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用于电网 电能和盐水 淡化的液压 风 电场

阅读：528发布：2021-05-19

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权利要求

1.一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。

说明书全文

用于电网 电能和盐水 淡化的液压 风 电场

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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3
理论值是16/27(0.592)。风能等式由(2)表示，假设风密度为1200g/m。风驱动的转子的叶尖速比(λ)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。

[0004] (1)Pw＝μ(1/2)d(πR2)V3

[0005] (2)Pw＝6.0×10-4μ(πR2)V3

[0006] (3)λ＝[(2πRN)/60]/V

[0007] 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。

[0008] Lawson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 Stephen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。

[0009] 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

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。附图说明

[0013] 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)。

[0014] 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。

[0015] 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6.0m/s以及标称风速为8.0的风况中的7.0米半径的转子驱动。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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6.0m/s以及标称风速为8.0的风况中的7.0米半径的转子驱动。

具体实施方式

[0021] 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1(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1(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1(II)中显示的风跟踪尾部W。

[0022] 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(lpm)表示受压的液压流，p(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p表示，并且转子经历的叶尖速比(λ)由表达式(6)以Pw、fh、Vg、p和风速v(m/sec)表示。

[0023] (4)Pw(kW)＝(Qhp)/(592fh)＝(npVg)/(592fh)＝(NpgVg)/(592fh)[0024] (5)N＝(592Pwfh)/(pgVg)

[0025] (6)λ＝[(πR)/30][(592Pwfh)/(pgVg)]/v

[0026] (7)∑Pw＝Pw(1)+Pw(2)+......+Pw(k)＝[(∑Qh)p]/(592fh)＝k(npVg)/(592fh)＝k(NpgVg)/(592fh)

[0027] 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(∑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(∑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(n＝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。

[0028] 通过图2中显示的优选实施例说明用于从k个风泵单元[WM(1)，WM(2)，WM(3)......WM(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(M1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(G11和G12与M1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(M1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。

[0029] 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(1)，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V1和V2分别进行液压马达M1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VV1和VV2进行所述液压马达的恒定速度/流致动，可变流阀装置VV1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。

[0030] 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G11和G12连接到M1的轴的gc11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(Q1，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。

[0031] 对于具有平均风速6.0m/sec以及标称风速8.0m/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7.0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(M1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。

[0032] 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*8.0m/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[0033]

[0034]21.0 39.6 84 158 126 238 168 317

[0035] (*)在示例1中指定了在风况中的带的平均年频率分布

[0036] 在用于来自风电场的额定电能的生成的本发明的系统和方法的上下中所需的所有的部件和零件是不同规格和广泛可用性的商业物品。尽管本发明的方法不限制特定液压流体的使用，但是在本发明的方法的系统中作为液压流体的水或水溶液的应用应当优选地是基于用于这个目的的各种部件和零件的低可压缩性、低粘性、导管中低摩擦力引起的压力损失、低成本以及极大的广泛可用性。本发明方法的用于高功率转换效率的优选加压设备应当包括以它们的高液压效率而注意的柱塞或活塞类型的正排量泵。同样地，用于本发明方法的额定电能生成系统的零件的优选选择应当包括与高效额定发电机组合的高效正排量液压马达或涡轮机。此外，使额定发电机选择性地与所述马达或涡轮机的恒定速度可变扭矩轴接合的变速箱和离合器机构应当具有高机械效率以及简单和有效致动模式的特征。

