一种压缩气体管道发电装置的制作方法

1.本发明涉及储能和风力发电领域。


背景技术：

2.随着碳减排的深入发展，人类越来越需要清洁电力，如风能、太阳能电力，但风能、太阳能等清洁电力具有不确定性和功率波动大的特点，而电网确需要相对稳定的电力供应，这就产生了供需矛盾，从而造成一定的弃电现象，因此清洁电力一般会需要按清洁电力的一定比例配置调峰电力，比如采用火力发电、抽水蓄能、电池阵列蓄能，还有采用压缩气体蓄能，需要电力时再通过汽轮机发电，把压缩气体的动能转化成电力等各种方式进行调峰，即使具备一定容量的调峰电力，因为调峰电力的成本因素，仍旧会产生一定的弃电现象。电力是一种特殊的商品，不具有一般商品的品牌属性，用户需要的是度电成本，如何获得更低的调峰电力成本是本发明的核心。
3.现有采用压缩气体储能，在通过汽轮机还原电力的系统，调峰电力成本高昂，主要的成本在于汽轮机的成本，并且汽轮机需要高温、高压的气体推动汽轮机运转发电，这就需要额外的燃料产生高温气体推动气轮机运转发电，造成调峰电力成本高昂，推高了电力成本。而本发明的发电装置不需要汽轮机发电，而是通过在一个圆形管道内设置多级尺寸相同，但额定功率、额定转速都不同的多级风力发电机进行发电，将压缩气体从管道的一端输入，从管道的另一端流出，高速气流经过多级风力发电机发电。风力发电机的级数为n+1级，n是大于1，小于或等于8的自然数，每个风力发电机可独立接入电网，这个发电装置称为管道发电装置。这个管道发电装置不仅不需要额外的燃料产生高温气体，而且发电装置本身成本低廉，产生的调峰电力成本也相对低廉的多，值得大规模推广应用。
4.图一是本发明的具体实施例，也是摘要图
具体实施方式
5.蓄能调峰的本质是储存波谷电力，在用电高峰(波峰)时将储存的能量(动能、势能等)还原成电力的过程。在现有采用压缩气体储能的发电装置一般都采用汽轮机进行发电，汽轮机本身的发电效率较高，但汽轮机不仅造价昂贵，而且需要高温、高压气体推动汽轮机发电，这就需要额外的燃料产生高温气体，因此蓄能调峰发电成本相对较高。为了替代汽轮机发电，本发明采用一个一端接压缩气体的圆形管道1，在圆形管道接压缩气体的入口处设置一个阀门2，用于控制压缩气体的输入或关闭；在阀门后设置多个雾化水的喷嘴装置9。因为风能转换电能的基本原理和公式如下：p＝(1/2)＊1.225＊ρ＊s＊v3，其中p是电功率，1.225是标准条件下每立方米空气的质量(公斤)，ρ是一台风力发电机平均风能/电能的转换效率，s是风力发电机的有效扫风面积，v是输入的压缩气体的气流速度，从上式可知，提高空气密度、或分别提高ρ、s和v都可以提高发电量，而提高气流速度v，发电量增加速度最快，设置雾化水喷嘴的目的就是提高空气单位体积的质量，提高发电量。
6.整个调峰发电系统由气罐11，管道发电装置组成。在压缩气体进入管道1后，首先
和雾化水混合，然后通过导流片3，将处于螺旋状态的压缩气体调整成平滑的气流，以提高风力发电机的效率。在导流片后设置n+1级扫风面积都相同，但额定功率、额定转速都不同的多级风力发电机4，在前一级风力发电机和后一级风力发电机之间也设置若干导流片3，以平滑流经前一级风机后造成的气流紊乱。
7.因为一个风力发电机风轮的效率是各叶片效率的之和，虽然在一个叶片的风力发电机中，单个叶片效率最高，但一个叶片的效率就是风机的效率；虽然在二个叶片的风机中，因前一个叶片产生扰流后略微影响第二个叶片的效率，导致叶片效率有所降低，但风轮的总效率是二个叶片之和，要高于采用一个叶片的风机效率，同样三个叶片的风机效率也要略高于2个叶片的风机效率，由于小型风力发电机叶片成本低廉，增加叶片数量造成风力发电机成本的增加非常有限，因此该管道发电装置中的每个风力发电机均至少由3个或三个以上相同的叶片组成。风力发电机由叶片5，发电机6，风力发电机的支撑体7、导流罩8组成。其中发电机可以是永磁同步发电机或双馈型异步发电机中的一种。由于各级风力发电机对应的风速不同，转速也不同，因此各发电机的额定功率、额定转速都不同。如果采用永磁同步发电机，发电机输出经整流后输入并网逆变器并入电网；如果采用双馈型异步发电机，则发电机通过控制装置接入电网。每个风力发电机分别独立接入电网。
