JP3246983U - 圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】コンパクトな配置で建設費用を削減する、圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットを提供する。
【解決手段】圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットは、風力発電機関室100の内部に設けられる風力発電ユニット1、空気圧縮機ユニット2、空気膨張機ユニット3、第1電動発電機4及び三重電機5と、風力発電機関室の外部に設けられる複合空気貯蔵装置6とを備え、第1電動発電機は風力発電ユニットと空気圧縮機ユニットとの何れか1つと接続し、空気圧縮機ユニットと空気膨張機ユニットとは三重電機を介して同軸に接続し、複合空気貯蔵装置は塔状筒内に設けられた第1空気貯蔵装置601と洋上に設けられた第2空気貯蔵装置602とを備え、複合空気貯蔵装置の入力端は空気圧縮機ユニットと接続し、複合空気貯蔵装置の出力端は空気膨張機ユニットと接続する。
【選択図】図1
【解決手段】圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットは、風力発電機関室100の内部に設けられる風力発電ユニット1、空気圧縮機ユニット2、空気膨張機ユニット3、第1電動発電機4及び三重電機5と、風力発電機関室の外部に設けられる複合空気貯蔵装置6とを備え、第1電動発電機は風力発電ユニットと空気圧縮機ユニットとの何れか1つと接続し、空気圧縮機ユニットと空気膨張機ユニットとは三重電機を介して同軸に接続し、複合空気貯蔵装置は塔状筒内に設けられた第1空気貯蔵装置601と洋上に設けられた第2空気貯蔵装置602とを備え、複合空気貯蔵装置の入力端は空気圧縮機ユニットと接続し、複合空気貯蔵装置の出力端は空気膨張機ユニットと接続する。
【選択図】図1
Description
本考案は、風力発電エネルギー貯蔵の技術分野に関し、特に圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットに関する。
現在、大規模な風力発電の電力網に接続する際には、間欠性、変動性及び不安定性の現象が存在する。特に経済的に発展した沿岸地域では、高負荷の電力消費並びに波峰と波谷と間の大きな差値が電力網のピークシェービング及び周波数調整に厳しい圧力を加えるが、風力発電等の不安定な新エネルギー源が高比例利用と電力網接続との間の矛盾を悪化させるため、新エネルギー利用の水準を大幅に高め、分布式エネルギーシステム、地域級の小規模な知能電力網及び環境適合性の源網荷貯を備える新型電力システムを実現することが急務となる。
風力発電ユニットの発電量は、様々な風の状態(安定した風と突風と緩やかな風等)に関連し、自然に配置に必要なエネルギー貯蔵をもたらす。目前、洋上風力発電ユニットは、電力網の波動負荷を調節し対応するように圧縮空気エネルギー貯蔵システムと間接的に結合した。風力発電所と圧縮空気エネルギー貯蔵システムがそれぞれ電力網と接続するという「源-網-荷-貯」の接続モードは、「網」のみに頼る。それの各サブシステムが散在し、大きな空間を占有するため、洋上風力発電の費用とシステムの総費用の削減には役立たない。
現在、圧縮空気エネルギー貯蔵システムと間接的に結合する洋上風力発電ユニットの空気貯蔵装置は、コストが高くなり、エネルギー容量と密度が低くなり、沿岸の地下洞窟、沿岸の人造地下室及び沿岸の地表の空気貯蔵装置を含める。このような空気貯蔵は、沿岸の高価な土地を占有するし、長距離の送配電を必要とするため、建設費用と送配電費用が高くなる。また、地下洞窟は、地理的条件により、岩塩空洞、地下帯水層、硬い岩層の洞窟、天然岩の洞窟、及び廃天然ガス又は石油の貯蔵室を含める。
これに鑑みて、本考案は、次の技術的問題の少なくとも1つを解決するために圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットを提供する。圧縮空気エネルギー貯蔵システムと間接的に結合した洋上風力発電ユニットは、配置が散在し、建設費が高くなる。圧縮空気貯蔵システムの空気貯蔵装置は高い費用にかかる。
本考案は、圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットを提供する、風力発電機関室の内部に設けられる風力発電ユニット、空気圧縮機ユニット、空気膨張機ユニット、第1電動発電機及び三重電機と、前記風力発電機関室の外部に設けられる複合空気貯蔵装置とを備え、前記第1電動発電機が第1入力軸と第1出力軸とを備え、前記第1入力軸が第1切り替え器を介して前記風力発電ユニットと接続し、前記第1出力軸が前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記空気圧縮機ユニットと前記空気膨張機ユニットとは、前記三重電機を介して同軸に接続し、前記三重電機が第2出力軸と第2入力軸とを備え、前記第2出力軸が第2切り替え器を介して前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記第2入力軸が第3切り替え器を介して前記空気膨張機ユニットと接続し、前記複合空気貯蔵装置が塔状筒内に設けられた第1空気貯蔵装置と洋上に設けられた第2空気貯蔵装置とを備え、前記第1空気貯蔵装置と前記第2空気貯蔵装置との内部空洞がお互いに連通し、前記複合空気貯蔵装置の入力端が前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記複合空気貯蔵装置の出力端が前記空気膨張機ユニットと接続し、前記第1電動発電機と前記三重電機が何れも電力網と制御可能に電気に接続し、前記空気圧縮機ユニットの入力端がエネルギー貯蔵管路を介して前記複合空気貯蔵装置と接続し、前記空気膨張機ユニットの出力端がエネルギー放出管路を介して前記複合空気貯蔵装置と接続する。
