★风力压气储能发电系统

　　风力压气储能装置是本发电系统的专利发明装置（如图2），本系统是通过风能压缩空气——压缩空气储能——压缩空气发电项目上。

　　一、它的背景技术是：

　　1、目前公知的风力发电机，是由风轮，增速齿轮箱、发电机、塔架等机件组成。它是将风能转换成电能的设备，但是它存在供电与用电总是不匹配，尤其在深夜，过剩电力大放空现象几乎无法避免。风能利用率低，电能品质差、脱网事故频发，严重影响电网的正常运行。

　　2、为了克服现有的风能转换设备存在的供需不同步等上述缺陷和不足，本发明提供一种风力压气储能装置，这项技术是一项全新的风能利用模式，即风力带动空压机产生压缩空气，随将压缩空气储存起来，随时取用，再通过空气动力机带动发电机发电。

　　3、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：风力压气机组的塔架支撑着风轮和机舱，机舱内部包括刹车装置、低速驱动轴、增速齿轮箱、高速驱动轴，一部分进排气管道。

　　4、结构说明：风力压气储能装置包括机舱安装在机舱下方的塔架，塔架的底部是支撑塔架的塔基，其中还包括安装在机舱前端的风轮，安装在机舱内的驱动轴和空压机，驱动轴的一端与风轮连接，驱动轴的另一端与空气压缩机连接，在驱动轴上还有刹车装置，所述压缩机的一侧是进气排气管道，空气压缩机的另一侧是输气管，输气管设在塔架内并在进排气管道上设有旋转接头和空气过滤器，输气管的另一端设有与输气管相通的储气室，在机舱的下部还设有与输气管相连接的偏航系统。风力压气储能装置是一个简单的物理能量的转换过程，其中的技术工艺、设备的加工制作都设有难度大直径的气缸活塞可以借用通用的气功元件而无需专业制作。

　　5、运行说明：在风速达到设定风速值时，风轮机启动，带动低速轴旋转，低速轴的动力传入增速齿轮箱，带动高速轴输出高转速，驱动空气压缩机运行，产生压缩空气，通过输气管道进入储气室。机舱和塔架间的进气、排气管道，用两个旋转接头连接，空气压缩机的空气滤芯器通过进气管道，连接到塔架下端以方便保养和更换滤芯。刹车是一个圆盘于是刹车装置，可以再紧急情况下使风轮机停止旋转，通过电气的方式实现控制，偏航机构是当风向发生改变时，能够保证风力机始终进向风向。

　　6、有益效果：

　　①可以把风力机转换的全部能量加以储存、取用、提高风力机的运行效率；

　　②在现行风力机去掉发电机的情况下，可有效减少风力机组的投资和机舱重量，提高风电场的经济效益；

　　③对于大规模的改造现有风力机，也是很有益的。

　　7、风能压缩空气发电即可作为并网——储能系统存在，又可以作为独立的发电系统离网存在，在有风力资源的地方，可以采用此方案大量的采集风力资源为为电网送电和存储电能作为厂矿，企业可以自建风能压缩空气发电系统来为自己提供高峰用电，单门独户或小区也可心利用此方式来为自己建立第二套电力能源系统；这样的电力，品质很好且有保障，同时也符合节能减排的目标。

　　目前通用的型号按功率分为1MW（兆瓦）风叶长20m/座、2MW（兆瓦）风叶长25m/座、3MW（兆瓦）风叶长30m左右/座

　　二、风力压气—压缩空气储能—压缩空气发电的商业价值。

　　1、风能压缩空气发电的优点

　　采用风能压缩空气发电形式与现行风能并网发电比较，主要有以下几个方面的优点：

　　①风能的利用率较高，风能空压机是接受风力动能来压缩空气，风力大风轮转速快，就会增加气缸的转速，压缩空气制取量就大，风力小转速减慢压缩空气制取量就小，无论风力的大小，风能空压机都可以得到相应的压缩空气制取量，使风的能量得到最大限度的吸收和利用。

　　②压缩空气的输送和储存，风能制取压缩空气后，压缩空气作为一种承载能量的介质，可以远距离输送和存储，能量的存储石能源领域中是一个世界性的难题，目前大规模较低成本的储能方式，是抽水蓄能，其它方式的储能不是存在技术问题就是存在成本偏高问题，而压缩空气储能有可能成为成本最低、最洁净环保的储能方式，因为压缩空气储能占用土地资源最小，对生态的破坏也最小。

　　③风能压缩空气发电的品质好于风能并网发电，风力资源的间歇性和波动性，致使风能发电的品质较低，我国风电的多次脱网事故说明了，风电并网发电存在许多问题，而风能压缩空气发电，由于其恒定的气压输出，发电品质与水力发电无差别，所以风能压缩空气发电的品质较高。

　　④风能压缩空气发电的规模可大可小，具有极强的适应性，风能并网发电需要好的风力资源，大的资金投入，需要有电力网络公司的上网许可证，需要有国家资金的补贴，在这种情况下，风电企业才能有生存空间。而风能压缩空气发电既可以独立门户自给自促发电，也可以由专业的风电企业规模开发，经营，即可以建一个规模仅几个KW的系统，也可建几百几千千瓦的独立供电系统，也可以建上百万KW的并网电站，根据风力资源的状况，用电需要，资金多少来建供电系统，体现了风能压缩空气发电有极好的适应性。

