利用太阳热能和风能源进行发电的混合系统的制作方法
【专利说明】利用太阳热能和风能源进行发电的混合系统
[0001]本申请是申请号为201380021439.6 (国际申请号PCT/IL2013/050354)、国际申请日为2013年04月24日、发明名称为“利用太阳热能和风能源进行发电的混合系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及利用太阳能的系统和方法，更具体地，涉及用于发电的系统和方法。
【背景技术】
[0003]近年来，为了用诸如阳光和风力的自然能源产生能量，已经进行了大量研究和开发。尝试减少对诸如来自外来能源的油和煤的依赖性已变成一个重要问题。能源专家担忧这些资源中的一些(包括油、气和煤)某天会变得耗尽。
[0004]已知太阳能是可被转换以产生电力的各种清洁能源中的一种。然而，太阳能发电系统的输出功率对天气状况的依赖程度大。例如，许多太阳能面板被设计成只在阳光充足的白天时间转换太阳能。它们在多云的日子或者在夜间不产生大量的能量。
[0005]虽然太阳热能可能是最公知的自然能源，但还存在利用大量风能的可能性。在许多有风自然吹动的地区建造了例如风电场。使用风能进行发电对于传统的基于石油的能源供给而言是一种清洁、可再生和生态友好的替代。
[0006]然而，使用风力作为能源的一个缺点在于，不会一直有风吹动，即使是有风吹动，它也不会一直以相同速度吹动，即，它并不总是可靠的。风也不会在每年的某日、某周、某月和各季节的不同时间内始终一致地吹动，即，它并不总是可预测的。因此，由于风速度和动力的季节性和日变化，风力发电机的输出功率经常波动，并不可靠。
[0007]因此，大规模接入风能和太阳能的主要障碍是太阳能和风力可再生资源的可变和间歇的性质。间歇性导致电力输出不稳定，从而为通过电网进行分配带来重大挑战。这种挑战还显露在电力削减问题中，现今在风力行业中这些问题变得越来越明显。由于某些地区中的风能在需求低的夜间是最可用的，因此需要削减来自风电场的电力以防止电网过载。
[0008]在本领域中已知用于提供能够转换用于发电机的风能和太阳能的一体互补能量产生系统的系统和方法。在白天的时间内，这种混合系统可同时用风能和太阳能的能源获取能量。在夜间，这些系统可连续地获取风能，而不管天气状况如何。因为往往会在每日和一年的不同时间出现风流动和阳光的峰值(例如，在阳光较少的冬天，风较强，在夜间风也较强)，这两种能源可彼此互补。
[0009]例如，授予Hope的美国专利N0.4, 229, 941描述了一种用太阳能和风力的能源产生电能的整体系统。该系统包括收集太阳光线的太阳能收集器，这些光线被抛物面反射镜聚焦，之后被通过菲涅尔管(fresnel tube)引导到容器，从而该容器使与外部环境的热交换最小。容器内的光线的热能被锅炉和蒸汽动力涡轮机转换成机械能。风力收集器将气流转换成机械能，该机械能选择性地与从太阳能收集器得到的机械能以机械方式结合，之后被转换成电能。
[0010]美国专利N0.6，661，113描述了一种发电系统，该发电系统包括具有下部和上部的基体组件。下部用于支承基体组件的上部。太阳能组件联接到基体组件的上部。电力存储组件可操作地联接到太阳能组件。电力存储组件用于存储来自太阳能组件的电力。电力存储组件定位在基体组件的下部中，使得基体组件的下部用于保护电力存储组件免受不利天气的影响。涡轮机组件联接到基体组件的上部。涡轮机组件用于利用风力产生电力。涡轮机组件可操作地联接到电力存储组件，使得电力存储组件用于存储利用涡轮机组件所产生的电力。
[0011]授予Sosonkina等人的美国专利N0.7, 172, 386描述了一种产生电能的风能和太阳能发电站。该系统包括安装在车库状建筑物的平屋顶上的转子系统，各转子系统具有定位在保护罩和风道之间的多个转子。在风从高入口向着更高和更宽的出口流动时，风在风道的中下部加速。转子的叶片突出到风道的中部中，从而造成钻子绕着水平轴快速旋转。超扩散器、增压器和风道数百倍地增加了风和转子的动力。各转子系统包括与十二个发电机连接的高达六个转子。还可由安装在阳台和建筑物屋顶上的太阳能面板产生电能。
[0012]授予Tsao的美国专利N0.7, 964, 981描述了一种能够转换用于发电机的风能和太阳能的一体式混合能量产生系统。该系统包括风力动力子系统，该风力动力子系统包括:转子，其用于接收风力，以产生机械能；第一轴，其用于提供转子和发电机之间的永久机械连接，用于将产生的机械能传递到发电机。该系统还包括太阳能动力子系统，所述太阳能动力子系统包括:太阳能收集器，其用于接收太阳能以产生热能；热-机械发动机，其联接到太阳能收集器，用于将产生的热能转换成机械能；第二轴，其机械地联接到热-机械发动机；互连子系统，其用于要么将第二轴联接到第一轴从而组合风能和太阳能动力子系统产生的机械能以将其传递到发电机，要么使第二轴从第一轴脱离。在白天的时间内，系统同时用风能和太阳能源获取能量。在夜间，它连续地获取风能，而不管天气状况如何。
【发明内容】
[0013]尽管在现有技术中有用于产生电力的太阳能和风能利用技术，但在本领域中仍然需要进一步进行改进，以提供利用太阳能和风能的更经济和低成本的系统和方法。