オプションの実施形態として、前記塔状筒は、軸方向に沿って接続された複数の塔状筒段部を備え、前記第1空気貯蔵装置が少なくとも1つの前記塔状筒段部の内部に配置される、又は、前記第1空気貯蔵装置が少なくとも1つの前記塔状筒段部である。
オプションの実施形態として、前記塔状筒は、お互いに入れ子にされた外筒体と内筒体を有し、前記第1空気貯蔵装置が外筒体と内筒体との間の空洞に配置される、又は、前記外筒体と前記内筒体との間の空洞が前記第1空気貯蔵装置としての役割を果たす。
オプションの実施形態として、前記第2空気貯蔵装置が水中に位置する剛性貯蔵タンクを備え、前記剛性貯蔵タンクの内部空洞が前記第1空気貯蔵装置の内部空洞と連通する。
オプションの実施形態として、前記第2空気貯蔵装置が可撓性空気嚢を備え、前記可撓性空気嚢の内部空洞が前記第1空気貯蔵装置の内部空洞と連通する。
オプションの実施形態として、前記剛性貯蔵タンクに排水装置と吸水装置が接続される。
オプションの実施形態として、前記排水装置が前記吸水装置と集成し、お互いに接続された発電電動機と可逆式ポンプ水車を備え、前記ポンプ水車が内部の出入り水管路を介して前記剛性貯蔵タンクと接続する。
オプションの実施形態として、前記可撓性空気嚢は昇降機構を介して前記塔状筒と接続し、前記昇降機構が前記塔状筒に固定された第1滑車組立品と、海底に固定された第2滑車組立品と、前記第1滑車組立品と前記第2滑車組立品との間に接続されたロープとを備え、前記可撓性空気嚢が前記ロープに接続され、前記第1滑車組立品が第2電動発電機と接続する。
オプションの実施形態として、前記風力発電機関室の内部に緩衝タンクも設けられており、前記緩衝タンクが液体状態又は超臨界状態にある空気を貯蔵するのに適しており、前記緩衝タンクが前記複合空気貯蔵装置と連通し、前記緩衝タンクの入力端が前記空気圧縮機ユニットと接続し、前記緩衝タンクの出力端が前記空気膨張機ユニットと接続する。
エネルギー貯蔵の場合に、電力網の負荷曲線の波谷における余剰の電気エネルギーは、機械エネルギーに変換され、ひいては空気の圧力ポテンシャルエネルギーと熱エネルギーに変えられてそれぞれ空気貯蔵装置と蓄熱サブシステムに蓄えられる。エネルギー放出の場合に、高圧高温空気のポテンシャルエネルギーと内部エネルギーは機械的エネルギーに変換され、ひいては外部に出力して負荷曲線の波峰を削るように電気エネルギーに変えられる。
オプションの実施形態として、前記空気圧縮機ユニットと前記空気膨張機ユニットとの間に公共熱交換装置が配置され、前記公共熱交換装置が圧縮空気の流通する第1熱交換経路と、膨張空気の流通する第2熱交換経路と、熱交換流体の流通する第3熱交換経路とを備え、前記第1熱交換経路が前記エネルギー貯蔵管路と接続し、前記第2熱交換経路が前記エネルギー放出管路と接続する。
オプションの実施形態として、前記洋上風力発電ユニットが複数設けられ、前記第2空気貯蔵装置が複数設けられ、任意の台数の第1空気貯蔵装置が任意の台数の第2空気貯蔵装置と接続する。
本考案による実施形態によって提供された洋上風力発電ユニットは、次の利点を備える。
1.圧縮空気エネルギー貯蔵システムの空気圧縮機ユニットと空気膨張機ユニットを洋上風力発電ユニットの風力発電機関室に入れるのは、洋上風力発電ユニットが圧縮空気エネルギー貯蔵システムと直接結合するようにし、構造がコンパクトになり、占有空間が小さくなり、洋上風力発電ユニットと圧縮空気エネルギー貯蔵システムの建設費用を削減する。
2.第1切り替え器は第1電動発電機を介して空気圧縮機ユニットを風力発電ユニットと結合する。電力網又は風力発電ユニットに由来できる第1電動発電機の電源は、「源-網-荷-貯」の接続モードが「網」のみに頼らないようにし、圧縮空気エネルギー貯蔵システムが源側の風力発電所の電源と直接結合できるため、分布式エネルギーシステムと地域級の小規模な知能電力網を成し遂げ、沿海の負荷中心に近接して送配電コストを削減するようになる。空気圧縮機ユニットは、第1電動発電機によって駆動され、第1電動発電機は、電力網の要求に応じて電力網の電源又は風力発電所電源により給電し、第1切り替え器の切り替えを支配することでどちらかにより給電を実現する。
3.空気圧縮機ユニットと空気膨張機ユニットとは、三重電機を介して同軸に接続する。一方では、多軸接続によって引き起こされる電気機械変換損失を低め、エネルギー変換効率を高めることができ、他方では、システム集成のレベルと空間利用率を高め、建設と運営保守費用を節約し、コストを削減して効率を高める効果を達成する。三重電機は、第2切り替え器を介して空気圧縮機ユニットと接続し、空気圧縮機ユニットを駆動して空気を圧縮する電動機としての役割を果たすか、第3切り替え器を介して空気膨張機ユニットと接続し、空気膨張機ユニットを駆動して発電する発電機としての役割を果たすか、電力網の電圧が下がる際に無効電力出力を増やし、電力網の電圧が上がる際に無効電力を吸収し、電力網の電圧を維持し、システムの安定性を高め、システムの給電品質を向上させるコンデンサーとしての役割を果たす。
4.圧縮空気エネルギー貯蔵システムでは、複合の空気貯蔵により、すなわち、塔状筒自体の管路に似る鉄骨貯蔵タンク構造を用いて第1空気貯蔵装置を提供し、洋上において第2空気貯蔵装置を設ける。第1空気貯蔵装置と第2空気貯蔵装置は、結合後にエネルギー貯蔵の容量と密度を高めることができ、従来の沿海の地下洞窟に比べて、地理的条件に制限されず、沿岸の高価な土地を占有されず、伝送距離を短縮し、建設費用と伝送費用を削減するようになる。異なるエネルギー貯蔵の要求に応じて、第1空気貯蔵装置の空気貯蔵の容量を第2空気貯蔵装置のそれに合理的に割り当てることができる。
