专利名称：用于电网电能和盐水淡化的液压风电场的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于利用风能的装置、系统和方法，其使用风驱动的液压泵(风 力泵)单元来提供受压的液压流用于额定电能的持续生成和/或用于通过反渗透进行的盐 水溶液的淡化和/或用于微粒的物质从悬浮液中的膜滤分离和/或用于对供水管加压。
背景技术：
风能是一种到处可利用的、时时可利用的、具有可变的风速和密度的可再生干净 能量的自然广泛存在的资源。风能的广泛存在以及使用风能作为动力的高效性和经济性对 于全球的“绿室效应”的斗争越发重要，“绿室效应”是用于电能生成、用于开动汽车和用于 不同的工业应用的化石燃料的大量和过度燃烧的结果。典型的风驱动的转子的风能可利用率由(1)表示，其中，Pw(kW)表示风能，R(m)表 示转子半径，d(g/ml)表示风密度，v(m/sec)表示风速，以及表示功率系数的μ，μ的最大 理论值是16/27 (0.592)。风能等式由(2)表示，假设风密度为1200g/m3。风驱动的转子的 叶尖速比U)由(3)表示，其中，N(rpm)表示转子的速度并且高功率系数运转的获得(例 如μ是0.40-0. 55)由在限定范围(例如5-11)内保持的这样的比率来制约。(I)Pw = μ (1/2) d( π R2) V3(2) Pw = 6. 0 X 1(Γ4 μ ( π R2) V3(3) λ = [(2 π RN)/60]/V传统技术的从风直接产生电能是通过安装在水平面相当高度之上的高塔顶上的 自持单元实现的，每个包括垂直转子，具有节距受控的叶片；发电机，通过变速箱机构连 接到转子的轴；以及风跟踪系统。风驱动的发电机的装机功率在标称风速引起的转子速度 处变为额定，并且此后通过节距控制机构保持该速度。用于额定电能产生的先进风轮机可 以通过复杂的传输系统在它们的轮毂中包括数个交替和/或同步致动模式的发电机，以及 使得在转子经历自己的设计的额定速度之前能够产生改善质量的电能的电整流器和逆变
器οLawson等在美国专利号4，274，010和4, 280, 061中、Rushing在美国专利号 2，539，862 中、Ammons 在美国专利号 4，792，700 中、Perkins 在美国专利号 4，496，846、 4，496，847 和 4，498，017 中、Rembert 在美国专利 6，8617，66 中、Galayda St印hen和Michel 在PCT公开WO 2004/079185A2中以及其它等中提出了通过各种配置的复杂的液压传输来 间接地产生和/或存储来自风的电能。本发明描述了用于通过简单的液压装置进行在风电场中持续和高效地使用风能 作为动力的装置、系统和方法，其提供额定电能生成或提供通过反渗透进行的盐水淡化或 提供膜滤或提供对供水管/传输线加压。
发明内容
本发明描述了在风电场中利用风能作为动力的装置、系统和方法，包括风驱动的加压设备(风力泵)单元，从而通过恒定速度和可变扭矩的液压马达或涡轮机将产生的加 压液压流用于额定电能的产生，作为风能可用率的函数，液压马达或涡轮机交替地和/或 同步地致动额定发电机。所述风力泵单元的转子具有固定节距的叶片，用于最大地捕捉风 能，并且通过使用正排量水泵作为与具有适当固定传输率的转子-泵变速箱机构组合的加 压装置，所述转子的速度维持在高功率系数的叶尖速比范围内。使用可变液压流设备实现 致动额定发电机的液压马达或涡轮机的恒定转速运动，可变液压流设备是响应于来自发电 机的期望额定速度的速度偏离而被致动的。本发明还描述了使用风驱动的加压设备的风电场的应用，用于通过使用恒定压力 和可变流下的反渗透(RO)进行的盐水溶液的淡化。在这种情况下，通过压力受控的可变流 设备，风电场的风能被转换为固定压力的可变液压流，从而使得能够通过使用由风能可用 率确定的流速在适当的期望的固定压力下进行RO盐水淡化。本发明覆盖的其它应用包括用于加压供水管/传输线以及用于将悬浮微粒从这 样的加压溶液中分离的膜滤分离的风能利用。
