干因素的计算为基础。例如，如将要讨论的那样，所述储存设备的容积尺寸可以依据所安装的能量储存站和直接使用站的数量和比率以及其它因素而定，如所选择风轮机的尺寸和生产量、所选择压缩机的能力、风的可利用性、能量需求程度等。
可以使用许多传统装置的任一个，这些传统装置将压缩空气能转换成电能。在优选的实施例中，使用一个或多个涡轮膨胀机来从储存中释放所述压缩空气，从而产生高速空气流，该空气流可以用于供给一个发电机以能量来产生电能。然后，可以使用该电补充由直接使用站供给的能量。无论何时需要风能，该系统都被设计成允许储存箱中的压缩空气通过所述涡轮膨胀机被释放。如图1b所示，所述涡轮膨胀机优选地将能量引流到一个交流发电机，该发电机连接到一个交流到直流转换器上，而该转换器又紧连着直流到交流反用换流器上，然后由一个调节器紧连着以使阻抗与用户电路匹配。
本发明考虑到，所述储存设备被设计成吸收和释放热量来维持所储存空气在相当恒定的温度下，甚至在压缩和膨胀期间也是如此。例如，当使用大的储存箱时，所述优选实施例包括使用一热传递系统，该系统由薄壁管道组成，这些管道穿过每个箱的内部而延伸，其中热传递液体(如防冻液)或以穿过管道而分配，从而提供成本有效的方法来保持箱中的温度相当恒定。所述管道优选地包括了箱体内部总面积的近1％和铜或碳钢材料。它们也优选地包含了抗冻液，该抗冻液穿过所述储存箱的内部而分配，其中所述管道起着一个热交换器的作用，而热交换器是热惯性系统的部分。所述储存箱优选地由绝缘材料衬里，从而防止内部的热损失。
本系统也可以包含其它热系统，这些热系统包括热装置，而该热装置可以设置在储存箱的顶上和内部，该储存箱可以有助于产生其它热和压力能量，而且本系统也提供一装置，使用该装置可以防止膨胀空气冻结。尽管不是在优选的系统中，在某些情况下，本发明可以联合使用太阳热、来自于压缩机的废热、燃烧器、低值矿石燃料能等，从而提供必要的热来提高储存箱中压缩空气的温度和压力。本系统也考虑到，由从涡轮膨胀机排出的压缩空气的膨胀产生的冷空气可以用于其它冷却用途，即如在夏季时在空气调节服务被需求的地方。
C.混合站
图2a显示了混合站。所述混合站本质上是一个单一的风车站，该风车站包括一定的成分的直接使用站和能量储存站，其中具有一个机械能分开机构，该机构允许风能在直接使用的电能和储存的能量之间分配，这根据系统的需要而定。
与上面讨论的两种站相同，一个传统的风车塔优选地竖立着，在该风车塔上设置有一传统的水平轴风轮机。所述风轮机优选地包括水平旋转轴，该轴具有直接输送机械能到转换器的能力。
与能量储存站相同，采用该混合站以便于风能可以在风车塔基部输出而获取。如图2a示意性显示的那样，所述风轮机具有旋转驱动轴，该轴与位于风车机舱中的第一齿轮箱连接，其中，所述轴的水平旋转运动可以被传送到垂直轴，该垂直轴沿所述塔向下延伸。在所述塔的基部，优选地存在第二齿轮箱，该齿轮箱被设计来输送所述垂直轴的旋转运动到位于基部的另一水平轴。
如图2a所示，在这一点上，可以设置一个机械能分配器。该分配器在下面将更详细地说明，它被设置以用来分开低的水平轴的机械旋转能，以便于适当量的风能可以传送到所期望的下游转换器，即可以调整分配器以传送能量到发电机以便于直接使用，和/或传送能量到压缩机以便于能量储存。
从机械分配器的下游，所述混合站优选地在一方面具有与发电机的机械连接，而在另一方面具有与压缩机的机械连接。当机械分配器完全转换到发电机时，所述来自于低的水平轴的机械旋转能通过齿轮轴直接传送到发电机。这就使得发电机能有效而直接地转换机械能到电能，而且电能将被传送到用户直接使用。
在另一方面，当机械分配器完全转换到压缩机时，来自于低的水平轴的机械旋转能直接传送到压缩机，从而使得压缩空气能被储存，如在一个高压储存箱中。依据由混合站产生的机械能意图直接转换成压缩空气能，所述混合站的该部分优选地与能量储存站的成分基本相似，其中，所储存的能量可以在适当的时候利用一个或多个涡轮膨胀机释放。与前面的实施例相同，优选地将一个高压储存箱或管道系统定位在风车站附近，从而便于所述压缩空气能有效地储存在箱体中为了以后使用。
如将要讨论的那样，所述混合站优选地包含在大的风力农场应用中，而且与其它用于直接使用和能量储存的站一起安装。在这样的情况下，在每个混合站上的压缩机可以连接到中心定位的储存设备上，如此以便于多个能量储存站和混合站可以将压缩空气引流进入储存设备中。实际上，可以设计所述系统以便于所有的混合站和能量储存站可以与一个单一储存设备连接。
所述机械能分配器可以包括多个齿轮和离合器，如此以便于机械能可以直接传送到转换器，其中机械分配器被采用来在用于直接使用的能量与储存能量之间分开机械能。在一个实施例中，所述机械分配器包括一个大的齿轮连接到低的水平驱动轴上，该驱动轴从所述站的底部延伸出去与其它驱动齿轮合并，这些驱动齿轮可以与大齿轮接合和啮合。第一离合器优选地控制每个其它驱动齿轮以移动它们从第一状态到第二状态，而且反之亦然，其中第一状态与大齿轮接合(和啮合)，而第二状态则引起它们不与大齿轮接合。这样，通过操作第一离合器，就可以使适当数量的其它驱动齿轮与大齿轮接合(和啮合)，依据所期望的机械能从低的驱动轴到转换器的分配而定。
