基于压缩空气储能的小规模风力发电新技术_周友行

人类对风能的利用已有数千年的历史， 最初主要是利用风 力 提 水 灌 溉 至 及 海 水 晒 盐 和 风 力 驱 动 的 磨 坊 。这 在 当 时 是 人 类 利用自然界的力量， 利用风力和水力代替人力和畜力来驱动工 作机械， 提高了生产力。至于人类利用风能来驱动船只航行， 则 可追溯到更久远的年代。
收稿日期： ２００７－ １０－ １４ 作者简介： 周友行（ １９７１—） ， 男， 湘潭大学机械工程学院机电系副教授、博士， 主要研究方向： 工程机械装备、数字化设计等。
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Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＮＯ．１， ２００８
的流动） 所 产 生 的 动 能 ， 不 同 的 水 流 所 具 有 的 能 量 大 小 也 是 变 化的、随 机 的 ， 但 人 们 通 过 水 库 这 一 储 能 器 将 不 同 大 小 的 水 的 动能收集并存储为水势能， 最后通过控制水流的流速和大小来 控制能量的转化和释放速度。在这一能量转换线路中， 就包含 了自然界 能 量 的 捕 获 、能 量 的 转 化 、存 储 以 及 能 量 释 放 速 度 的 控制这几个环节， 并且在理论上各环节不存在相互影响［７￣８］。
（ １） 对 有 效 风 速 范 围 要 求 严 格 ， 在 低 风 速 和 高 风 速 时 均 不 能使用。风力发电设备一般只能在风速 ３～２５ｍ／ｓ 的范围内使 用。
（ ２） 风力发电机的输出功率与风速的 ３ 次方成正比。因此 随风速变化， 风力发电机的输出功率、电压和频率不稳定。
（ ３） 风 能 捕 获 系 统 与 发 电 系 统 要 求 互 相 匹 配 ， 而 且 满 足 频 率输出要求时， 要增加复杂的调速机构。
风能作为 清 洁 、可 再 生 的 能 源 ， 具 有 许 多 优 点 ： 取 之 不 尽 、 用之不竭； 就地可取、不需运输； 分布广泛， 分散使用； 不污染环 境， 不破坏生态； 周而复始， 可以再生， 有着良好广阔的发展前 景。开发利用风力发电对保护生态平衡， 减少环境污染、节约矿 物能源， 缓解供电矛盾及解决偏远山区的用电问题， 支持经济 建 设 都 有 着 重 要 的 社 会 效 益 。同 时 风 力 发 电 本 身 也 有 许 多 其 它 发电方式无法相比的优点如： 建设周期短， 装机规模灵活， 不消 耗燃料， 不污染环境， 不淹没土地等。风力发电是当今世界电力 发展的潮流和趋势。
基于此原理， 笔者提出如下方法：
实际上， 风能不像水能那样可容易地将其动能转化为水势 能存储起来， 它们不能直接存储， 目前只能通过能量表现方式 的转化， 将其转化成一种合适的能量表现方式来存储。为此， 人 们已经探索和开发了多种形式的储能方式， 主要可分为化学储 能、物理储能和超导储能。从物理储能的角度看， 当前主要有以 下三种方式： 扬水储能、压缩空气储能以及飞轮储能。压缩空气 从资源的角度看， 是无穷的。从当前国内外已有的研究基础来 看， 采用压缩空气储能， 对开发此类以不稳定性为特征的随机 动能， 这是一种经济可行的蓄能技术。利用捕获到风能将空气 压缩储存在天然洞穴或人工密闭空间内， 在需要用电时才利用 压缩空气， 控制其内能的释放速度推动发电机发电， 可解决发 电和用电不同步的矛盾； 而且这一技术方向还可以通过压缩空 气提高随机动能的能量密度， 在根本上解决此类随机动能飘忽 不 定 、稳 定 性 差 的 痼 疾 ［８］。
而在基于压缩空气储能的风力发电技术中， 风能捕获环节 与发电环节已经分开， 在理论上， 可以最大限度地提高风能捕 获的效率。一方面， 通过风轮的优化设计， 提高不同风速下的能 量 捕 获 效 率 ； 另 一 方 面 ， 可 考 虑 充 分 利 用 低 于 ３ｍ／ｓ 和 高 于 ２５ｍ／ｓ 的风速。在低于 ３ｍ／ｓ 的风速下， 可通过杠杆原理收集较 小 的 风 能 ， 在 高 于 ２５ｍ／ｓ 的 风 速 下 ， 可 只 考 虑 风 轮 装 置 的 可 靠 性， 而不必顾及高转速对发电装置的影响。就理论上而言， 这都 是 可 以 实 现 的 ［１１］。 ３．２ 风能转换为压缩空气内能装置和储能机构的研究
