发电系统的制作方法

本申请是申请日为2010年9月13日、申请号为201080046256.6、发明名称为“发电系统”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种发电系统，该发电系统利用风力来使导体旋转，并且对旋转导体施加磁场，以通过感应加热来加热导体，从而加热传热介质，并且将传热介质的热量转换成电能，从而发电。

背景技术：

近年来，考虑到温室效应气体减排，因此利用诸如风力和太阳光这样的可循环能源的发电系统为公众所瞩目。

例如，非专利文献1-3描述了关于风力发电的技术。风力发电通过风力来使风车旋转，以驱动发电机发电。换言之，风力发电将风能转换成转动能，并且将转动能提炼为电能。风力发电系统通常的结构是：塔架的上部设置有舱体，该舱体具有与之相连的水平轴风车(风车的旋转轴通常平行于风向)。所述舱体中容纳有增速齿轮，该增速齿轮加速且输出风车轴的转速；所述舱体中还容纳有由增速齿轮的输来驱动的发电机。所述增速齿轮提高风车的转速与发电机的转速的比值(例如1:100)，并且其中组装有齿轮箱。

近来，为了减少发电成本，业界逐渐倾向于增加风车(或风力发电系统)的尺寸，并且在实际应用中，5MW的风力发电系统的风车的直径可达120m或更大。这样的大型风力发电系统规模庞大，负荷颇巨，因此在许多情况下，由于结构原因，这种大型风力发电系统建造在海上。

此外，风力发电随着风力变化而提供不同的发电输出(或产生不同的发电量)，因此，风力发电系统还设置有蓄电系统，以在蓄电池中存储不稳定的电能，以稳定输出。

另一方面，例如非专利文献4描述了关于太阳热能发电的技术。太阳热能发电技术收集太阳热量，并且将太阳热量变成热能，进而利用热能产生蒸汽，以使涡轮旋转，从而驱动发电机发电。换言之，太阳热能发电技术将太阳能转换成热能，并且将热能提炼为电能。实际投入使用的太阳热能发电系统是例如塔架系统。所述塔架系统将太阳光收集到设置在塔架上部的太阳能收集器，并且利用太阳光的热量来产生蒸汽，蒸汽进而被输送至设置在塔架下部的涡轮，以驱动发电机发电(参见非专利文献4，图3)。

太阳热能发电的输出也随着天气、时间等的变化而变化，因此为了稳定发电，在太阳热能发电系统中设置了能够在蓄热器中蓄热、并且能够提取发电所需热量的蓄热系统。

引用列表

非专利文献

NPL 1:“风力发电(01-05-01-05)”[在线]原子能百科全书ATOMICA，[搜索日期：2009年10月13日]，网址：

<URL:http://www.rist.or.jp/atomica/>

NPL 2:“2000-kW大型风力发电系统SUBARU80/2.0型”，[在线]，富士重工业株式会社[搜索日期：2009年10月13日]，网址：

<URL:http://www.subaru-windturbine.jp/home/index.html>

NPL 3：“风力讲座”，[在线]，三菱重工业株式会社，[搜索日期：2009年10月13日]，网址：

<URL:http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_0101.html>

NPL 4:“太阳热能发电系统(01-05-01-02)”[在线]原子能百科全书ATOMICA，[搜索日期：2009年10月13日]，网址：

<URL:http://www.rist.or.jp/atomica/>

NPL 5:“超导性倍化法”，[在线]，工业加热[搜索日期：2009年10月13日]，网址：

<URL:http://www.industrialheating.com/Articles/Feature_Article/BNP_GUID_9-5-2006_A_10000000000000416320>

技术实现要素：

技术问题

风力发电系统设置有蓄电系统，并且蓄电系统需要诸如转换器等组件，来将电能储存至蓄电池，因此导致系统结构复杂，且增加了电功耗。此外，大型风力发电系统需要对应于所产生电能量的大容量蓄电池，因此造成整个系统成本增加。

另一方面，太阳热能发电系统设置有蓄热系统，该蓄热系统比蓄电系统简单，并且蓄热器还比蓄电池便宜。然而，只要有风，风力发电即使在夜间也能发电，而太阳热能发电则无法在夜间发电。因此，后者需要大型蓄热器来在夜间继续供电。

此外，当风力发电系统出现故障时，故障往往归因于增速齿轮、更具体而言是齿轮箱出现故障。如果齿轮箱存在缺陷，则正常情况下可以通过利用另一齿轮箱更滑该齿轮箱来解决该缺陷。然而，如果舱体设置在塔架的上部，则需要大量的时间和精力来安装和拆卸齿轮箱。因此，目前还存在不需增速齿轮的无齿轮变速型发电系统。