例如，一个系统可以具有一个大齿轮和五个其它驱动齿轮，其中，第一离合器可以用于使大齿轮在任何时候与其它驱动齿轮的一个、两个、三个、四个或五个接合。在这样的情况下，第一离合器可以控制多少个其它驱动齿轮被启动并因此能被大齿轮(该大齿轮由低的水平驱动轴驱动)驱动，从而确定传送到适当的能量转换器的机械能的比率。也就是说，如果所有五个其它驱动齿轮都与大齿轮接合，这五个其它驱动齿轮的每个将能传送五分之一或20％的全部机械能到能量转换器。如果只有三个其它驱动齿轮与大齿轮接合，那么每个接合的其它驱动齿轮将会传送三分之一或33.3％的由风车产生机械能。如果两个驱动齿轮与大齿轮接合，每个将传送一半或50％的传送能量，等等。
本发明的机械分配器优选地具有一个第二离合器，该离合器使得每个其它驱动齿轮连接到一个发电机(该发电机产生能量来直接使用)或一个空气压缩机(该压缩机产生压缩空气能用于能量储存)的下游。因此，通过调整第二离合器，从大齿轮传递到任一其它驱动齿轮的机械能可以直接到达发电机或压缩机。这就使得由风车站供给的机械能量在单独和可调整的基础在直接使用和能量储存之间被分配。也就是说，分配到每类能量转换器的能量可以依靠调整来进行分配，该调整是通过两个离合器来实现的，这两个离合器确定了多少个其它驱动齿轮与大齿轮接合，而每个与其它驱动齿轮接合的能量转换器都与这两个离合器连接。这些连接到所述发电机的齿轮将产生能量以直接使用，而那些连接到所述压缩机上的齿轮将产生能量用于储存。
在上述的基础上，可见的是，通过调整机械能分配器机构的两个离合器，就可以调整和分配多少用于直接使用的能量和能量储存。例如，如果期望40％的机械能分配用于直接使用，而60％的机械能分配用于储存，那么第一离合器可以用于促成所有五个其它驱动齿轮与大齿轮接合，而且同时，第二离合器可以用于促成五个中的两个其它驱动齿轮(每个提供20％的能量或总共提供40％的能量)与发电机连接，而五个中的三个其它驱动齿轮(每个提供20％的能量或总共提供60％的能量)与压缩机连接。这样，所述机械分配器就可以分别地按预定的40/60的比率分开机械能并在直接使用和能量储存之间分配机械能。
在另一个例子中，使用了相同的系统，如果期望所有的机械能都分配到直接使用，那么第一离合器可以用于促成大齿轮仅与其它驱动齿轮的其中之一接合，而第二离合器可以用于促成使这一个接合的其它驱动齿轮与发电机连接，即以便于由风车站所产生所有的机械能将被传送到直接使用。同样，如果期望所有的机械能都分配到能量储存，那么第二离合器可以用于使这一个接合的其它驱动齿轮与压缩机连接，即以便于由风车站所产生所有的机械能将被传送而用于储存。
本系统考虑到，可以提供任一数量的其它驱动齿轮来改变可以分开机械能到何种程度。然而，也考虑到，具有五个其它驱动齿轮将同样提供足够的灵活性来让混合站可以在大多数情况下可运作。对于这五个其它驱动齿轮，可以提供下列的比率：50/50、33.33/66.66、66.66/33.33、20/80、40/60、60/40、80/20、100/0和0/100。
由于在机械能分配器上使用离合器，每个混合站可以在一天中的不同时刻进行调整以在直接使用和能量储存之间供给不同比率的能量。如将要讨论的那样，根据能量需求和风可用性预报，考虑到这些不同的比率对于在整个持续期内提供恒定量的能量到用户是必须的，尽管在风条件是不可靠和不可预测时也是如此。该系统被设计成使得这些比率容易调节。同样也考虑了其它用于分开能量的系统。
D.控制和阀机构
本系统优选地包括一个系统，该系统控制了风车站的运作、混合站上的离合器、导流入储存和导流出储存的压缩空气的量、压缩机的操作、涡轮膨胀机的操作等。所述控制系统优选地能够设置将在任何指定时间运作的风车站的总数量，包括多少直接使用站运作、多少能量储存站运作、以及多少混合站在直接使用模式下运作、而多少混合站在能量储存模式下运作。这样，在任何指定时间由系统供给的总能量、以及能量怎样在直接使用和能量储存之间分配，这些都可能精确地被控制和调整。
例如，如果一个系统具有50个风车站的总量，其中20个风车站直接使用、20个风车站能量储存、10个为混合站，那么操作者一方面可以确定多少个站将用于直接使用，而另一方面也可以确定多少个站将用于能量储存，这可以通过如下操作来实现，即使用控制系统来确定多少个直接使用站和能量储存站将处于运作状态、而又有多少个混合站将设置为直接使用模式或能量储存模式。例如，如果对于特定时期需要来自于28直接使用风车站的能量，那样该系统可以运行所有的20个直接使用站，并且转换10个混合站中的8个为直接使用模式。同时，如果在该同一时期仅需要16个能量储存站，那么所有的能量储存站中的16个可以处于运作状态，而其它4个能量储存站可以关闭，或者由这4个能量储存站供给的能量可以断开或放出。
所述控制系统同样优选地设计成能够维持储存的压缩空气能的水平在适当水平，这可以通过控制进出储存的压缩空气流来实现。压缩空气通过压缩机导入储存而通过涡轮膨胀机从储存释放。
与图2b所示的一样，在释放端可以设置一个阀系统以允许预定量的压缩空气在任何指定的时间通过涡轮膨胀机释放。图2b显示了一个储存箱的例子，该储存箱具有三个连接器，这三个连接器与三个涡轮膨胀机连接，其中使用阀就可以分配适当量的空气穿过这些涡轮膨胀机。该图显示了5个不同的阀序列，每个序列与储存箱中的特定压力量相关。
阀序列A与600psig相称。根据该序列，只有阀3和阀5关闭而其它所有的阀则打开。在这样的情况下，穿过阀1的空气流进入第一涡轮膨胀机，并可利用第一交流发电机转换成电能。同样，因为阀2和阀4是打开的，一些压缩空气进入第二和第三涡轮膨胀机，并可利用第二和第三交流发电机转换成电能。因为阀3和5是关闭的，仅有穿过阀1的空气流被使用。