本考案の実施形態の技術的解決策並びに従来技術の技術的解決策をより明確に説明するために、以下のように実施形態及び従来技術の記載に必要な図面を概説し、明らかに、以下に記載される図面は本考案の一部の実施形態であるが、当業者は通常の創作能力を発揮せずにこれらの図面に従って他の図面を獲得する可能性もある。
本考案の実施形態の目的、技術手段及びメリットをより明らかにするために、以下、本考案の実施形態における図面を参照しながら、本考案の実施形態における技術的手段を明らか且つ完全に説明し、説明される実施形態が全ての実施形態ではなく、本考案の一部の実施形態に過ぎないことはいうまでもない。当業者が本考案における実施形態に基づいて創造的労動を行うことなく得た他の実施形態は、全て本考案が保護する範囲に含まれるものとする。
我々は、次に図1-11と組み合わせて本考案の実施形態を記述する。
本考案による実施形態では、本考案の第1様態によって提案された圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットは、風力発電ユニット1と圧縮空気エネルギー貯蔵システム中の電気機械装置の一部を風力発電機関室100に集成する。具体的に、当該洋上風力発電ユニットは、風力発電機関室100の内部に設けられる風力発電ユニット1、空気圧縮機ユニット2、空気膨張機ユニット3、第1電動発電機4及び三重電機5と、風力発電機関室100の外部に設けられる複合空気貯蔵装置6とを備える。第1電動発電機4は、第1入力軸と第1出力軸とを備え、第1入力軸は第1切り替え器7を介して風力発電ユニット1と接続し、第1出力軸は空気圧縮機ユニット2と接続する。空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3とは、三重電機5を介して同軸に接続する。三重電機5は、第2出力軸と第2入力軸とを備え、第2出力軸は第2切り替え器8を介して空気圧縮機ユニット2と接続し、第2入力軸は第3切り替え器9を介して空気膨張機ユニット3と接続する。複合空気貯蔵装置6は、塔状筒10内に設けられた第1空気貯蔵装置601と洋上に設けられた第2空気貯蔵装置602とを備え、第1空気貯蔵装置601と第2空気貯蔵装置602との内部空洞はお互いに連通する。複合空気貯蔵装置6の入力端は空気圧縮機ユニット2と接続し、複合空気貯蔵装置6の出力端は空気膨張機ユニット3と接続する。
本考案による実施形態によって提供された圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニットは、次の利点を備える。
1.圧縮空気エネルギー貯蔵システムの空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3を洋上風力発電ユニットの風力発電機関室100に入れるのは、洋上風力発電ユニット1が圧縮空気エネルギー貯蔵システムと直接結合するようにし、構造がコンパクトになり、占有空間が小さくなり、洋上風力発電ユニット1と圧縮空気エネルギー貯蔵システムの建設費用を削減する。風力発電機関室100内の空間を最適化することでは、小型化の圧縮空気エネルギー貯蔵システムの電気機械装置を風力発電機関室100の内部に入れることができる。異なる容量の洋上風力発電ユニット1は、エネルギー貯蔵の比例に応じて風力発電機関室100の内部に入れる小型化の圧縮空気エネルギー貯蔵システムに適応することができる。小型化の圧縮空気エネルギー貯蔵システムを洋上風力発電ユニットに直接に入れるのは、現場で洋上風力発電の電力網に接続する際の断続的な制御不能性を解決し、再生可能エネルギーの分布式エネルギーシステムと地域級の小規模な知能電力網を成し遂げ、長距離送配電のコストと圧縮空気エネルギー貯蔵システムの建設費用を削減する。
2.第1切り替え器7は第1電動発電機4を介して空気圧縮機ユニット2を風力発電ユニット1と結合する。電力網又は風力発電ユニット1に由来できる第1電動発電機4の電源は、「源-網-荷-貯」の接続モードが「網」のみに頼らないようにし、圧縮空気エネルギー貯蔵システムが源側の風力発電所の電源と直接結合できるため、分布式エネルギーシステムと地域級の小規模な知能電力網を成し遂げ、沿海の負荷中心に近接して送配電コストを削減するようになる。空気圧縮機ユニット2は、第1電動発電機4によって駆動され、第1電動発電機4は、電力網の要求に応じて電力網の電源又は風力発電所電源により給電し、第1切り替え器7の切り替えを支配することでどちらかにより給電を実現する。
3.空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3とは、三重電機5を介して同軸に接続する。一方では、多軸接続によって引き起こされる電気機械変換損失を低め、エネルギー変換効率を高めることができ、他方では、システム集成のレベルと空間利用率を高め、建設と運営保守費用を節約し、コストを削減して効率を高める効果を達成する。三重電機5は、第2切り替え器8を介して空気圧縮機ユニット2と接続し、空気圧縮機ユニット2を駆動して空気を圧縮する電動機としての役割を果たすか、第3切り替え器9を介して空気膨張機ユニット3と接続し、空気膨張機ユニット3を駆動して発電する発電機としての役割を果たすか、電力網の電圧が下がる際に無効電力出力を増やし、電力網の電圧が上がる際に無効電力を吸収し、電力網の電圧を維持し、システムの安定性を高め、システムの給電品質を向上させるコンデンサーとしての役割を果たす。発電機、発電機電及びコンデンサーとしての三重機能は、切り替え器と組み合わせることで、機械設備及び電気設備の費用を大幅に削減できる。これは、組み合わせられた空気圧縮機ユニット2、空気膨張機ユニット3、及び三重電機5に応じて機械電気装置の同軸位置及び数量を決めることができる。
