用于适于能量存储的风力涡轮机的直接驱动功率转换系统

摘要

描述了一种适用于从诸如风力涡轮机的慢速移动的机械系统的主轴直接提取功率的系统。在该系统的核心处是具有低压(LP)侧和高压(HP)侧的闭合气路。虽然在两侧之间存在基本的压力比，但是甚至LP侧处于基本上比大气压力大的压力处。仅这个事实就允许直接驱动耦合到风力涡轮机转子的机器可以相对小且负担得起。系统包括在闭合气路的LP侧和HP侧上的耦合到风力涡轮机的主压缩机、耦合到热交换器的热存储器、二次电动机压缩机和膨胀器‑发电机组。利用这些项，系统允许在任何一个时间处在输入功率资源和输出功率之间的某种程度的独立性。当存在基本的风力功率且对电功率的需求弱时，该系统可以输出一部分捕获的能量且将其余部分存储。当风力资源低时，系统可以输出比从热存储器吸取能量所收集的更多的功率。

说明书

发明领域

本发明涉及用于转换来自大型旋转风力涡轮机的轴功率使得能量以适于直接存储的形式进行收集的系统。

背景

大型风力涡轮机其特征在于两个重要的特性：(a)它们旋转非常慢及(b)它们是断断续续地进行操作的，因为风力资源其本身就是断断续续的。由于低旋转速度，从风力涡轮机转子收集机械功率的机器必须处理非常高的转矩且这抬升了成本。在大多数实践情况下，在将功率驱动到发电机之前，变速箱被用于增加旋转速度，但是变速箱其本身仍然必须处理巨大的输入转矩且这使得它们既昂贵又相对不可靠。

本发明提供了一种包括旋转机器的系统，该旋转机器操作用于通过将一些可压缩的流体绝热地(或近似绝热地)压缩至某一相对大的压力比例使得产生显著的温度升高来从风力涡轮机直接吸收轴功率。可压缩流体在其被风力涡轮机进一步压缩之前已经处于高压力下。该压力将必定高达3巴且在大多数实现中其将高达20巴。它们通常是通过将在闭路中处于该闭路的低压部分的工作流体仍然很好地保持在大气压力之上来实现的。

发明概述

借助于附图1描述了发明的基本形式。在此中，功率转换系统包括气体闭路，该气体闭路具有高压(HP)侧(1)和低压(LP)侧(2)。此处术语“低压”(LP)仅是相对意义上使用的。本发明的基本特性是该气路的LP侧仍然在基本上在大气压之上的压力处——大小至少是大气压的3倍且在大多数实践情况下其大小将比大气压强20倍。气路的HP侧又在压力方面明显更高——使得即使是与可逆绝热压缩相关的气体中的温度升高也将是基本的。如果氮气被用作工作气体，压力比50可能被用来实现在压缩之前和之后的气体的绝对温度之间>3.05的比例。闭合的气路的HP侧(1)和LP侧(2)之间的压力比在所有的情形中都将被选择成使得可以实现大于1.5的绝对温度的比例。通常选择的工作气体具有高比热(c_p/c_v)且出于这个原因氩气是一个可能的选项。利用氩气作为工作气体，预期的最小压力比大约将是3.3。

气路的HP侧(1)包括附接有一个或多个进气管(1a)、(1b)、(1c)……等的HP歧管(3)。类似地，气路的LP侧(2)包括附接有一个或多个管(2a)、(2b)、(2c)……等的LP歧管(4)。

一个或多个主正排量压缩机(5a)、(5b)、(5c)……等存在于系统中。这些中的每一个都耦合到一个LP管作为输入以及耦合到一个HP管作为输出。因此，主压缩机(5a)经(2a)从LP歧管接收LP输入流体且经(1a)排出HP流体。诸如(5a)的主正排量压缩机中的每一个是由风力涡轮机转子驱动的。

即使在进入回转式压缩机{(5a)、(5b)、……}的进口处气体都可能处于高压力的原因是，因为这将压缩机所需的进入扫掠量降低至可达到的值。一个可以构想的是直接驱动风力涡轮机，其直接从大气条件下压缩空气但是在这些情形中的进入扫掠量非常巨大。后续部分提供了关于这一事实的一些定量解释。