阀序列B与300psig相称。根据该序列，只有阀3是打开的，而其它阀即1和5则关闭。在这样的情况下，穿过阀3的空气流进入第二涡轮膨胀机，并可利用第二交流发电机转换成电能。同样，因为阀2和阀4是关闭的，一些压缩空气进入第三涡轮膨胀机，并可利用第三交流发电机转换成电能。因为阀1和2是关闭的，所以第一交流发电机没有使用。
阀序列C与100psig相称。根据该序列，只有一个阀即阀5打开。在这样的情况下，穿过阀5的空气流进入第三涡轮膨胀机，并可利用第三交流发电机转换成电能。所述第一和第二交流发电机没有使用。
当储存箱中没有压力(见阀序列D)时，所有的阀都关闭，在这样的情况下，从压缩机导入储存箱中的压缩空气能随着时间增大，从而增加箱中的压力。连同压缩机一起，使用相同的控制系统使箱被填充，即确定压缩空气通过压缩机将进入储存的比率。所述控制系统优选地使箱中的压力量被维持和缓和。
所述控制系统同样被用于操作热交换器，该热交换器用于帮助控制箱中的空气温度。所述控制系统确定了在任何指定的时间哪些热交换器被使用，以及这些热交换器应当提供多少热给储存箱中的压缩空气。
所述控制系统优选地具有一个预先被编程的微处理器，从而便于所述系统可以以为该系统准备的输入数据为基础自动运行，如将讨论的那样。本发明考虑到，可以发展和安装一个包括直接使用站、能量储存站和混合站的完整系统，其中根据按意图使用的区域而设置在该系统上的需求，可以确定在任一时间预定数量的直接使用站、能量储存站和混合站处于运行状态。这就使本系统被定制和改装以容纳这一年中不同时期的不同的风预报，其中风条件可以大大地变化。
E.方法
现在将用一个例子来讨论本方法，该讨论以在堪萨斯州的一个地区所获得的1996年11月的实际风条件为基础，该风条件数据由堪萨斯州Wind Power LLC提供。这一时期被选择是因为它包括了风的变化曲线，而该风变化曲线变化足够以显示本方法怎样在不同的环境中使用。
图3显示了该地区的通常被称为风矩形图的情况。该图表示了在一个实际位置所获得的实际风变化曲线。总之，该图显示了1996年11月期间风达到一定速度的时间平均数和出现的平均次数(此时是以每小时的间隔来测量的)。所述风变化曲线被设置以使一个研究能进行，该研究包括在指定位置的任一指定时间期间从一年的一季到另一季的平均风速。
例如，该信息可以用于帮助规划整年的解决方案，该解决方案可以以由这些研究提出的最好和最块情景为基础。图3显示了对于任一特定风速测量的出现峰值数为大约43，该峰值数发生在风速达到大约9米/秒时。换句话说，在11月期间，当每小时进行测量时，所述风速为大约9米/秒的情况比其它任何风速更经常地发生，即对于时间来说估计等于43小时(43次出现乘以1小时的间隔等于43小时)。另一种考虑这种情况的方法是，在这个月期间，在以每小时的间隔所进行的平均大约43次测量期间，风以平均大约9米/秒的速度吹。
该图也同样显示了在这个月中，低于2米/秒的风速仅有很少的出现次数。同样，该图显示了风速在18米/秒以上仅有一次。换句话说，该图所显示的情况为在整个11月期间，风在2米/秒以下和18米/秒以上吹的时间仅有少数小时，这有助于确定适当的设备和方法用于该地区。
同样，这意味着的是，根据所选择的风轮机的种类，该图可以预测在这个月期间风轮机可操作和使用于产生能量的时间量。例如，如果假定所选择的风轮机仅在风速为3-15米/秒时设置为操作状态，那么由于效率和安全的原因，可以预测在11月的任何指定的一天中这些风轮机大多时间处于操作状态，但并不是在所有时间。
在一个实际的应用中，将必须调查和研究多于一个月。真正地，这样的一个确定通常包括成本与效益分析和能量效率研究，其中的成本与效益分析考虑了在一整年的过程中在最坏和最好的情景期间的风可利用性，同时也考虑了在那个位置的全年需求，该需求同样放置到该系统上。
在上面提到的期间中，由风产生的风能的量依赖于在该时期内在任何指定时间的风速。总之，由风轮机获得的风能假定遵循下面的等式：
P＝C1*0.5*Rho*A*U3
在这里，
C1＝常数(该常数是通过将计算能量与风轮机区域的大小和风速的性能匹配而获得的)
Rho＝空气密度
A＝风轮机转子扫过的区域
U＝风速
这就意味着由风产生的风能量与风速的立方成比例。因此，当风轮机在2-18米/秒的风速范围内完全运作时，可以产生的风能总量将是这些范围内的总风速的直接函数。
在另一方面，设置了不同的风轮机，以便于在一定的高风速范围期间风能输出保持相当恒定。这是由风车叶片产生的，这些叶片在速度超过一定的最大值时就变得象羽毛似的。例如，某些风轮机可以以这样的方式运行，该方式为，在某速度范围内，也就是在内13-20米/秒内，尽管风速发生变化，但是产生风能仍然是恒定的。因此，在上述例子中，在风速为13-18米/秒期间内，由风轮机产生的风能量将与风速为13米/秒时产生的能量。而且，设置了许多风轮机，以便于当风速超过最大极限如15米/秒时，风轮机将完全关闭以防止由于过大的风速所造成的损坏。因此，由一特定的风车可以产生的总能量必须考虑这些因素。
同时，图3也将实际出现的次数与由整个时期的威布尔分布确定的平均值进行了对比。在这点上，应当注意的是，风速的风矩形图通常由威布尔分布进行统计描述。风轮机制造商已经使用与k＝2.0的“宽度参数”相关联的威布尔分布，尽管存在一些地方，其中所述宽度参数达到了k＝2.52那么高。