4.圧縮空気エネルギー貯蔵システムでは、複合の空気貯蔵により、すなわち、塔状筒10自体の管路に似る鉄骨貯蔵タンク構造を用いて第1空気貯蔵装置601を提供し、洋上において第2空気貯蔵装置602を設ける。第1空気貯蔵装置601と第2空気貯蔵装置602は、結合後にエネルギー貯蔵の容量と密度を高めることができ、従来の沿海の地下洞窟に比べて、地理的条件に制限されず、沿岸の高価な土地を占有されず、伝送距離を短縮し、建設費用と伝送費用を削減するようになる。異なるエネルギー貯蔵の要求に応じて、第1空気貯蔵装置601の空気貯蔵の容量を第2空気貯蔵装置602のそれに合理的に割り当てることができる。
具体的には、図1に示すように、風力発電ユニット1は、主軸101と車歯箱102とを備える。主軸101の片端は羽根110と接続し、主軸101の他端は車歯箱102と接続し、車歯箱102の入力軸は第1切り替え器7を介して第1電動発電機4と接続する。具体的には、第1切り替え器7が連結状態にある場合に、第1電動発電機4は車歯箱102と接続し、風力発電ユニット1から送られた電力により第1電動発電機4が回転し、空気圧縮機ユニット2を駆動する。第1切り替え器7が切断状態にある場合に、第1電動発電機4は車歯箱102と切り離し、電力網の電源により第1電動発電機4が作動して空気圧縮機ユニット2を駆動する。
具体的には、風力発電ユニット1は、電子制御システムを更に備える。空気圧縮機ユニット2と空気膨張ユニット3との電気制御装置は、風力発電ユニット1の電子制御システムと接続する。
三重電機5の作動については、具体的に第2切り替え器8が連結状態にあり、第3切り替え器9が切断状態にある場合に、三重電機5の第2出力軸は空気圧縮機ユニット2と接続し、空気圧縮機ユニット2を作動に駆動しながら、空気を圧縮してエネルギー貯蔵処理を行う。第2切り替え器8が切断状態にあり、第3切り替え器9が連結状態にある場合に、三重電機5の第2入力軸は空気膨張機ユニッ3と接続し、空気膨張機ユニッ3を発電に駆動しながら、空気が膨張してエネルギー放出及び発電を行う。
具体的には、空気圧縮機ユニット2は多段空気圧縮機を備え、空気膨張機ユニット3は多段空気膨張機を備える。
好ましくは、図2又は図6を参照して、塔状筒10は、軸方向に沿って接続された複数の塔状筒段部1001を備え、第1空気貯蔵装置601が少なくとも1つの塔状筒段部1001の内部に配置される、又は、第1空気貯蔵装置601が少なくとも1つの塔状筒段部1001である。
塔状筒10自体の管路に似る鉄骨貯蔵タンク構造のせいでは、塔状筒10の内部空間を最適化し、1つ以上の塔状筒段部1001が空気貯蔵タンクとして使われ、第1空気貯蔵装置601としての役割を直接的に果たすようにする。即ち、塔状筒10の外壁は第1空気貯蔵装置601の筐体であり、塔状筒段部1001の内部空洞は第1空気貯蔵装置601の空気貯蔵室である。勿論、第1空気貯蔵装置601は、他の形態の構造を採用して塔状筒10の内部空洞内に配置されることができる。例えば、第1空気貯蔵装置601は空気貯蔵桶を備え、空気貯蔵桶は塔状筒段部1001の内部に配置されて空気貯蔵を成し遂げる。
一実施形態では、塔状筒10は、お互いに入れ子にされた外筒体1002と内筒体1003を有し、第1空気貯蔵装置601は外筒体1002と内筒体1003との間の空洞に配置される、又は、外筒体1002と内筒体1003との間の空洞は第1空気貯蔵装置601としての役割を果たす。即ち、図3、図4、図7又は図8を参照して、塔状筒10の外筒体1002と内筒体1003との側壁は第1空気貯蔵装置601の筐体であり、外筒体1002と内筒体1003との間の空洞は第1空気貯蔵装置601の空気貯蔵室である。勿論、第1空気貯蔵装置601は他の構造を採用する可能性があり、例えば、第1空気貯蔵装置601は外筒体1002と内筒体1003との間に位置する空気貯蔵桶である。第1空気貯蔵装置601の空気貯蔵の容量は、塔状筒10の異なる構造に応じて適応的に調整される。
一実施形態では、図2-4を参照して、第2空気貯蔵装置602は、可撓性空気嚢6022を備え、可撓性空気嚢6022の内部空洞は、第1空気貯蔵装置601の内部空洞と連通する。より安価な可撓性空気嚢6022を使う場合は、沿海の高価な土地を占有しないようになる。
一実施形態では、可撓性空気嚢6022は、昇降機構20を介して塔状筒10と接続し、昇降機構20は、塔状筒10に固定された第1滑車組立品2001と、海底130に固定された第2滑車組立品2002と、第1滑車組立品2001と第2滑車組立品2002との間に接続されたロープ2003とを備える。可撓性空気嚢6022はロープ2003に接続され、第1滑車組立品2001は第2電動発電機と接続し、第2電動発電機はそれぞれ電動機と発電機としての役割を果たす。具体的には、先ず圧縮空気を可撓性空気嚢6022に蓄えて圧縮空気のエネルギー貯蔵を実現し、可撓性空気嚢6022の体積を大きくすることで、浮力エネルギー貯蔵のエネルギー密度を高め、次いで、浮力エネルギー貯蔵を行い、可撓性空気嚢6022が沈む過程で、第2電動発電機は電動機としての役割を果たし、第2電動発電機の回転が第1滑車組立品2001を回転に駆動して第1滑車組立品2001に巻き付けられたロープ2003を作動させることができる。そうすると、可撓性空気嚢6022がロープ2003に接続されるから、可撓性空気嚢6022が駆動されて沈む過程では、第2電動発電機の稼動が浮力エネルギー貯蔵に変換される。逆に、先ず浮力エネルギー放出を行い、可撓性空気嚢6022が浮上する過程では、第2電動発電機が発電機としての役割を果たし、浮上している可撓性空気嚢6022は、ロープ2003を作動させて第1滑車組立品2001を回転に駆動することで第2電動発電機が駆動されて発電するようにし、次いで、圧縮空気エネルギー放出を行い、可撓性空気嚢6022内の圧縮空気を放出することで可撓性空気嚢602の容積を小さくし、次回の空気エネルギー貯蔵の容量を予備する。