[0037] 本发明的另一个方面关于具有用于额定电能生成的上面已经描述的类型的风力泵单元的风电场进行的基本固定压力的可变液压流生成。由(4)表示的单个风驱动的正排量泵的性能以及由(7)表示的风电场配置中的多个这样的单元的性能，揭示了液压流速是风能和压力的函数，因而，这样的系统能够用于以固定期望压力传递作为风能可用率函数的可变流。在图4中显示了用于以固定期望压力提供作为风能可用率的函数的可变流的馈送的根据本发明的风电场的优选实施例；其中，水源(WS)用于通过开路(OC)导管馈送风力泵单元[P(1)，P(2)，P(3)......P(k)]，然而，在受压回路(PC)中由风力泵单元产生的受压馈送流由压力监视器(PM)控制的可变阀装置(VV)维持在基本固定的期望压力。在所述风电场中的固定压力的可变液压流的生成机构依赖于在受压回路(PC)导管中的压力的持续监视以及监视压力(pmon)偏离期望的固定压力的设定点的压力(pflx)的持续监视，其中响应于监视压力偏离固定期望压力(Δp＝pmon-pflx)而促使可变阀装置(VV)的致动，并且从而+Δp(pmon＞pflx)将引起由VV导致的在受压回路导管(PC)的出口处的流增加，然而，-Δp(pmon＜pflx)将引起由VV导致的在受压回路导管(PC)的出口处的流减少。相应地，本发明的方法在上面考虑了作为用于多个重要的应用的风能可用率的函数的基本固定的期望压力的可变流的生成，其中一些应用将在下面详述。

[0038] 在根据图4中显示的优选实施例的风电场中的恒定压力可变流提供(CPVFS)的生成效率取决于泵的效率以及转子经历高功率系数的能力。在本发明方法中包括的类型的正排量泵由于它们的高液压效率(＞85％)而著名，并且因而，有助于根据本发明的从风能至液压能的高能量转换效率。通过在每个转子的轴和泵之间的多级变速箱比率传输实现在本发明的情况下的转子的高功率系数的获得，其中以特定风速引起齿轮变换以允许在风况的延伸部分上在高功率系数的范围内控制转子的叶尖速比。在图4中显示的优选实施例中的其它重要的特征包括在整个系统的受压馈送出口处的保证不产生回流的单向阀(NRV)设备以及在非受压馈送导管的入口处的启动阀(SUV)装置，使得能够在受压流的所述主导管中初始建立受压流同时使对于转子运动的阻力最小化。

[0039] 图4中显示的优选实施例的最显著的使用是用于从湖、河、喷泉和水库将地下水泵至较高的高度用于农业和/或家庭和/或工业应用。图5中的优选实施例描述了为了水力发电(HEG)的目的从较低水库(LR)至较高水库(UR)而提升水的相似应用，这在电能的峰值需求过程中和/或用于补充传统电能产生的过程中通过打开涡轮机阀装置TV而发生。

[0040] 接下来在本发明的上下文中说明的通过反渗透(RO)进行盐水淡化以及膜滤(微滤、超微滤和纳米滤)工艺的观点来看，从干净的、可再生的和免费的风能有效地生成恒定压力可变流提供(CPVFS)的能力也具有全球范围内的巨大利益。图6中的优选实施例描述了通过在风电场中产生的恒定压力可变流进行的盐水淡化，其中盐水源(SWS)的受压馈送用于RO(或者海水(SWRO)或者微咸水(BWRO))盐水淡化处理，从而产生脱盐的渗入(PER)和浓盐水(BR)。

[0041] 根据它们的高能量需求以及由于从化石燃料产生的电能正在变得太贵，用于RO盐水淡化的该方法被发现对于SWRO处理来说特别地成本有效。近来描述的海水(PCT公开号WO 2005/016830A2)和微咸水(PCT公开号WO2006/001007)闭合回路淡化的方法发现对于图6中的优选实施例的RO单元的情况下特别有用，因为这样的新技术允许不管受压馈送流如何也能达到高的恢复性，这是由于它们依赖于内部回收以使得实现低浓差极化。

