专利名称：一种大型风力发电机热水储能方法及专用设备的制作方法
技术领域：
本发明属于风电技术领域，具体为一种大型风力发电机热水储能方法及专用设备。
背景技术：
目前国内风电装机仅是电力总装机的2%，据不完全统计，2010年全国弃风(由于电网接纳能力不足、风电场建设工期不匹配和风电不稳定等原因不能让风电上网，只能将风机停止发电)发电量超过60亿千瓦时，很多地区风电面临并网和消纳难题，风电不得不大
量的浪费。现在的大型风力发电机组毫无例外的都是采用“大规模直接并网”方式，据报道， 我国最大型的风电场装机总容量(总功率)已经大到“陆上三峡”的发电量规模，达到千万千瓦级了，并且如此规模的风电已经规划了 7个风电场，如此大的电力能量忽大忽小、时有时无，又以“不稳定、不可调”的状态并入电网，这是任何电网都不能够承受和消纳的。在“大型风力发电机非并网”方面，已经有人提出“风电制氢”，即利用大量的风电电力将水分解为氢气和氧气，然后进行储存和利用，然而氢气的极易爆炸性(空气中只要含有5-75%的氢气就是爆炸性气体，况且氢气的爆炸速度极快、极易由微小的火花引爆)，其安全问题一直无法彻底解决，从而影响了氢能源的推广使用。还有将大量的风力电力进行海水淡化或者是利用其进行炼铝等金属冶炼，也有很大的局限性，都不能够进行风电电能的充分利用，更是难以随时处理数量巨大的风电电力， 其成本、设备、投入都很高，一些特定的场合，如新疆、甘肃、内蒙等地的风电场，难以获得大量的用来制氢或者是淡化的水源，也不具备冶炼的条件，种种原因制约了这方面的发展。另外，如抽水储能，拿黄河刘家峡水电站举例来说，首先需要有大量的水源，刘家峡就是利用整条黄河水源，需要有很高的地形落差(落差147米)，刘家峡水电站的装机容量仅130万千瓦，如果要将“千万千瓦容量的风电进行抽水储能，那么就需要建造约10个刘家峡水电站规模的抽水储能水库，难以实施。压缩空气储能有一个最实际的问题，就是空气压缩时要放出大量的热能，在利用压缩在高压状态的空气推动任何机械运转时需要吸收大量的热能，压缩空气储能的“热能散发问题和热能吸收问题”无法解决。蓄电池储能“铅酸电池、锂电池、钒电池、钠硫电池”等，此种方式的储能价格高， 1千瓦容量(12伏特电压100安时蓄电池)的一个铅酸电池需要500元，寿命3年，1000千瓦的风力发电机组需要配1000个，需要50万元，还只能使用3年就要更换，在使用中还要技术工人进行经常管理养护，铅酸电池还是最便宜的蓄电池，其它的各种新型蓄电池价格是铅酸电池的5-8倍，还有大量的铅、锂、钒、钠、硫等都是重金属，在制造和使用中对环境伤害极大，所以实际上在风电储能方面无法使用。如何将现有的已经安装好的风力发电机组所发电力进行充分高效的利用，应该提出更好的解决方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种大型风力发电机热水储能方法及专用设备的技术方案，将大量不稳定的风电转化为热水在储热体中进行合理利用，使用安全可靠、环保无害、无污染，是典型的绿色能源。所述的一种大型风力发电机热水储能方法，其特征在于利用大量的不稳定的风电对储热体内设置的淡水进行间断和变功率加热，将其电能转化为温度在40-100°C的热水，利用保温技术将热水进行几十至一百小时时间内的保温，在保温期间将储存在储热体内中的热水进行稳定、可控的输出利用。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的热水储能专用设备为储热体，所述的储热体由外至内用反光膜保护层、岩棉保温层、保温隔板、水箱体连接构成，水箱体内设置淡水，淡水内设置一组中空的耐压不锈钢钢管及电加热设备。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的储热体腔体的体积为1-100立方米，优选10-80立方米，更优选20-60立方米；储热体上设置透气孔。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的电加热设备由一组电热管、电炉丝或电热棒加热构成。