CN100339593C - 使用风力涡轮发电机以产生且供应连续电力至远离功率栅极位置的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种风力能量的产生与储存系统，其包含用于提供能量供直接使用及能量储存的方法与装置，不中断且连续地提供电力至远离电力输电网的位置。在一大型的应用中，本发明考虑具有一预定数目的风车供直接使用，以及一预定数目的风车供能量储存，如同在一个或更多高压槽中的压缩空气能量。混合型风车能够同时地在供直接使用的能量与同时提供能量储存之间转换。

Description

使用风力涡轮发电机以产生且供应连续电力至远离功率栅极位置的方法与装置

相关申请

本申请案请求于2001年10月5日所提出申请的美国临时申请案编号为60/327,012号，以及于2002年9月9日所提出的申请案编号为60/408,876号的权益，将该二申请案的整个内容并入本案以为参考信息。

背景技术

在本国近数十年来利用自然源，诸如阳光及风力产生能量已成为重要的目标。试图降低对石油的依赖，诸如来自国外的来源，已变成一重要的国家议题。能源专家忧心这样一些能源，包括石油、天然气与煤，有朝一日将耗尽。由于这些顾虑，所以已开始尝试多种计划利用从所谓的天然”可替代”的来源所产生的能源。

尽管太阳能是最为广泛熟知的自然来源，但同时可能有利用来自风力的大量能源的潜在性。例如，风车农场已建构在国家多的风自然吹拂的区域。在许多这样的应用中，建构大量的风车并”对准”朝向风。当风对着风车吹时，产生转动功率并因而用于传动发电机，依序，可产生电力。此能源通常被使用作为由公用发电场所产生的补充性能源。

然而，使用风力作为能源来源的一缺点在于风无法一直地吹拂，并且即使一直吹拂亦无法以相同的速度一直地吹拂，亦即，无法一直地保持可靠性。风同时无法在一年中整个的日、周、月及季的不同时刻中一致地吹拂，亦即，无法一直为可预料的。尽管在过去已有尝试储存由风力所产生的能量因此在尖峰需求期间，以及当风小或是无风吹拂时可加以利用，这些过去的系统无法以一可信赖的并且具一致性的方式执行。过去的尝试无法在连续的并且不中断的基础上，降低使用风力作为能量来源所固有的无效率及困难度。

一国的大多人口居住的区域具有足够的发电及贮存系统，诸如那些由当地公用事业公司所提供的系统，并由大的电力输电网配电。除了那些会发生电力中断供应的极少的情况外，亦即，由于管线断裂或是机械设备故障等所造成，在此国内大多数的民众期待其的电力不致中断。

然而，在国内的一些偏远区域电力并非一直立即可用，必需致力于获得所需的电力。居住在山上或是远离最近的电力输电网区域的民众，例如，通常取得电力较为困难的。经常性费用或是从最近的电力输电网至服务该类型的偏远位置的地下电缆的运转成本会过高，更糟的是，这些成本通常是由使用者所承担，亦即，在私人拥有的土地，公用事业公司并无义务服务那些区域。再者，即使电线连接至那些遥远的位置，但在电力抵达目的地的时候行经该线路的电力会降低。

尽管有这些问题，因为风力是一重要的取之不尽的自然资源，并且在那些遥远的位置通常是很充沛的，所以期望尝试发展一种系统不仅能够利用由风力所产生的功率提供电力，同时可以一致的方式使风能量能够连续且不中断地供应至遥远的位置，亦即，利用装置以有效的方式储存风能量作为主要的能量来源，因此在尖峰需求期间、以及当风小或是无风可用时其能够被使用。

发明内容

本发明是有关于以风为动力的能量产生与储存系统，该系统能够适应连续且不中断地使用，亦即，作为主要的电能来源，诸如在远离电力输电网的位置使用。本发明一般包含一种系统设计用于使用一有效设计的压缩空气能量系统，使由风力所产生的电力的一部分可专供直接使用，而由风力所产生的电力的一部分专供能量储存。

如上所说明，由于风力一般不具可靠性并且有时是无法预料的，所以期望能够储存一些风能因此在尖峰需求期间、及/或当风小或是无风可用时其能够使用。本发明克服了过去的风力传动能量的使用与储存系统的无效率性，提供一种系统能够一致地有效率并持续地运转，仅利用极少或是不依赖传统的能源，因此能够在远离电力输电网的位置使用作为主要的能量来源。

在一具体实施例中，该系统优选地包括大量的风车站，其中该一部分的风车站被专用于产生能量供直接使用(在下文中称为”直接使用站”)，而该站的一部分被专用于使用一压缩空气能量系统作能量储存(在下文中称为”能量储存站”)。该系统优选地设计成每一类型的风车站具有一预定的数目及比例，使系统具经济效益及能量效率。此具体实施例被优选地使用在小村庄或社区，这些区域需要大量的风车站，亦即，风车农场。

在此具体实施例中，每一直接使用站优选地具有一水平定向的风力涡轮发电机，以及一发电机位在风车的吊舱(nacelle)中，致使由风力所造成的转动直接地经由发电机转换成电能。例如，此可直接地将发电机连接至风力涡轮发电机的转动轴而完成，因此由风力所产生的机械功率能够直接地传动发电机。通过将发电机放置在风车轴上的齿轮箱的下游位置，并通过直接地使用风车的机械功率，典型地可避免因其它类型的布置所造成的能量损失。

当是直接地转换时由风力所产生的能量可更有效率地转换成电力，例如，风产生能量的系统的效率可通过直接地利用当风吹拂在风车叶片上所产生的机械转动直接产生电力，不需先储存能量而可增强。

同样地，在此具体实施例中，每一能量储存站优选地与一压缩机连接，将风功率直接地转换成压缩空气能量。在此方面，水平定向的风力涡轮发电机优选地具有一水平轴与一第一齿轮箱连接，其被连接至一由风车塔向下延伸的垂直轴，依次地连接至一第二齿轮箱，该箱是与位在地面上的另一水平轴连接。下水平轴因而连接至压缩机，致使由风力所产生的机械功率可直接地转换成压缩空气能量并储存在高压储存槽中。

来自每一能量储存站的压缩空气优选地输送入一或更多的储存高压空气的高压储存槽中。压缩空气的储存容许由风力所产生的能量储存持续一段长期的时间。通过此形式储存能量，压缩空气在适当的时间下(诸如风小或是无风可用，及/或在尖峰需求期间时)，诸如通过涡轮增压膨胀器，可释放并膨胀。释放与膨胀的空气因而可传动一发电机，致使能够使用由风力所产生的能量可根据“所需”产生电力，亦即，当实际需求电力时，其可以或不需与风实际吹拂的时间一致。

本发明同时考虑储存槽的效率增强功能。例如，本发明优选地结合一或更多的加热装置配置在储存槽的顶部上及内部中。这些装置是可有助于产生额外的热量及压力能量，有助于吸收热量供之后使用，并有助于提供一种装置通过该装置将空气膨胀防止不致冻结。本发明考虑结合太阳能热量、来自压缩机的废弃热量、以及低阶化石燃料能源，提供所需的热量用以增加在储存槽中压缩空气的温度与压力。

来自太阳热能、废弃热能以及化石燃料动力的热量优选地经由流体延伸穿过储存槽的薄管壁的管路配送至储存槽。同时考虑供应热量的其它传统式装置，诸如使用燃烧器等。针对附加的冷冻的目的，本系统考虑同时可使用通过从涡轮增压膨胀器排放的压缩空气的膨胀所产生的冷空气，亦即，诸如在夏季期间需要空调服务的场合。

在另一具体实施例中，本系统优选地包含一单一大型风车站，诸如用于家庭或是小型农场，其中得自于风力的功率是可分开或同时地产生能量供直接使用以及能量储存所用(在下文中称为”混合站”)。在该状况下，本发明优选地将得自于风车轴的机械功率直接转换产生电力供直接使用，并同时地能够传动一压缩机供应压缩空气能量进入一或更多的储存槽中。通过特定的调整可改变供直接使用与供储存的总能量间的比例，亦即，诸如使用配置在站中的离合器与齿轮，因此可提供每一类型的适当的总能量。

例如，在任一特定的时刻，能够设定齿轮因此所产生供直接使用的能量是低于产生供储存所用的能量，如此在能量需求低时并且风力的可用程度高时是有利的。另一方面，同时能够调整混合站因此比例是相反的，亦即，所产生供直接使用的能量多于产生供能量储存所用的能量，如此在能量需求高并且风的可用程度适度的情况下是有利的。如此使混合站能够依一特定的应用定做，容许系统视风力的可用程度与能量的需求针对直接使用以及能量储存提供适当的动力总量。

在另一具体实施例中，混合站可结合上述说明的直接使用与能量储存站使用，使大型的风车农场设计成更具灵活性及按应用定做，例如，整个系统可针对特定的需求及特性的特定应用而定做。亦即，利用结合三类型的风车站使系统能够更具体地适用于针对特定的区域的风力可用性与能量需求上的需求与变化。

在国内任一特定区域中的风力形态是不时地变化，亦即，自一季变换至另一季、一月份变换至另一月份，或甚至一日变换至另一日、或是一小时变换至另一小时。同时，针对特定的位置的能量需求形态有时可相对地维持固定不变，或可变化，但在大多的状况下，并非随着风力可用性变化而一致地变化。亦即，有可能在一特定年份期间变化多次，在风功率可用性与电力需求的间有完全的不协调性，亦即，诸如当供应低但需求为高时，以及当需求低供应为高时。在此方面，当设计合适的风车农场系统时本发明考虑将这些问题列入考虑，其中可安装适当数目的每一类型的风车站，因此尽管在供应与需求间的任何的不协调性，在连续及不中断的基础上提供所供应的能量并转换成电力。

本发明所考虑在于选择适当数目的每一类型风车站，其包含研究在一特定的风车农场处所整年度的风可用性形态，以及在该处所出现能量需求形态与循环。所考虑的是最恶劣的状况，例如，当供应与需求最不协调的最恶劣的季节或月份应在作系统设计选择时列入考虑，由于针对系统可适当地操作，所以至少必需设计成在最恶劣的不协调期间持续地供应能量。

利用混合站与直接使用及能量储存站结合，使站的一部分能够由一类型转换至另一类型，亦即，由直接使用转换至能量储存并且反之亦然，以及变化二者间的比例。如此对于在一年中仅有数个月份发生最恶劣的状况是有帮助的，同时在该年度的其它月份，风的可用性与能量需求期间可能依循一更少不协调的形态。在该状况下，可以另一方式设计该整个系统，结束针对该年度的其它月份的显然的过度设计。

本发明考虑的是该系统可配置成通过考虑在任一特定时刻何时有风力可用以及可用风力的多寡，以及在任一特定时刻何时需要能量以及所需能量的多寡用以将由风能量所产生的总能量最大化，以使该系统可协调一致并有效率及可靠地运转提供连续且不中断的电力至远离电力输电网的位置。尽管预测风何时吹拂以及风力吹拂的多寡，以及需求期间的范围通常是为困难的，但本发明寻求使用可靠的信息作为计算特定平均值的方法，亦即，有关于风力的供应与能量的需求，并利用该等平均值作为使用一反复过程的方法，用以产生一最理想的系统实际上针对整年可应用在任一特定的应用上。