　　2、风能压缩空气发电系统的构成

　　风能压缩空气——压缩空气储能——压缩空气发电系统是一个简单的空气动力转换过程，压缩空气是成熟的传统产业，只要将其技术与风力能量衔接就可以了，压缩空气存储设施的建造，没有技术和施工的难度，风能压缩空气发电的过程中需要高效的压缩空气动力转换设备、惯性气动马达符合这种要求，其动力拖动发电机也不存在技术问题，所以系统构成中设施设备，及处理手段都是现代技术可以覆盖的，采用风能压缩空气发电项目，是不存在技术风险的。

　　3风能压缩空气发电系统的简单经济测算。

　　风能压缩空气发电系统的制造成本主要包括有几个部分：

　　①风能空压机，该设备主要由塔架风叶、轴、气缸支架、气缸、过滤器、压缩空气管道、控制系统组成，大部分机械组件目前市场上都有，无稀土和贵金属材料，造价相对低。每一柱压气塔架比风力发电便宜200万元左右。

　　*按MW级来测算，成本应在1500元/kw左右（注：MW级分1MW、2MW、3MW；1MW=1000kw；通常以2MW为例作一个单元测算）；

　　*每一柱塔架的空压能力采气相当于功率2MW塔架造价为1500元/kw×2000kw=300万元/柱；

　　*以上计算压气依据：在每天压缩空气工作8小时、风速在15米/秒的条件下，2兆瓦/柱的发电能力需要一组气缸15个，每个气缸排量0.17立方米，压缩空气6500立方米，可发电16900度电=1.69兆瓦；

　　②储能系统是一个地下容积空间，可以新造，可以利用废弃洞、矿洞和天然洞。

　　*我国多地均有废弃的油田、矿洞（包括盐矿、煤矿）等，利用这些储能空间可将储能成本降低至100元/kmh；

　　*新建压气储能空间，在3.6兆帕=36个大气压的条件下，2MW（兆瓦）=2000KW÷2.6kw/1立方米压缩气=770立方米压缩气；

　　*每立方米储气空间造价1500元/立方米计，则发2MW的电需费用1500元/立方米×770立方米=115.5万元；

　　*每度电（1kwh）储能成本115.5万元÷2000kw=577元/kw，而现有的储能方式中，最低储能成本至少在1500元/kwh以上；

　　③惯性气动马达比活塞式空压机结构要复杂一些，因此造价要高于普通活塞式空压机，MW级的惯性气动马达造价应在1000元/kw左右。惯性气动马达，还有一个作用就是提升压缩空气压力，这需要系统中还要增加一台低压的惯性气动马达，这台设备的造价按800元/kw计算，系统中惯性气动马达设备，合计应在1800元/kw。

　　④规模大的风电站需要厂房和管道阀门等设施，这部分按1500元/kw。

　　⑤发电机1500元/kw左右。

　　以上合计：设备设施的成本造价为4800元/kw。

　　三、利益概算

　　一个商业性的风能压缩空气发电系统需要达到一定规模，为了说明其成本及利益的关系，以装机容量500MW（50万KW）的机组风能压缩空气发电项目。电站规模按发电500万kwh/日设计。

　　（一）造价：总造价费用为52.8亿元；其中：

　　1、压气发电机组设施设备造价费用为24亿元；

　　按现行压气、发电及其设施设备造价为4800元/kw计，每日以8小时发电量500 MW=50万KW设计，则4800元/ kw×500 MW=4800元/ kw×50万KW=24亿元。

　　2、储能空间：造价费用28.8亿元；

　　考虑到实际发电效能，按2.6kwh/立方米来建地下储能空间，需要192.3万立方米，则1500元/立方米×192.3万立方米=28.8亿元。

　　（二）成本：年成本为2.28亿元；其中：

　　1、风压气机组和发电机组的设备折旧按15年计，每年折旧1.4亿元=设施设备投资24亿元÷15年；

　　2、储能设施折旧按60年计，每年折旧0.48亿元=储能设施投资28.8亿元÷60年；

　　3、后续年维护管理成本0.5亿元。

　　按照设计和实际因素估算，每天发电8小时，则一天（8小时）的发电量为400万kwh，以330天/年计算，年发电量为13.2亿kwh；电能分摊成本仅为0.18元/kwh（年发电成本2.38亿元÷年发电量13.2亿kwh）。

　　（三）毛利：年毛利为13.2亿元；

　　1、按现行电网收购风电价格为0.6~1.5元/ kwh之中间1元/kwh计算，年毛利13.2亿元；

　　2、按一次性投资设施设备52.8亿元，使用寿命15年计，则15年共收毛利198亿元（13.2亿元/年×15年=198亿元）。

　　（四）小规模的风能压缩空气发电系统，可以用0.3~0.5兆帕的压力来存储压缩空气，这种方式可以在地下浅层挖掘密闭空间，也可建水池式的，也可使用钢制容器储气。成本造价会高于大规模的电站造价成本，但在离网的地区，如海岛、哨所、偏远的居民集聚地使用压缩空气发电，即使成本较高也是可以接受的，因为它远比建造太阳能光伏和离网风能发电系统成本要低的多。各种发电方式的直接成本参考表在前。从简单的测算中，我们可以了解到，风能压缩空气发电的巨大商业价值是客观存在的。

　　总之，市场是新能源开发利用中的是主要选项；从目前看，我国可利用的风能十倍于水利能源，近年来我国的风能装机是以每年上千万kw的速度发展，但由于并网存在着波动性，间歇性缺陷而受到诸多限制；从长远看，一种能稳定产生电能，又能起调峰作用、无需辅助化能源、无环境污染的、大规模低成本的风能利用，将毫无疑问的取代现行风能发电方式，这就是风能压缩空气发电市场的未来。