CN216741823U - 一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于风力发电技术领域，公开了一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，分布式风力机群通过绝热压缩空气，压缩后的高温高压空气通过保温管道汇集到空气站，并在进入空气站时通过第一换热器将高温高压的空气降温后进入多个高压气罐存储。在每个气罐处设置单向阀固化空气流动方向。储气罐另一端的单向阀通过第二换热器后与透平机发电机连接，发电机通过连接线路与外部电网连通。本实用新型利用风力机群直接压缩空气，采用绝热压缩，利用两个热交换器在压缩和膨胀时达到热平衡，提高能量转化效率；配合高压电磁阀、储气罐及电动压力调节阀实现压缩空气压力可控输出，实现透平发电机稳定输出电能，并且输出功率可调。

Description

一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，尤其涉及一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置。

背景技术

目前，风力发电，实际上就是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。由于风力是不稳定的，时大时小，为间歇性能源。用电时有峰谷问题，风电出力是不能按计划调度的，因为风力发电的情况不能像火电一样可以按计划生产，电力是即发即用的能源。当风电并网时需要配置一定数量的火电作为调峰，当风力发电高于需要的发电量时就出现了弃风现象，低于需要发电量时就需要火电来补充，这样风电的并网并没有减少火电的投入。

当然解决这一问题最好的办法就是利用储能将其转换为稳定电能，再进行并网。常见的储能有电化学储能技术(成本高)，抽水蓄能技术(地理条件限制)，氢储能技术(需要完整产业链)，以及压缩空气储能。由于空气体积随压力变化较大的特点，有望解决风电波动问题。

现存压缩空气储能主要是利用光伏、风能等产生不稳定的电能，再用电动机来连接空气压缩机以实现空气压缩储能，

压缩空气储能是通过将燃气轮机发电的压缩过程与膨胀过程在时间维度上分离，分别进行电能的存储和释放。当电力供应过剩时，通过压缩机将电能转化为高压空气内能进行存储：当电力供应不足时，释放高压空气进入膨胀机做功，驱动发电机发电，从而将压缩空气内能重新转化成电能。

最初的压缩空气储能方案在压缩储能阶段产生的热量以冷却换热的形式直接耗散，而在释能阶段需要通过燃料燃烧对膨胀机入口的高压空气进行加热，因而被定义为非绝热压缩空气储能系统，也称第一代压缩空气储能系统。第一代压缩空气储能系统的储能效率只有50％左右。

后来在第一代压缩空气储能系统的基础上，去掉了燃烧室，通过对压缩机出口气流的冷却换热将储能阶段的压缩热回收并储存，然后利用换热器在释能阶段对膨胀机入口气流的加热。这就是第二代压缩空气储能系统，第二代系统的循环效率可以达到60％～70％。

现有储能都是针对风力发电产生电能，再进一步地储能。其中转换的电能具有间歇性、波动性等缺点，而且由于中间存在电能这一能量形式，其转换过程必然存在能量损失。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中缺少针对风机的规模化、集群化特点进行设计的储能方式。

(2)对于风力直接压缩空气的储能方式如何提高其能量转换效率。

(3)如何实现恒功率输出并且功率可调。

解决以上问题及缺陷的难度为：

利用风力直接压缩空气，减少中间转换环节，发电机一般效率90％左右，风力直接压缩空气比发电后用电力压缩空气可节约10％，参考第二代压缩空气储能系统，综合效率可达70％以上，可促进产为化发展。

风力发电机取消发电机后，不仅降低了成本，还可以减轻风机舱重量，风机功率可以更大。风力机群之间用高压管道串并联，这是一种全新的方式。

高压气罐真实的作用是稳压，因此不需要像压缩空气储能那配置很大容量的储气空间，高压空气是随进随出，调压后输入不稳定变为稳定输出，从根本上解决了风力发电间歇性的问题。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置。

本实用新型是这样实现的，一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置设置有：

分布式风机机群和空气站；

所述分布式风机机群通过绝热压缩空气管道与空气站连通；

所述空气站设置有第一换热器、第二换热器、透平机和加速变速箱，所述第一换热器外端与绝热压缩空气管道连通，所述第一换热器与第二换热器之间通过单向阀连通有多个高压储气罐，所述第二换热器依次与透平机连接，所述加速变速箱外端与发电机连接，所述发电机通过连接线路与外部电网连通。