一些效率因素其优选地相关于建构该系统的整个成本而列入考虑，其中令人满意地使用供应与需求的平均值提供最理想的风车站的数目，该数目为必需安装以符合在整年的任一特定时刻对于该系统的能量需求。此将包含决定应供直接使用及能量储存的站的多寡，以及所需的混合站的多寡，确保在整年度系统能够有效率地并且有效地运转。

附图说明

图1显示一水平轴的风力涡轮发电机系统的流程图，该系统用于产生供直接使用的能量；

图2显示一经修改的水平轴的风力涡轮发电机系统的流程图，该系统用于在一压缩空气能量系统中储存能量；

图3显示于图2中所示的系统的储存槽与加热器组件的概略图式；

图4显示一混合的水平轴的风力涡轮发电机系统的流程图，该系统系用于产生电力同时地供直接使用与能量储存；

图5显示一针对在多风季节期间一假定位置的风力矩形图；

图6显示一针对在较少风季节期间一假定位置的风力矩形图；

图7显示一在多风季节期间针对一平均日子的相同的假定位置的风力历史信息图表；

图8显示一在较少风季节期间针对一平均日子的相同的假定位置的风力历史信息图表；

图9显示一能量需求的历史信息图表，其系针对相同的假定位置显示对于多风及较少风日子的能量需求；

图10显示一图表，针对在多风季节期间相同的假定位置比较能量需求曲线与风功率可用性曲线；

图11显示一图表，针对在较少风季节期间相同的假定位置比较能量需求曲线与风功率可用性曲线；

图12显示一图表，显示在多风季节期间针对一典型的日子使用本系统利用约为3.0的波形失配系数(waveform mismatch factor)，在一假定的储存槽中剩余的备用总能量；

图13显示一图表，显示在多风季节期间针对相同的日子使用本系统利用约为3.3的波形失配系数(waveform mismatch factor)，在一假定的储存槽中剩余的备用总能量；

图14显示一图表，显示在多风季节期间针对相同的日子使用本系统利用约为3.6的波形失配系数(waveform mismatch factor)，在一假定的储存槽中剩余的备用总能量；

图15显示一图表，显示在多风季节期间针对相同的日子使用本系统利用约为3.9的波形失配系数(waveform mismatch factor)，在一假定的储存槽中剩余的备用总能量；

图16显示一图表，显示在图13中所示的多风季节期间针对相同的日子在一假定的储存槽中剩余的备用总能量，本系统具有太阳能与辅助燃烧器加热装置；以及

图17显示一图表，显示在图16中所示的多风季节期间针对相同的日子在一假定的储存槽中剩余的备用总能量，本系统不具太阳能加热装置但具有一辅助燃烧器装置。

具体实施方式

本发明是有关于在产生与储存风能量上的改良。本发明包含多种改良的方法与装置，其被设计用以增加风产生能量的使用与储存系统的效率与适合性，提供连续且不中断供应的电能至一远离电力输电网的位置。本系统优选地设计让使用者任凭不可靠的与一般为不可预料的风力状况，在一连续且不中断的基础上不需使用现存的电力输电网，能够几乎专有地依靠风功率供应能量。

本发明的装置部分优选地包含三种不同类型的风车站，包括一第一类型具有一水平轴风力涡轮发电机，使用一发电机将转动的机械功率转换成电能并提供能量供直接使用(在下文中称为”直接使用站”)，一第二类型具有一水平轴风力涡轮发电机，将机械的转动功率转换成压缩空气能量供能量储存(在下文中称为”能量储存站”)，以及一第三类型是结合前二类型的特性，在一单一风车站中具有能力将机械的转动功率转换成电能供直接使用及/或能量储存(在下文中称为”混合站”)。本系统被设计成使用并协调该上述的三类型风车站中一或更多的类型，因此产生能量的风力的一部分可提供能量供直接使用，以及能量的一部分可提供供能量储存。本发明同时考虑能够提供一独立补充的低功率紧急电力供应，用以确保一不中断的电力供应。

下列的论述是说明上述该三类型的每一类型的风车站，接续通过针对任一特定应用风车站的最佳的协调方式说明。

A.直接使用站

图1显示一直接使用站的概略的流程图表。该图表显示如何将由风车所产生的机械的转动功率转换成电力并供应作为电能供直接使用。

如同用于产生电能的传统式的风车装置，本发明考虑每一直接使用站将包含一风车塔，其上安置有一水平轴风力涡轮发电机。该塔优选地竖立用以将风力涡轮发电机配置在一预定的高度，并且每一风力涡轮发电机被优选地朝向风”瞄准”使风的截面积，以及该站的风功率转换效率达到最大。一风力涡轮发电机，诸如那些由不同的标准厂家所制造的风力涡轮发电机，可安装在塔的顶部，而风车叶片或风扇相关于一水平定向的转动轴配置。

在此具体实施例中，将一齿轮箱与一发电机优选地安置在风车的吊舱中，致使轴的机械的转动功率可直接地传动齿轮箱用以产生电能。通过将发电机经由一齿轮箱直接地安置在轴上，机械功率能更为有效率地转换成电力。电能因而能经由电力线路向下传输至塔，其可连接至其它的线路或电缆由直接使用站馈电至使用者。

本发明考虑该直接使用站与其它的风车站连接使用，其能够储存风能供后续的使用，将在后面详述。如上所述，如此由于风力一般而言为不可靠的且不可预料的，因此，仅有直接使用站供应能量供直接使用，不容许系统连续且不中断地使用，诸如当风小或无风可用时候。因此，本发明考虑在风车农场的应用中安装多个风车站，同时必需安装及使用附加的能量储存站。

B.能量储存站

图2显示一能量储存风车站的概略的流程图。此站同时优选地包含如上所述的一传统式风车塔以及一水平轴式风力涡轮发电机，与直接使用站结合。同样地，如先前的设计，将风力涡轮发电机优选地安置在风车塔的顶部并能够朝向风瞄准。一转动轴同时自风力涡轮发电机延伸用于传送电力。

然而，在此具体实施例中，不同于先前的设计，针对能量储存的目的由风力所产生的能量优选地在风车塔的底座处取得。如图2中所示，将一第一齿轮箱优选地安置在接近位在风车的短舱中的风力涡轮发电机处，其能够将水平传动轴的转动传送至自风车塔向下延伸的垂直轴。在塔的底座处，优选地设计具有一第二齿轮箱将垂直轴的转动传送至位在地面的另一水平轴，其因而连接至一压缩机。由位于塔的顶部上的风力涡轮发电机产生的机械转动功率因此可自塔向下传送，并可经由位于塔的底座处的压缩机直接地转换成压缩空气能量。压缩机中的机械马达驱使压缩空气能量进入一或更多的安置在地面附近的高压储存槽中。

利用此布置，每一能量储存站能够将机械的风功率直接地转换成压缩空气能量，其能被加以储存供后续使用，诸如在尖峰的需求期间，及/或当风小或是无风可用的时候。由于能量储存站仅提供能量供储存的用，本系统优选地包含一或更多的直接使用站，如上所述，连同一或更多的能量储存站，一般是更为有效率地将机械功率转换成电力。

本系统的能量储存部分优选地包含用于储存并利用在储存槽中的压缩空气能量的装置。在此方面中，高压储存槽被优选地设计用以抵抗如同由压缩机所施加的压力，并使绝缘用以维持槽中现存的温度。该槽同时优选地安置在接近能量储存站的位置(其于该处连接)，致使压缩空气能够输送至槽中而无显著的压力损失。

尽管本发明考虑能够使用不同尺寸的槽，本系统优选地考虑槽的尺寸应根据相关于多个因素的计算而决定。例如，如所说明，储存槽的尺寸可根据所安装的能量储存与直接使用站的数目与比例，以及其它的因素，诸如所选定的风力涡轮发电机的尺寸与容量、所选定的压缩机的容量、风的可用性、能量需求的范围等而决定。在本说明的实例中所使用的优选槽尺寸是根据一优选的4.220×10⁵Kg/m²(600psig)的容积。该储存槽优选地制成为直径3.048m(10呎)以及长18.288m(60呎)的单元，可以公路或铁路搭载。

本发明考虑可使用多种将压缩空气转换成电能的传统式装置中的任一种装置。在优选的具体实施例中，使用一个或更多的涡轮增压膨胀器自储存槽释放压缩空气，产生高速的气流能够用以提供发电机动力产生电能。此电力因而可用以补充由直接使用站所供应的能量。无论何时需要所储存的风能，该系统被设计为容许在储存槽中的空气经由涡轮增压膨胀器释放。如图2中所示，涡轮增压膨胀器优选地将能量提供至一交流发电机，其与一AC转DC的转换器连接，然后通过一DC转AC的反用换流器并因而通过一调节器使阻抗与使用者电路配合。

图3显示能量储存站所连接至的储存槽组件的细节。在优选的具体实施例中，优选地提供一个或更多的装置用于产生并提供热量至储存在槽中的压缩空气。本发明考虑使用至少三不同类型的加热系统作为提供热量至位在高压槽内部的压缩空气的装置，包括1)太阳能热量收集器利用得自于太阳的能量，2)废弃热量收集器将由压缩机所产生的废弃热量循环至储存槽，以及3)一分离加热单元，诸如化石燃料燃烧器，将热量导入储存槽中。本发明同时考虑使用其它的标准方法提供热量至压缩空气中。

将由不同的收集器所收集的热量配送至位于槽中的压缩空气的装置一般包含一延伸穿过槽的薄壁管子的大的表面积。管子优选地包含大约1％的槽内部的总面积，并且优选地包含铜或碳钢材料。其同时优选地包含一防冻剂流体其能够由收集器加热，并通过在储存槽的整个内部的管子配送。薄壁管子的作用如同一热交换器，其是热惯量系统的一部分。储存槽优选地以绝缘装置作为衬里，防止热量自内部损失。

储存槽内部的温度增加提供了多种优点。第一，其发现热量大大地提高由涡轮增压膨胀器所执行的整个作业的效率，因此，通过增加在储存槽中的压缩空气的温度，则能由相同尺寸的储存槽产生较大的总能量。第二，通过增加在储存槽中空气的温度，可增加槽内部的压力，其中可经由涡轮增压膨胀器产生较大的速度。第三，加热槽中的空气有助于避免冻结，否则会因槽中空气的膨胀而造成冻结。无需加热组件，自槽中释放的空气的温度能够达到接近低温的程度，槽中的水蒸气与二氧化碳气体会冻结并降低了系统的效率。本发明优选地能够将膨胀的空气的温度维持在一可接受的程度，以有助于维持系统的效率。如需要能够同时提供诸如燃烧器等的额外类型的加热单元。