一个或多个旋转膨胀器(6)存在于系统中且每个都耦合至发电机(7)。穿行经过主压缩机的所有气体也穿行经过该膨胀系统，以便提取一些能量作为电功率。膨胀器-发电机组通常将以相对高的速度进行操作，以便以相当低的成本实现良好的性能。

在闭合气路的HP侧(1)上，存在热交换器(8a)且该热交换器(8a)耦合到高温热存储器(8b)。该高温热存储器保持在基本上在环境温度以上的温度的热量。根据系统的操作模式，可以从HP气体吸取热量并推入到热存储器(8b)或可以从热存储器吸取热量并注入到HP气体。可选地，热交换器(8a)可以被HP气体完全绕过。

在闭合气路的LP侧(2)上，存在热交换器(9a)且该热交换器(9a)耦合到低温热存储器(9b)。该高温热存储器保持热量在基本上在环境温度以下的温度。根据系统的操作模式，可以从LP气体吸取冷却量并推入到低温热存储器或可以从该热存储器吸取冷却量并注入到LP气体。可选地，热交换器(9a)可以被LP气体完全绕过。

气室(10)附接到系统以允许HP压力和LP压力即使在闭合系统中的气体的质量平均温度可能升高或降低的情况下也保持基本不变。

在LP歧管(4)和HP歧管(3)之间，设置了二次压缩机(11)。该二次压缩机(11)是由电动机(12)驱动的。电动机-压缩机组通常将以相对高的速度进行操作，以便以相当低的成本实现良好的性能。二次压缩机(11)通常是动态机器(即，非正排量机)。

在图1中并不明显的细节是，在HP歧管和LP歧管{(3)和(4)}处以及在热交换器单元{(8a)和(9a)}处存在阀门系统。图2显示的是HP热交换器单元(8a)允许用于HP气体从其中穿行经过的三个不同的路径。在该附图中，气体在所有的情形中是从顶部流到底部，但是在一情形中，气体绕过热交换器单元，在另一情形中，气体以其将热量放弃到热存储器(8b)的方式穿行流通。在最终的情形中，气体以相反的方式穿行经过使得其从热的热存储器得到热量。因为二次压缩机(11)一般为非正排量机，需要一些阀门安装以确保当该压缩机不进行操作时没有反向流动经过其。

本发明是通过以下其操作的描述来进行理解的。

系统的操作

系统具有五个主要操作模式：

(a)直接生产的电功率输出且无有意热转移。

(b)降低生产的电功率输出且有意转移到热存储器。

(c)增加的生产的电功率输出且来自热存储器的有意恢复。

(d)进一步降低了的(或负的)电功率输出且有意转移到热存储器。

(e)进一步增加了的电功率输出且来自热存储器的有意恢复。

以上使用的术语“(exergy)”是正式的热力学术语。描述了通过允许系统利用其环境而回到平衡状态的从系统提取功的能力。存储在热的热存储器中的热量具有一些相关联的因为可以使用热引擎(像斯特林发动机)从其恢复至少一些机械功。类似地，存储在冷却热存储器这种的冷却量具有与其相关联的一些因为可以使用热引擎(像斯特林发动机)从其恢复至少一些机械功。

在以上所述的所有操作模式中，如图1所示气体在闭合系统中以顺时针方向流动——包括经过膨胀器(6)的通路。关于这点唯一的例外是当系统不工作时。在模式(a)、(b)、(c)和(e)的情形中正电功率被输出。在模式(d)中，净电输出功率通常为负——且存储在热存储器中。模式(d)被期望用于仅一小部分时间。在操作模式(a)、(b)和(c)中，气流由主压缩机单独地驱动。在操作模式(d)和(e)中，经过主压缩机的任何气流(其明确地根据风力的利用程度)都补偿有经过二次压缩机(11)的气流。

以下给出了五个操作模式的扩展的文字描述。附图3-7提供了这些操作模式的示意性表示。在这些附图中，块状箭头表示的流动。标签{HHT}、{HT}、{MT}、{LT}和{LLT}指示闭合气路的部分的温度。这些分别对应于非常高、高、中、低和非常低的温度。

在操作模式(a)中，工作气体在主压缩机(5a)、(5b)、(5c)等中从气路的LP侧被压缩并以更高的温度被推送到HP侧。该气体直接穿行到膨胀器(6)，其中气体然后被膨胀以恢复初始置入其中的大多数功。来自膨胀器的轴功率被送入到主发电机(7)，其中大部分轴功率被转换为电功率。如果发电机是AC发电机，那么其通常以同步速度进行运行，使得所产生的电功率将被直接送入到电力传输系统而不穿行经过电力电子设备。