[0042] 用于盐水溶液的RO淡化的图6中的优选实施例的主要劣势在于对于在整个风电场中与盐水溶液接触的所有金属部件(尤其是泵、阀和受压馈送导管)需要使用防腐构造材料。尽管所述劣势对于包括一个或两个风力泵单元的小风电场来说几乎没有影响，但是对于图6中描述的类型的用于RO盐水淡化的增加大小的风电场来说是巨大的花费。在图7中描述了根据本发明的用于中型到大型风驱动的RO盐水淡化工厂的优选实施例，其中用可饮用的水生成整个风电场中的受压流，然而，通过在风电场的受压回路(PC)导管中产生的受压液压流驱动的液压压力交换(HPE)设备将盐水馈送(SWF)在至RO单元的入口处转换为受压盐水馈送(PSWF)。图7中的HPE设备是传统RO处理用于从受压浓盐水污水恢复能量并且有效地用于加压新鲜馈送的类型；然而，在考虑的优选实施例的例子中，相反地进行能量恢复，即使用可饮用的水的加压流以将盐水溶液加压馈送到RO单元。

[0043] 对于具有平均风速为6.0m/sec以及标称风速为10.0m/sec的特定中等质量风况，在示例2中说明在图6(k＝1，4，6和8)或图7(k＝1，4，6和8)中显示的根据本发明优选实施例的风电场产生的可变流的恒定压力(60bar)下的海水(3.5％)的淡化。关于转子速度(A)；泵速度(B)；在假设的高功率系数(＞0.45)的范围5-10中的转子的叶尖速比(C)；液压流(D)；液压压力(E)以及与系统的有效的液压能相比较的理论可用风能(F)；在图8中说明了示例2中的单个风力泵单元的性能特征。通过3级变速箱机构(具有选择使得能够在风速为5.0、7.5和11.0m/sec时具有5.0叶尖速比的传送比)在假设的高功率系数的期望叶尖速比(TSR)范围内调节转子速度。表2中提供的性能总结是根据具有k＝1，4，6和8风车泵单元(R＝7.0m)的图6或图7中显示的优选实施例的示例2中描述的风驱动的盐水淡化系统。

[0044] 表2：在具有平均风速为6.0m/s以及标称风速为8.0m/s的中等风况*中执行的具有固定节距转子(7.0m半径)和转子驱动的正排量泵的根据示例2的风电场中的可变流的恒定压力(60bar)下的海水(3.5％)淡化。

[0045]

[0046] (*)速度带的年平均频率分布：示例2中提供

[0047] (**)假设：使用相同流速的受压馈送和渗入的闭合回路RO盐水淡化[0048] (**)能量转换表达式：E＝pV/35.52；其中E以kWh表达，p以bar表达并且V以m3表达。

[0049] 根据资源的盐分，海水淡化是2.5-4.5kWh/m3的能量充足的工艺，并且用于这样的应用的可再生干净风能量的效用具有重要的环境重要性。假设平均消耗量是113.5升/每人/每天，根据图6或图7中本发明的优选实施例的由单个风力泵单元(R＝7.0m)进行的每天227m3(表2)的海水淡化渗入生产对于2000人口的社区来说是充足的供给。

[0050] 除了通过反渗透的盐水淡化之外，应当理解本发明的风电场技术(由此产生作为风能可用率的函数的恒定压力的可变液压流)能够用于其它重要的应用，包括在微滤(MF)、超微滤(UF)和纳米滤(NF)水平的在恒定压力下的膜滤。本发明的方法也对于在由风能可用率确定的可变流条件下的家庭的和/或农业的和/或工业的应用的恒定压力水供给需求的干净能量风能利用提供装置。本发明的另一个重要的应用是为了存储能量以当发生对于电力的需求(尤其作为在用电高峰期要求的补充产生)时能够进行额定水力发电的目的，通过风能将水从较低的水库向较高的水库提升。

[0051] 应当理解图1中显示的本发明的风驱动的流体加压单元的优选实施例的设计及其在根据图2和图5中显示的优选实施例的用于额定电能生成的风电场中的应用，用于根据图4中显示的优选实施例在可变流条件的恒定压力下传导水供给，以及用于通过根据图6和7中显示的优选实施例的反渗透进行盐水淡化，是示意性的和简化的而不被理解为限制本发明。实践中，根据特定需求，根据本发明在固定压力下风驱动的流体加压单元和它们的风电场应用(用于额定电能生成、用于通过反渗透进行的盐水淡化、用于过滤、用于水供给的传导和/或用于水的提升)可以包括许多额外的线、导管、分支、阀和其它需要的安装、设备和监视装置，而仍保持在本发明和权利要求的框架和范围内。