根据压缩空气固有特性， 借鉴现有的压缩机和气体膨胀机 的技术， 采用压缩空气降压时气体膨胀做功或压差直接发电， 创 新 设 计 小 规 模 的 较 高 压 压 缩 空 气 直 接 发 电 的 机 电 装 置 。这 是 基于压缩空气储能的小规模风能发电新技术的一个关键问题。
当前研究的压缩空气蓄能发电技术， 主要应用于电网的修 峰调谷， 它利用用电低谷富裕电力， 用空气压缩机产生压缩空 气， 储存在封闭的岩洞内， 用电高峰时释放压缩空气发电， 压缩 空气通过由燃气轮机废气加热的预热器加热以后， 输送到燃气 轮机的高压燃烧室里， 在那里与燃气轮机的燃料— ——天然气燃 烧所放出 的 热 量 混 合 、膨 胀 并 驱 动 燃 气 轮 机 旋 转 、带 动 发 电 机 发电。因需燃烧油、气， 使它对环境有一定的污染。这种方式， 在 小规模应用风能的角度来看， 其系统小型化成本太高。近年来， 国内外学者提出了另一个直接利用压缩空气的原理与方法， 即 直接利用 高 压 气 体 在 降 压 时 产 生 的 能 量 发 电 ， 亦 称“ 气 体 直 接 膨胀法”， 将较高压压缩空气直接在空气透平中膨胀做功并产 出冷量， 日本于 ２００３ 年就拟建设一座利用天然气压差发电的 发 电 厂 。目 前 这 些 研 究 都 是 建 立 在 大 规 模 应 用 压 缩 空 气 储 能 的 基础上， 但在原理上，为如何利用压缩空气降压直接发电， 研发
这样的研究线路， 具有如下优点：（ １） 保证各级能量转换环 节之间在理论上不存在相互影响， 从而可通过机构的创新设计 与研究， 提高同级能量转换效率。如在当前的风能研究中， 风能 捕获装置的设计必须考虑整个系统的各个环节， 而且不同容量 的风电机组能利用的有效风速是不一样的， 其风速必须控制在 一定范围内。而本研究线路中， 风能捕获装置能利用的风速只 受其本身结构和材料的影响， 还可以通过风能捕获装置创新设 计， 扩大风能利用的有效风速， 即利用过少或过大的风速， 进一 步提高风能的利用效率。（ ２） 控制储能装置中的能量释放速度 和时间， 可使发电装置在需要的时候， 一直工作在额定功率下， 高效率地转化能量， 并获得稳定可靠的电能， 解决发电与用电 不同步的问题；（ ３） 可按能量捕获、能量转换和存储以及控制能 量释放速度这四个环节， 对系统进行模块化、系列化设计， 简化 系 统 的 设 计 和 生 产 成 本 ［９］。
１ 当前风力发电利用方式及不足
风力发电是通过风力发电机将风百度文库转换为电能， 风力发电 机根据应用场合的不同又分为并网型和离网型风力发电机， 离 网型风力发电机亦称独立运行风力机， 是应用在无电网地区的 风力机， 一般功率较小。并网型发电一般立足于风能的大规模 利用， 通过建设风电场， 在一处风场安装数十台甚至数百台风 力发电机， 风力发电并入常规电网运行， 向大电网提供电力； 独 立运行风力发电机系统一般需要与蓄电池和其他控制系统共
但如果能将捕获到的风能直接高效地转换储存成一种可 以控制其能量释放速度的能量表现形式， 在此基础上， 再将其 转化为人们用于生产实践的电能， 就能解决当前风能能量转换 过程中所产生的能量不稳定的问题， 也能消除能量转换环节间 的相互影响， 提高各环节的能量转换效率， 还能解决发电与用 电不同步的问题， 即可以在需要用电的时候， 才利用存储的能 量发电。如同当前水能的研究利用一样， 水能也是物质运动（ 水
其次， 采用压缩空气直接存储风能， 其储能装置的容量是 一个关键问题， 在风能的大规模应用中， 它直接决定能量转换 系统的工程造价。但在分布式、小规模利用情况下， 可采用较高 压压缩空气作为储能介质， 在地下构建小型强度坚固的钢筋混 泥土结构作为储能装置， 可大幅度降低储能装置的经济成本。 ３．３ 压缩空气发电机理与方法
（ ４） 发 电 与 用 电 不 同 步 ， 虽 然 可 通 过 储 能 设 备 将 得 到 的 电 能再次转换为其他形式的能量， 但在再次使用时， 还必须转换 为电能， 增加了两个能量转换环节。
２ 基于压缩空气储能的小规模风力发电利用新技术
从风能捕获至将其转换为电能的过程中， 由于风能能量密 度一般较 低 、能 量 又 极 不 稳 定 ， 导 致 转 化 为 电 能 的 能 量 大 小 也 不稳定， 必须通过复杂的装置处理捕获到的风能， 才能得到稳 定可靠的电能。而且在目前的风力发电方式中， 最大的缺点在 于发电与用电不同步。