8.如果气体采用特种气体，管道1的出口后可接气/水分离装置，然后通过压缩机重新输入气罐循环利用。
9.由于风力发电机的发电效率受《叶素动量理论》的约束，叶片前段的发电效率较高，越靠叶片根部(回转中心)位置效率越低，风轮回转中心的效率为零，因此导流罩不仅可以把气流约束在风力发电机叶片的前段，提高发电效率，进一步还可以将管道内流经风力发电机的风速提高，风速提高的值是导流罩最大截面积和管道截面积的比值，如当导流罩直径为管道直径的1/2时，因流量不变，流经风力发电机的有效风速可以提高25％，由于风能的能量和风速是立方关系，风速增加一倍，则风能增加8倍，当风速提高到原来的1.25倍时，则风能增加了1.95倍，所以和在敞开的自然环境中不同，在一个密闭的管道中，因气流被强迫压入叶片前端部分的通道，使流经风轮叶片的风速按比例提高，导流罩就可以大幅度提高密闭管道中风力发电机的发电量，而在密闭管道中导流罩提升发电量的效果和在敞开的自然环境中有极大差异，在敞开的自然环境中，一部分气流因导流罩和风轮的阻碍作用，大部分气流将绕过风轮而使导流罩的效果大为降低。为了降低制造成本，叶片也可以直接固定在导流罩上，此时风力发电机中的发电机为内转子发电机。如果风力发电机都采用外转子发电机，则各级风力发电机的轴可以相互连接为同一个轴，此时各风力发电机的支撑7连接到轴上。
10.以下将结合具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，具体说明风力发电机级数的设置、各级风力发电机额定功率、额定转速设置的方式、导流罩大小的设置依据，雾化水喷淋量的设置方式，但不应以此限制本发明的保护范围，应当理解，本领域技术人员可以在不背离权利要求限定范围的前提下，对这些实施例中管道尺寸的变化，风力发电机级数的增加或减少，导流罩尺寸的改变，增加或减少水雾化装置的数量或位置，进一步细化实施方案，从而产生新的实施方法，也都应包括在本发明的保护范围之内。
11.在下列实施例中，压缩气体由储气罐无限量供应，压缩气体的气压20兆帕或20兆帕以上。
12.实施例1
13.在实施例一中，设定管道内壁截面积1平方米，长度若干米，在管道入口处设置阀门，可根据需要自动控制压缩气体流量，在阀门后端设置多个水的雾化喷嘴，当压缩气体阀门打开，压缩气体流入管道后，雾化水喷嘴自动打开形成喷雾。压缩气体经过导流片整流后产生平滑的气流，假设压缩气体流量为每秒50立方米，则整流后平滑的气流速度为50米/秒，选择导流罩的直径为管道直径的1/2，则导流罩的最大面积为管道截面积的1/4，在导流罩最大直径处，管道的有效截面积可视为缩小为0.75平方米，在此处，由于管道有效面积减少25％，则风速提高25％到62.5米/秒。在叶素动量理论中，当叶尖速比(叶片线速度和风速比值)达到4-6之间时，水平风力发电机的发电效率较高，理论极限值可达近59.3％，而越往叶片根部，效率越低，在回转中心的效率为零。由于导流罩直径为管道内直径的50％，因此气流只能流经叶片前段部分，如叶片设计得当，风力发电机的整体效率可达45％甚至于更高，假设水雾化喷淋以每秒13.5公斤的水量进入管道，雾化水和压缩气体混合后每立方米质量相应提高到1.5公斤/立方米，则第一级风力发电机的电功率p＝(1/2)*1.5(空气密度)*0.45(转换效率)*0.75(有效面积)*62.53(风速)＝61,789瓦。