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的水箱体的厚度为0. 3-3厘米，优选0. 5-1. 5厘米。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的保温隔板为真空板，其厚度为0. 5-30厘米，优选1-15厘米。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的岩棉保温层的厚度为4-20厘米，优选5-15厘米。所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的反光膜保护层的厚度为0. 01-0. 08厘米，优选0. 02-0. 04厘米。上述一种大型风力发电机热水储能方法，将大量不稳定的风电转化为热水在储热体中进行合理利用，简单易行，使用安全可靠、环保无害、无污染，是典型的绿色能源，可以远距离供应大量的高温热能，以替代煤炭、石油、天然气等传统能源，应用在生产、生活的各个方面。专用储热体中的淡水为任何江河湖海中的淡水，来源丰富；且该储热体的储热量大，可循环往复使用，还具有成本更低廉、加工更容易等优点。
图1为本发明的结构示意图中1-储热体、2-反光膜保护层、3-岩棉保温层、4-保温隔板、5-水箱体、6-加热设备、7-淡水、8-中空的耐压不锈钢钢管。
具体实施例方式以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。大型风力发电机热水储能方法为利用大量的不稳定的风电对储热体1内设置的淡水7进行间断和变功率加热，将其电能转化为温度在40-100°C的热水，利用保温技术将热水进行几十至一百小时时间内的保温(每立方米容积的储热水体在保温良好的条件下， 从100°C时经过M小时只降温3_5°C，符合热力学第二定律)，在保温期间将储存在储热体 1内中的热水进行稳定、可控的输出利用，完全可以在这段时间里运输到很远的地方使用。所述的热水储能专用设备为储热体1，所述的储热体1由外至内用反光膜保护层 2、岩棉保温层3、保温隔板4、水箱体5连接构成，水箱体5内设置淡水7，淡水7内设置一组中空的耐压不锈钢钢管8及电加热设备6。所述的储热体1腔体的体积为1-100立方米， 优选10-80立方米，更优选20-60立方米；储热体1上设置透气孔。所述的电加热设备6由一组电热管、电炉丝或电热棒加热构成。所述的水箱体5的厚度为0. 5-4厘米，优选1-1. 5 厘米；所述的保温隔板4的厚度为0. 5-30厘米，优选1-20厘米；所述的岩棉保温层3的厚度为4-30厘米，优选5-20厘米；所述的反光膜保护层2的厚度为0. 01-0. 08厘米，优选 0. 02-0. 04 厘米。所述的保温隔板4使用不锈钢板焊接而成，隔断并且大幅度减少“热能的对流和传导”损失，防腐蚀；所述的岩棉保温层3和反光膜保护层2使用岩棉和反光膜做成，将“热能传导和辐射”的损失阻断和减少，达到热能基本不散失的目的，或者说是“将热能散失减少到最小”(符合热力学第二定律和第零定律)。所述的保温隔板4是将钢材做成一个中空的方扁型或者圆形(含椭圆形)容器，钢板中间的空间厚度是2-30厘米，方型和长方形储热体使用方扁型“保温隔板”，圆形容器使用圆形“保温隔板”，椭圆形容器使用椭圆形保温隔板，抽出空气，使之成为真空状态即可，此保温隔板4是建立在普通真空技术基础上的，具有高效保温的作用。所述的储热体1容器外形采用标准集装箱和标准汽车液体运输罐尺寸设计或者改制，可以按照集装箱方式和汽车罐型容器的现有外形，安装在1-60吨农用车和载重车上，如1-3立方米容积的“储热体箱”可以由普通农用车、轻型货运汽车拉运，5-10立方米的可以使用中型专用载重车拉运，11-50吨的可以使用大型集装箱载重车拉运，即方便装卸又方便运送和使用。本发明使用的储热材料为淡水，在地球上大量而广泛分布，是天然水体中的任何淡水。水的比热容(又叫吸热量)是4.2ima/kg*°C (读作(千焦.千克.摄氏度)参见 《无机化工手册》第20页，表1. 10. 