然而，在无齿轮型发电系统中，发电机具有更多极数(或多极发电机)，当无齿轮型发电系统与使用增速齿轮的发电系统相比时，前者所采用的发电机的尺寸和重量均更大。尤其是，5MW级的大型风力发电系统的发电机的重量超过300吨(300000kg)，因此很难将这种大型风力发电系统布置在舱体中。

本发明针对以上情况而做出。本发明的一个目的是提供利用风能的发电系统，且其便于保养，该发电系统在可维护性上是优良的，并且能够减小设置在塔架上部的舱体的尺寸和重量。

解决方案

本发明提供了一种发电系统，包括：风车；导体，所述导体随着所述风车的旋转而旋转；磁场发生器，所述磁场发生器产生穿过所述导体的磁场；传热介质，所述传热介质从所述导体接收热量，所述导体在所述磁场中旋转而被感应加热；蓄热器，所述蓄热器蓄积所述传热介质的热量，并且供应用于发电的蒸汽；以及发电单元，所述发电单元通过使用从所述蓄热器供应的蒸汽来产生电能，所述蓄热器是利用太阳热能发电技术的蓄热器。

本发电系统包括：风车；导体，该导体随着所述风车的旋转而旋转；磁场发生器，所述磁场发生器产生穿过导体的磁场；传热介质，该传热介质从所述导体的热量，所述导体在磁场中旋转，因此被感应受热；以及发电单元，该发电单元将传热介质的热量转换成电能。

本发电系统将风能转换成转动能，然后转换成热能，并将热能提炼为电能，并且本发明所述发电系统是非传统的新型发电系统。本发电系统具有下列效果：(1)其利用风能，因此能够在夜间发电，并且如果其设置有蓄热器，则该蓄热器的尺寸比太阳热能发电系统所设置的蓄热器的尺寸更小；(2)它利用风车的转动能来产生热量，并且使用这种热量发电。这就无需设置蓄电系统；以及(3)其能够省去增速齿轮，因此避免了齿轮箱所导致的故障。

另外，转动能可能会产生摩擦热。然而在此情况下，产生摩擦热的组件在使用时会受损，因此必须定期地更换组件等，这不利于保养。相反，本发明使用转动能来使导体旋转，并且通过感应加热来产生热量，因此从保养角度来说，比摩擦加热更为有利。

在一个实施例中，本发电系统包括：塔架，该塔架延伸为高于发电单元的位置；以及舱体，该舱体设置在塔架的上部，并且设置有风车、导体和磁场发生器。此外在一个实施例中，本发电系统包括：传热介质容器，该传热介质容器布置在舱体中，并且所述传热介质容器中容纳有从所述导体接收热量的传热介质；以及输送管，该输送管将传热介质容器中的传热介质的热量输送到发电单元。

安装到设置于塔架上部的舱体的风车允许对天空高处风速较快的风能加以利用。此外，将传热介质供给到设置在塔架下部(或基部)的发电单元的输送管能够例如无需设置具有发电单元的舱体，并且允许设置在塔架上部的舱体实现小型化和轻量化。

此外，特定形式下的本发电系统可以包括如下形式：

发电单元具有涡轮和发电机，涡轮通过传热介质的热量旋转，发电机由涡轮驱动；

设置有蓄热器，该蓄热器储存传热介质的热量；

导体的一部分设置有磁性物质；

磁场发生器具有产生磁场的线圈，尤其是，所述线圈为超导线圈；以及

磁场发生器产生旋转磁场，该旋转磁场的旋转方向与导体的旋转方向相反。

有利效果

本发电系统具有下列效果：(1)其利用风能，因此能够在夜间发电，并且如果其设置有蓄热器，则该蓄热器的尺寸比太阳热能发电系统所设置的蓄热器的尺寸更小；(2)其利用风车的转动能来产生热量，并且使用这种热量发电。这就无需设置蓄电系统；以及(3)其能够省去增速齿轮，因此避免了齿轮箱所导致的故障。

附图说明

图1所示示意图示出了根据本发明的风力发电系统的实例；

图2所示示意图示出了具有超导线圈的磁场发生器的实例；

图3(A)用于示出：当两个磁体相对地布置、且其间设置有导体时，磁通量如何流动，并且图3(B)用于示出：当四个磁体沿着导体的周向均匀地布置、且其磁极交替布置时，磁通量如何流动。