14.在实施例1中，风力发电机叶轮直径1.12米，当叶尖速比(叶尖线速度和风速的比值)设计为5时，通过计算，第一级风力发电机中，发电机的额定转速为5329转/分。
15.在实施例1中，设定第一级风轮前的风速为v1，经过第一级风轮后的风速降低为v2，则作用在第一级风轮上的推力t为：t＝m(v1-v2)，m＝ρ*s*v，m是单位时间内的流量质量。
16.根据风轮前后的压力差，作用在第一级风轮上的推力可以表达成t＝s(pa-pb)，式中pa是风轮前的风压，pb是风流过第一级风轮后的风压，根据伯努力方程可得：
17.1/2ρv12+p1＝1/2ρv2+pa
18.(1/2)ρv22+p2＝(1/2)ρv2+pb
19.v＝1/2(v1+v2)
20.令v＝v1(1-a)则v2＝v1(1-2a)，
21.v2/v1＝(1-2a)为流过风轮后风速与来流风速之比，
22.a＝(1-v2/v1)/2，其中a为风轮前后因风速变化的扰流因子
23.p(功率)＝(1/2)*m*(v1
2-v22)
24.p(功率)＝2ρsv13*a*(1-a)225.因风轮最大功率发生在dp/da＝0时，即
26.dp/da＝2ρsv13(1-4a+3a2)＝0，
27.当a＝1/3时，即(v2/v1＝1/3时)
28.pmax(最大功率)＝(16/27)*(0.5ρsv13)
29.ρ＝p/0.5ρsv1330.ρmax＝16/27＝0.593
31.a＝(1-v2/v1)/2
32.当v2/v1为1/3时，ρ＝0.593
33.当v2/v1为1/2时，ρ＝0.563
34.当v2/v1为2/3时，ρ＝0.463
35.当v2/v1为7/10时，ρ＝0.434
36.通过以上计算可以获知，当风机效率ρ为0.45时，到达第二级风力发电机时的风速v2约为0.68*v1＝0.68*62.5＝42.5m/s
37.在获悉第二级风力发电机风速基础上，可设计第二级风力发电机参数。第二级风力发电机叶轮直径和第一级相同，依然为1.12米，当叶尖速比(叶尖线速度和风速比值)设计为5时，通过相同计算，第二级风力发电机的额定转速为3624转/分，额定功率19431瓦。该风机的额定转速和前一级风机相比，是前一级风机额定转速的0.68。
38.同理计算第三级风力发电机的有效风速为0.68*42.5＝28.9米/秒，第三级风力发电机叶轮直径依然为1.12米，当叶尖速比(叶尖线速度和风速比值)设计为5时，通过相同计算，第三级风力发电机的额定转速为2464转/分，额定功率6109瓦。
39.第四级风力发电机的发电风速为0.68*28.9＝19.65米/秒，第四级风力发电机叶轮直径依然为1.12米，当叶尖速比(叶尖线速度和风速比值)设计为5时，通过计算，第四级风力发电机的额定转速为1675转/分，额定功率1920瓦。
40.第五级风力发电机的发电风速为0.68*19.65＝13.36米/秒，第五级风力发电机叶轮直径依然为1.12米，当叶尖速比(叶尖线速度和风速比值)设计为5时，通过计算，第五级风力发电机的额定转速为1139转/分，额定功率604瓦。
41.第六级风力发电机的发电风速为0.68*13.36＝9.1米/秒，第六级风力发电机叶轮直径依然为1.12米，当叶尖速比(叶尖线速度和风速比值)设计为5时，通过计算，第六级风力发电机的额定转速为776转/分，额定功率190瓦。
42.则上述发电装置的总功率为61789+19431+6109+1920+604+190＝90043瓦(90千瓦)，而且造价确低廉，调峰发电成本也低廉。