图1是风驱动的加压泵的机械传输布置的示意图(I)；集成了传输布置的风力泵 的侧视图(II)；以及集成了传输布置的风力泵的前视图(III)。图2是用于额定电能产生的风电场的示意图，包括k个风驱动的加压泵单元；加压 的和非加压的液压流的导管；两个固定流动/速度液压马达和每个马达的两个固定速度的 发电机；阀装置，用于使得每个所述液压马达与加压的液压流的所述导管能够接合；可变 阀装置，用于使得能够固定每个所述液压马达的速度致动；阀装置，用于起动所述风电场操 作，并且通过作为风能可用率的函数的交替的和/或同步的马达和/或发电机致动使得整 个系统高效地操作。图3是用于额定电能生成的单个风力泵单元的性能特征的描述，根据示例1，该单 个风力泵单元由处于平均风速为6. Om/s以及标称风速为8. O的风况中的7. O米半径的转 子驱动。图4是用于产生期望馈源的固定压力的可变流的风电场的示意图，包括k个风驱 动的加压泵单元；加压的和非加压的液压流的导管；阀装置，用于起动所述风电场操作并 且使得能够进行加压馈送的一个单向流；以及可变阀装置，由此持续地产生作为所述风电 场中的风能可用率的函数的期望的固定压力的可变流。图5是为了水力发电目的的用于从较低水库向较高水库提升水的风电场的示意 图，包括k个风驱动的加压泵单元；加压的和非加压的液压流的导管；阀装置，用于起动所 述风电场操作并且使得能够进行加压馈送的一个单向流；可变阀装置，持续地产生作为所 述风电场中的风能可用率的函数的期望的固定压力的可变流；以及水力发电涡轮机及其导 管和阀装置，用于开始和停止操作。图6是用于通过反渗透(RO)进行盐水淡化的风电场的示意图，包括k个风驱动的 加压泵单元；加压的和非加压的盐水的导管；阀装置，用于起动所述风电场操作并且使得 能够进行加压馈送的一个单向流；可变阀装置，使得能够持续地产生作为所述风电场中的 风能可用率的函数的固定的期望压力的可变液压流；以及反渗透单元，具有导管来加压盐水馈送、浓盐水流出和渗入。图7是用于通过反渗透(RO)进行盐水淡化的风电场的示意图，包括k个风驱动的 加压泵单元；用于回收加压的和非加压的可饮用的水流的导管；阀装置，用于起动所述风 电场操作并且使得能够进行加压馈送的一个单向流；可变阀装置，使得能够持续地产生作 为所述风电场中的风能可用率的函数的期望的固定压力的可变液压流；液压压力交换单元 (能量恢复单元)，其中所述加压的可饮用的水流用于加压盐水溶液；以及反渗透单元，具 有导管来加压盐水馈送、浓盐水流出和渗入。图8是用于通过反渗透进行海水(3. 5% )淡化的单个风泵单元性能特征的描述， 根据示例2，该单个风泵单元由处于平均风速为6. Om/s以及标称风速为8. O的风况中的 7. O米半径的转子驱动。
具体实施例方式根据本发明的风能利用涉及风驱动的液压加压设备，例如图1中描述的优选实施 例的转子驱动的泵单元；其中，(I)说明了机械传输的布置；而在(II)和(III)中分别显 示了集成了传输布置的风力泵的侧视图和前视图。(I)中的传输布置包括垂直转子(A)，其 具有固定节距的叶片，用于最大地捕捉风能；转子轴(B)；固定的期望传输率的变速箱机构 (C)，使得在风况的延伸部分上(其中存储了大部分能量)能够达到高功率系数(>4.5) 的转子叶尖速比范围；垂直轴(D)，将转子运动通过所述变速箱机构传送到固定的期望的 几何位移的正排量加压泵(E)；至所述加压泵的非加压馈送提供的开路(OC)导管(虚线) 入口 ；以及从所述加压泵至受压回路(PC)导管(实线)的受压馈送流出口。具有图I(II) 中的整个传输布置的风力泵单元的侧视图也示出了在轮毂(F)中的转子外壳；支撑塔(T)； 风跟踪尾部(W)以及转子轴的制动机构，从而在大风中停止转子运动以避免损坏。轮毂(F) 被设计为通过围绕垂直轴的水平扫描机构来跟踪风。风力泵的前视图在图I(III)中显示， 具有说明的三个叶片的转子。上面考虑的类型的大风力泵单元将需要由风方向传感器控制 的马达驱动的风跟踪机构，而不是图I(II)中显示的风跟踪尾部W。图1中描述的优选实施例的单个风力泵单元进行的从风能(Pw)到液压能的转换 根据表达式(4)来进行，其中，Qh(Ipm)表示受压的液压流，ρ (bar)表示液压压力，fh表示加 压泵的效率，n(rpm)表示加压泵的速度，Vg(liter)表示正排量加压泵的每次旋转的固定几 何位移，N(rpm)表示风驱动的转子的速度，g表示从转子到泵的固定变速箱传输率。