再者，本发明优选地利用由涡轮增压膨胀器所产生的冷空气的优点。例如，冷空气可改变路线经由管子至压缩机而维持压缩机冷却。再者，来自涡轮增压膨胀器的废弃的冷空气可供冷冻及空调的用途所用，诸如在温暖或炎热的季节期间。

该系统同时优选地包含一控制系统用以控制储存槽、压缩机、涡轮增压膨胀器、加热单元、冷冻组件等的操作。控制系统优选地设计通过调节压缩空气进出储存槽的流量，能够将槽中的压缩空气能量的水平维持在一适当的水平。控制系统同时被用于控制并操作该有助于控制槽内空气的温度的热交换器。控制系统决定在任一特定时刻使用热交换器，以及应提供至位于储存槽中压缩空气的热量的多寡。控制系统优选地具有一已预先程序化的微处理器，因此该系统能够自动地运转。由于配置一分离的发电机使在一过度长时间的低风量或是无风情况的那些时日产生能量，控制系统优选地让使用者能够决定何时使用压缩空气能量，以及何时使用发电机。

本发明所考虑的是可发展并安装该一包含直接使用站与能量储存站二者的整个系统。在该状况下，根据所欲使用的区域对系统的需求而定，优选地配置一预定数目的直接使用站以及一预定数目的能量储存站。如此使本系统适于定做并与不同尺寸的应用结合使用。在大型的应用中，例如，可安装大量的风车站并协同操作，并且分配直接使用与能量储存，提供所欲的结果。

C.混合站

图4显示一混合站。混合站大体上是一单一的风车站包含直接使用与能量储存站的特定的组件，根据系统的需求，利用一机械功率划分机构容许将风功率分配为供直接使用的功率与供储存的能量。

如同上述讨论的二站，一传统式风车塔优选地在其上建构一传统式水平轴风力涡轮发电机。风力涡轮发电机优选地包含一水平转动轴，其能够将机械功率直接传送至转换器。

如同能量储存站，混合站被设计成能够在风车塔的底座上将风能收回。如图4中概略地显示，风力涡轮发电机具有一转动的传动轴，该轴是与位于风车的吊舱中的一第一齿轮箱连接，其中轴的水平的转动可传输至一自塔向下延伸的一垂直轴。在塔的底座处，优选地设计有一第二齿轮箱用以将垂直轴的转动传输至位于底座的另一水平轴。

在此处，如图4中所示，优选地配置一机械功率划分器。划分器(将于以下作更详细地说明)被设计为将下水平轴的机械转动功率划分，因此适当的风功率总量可传输至所欲的位于下游处的转换器，亦即，其可加以调整将功率送至发电机供直接使用，及/或一压缩机供能量储存。

在机械划分器的下游处，一方面，混合站优选地具有一机械连接装置与发电机连接，另一方面，具有一机械连接装置与压缩机连接。当机械划分器被完全地切换至发电机时，得自下水平轴的机械的转动功率被经由齿轮轴直接地传送至发电机。如此使发电机能够有效率地并直接地将机械功率转换成电能，并将电力传送至使用者以供直接使用。

另一方面，当机械划分器被完全地切换至压缩机时，得自于下水平轴的机械的转动功率被直接地传输至压缩机，使压缩空气能量能够储存在一高压储存槽中。混合站的此部份优选地大体上与能量储存站的组件相同，在由混合站所产生的机械功率的范围内是意欲直接地转换成压缩空气能量，以及储存在高压槽中，其中可在适当时间经由一或更多的涡轮增压膨胀器释放能量。如同先前的具体实施例，高压储存槽优选地配置在极接近风车站的位置，因此压缩空气能量能够有效率地储存在槽中供后续使用。

在混合站的一形式中，针对一特定的区域使用仅有一座单一的风车站。假若能量是提供一单一家庭或是小型农场使用，则如此是适合的。在该状况下，一单一高压储存槽优选地与压缩机连接，并用于以能量储存方式储存能量。

另一方面，如所说明，混合站同时能够与一大型风车农场的应用结合，并连同供直接使用以及同时供能量储存的其它站一同安装。在该状况下，在每一混合站上的压缩机可与中央配置的储存槽连接，致使多站能够将压缩空气馈入至一单一槽中。事实上，如同该状况，设计该系统使得混合站与能量储存站二者能够将压缩空气能量馈入至一储存槽，或是多个储存槽中。

在图3中所示的储存槽组件的细节被优选地并入在混合站中。例如，上述三类型的加热系统中的任一或更多的系统可用以将储存槽中的空气加热，提供其加热的优点。储存槽同时能够结合热交换器用于配送槽中的热量，亦即，经由薄壁管子运送通过槽的内部。可提供附加的丙烷燃烧器。

机械功率划分器，其被设计用以将机械功率划分成供直接使用以及供能量储存所用，优选地包含多个齿轮与离合器，因此机械能量可直接地传送至转换器并被完全地划分，抑或是因此其二者同时地操作。

在优选的具体实施例中，机械划分器包含一大的齿轮，其附装至自站的底部延伸的下水平传动轴，与附加的传动齿轮结合，能够与大齿轮啮合。第一离合器优选地控制传动齿轮，并使其能够由与大齿轮啮合的第一位置移动至使传动齿轮不与大齿轮啮合的第二位置。此方式，根据所要求的分配将机械功率从下传动轴配送至二类型的转换器，通过操作第一离合器，可配置适当数目的传动齿轮与大齿轮啮合。

例如，在一具体实施例中，可具有一大的齿轮以及五个附加的传动齿轮，而该系统考虑的是能够使用第一离合器使大的齿轮在任一时间与该传动齿轮中的一、二、三、四或五个齿轮啮合。以此方式，第一离合器能够控制待引动的传动齿轮的多寡，并因此通过下水平传动轴传动，决定机械功率传送至系统的适当的能量转换组件的比例。亦即，假若所有五个传动齿轮与该大齿轮啮合，则该五个传动齿轮中的每一齿轮能够将整个机械功率的五分之一或是20％传送至能量转换器。同时，假若该附加的传动齿轮中仅有三个齿轮与大齿轮啮合时，则通过风车所产生的机械功率的三分之一或33.33％将传送至能量转换器。假若二个传动齿轮与大齿轮啮合时，该每一齿轮将传送传输功率的二分之一。

本发明的机械划分器同时考虑配置第二离合器，使该每一附加的传动齿轮在下游位置连接至发电机(其产生能量供直接使用)，或是空气压缩机(其产生压缩空气能量供能量储存)。通过调整第二离合器，因而，由大齿轮传送至任一附加的传动齿轮的机械功率可被引导至发电机或是压缩机。

如此使由风车站所供应的机械功率的总量在一可调整的基础上，分布并配送供直接使用及能量储存。亦即，功率配送至每一类型的能量转换器的总量根据这些附加的传动齿轮与大齿轮啮合的多寡而达成，而每一啮合的传动齿轮被连接至能量转换器，例如，那些与发电机连接者将产生能量供直接使用，而那些与压缩机连接者将产生能量供储存。

根据以上所述，其可通过调整本机械功率划分机构的离合器与齿轮而达成，能量用于直接使用以及能量储存的范围是可加以调整及配送。例如，假若期望机械功率的40％分配为供直接使用的能量，而机械功率的60％分配为供储存的能量，则使用第一离合器使所有的该五个附加的传动齿轮与大齿轮啮合，同时，可使用第二离合器致使该五个啮合的传动齿轮中的其中二个齿轮(每一齿轮提供20％的功率，或是总共提供40％)与发电机连接，而该五个啮合的传动齿轮中的其中三个齿轮(每一齿轮提供20％的功率，或是总共提供60％)与压缩机连接。以此方式，机械划分器能够分别地以40/60的预定比率划分及配送机械功率供直接使用与能量储存。

在另一实施例中，使用相同的系统，假若需要将三分之一的机械功率分配供直接使用以及将三分之二的机械功率供能量储存，则使用第一离合器致使仅三个该附加的传动齿轮与大齿轮啮合，以及使用第二离合器致使其中之一啮合的传动齿轮与发电机连接，而另外二个啮合的传动齿轮与压缩机连接。以此方式，由风力涡轮发电机所供应的机械功率能够以三分之一对三分之二的比例分配，亦即，该能量分别供直接使用及能量储存。

本系统考虑可配置任一数目的附加的传动齿轮，变化机械功率的划分范围。然而，所考虑的是具有五个附加的传动齿轮可能提供足够的灵活性，使混合站能够在大多数的场合作业。利用五个附加的传动齿轮，能够提供以下的比例：50/50、33.33/66.66、66.66/33.33、20/80、40/60、60/40、80/20、100/0以及0/100。

通过使用位于机械功率划分器上的离合器，该混合站能够在一年中的不同的时刻受到调整，供应不同比例的功率供直接使用以及供能量储存。如所说明，根据功率的需求与风力的可用性历史信息，所考虑的是需要不同的比率提供足够量的功率至使用者，不论不可靠的以及不可预料的风的形态，特别是在对于能量需求在连续及不中断的基础上需要前后一致的场合。

再者，当混合站与一大型的风车农场结合使用时，机械划分器能够完全地将机械功率在直接使用与能量储存之间转换，亦即，根据系统的需求而定，其能够设定提供100％能量供直接使用，或是100％能量供储存。此可通过使用第一离合器，仅有其中的一附加的传动齿轮与大齿轮啮合，以及使用第二离合器使传动齿轮与适当的转换器连接而达成。如所说明，如此在成本与能量效率的基础上设计并安装本系统。

D.三类型站的协调

以下的说明是有关于优选地所采取的步骤，用以决定针对特定的应用如何以最佳的方式协调上述类型的风车站，包括决定一特定位置是否更为适于安装并操作本系统。该一决定一般包含成本对效益的分析，以及能源效率研究，考虑在任一特定时间与位置风力的可用性，亦即，涵盖一整年，以及在该位置对本系统的需求。

第5及6图中所示是一般所谓针对假定位置的风力矩形图(windhistograms)。该图表代表在一实际位置所可能发生的风力历史信息的假定实例，作为显示本系统能够协调并应用在不同的环境的一种工具。在此特定的实例中，尽管通常必需考虑四季，但仅提供二图表(用于四季中的二季)供示范的用。在此实例中，该二季节代表所讨论的该假定年份中的二极端状况。在一实际的研究中，通常考虑针对所有四季或是一年中所有期间的图表。

一般而言，该图表显示在任一特定日子期间风力达到特定速度的次数(每间隔三分钟量测)，涵盖持续三个月的时间，亦即，整个季节。风力的历史信息设计使能够进行由年度的一季变换至另一季、在任一特定日子期间在任一特定位置可使用的平均总风量的研究。

例如，图5是期望表示在”多风”季节期间风速出现的平均次数，以及图6期望表示在”较少风”季节期间在相同的位置风速出现的平均次数。在任一状况下，期望制作多个图表供任一特定位置的研究所用，亦即，针对每季或是研究期间的每日的图表，有助于显示出风速出现的平均次数，在年度的不同时间期间在任一特定日子所可能出现的次数。如所说明，此信息是有用的，有助于根据研究所提出的最佳与最恶劣的状况针对整个年度规划出一解决方案。