进一步，所述分布式风机机群设置有若干分布排列的垂直轴风机，所述垂直轴风机下端连接有齿轮箱，所述齿轮箱外端传动连接有压缩机，所述压缩机外端与绝热压缩空气管道连通。

进一步，所述垂直轴风机设置有支撑杆、风机叶片和电磁制动器，所述支撑杆上端通过同心轴与多个风机叶片连接，所述电磁制动器套设在同心轴与风机叶片之间；

所述同心轴下端在支撑杆中间穿过并与齿轮箱的输入端连接。

进一步，所述齿轮箱设置有转向齿轮箱和加速齿轮箱，所述转向齿轮箱的输入端与垂直轴风机的同心轴下端连接，所述转向齿轮箱的输出端与加速齿轮箱的输入端连接，所述加速齿轮箱的输出端与压缩机连接。

进一步，所述压缩机为螺杆压缩机，所述螺杆压缩机外端连接有进气口和出气口，所述出气口通过输出电磁阀与绝热压缩空气管道连通。

进一步，所述第一换热器与第二换热器之间连接有热平衡管道。

进一步，所述第一换热器通过连接管路连接有热平衡水池，所述热平衡水池另一端通过连接管路和循环泵与第二换热器连通。

进一步，所述多个高压储气罐为并联连接，每个高压储气罐的入口端均安装有高压电磁阀，每个高压储气罐的出口端均安装有电动压力调节阀。

结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：

本实用新型属于风力发电技术领域，公开了一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，风力机采用垂直轴风力机，无风向问题。风叶轮通过传动轴将旋转动能传递至地面，与齿轮箱相连，带动压缩机直接压缩空气，压缩方式为绝热型，风力机群之间通过绝热管道联接至空气站，进入空气站的高温高压气体被换热器吸收后变为低温高压气分别存储在高压气罐中，储气罐主要作为稳压作用，气罐同膨胀机相联，输出带动发电机工作。其中气膨胀时吸收的热量和压缩时吸收的热量做热平衡可提高利用效率。这样，通过气压的调节，不稳定的风力输入变为稳定输出，解决了风电波动问题。使得风电也和火电一样被调度可调的稳定电力。

本实用新型针对分布式的风机集群，能够将压缩空气传送至空气站进行集中储能；利用风机分布式压缩空气，通过保温管道让压缩空气携带热量传送至空气站进口端再进行热交换，实现热平衡；配合高压电磁阀、储气罐及电动压力调节阀实现压缩空气压力可控输出，实现透平发电机稳定输出电能，并且输出功率可控。

本实用新型中的每个高压储气罐的入口处接有高压电磁阀用以控制压缩空气进入储气罐，高压储气罐的出口端接有电动压力调节阀，用以恒压输出压缩空气至透平机，将压缩空气转换为动能，再通过加速齿轮箱接至发电机，提供稳定电能。

本实用新型通过增加热能交换设备提高压缩空气的温度，能够很好地提高压缩空气送入透平机时的转换效率。

本实用新型利用风力机群直接压缩空气，采用绝热压缩，利用两个热交换器在压缩和膨胀时达到热平衡，提高能量转化效率；配合高压电磁阀、储气罐及电动压力调节阀实现压缩空气压力可控输出，实现透平发电机稳定输出电能，并且输出功率可调。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置的结构原理图。

图2是本实用新型实施例提供的垂直轴风机结构示意图。

图中：101、绝热压缩空气管道；102、单向阀；103、高压电磁阀；104、高压储气罐；105、电动压力调节阀；106、第二换热器；107、透平机；108、加速变速箱；109、第一换热器；110、热平衡水池；111、循环泵；112、热平衡管道；113、空气站；201、电磁制动器；202、风机叶片；203、支撑杆；204、同心轴；205、转向齿轮箱；206、加速齿轮箱；207、螺杆压缩机；208、出气口；209、进气口；210、输出电磁阀。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供的分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置包括分布式风机机群和空气站113；

分布式风机机群通过绝热压缩空气管道101与空气站113连通；空气站113设置有第一换热器109、第二换热器106、透平机107和加速变速箱108，所述第一换热器109外端与绝热压缩空气管道101连通，所述第一换热器109与第二换热器106之间通过单向阀102连通有多个高压储气罐104，所述第二换热器106依次与透平机107和加速变速箱108连接，所述加速变速箱108外端与发电机连接，所述发电机通过连接线路与外部电网连通。

本实用新型实施例中的分布式风机机群设置有若干分布排列的垂直轴风机，所述垂直轴风机下端连接有齿轮箱，所述齿轮箱外端传动连接有压缩机，所述压缩机外端与绝热压缩空气管道连通。

本实用新型实施例中的垂直轴风机设置有支撑杆203、风机叶片202和电磁制动器201，所述支撑杆203上端通过同心轴204与多个风机叶片202连接，所述电磁制动器201套设在同心轴204与风机叶片202之间；同心轴204下端在支撑杆203中间穿过并与齿轮箱的输入端连接。