优选实 施例中的风力泵单元中的转子速度由(5)以Pw、fh、Vg和ρ表示，并且转子经历的叶尖速比 (入)由表达式(6)以？^‘乂^？和风速^^！！！/^沈)表示。(4)Pw(kff) = (Qhp)/(592fh) = (npVg) / (592fh) = (NpgVg) / (592 fh)(5) N= (592Pwfh)/(PgVg)(6) λ = [ ( π R) /30] [ (592Pwfh) / (pgVg) ]/v(7) Σ Pw = Pw(I) +Pw ⑵ +......+Pw(k) = [ ( Σ Qh) ρ] / (592fh) = k (npVg) / (592fh)
=k (NpgVg)/(592fh)风电场的总风能可用率包括k个相同的风力泵单元，其经历相同的风条件，风电 场的总风能可用率由(7)表示。如果整个风电场的组合液压流(Σ Qh)例如由固定流液压 马达或涡轮机以相同的流速消耗，则固定流(Σ Qh=常量)系统的静止状态条件也表示具有作为由于增加的风速引起的增加的液压压力的函数的增加的扭矩的转子(N=常数)和 泵(η=常数)的固定速度。使用k个风力泵单元的所述风电场的整个液压流来致动具有 自己的附接的额定发电机的单个固定流/速度液压马达/涡轮机，将导致在单个功率水平 的额定电能生成，而转子和液压泵的速度基本保持恒定。使用k个风力泵单元的所述风电 场的整个液压流来交替地和/或同步地致动具有自己的附接的额定发电机的两个或更多 个固定流/速度液压马达/涡轮机，产生多个功率水平，每个功率水平的特征是不同的静止 液压流条件，不同的静止液压流条件表示转子和泵的固定速度；从而使得在风况的广泛部 分上能够高功率效率地从风能持续地转换至额定电能。通过图2中显示的优选实施例说明用于从k个风泵单元[丽(1)，丽(2)，
丽⑶......丽(k)](具有它们各自的转子驱动的泵[P (1)，P (2)，P (3)，......P (k)])的风
电场的持续额定电能生成的本发明方法的应用；其中，额定电能的持续生成由两个固定速 度液压马达(Ml和M2)的交替和/或同步致动进行，作为风能可用率的函数，每个马达交替 地和/或同步地与两个额定发电机(Gll和G12与Ml相关联而G21和G22与M2相关联) 接合；从而允许在广泛范围的风速中能够高功率转换效率地进行持续额定电能生成。通过 受压回路(PC)导管(实线)进行从风力泵单元至液压马达(Ml和M2)入口的受压液压流 传输，通过开路(OC)导管(虚线)和开路水库(OCR)将减压后的液压流从液压马达的出口 回收回到风力泵单元的入口。图2中优选实施例的风电场中的风力泵单元通过各自的入口阀[IV(1)，IV(2),
IV (3)......IV (k)]和出口阀[OV(I)，OV (2)，OV (3)......OV (k)]平行地连接到 OC 和 PC
导管，该设计使得能够将用于维护和/或修复的特定风泵单元与风电场的其余风力泵单元 隔离，而不停止风电场的操作。通过阀装置Vl和V2分别进行液压马达Ml和M2至受压回 路导管(PC)的连接，并且由各自的可变流阀装置VVl和VV2进行所述液压马达的恒定速度 /流致动，可变流阀装置VVl和VV2响应于偏离所述马达的期望额定速度而操作，以增加的 流响应降低的速度并且反之亦然。在图2中显示的优选实施例中，作为由风速和/或由风电场系统的受压导管(PC) 中产生的液压压力表示的风能可用率的函数，与每个液压马达(或替代的液压涡轮机)相 关联的额定发电机由离合器齿轮机构装置[用于将各自的额定发电机Gll和G12连接到 Ml的轴的gCll和gc12 ；以及用于将各自的额定发电机G21和G22连接到M2的轴的gc21和 gc22]交替地和/或同步地致动。在图2中显示的优选实施例中的系统的特点在于3个静 止液压流水平(Ql，Q2和Q1+Q2)以及泵和转子的3个静止速度水平；从而转子的叶尖速 比被控制在高功率系数区域中。