一般说来，虽然知道某些风速实际上在这一年期间是怎样经常地发生是可以期望的，但是对于本发明的目的来说同样重要的是，知道在这一天中这些不同风速将在什么时候发生以及这些风速的大小，即以每天为基础进行预报，以便于这些数据可以用于规划每天的能量传递计划，而这也是本发明的目的之一。为了发展一个以每天为基础而进行应用的系统，必要的是，在即将来临一天之前获得每天的风速预报和预测，以能够建立下一天可用的计划或计划。
在这一点上，图4显示了每天的风变化曲线，该变化曲线是在同一地点的同一个11月内的特定的一周内发生的。图4显示了从1996年11月1日到1996年11月6日这整个时期内所进行的测量的汇编。该特定的图显示了这个时期每天中以每小时为间隔测量的风速。
例如，代表11月1日的那条线在午夜之后开始而午夜之前结束，开始的风吹得比7米/秒稍低，而结束的风吹得比8米/秒稍低。在这一天期间，风波动很小，具有一些4米/秒的最低测量发生在上午的时间，而具有大约7米/秒的峰值发生在下午2:00。然后，风速向午夜提高。
另一方面，代表11月2日的那条线显示了风是更多变化的。风恰恰在午夜之后开始，此时风速稍低于8米/秒，而后风在上午大约10:00减缓到一个大约2米/秒的低值并持续在低的水平。然后，在下午大约5:00开始，风开始上升，到午夜以接近13米/秒的风速结束这一天。
下一天，11月3日，风持续处于相当高的水平，虽然存在上下波动，其中在上午大约8点时达到大约9米/秒的低值，而在下午大约1点时达到大约15米/秒的峰值。在这一天，风在午夜之后开始，此时风稍低于13米/秒，而到午夜时以稍低于11米/秒的风速结束。
在11月4日，风持续波动，达到大约13米/秒的峰值，转而开始减弱，到午夜时达到大约5米/秒的速度。
11月5日，这一天在午夜之后即刻以风速达到2米/秒那么低开始，但是之后开始剧烈增加，风速在下午大约4点时达到了大约14米/秒的峰值。此后，风速持续保持相当高，并在午夜时达到大约12米/秒。
在下一天，风又波动起来，在大约中午时达到大约14米/秒的另一个峰值，然后开始减弱，到午夜时达到大约7米/秒的低值。
该图所追踪的是在这个地点在1996年11月的第一个周内实际发生的风速。然而，在本发明中，对于特定地点获得风速预报，便于提前至少一天预测每天的预期风速。也就是说，尽管图4显示了风变化曲线的例子，但是本发明考虑的是使用风速预报，除了它们是对将来的预报而不是对过去的记录之外，该预报在内容上与变化曲线相同。这样的预报可以使用最新的气象预报技术并由从气象所获得的数据和其它数据源得到发展。本发明所考虑的是，可以发展相当精确的预报，特别是在所预报的一天之前的24小时内进行的时候。
一旦获得数据，就准备了对于即将来临的一天的与风变化曲线相同的风速预报，这些数据可用于确定每天的能量传递计划，该计划应当实施以便于在即将来临的一天内维持相当恒定的能量输出水平到最长的可能时间。再有，目标是，使用减少数量的每天的恒定能量输出水平时期来传递能量到电力网，即优选地为3或更少，尽管等于7或更多是可以接受的，如将讨论的那样。这就会考虑传递输出水平的次数将必须改变到最小，从而放置更少的压力和工作到转换机构上。
作为例子，已经选择了1996年11月的6天中的三天，即11月1、5和6日，作为极端变化风速，这有助于显示本方法的不同方面。风速变化高的这些天要求利用储存能量以平稳能量传递到电力网，然而，具有更少风速变化的这些天通常不要求。将对这三天进行研究和策划以显示本方法怎样可以用于确定每天的传递计划，该计划可以使所述目标安全。
在讨论发展传递计划之前，讨论选择风轮机是适当的，这将会确定对于每个风车站的能量输出容量，而且因此在每天传递计划的设计中起着作用。在这一点上，应当特别注意的是，风力农场的总体设计可以以申请人早期申请中阐明的标准为基础，该申请已经作为参考包含在本文中，其中总体设计包括将要安装的风车站的总数。在这里所显示的特定例子中，申请人已经选择了Nordex N50/800的风轮机，该风轮机的性能将与图5中的计算机模型进行对比。该产品已经被选择用于这个例子，但是，任何传统的风轮机也可以使用。所选择的风轮机具有一个50米直径的叶片、一个50米高的塔和1964平方米的扫过面积。该风轮机在3米/秒时开启，且具有一个14米/秒的设计风速。选择该尺寸是因为能量产生容量适合于大的应用，如100-1000MW风力农场，而在同时，该产品足够小而可以用卡车和铁轨运输。
所述例子的储存设备已经设计具有62个储存箱，每个储存箱为60英尺长，且其直径为10英尺，为600psig级别。这就会考虑使用现成的元件和硬件，这些会减少安装的总成本。所述设计考虑了最坏的情景，即要求最多数量的箱的日子，从而确定在考虑中的这个地点的风力农场所需要的箱的总数量。所述管道系统同样也可以以管道的大小为基础设计为具有适当的储存容量和长度。
用于规划每即将来临一天的传递计划的这套方法至少包括下面的三个设计考虑事项，这三个事项涉及多少能量由直接使用站产生、以及多少能量由能量储存站产生(包括已经转换成一个或另一个混合站)：
1、储存峰值压力应当不超过600psig；
2、在任何时刻，储存压力绝对不能少于100psig；
3、如果可能，在每天结束时储存压力应当等于或超过每天开始时的储存压力。