图5显示在多风季节于一24小时的期间针对任一特定风速量测发生的尖峰次数约为52次，所发生的风速达到约为9.144m/s(30呎/秒)。不同地，在多风季节的一平均日子期间，风的吹拂速度约为9.144m/s(30呎/秒)，较任一其它的吹拂速度为频繁地出现，亦即，评估时间约为二个半小时(出现次数52乘上3分钟的时间间隔等于156分钟)。另一观察方式是在一日当中的480次测量中平均约52次是以约为9.144m/s(30呎/秒)的平均风速吹拂。

在图5中同时显示在多风季节期间，平均约出现23次风速低于3.0418m/s(10呎/秒)，意谓着低于该速度持续约所估算的一小时又十分钟(亦即，出现23次乘上3分钟的时间间隔等于69分钟)。同样地，图表显示平均约出现8次风速高于22.86m/s(75呎/秒)，意谓着高于该速度持续约所估算的24分钟(亦即，出现8次乘上3分钟的时间间隔等于24分钟)。

此方法根据所选择的风力涡轮发电机的类型而定，该图表能够预测风力涡轮发电机在平均的日子可操作并发挥功能产生能量的总共时间。例如，假若由于效率与安全的缘故，假设所选定的风力涡轮发电机被设计成仅在风速介于3.048m/s(10呎/秒)与22.86m/s(75呎/秒)的间时操作，则能够预测在多风季节的任一特定日子该风力涡轮发电机仅平均约一个半小时不操作(亦即，69分钟加上24分钟等于93分钟)，平均约可操作二十二个半小时。

在上述的二十二个半小时期间风力涡轮发电机能够操作产生功率的范围，是根据在一日当中任一特定时间的风速而定。一般而言，由风力涡轮发电机所产生的风功率被假设由以下的方程式而得：

           P＝C₁*0.5*Rho*A*U³

其中

C₁＝常数(其通过将所计算的功率与风力涡轮面积及风速性能相配而得)

Rho＝空气密度

A＝由风力涡轮发电机转子所扫掠的面积

U＝风速

此意味着由风力所产生的风功率总量与风速的立方成比例。因此，在风力涡轮发电机于风速在3.048m/s(10呎/秒)与22.86m/s(75呎/秒)之间的范围内完全地操作的状况下，在一日当中能够产生的风功率的总量是介于该风速范围间的总风速的一直接函数。

另一方面，设计不同的风力涡轮发电机因此在特定的高风速范围风功率输出被维持为一常数。此可因风车叶片在高于一特定的最大速度下变为周期变距(feathered)所造成。例如，特定的风力涡轮发电机可在一特定的速度范围内操作，亦即介于15.24与22.86m/s(50与75呎/秒)之间，不论在风速上的变化所产生的风功率被维持固定不变。在该状况下，由风车所产生的风功率依然维持与在该速度范围内的最低速度下，亦即在15.24m/s(50呎/秒)的速度下，所产生的风功率相等。因此，在上述的实例中，在风速介于15.24与22.86m/s(50与75呎/秒)之间的一段时间下，由风力涡轮发电机所产生的风功率的总量是等于当风速为15.24m/s(50呎/秒)时所产生的功率。再者，设计多个风力涡轮发电机因此当风速超过一最大极限时，诸如22.86m/s(75呎/秒)，则风力涡轮会完全地停止，防止因过高的风速造成损坏。因此，能够通过特定的风车所产生的能量的总量必需考虑该等因素。

图6显示在较少风季节在一24小时的期间针对任一特定风速量测量发生的尖峰次数约为40次，所发生的风速达到约为7.925m/s(26呎/秒)。不同地，在较少风季节期间，风力的吹拂速度约为7.925m/s(26呎/秒)，较任一其它的吹拂速度更为频繁地出现，亦即，评估的总共时间约等于二个小时(出现次数40乘上3分钟的时间间隔等于120分钟)。另一观察方式是在一日当中的480次测量中平均约40次是以约为7.925m/s(26呎/秒)的平均风速吹拂。

在图6中图表同时显示在一平均的日子中，平均约仅出现5次风速是低于10呎/秒，意谓着低于该速度持续约平均所估算的15分钟(亦即，出现5次乘上3分钟的时间间隔等于15分钟)。同样地，图表显示风速从未高于22.86m/s(75呎/秒)(亦即，出现0次乘上3分钟的时间间隔等于0分钟)。

在此状况下，使用上述相同的风力涡轮发电机，在较少风的季节的任一特定日子期间，所能预测的是风力涡轮发电机每日并非操作平均约15分钟，而是每日操作平均约为23小时又45分钟。如上所述，该图表可预测在一平均的日子当中风力涡轮发电机能够发生作用及操作产生能量的总时间，以及其所能产生能量的多寡。

人们一般能从图表中得出在图6中曲线与在图5中所示的曲线相较是较陡峭及较窄的但从头至尾较低。如此显示在较少风季节期间风速并非相当高，但针对此特定的处所与在多风季节期间相比较是更为能够预测且为固定不变的。再者，由于这些图表显示涵盖一段时间的平均值，所以需考虑的是涵盖所述及期间的实际发生次数能够有相当的变化。在此方面，应注意的是针对风速的风力矩形图典型地在统计上是以韦伯分配(Weibull distribution)加以说明。风力涡轮发电机的制造商已使用韦伯分配(Weibull Distribution)结合k＝2.0的”宽度参数”，尽管有处所其中宽度参数已高达k＝2.52。因此该二数值已针对此假定的技术功能评估而选定。同时，对于第5及6图的韦伯风力分配的特征在于形状系数(shape factor)分别为2.00及2.52，特征速度(characteristic velocity)分别为40及7.62m/s(25呎/秒)，以及最小速度(Minimum Velocity)分别为0.6096及1.8288m/s(2及6呎/秒)。

尽管期望了解在年度期间特定的平均风速实际上发生的频率，但是了解在任一特定的日子当中不同的风速何时发生同时是重要的，亦即平均地，因此其可与同时在任一特定的日子所发生的尖峰需求期间比较。在此方面，第7及8图显示在特定日子的特定小时平均发生的每日风力分布，针对其所追踪的特定季节，亦即，图7显示涵盖一假定的多风季节所作的测量的编辑的平均值，而图8显示涵盖一假定的较少风季节所作的测量的编辑的平均值。在一实际的分析中，如所说明，更为恰当的是每日测量，并针对每季或是一段期间中的每日产生个别的图表，并因而使用该信息针对整个年度发展一系统。

图7显示在多风月份期间尖峰风速平均约发生在上午六点半(6:30A.M.)，同时最小的风速典型地平均约发生在中午。如在风速数据图表中所见，风速典型地在早晨时刻开始发展，在约6:30 A.M.时达到尖峰值，接续地在约中午时几乎是不中断地急下降至最小的风速。风速因而典型地上升至约为12.192m/s(40呎/秒)的大约”稳定的”程度，其具有短暂的变动(紊流(turbulence))范围约介于7.62m/s(25呎/秒)与15.24m/s(50呎/秒)之间。此状况平均约持续7小时，亦即，约介于下午两点(2:00P.M.)与下午九点(9:00 P.M.)之间，接续地约在午夜时急下降至约为3.048m/s(10呎/秒)。尽管此曲线所示针对多风季节的平均值，但在该季节针对一单一日子的典型图表显示一相同的曲线。

另一方面，图8显示在较少风月份期间，尖峰风速平均约发生在中午，并且最小的风速平均约发生在午夜。在此状况下，早晨时刻典型地出现极度的紊流风速，每三分钟即出现显著的风速变化。同时，此风速数据图表显示风速稳定地上升直至约中午，当风速达到约为15.24m/s(50呎/秒)的尖峰值时的一明显的模式。另一方面，在下午与晚上时刻平均风速以一相对平顺及前后一致的方式下降，对于该日子的剩余时刻较少变化。关于此风速历史信息能够注意的一显著的特性是在较早的早晨时刻发生紊流的次数，而在该日子的其它时刻较不会发生紊流。再者，尽管此曲线所示是针对较少风季节的平均值，但针对一单一日子的典型图表显示一相同的曲线。

这些图表所示在一平均的日子的任一特定时间，风力的可用程度具有差异性，并且在季节间是不同的。在一实际的分析中，在每日的基础上得自于所有季节或是期间的信息需加以考虑。

所考虑的另一因素在于在一特定位置由本风能量产生与储存系统提供的能量需求。此是可通过测量在受系统服务的区域每单位时间所使用的总能量而达成，并将测量结果制成图表作为针对任一特定日子的平均值。此为图9中所表示的内容，图中显示在一假定位置处的能量需求曲线。

为此实例，并就简明的目的，在整个多风及较少风季节期间假设需求曲线为相同的，仅管在实际上，一段时间至另一段时间该曲线很可能是不同的。在此实例中，当在夏季可能使用空调装置以及在冬季可能使用加热器时，尖峰的能量需求期间是在一日的中间时刻。

第10及11图显示在任一特定期间的任一特定位置，风力的可用性与能量需求曲线的不同或相同性。

图10表示多风季节并结合一以图7的风速历史曲线(利用上述风功率公式乘上风速)以及图9的能量需求曲线为基础的风功率历史曲线。在此方面，风功率曲线与风速曲线在形状上是相同的，因为风功率与风速的立方成比例。在此状况下，假设一假定的常数及风力涡轮发电机面积尺寸等，并该二曲线大体上任意地部分重叠以显示该二曲线间的差异。在此实例中，尖峰需求的时刻以及最低的风力可用性时刻二者发生在一日的中间时刻，亦即，是约在中午。此显示在一日的中间时刻在能量供应与能量需求的间有极大的差异，在设计一可实行的风能量使用与储存系统时所必需考虑的。确实地，在一日的中间时刻，当需求最大时，风速实际上一贯地低于3.048m/s(10呎/秒)，其中完全无风功率可供直接使用或是储存所用。

图11表示较少风季节并结合一以图8的风速历史曲线(利用上述风功率公式乘上风速)以及图9的能量需求曲线为基础的风功率历史曲线。再者，在此方面，风功率曲线与风速曲线在形状上是相同的，因为风功率系与风速的立方成比例。在此状况下，假设一假定的常数及风力涡轮发电机面积尺寸等，并该二曲线大体上任意地部分重叠以显示该二曲线间的差异。然而，在此实例中，不同于前述的曲线，二曲线的形状是更为相似。尖峰需求的时刻，发生在一日的中间时刻，大体上是与尖峰的风力可用性时刻同时发生，同时发生在一日的中间时刻。此显示在年度的此时刻在供应与需求之间有可能更为平衡。另一方面，可以见到的是在此季节期间整个曲线同时是较小的，显示出在此期间风的可用性是显著地较低。

在第10及11图中所示的曲线帮助显示出供应与需求曲线间的差异，同时随着一季至另一季而大大地不同。如所说明，需要比较得自于不同的季节或期间的信息，为了发展一种能够在整年有效率地作业的系统需考虑最恶劣的状况。由于在每次季节变换时安装及移除风车并不实际，因此本发明考虑基于可存在任一特定位置的最恶劣的状况，选择有成本效益的及能源效益的一种解决之道，并针对整年的需要可使该解决之道协调一致并修改。