1。水的基本特点，就是可以反复的吸热、散热，同时在40-100°C都可以有良好的储热性能，这些储热量大的水体可以作为热能的载体，可以进行反复的吸热、散热。加热“储热水体”时只要不超过100°C，就不会沸腾更不会发生爆炸、燃烧等，是特别安全的，在40-100°C的加热过程中仅排出一些少量的水蒸气(不超过总体积的5%)，放热时吸收的是少量空气，无论在加热时或者是放热时均在常压下进行(容器没有压力，与当地的大气压一致)所以在使用中特别安全、环保。淡水的储热量大在1立方米容积时水的比重是1，即1立方米容积的重量是1000 公斤(1吨)，1吨水的比热容是4. 216MJ，从20°C加热到100°C时温差是80°C，通过下列计算可知，能够储存4. 216MJ热量相当于93. 76 (千瓦/时)(每立方米容积储热能量)
储热量计算公式如下 计算公式Q=cm Δ tQ 表示热量；C:表示比热容；m:表示质量；At表示变化的温度 Q 吸=cm(t-t0)
Q吸表示吸收的热量c表示比热容m表示质量t表示末温t0表示初温 Q 放=cm(t0-t)
注释Q放表示放出的热量c表示比热容m表示质量t表示末温t0表示初温计算
将1立方米容积的储热水体比热容数据和温度差代入上式 每千克的吸热量(比热容)是4. 216kJ/kg · °C，每吨的比热容是4. 216MJ/吨.K Q=cm Δ t
(温度范围为20-100°C时，理论上可以储存的热能) Q= (4. 216MJ/ 吨 *Δ t)=4. 216MJ*1 (吨)*k=4216MJ. k 1吨的水体吸热量=4. 216MJ* Δ t (温度差)
吸热量乘以温度差=4. 216MJ*80°C (100°C _20°C，从20°C升高到100°C的温差) =337. 8MJ*0. 278 (1MJ 热能等于 0. 278 千瓦 / 时) =93. 76 (千瓦/时)(每立方米容积储热能量)
每吨储热水体从20°C加热到100°C可以储存的热量是93. 76千瓦/时(度电) 利用风电电能加热时，也可以看作是将大量的电力转化为热能并且储存在此类物质中，使用时只要将这些热能输出并调控到我们所需要的温度即可。(符合热力学第一定律) 储热体1的加热方式和特点 1、电热管(电热棒)加热方式
通过温度控制开关调节以上加热温度到100°C时自动关闭，就像是家用开水器一样控制特别简单。大部分1000千瓦及更大功率的风力发电机的输出电压都是输出交流电，频率是50赫兹、电压是690V，都可以通过普通变压器改变电压的方法降低和改变电压或者是使用380V的三相交流电加热棒(电加热管)采用串联方式，达到符合储热水体中预置的“电加热管” “电热棒”加热所需要的电压。最好的方式是委托电加热管的生产厂家生产690V的配套产品，直接使用。2、因为“储热水体”是放置在一个封闭(有透气的小孔，只在加热时和放热时开启， 保存、运输过程中是关闭的)并且高效保温的容器中，输入的热量会逐渐的积累并不断升高，因为有良好的保温层保持温度，绝大部分热能不会散失，在加热时热量损失很小(遵循热力学第一定律)可以高效储热，即便是间断加热与“变功率加热”(这两点特别符合大型风力发电机的发电不稳定情况)都能够将绝大部分热能进行储存。储热体中热能的利用
1、在此储热体中可以预置中空并且耐压的不锈钢钢管，取用热能时在此钢管的一端利用鼓风机送入冷空气，当冷空气流过此钢管的高温储热区段时可以获得40-100°C的热风 (自行调节空气进口阀门，与不经过储热体的冷空气混合即可达到所需要的“暖风”)，直接将调节好额定温度的热风送入中央空调的“热风源”处或者是集中供热的系统的“热风管” 入口处，就可以切除原系统中的煤炭加热、电加热、天然气加热等环节(而这些加热系统是最耗费能源的)大大的节省了煤炭和电力。2、采用“水热能换热器”方式与水暖系统连接，进行热能置换，供冬季时的房屋取暖需要，一般的水暖系统，出水温度是70°C，回水温度是40°C，通过“水热能换热器”接入到水暖系统后可以直接供应取暖热水，替代煤炭加热水方式，可以节省大量的煤炭。