根据这些考虑事项，一个反复的过程优选地用于确定在任何时刻多少个各种类型的风车站应当运作。使用在前面应用中讨论的方法以及在本文中讨论的概念，所选择的用于这个例子的设计如下：24个直接使用站、6个能量储存站和19个混合站。这使得该系统可以这样一个范围内进行调整，该范围在最大值为43个直接使用风车(24个直接使用站和19个转换为直接使用的混合站)与最大值为25个能量储存风车(6个能量储存站和19个转换为能量储存的混合站)之间。总之，当在风速存在更少的变化时使用更多的直接使用站，而当在风速存在更多的变化时使用更多的能量储存站。该系统同样具有切断或相反地排出来自于任何风车站的能量的能力，以便于如果必要，可以获得直接使用和能量储存之间的适当比率。
图6显示两个不同的传递计划，这两个计划针对1996年11月1日全天24小时而发展的。两个图都将所述恒定输出曲线(由两条直线显示)与风/能量可利用性曲线进行了对比。这两个计划之间的不同涉及在这一天中有多少个直接使用站和能量储存站已经放置在运作状态下。所述第一个图代表了这样一个系统，该系统具有这样的设置，其中总风能的87％直接从直接使用站传送到电力网，而13％的能量通过储存而处理。第二个图代表了这样的设置，其中40％的风能从直接使用站传递到电力网，而60％的能量通过储存处理。
在这两个例子中，每个的传递计划都已经发展而提供了两个恒定能量输出时期，一个时期持续了20小时，而另一个时期持续了4小时。这主要是以这一天的风速度曲线形状为基础的，该曲线显示了在最初的20小时内风速围绕5米/秒而波动，然而在后面的4小时内跳跃到围绕7米/秒而波动。由于这个原因，所述计划设计成在最初的20小时内提供大约2500kW的基本恒定的能量输出水平，而在后面的4小时内提供大约5000kW的基本恒定的能量输出水平。
在每一天中设置这样的传递计划以提供相当少的恒定能量输出水平时期，从而使得该系统避免了波动和摆动，而这些波动和摆动会相反地影响该系统。如果只有直接使用站被使用，与一个传统风车站一样，供给电力网的能量将紧随风速曲线顶峰和低谷，而这些顶峰和低谷存在剧烈的波动和摆动。在这样情况下，能量的剧烈顶峰或针刺将连同其它波动和摆动一起在下午大约3点时传递到电力网，这样就将额外的压力和张力放到了该电力系统上。另一方面，通过使用本发明，可见的是，传递到电力网的能量在整个持续期内是可预测且恒定的。
同样，从图6可见的是，使用第一计划时供给能量的成本是$0.033/kW-Hr，而使用第二计划时供给能量的成本是$0.051/kW-Hr。这是由于无效率的原因，与该无效率相关的是由储存获得的能量百分比必须比由直接使用站获得的更大。由于这个原因，这就显示出，通常期望使用的计划依赖于直接使用站的能量百分比能量储存站的大。
在该系统操作期间，除了选择一个计划外，同样期望平衡在储存中的能量，以便于每天结束时储存中的能量不少于前一天结束时的能量，其中所述计划依赖于由直接使用获得的能量与由能量储存获得的能量同样多，而其中平衡储存中的能量是通过保持导入储存中能量与从储存中排出的能量之间的平衡来实现的。而且，如上面讨论的那样，另外一个考虑事项是一直维持储存中的压力至少为100psig，以便于在风条件实际上并不象预报所预测的那样发生时，存在足够的能量留下，而这些能量可以在以后如果需要时可以依赖。同时，也期望不会在储存中存在比预定压力更高的压力，在存在更高压力的情况下，压力必须被排出而浪费掉。
所述通过储存处理的能量包括下述三种情景，这三种情景必须在传递计划的发展中加以考虑：
第一，所述系统必须设计来解释输入储存中的水平等于输出水平的时期。也就是说，如果恒定的传递能量输出水平与从直接使用站和能量储存站供给能量的速率相等，那么理论上，在这些时期内储存的能量将保持基本上恒定。当然，这并没有考虑一定的无效率以及来自于压缩机和任何上面讨论的加热装置的废热。然而，明显的是，存在这样的时期，此时储存中的量保持基本上恒定。例如，当没有使用来自于储存的能量时可能会发生这种情形，此时所有的能量都从直接使用站获得，这样就维持了恒定的能量输出水平。
第二，该系统必须设计来解释输入储存的水平低于输出水平的时期。在这些时期，可见的是，更大百分比的能量将从储存排出，排出的能量将比提供进入储存的能量大，从而维持恒定的输出水平，在这样的情况下，储存中的能量会随着时间而减少。最后，虽然这种情况会暂时继续短时期，但是所述传递计划将必须调整，以便于储存中的能量将再储存，以维持储存中的能量水平基本平衡。换句话说，传递计划必须适合于将这样的可能包括在内，该可能关于在那天之后更多能量将导回到储存中的可能，目的是为了使储存中的能量在每天结束时等于或超过每天开始时的储存量。
第三，该系统必须设计来解释输入储存中的水平高于输出水平的时期。在这种情况下，能量将以一速率导入储存中，该速率比排出的速率更大。与讨论的一样，这是很重要的，因为第二种情景中，储存中的能量相反地逐渐减少。在这种情况下，所述传递计划必须适合于解释这种可能性，该可能性为，在某些时期内，更大百分比的能量将导入储存，储存的能量比排出储存的能量大，如此以便于储存中的能量可以随时间增加。然而，在压力太高的时刻，压力将必须排出，和/或压缩机将必须关闭。
在图7a中的第一个图显示了两个恒定的能量输出时期(一个持续20小时，而另一个持续4小时)，这两个时期与供给储存的能量进行了对比，而且这两个时期由上下曲线来显示。可见的是，这些曲线之间存在严重区别，这些曲线代表了上面讨论的第二和第三情景，即输入超过输出或输出超过输入时期。如图7a第二个图所示，存在“储存风”曲线的变化，这些变化依据储存的能量水平随时间增加和随时间减少而出现，这些变化取决于在任何时刻上述哪一种情景适用。该图显示了在任意指定时间低于1000kW的净功率供给储存，这是以87％能量直接供给电力网而13％的能量通过储存处理为基础的。所述“储存风”线的曲率同样显示了供给储存的能量可以随时间而波动。