E.发展一定做系统的步骤

以下是设计一定做的系统优选地采用的步骤：

首先，优选地获得年度的所有的四个季节相关的每日信息。信息的收集可通过季节或是任何其它期间，诸如每月、每二个月、每六个月等加以划分，根据历史信息的可能变化而定。当历史信息并未高度地变化时，可以追踪更长的期间并且频率较不频繁，诸如六个月的期间。然而，当历史信息变化较大时，追踪较短的期间并且频率更为频繁，诸如每一个月。

在开始时，理想的是收集针对所论及的位置的每一季或一段时间的每一天的信息。例如，假若将年度划分成四季或是四段90天的期间，理想的是收集来自于所需要的位置相关于季节的每一天的信息，致使相关于位置的计算能够重复90次以获得针对该季节的所需信息。

最初，在所在位置针对每一所选定的季节或期间收集每日的风力历史信息是重要的。该方法优选地包含绘制一每日供应曲线，其中该曲线优选地显示在一天当中每隔0.05小时(三分钟)的平均的最低风速。针对每一天，优选地具有一24小时的平均最小风速历史信息图。如上所述，因而优选地将一统计的韦伯函数分配应用在平顺的风速发生次数上。如此增加在一日当中的任一特定时刻的最小风速以满足韦伯函数，并可针对所选定的期间产生”标准”的可用平均风力历史信息。该信息优选地描绘在与第7及8图中所示的相似的每日风力矩形图。得自于风力历史信息的信息因而通过利用可应用的风功率公式乘上风速信息而转换成风功率，其中风功率总量因而可针对每一日描绘成一曲线涵盖一段24小时的时间。

再者，优选地针对待提供服务的位置绘制使用者每日需求电力的历史信息。绘制需求的历史信息优选地考虑描绘一每日需求曲线所需的信息，其是优选地显示针对每日每隔0.05小时(三分钟)的间隔的平均尖峰电力需求。针对每一季节或是期间，产生一平均的每日需求历史信息，其优选地追踪在该日期间所服务区域所需的电力的总量(千瓦)。图9中的实例显示在平均日子的中间时刻，所具有的尖峰需求电力约为2,640千瓦。在该日子所需的能量的总量，因而可使用延伸涵盖一段24小时期间电力需求的历史信息曲线，例如，涵盖整个24小时期间的电力历史信息的数字约为33,000千瓦-小时(kW-Hr)。

再者，储存槽的体积系优选地加以评估，在之后作最终决定之前，针对特定的假设提供一基础。已证实该一方法在评估储存槽的尺寸上是有用的，该方法假设所需的容积约相当于针对该位置每日的需求能量的总量的10％。此可根据上述决定的曲线针对最高需求的季节或期间，或是最不协调的季节或期间而决定。在上述实例中，假若在最高需求的季节或期间的总每日需求能量，针对一特定日子为33,000千瓦-小时(kW-Hr)时，预期的所需储存槽容积是基于该10％的总量，约等于3,300千瓦-小时(kW-Hr)。利用此总量，以及在槽中4.220×10⁵Kg/m²(600psig)的一较佳压力，针对最初设计所能预估的是槽的容积约超过254.7m³(90,000立方呎)，在此实例中，能够由复合的直径3.048m/s(10呎)的槽所供应。

同时，该方法优选地尝试选择应使用的最有效率的风力涡轮发电机。此优选地通过考虑如上所述制造厂家相关的接通(cut-in)、不停的以及切断的风速的规格信息，以及风力涡轮发电机的整个电力输出容量，并将其与风力可用性的历史信息比较。在此方面，一因素是优选地考虑针对特定位置风力涡轮发电机与风力可用性的历史信息的密切配合的程度，亦即，平均风速与在所论及中的风力涡轮发电机的功能上的速度范围的密切配合程度。

例如，假若平均风速是一贯地高于10.668m/s(35呎/秒)，则无法有效地选定一风力涡轮发电机在低于10.668m/s(35呎/秒)的风速下最有效率地运转，并且在10.668m/s(35呎/秒)与22.86m/s(75呎/秒)的间具有一固定的电力输出范围。当风速超过10.668m/s(35呎/秒)时，该一风力涡轮发电机无法在电力上产生成比例的增加量。同样地，假若风速是一贯地低于6.096m/s(20呎/秒)时，付出更多的金钱安装一风力涡轮发电机能够在超出15.24m/s(50呎/秒)的风速下更为有效地产生电力是不明智的。

为选择正确的风力涡轮发电机，该方法考虑比较不同类型的风力涡轮发电机以及其的性能规格，并因而根据风力历史信息做出决定供该特定位置研究所用。尽管本方法并未排除不同类型的风力涡轮发电机针对不同的季节安装在一单一应用中的可能性(因此一类型的风力涡轮发电机能够在一季节当中操作，而另一类型的风力涡轮发电机能够在另一季节当中操作)，为了显示本系统如何优选地协调一致并安装，假设针对整个系统仅安装有一类型的风力涡轮发电机。

再者，该方法所考虑的是为了决定所需的能量的总量比较并分析针对每一季节或期间的每日风功率可用性与能量需求的历史信息，以及在任一特定时间必需安装多少的每一类型的风车以满足最恶劣的状况。就一开始的观点而言，值得注意的是在上述的实例中在能量供应与需求间的最恶劣的不协调状况是在多风季节，而不在较少风的季节。另一方面，就不协调的观点而言最佳的状况是较少风的季节，亦即，供应与需求的历史信息曲线的波形有优选的关联性。因此，在发展系统时，较大的焦点是可放在最不协调的季节，因为最恶劣的状况可能控制针对整个系统的设计。尽管应考虑其它的季节或期间，但是在分析其它的季节或期间之前，该分析优选地最初是聚焦在最恶劣的季节或期间。

初始的作业在于根据风功率可用性与能量需求曲线决定所有待安装的风车的截面积，因此可以决定需要安装的风车的总数。因而，同时能够决定应安装多少直接使用站以及多少能量储存站，亦即，基于相同的基准的一比例。

可用于决定安装风车的多寡的总截面积，亦即根据风车叶片的表面积，一般是可根据以下公式加以估算：面积＝X*P/(C*0.5*Rho*U³)，其中X是一系数考虑在一特定日子波形的不协调性，并有助于决定待安装的风车的最佳数目，P是为针对所论及期间的尖峰电力需求，C是0.5(针对一600kW的风力涡轮发电机)，“Rho”是1.218Kg/m³(0.076lb-mass/cu.ft).，以及U是15.24m/s(50呎/秒)。该公式同时假设1平方呎＝144平方时＝0.0929平方米，1马力(hp)＝550呎-磅/秒，1千瓦(kW)＝0.746马力(hp)，以及1小时＝3,600秒。

在上述实例中在多风季节期间包含一日子，针对X系数的开始值最初是可估算为3.0。选择开始的X系数起先是为主观的，必需根据供应与需求曲线呈现关联性的优与劣，以及在该位置可用的总风力而作成最初的估算，在作更为精确的决定实际的截面积之前可通过使用反复的过程而决定。此估算可基于以下的说明：

假若在最恶劣状况的供应与需求曲线之间具有近于完美的协调性，则开始的X系数应约为1.0至2.0。无论系数是较接近1.0或是较接近2.0，其可视曲线是否完美地协调或是接近完美的协调而定。同时可视在该位置风力实际上可用的多寡而定。亦即，即使曲线是完全地协调，假若风速是一贯地低，则必需安装的风车的数目必需增加以产生足够的风功率以符合需求，从而使其能够为一较高的X系数，亦即，接近2.0，必需用以计算截面积。挑选一系数较接近1.0大体上意谓着基于供应与需求曲线，相信若有任一能量储存站则本设计能够选择极少的，因为大部分，假若非所有的所需的电力，能够由直接使用站所产生。由于直接使用站就安装而言较不昂贵并且较能量储存站更具能量效益，所以如此是更具成本效益的。然而，在发展形成最终的解决之道之前，所作的分析仍必需考虑每一季节或期间的所有的日子，以及每日最恶劣的状况与针对该等季节或期间的平均值。

假若在最恶劣的状况的供应与需求曲线间的不协调是适度的，则开始的X系数应约为2.0至3.0。再者，该总量是否接近2.0或3.0是可根据多个系数而定，包括实际可用风力的多寡。另一方面，假若不协调状况是严重的，则开始的X系数应约为4.0。尽管在此时开始的X系数可能太大而使所设计的系统较无效率及成本效益，假若不协调状况是更加地严重，则开始的X系数应约高达6.0。因此，即使不协调状况是严重的，仍建议开始的X系数约不超过4.0，因此可使用设计该系统的更为精确的方法以完成所需的调整。

在此时应考虑一附加的因素是能量贡献，可通过太阳能以及其它的热源所提供。如上所述，其中之一的加热系统用以增加由储存所供应的总能量包含太阳能的收集，亦即加热在储存槽中的压缩空气。因此，基于对在季节或期间在一平均的日子的太阳能的可用程度的个别研究，另一可加以考虑的因素在于通过太阳能对于效率的贡献度，以及来自储存的能量的整体可用性。

例如，假若追踪太阳的可用性的太阳的历史图表显示出在多风季节期间，在一日的中间时刻具有足够的立即可用的太阳能，用以增加出自于储存槽的能量输出，所应用的X系数可适当地减小。亦即，即使能量供应与需求曲线在该时刻并非极相关联，假若在相同的期间具有足够可用的太阳能，亦即，该处仅最少的风可用，或是至少当供应与需求曲线间的差异为最大时，该之间的比较应加以考虑。

基于这些附加的因素，选择3.0作为开始的X系数是考虑在一日的中间时刻存在足够的太阳能，补偿在同时间所发生的最大的不协调。亦即，在此实例中最恶劣状况是在多风季节，以及风功率的可用性与能量需求曲线最大的不协调发生在一日的中间时刻，首先考虑的是开始的X系数应更为接近4.0，但在一日的中间时刻同时可能有供应最大的太阳能，所以主观上决定开始的X系数可降至约为3.0。亦即，基于上述的原因，针对在关联性差的位置的系数4.0可降至约为3.0，由于在风力可用性的最恶劣状况期间，很可能是太阳能可用性的最佳状况期间。

根据上述公式，开始的X系数为3.0，针对所论及期间的能量需求(P)为2,640kW，供该系统所需的总截面积(Area)开始时能够估算约为4908m²(52,830平方呎)。利用此数字，以及所安装的风力涡轮发电机的制造规格，因而能够估算在连续及不中断的基础上，即使在最恶劣状况的日子与季节期间供应能量所需的风车总数目的多寡。亦即，一经决定总截面积以显示需产生以符合需求的总风功率，则总量可通过每一选定的风力涡轮发电机的单位能量加以划分，用以决定针对整个系统应安装风力涡轮发电机的大约数目。例如，假若假设每一风力涡轮发电机的截面积是稍约大于46.45m²(500平方呎)，该系统设计开始时假设需要约总数100台的风力涡轮发电机供应针对整个系统所需的风功率。