43.实施例2
44.如果和实施例一管道的内截面积相同，压缩气体流量也相同，但导流罩最大直径增加到管道内壁直径的60％，根据实施例1的同样计算方式，则第一级风力发电机的发电风速可提高到68米/秒，第一级风力发电机的电功率p＝(1/2)*1.5(空气密度)*0.45(转换效率)*0.64(有效面积)*683(风速)，相应的第一级发电机的额定发电功率增加到67917瓦，额定转速提高到5798转/风；第二级风机的额定转速为3942转/分，额定功率为21355瓦；第三级风机的额定转速2681转/分，额定功率6715瓦；第四级风机的额定转速1823转/分，额定功率2111瓦；第五级风机的额定转速1240转/分，额定功率663瓦；第六级风机的额定转速843转/分，额定功率209瓦，总功率98972瓦接近(99千瓦)，高于实施例一近10％。
45.通过上述实施例获悉，通过增加导流罩尺寸可以提高发电量，通过施加雾化水也可以提高发电量。
46.实施例3
47.如果管道内壁截面积增加1倍达到2平方米，而压缩气体流量不变，仍然为每秒50立方米，导流罩尺寸任然为内壁直径的50％，风力发电机风轮直径可选1.58米，导流罩最大处直径为0.79米，第一级风轮前的气流速度为25米/秒，由于空气流量相同，若要保证每立方米气体质量1.5公斤，则雾化水喷淋速度每秒依然13.5公斤。由于导流罩的缘故，流经风轮处的有效面积减少25％，风速由25米/秒提高到31.25米/秒，则第一级风力发电机的功率p为(1/2)*1.5(气体密度)*0.45(发电效率)*1.5(有效面积)*31.253＝15450瓦，额定转速
为1889转/分；流经第二级风机的风速则为0.68*31.25＝21.25米/秒，则发电机功率为4858瓦，额定转速1284转/分；流经第三级风机的风速则为0.68*21.25＝14.45米/秒，则发电机功率为1527瓦，额定转速873转/分；流经第四级风机的风速则为0.68*9.83＝米/秒，则发电机功率为480瓦，额定转速594转/分；流经第五级风机的风速则为0.68*9.83＝6.68米/秒，则发电机功率为151瓦，额定转速404转/分；流经第六级风机的风速则为0.68*6.68＝4.55米/秒，则发电机功率为48瓦，额定转速275转/分；总功率为22513瓦(22.5千瓦)，远低于实施例1，而且由于管道直径增大、风机尺寸也更大、发电机转速变慢，发电机成本也增加很多，管道发电装置的总成本也将大幅增加，而发电量确大幅降低，造成调峰电力成本比实施例1大幅提高。
48.实施例4
49.如果管道内壁截面积比实施例1减小1倍为0.5平方米，压缩气体流量不变，仍然为每秒50立方米，雾化水喷淋速度每秒依然13.5公斤，导流罩尺寸依然为内壁直径的50％，风力发电机风轮直径可选0.79米，导流罩最大处直径约为0.4米，则第一级风轮前的气流速度可达到125米/秒，第一级风力发电机的功率p为(1/2)*1.5(密度)*0.45*0.375(有效面积)*1253＝247192瓦，额定转速15110转/风；流经第二级风机的风速则为0.68*125＝85米/秒，发电机功率为77725瓦，额定转速10275转/分；流经第三级风机的风速则为0.68*85＝57.8米/秒，发电机功率为24439瓦，额定转速6987转/分；流经第四级风机的风速则为39.3米/秒，发电机功率为7685瓦，额定转速4751转/分；流经第五级风机的风速则为26.7米/秒，发电机功率为2416瓦，额定转速3231转/分；流经第六级风机的风速则为18.2米/秒，发电机功率为760瓦，额定转速2197转/分；流经第七级风机的风速则为12.3米/秒，发电机功率为239瓦，额定转速659转/分，总功率大幅提高到360456瓦(360.5千瓦)，比实施例1的发电量提高了4倍。同时，由于管道较细，风力发电机风轮尺寸缩小、发电机转速提高，都可促进管道发电装置制造成本的大幅降低，使得调峰电力成本大幅下降。
