[實用新型]一種壓縮空氣儲能和釋放一體化的風力發電系統

有效

• 申請號: 201420796807.6
• 申請日: 2014-12-15
• 公開（公告）號: CN204344376U
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 張承慧;李珂;呂偉龍;田崇翼;馬昕
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: F03D9/00
• 分類號: F03D9/00;F03D9/02;F04C23/02;F01C13/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本實用新型涉及一種壓縮空氣儲能和釋放一體化的風力發電系統。

背景技術

目前風力發電系統受到風能波動性和間歇性制約，不能長時間連續穩定供能，傳統的蓄電池由于價格昂貴，無法做到大容量儲能。壓縮空氣儲能成本低，壽命長，沒有蓄電池的二次污染，適合應用在風電系統中的作為大容量儲能設備。

一般機械式的風力機壓縮空氣則多采用剛性傳動，部件多且結構復雜，一般只能制取高壓空氣用于燃燒釋放，不能作為儲能設備調節風力發電系統的功率平衡，更無法被系統再次高效利用。雖然采用風力可以節省電力成本，但是在壓縮空氣裝置啟動停止時不可避免的產生機械沖擊，齒輪磨損加重，不可避免的出現強烈的振動、噪聲和潤滑等問題，最終導致運行環境差，維護困難，壽命短暫。并且機械傳動的系統運行和維護。

現在多數能夠應用在風力發電系統中的壓縮空氣儲能設備所存在的問題有二，一是使用風力發電產生的電能帶動電動機壓縮空氣，能量轉化環節多，造成儲能有損失；二是采用燃氣輪機燃燒混合高壓空氣的燃料來釋放儲存的空氣內能，雖然可以調節功率供給，但是燃燒排放的廢氣除了環境污染還損失了大量熱能，同時還需要依賴燃氣輪機、天然氣管道等配套設施與其配合，結構復雜，成本昂貴，儲能轉換利用的效率低下。

實用新型內容

本實用新型為了解決上述問題，提出了一種壓縮空氣儲能和釋放一體化的風力發電系統，該系統可將獨立的壓縮空氣儲能釋能設備以機械耦合和電耦合兩種方式靈活接入風力發電系統，既能消納風力直接壓縮空氣，代替蓄電池進行大規模的儲能，又能直接利用壓縮空氣膨脹發電，釋放風能。有效調節風力發電系統的能量供需平衡，而且儲能規模大，效率高且無污染。

為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種壓縮空氣儲能和釋放一體化的風力發電系統，包括風力機、電控離合器、第一電機、第二電機、渦旋復合機、氣路、儲氣裝置和PC上位機；其中，風力機與第一電機一端軸連，構成風力發電子系統；第二電機與渦旋復合機軸連，渦旋復合機的氣口通過氣路與儲氣裝置相連，構成壓縮空氣儲能釋放一體化子系統；所述第一電機和第二電機軸都是兩端引出，電控離合器將第一電機和第二電機進行軸連，將風力發電子系統和壓縮空氣儲能釋放一體化子系統結合起來。

為采集系統運行信息，所述風力機與第一電機的連接軸上設置有第一轉速轉矩傳感器用以獲得第一發電機的轉矩轉速；所述第二電機與渦旋復合機的連接軸上設置有第二轉速轉矩傳感器用以獲得第二電機的轉矩轉速。

所述氣路上裝有第一氣體檢測裝置和第二氣體檢測裝置，各自包括壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器，第一氣體檢測裝置用以檢測渦旋復合機氣口的氣體壓力、流量和溫度，第二氣體檢測裝置用以檢測儲氣裝置的氣體壓力、流量和溫度。

所述氣路上連接有第一熱交換器、蓄熱器、第二熱交換器、單向閥和比例控制閥，分為兩條氣路；一條是壓縮氣路，渦旋復合機壓縮產生的高壓氣體經過單向閥和第一換熱器進入儲氣裝置；另一條是膨脹氣路，儲氣裝置內的高壓氣體經過比例控制閥和第二換熱器進入渦旋復合機膨脹后釋放。

所述第一換熱器和第二換熱器之間通過蓄熱器交換熱能。所述渦旋復合機采用中國專利申請201110002249中名稱為《用于壓縮空氣儲能技術的渦旋式壓縮－膨脹復合機》中的復合機，其既可以對低壓氣體進行壓縮也可以對高壓氣體進行膨脹，是完成壓縮空氣儲能和釋放一體化的重要部件。

所述第一電機和第二電機的定子繞組分別連接第一變流器和第二變流器，變流器之間通過直流母線連接，變流器通過各自的驅動器控制，驅動器的控制信號通過PC上位機改變。

所述直流母線上連接有蓄電池、超級電容和用電負載。

本實用新型的工作原理為：

風力機受風力推動，帶動第一電機發電，電能通過第一變流器到達直流母線。風力機會受到風能波動影響從而導致電機的轉速不穩定，直流母線上的電壓和電流會產生高頻波動。對瞬時快速儲能裝置(蓄電池和超級電容)進行充放電可以平抑波動，保證直流母線的穩定，以此保證負載平衡和系統穩定運行。根據當前風速和風機特性曲線，可以找到此風速下風機達到最大功率輸出的最優轉速。通過驅動器控制第一變流器，可以調節第一電機的轉速和轉矩，改變風力機的負載，從而跟蹤風力機的最優轉速，實現風力機的最大功率的追蹤。第一轉速轉矩傳感器檢測風機輸出軸的轉速轉矩，以便PC上位機對第一電機進行閉環控制。