[0014]风力和太阳能资源的变化性还导致安装的风力或太阳能电站的设备利用率低。因此，将会有利的是，提供利用这两种能源并且可减少组合能量输出的波动的混合系统，进而在用电需求通常较高的时间在白天为都市和郊区地区产生更多电力。
[0015]还将有利的是，具有可有效利用来自风力涡轮机的可用能量并且存储它以备后续使用的改进系统和方法。
[0016]本发明通过提供用太阳热能和风能源进行发电的混合系统来满足上述需要。
[0017]根据本发明的实施方式，该混合系统包括被构造用于接收风力以产生电力的风轮机发电系统。
[0018]所述混合系统还包括空气压缩系统，空气压缩系统电联接到所述风轮机发电系统并且被从所述风轮机发电系统接收的电力驱动。所述空气压缩系统包括冷却系统，所述冷却系统被构造用于使大气空气穿过所述空气压缩系统以冷却所述空气压缩系统并且用于释放温度比所述大气空气的温度高的除热空气。
[0019]所述混合系统还包括压缩空气存储系统，该压缩空气存储系统被构造用于从所述空气压缩系统接收被压缩的大气空气并且用于以预定压力存储被压缩的大气空气。
[0020]所述混合系统还包括电力热发电系统，该电力热发电系统被构造用于接收被压缩的加热空气流，以产生电力。
[0021]所述混合系统还包括第一空气接收器，该第一空气接收器被构造用于接收从所述压缩空气存储系统流出的被压缩的大气空气，用于将被压缩的大气空气加热至预定加热温度，并且用于释放被压缩的加热空气流，以驱动所述电力热发电系统。
[0022]所述混合系统还包括热能存储系统，该热能存储系统与空气冷却系统和所述热能存储系统处于空气流动连通。所述热能存储系统被构造用于存储从所述空气冷却系统传递的热能并且用于预热由所述压缩空气存储系统提供的被压缩的大气空气流。
[0023]所述混合系统还包括第二空气接收器，该第二空气接收器被构造用于接收从热能存储系统流出的预热的压缩空气，用于进一步将预热的压缩空气加热至预定加热温度并且释放加热的压缩空气流，以驱动所述电力热发电系统。
[0024]所述混合系统还包括多个日光反射装置，这些日光反射装置被构造用于接收太阳光并且将所述太阳光反射到所述第一空气接收器和所述第二空气接收器中。
[0025]根据本发明的实施方式，所述混合系统还包括第一三通阀，所述第一三通阀具有一个第一阀入口。这个入口与所述热能存储系统处于气体流动连通。所述第一三通阀还包括两个第一阀出口。所述第一三通阀被构造成允许所述入口连接到第一阀出口中的任一个或两个。
[0026]根据本发明的实施方式，所述混合系统还包括第二三通阀，所述第二三通阀具有两个第二阀入口和一个第二阀出口。这两个第二阀入口中的一个入口与所述第一空气接收器处于气体流动连通，而所述两个第二阀入口中的另一个入口与所述第二空气接收器处于气体流动连通。所述第二三通阀被构造成允许仅一个第二阀出口连接到两个第二阀入口。
[0027]根据本发明的实施方式，所述混合系统还包括风扇，所述风扇与所述第二空气接收器和所述热能存储系统处于气体流动连通。所述风扇被构造成提供所述第二空气接收器和所述热能存储系统之间的空气循环，用于在其间传递热量。
[0028]根据本发明的实施方式，所述风轮机发电系统包括:塔；发电设备，其可旋转地安装于所述塔以绕着居中穿过所述塔的垂直旋转轴进行旋转。所述发电设备包括叶片部分和机舱部分。所述叶片部分包括多个涡轮机叶片和连接有所述叶片的旋转轮毂。所述机舱部分包括与所述叶片部分机械地联接的旋转变速驱动系统和与所述旋转变速驱动系统机械地联接的风力发电机。
[0029]根据本发明的实施方式，所述空气压缩系统包括空气压缩机、增压器和被构造用于冷却所述空气压缩机和所述增压器的冷却系统。
[0030]根据本发明的实施方式，所述冷却系统包括空气入口和除热空气出口。所述空气冷却系统被构造用于通过所述空气入口接收环境大气空气，用于使所述环境大气空气穿过所述压缩系统以冷却所述压缩系统，并且用于通过所述除热空气出口释放温度比所述大气空气的温度高的除热空气。所述除热空气被供给到所述热能存储系统。
[0031]根据本发明的实施方式，所述第一空气接收器和所述第二空气接收器都安装在所述塔上，位于所述风轮机发电系统下方。
[0032]根据本发明的实施方式，所述热能存储系统包括壳体，所述壳体包含热容元件(heat capacitive element)。所述热容元件的示例包括(但不限于)陶瓷三维基材、方格式砌体热介质元件、岩床和砾石。
[0033]根据本发明的实施方式，所述电力热发电系统包括被所述第一空气接收器和所述第二空气接收器所提供的压缩的加热空气流启动的热涡轮机。
[0034]根据本发明的实施方式，所述风轮机电力发电系统产生的电力与所述电力热发电系统产生的电力相组合。
[0035]根据本发明的实施方式，所述热能存储系统被构造成在操作期间具有渐变温度分布。例如，所述渐变温度分布的最高温度是大约800°C，而所述渐变温度分布的最低温度是大约200 °C。
[0036]根据本发明的实施方式，所述热能存储系统包括加热器，所述加热器被构造成在操作期间保持所述渐变温度分布的最高温度。
[0037]根据本发明的实施方式，所述第一空气接收器和/或所述第二空气接收器包括:两个接收器集气管，它们具有管状形状并且成平行布置；多个吸收器管，它们将所述接收器