再有，图7b显示了在这一天中累积进入储存的净能量，这是以上面讨论的三种情景的发生为基础的。从图7b的上图可见，在储存中的累积能量随这一天的进程而波动，这种波动对于能量输出水平保持恒定是必须的。同样在下图中也可见的是，储存中的压力水平(由上曲线显示)在下午大约1点时下降到几乎100psig，然后在下午6-8点期间再次下降到几乎100psig，而这些是上讨论的三种情景合并的结果，此时排出的净能也许超过了供给的净能。同样可见的是，传递计划已经成功地策划，从而确保所述压力绝对不能下降到低于100psig，而且还可见的是，在这一天结束时，与这一天开始时相等或更多的能量在储存中。所述压力也绝对不会超过600psig。
在实践中，因为这些传递计划将以预测的风速预报为基础，所以所述计划的实际设计将必须反映相当保守的处理，从而解释实际风条件不如期望的那样的可能性。如果所述计划不是保守的，那么可能的是，所述压力会下降到低于100psig或完全用完，在这样的情况下，在储存中将不会有足够的压力来供给能量到电力网。如果储存中的能量用完，该系统将不能在这些时间内提供恒定的能量输出水平，即风速波动将会持续引起能量输出传递的波动，因为在储存中没有能量来补偿和消除来自于直接使用站的风速和能量产生的波动。在这样的情况下，传递计划将必须调整来补偿早期储存中的能量损失，而本发明考虑的这一点有时也许是必要的。另一方面，如果计划太保守，储存中的压力可能必须排出，在这样的情况下，能量可能被浪费掉。
图8a和8b以及图9a和9b分别显示了1996年11月5日和6日的24小时内的相同图。
图8a显示了一个传递计划，该计划规划了1996年11月5日的24小时，且以这一天发生的风变化曲线为基础。该图表示了这样一个传递计划，其中总风能的60％直接从直接使用站传递到电力网，而40％的能量通过储存处理。因为在这一天的风速曲线变化较大，规划该传递计划以提供七段不同的恒定能量输出时期，而不是两段或三段。
所述第一段恒定水平时期(从午夜到上午3点)即便要也提供很少能量到电力网。这主要是由于事实上在这段时期内很少风或没有风。
第二段恒定水平时期从上午3点到上午9点，提供了大约4000kW，而这是由于风速在上午大约4点开始稍微增加。第三段恒定水平时期仅从上午9点到上午10点，这是由于风速在上午大约8点开始迅速增加。这段时期较短是因为风速增加如此剧烈以致于输出必须增加到10000kW才能有效地使用供给和产生的能量。
第四段恒定水平时期从上午10点到下午1点，该水平为大约24000kW，该水平反映了在这段时期内增加的风速。因为风速在下午1点以后持续增加，且以很高水平持续地吹，所以第五段恒定水平时期设置为35000kW并从下午1点到下午10点延伸了9个小时。这是这一天中能量水平恒定时期中最长的时期，其中输出水平且因此能量传递到电力网都是可预测且稳定的。
然而，在这一天的结尾即向午夜这一段所发生的是风速开始剧烈下降。因此，这天的最后两小时分开成两段更恒定的能量水平时期，从下午10点到下午11点以大约32000kW开始，然后从下午11点到午夜大大下降到大约10000kW。虽然，在每一天中产生越少的恒定水平时期是的确更加有利的，但是，当考虑在这一天中已经发生的严重波动和摆动时，可见的是，该系统被要求更加频繁地调整以提供可预测性和稳定性程度，而这些可预测性和稳定性对于提供上面讨论的优势是必须的。对于这一天的固定时期来说，通过使用本发明，传递到电力网的能量可以进行得更加可预测和恒定，甚至在这一天中存在比11月1日更多的时段也是如此。
图8a的第二个图显示了在这一天中供给储存的净能量(由灰白线所示)。该图是以下面的情形为基础的，该情形为：来自于风车站的能量的40％被导入储存，而在同时，以一速率从储存中排出一定的能量，该速率对于维持总的能量输出水平相对恒定是必要的。再者，所储存的能量以整天中存在的不同的风条件的积累为基础，包括上面讨论三种情景的发生。
从图8a的第二个图可见的是，供给储存的能量随这一天的进程而波动，从上午相对小量到下午相对大量。虽然在下午的时间内有更大量的能量传递到电力网，但是直接使用产生了这些能量的大多数。因此，可见的是，在下午的时间内，较大量的能量供给储存，即使同时又将较大量的能量即35000kW传递到电力网。
在图8b的上图中显示了这一天中储存中能量的积累，该积累的能量基本上随时间而增加。这是由于大量的能量导入储存，如图8a的下图所示的那样。图8b的上图显示了这样一条曲线，该曲线随着24小时的进程从大约10000kW-hr到大约70000kW-hr。
其中的下图也显示了对总的能量所进行的贡献，这是由于温度和压力水平的增加形成的。同样也显示了储存中压力的严重波动，该波动是七段不同恒定输出水平必须在那一天被计划的原因之一，这样的计划确保了压力绝对不会超过600psig，而且也绝对不会低于100psig，虽然可见到储存中过大的压力积累超过了600psig的情形仍然在下午大约1点时发生了。