具体实施方式

现在将在下文中结合附图描述实施例中的发明。需要注意的是，在图中，相同的组件以相同的符号标示。

第一实施例

图1示出了发电系统W，该发电系统包括：风车10、导体20、传热介质容器30、磁场发生器40、蓄热器50以及发电单元60。风车10连接到设置于塔架101上部的舱体102，并且导体20、传热介质容器30和磁场发生器40容纳在舱体102中。此外，蓄热器50和发电单元60设置在建造于塔架101下部(或基部)的建筑物103中。发电系统W的构造将在下文中更为具体地说明。

风车10构造有水平延伸的旋转轴15和径向连接到旋转轴15的三个叶片11。对于输出功率超过5MW的的风力发电系统，其直径为120m或更大，转速近似10-20转/分。

导体20直接连接到旋转轴15，并且随着风车10的旋转而旋转。导体20由这样的材料形成：当所述材料在磁场中旋转而产生涡电流时，所述材料能够被感应加热，。导体20能够由例如诸如铝、铜、铁等金属形成。如果导体20由铝形成，则可减轻重量。如果导体20由铁或类似的磁性物质形成，则允许增加磁通密，从而允许增加涡电流(或加热能量)。因此，所述导体可以具有设置磁性物质的部分，并且例如柱状(筒形)导体(例如，铝)的中心可以具有设置有磁性物质(例如，铁)。

此外，导体20可以是圆柱状、圆筒状、多角柱状、多角筒状或类似的不同形状。

传热介质容器30中配置有导体20，并且还容纳有传热介质，以接收来自被加热导体20的热量。传热介质能够例如是诸如水、油、熔盐这样的液体。这里将对以水作为传热介质的实例进行说明。

磁场发生器40的结构为：具有成对磁体41和42，所述成对磁体相对地布置，且导体20置于所述成对导体之间。这里，磁体41和42被实施为永磁体，并且产生直流磁场，该直流磁场允许磁通量从磁体41流到磁体42(参见图3(A))。磁场发生器40可以不是永磁体，而是可以采用普通导电线圈或超导线圈或类似的、受激发后产生磁场的其它线圈。

在发电系统W中，运行磁场发生器40来产生磁场，并且使得导体20在磁场中旋转，从而通过感应来受热，导体的热量被传输至传热介质容器30中的水(或传热介质)，以生成高温和高压蒸汽。所产生的蒸汽被通过输送管51输送至蓄热器50，该输送管联接传热介质容器30和蓄热器50。

蓄热器50通过输送管51来接收蒸汽且存储蒸汽的热量，并且还向发电单元60供应发电所需的蒸汽。

发电单元60由汽轮机61和发电机62组合构成，并且使用从蓄热器50所供应的蒸汽以使汽轮机61旋转，从而驱动发电机62发电。

蓄热器50和发电单元60能够利用太阳热能发电技术。蓄热器50能够例如是：蒸汽蓄积器，用于蓄积处于压力状态下的水蒸汽；或是使用熔盐、油等的可感热型蓄热器；或是利用具有熔点的熔盐的相变的潜热型蓄热器。潜热型热量储能系统根据蓄热材料的相变温度来蓄积热量，因此与可感热型蓄热器相比，其蓄热温度范围较窄，蓄热密度较大。此外，蓄热器50可以设置有热交换器，储存在蓄热器50中的热量可以用来使用热交换器来产生需要用于发电的蒸汽。

被输送至蓄热器50的蒸汽将热量储存在蓄热器50中，或使涡轮61旋转，之后由蒸汽冷凝器71冷却，从而被冷凝成水。随后，水被输送至泵72，以成为高压水，所述高压水进而通过给水管73输送至传热介质容器30，从而进行循环。

现在将讨论本发明所述发电系统的规格。此处，假定提供输出功率超过5MW的发电系统。具体而言，对具有如下尺寸的导体进行试算：当导体以15转/分的转速旋转时，需要所述导体产生7.2MW的热能。

在NPL5中，直流电流穿过超导线圈，以产生磁场，并且导电工件在磁场中旋转，从而被感应加热。在这份文献中，说明了对圆柱状铝坯进行加热的感应加热器的规格如下所述：输入功率：360kW；转速：240-600转/分；坯料尺寸：直径178mmx长度690mm。

此外，感应加热提供了由下列表达式表示的能量P(参见电工手册(由日本电气工程师学会出版，发行日期：1988年2月28日(初版)，第1739页)：

P＝2.5fH²Lμ_rAQ10^-8(在单元的CGS系统中)...(1)

在该表达式中，f代表频率(1/s)，并且可由导体的转速获得。H代表磁场强度(Oe)，并且这里设定为常量。L代表导体的轴向长度(cm)、A代表导体的截面面积(cm²)、以及L×A代表导体的体积。μ_r代表导体的相对渗透性，Q代表取决于导体几何结构的修正系数。此处，为了使导体的几何结构类似于上述圆柱状铝坯，Q的值也是固定的。从表达式(1)能够看出，能量P(W)与频率f和体积(长度L×面积A)成比例。