本实用新型实施例中的齿轮箱设置有转向齿轮箱205和加速齿轮箱206，所述转向齿轮箱205的输入端与垂直轴风机的同心轴204下端连接，所述转向齿轮箱205的输出端与加速齿轮箱206的输入端连接，所述加速齿轮箱206的输出端与螺杆压缩机207连接。所述螺杆压缩机207外端连接有进气口209和出气口208，所述出气口208通过输出电磁阀210与绝热压缩空气管道101连通。

本实用新型实施例中的第一换热器109与第二换热器106之间连接有热平衡管道112。第一换热器109通过连接管路连接有热平衡水池110，所述热平衡水池110另一端通过连接管路和循环泵111与第二换热器106连通。

本实用新型实施例中的多个高压储气罐104为并联连接，每个高压储气罐104的入口端均安装有高压电磁阀103，每个高压储气罐104的出口端均安装有电动压力调节阀105。

本实用新型的工作原理为：将各个风机提供的压缩空气通过绝热压缩空气管道101汇集至空气站113的入口，压缩空气汇集后通过单向阀102送至高压储气罐104，并且在高压储气罐104的进气口增加高压电磁阀103，用以控制当高压储气罐内的压力达到设定值时关闭对应电磁阀，打开另一电磁阀进行存储；接着需要转换电能时，储气罐内的压缩空气输出至透平机107转换为机械能，通过电动压力调节阀105控制输出至透平机107的压力，再经过加速变速箱108，最后利用发电机产生电能并网。

为了进一步提高转换效率，在将压缩空气送入透平机时，提高压缩空气的温度进而提高其转换效率，正好在压缩空气时会产生热能，因此我们利用热能交换设备来实现两者的热能交换。第一换热器109、第二换热器106通过热平衡水池110实现热平衡，并且利用循环泵111实现整个换热系统循环。实现热量交换的介质可以选择蒸馏水。

本实用新型实施例中的垂直轴风机在普通的风机的基础上去除发电机构改为空气压缩机。其核心为同心轴204将风机叶片202的动能传导至转向齿轮箱205的输入轴，两根轴利用联轴器连接，联轴器结构输入端为夹紧箍结构，输出端(也即转向齿轮箱输入轴)为胀紧结构，使支撑杆203和转向齿轮箱205的输入轴连接为一个整体。转向齿轮箱205作用是改变传动方向；加速齿轮箱206作用是以力矩换转速，增加转速。电磁制动器201用于当风力过大时制动风机实现保护。在管路放置输出电磁阀210作用是控制压缩空气的输出，当风力过大时，远程控制电磁制动器停止风机并关闭电磁阀，再接入总管。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置设置有：

分布式风机机群和空气站；

所述分布式风机机群通过绝热压缩空气管道与空气站连通；

所述空气站设置有第一换热器、第二换热器、透平机和加速变速箱，所述第一换热器外端与绝热压缩空气管道连通，所述第一换热器与第二换热器之间通过单向阀连通有多个高压储气罐，所述第二换热器依次与透平机连接，所述加速变速箱外端与发电机连接，所述发电机通过连接线路与外部电网连通。

2.如权利要求1所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述分布式风机机群设置有若干分布排列的垂直轴风机，所述垂直轴风机下端连接有齿轮箱，所述齿轮箱外端传动连接有压缩机，所述压缩机外端与绝热压缩空气管道连通。

3.如权利要求2所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述垂直轴风机设置有支撑杆、风机叶片和电磁制动器，所述支撑杆上端通过同心轴与多个风机叶片连接，所述电磁制动器套设在同心轴与风机叶片之间；

所述同心轴下端在支撑杆中间穿过并与齿轮箱的输入端连接。

4.如权利要求2所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述齿轮箱设置有转向齿轮箱和加速齿轮箱，所述转向齿轮箱的输入端与垂直轴风机的同心轴下端连接，所述转向齿轮箱的输出端与加速齿轮箱的输入端连接，所述加速齿轮箱的输出端与压缩机连接。

5.如权利要求2所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述压缩机为螺杆压缩机，所述螺杆压缩机外端连接有进气口和出气口，所述出气口通过输出电磁阀与绝热压缩空气管道连通。

6.如权利要求1所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述第一换热器与第二换热器之间连接有热平衡管道。

7.如权利要求1所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述第一换热器通过连接管路连接有热平衡水池，所述热平衡水池另一端通过连接管路和循环泵与第二换热器连通。

8.如权利要求1所述分布式风力机群直接压缩空气连续发电装置，其特征在于，所述多个高压储气罐为并联连接，每个高压储气罐的入口端均安装有高压电磁阀，每个高压储气罐的出口端均安装有电动压力调节阀。

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