如果系统已经有一段时间没有运转且接着以模式(a)进行操作，那么进入主压缩机的LP气体起初将处于环境温度并且从这些压缩机形成的HP气体将非常热。由于主气路的HP侧(1)中少部分热量损失，进入膨胀器(6)的HP气体将比正退出主压缩机的气体稍微缺点热，因而从膨胀器(6)形成的LP气体将低于环境温度。当该稍微冷却的气体再次到达主压缩机时，这些将比它们起初所产生的气体产生更加被冷却的HP气体输出。如果在模式(a)中进行操作了足够长的时间，那么系统将到达一个平衡状态，其中HP气体明显在环境温度之上且LP气体明显在环境温度之下。这些温度将在附图3-7中被示出为{HT}和{LT}。

在操作模式(b)中，工作气体在主压缩机(5a)、(5b)、(5c)等中从气路的LP侧被压缩并以比之前更高的温度排放到HP侧。HP气体穿行经过HP热交换器(8a)，其中热量被从其吸收并被送入高温存储器(9b)。HP气体然后以仅略微高于环境的温度穿行到膨胀器(6)。在此气体然后被膨胀以恢复起初被置入的仅某些功。来自膨胀器的轴功率被送入到主发电机(7)，其中大部分轴功率被转换为电功率。从膨胀器形成的LP气体基本上处于低于环境的温度，且该LP气体然后穿行经过LP热交换器(9a)，其中冷却量从其转移到低温存储器中。离开LP热交换器(9a)的LP气体处于略微低于环境的温度。该LP气体然后回到主压缩机。

在操作模式(c)中，工作气体再次穿行经过主压缩机(5a)、(5b)等，但是进入这些主压缩机的气体已经使用存储在冷却热存储器(9b)中的冷却量冷却化。当气体在HP侧出现时，其几乎处于环境温度且然后其穿行经过HP热交换器单元(8a)，该HP热交换器单元(8a)然后增加实质温度到气体。刚好在主膨胀器(6)之前的HP气体处于高温，使得在主膨胀处理之后，该气体再次近似地处于环境温度。在该操作模式中，一些由主压缩机(5a)、(5b)、(5c)等供应给闭合气路中的气体，且一些还从热存储器(8b)和(9b)进行供应。

在操作模式(d)和(e)中，二次压缩机(11)被电动机(12)驱动以使得即使从风力涡轮机得到压缩功率变小或为零也引起明显的气流。

在操作模式(d)中，大量的经电动机(12)进入系统且该中某些被存储在热存储器(8b)和(9b)中。出自于系统的剩余的再次通过发电机组(7)但是该模式中的净电功率输出通常将为负。换句话说，相比于经由发电机(7)回到电网的功率，从电网吸取更多电功率用于驱动电动机(12)。

在操作模式(e)中，大量的经由电动机(12)进入系统且额外的源自于热存储器(8b)和(9b)。来自于系统的累积的再次通过发电机组(7)，且在这种情形中，输出电功率将按一定系数大于输入电功率。

系统特性和优势

因为所描述的系统使用即使在气路的LP侧也是加压的气体，主压缩机单元(5a)、(5b)、(5c)等即使当用于高功率和低旋转速度时也可以紧凑。因此这些主压缩机单元适于用于利用大型陆上风力涡轮机的直接驱动模式。这与需要非常巨大的进入扫掠量的其他建议不同。

如果系统将仅被用于操作模式(a)，部件(8a)、(8b)、(9a)、(9b)、(11)和(12)将不存在于系统中且系统将适用于直接产生电力的简单的风电场。我们采用术语“核心系统(core system)”来指示需要用于输出电功率生产的所有部件。术语“存储子系统”将被用于包含部件(8a)、(8b)、(9a)、(9b)、(11)和(12)。因为单个膨胀器-发电机组可以结合多个风力涡轮机使用，且因为主压缩机中的“工作应力”高，所以核心系统的总成本可以与产生相同净输出电功率的传统风力场的总成本相竞争。