いくつかの特定の実施形態では、第1滑車組立品2001は、第2電動発電機と同軸に連結する。勿論、両方は転動機構を介して接続する可能性もある。
具体的には、ロープ2003は、保持ロープを介して可撓性空気嚢6022と接続する。いくつかの実施形態では、接続点を4つに設置し、即ち、可撓性空気嚢6022は、4つの保持ロープを介してロープ2003と連結する。具体的には、可撓性空気嚢6022の上部は、2つの保持ロープを介して第1滑車組立品2001に巻掛けられたロープ2003と連結し、可撓性空気嚢6022の下部は、2つの保持ロープを介して第2滑車組立品2002に巻掛けられたロープ2003と連結する。そうすると、可撓性空気嚢6022は、海面120上に浮遊できる上に、海面120以下に沈むこともできる。
この配置により、圧縮空気の高圧エネルギー貯蔵が浮遊式可撓性空気嚢6022の浮力エネルギー貯蔵と結合してからエネルギー貯蔵の容量と密度を高めることができる上に、可撓性空気嚢6022自体の浮力ポテンシャルエネルギーと内部の高圧空気ポテンシャルエネルギーを利用することができる。その中では、可撓性空気嚢6022の最大設計の空気貯蔵内圧が最大設計の沈み深度及び浮力と一致する。浮力エネルギー貯蔵の原理:可撓性空気嚢6022の内部に単一の作動流体とする空気のみがあり、可撓性空気嚢6022に対して膨張及び収縮を行う際のそれの体積変化により可撓性空気嚢6022の排水体積を変え、次いで可撓性空気嚢6022の浮力に影響を与える。
浮力エネルギー貯蔵と結合するシステムは、水の静圧を用いて圧縮空気エネルギー貯蔵サブシステムの定圧動作を更に維持できる。この設計は、空気圧縮機ユニット及び空気膨張機ユニットが圧力変化により設計作業条件から逸脱して非効率的に稼動することを回避する。
具体的には、第1滑車組立品2001は、塔状筒10の基礎に位置する。
好ましくは、ロープ2003は鋼索である可能性がある。
好ましくは、第2電動発電機の制御ケーブルは風力発電ユニットのシステムと接続する。
一実施形態では、第2空気貯蔵装置602は、水中に位置する剛性貯蔵タンク6021を備え、剛性貯蔵タンク6021の内部空洞は第1空気貯蔵装置601の内部空洞と連通する。図5-8を参照すると、同様に、3つの異なる構造の塔状筒10に対して、剛性貯蔵タンク6021は、管路と第1空気貯蔵装置601と連通できる。この配置により、圧縮空気による排出海水のエネルギー貯蔵を固定式剛性貯蔵タンク6021の水圧エネルギー貯蔵と結合させてからエネルギー貯蔵の容量と密度を高めることができる上に、剛性貯蔵タンク6021自体は排出海水によって貯蔵されたエネルギーと内部の高圧空気ポテンシャルエネルギーを利用する。その中では、剛性貯蔵タンク6021の最大設計の空気貯蔵の内圧力は、最大設計の排水圧力と一致する。浮力による追加荷重に乗り越えずに水中に設けられた剛体タンク6021は、低コストのコンクリート打設を行い、沿海の高価な土地を占有しないようにする。
一実施形態では、剛性貯蔵タンク6021には、排水装置と吸水装置が接続される。剛性貯蔵タンク6021は剛性構造を備え、剛性貯蔵タンク6021の内部に空気と水の2つの作動流体を含め、排水装置と吸水装置を介して収容の水量を変えて収容の空気量を変え、そして空気の圧力ポテンシャルエネルギーと水の重力ポテンシャルエネルギーに影響を与える。
一実施形態では、排水装置は吸水装置と集成し、お互いに接続された発電電動機と可逆式ポンプ水車を備え、ポンプ水車は内部の出入り水管路を介して剛性貯蔵タンク6021と接続する。その中では、発電電動機は、発電機と電動機の両方としての役割を果たす。可逆式ポンプ水車は、吸引と排水の両方としての役割を果たす。剛性貯蔵タンク6021が排水する場合は、発電電動機は電動機としての役割を果たし、可逆式ポンプ水車を駆動して稼動し、水を汲み上げて排水を行い、空気の許容体積が増え、その後空気エネルギー貯蔵過程で圧縮空気を蓄え、重力エネルギー貯蔵と圧縮空気エネルギー貯蔵を実現する。圧縮空気エネルギー放出を行う場合は、剛性貯蔵タンク6021内の圧縮空気を放出し、空気圧が下がり、剛性貯蔵タンク6021の内外に圧力差があり、その後可逆式ポンプ水車は水を汲み上げて排水を行い、それによる駆動下で発電電動機が発電機としての役割を果たして外部へ発電し、圧縮空気エネルギー放出と重力エネルギー放出を実現する。
好ましくは、発電電動機と可逆式ポンプ水車は、剛性貯蔵タンク6021の基礎の底部に位置する。発電電動機の制御ケーブルは、風力発電ユニットの電子制御システムと接続する。
浮力又は重力エネルギー貯蔵を結合すると、浮力エネルギー貯蔵用浮遊体又は重力エネルギー貯蔵用上下空洞体を構築することなく、圧縮空気エネルギー貯蔵の容量と密度を大幅に高める。
複合空気貯蔵装置では、複合空気貯蔵の割合を柔軟に設定でき、立地選定の風場、地質学的条件、深海条件、風力発電ユニットの容量及び圧縮空気エネルギー貯蔵に必要な空気貯蔵空間に応じて第1空気貯蔵装置601と第2空気貯蔵装置602の空気貯蔵の割合を合理的に割り当てることができる。
好ましくは、風力発電機関室100の内部には緩衝タンク30も設けられており、緩衝タンク30は、液体状態又は超臨界状態にある空気を貯蔵するのに適する。緩衝タンク30は、複合空気貯蔵装置6と連通し、緩衝タンク30の入力端が空気圧縮機ユニット2と接続し、緩衝タンク30の出力端が空気膨張機ユニット3と接続する。