图9a显示了这样一个传递计划，该计划规划了1996年11月6日的24小时，且以这一天发生的风变化曲线为基础。该图表示了这样一个传递计划，其中总风能的50％直接从直接使用站传递到电力网，而50％的能量通过储存处理。因为在这一天的风速曲线变化较大，规划该传递计划以提供六段不同的恒定能量输出时期，如下面讨论的那样，这六段时期对于维持储存中压力在100-600psig之间是必须的。
在这一天，从前一天剩余在储存中的能量是相当高的，如上面讨论的那样，而且在上午的早期时间风速是相当高的，并在整个上午和进入下午的早期时候也都是持续高的，在下午的早期时候风开始稍微下降。因此，所述的传递计划显示了在上午的后期和下午的早期时间内传递到电力网的大量能量，该传递计划从晚上午夜直到下午大约2点前具有几段逐渐增加的恒定能量输出水平时期。例如，有三段恒定水平时期实现，包括从午夜到上午3点，此时传递的能量大约为14000kW。在另外两个时期，一段时期是从上午3点到上午6点，此时传递的能量大约为27000kW，而且另一段时期是从上午6点到上午2点，其中在这段时期内传递的能量为大约36000kW。
然而，当风速开始下降时，所计划将传递的能量同样下降。三段其它的恒定水平时期进展如下，包括一段从下午2点到下午3点的时期，此时期传递的能量大约为18000kW，又一段从下午3点到下午4点的时期，该时期传递的能量大约为13000kW，以及最后一段从下午4点到午夜的时期，该时期传递的能量大约为10000kW。在这一天中，尽管该计划称为六段恒定输出水平时期，但是其中二段时期每段持续了8小时，这两段时期总共提供了16小时的持续期，在该持续期内，输出水平对一个持续期来说是恒定的。
图9a的第二个图显示了在这一天中供给储存的净能量(由灰白线所示)。该图是以下面的情形为基础的，该情形为：来自于风车站的能量的50％被导入储存。可见的是，供给储存的能量随这一天的进程而波动，以风速高的上午时间内的相对高的供给能量水平开始，直到风速开始消散的下午和晚上时间内的相对低的供给储存能量水平。在这样的情况下，在上午时间内传递给电力网的大多数能量由直接使用站产生，但是基本量的能量同样被传递到储存，如图9a的上图中所示的两条曲线的差别那样。
在图9b的上图中显示了这一天中储存中能量的积累，其中所述的能量随时间稳定增加。这是由于特别在上午时间内大量的能量导入储存，如图9a的下图所示的那样。图9b的上图显示了这样一条曲线，该曲线随着24小时的进程从大约OkW-hr到大约90000kW-hr。所述的下图同样显示了对储存中总的能量所进行的贡献，这是由于温度和压力水平的增加形成的，其中的温度和压力基本上是波动的。
如在图8a和9a的下图中可见的那样，所述压力曲线在1996年11月5和6日的这两天期间波动较大。这些压力曲线是重要的，因为这些压力曲线显示出改变恒定水平输出时期是多么重要的，有时候确保了压力不会低于100psig也不会高于600psig。如所见的那样，11月6日的几个时刻的曲线在600psig的水平之上。在一些情况下，如当温度水平到70华氏温度之上时，提高压力到800psig是可允许的，虽然该系统必须设计成具有适当的储存设备来确保更高的压力可以被系统支持。
图10显示了传递计划是怎样被执行，在所述的时期内的任何指定天使用预定数量的直接使用站、能量储存站和混合站。每天，所有的风车站都处于运作状态，但是在任何指定时刻所使用的站的类型之间的比率是可调整的，该调整以多少混合站设置为直接使用和能量储存为基础。例如，11月1日，所使用的比率包括43个直接使用风车(包括24个直接使用站和19个转换成直接使用的混合站)和6个能量储存站。这可解释为上面讨论的87％比13％的比率。
在11月5日，所述比率包括30个直接使用风车(包括24个直接使用站和6个转换成直接使用的混合站)和19个能量储存风车(包括6个能量储存站和13个转换成能量储存的混合站)。这可解释为上面讨论的60％比40％的比率。
在11月6日，所述比率包括25个直接使用风车(包括24个直接使用站和1个转换成直接使用的混合站)和24个能量储存风车(包括6个能量储存站和18个转换成能量储存的混合站)。这可解释为上面讨论的50％比50％的比率。
该图同样显示了在任何指定时刻被要求的储存箱数量，而该数量依赖于操作的能量储存站的数量。同样，该图显示了整个20年期限的过程中由这三种不同的传递计划产生的能量成本仍然是相当恒定的，即$0.033kW-hr。

Claims (20)

1.一种调整和稳定风能传递的方法，包括：
使用风力农场，该风力农场为了风能具有多个风车站，其中所述风力农场包括预定数量的直接使用站、能量储存站和混合站；
预报或获得在所述风力农场的对于即将来临时期的风速条件的预报；
使用所述的预报以预测即将来临时期的风速条件和所产生的风能可利用性水平；
准备能量传递计划，该计划以对即将来临时期的风速条件和所产生的风能可利用性水平的预测为基础，使用来自于直接使用风车站和能量储存风车站以及当必要时包括混合站的能量；和