为压缩空气内能。然后根据压缩空气固有特性， 采用压缩空气降压时气体膨胀做功或压差直接发电。在理论上， 这种新技术能扩大风能
的利用范围， 提高其能量转换效率， 降低风能开发和转化的成本。
关键词： 风能； 储能； 空气压缩机； 能量转换
中图分类号： ＴＫ８２
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７２－ ５４５Ｘ（ ２００８） ０１－ ０１０３－ ０２
但风 能 在 不 同 的 时 间 、空 间 内 ， 其 能 量 的 大 小 是 随 机 变 化 的 。由 于 人 类 开 发 与 利 用 风 能 尚 受 到 社 会 生 产 力 、科 学 技 术 、地 理原因等因素的影响与制约， 目前， 能量总量巨大的风能， 可以 利 用 的 仅 占 很 小 的 比 例 。 研 究 新 型 的 风 能 利 用 原 理 、方 法 和 实 现机构， 提高其利用比例和能量转换效率， 降低随机动能开发 和转化的成本， 可节约利用现有能源以及减小能源应用对环境 的污染 ， 综合协 调 能 源 、资 源 、环 境 间 关 系 ， 在 一 定 程 度 上 解 决 能 源 消 费 、化 石 燃 料 的 枯 竭 以 及 生 态 环 境 的 日 益 恶 化 的 问 题 。
《装备制造技术》２００８ 年第 １ 期
基于压缩空气储能的小规模风力发电新技术
周友行， 邓胜达 （ 湘潭大学机械工程学院， 湖南 湘潭 ４１１１０５）
摘要： 从随机动能机械转换利用的角度， 提出了一种基于压缩空气储能的小规模利用风力发电新技术。通过对现有风能利用途径改进，
增加一个储能环节， 采用压缩空气作为储能介质， 通过对现有空气压缩装置的优化设计和改进， 将捕获到的风能尽可能高效率地转换
首先， 通过空气压缩机这一类的空气压缩装置， 将功率稳 定的机械能（ 电能转化的） 转换为压缩空气内能的技术， 现已相 当成熟。但由捕获风能而得到的机械能， 它随风能大小的变化 而变化， 其功率不稳定， 因此为了获得风能转换为压缩空气内 能的高效率， 必需通过对现有空气压缩装置的原理和技术进行 进一步研究， 在机构上进行创新设计。
现 有 的 风 力 发 电 机 组 一 般 由 风 轮 、发 电 机 、调 速 或 调 向 机 构、停车机构、塔架和拉索以及电压或电流调节整定装置等 ， 小 型 风 力 发 电 机 组 一 般 配 有 控 制 器 、蓄 电 池 和 逆 变 器 等 。 其 中 风
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能 捕 获 装 置 由 风 轮 、调 速 或 调 向 机 构 、停 车 机 构 、塔 架 和 拉 索 组 成， 并且风能捕获装置与发电机置为一体， 其包含的环节太多， 系统设计比较复杂［１０］。 因 此 在 低 风 速（ ３ｍ／ｓ） 下 ， 风 力 发 电 机 组 不能运行， 不能捕获到风能。而在过大风速条件（ ２５ｍ／ｓ） 下， 风 力发电机组也不能运行， 因为过快的风速主要对发电机造成影 响， 甚至破坏风力发电机组。实际上即使在 ３～２５ｍ／ｓ 的风速范 围内， 受系统机械装置的影响， 只有在额定风速下， 风能的转换 效率才较高， 低于或高于额定风速时所捕获到的能量， 其中一 部分必须用于调速， 才能获得可用的电能。
３ 新技术中的关键问题、难点及解决途径
采用压缩空气作为储能介质， 将风能转换为压缩空气内 能， 然后通过控制压缩空气的释放速度和时间， 得到稳定、可靠 的电能， 其关键在于提高风能在系统各个环节中的能量转换效 率， 在风能捕获、风能转换为压缩空气内能及存储， 压缩空气内 能转换为电能这三个环节上取得突破。 ３．１ 风能捕获装置的创新设计及实现
同组成， 这种独立运行系统可以产生数千瓦和数十千瓦电力以 解决一个村落的供电系统， 也可以产生数十到数百瓦的小型风 力 发 电 机 组 以 解 决 一 家 一 户 的 供 电 ［４￣５］。
在当前的风力发电应用研究中， 普通风力发电机是由风力 带动叶片旋转， 将风能转换为机械能， 并驱动发电机发电， 实现 机械能到电能的转换［６］。在这种风能利用研究中， 普遍存在如下 问题：