緩衝タンク30は、空気を液体に圧縮する、又は、超臨界状態で貯蔵できる。圧縮空気を液体又は超臨界状態で貯蔵することでは、システム効率を大幅に高めることができる。風力発電所又は低峰電力に必要な蓄電電力と持続時間に応じて圧縮エネルギー貯蔵システムの特定の空気貯蔵状態を柔軟に選択できる。
一実施形態では、図1に示すように、緩衝タンク30は、風力発電機関室100の内部に集成される。そうすると、風力発電機関室100の内部空間を十分に活用し、圧縮空気エネルギー貯蔵システム中のより多くの電気機械装置を風力発電機関室100の内部に集成し、電気機械装置が占める空間を削減することができる。
本考案による実施形態では、本考案の第2様態によって提案された圧縮空気貯蔵システムは、電力網と上記技術的解決策のいずれか1つにおける洋上風力発電ユニットとを備え、第1電動発電機4と三重電機5が何れも電力網と制御可能に電気に接続し、空気圧縮機ユニット2の入力端がエネルギー貯蔵管路を介して複合空気貯蔵装置6と接続し、空気膨張機ユニット3の出力端がエネルギー放出管路を介して複合空気貯蔵装置6と接続する。
具体的には、エネルギー貯蔵の場合は、洋上風力発電所の余剰電気エネルギー又は電力網の電気エネルギーを用いて空気圧縮機ユニット2を駆動し、蓄積された電気エネルギーの工率と持続時間に応じて低圧空気を液体状態又は超臨界状態に圧縮して複合空気貯蔵部6に貯蔵し、即ち、第1空気貯蔵装置601及び/又は第2空気貯蔵装置602に貯蔵する。
エネルギー放出の場合は、複合空気貯蔵部6内の圧縮空気が空気膨張機ユニット3に出力されて膨張して発電を行う。
好ましくは、空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3との間には公共熱交換装置40が配置され、公共熱交換装置40は圧縮空気の流通する第1熱交換経路と、膨張空気の流通する第2熱交換経路と、熱交換流体の流通する第3熱交換経路とを備える。第1熱交換経路はエネルギー貯蔵管路に接続され、第2熱交換経路はエネルギー放出管路に接続される。
具体的には、エネルギー貯蔵管路とエネルギー放出管路における温度差及び圧力差の小さい熱交換装置を共用化することで熱交換サブシステムのコストを下げる。空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3の配置は、様々な作業環境で異なり、付設する熱交換器の温度差と圧力差に応じて公共熱交換器の位置と数量を配置できる。
具体的には、空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3は、いずれも第1圧力側と第2圧力側とを備え、第1圧力側の圧力は、第2圧力側の圧力よりも低い。即ち、第1圧力側は低圧側であり、第2圧力側は高圧側である。一実施形態では、図9に示すように、第1圧力側と第2圧力側の空気圧縮機ユニット2及び空気膨張機ユニット3は、何れも公共熱交換装置40と接続する。即ち、空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3は、低圧側、高圧側を問わず、熱交換装置を共用する。具体的には、本実施形態では、2つの公共熱交換装置40がそれぞれ第1圧力側と第2圧力側に配置される。即ち、低圧側の空気圧縮機と低圧側の空気膨張機は、第1圧力側の公共熱交換装置40と熱交換に接続し、高圧側の空気圧縮機と高圧側の空気膨張機は、第2圧力側の公共熱交換装置40と熱交換に接続する。勿論、公共熱交換器40は、異なる圧力大きさの空気圧縮機及び空気膨張機との接続に対応して複数に配置される可能性がある。空気圧縮機ユニット2と空気膨張機ユニット3が公共熱交換装置40を共用することでは、熱交換システムへの投資と建設費用を下げる。
いくつかの実施形態では、図10を参照して、公共熱交換装置40は、第1圧力側にのみ配置される。即ち、低圧側の空気圧縮機と低圧側の空気膨張機とは、公共熱交換装置40を共用する。低圧側の公共熱交換装置40の温度パラメータは類似し、圧力差が小さいため、公共熱交換装置40を共用した上で、熱交換装置の台数とトン数とを減らすことができる。
いくつかの実施形態では、図11を参照して、公共熱交換装置40は、第2圧力側にのみ配置される。即ち、高圧側の空気圧縮機と高圧側の空気膨張機とは、公共熱交換装置40を共用する。高圧側の公共熱交換装置40の温度パラメータは類似し、圧力差が大きいため、第1熱交換経路と第2熱交換経路を切り替える際に、圧力変化を考慮する必要があり、公共熱交換装置40を共用した上で、熱交換装置の台数とトン数とを明らかに減らすことができる。
いくつかの実施形態では、図10又は図11を参照して、冷却器140は隣接する空気圧縮機の間に接続される。再熱器150は、隣接する空気膨張機の間に接続される。空気圧縮機と空気膨張機が公共熱交換装置40を共用する場合には、対応する圧力大きさの冷却器140と再熱器150が省略される。エネルギー貯蔵過程では、公共熱交換装置40が空気を冷却し、エネルギー放出過程では、公共熱交換装置40が空気を加熱する。
いくつかの実施形態では、図10又は図11を参照して、冷却器140と再熱器150との間には集熱装置50と蓄熱装置60が接続される。冷却器140は、エネルギー貯蔵において空気を冷却し、置換された熱は、集熱装置50に蓄えられ、エネルギー放出において空気を加熱できる。再熱器150は、エネルギー放出において空気を加熱し、置換された冷却熱は、冷蔵装置60に蓄えられ、エネルギー貯蔵において空気を冷却する。これにより、熱の循環利用はできる。