在图2中显示的优选实施例中的配置使得能够有多达15 个不同水平的额定电能生成，其中3个这样的水平来自M1(G11，G12和G11+G12)的接合，3 个这样的水平来自M2的接合(G21，G22和G21+G22)并且9个这样的水平来自M1+M2的同 步接合(G11+G21 ；G11+G22 ；G12+G21 ；G12+G22 ；G11+G12+G21 ；G11+G12+G22 ；G21+G22+G11 ； G21+G22+G12和G11+G12+G21+G22)。实践中，在图2中显示的优选实施例中高效率的从风能 至额定电能的持续转换在大多数情况下仅需要使用15个可用额定电能生成水平中的7-8 个。对于具有平均风速6. Om/sec以及标称风速8. Om/sec的特定中等质量风况，在示 例1中说明根据包括一个(k = 1)或多个(k = 4，6和8)具有7. O米半径的固定叶片转子的风力泵单元的图2中的优选实施例的风电场的额定电能产生。关于转子速度(A)；泵速 度(B)；假设在范围5-10中达到高功率系数(> 0. 45)的叶尖速比(C)；液压流(D)；液压 压力(E)以及与额定电能产生比较的理论可用风能(F)，在图3中提供了示例1中的在特定 风况下的具有这样的风力泵单元的风电场的性能特征。关于液压流水平(Q1，Q2和Q1+Q2)、 液压马达(Ml和M2)和发电机(G11，G12，G21和G22)的接合以及作为风速的函数的总额定 电能(kW)输出,在表1中说明了具有k= 1，4，6和8个风力泵单元的根据图2中的优选实 施例的示例1中的液压马达和发电机的顺序操作。表1 关于固定叶片转子(R = 7.0米)和具有平均风速6.0m/Sec和标称风速 8. Om/sec的风况*，示例1中描述的风电场中的额定电能和固定液压流水平
权利要求
一种用于来自风电场的额定电能的持续生成的系统，包括一个或多个风驱动的泵(风力泵)单元；每个风驱动的泵单元包括通过轴和固定比率的变速箱机构的转子驱动的泵；泵的各自入口和出口平行地连接到非受压流和受压流的各自主要导管；以及制动机构，用于在大风中停止转子运动以避免损坏；一个或多个液压马达或涡轮机，由通过阀装置从受压液压流的所述主要导管获取的受压液压流驱动；所述马达或涡轮机的各自入口和出口平行地连接到非受压流和受压流的各自主要导管；每个所述液压马达或涡轮机的轴由可变阀设备使得以恒定速度运动，所述可变阀设备是响应于所述轴的监视速度偏离预定的额定期望速度的偏差而被致动的；以及在所述液压马达或涡轮机的出口处的非受压液压流的导管用于通过非受压流的所述主要导管将液压流回收回到所述风力泵单元的所述泵的入口；在每个风驱动的泵的入口和出口处的阀装置，用于使得特定风力泵单元能够与风电场的其它风力泵单元暂时隔离用于维护和/或维修；启动阀装置，使得在将这样的受压流转向所述液压马达或涡轮机的操作之前，能够在受压流的所述主导管中初始建立受压流而具有对于转子运动的最小阻力；每个所述恒定速度的液压马达或涡轮机的一个或更多个额定发电机，通过固定比率传输的变速箱和离合器机构连接到所述马达或涡轮机，从而，所述发电机能够通过作为风能可用率的函数的预定序列交替地或同步地接合所述恒定速度的液压马达或涡轮机的轴，从而使得在广泛的风况下能够持续地生成额定电能；监视装置，用于监视风速和方向、液压导管中的液压压力和液压流；液压马达或涡轮机以及其它基本涉及的部件的速度；以及发电机的额定电能输出；以及计算机控制装置，其确定在整个系统中的操作序列，从而交替地和/或同步地致动所述液压马达或涡轮机以及额定发电机，以使得能够具有高能量转换效率地在广泛的风况下持续生成额定电能，所述高能量转换效率是由于达到了高功率系数的叶尖速比范围中的转子速度。
2.根据权利要求1所述的用于来自风电场的额定电能的持续生成的系统，其中所述转子是垂直转子，具有固定节距角度叶片用于最大地捕捉风能，所述转子安装在 地平面之上的结构的顶部并且使得通过风跟踪尾部或通过马达驱动的跟踪机构来跟随风 方向；风力泵单元的所述泵是具有每转固定几何置换的正排量类型，用于对水或或水溶液加压；选定的固定传动比传输的转子泵单元中的所述变速箱机构使得所述转子能够在风况 的广泛部分经历高功率系数的叶尖速比，同时转子的速度偶尔由作为风能可用率的函数的 所述恒定速度的液压马达或涡轮机的交替和/或同步致动而改变；以及受压和非受压馈送的所述液压流包括水或水溶液或水与其它溶剂的混合物，所述溶剂 包括用在寒冷天气的区域的低凝固点溶剂，例如二元醇。