所需安装的风车站的总数一经估算，则下一步骤在于决定多少数目为直接使用站，而多少数目为能量储存站。在此方面，该方法优选地考虑得自于能量储存的能量与产生供直接使用的能量相较典型地少于40％的有效性。因此，决定供直接使用的能量与供储存的能量间的任一比例应考虑由储存所产生的能量在与产生供直接使用的能量相较时是较不具效率性。

在此方面，本发明优选地基于能量储存站在产生电力上是比直接使用站效率较低的事实而作另一假设。亦即，本发明所考虑的是在大多的状况下，令人满意的是具有直接使用站多于能量储存站，因此能量来自直接使用站较来自能量储存站有更大的可靠性。在上述的实例中，该比例是可用的风车站的65％是为产生供直接使用的能量而约35％的可用风车站是为产生供储存的能量。成比例地降低能量储存站的数目，使风功率转换更为有效率。然而，本发明同时考虑根据需求的历史信息与系统的需要而定，使用除了65％供直接使用以及35％供储存的外的百分比。

在上述的实例中，基于65％供直接使用以及35％供能量储存的比例，针对总数为100的风车站的所估算的需要，针对每一类型的风车站的数目的初始评估为65座直接使用站，以及35座能量储存站。

然而，因为X系数是仅为初始的估算，所以此仅是开始反复的处理。该反复的处理优选地考虑针对每一季或是期间的每一日的信息，并使用该信息调整X系数，如有需要以及其它的系数。该调整优选地基于待安装的总风车数量的初始估算，以及在最恶劣状况的日、季或期间实际上满足抑或是无法满足针对该位置的能量需求。假若估算实际上满足最恶劣的状况，则X系数并不必需加以调整，并且待安装的风车总数可维持不变。另一方面，假若计算显示风车总数的初始决定无法满足最恶劣状况的日、季或期间，如以下所说明，则根据多个效率因素可向上或向下调整X系数。

为完成适当地调整X系数，并决定待安装的风车站的最理想数目，使系统在整个季节期间有效率地运转，下列的因素优选地加以考虑：

除了初始估算待安装的风车站总数外，针对决定待安装的直接使用站的数目与待安装的能量储存站的数目间的最佳比例的最初开始点应加以计算。在此方面，在优选的具体实施例中，开始反复处理的开始比例为65％的直接使用站以及35％的能量储存站，如上所述，意谓着初始决定需有总数为100座的风车，像是需要65座直接使用站以及35座能量储存站。

根据针对每一类型的风车总数的初始评估，接着需要通过使用这些图式持续反复的步骤，估算由该一系统所能够产生的总供应能量，并与针对每日的能量需求的历史信息的总量作比较。亦即，根据所评估的65座直接使用站与35座能量储存站，以及了解由每一风车所能够供应的能量的多寡，人们因而能够根据实际的可用风力状况估算在任一特定时间可使用的风功率的总量。亦即，产生与图7及图8中所示的曲线相似的曲线，其是针对任一特定日子追踪风力可用性的历史信息，用以显示在一日中任一特定时刻该一系统可用的风功率的多寡。依次，此信息可用于决定由该一系统所能产生的电力的多寡，包括在任一特定时刻由直接使用站所能够产生的电力的多寡，以及由能量储存站所能够产生的电力的多寡。因而可制备显示在任一特定日子的任一特定时刻可用电力的多寡的曲线。

再者，显示在任一特定时刻通过系统的初始设计所能产生的实际电力多寡的曲线，因而能够与针对相同日子的需求历史信息比较并作分析。如此，相关于对直接使用站与能量储存站的比例的了解，有助于决定总能量中供直接使用的多寡以及供储存的多寡，以及所储存的能量必需用于补偿在直接使用供应中所不足的量的多寡。亦即，针对任一特定时间间隔，在优选的具体实施例中是每隔三分钟，能够决定由直接使用站所产生的电力范围是否足以符合系统的电力需求，假若不充足，决定需由储存的能量供应以补偿由直接使用站所供应的电力不足量的多寡。如此是有助于决定并绘制一曲线其中显示在任一特定时刻添加入储存站的能量多寡减去由于使用所减少的能量的多寡的增量，高于并超过由直接使用站所提供的能量。

图12中显示一假定的曲线，其有效地显示在储存槽中所储存的备用能量的总量。基于一约为3.0的开始的X系数此特别的曲线绘制在一日的任一特定时刻在储存站中可用的能量的总量。在此特别的状况下，所能见到的是该设计显现相对地接近最佳设计所包含的内容，但是稍微低于设计值，因为在约1500小时处曲线降至低于零。亦即，在此特定的日子期间，当在假定槽中供应的压缩空气用完时，可见到的是直至约1500小时该曲线保持在正值。尽管快速地恢复总量，亦即约1800小时，但仍有约三小时的期间无能量可用。

在另一方面，图13显示在图12中的曲线如何能够针对约为3.3的总X系数向上调整约10％，亦即通过以1.1乘上X系数。在此图式中可见该曲线绝不致低于零，亦即显示储存的总量不致用尽。同时显示该曲线的走势趋近于零，表示该系统是为有效的是在储存槽中几乎所有的压缩空气在短时间间隔内被使用。同时，其它的调整，诸如增加储存槽尺寸，以及其它所说明的事项能够防止在该段期间图表上的曲线不致走向负值。

使此曲线相对地接近所要求的值的另一因素，事实上在此24小时期间的开始与结束时在储存槽中的总能量大体上是相同的。亦即，在0小时，在储存槽中的总能量是约为2,200千瓦-小时，而在2400小时，是为相同日子的结束时，在将能量添加至储存槽中以及自槽中取出之后，储存槽中的总能量约为2,200千瓦-小时。此意味着假若在季节或一段期间相同或是类似的供应与需求曲线再三地存在，则我们可预期在整个季节或是一段期间，在能量进出的间的增量大体上是相同。

如此显示针对最恶劣不协调的季节所作的最佳设计可基于约为3.3的X系数，或是较原始所评估的截面积多10％，如图13中所示。因此，已知的安装风车的总估算数目为100，其中65座是直接使用站以及35座是能量储存站，能够见到的是针对此应用的一最佳设计，基于上述的调整信息，其可为风车总数是110，其中包括71座直接使用站以及39座能量储存站。

第14及15图显示在将X系数调整至更高时的曲线。图14显示X系数增加20％至约3.6，以及图15显示X系数增加30％至约3.9。这些实例显示X系数的增加，其意味着截面积增加，因此，增加安装风车的总数，将曲线升高至一点在该处在储存槽中的总能量随着日子进行而越来越高。我们可见针对此特定的日子，能量进入的增量超过能量的输出，因而，这些设计对于该段期间是不足的，因为假若相同的状况存在涵盖于该时刻，则槽中的总能量是稳定地增加并因而必需排放。

调整系统说明曲线走向负值的其它的方法同时涵盖在本发明的考虑之中。例如，可增加丙烷燃烧器的容量，供应涵盖整个24小时的补充的低水平电力，因此在任一特定时刻能够提供较大的补充能量的总量。

可将其它的热源制成为更具效力或是效率高的，使附加的所增加的电力以附加的储存的热能形式储存于槽中。在此方面，另一考虑在于考虑相关于通过所要求使用的加热系统所能达成的相对贡献度。亦即，不仅应考虑太阳能收集器，同时应考虑其它加热机构的影响，包括使用来自压缩机的废弃热量，以及由分离的加热器所提供的能量，诸如化石燃料燃烧器。

在第16及17图中，其针对多风的季节所显示的是在储存槽的内部可用的预备的总能量。所比较的是具有太阳能加热器的系统对不具太阳能加热器的系统(二者具有辅助燃烧器)。

在图16中，例如，当使用一适当尺寸的槽，连同一太阳能加热器与一辅助的化石燃料燃烧器时，通过曲线显示在储存槽中能量的可用性。该曲线一般是显示在槽中能量的供应在一平均日子的整个过程中绝不致用尽。同时具体地显示以下所述：从午夜至约上午2点，能量被缓慢地用尽(以向下的曲线表示)；从约上午2点至约上午7点半，将能量供应进入槽中(以向上的曲线表示)；从约上午4点至约中午12点，用于储存的所产生的能量超过槽的最大容量(以平直的曲线表示)，其中超出的能量必需排出；从约中午12点至约下午4点，使用的能量大体上超过供应量(以陡峭的向下曲线表示)；从约下午4点至约下午6点，储存能量的水平在能量使用与供应间变动；从约下午6点至约晚上9点，能量恢复进入槽中(以急剧的向上曲线表示)；以及从约晚上9点至午夜，能量被缓慢地使用。

与图16相较，图17显示当无太阳能加热器使用，但使用一辅助的化石燃料燃烧器时在储存槽中能量的可用性。该曲线显示在下午较晚及晚上时刻期间储存槽中能量显著地用尽，导致系统故障，亦即，无法持续地提供能量。亦即，储存在槽中的能量会用尽，亦即，能量需求会超过由直接使用站与能量储存槽所提供的能量。特别地，该曲线显示由诸如一丙烷燃烧器的分离的能量供应装置所提供的显著的总补充的能量，必需用以补偿所储存的能量的损失。同时可使用辅助的发电机系统。此显示针对结合太阳能加热器与辅助的化石燃料燃烧器的需求提供所需的热量至槽中，使系统能够持续地运转，及/或针对辅助发电机系统的需求。

此分析因而进一步地考虑一单一日子其可为最恶劣状况的其中的一日子，亦即，在最恶劣状况季节期间。然而，该反复的处理过程并未完成直至重复针对每一季节或期间中的每一日所说明的相同的分析为止。亦即，由于风力可用性及能量需求的历史信息在年度的不同时刻，以及随着每日是倾向于不同的，需要重复上述方法针对该设计提出一近似方法，其中针对储存槽的能量供应曲线走势决不致在整年度期间的任一日子低于零。亦即，即使该计算初始是针对最恶劣状况的日子所进行的，但通常需要针对年度的每一日子运算该相同的分析，因此可观察并考虑该日复一日重复的供应与需求曲线的聚集的效果。

在此方面，在任一分析中可见到的是供应与需求曲线变化的范围将根据涵盖该段期间储存槽中能量添加与取用的多寡而定。亦即，如上所述，由于供应与需求曲线实际上显示沿着从不结束的连续趋势延伸，需要考虑每日的供应与需求曲线的蓄积的效果，利用涵盖于整个年度期间所添加及取用的能量，决定是否必需进一步地调整以确保储存槽中能量决不致用尽。例如，如此能够包括对X系数与风力截面积(安装的风车的总数)、储存槽的尺寸、太阳能收集器的尺寸、直接使用与能量储存站间的比例、丙烷燃烧器的尺寸、化石燃料加热器的尺寸、风力涡轮发电机的容量与规格等作进一步的调整。