いくつかの実施形態では、図9又は図11を参照して、空気圧縮機ユニット2の出力端と緩衝タンク30の入力端との間には降圧装置80が接続される。エネルギー貯蔵過程では、圧縮空気が減圧を受けて緩衝タンク30を介して複合空気貯蔵装置6に貯蔵される。具体的には、降圧装置80が液体膨張機又は絞り弁である。
いくつかの実施形態では、図9又は図11を参照して、空気膨張機ユニット3の入力端と緩衝タンク30の出力端との間には昇圧装置90が接続される。エネルギー放出加点では、複合空気貯蔵装置6に蓄えられた圧縮空気が緩衝タンク30に出力されて昇圧装置90で加圧されてから空気膨張機ユニット3に入力される。
いくつかの実施形態では、図1、図5又は図9-図11を参照し、圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、冷却熱交換器70を更に備える。冷却熱交換器70は、エネルギー貯蔵過程中の圧縮空気の流通するための第1経路と、エネルギー放出過程中の膨張空気の流通するための第2経路と、熱交換媒体の流通するための第3経路とを備える。エネルギー貯蔵過程では、冷却熱交換器70に蓄えられた冷却熱を用いて、圧縮空気を同圧力で冷却・液化して降圧装置80で減圧してから、大気圧で複合気体貯蔵装置6に蓄える。エネルギー放出過程では、冷却熱交換器70が空気を室温まで加熱するために用いられる。
(稼動原理)
1.エネルギー貯蔵の場合、洋上風力発電所の余剰電気エネルギー又は、電力網の電気エネルギーを用いて多段空気圧縮機を駆動し、蓄積された電気エネルギーの工率と持続時間に応じて、低圧空気を液体状態又は超臨界状態に圧縮して、圧縮空気を公共熱交換装置40で室温まで冷却してから、冷却熱交換器70に蓄えられた冷却熱を用いて、それを同圧力で冷却・液化して降圧装置80で減圧してから、大気圧で複合気体貯蔵装置6に蓄える。
(1)浮力エネルギー貯蔵と結合する場合は、先ず、可撓性空気嚢6022の容積を増大するように空気エネルギー貯蔵を行って浮力エネルギー貯蔵のエネルギー密度を高め、次いで浮力エネルギー貯蔵を行い、第2電動発電機が作動してロープ2003に固定的に連結された可撓性空気嚢6022を駆動して海面以下の目標位置まで沈ませる。
(2)重力エネルギー貯蔵と結合する場合、空気エネルギー貯蔵を行う前に、重力エネルギー貯蔵を行ってエネルギー貯蔵空間の容積を増やし、次いで空気エネルギー貯蔵の容量を高め、海底130にある発電電動機と可逆式ポンプ水車を用いて最大吐出量まで水を汲み上げて排水を行う。
2.エネルギー放出の場合、複合空気貯蔵部6内の液体又は超/超臨界状態の空気は、加圧されてから冷却熱交換器70によって室温まで加熱され、公共熱交換装置40中の圧縮熱を吸収し、最後に多段空気膨張機によって膨張されて発電を行う。
(1)浮力エネルギー放出と結合する場合は、空気エネルギー放出を行う前に、高い浮力エネルギー密度を利用するために浮力エネルギー放出を行い、可撓性空気嚢6022は浮力の助けを借りて海面以上の目標位置に浮く。浮いている可撓性空気嚢6022は、ロープ2003を介して第1滑車組立品2001を回転に駆動して第1滑車組立品2001と同軸接続した第2電動発電機を駆動して発電を行う。
(2)重力エネルギー放出と結合する場合は、先ず高水圧のエネルギー放出密度を利用するために空気エネルギー放出を行ってから重力エネルギー放出を行う。剛性貯留タンク6021内の圧縮空気の放出により、剛性貯留タンク6021内の空気圧が下がり、剛性貯留タンク6021の内外で圧力差が生じ、剛性貯留タンク6021は最大吸水量まで水を汲み上げ、可逆式ポンプ水車を作動に駆動して海底130に位置する発電電動機を駆動して発電する。
好ましくは、洋上風力発電ユニットは複数設けられ、第2空気貯蔵装置602は複数設けられ、任意の台数の第1空気貯蔵装置601は任意の台数の第2空気貯蔵装置602と接続する。即ち、1つの第1空気貯蔵装置601は複数の第2空気貯蔵装置602と接続する可能性がある、又は、複数の第1空気貯蔵装置601は1つの第2空気貯蔵装置602と接続する可能性がある、又は、複数の第1空気貯蔵装置601は複数の第2空気貯蔵装置602と一対一接続する可能性がある。
本考案によって提案された圧縮エネルギー貯蔵システムは、浮力又は重力エネルギー貯蔵を介して圧縮空気エネルギー貯蔵の容量及び密度を高め、洋上風力発電ユニットの容量に適応する低費用の空気貯蔵を成し遂げる。機械設備と電気設備を協働して割り当て、同軸コンパクトな配置と低費用の熱交換システムを採用し、熱交換器を共用して洋上風力発電ユニットの機関室に直接的に入れることで、源側の風力発電所の電源と結合する。
本考案の実施形態は図面と組み合わせて説明されるが、当業者は、本実用新案の趣旨と範囲を逸脱することなく、種々の変更及び変形を行うことができ、こうした変更及び変形は、請求項によって限定される範囲内に含まれる。
1-風力発電ユニット、101-主軸、102-車歯箱、2-空気圧縮機ユニット、3-空気膨張機ユニット、4-第1電動発電機、5-三重電機、6-複合空気貯蔵装置、601-第1空気貯蔵装置、602-第2空気貯蔵装置、6021-剛性貯蔵タンク、6022-可撓性空気嚢、7-第1切り替え器、8-第2切り替え器、9-第3切り替え器、10-塔状筒、1001-塔状筒段部、1002-外筒体、1003-内筒体、20-昇降機構、2001-第1滑車組立品、2002-第2滑車組立品、2003-ロープ、30-緩衝タンク、40-公共熱交換装置、50-集熱装置、60-蓄熱装置、70-冷却熱交換器、80-降圧装置、90-昇圧装置、100-風力発電機関室、110-羽根、120-海面、130-海底、140-冷却器、150-再熱器。
Claims (9)