[0052] 根据图2、图4、图5、图6和图7中的具有图1中显示的类型的风驱动的加压单元的本发明的风电场的优选实施例仅是用于简单、清楚、统一和方便表达的基本设计配置。应当理解根据本发明的风电场的通常设计不因风力泵单元的数目和/或它们的转子的形状和半径和/或它们的加压设备的类型而受限或限制。也应当理解根据本发明的用于额定电能生成的风电场的通常设计不因液压马达或涡轮机的数目和类型和/或额定发电机的类型和数目和/或交替地和/或同步地致动所述额定发电机的特定顺序而受限或限制。此外，应当理解根据本发明的意欲提供加压馈送用于通过反渗透进行的盐水淡化的风电场的通常设计不因SWRO和/或BWRO盐水淡化技术和/或在这样的风电场中要被淡化的馈送的本质和/或源头而受限或限制。应当注意意欲用于加压馈送的风电场的通常设计不因应用的本质和/或类型而受限或限制，只要这样的应用需求使得用户能够使用可变流的受压馈送。

[0053] 本领域技术人员将明显看出考虑的本发明的风电场方法可以由不同设计的模块化的和/或非模块化的风驱动的加压单元和装置(上文中关于本发明的系统和/或系统中的单元已经说明的)操作，只要这样的系统和/或单元包括：用于产生液压流的风驱动的设备；恒定速度的液压流操作的马达或涡轮机，使得能够进行作为风能可用率的函数的额定发电机的致动；以及使得能够获得适用于多种类型的应用的固定压力的可变液压流的设备，该多种类型的应用例如通过反渗透进行盐水淡化、受压流体的过滤和传导。

[0054] 尽管关于特定实施例已经在上文中描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说将明显看到在不偏离本发明更广泛方面的前提下能够进行改变和变型，因而，所附的权利要求将在其范围内包括落入本发明真实精神内的所有这样的改变和变型。

[0055] 示例

[0056] 示例1

[0057] 根据图2中显示的优选实施例的风电场中的用于额定电能生成的本发明包括图1中显示的设计的一个(k＝1)或多个(k＝4，6和8)具有7.000米半径和固定角度节距叶片的转子的相同的风力泵单元，用于在限定的风况中最大地捕捉风能，该限定的风况是：平均风速6.0m/sec，标称风速8.0m/sec，和风速(m/s)带的年平均百分比分布＞1.0(1.26％)；1.5(1.89％)；2.0(2.52％)；2.5(3.24％)；3.0(3.96％)；3.5(4.59％)；4.0(5.21％)；
4.5(5.75％)；5.0(6.29％)；5.5(6.65％)；6.0(6.80％)；6.5(6.56％)；7.0(6.29％)；
7.5(5.84％)；8.0(5.39％)；8.5(4.77％)；9.0(4.14％)；9.5(3.60％)；10.0(3.06％)；
10.5(2.61 ％ )；11.0(2.16 ％ )；11.5(1.80 ％ )；12.0(1.44 ％ )；12.5(1.17 ％ )；
13.0(0.90％)；13.5(0.72％)；14.0(0.54％)；＞14.5(0.85％)。假设风力泵单元的转子设计在叶尖速比范围5-10内是高功率系数(≥0.45)；风力泵单元中的转子至泵的连接是通过固定(3.8)传输比率的变速箱机构进行的；风力泵单元中的泵是具有每转0.70升的固定几何排量的正排量类型；风力泵单元中的泵的假设效率是88％并且其性能限制限定为最大速度600rpm、最大流420lpm以及最大压力140bar。