3、可以使用气体/气体；气体/液体；液体/液体等多种形式的换热器将大量的热能置换到需要的场合使用，方法灵活多变，但都是成熟的“公知技术”，没有技术瓶颈。4、可以利用这些大量的热能通过换热器进行“低温发电”模式，如很多“余热发电机组” “地热发电机组”模式就可以利用60-100°C的热能进行发电，因为这种热能是廉价而且是取之不尽用之不竭的，所以利用这些热能进行“低温发电模式发电”并且以这种方式并网，不但电网欢迎，而且是最环保、最干净、最长久的电能。5、一种高效的“斯特林发动机”可以利用这些热能进行热能高效转换为机械能量， 再通过这些机械能量机械传统模式的发电机发电，这是可以调控输出的可调、可控电能，这种电能并网是电网极其欢迎的。通过机械能量的转换还能够产生机械能拖动各种移动的交通工具如汽车、火车、 轮船、拖拉机等，意义重大。储热体1的具体实施例一
0.001立方米(1立方分米、重量1公斤)容积的储热水体从40°C加热到100°C可以储存 1. 1度电的功率热能。采用本发明所述的储热体1进行保温，可以做到M小时只降温io°c 的水平(因为此实施例，体积小，散热面积相对较大，遵循表面积与体积成3次方的关系，即表面积增大一倍，体积增大8倍的原因所以散热速度较快)，从100°C降低到60°C时可以保存4天时间，证明了此技术可以长时间保温的效果。根据以上的实施例的对本技术中储热体保温的验证情况，下面通过计算可以说明在型号为20G的标准集装箱装入25立方米体积的“储热水体”的储热性能。储热体1的具体实施例二
型号为20G的标准集装箱总容积为33. 3立方米，实际装入25立方米的储热体，另外 8. 3立方米的容积是储热体的容器、保温层、反热层、防护层等。如将25立方米容积的储热体加热，从201加热到1001时，按照每立方米储能密度93.76 (千瓦/时)(如前所叙述)， 可以储存总热量为2344度电功率的热能，大约消耗3000度风电(80%效率计算)，可以吸纳 1台1000千瓦的风力发电机组3小时所发出的额定标准的风电，并且转化成热能的方式储存。本发明所述的大型风力发电机组进行热水储能的效益分析
1、一台1000千瓦的风力发电机组一天M小时按照满功率发电计算可以发电M000千瓦/时(度电)，可以加满八个如此大小的储热水体箱，可以储存热能18752千瓦/时(度电) 的电能热量，按照电能转换为热能的效率0. 78计算，实际消耗24000千瓦/的电量。18752千瓦/时(储热体储存的电热能)除以8. 14千瓦/时(每公斤标煤功率热值) =2304公斤标煤，相当于2. 3吨标煤的热能，相当于3. 2吨优质无烟煤。注我国是按照“煤当量”统一计算热值，每公斤标煤的热值是7000千卡，又等于 8. 14千瓦/时(见千瓦小时-焦耳-马力小时-卡路里单位换算表)。2、当前优质无烟煤的价格在900-1000元(2011年3月价格)，所以一台1000千瓦的风力发电机组每天如果如果使用我们的发明技术进行储热利用，将会最少产生约3000 元的经济效益，这比上不了电网，在闲置的无效益状态的风力发电机组是有天壤之别的，一个是“晒太阳”的负收益状态，一个是“有风就有大收益状态，二者相比“优” “劣”立判。3、此种热能是可以直接使用的热能，不像煤炭还要通过锅炉燃烧发热所产生的热能，煤炭在任何型号效率的锅炉燃烧过程中要损耗很大一部分热能无法利用(没有热效率 100%的锅炉和设备)，所以使用“风电热能”的实际效果大大的高于煤炭的标称热值(符合热
力学第二定律)。在大型风力发电机组上使用储热体方式的优点和特点
1、每1台1000千瓦风力发电机组可以配合8-16台25立方米容积的“储热水箱”，以利循环使用，还可以起到极有利于风力发电机正常运行的作用，因为风能的能量是与风速的3 次方成正比的关系(风速增大一倍风力增大8倍)。在风速低时可以给4-8台储水箱加热，风速高时给8-16台储热体同时加热，充分的有效的利用了低于额定风速或者高于额定风速的风能，极大的提高了风能利用效率，因为不考虑电压稳不稳，有功电能、无功电能达不达标，功率因数是多少等并网必须的条件， 实际上是一个理想的“纯电阻电路”加热模式，所以比上网产生的效益高几倍。