当假定的发电系统与以上感应加热设备相比时，所述发电系统的转速约为感应加热器的转速的1/20；另一方面，所述发电系统所产生的热能大约是输入到感应加热器的电能的20倍。因此，根据估计，所述假定的发电系统将需要大约400倍体积的导体。

作为试算的结果，如果导体是圆柱状铝坯，则例如该导体的尺寸将为直径1320mm×长度5110mm、体积近似7m³、重量近似21吨(21000kg，以3g/cm³的密度所转换)量。此外，连同封装在舱体中的其它设备，则预计舱体的重量接近50吨。对于提供5MW输出功率的风力发电系统而言，无齿轮型发电系统所包括的舱体的重量超过了300吨。可以看到，本发电系统能够具有等同或更高的性能，并且还大大减轻了舱体的重量。

第一变型例

上文已经参照具有永磁体的磁场发生器的实例对第一实施例进行了说明。可替代地，可以采用普通导电线圈或超导线圈，并对其进行激励，以产生磁场。下面结合图2来对以超导线圈作为产生磁场的装置的磁场发生器的实例进行说明。

参看图2，磁场发生器40具有相对布置的超导线圈45和46，并且导体20设置在超导线圈45和46之间。超导线圈45(46)容纳在冷却容器80中，并且在冷头82处连接到制冷机81，因此超导线圈通过传导而被冷却。与普通导电线圈相比，超导线圈允许产生更强的磁场，因此有助于实现小型化和轻型化。此外，当使用了超导线圈时，省掉铁芯能够消除磁饱和，并且由于没有铁芯，能够进一步实现轻型化。

此外，当使用了超导线圈时，可将液态冷却剂(例如液态氮)引入到冷却容器中，并且可将超导线圈被浸入液态冷却剂中，同时液态冷却剂可以通过制冷机来循环，从而被制冷机冷却。在此情况下，可以将诸如泵这样的、用于泵送冷却剂的循环机布置在舱体中，或可以将所述循环机布置在位于塔架下部的建筑物中。

第二变型例

上文结合包括具有两个相对的磁体的磁场发生器对第一实施例进行了说明。可替代地，可以布置三个或更多磁体。例如，可以沿导体的周向布置多个磁体，且所述磁体的磁极交替布置。

例如，如图3(B)所示，如果布置了四个磁体41-44，则所产生磁场促使磁通量从磁体41和43流向磁体42和44。

第三变型例

上文结合包括磁场发生器的实例对第一实施例进行了说明，所述磁场发生器产生直流磁场，该直流磁场所提供的磁场不随时间而变化。可替代地，可以使用多个线圈来产生旋转磁场。例如，可以沿着导体的周向布置多个线圈，使得多个线圈被顺序激发，以沿着导体的周向产生旋转磁场。更具体地，可以沿着导体的周向径向相对地布置成对的线圈，并且可以沿着导体的周向等距离地布置三对这样的线圈。注意，将旋转磁场的方向设置成与导体旋转的方向相反，则能够增加导体的表观转速，因此能够增加产生的热能。例如，当产生旋转磁场时，每个成对线圈可以由对应于三相交流的相位的电流来激发。

第四示例性变型

上文已经对使用水作为热传递介质的实例对第一实施例进行了说明。可替代地，热传导性比水高的的液体金属也可以用作传热介质。这样的液体金属可以例如是液体钠。如果采用液体金属作为传热介质，则所述液体金属例如可被用作从导体接收热量的初级传热介质，所述液体金属通过输送管所传送的热量可以通过热交换器来加热次级传热介质(或水)，从而产生蒸汽。

注意，本发明并不限于以上实施例，并且在不脱离本发明宗旨的情况下，可以对本发明进行适当修改。例如，可以酌情调整导体、传热介质等，并且可以采用普通导电线圈作为磁场发生器。

工业适用性

本发电系统适用于利用风力发电的领域。

附图标记列表

W：风力发电系统；

10：风车；

11：叶片；

15：旋转轴；

20：导体；

30：传热介质容器；

40：磁场发生器；

41，42，43，44：磁体；

45，46：超导线圈；

50：蓄热器；

51：输送管；

60：发电单元；

61：汽轮机；

62：发电机；

71：蒸汽冷凝器；

72：泵；

73：给水管；

80：冷却容器；

81：制冷机；

82：冷头；

101：塔架；

102：舱体；

103：建筑物。