[0058] 根据图2中的优选实施例的使用单个风力泵单元的考虑的示例中的额定电能生成包括两个固定流控液压马达，每个的效率是85％，一个(M1)是100lpm(Q1)并且另一个(M2)是125lpm(Q2)，这两个固定流控液压马达由作为风速函数的预定序列交替地和/或同步地致动。该固定速度额定发电机G11(3.3kW)和G12(5.5kW)由M1交替地和/或同步地致动，并且同样地，固定速度额定发电机G21(11.0kW)和G22(20.0kW)由M2交替地和/或同步地致动，液压马达以及它们附接的额定发电机的致动的两个序列由风速指示或者简单来说由风况的即时风能可用率指示。M1的接合通过阀V1发生并且它的恒定速度由可变阀VV1响应于偏离马达的期望额定速度而控制，并且同样地，M2的接合通过阀V2发生并且它的恒定速度由可变阀VV2响应于偏离马达的期望额定速度而控制。图2中的所选的固定变速箱比率离合器机构(gc11，gc12，gc21和gc22)被设计成使每个附接的发电机在与根据由风速或者简单来说由风况的即时风能可用率确定的预想序列的恒定速度液压马达接合时达到自己的额定操作速度。在图2显示的优选实施例中的受压回路(PC)导管由适当的构造材料制作以承受最大液压压力150bar，而开路(OC)导管用于仅高于大气压力的低压操作。

[0059] 关于转子速度(A)；泵速度(B)；叶尖速比(C)；液压流(D)；液压压力(E)以及作为理论风能可用率的函数的额定电能生成，在图7中说明了图2的优选实施例中的单个风力泵单元(k＝1)的性能。在表1中提供了与在包括1、4、6和8个风力泵单元的风电场中液压流和额定电能生成相关的考虑的示例中的性能总结。

[0060] 示例2

[0061] 通过具有供应自根据图6或图7中显示的优选实施例的风电场的可变流的固定受压馈送(60bar)的海水(3.5％)的反渗透(RO)进行盐水淡化的本发明的说明包括图1中显示的设计的一个(k＝1)或多个(k＝4，6和8)具有7.000米半径和固定角度节距叶片的转子的相同的风力泵单元，用于在限定的风况中最大地捕捉风能，该限定的风况与示例1中特定的风况完全相同：平均风速6.0m/sec，标称风速8.0m/sec，和风速(m/s)带的年平均百分比分布。假设风力泵单元的转子设计在叶尖速比范围5-10内是高功率系数(≥0.45)；风力泵单元中的转子至泵的连接是通过3个不同的传输比率(1.43，3.30和6.30)的变速箱机构进行的，该3个不同的传输比率(1.43，3.30和6.30)分别在风速5.0，7.0和10.5m/sec时启动从而使得能够将叶尖速比调节到开始水平5.0并且从而允许在广泛的风况中具有高功率系数的持续操作。风力泵单元中的泵是具有每转0.95升的固定几何排量的正排量类型，风力泵单元中的泵的假设效率是88％并且其性能限制限定为最大速度800rpm、最大流760lpm以及固定压力60bar。图6中的盐水源(SWS)和浓盐水(BR)的受压回路的导管以及阀和泵由适当的构造材料制成以承受馈送的腐蚀效果并且允许安全的高压(60bar)操作；并且关于标记了SWF、PSWF和BR的导管，这也应用于图7中的优选实施例。通过响应于偏离60bar的预定设置点的压力而进行的可变阀VV的受控致动，实现优选实施例的系统中的可变流固定压力(60bar)操作。

[0062] 关于转子速度(A)；泵速度(B)；叶尖速比(C)；液压流(D)；液压压力(E)以及与风能可用率的理论最大值(16/27)相比的用于RO盐水淡化的有效液压能利用(F)，在图8中说明了根据基于图6或图7的优选实施例的考虑的示例的单个风力泵单元(k＝1)的性3
能特征。关于以这样的风电场配置产生的SWRO渗入的最小和最大受压流速(m/h)、平均流
3
速以及标称流速以及日平均和年品均量(m)的术语表示的在60bar的可变液压流，表2中提供了参考包括1、4、6和8个风力泵单元的风电场的考虑的示例的性能总结。另外，表2还包括关于接收自考虑的示例描述的风电场的、年平均存储的/使用的/节省的干净液压能的信息。

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