2、还能够对风力发电机起到“耗电制动”效应(很宽的储热性能可以高效率的吸收大风时的能量)使风力发电机不再有“甩负荷逃逸”的现象发生(在甩掉大负荷时最容易发生“飞车”的故障)，也从根本上解决了超大风速时，风力发电机因超风速保护机构动作， 而突然甩掉大负荷造成的“飞车”现象，此情况下极易造成风力发电组的损坏，不但从根本上解决了这一难题，更能够简化大型风力发电机的结构，降低造价，提高储热的总利用效3、此种热能是直接供应到用户直接使用的，完全没有燃烧煤炭的污染，更是将不稳定的风电随时转化为可以储存、可以调控的数量巨大的热能，将为现在大量存在的因为上不了大电网的“弃风、停转”的大型风力发电机组，提供一个高效率出力、赚大钱的方式和机会。4、一台1000千瓦的风力发电机组按照保守的每天收入3000元计算，每年就是109 万元，只按照1/2的发电时间计算(按照实际情况折算)，每年也有5万元收入，更难能可贵的是此种热能是完全绿色的能源，从节能减排、环境保护的层面看，其社会、环境效益是普通煤炭和其它化石能源无可比拟的，应该可以大力推广使用。
权利要求
1.一种大型风力发电机热水储能方法，其特征在于利用大量的不稳定的风电对储热体(1)内设置的淡水(7)进行间断和变功率加热，将其电能转化为温度在40-100°C的热水， 利用保温技术将热水进行几十至一百小时时间内的保温，在保温期间将储存在储热体(1) 内中的热水进行稳定、可控的输出利用。
2.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的热水储能专用设备为储热体(1)，所述的储热体(1)由外至内用反光膜保护层(2)、岩棉保温层(3)、保温隔板(4)、水箱体(5)连接构成，水箱体(5)内设置淡水(7)，淡水(7)内设置一组中空的耐压不锈钢钢管(8)及电加热设备(6)。
3.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的储热体(1)腔体的体积为1-100立方米，优选10-80立方米，更优选20-60立方米；储热体(1) 上设置透气孔。
4.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的电加热设备(6)由一组电热管、电炉丝或电热棒加热构成。
5.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的水箱体(5)的厚度为0. 3-3厘米，优选0. 5-1. 5厘米。
6.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的保温隔板(4)为真空板，其厚度为0. 5-30厘米，优选1-15厘米。
7.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的岩棉保温层(3)的厚度为4-20厘米，优选5-15厘米。
8.如权利要求1所述的一种大型风力发电机热水储能专用设备，其特征在于所述的反光膜保护层(2)的厚度为0. 01-0. 08厘米，优选0. 02-0. 04厘米。
全文摘要
一种大型风力发电机热水储能方法及专用设备，属于风电技术领域。利用大量的不稳定的风电对储热体内设置的淡水进行间断和变功率加热，将其电能转化为温度在40-100℃的热水，利用保温技术将热水进行几十至一百小时时间内的保温，在保温期间将储存在储热体内中的热水进行稳定、可控的输出利用。上述一种大型风力发电机热水储能方法，简单易行，使用安全可靠、环保无害、无污染，是典型的绿色能源，可以远距离供应大量的高温热能，以替代煤炭、石油、天然气等传统能源，应用在生产、生活的各个方面。专用储热体中的淡水为任何江河湖海中的淡水，来源丰富；且该储热体的储热量大，可循环往复使用，还具有成本更低廉、加工更容易等优点。
文档编号F03D9/00GK102252416SQ201110114098
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者俞海键, 郑尔历 申请人:浙江日月昇科技有限公司