- 風力発電機関室(100)の内部に設けられる風力発電ユニット(1)、空気圧縮機ユニット(2)、空気膨張機ユニット(3)、第1電動発電機(4)及び三重電機(5)と、前記風力発電機関室(100)の外部に設けられる複合空気貯蔵装置(6)とを備え、
前記第1電動発電機(4)が第1入力軸と第1出力軸とを備え、前記第1入力軸が第1切り替え器(7)を介して前記風力発電ユニット(1)と接続し、前記第1出力軸が前記空気圧縮機ユニット(2)と接続し、
前記空気圧縮機ユニット(2)と前記空気膨張機ユニット(3)とは、前記三重電機(5)を介して同軸に接続し、前記三重電機(5)が第2出力軸と第2入力軸とを備え、前記第2出力軸が第2切り替え器(8)を介して前記空気圧縮機ユニット(2)と接続し、前記第2入力軸が第3切り替え器(9)を介して前記空気膨張機ユニット(3)と接続し、
前記複合空気貯蔵装置(6)が塔状筒(10)内に設けられた第1空気貯蔵装置(601)と洋上に設けられた第2空気貯蔵装置(602)とを備え、前記第1空気貯蔵装置(601)と前記第2空気貯蔵装置(602)との内部空洞がお互いに連通し、前記複合空気貯蔵装置(6)の入力端が前記空気圧縮機ユニット(2)と接続し、前記複合空気貯蔵装置(6)の出力端が前記空気膨張機ユニット(3)と接続し、
前記第1電動発電機(4)と前記三重電機(5)が何れも電力網と制御可能に電気に接続し、前記空気圧縮機ユニット(2)の入力端がエネルギー貯蔵管路を介して前記複合空気貯蔵装置(6)と接続し、前記空気膨張機ユニット(3)の出力端がエネルギー放出管路を介して前記複合空気貯蔵装置(6)と接続する、
ことを特徴とする圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記塔状筒(10)は、軸方向に沿って接続された複数の塔状筒段部(1001)を備え、前記第1空気貯蔵装置(601)が少なくとも1つの前記塔状筒段部(1001)の内部に配置され、若しくは、前記第1空気貯蔵装置(601)が少なくとも1つの前記塔状筒段部(1001)であり、
又は、前記塔状筒(10)は、お互いに入れ子にされた外筒体(1002)と内筒体(1003)を有し、前記第1空気貯蔵装置(601)が外筒体(1002)と内筒体(1003)との間の空洞に配置される、若しくは、前記外筒体(1002)と前記内筒体(1003)との間の空洞が前記第1空気貯蔵装置(601)としての役割を果たす、
ことを特徴とする請求項1に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記第2空気貯蔵装置(602)が水中に位置する剛性貯蔵タンク(6021)を備え、前記剛性貯蔵タンク(6021)の内部空洞が前記第1空気貯蔵装置(601)の内部空洞と連通する、
又は、前記第2空気貯蔵装置(602)が可撓性空気嚢(6022)を備え、前記可撓性空気嚢(6022)の内部空洞が前記第1空気貯蔵装置(601)の内部空洞と連通する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記剛性貯蔵タンク(6021)に排水装置と吸水装置が接続されることを特徴とする請求項3に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。
- 前記排水装置が前記吸水装置と集成し、お互いに接続された発電電動機と可逆式ポンプ水車を備え、前記ポンプ水車が内部の出入り水管路を介して前記剛性貯蔵タンク(6021)と接続する、
ことを特徴とする請求項4に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記可撓性空気嚢(6022)は昇降機構(20)を介して前記塔状筒(10)と接続し、前記昇降機構(20)が前記塔状筒(10)に固定された第1滑車組立品(2001)と、海底(130)に固定された第2滑車組立品(2002)と、前記第1滑車組立品(2001)と前記第2滑車組立品(2002)との間に接続されたロープ(2003)とを備え、前記可撓性空気嚢(6022)が前記ロープ(2003)に接続され、前記第1滑車組立品(2001)が第2電動発電機と接続する、
ことを特徴とする請求項3に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記風力発電機関室(100)の内部に緩衝タンク(30)も設けられており、前記緩衝タンク(30)が液体状態又は超臨界状態にある空気を貯蔵するのに適しており、前記緩衝タンク(30)が前記複合空気貯蔵装置(6)と連通し、前記緩衝タンク(30)の入力端が前記空気圧縮機ユニット(2)と接続し、前記緩衝タンク(30)の出力端が前記空気膨張機ユニット(3)と接続する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記空気圧縮機ユニット(2)と前記空気膨張機ユニット(3)との間に公共熱交換装置(40)が配置され、前記公共熱交換装置(40)が圧縮空気の流通する第1熱交換経路と、膨張空気の流通する第2熱交換経路と、熱交換流体の流通する第3熱交換経路とを備え、前記第1熱交換経路が前記エネルギー貯蔵管路と接続し、前記第2熱交換経路が前記エネルギー放出管路と接続する、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。 - 前記洋上風力発電ユニットが複数設けられ、前記第2空気貯蔵装置(602)が複数設けられ、任意の台数の第1空気貯蔵装置(601)が任意の台数の第2空気貯蔵装置(602)と接続する、
ことを特徴とする請求項8に記載の圧縮空気貯蔵システム付き洋上風力発電ユニット。
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