通过与存储能量的可选方法的比较，用于给定量的能量存储的存储子系统的边际成本非常低。热能量存储被认为非常划算，但是其具有相对差的周转效率的缺点。

通过与存储能量的可选方法的比较，与传递能量经过存储器相关联的边际能量损耗非常低。在大多数现存的能量存储方面，从电网吸取电能，转换成符合存储的形式，且接着在能量已经被存储一段时间后，能量转换回到电力。因此转换系统中穿行经过存储器的所有能量经历两个转变且存在与每个转变相关的损耗(一般为7％-15％)。在当前的情形中，穿行经过存储器的大部分能量并不经历任何其他的转变。存在一些与转移热量相关联的效率损失，但是这可能相对小。

在稳定状态中，在其所有的操作模式中系统是完全“可逆的”(在热力学方面)。换句话说，如果系统的所有部件是完全理想的，那么由主发电机(7)形成的总电能在长时间段内将理想地为输入到电动机(11)的总的电能与由风力涡轮机送入到主压缩机的总的机械能的总和。当然所有实际部件引起一些不可逆性。电动机、压缩机和膨胀器全都具有低于100％的效率，热交换器在它们进行操作时将在它们之间存在有限的温度差且管道和热存储器将在与环境热交换过程中遭遇小的能量损失。本系统与不可逆性是系统的内在元素的其他情形相比形成显明对比。

关于气路的升高压力的LP侧的理论基础

在每个循环中理想压缩机吸收的能量为：

其中P_输入表示进入压力，r表示压力比，V_{输入，循环}表示在每个单独的旋转中的吸入回转式压缩机的进入空气的体积，以及χ是从关于气体的比热得出的，为：

$\chi :=\frac{(r-1)}{r}---\left(2\right)$

为了对以上进行说明，考虑在额定情况下以1.2rad/s旋转的5MW风力涡轮机。涡轮机转子的单次旋转花费5.2秒来完成且因此在一个循环期间收集26MJ的能量——即，E_循环＝26MJ。在r＝50且P_输入＝5MPa的情况下，回转式压缩机所需的进入体积量可以被推出为3.6m³。对于正排量压缩机，这提供了关于机器的总的体积量的良好的指示。机器占用的实际的体积量可以比进入扫掠量大两倍或三倍。

注意等式(1)和(2)假定理想气体行为用于工作流体。这对于最感兴趣的流体是相当精确的。等式(1)或(2)中的任何一个都不依赖于温度。这是一个重要点。来自5MW风力涡轮机的输入功率可以通过压缩0.139m³/s(输入)的氮气从5MPa到高达250MPa(不管该输入是在-100℃还是在环境温度)来进行吸收。

基本概念的延伸

可能存在一个以上的由任何一个风力涡轮机轴驱动的压缩机，以便提供部分加载风力涡轮机的能力。在单个风力涡轮机轴上具有一个以上的压缩机的情况下，可以不同地设计单元的大小(如2MW和1MW)以允许宽泛的工作功率。

诸如(5a)的主压缩机中的一个或多个可以由一些其他的可再生能源(诸如波浪能转换器或潮汐能转换器)来驱动。

高温热交换器(8a)和相关的热存储器(8b)可以以温跃层的形式集成到单个单元中。类似地，低温热交换器(9a)和相关的热存储器(9b)可以集成到单个单元中。在一些实现中，低温热存储器可以利用液体二氧化碳作为热转移流体。

在一些实现中，用于二次压缩机(10)的电力驱动(11)可以由来自膨胀器单元(6)的机械传输来代替。

膨胀器单元(7)可包括一组分立的膨胀器单元以便可以达到良好的部分加载性能。

系统可以被实现成存在单个主压缩机(5a)。

对于本系统的设计的可选方案可以不使用闭合系统用于工作流体。空气可以用作工作流体，且可以装配另外的电驱动压缩机以处理“LP送入”到主压缩机。运行该压缩机的大部分功率可以源自于之后装配的膨胀器(6)，其操作以进一步降低空气压力至大气压力。以这种方式，可以形成本系统的闭合模拟。这可能引起除了压缩和膨胀操作之外的其他的能量损失且在热量转移中其将被用于最小化用于这些操作的净功率输入。

由膨胀器(6)驱动的发电机(7)通常将被置于与驱动二次压缩机(11)的电动机(12)的相同的电路中。以这种方式，仅来自该组合的净功率将与电网进行交换且因而线路的额定值可以被最小化。