50.实施例5
51.如果除了风机效率由45％降低到40％，风机叶尖速比也是5，其它条件和实施例4都相同，流经各级风机的风速和实施例4相同，则第一级风力发电机的功率为219726瓦，额定转速15110转/风；第二级风力发电机功率为69089瓦，额定转速10275转/分；第三级风力发电机功率为21724瓦，额定转速6987转/分；第四级风力发电机的功率为6830瓦，额定转速4751转/分；第五级风力发电机的风速功率为2148瓦，额定转速3231转/分；第六级风力发电机的功率为675瓦，额定转速2197转/分；第七级风力发电机的功率为212瓦，额定转速659转/分，总功率为320405瓦(320.4千瓦)，比实施例4小大约11％，说明降低风力发电机的效率对总发电量影响相对较小。
52.实施例6
53.在实施例4的基础上更进一步，如果管道1是变截面的，从第一级风机后、次级风机开始管道直径相对减小、或管道1直径不减小，但整流罩面积相应增加，则从次级风机开始，风速的减小速度将会减慢，则相应的提高了次级风机的额定风速，提高了发电量。假设实施例6基本条件和实施例4的基本条件相同，但从第二级风机开始整流罩的最大直径分别增大到管道直径的65％，达到0.514米，则第一级的风机发电功率和转速不变，依然是247192瓦，额定转速15110转/风；第一级风机后的风速和实施例4一样为85米/秒，但因为第二级风机
导流罩面积增大的原因，气流在流经第二级风机时，每秒85米的气流被强迫压入0.2925平方米的空间，则流经第二级风机的风速由85米/秒增加到近108.9米，计算方式为：(前一级风机有效扫风面积/次级风机有效扫风面积)*前一级风机后的风速，在实施例6中，流经第二级的风机的风速为(0.375/0.2925)*85，等于108.9米/秒，则第二级风机的发电机功率为127492瓦，额定转速提高到13163米/秒。第二级风机的功率从实施例4的77725瓦增加到实施例6的127492瓦，增加了49767瓦，在原基础上提高了64％，转速则从10275米/秒提高到13163米/秒，提高了28％；同理，如果后续各级风机的导流罩都按一定规律增大直径、或将管道1的截面相应缩小，则每一级风机的发电量都会增加、转速也相应提高，但由于空气是有粘性的，导流罩最大直径不能小于管道内壁直径的90％。
54.通过上述6个实施例的组合说明，缩小管道直径、或采用变截面管道，或相应增加导流罩尺寸，或按一定规律逐级增加导流罩尺寸，或提高压缩气体的单位流量，都可以提高调峰发电量，并可降低发电装置的成本，进而大幅降低调峰发电的成本。
55.本专利是在充分理解风力发电、压缩气体等特性条件下的融合创新发明，应当被授予专利。
56.附图和实施例说明
57.图1压缩气体调峰发电装置示意图，也是摘要示意图。
58.图2是图1中管道“aa”的截面示意图。
59.图3是图1中管道“bb”的截面示意图。
60.图4是阀门、雾化喷嘴位置示意图。
61.图5是个风力发电机同轴的结果示意图。
62.实施例1，是基础参数实施例
63.实施例2，在实施例1基础上增加导流罩尺寸后和实施例1的对比实施例
64.实施例3，是放大管道尺寸，相对降低流速后和实施例1对比的实施例
65.实施例4，是缩小管道尺寸，相对提高流气体速后和实施例1对比的实施例
66.实施例5，是降低风力发电机效率后和实施例4的对比实施例。
67.实施例6是增加次级导流罩面积后和实施例4的对比实施例。