该所必需完成的调整同时应考虑的是，需以由增加及减少系统供应入储存槽中的能量的观点所作的变化。亦即，由于在整个年度的不同时刻期间介于一日至另一日之间，在供应与需求曲线上可能有变动，所以在一段期间需将更多的能量添加入储存槽中，同时在另一段期间在储存槽中产生的能量太多，需要减少供应能量至储存槽。本发明优选地考虑针对任一状况作调整。

此信息同时能够有用地对系统作附加的调整，以考虑因有关于最恶劣状况所设计的系统所导致的无效率。亦即，通过针对最恶劣状况所设计，该系统在年度的剩余期间可能造成过度设计，包括最佳状况的季节或一段期间，与最恶劣状况的季节或一段期间相较在年度期间能够持续发生一段成比例地较长的时刻。在其它的有较佳协调性的季节或是一段期间，假若使用已针对恶劣状况所设计的相同的系统，则可能造成系统产生过多能量未加以使用，因此，必需排放或是储存在电池中。

例如，由直接使用站所提供的能量超过能量需求的任一时刻，能量会受到浪费。在一些状况下安装电池，或是考虑关掉适当数目的风车站是有利的。同样地，每当由能量储存站所产生的电力超过储存槽的最大储存容量，必需使用一排放装置将过多的空气自槽中释放。可交替地，在这些时刻可关掉适当数目的能量储存站。

由于这些的无效率，本发明优选地设计结合特定数目的混合站，如以下的说明，其可使用以进一步地调整直接使用与能量储存站的比例。

F.协调使用混合站

本发明考虑使用一预定数目的混合站，使能够更为有效率设计系统并使用。如上所说明，混合站能够在产生供直接使用的能量与供储存的能量间转换，并同时作能量分配。该混合站是有利的，由于其能够用以补偿极度的状况，亦即，仅在一年中的一些月份发生最恶劣的状况，在这些月份之后整个系统需加以设计。在年度的其余期间，风力可用性与能量需求曲线可依循更具相关联性的型态，在该状况下在这些时刻需调整整个系统，并需能够在整个年度期间在更具成本效益及节省能量的基础上运转。

在上述实例中，基于在多风季节期间风力供应与能量需求曲线，决定适当地安装71座直接使用站与39座能量储存站。另一方面，在较少风的季节期间，该曲线是极具关联性，可作下列的计算：根据极具相关联性的供应与需求曲线，上述的方法能够决定开始的X系数更为趋近2.2。因此，假若假设在较少风季节期间能量需求是相同的，尖峰的能量需求系约为2,640千瓦，在较少风季节期间需为可用的总估算的风车数目是约为在多风季节所需的数目的三分的一，亦即，总数约为73座风车，其中48座为直接使用站以及25座为能量储存站。

明确地，在较少风季节期间，并非所有的风车站必需运转以符合能量的需求。事实上，假若安装有足够的直接使用站，则在较少风季节期间仅需较少或是不需运转任一能量储存站。亦即，假若基于最恶劣状况季节直接使用站的数目为71座，则在较少风季节期间在一连续并且不中断的基础上该等71座直接使用站可提供足够的能量，以致仅需极少或是不需来自储存的能量。由于直接使用站更为有效率，此可为在较少风季节期间的更为令人满意的配置。

再者，即使这些71座直接使用站不足以供应所需的电力至不具任一能量储存站的区域，初使时能够安装一些能量储存站作为混合站，因此在较少风季节期间，该混合站能够转换成直接使用站用以提供所需的能量。例如，假若基于供应与需求曲线是如何地具相关联性，以及在较少风季节期间需求的多寡，决定总数为77座的直接使用站能够在一连续并且不中断的基础上提供需要的电力，该系统初始时设计成总数为110座风车站中具有71座直接使用站，33座能量供应站，以及6座混合站。此方式，在多风季节期间，该混合站可运转作为能量储存站用以达成如上所述的71座直接使用站以及39座能量储存站的比例，同时在较少风季节期间，该混合站可运转作为直接使用站用以达成77座直接使用站以及33座能量储存站的比例。在该状况下，大多数而假若非所有的能量储存站在较少风季节一点都不需运转，亦即，其可关掉，因为大部分，假若非所有的能量，可由直接使用站所提供。然而，一些能量储存站应维持运转以考虑可能发生无法预料的风力下降或是尖峰需求的情况。

在此方面，另一能够使用混合站的情况是在执行上述重复处理之后，随着一季至下一季的不同而决定直接使用与能量储存站之间的最理想比例。再者，由于直接使用站在安装上较为价廉并且在运转上更具成本效益，诸如在供应与需求曲线是极具相关联性的情况下，与能量储存站相比较其能够依靠由直接使用站得到较大百分比的总能量供应。

例如，假设针对一季决定最理想比例的情况其的直接使用与能量储存间是为50-50，亦即，50座直接使用站以及50座能量储存站，同时于另一季节期间，最理想的比例是为30％的直接使用以及70％的能量储存，亦即，30座直接使用站以及70座能量储存站。在该状况下，不具有任一混合站，则系统可能必需基于最恶劣状况而过度设计，亦即，系统或许必需设计具有120座风车站，包括50座直接使用站(在夏季期间用以涵盖50-50比例)，以及70座能量储存站(在冬季期间用以涵盖30-70比例)。此意味着针对此应用设计该系统，可能必需安装120座风车站，即使在任一特定时间仅需100座或较少的风车站。

另一方面，通过使用多个混合站，能够将必需安装的风车站的数目减至最少。在上述的实例中，该系统能够设计具有总数为100座的风车站而非120座，亦即，通过安装30座直接使用站，50座能量储存站以及20座混合站。此方式，在任一特定季节期间，已安装的风车站总数不会超过在任一特定时刻需要运转的风车站的总数。

例如，为在夏季期间供应电力，20座混合站能够转换成直接使用站，因此是有效率地，具有50座直接使用站，包括30座实际的直接使用站以及20座混合站(转换成直接使用)，以及50座能量储存站。同样地，在冬季期间，该20座混合站转换成能量储存站，因此是有效率地，具有70座能量储存站，包括50座实际的能量储存站以及20座混合站(转换成能量储存站)，以及30座直接使用站。以此方式使用混合站使系统设计与使用更具效率。

在任一状况下，本发明考虑将该系统构形通过考虑在任一特定时刻风力何时可用以及可用风力的多寡，以及在任一特定时刻何时需求能量以及需求的能量的多寡使能够由风力能量所产生的总能量增加至最大限度，因此该系统能够协调并有效率及可靠地运转，提供连续并且不中断的电力至远离电力输电网的位置。尽管往往预测风何时会吹拂及风力的多寡，以及需求期间的范围是困难的，但是本发明试图使用可靠的信息作为计算特定平均值的方法，亦即，与风力供应及能量需求有关，并且使用该等平均值作为产生事实上可适用在任一应用上的最理想系统的一种方法。

Claims (42)

1.一种风能产生和存储系统，其包括：

多个风车站，其位于一预定的区域，其中所述多个风车站被分成至少两种类型；

预定数目的第一风车站，其具有合适的并被专门用于将风能转化成为电能以直接使用的第一风力涡轮机和发电机；以及

预定数目的第二风车站，其具有合适的并被专门用于将由风力产生的能量存储于至少一个储存槽中的第二风力涡轮机，其中提供至少一个压缩机来将空气压入所述槽中，提供至少一个膨胀器来将压缩的空气从所述槽中释放，并提供第二发电机来将压缩空气能量转化成电能。

2.如权利要求1所述的系统，其中，提供至少一个加热装置来加热释放和膨胀的压缩空气。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一风车站的预定数目以及所述第二风车站的预定数目，是基于设置该风车站的区域的风力特征以及使用来自该系统的能量的区域的使用特征的。

4.如权利要求2所述的系统，其中该至少一个加热设备是由以下所构成的组中选取的：

a.由太阳能获得热量的装置；

b.由所述至少一个压缩机获得热量的装置或整体；

c.使用其自身能量源的加热装置

d.热交换器，其具有延伸穿过所述槽的管子，被加热的流体通过所述管子，以增加所述槽内空气的温度。

5.如权利要求1所述的系统，其中，冷冻或冷却装置被工作地连接到所述系统，以使得由所述压缩空气释放和膨胀所产生的冷的温度能够用于冷冻或冷却目的。

6.如权利要求1所述的系统，其进一步包括预定数目的混合站，其适于同时在提供能量以直接使用和提供能量以存储之间切换。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述混合站的每一个都包括：风力涡轮机，其用于产生机械功率；划分器，其用于划分由所述混合站产生的机械功率，其中所述划分器适于，在用于产生电力以直接使用的第一转换器(换能器)和用于产生压缩空气能量并存储进至少一个槽中的第二转换器之间，同时分配并调整机械功率的量。

8.一种产生及存储能量的方法，其包括：

提供预定数目的第一风车站，其每一都具有合适的并专用于将风能转化成为电能以直接使用的第一风力涡轮机和发电机；

提供预定数目的第二风车站，其具有合适的并专用于将由风力产生的能量存储于至少一个储存槽的第二风力涡轮机，其中提供至少一个压缩机来将空气压入所述槽中，提供至少一个膨胀器来将压缩的空气从所述槽中释放，并提供第二发电机来将压缩空气能量转化成电能；以及

提供预定数目的混合风车站，该混合风车站具有合适的并专用于将风能转化成为电能以直接使用，和/或将由风力产生的能量存储的第三风力涡轮机，其中所述混合风车站适于在提供能量以直接使用和提供能量以存储之间切换。

9.如权利要求8所述的方法，其中，基于设置风车站的区域的风力的历史记录以及使用来自站的能量的区域的需求特征，来确定所述第一、第二以及混合风车站的预定数目。

10.如权利要求8所述的方法，其中，65％的风车站用于直接使用对35％的风车站用于能量存储，基于这样的比例，来确定所述第一、第二以及混合风车站的预定数目。

11.如权利要求9所述的方法，其中，考虑到的其他的设计考虑包括所述至少一个槽的尺寸、压缩机的容量、膨胀器的容量、待安装的风车站的总数、作用备份的能量供应装置的辅助燃烧器的可用性，以及将释放并膨胀的压缩空气加热的一个或多个加热装置的可用性。

12.如权利要求8所述的方法，其中，该设计考虑针对一特定位置的每日风力和能量需求的历史记录，该历史记录是针对年度的预定期间而获得的。

13.如权利要求12所述的方法，其中，基于最不相匹配的预定时期的每日历史信息，来确定要安装的所述第一和第二风车站的总数。

14.如权利要求13所述的方法，其中，使用反复的过程用以确定系统能够在不中断并连续的基础上，以具成本效益及能量效率的方式提供能量至特定位置。

15.如权利要求12所述的方法，其中，该年度的预定时期是季节。

16.一种用于产生和存储能量的风力农场，其包括：

多个风车站，其被配置在预定区域，其中所述多个风车站被划分成至少三种类型；

预定数目的第一风车站，其具有合适的并专用于将风能转化成为电能以直接使用的第一风力涡轮机和发电机；

预定数目的第二风车站，其具有合适的并专用于将由风力产生的能量存储于至少一个储存槽的第二风力涡轮机，其中所述至少一个储存槽已与至少一个压缩机相关联，以将空气压入所述至少一个槽中，提供至少一个膨胀器来将压缩的空气从所述至少一个槽中释放，并提供第二发电机来将压缩空气能转化成电能；以及