3.一种使用由一个或更多个风力泵单元产生的受压液压流的用于来自风电场的额定 电能的持续生成的方法；每个风力泵单元包括固定节距叶片的转子，具有每转固定几何排 量以及固定传动比的转子至泵传输的正排量泵；所述产生的液压受压流交替地和/或同步 地致动一个或更多个恒定速度的液压马达或涡轮机，每个恒定速度的液压马达或涡轮机能够交替地和/或同步地致动一个或更多个额定发电机；所述液压马达或涡轮机以及它们附 接的额定发电机的整个致动序列由风能可用率在任何给定情况确定，并且所述风力泵单元 的转子速度通过作为增加的风速的函数的、由多个液压马达或涡轮机的同步接合产生的增 加的液压流保持在高功率系数的叶尖速比；从而，使得转子的增加的速度伴随增加的风速， 从而转子的叶尖速比保持在高功率系数的期望范围，并且因而，使得风能到额定电能的高 能量转换效率在风况的基本范围内有效。
4.一种用于通过风电场的固定的期望压力的可变液压馈送流的持续产生的系统，方法 和装置，包括一个或多个风驱动的泵(风力泵)单元；每个风驱动的泵单元包括用于最大地捕捉风 能的固定节距叶片的转子，制动机构，用于在大风中停止转子运动以避免损坏；具有固定几 何排量的正排量类型的转子驱动的泵；连接在所述风力泵单元的转子的主轴和泵之间的可 变比率传输的变速箱机构；风力泵单元的所述泵的各自的入口和出口平行地连接到非受压 流和受压流的各自主要导管；可变阀装置，位于受压流的所述主要导管的出口，响应于监视的压力偏离受压流的所 述主要导管中的固定的期望压力的偏差而被致动，以使得能够进行作为风能可用率的函数 的基本固定的期望压力的可变液压流的持续产生；在每个风力泵单元的所述泵的入口和出口处的阀装置，用于使得特定风力泵单元能够 暂时隔离风电场的其它风力泵单元用于维护和/或维修；监视装置，用于监视风速和方向、液压导管中的液压压力和液压流以及转子的速度；以及计算机控制装置，从而调节所述风力泵单元的所述变速箱机构中的传送比作为风速的 函数，以使得能够在广泛范围的风况下达到转子的高功率系数叶尖速比，从而使得风能到 固定的期望压力的可变液压流形式的液压能的高能量转换效率有效。
5.根据权利要求4所述的方法，其中非受压导管的所述主要导管的入口处的馈送包括 盐水溶液，而所述受压流导管的出口处的受压盐水溶液流用于通过在固定的期望压力下的 反渗透(RO)进行的盐水淡化。
6.根据权利要求4所述的方法，其中非受压流的所述主要导管的入口处的馈送包括 可饮用的水，而所述受压导管的出口处的受压可饮用的水的流被允许到所谓的能量恢复系 统，其中应用所述受压可饮用的水的流以产生受压盐水溶液的流，用于通过在适当的固定 的期望压力下的反渗透(RO)进行的盐水淡化。
7.根据权利要求4所述的方法，其中非受压流的所述主要导管的入口处的馈送包括需 要被过滤的水溶液，而将在所述受压流导管的出口处的需要被过滤的所述水溶液的受压流 应用于固定的期望压力下的膜滤(微滤、超微滤和纳米滤)。
8.根据权利要求4所述的方法，其中非受压流的所述主要导管的入口处的馈送是需要 被在供水管中加压用于农业和/或家庭和/或工业应用和/或需要被从较低水库向较高水 库升起用于水力发电额定动力生成目的的水源。
全文摘要
使用风驱动的泵(风力泵)在风电场中产生受压液压流，该风驱动的泵用于通过恒定速度和可变扭矩的液压马达或涡轮机产生额定电能，作为风能可用率的函数，其交替地和/或同步地致动额定发电机。使用通过用于最大地捕捉风能的固定节距叶片的转子驱动的正排量泵使得能够通过风电场的受压液压流达到高功率系数范围内的转子的叶尖速比。具有风驱动的泵的风电场的另一个应用是用于产生作为风能可用率的函数的固定压力的可变液压流，其可以用于水的升高以及用于通过反渗透进行的盐水溶液的淡化。
文档编号H02P9/04GK101990739SQ200980104986
公开日2011年3月23日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者艾维·艾弗雷提 申请人:艾维·艾弗雷提