使用所述传递计划设置即将来临时期内的减少数量的恒定能量输出时期，尽管在风速和风能可利用性水平上存在波动和摆动，但是在这些输出时期的任一时期内能量传递水平可以保持基本恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述即将来临时期是指接下来的24小时时期。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在任何指定的24小时期限内设置小于七段的恒定能量输出时期。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括确定在即将来临时期内处于运作状态的直接使用风车站数量和能量储存风车站数量之间的比率，以及在需要时使用混合站来补充处于运作状态的这些站的数量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中以所述预报为基础设置或设计所述传递计划，以便于在任何指定时刻，储存中的压力将不会超过600psig或低于100psig。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接使用站适合于直接供给电能到电力网，而所述能量储存站适合于提供压缩空气能量进入储存，再有所述混合站适合于在直接供给电能的直接使用站和提供压缩空气能进入储存的能量储存站之间转换。
7.根据权利要求6所述的方法，所述传递计划考虑了可以直接从直接使用站供给的能量的量、可以由能量储存站所储存的能量提供的能量的量、以及所期望由电力网使用和收回的能量的量，以便于维持一定量的能量在储存中，这可以帮助确保风能将以恒定的能量输出水平来利用，即使当风能可利用水平降到电力网所要求的能量需求以下时也是如此。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递计划是如此设置的，以便于在即将来临时期结束时，储存中的压缩空气能的量等于即将来临时期开始时储存中的压缩空气能的量，或者比开始时更大，其中储存中的空气压缩能来自于能量储存站和任何设置为能量储存模式的混合站。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述传递计划考虑了进入储存的风能可利用性等于排出储存的风能需求的时候、进入储存的风能可利用性大于排出储存的风能需求的时候、进入储存的风能可利用性小于排出储存的风能需求的时候。
10.一个调整和稳定风能传递的方法，包括：
使用多个风车站，其中至少一个包括发电机来直接发电，而且其中至少一个包括压缩机来储存压缩空气能量进入储存；
预报或获得对于即将来临时期的风速条件的预报；
使用所述的预报以预测即将来临时期的风速条件和所产生的风能可利用性水平；
准备能量传递计划，该计划以对即将来临时期的风速条件和所产生的风能可利用性水平的预测为基础，使用来自于发电机和储存的压缩空气能的能量；和
使用所述传递计划设置即将来临时期内的减少数量的恒定能量输出时期，尽管在风速和风能可利用性水平上存在波动和摆动，但是在这些输出时期的任一时期内能量传递水平保持基本恒定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述即将来临时期是指接下来的24小时时期。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括在任何指定的24小时期限内设置小于七段的恒定能量输出时期。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括提供预定比率，该比率为在即将来临时期内处于运作状态的直接使用风车站和能量储存风车站之间比率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中提供预定数量的可以在直接使用和能量储存之间转换的混合站，这些混合站可以用于设置所述预定比率。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述传递计划被设置成考虑在任何指定时刻，储存中的压力将不会超过600psig或低于100psig。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述直接使用站适合于直接供给电能到电力网，而所述能量储存站适合于提供压缩空气能量进入储存，再有所述传递计划考虑了可以直接从直接使用站供给的能量的量、以及可以由能量储存站提供进入储存的能量的量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述传递计划考虑了所期望的、从直接使用站和能量储存站所获得的、并由电力网使用和收回的能量的量，以便于维持预定量的能量在储存中，这可以帮助确保风能将以恒定的能量输出水平来利用，即使当风能可利用水平降到电力网所要求的能量需求以下时也是如此。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述传递计划是如此设置的，以便于在即将来临时期结束时，储存中的压缩空气能的量等于即将来临时期开始时储存中的压缩空气能的量，或者比开始时更大。
19.根据权利要求10所述的方法，其中所述传递计划考虑了进入储存的风能可利用性等于排出储存的风能需求的时候、进入储存的风能可利用性大于排出储存的风能需求的时候、进入储存的风能可利用性小于排出储存的风能需求的时候。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定比率被确定和设置来为了即将来临时期，根据天气为基础，所述预报显示了在即将来临时期将存在更少或更多的风速变化，其中，当存在更少的风速变化时则期望更多的直接使用站，而当存在更多的风速变化时则期望更多的能量储存站。
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