预定数目的混合风车站，该混合风车站具有合适的并专用于将风能转化成为电能以直接使用，和/或将由风力产生的能量存储的第三风力涡轮机，其中所述混合风车站的每一个都包括划分器以划分由所述第三风力涡轮机产生的机械功率，其中所述划分器适于在用于产生电力以直接使用的第一转换器和用于产生压缩空气能量并将其存储进至少一个槽中的第二转换器之间，同时分配并调整由第三风力涡轮机产生的机械功率的量。

17.如权利要求16所述的风力农场，其中，提供至少一个加热设备来加热释放和膨胀的压缩空气，并且其中所述至少一个加热设备是由以下所构成的组中选取的：

a.由太阳能获得热量的装置；

b.由所述至少一个压缩机获得热量的装置或整体；

c.使用其自身能量源的加热装置

d.热交换器，其具有延伸穿过所述槽的管子，被加热的流体通过所述管子，以增加所述槽内空气的温度。

18.如权利要求16所述的风力农场，其中，所述第一风车站的预定数目、所述第二风车站的预定数目以及所述混合风车站的预定数目，是基于设置该风车站的区域的风力特征以及使用来自该系统的能量的区域的使用特征的。

19.如权利要求16所述的风力农场，其中，冷冻装置被工作地连接到所述至少一个槽，以使得由所述压缩空气被释放和膨胀所产生的冷的温度能够用于冷冻或冷却目的。

20.一种风能产生和存储系统，其包括：

多个风车站，其位于预定区域，其中所述多个风车站被分成至少两种类型；

预定数目的第一风车站，其具有合适的并被专门用于将风能转化成为电能以直接使用的风力涡轮机和发电机；以及

预定数目的第二风车站，其具有合适的并被专门用于将由风力产生的能量存储于至少一个储存槽的风力涡轮机，其中提供至少一个压缩机来将空气压入所述槽中，提供至少一个膨胀器来将压缩的空气从所述槽中释放，并提供第二发电机来将压缩空气能转化成电能。

21.如权利要求20所述的系统，其中，该系统包括由下列所构成的组中选取的至少一个特征：

a.由太阳能获得热量的加热设备；

b.由所述至少一个压缩机获得热量的加热设备或整体；

c.使用其自身的能量源的加热设备；

d.热交换器，其具有延伸穿过所述槽的管子，被加热的流体通过所述管子，以增加所述槽内空气的温度；

e.至少一个加热设备，以将释放和膨胀的空气加热；

f.冷冻设备，以使由所述压缩空气被释放和膨胀所产生的冷的温度能够用于冷冻目的。

22.如权利要求20所述的系统，其中，所述第一风车站的预定数目以及所述第二风车站的预定数目，是基于设置该风车站的区域的风力特征以及使用来自该系统的能量的区域的使用特征的。

23.如权利要求20所述的系统，其中，所述第二风车站是被专门用于提供能量以存储的。

24.如权利要求23所述的系统，其中，所述系统进一步包括预定数目的混合站，其适于同时在提供能量以直接使用和提供能量以存储之间切换。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述混合站的每一个都具有合适的并被专用于将风能转化成为电能以直接使用，和/或将由风力产生的能量存储的第三风力涡轮机，其中每一所述混合站都包括划分器，其用于在用于产生电力以直接使用的第一转换器和用于将压缩空气能量产生进至少一个槽中的第二转换器之间，同时分配并调整由风力涡轮机产生的机械功率的量。

26.如权利要求20所述的系统，其中，所述第二风车站包括预定数目的混合风车站，其具有适于同时在提供能量以直接使用和提供能量以存储之间切换的风力涡轮机。

27.如权利要求26所述的系统，其中，所述混合风车站是合适的并被专用于将风能转化成为电能以直接使用，和/或将由风力产生的能量存储，其中所述混合风车站包括划分器，所述划分器用于在用于产生电力以直接使用的第一转换器和用于产生并存储压缩空气能量的第二转换器之间，同时分配和调整由所述风力涡轮机产生的机械功率的量。

28.一种操作具有用于提供能量给预定区域的多个风力涡轮机站的风力农场的方法，该方法包括：

a.获得针对该风力农场区域的在预定时间间隔期间的风力可用性的历史记录；

b.确定针对预定区域在所述预定时间间隔期间的能量需求的历史记录；

c.针对所述预定时间间隔，将该风力可用性历史记录与能量需求的历史记录作比较，并确定在年度的哪个时期或那些时期风力可用性的历史记录与能量需求的历史记录最不相匹配，以及在年度的哪个时期或那些时期风力可用性的历史记录与能量需求的历史记录最为匹配；

d.基于要使用的每一风力涡轮机的总的截面积，并考虑风力可用性和能量需求的历史记录以及在年度最不相匹配的一个或多个时期的比较结果，来确定要在所述风力农场上安装和/或使用的风力涡轮机的总数；

e.考虑风力可用性和能量需求的历史记录以及在年度最不相匹配的一个或多个时期的比较结果，确定在被专门用于提供能量以直接使用的风力涡轮机的总数和被用于提供能量以存储能量的风力涡轮机的总数之间的比例；

f.基于所述比例，并考虑风力可用性和能量需求的历史记录以及在最不相匹配的时期的比较结果，提供：

1)预定数目的风力涡轮机站，其被专门用于提供能量以直接使用；以及

2)预定数目的风力涡轮机站，其被用于提供能量以存储能量。

29.如权利要求28所述的方法，其中，该方法包括另外的步骤：利用所述比例并基于所述比例提供预定数目的混合风力涡轮机站，其被用于提供能量以直接使用和/或存储能量。

30.如权利要求28所述的方法，其中，所述预定时间间隔是24小时，并且其中所述年度的一个或多个时期包括多个预定的时间间隔，和/或包括年度的季节。

31.如权利要求28所述的方法，其中，该风力涡轮机的总数是基于下式决定的：截面积＝X*P/(C*0.5*Rho*U3)，其中X是考虑风力可用性和能量需求的历史记录的比较结果的系数，P是对特定的预定时间间隔的峰值能量需求，C是基于选择的风力涡轮机的尺寸的，“Rho”是1.218Kg/m³，而U是15.24m/s。

32.如权利要求31所述的方法，其中，该起始X系数是基于在预定的时间间隔在风力可用性和能量需求的历史记录中是否有明显的不相匹配，和/或考虑在预定的时间间隔其他能量源的可用性来确定的。

33.如权利要求32所述的方法，其中，所述比例被设置为65％直接使用而35％存储能量，并且基于风力可用性和能量需求的历史记录以及在年度的所述一个或多个时期的比较结果确定该X系数。

34.如权利要求29所述的方法，其中，对于任何年度的特定的一个或多个时期，确定所述直接使用、存储能量以及混合风车涡轮站的所述预定数目，使得在任何时间，计算存储的可用能量的量使得其不会被用完，其中确定所述预定数目考虑到：

a.确定在最不相匹配的一个或多个时期，基于将能量连续不间断地提供给预定区域而需要的、用于直接使用和存储能量的风力涡轮机的总数；

b.确定在最相匹配的一个或多个时期，基于将能量连续不间断地提供给预定区域所需要的、用于直接使用和存储能量的风力涡轮机的总数；

c.确定在最相匹配的时期和在最不相匹配的时期所需要的直接使用和存储能量的风力涡轮机的总数之间的差值；以及

d.基于该差值，提供适当数目的所述混合风力涡轮机站，其适于在提供能量以直接使用和提供能量以存储之间切换。

35.如权利要求29所述的方法，其中，在年度最相匹配的一个或多个时期，设立该系统，使得当预定数目的所述混合风力涡轮机站被切换至提供能量以直接使用时，提供到预定区域的能量专门由用于直接使用的风力涡轮机站和被切换到提供能量以直接使用的混合风力涡轮机站来提供。

36.如权利要求28所述的方法，其进一步包括考虑风力可用性和能量需求的历史记录以及在年度最相匹配的一个或多个时期的比较结果，来确定被用来提供能量以直接使用的风力涡轮机的总数和被用来提供能量以存储能量的风力涡轮机的总数之间的第二比例。

37.一种操作具有用于提供能量给预定区域的多个风力涡轮机站的风力农场的方法，该方法包括：

a.获得针对该风力农场的区域在预定时间间隔期间的风力可用性的历史记录，并将所述风力可用性的历史记录转化成针对所述预定时间间隔的风能历史记录曲线；

b.确定针对该预定区域在所述预定时间间隔期间的能量需求的历史记录，并将所述能量需求的历史记录转化成针对所述预定时间间隔的能量需求曲线；

c.针对所述预定时间间隔，将该风能历史记录曲线与能量需求的历史记录曲线作比较，并确定在年度的哪个时期或那些时期风能的历史记录与能量需求的历史记录曲线最不相匹配；

d.基于要使用的每一风力涡轮机的总的截面积，并考虑风能的历史记录曲线和能量需求的历史记录曲线以及在年度最不相匹配的一个或多个时期的比较结果，来确定要在所述风力农场上安装和/或使用的风力涡轮机的总数；

e.考虑风能历史纪录和能量需求的历史记录的曲线以及在年度最不相匹配的一个或多个时期的比较结果，确定在被用于提供能量以直接使用的风力涡轮机的总数和被用于提供能量以存储能量的风力涡轮机之间的比例；

f.基于所述比例，提供被用于提供能量以直接使用的预定数目的风力涡轮机站，以及提供被用于提供能量以存储能量的预定数目的风力涡轮机站。

38.如权利要求37所述的方法，其中，该方法包括另外的步骤：提供预定数目的混合风力涡轮机站，其适于在提供能量以直接使用和提供能量以存储之间切换。

39.如权利要求37所述的方法，其中，所述预定时间间隔是24小时的时期，并且其中所述年度的一个或多个时期包括多个预定的时间间隔，和/或包括年度的季节。

40.如权利要求37所述的方法，其中，该风力涡轮机的总数是基于下式决定的：截面积＝X*P/(C*0.5*Rho*U3)，其中X是考虑风能历史记录的曲线和能量需求历史记录的曲线的比较结果的系数，P是对特定预定时间的间隔峰值能量需求，C是基于选择的风力涡轮机的尺寸，“Rho”是1.218Kg/m³，而U是15.24m/s。

41.如权利要求40所述的方法，其中，基于在预定的时间间隔时期，在风能历史记录和能量需求历史记录的曲线中是否有明显的不相匹配，和/或考虑在预定的时间间隔时期其他能源的可用性，来确定该起始X系数。

42.如权利要求41所述的方法，其中，所述比例被初始设置于65％直接使用而35％存储能量，并且基于风能历史记录和能量需求历史记录的曲线以及比较结果来调整X系数，从而设计一个系统，其中计算存储的可用能量的量使得其不会被用完。

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