CN103410651A - 一种海上风力抽水储能的水力发电装置 - Google Patents

一种海上风力抽水储能的水力发电装置 Download PDF

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Abstract

一种海上风力抽水储能的水力发电装置，它包括风力机、储能球、抽水泵和水力发电装置；所述风力机建于海平面之上，所述储能球建在海平面之下的海床上，在储能球上设置海水进水口，在进水口处设置水力发电机发电，所述抽水泵可将储能球内冲击水力发电机发电后的海水排至大海中。本发明将风力抽水储能与水力发电二者结合起来，实现了两大能源的组合利用，既能避免风力发电对电网的冲击，又能充分利用水资源储能，解决目前风力与水力组合发电时所遇到的问题。

Description

一种海上风力抽水储能的水力发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，特别是一种海上风力抽水储能的水力发电装置。
背景技术
风能作为绿色能源中重要和发展较成熟的可再生能源，具有蕴藏丰富、分布广、无污染等优点。风力机捕捉风能后通过风力发电机发电，由于风的随机性与间歇性，使风力发电机的输出功率不稳定，并网后对电网冲击严重，致使现有很多风场“弃风”，对风力发电非常不利。并且电网的需求与风场的发电量不相匹配，电网需求增强时，风场往往无风或者风力较弱而无法满足电网需求；电网需求减弱时，可能出现风力增强的现象，风能发电无法消纳而导致浪费。 
水力发电作为一种绿色能源，具备发电成本低、发电起动快、输出功率稳定、发电效率高等特性，可以担负调峰、调频任务。在电池储能、超导储能、压缩空气储能等大规模储能发电的方法中，抽水储能方式具备储存能量大且简单可行的特点，尤其是在水资源不受限制的情况下。
现有文献中，风力与水力结合的发电系统，一般采用风力发电机发电，将电能供给抽水泵抽水至高处，直接流下由水力发电机发电后并网供电，这种方式缺点是水力发电机的输出功率不稳定；另一种方式是采用风力机抽水至高处的水库储能，再由水力发电机发电供给电网，缺点是这种方式受水库水资源的影响较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海上风力抽水储能的水力发电装置，所述发电机将风力抽水储能与水力发电二者结合起来，实现了两大能源的组合利用，既能避免风力发电对电网的冲击，又能充分利用水资源储能，解决目前风力与水力组合发电时所遇到的问题。
本发明所述技术问题是由以下技术方案实现的：
一种海上风力抽水储能的水力发电装置，它包括风力机、储能球、抽水泵和水力发电装置；所述风力机建于海平面之上，所述储能球建在海平面之下的海床上，在储能球上设置海水进水口，在进水口处设置水力发电机发电，所述抽水泵可将储能球内冲击水力发电机发电后的海水排至大海中。
上述海上风力抽水储能的水力发电装置，所述装置的具体结构为：所述风力机的平台上建造塔筒，塔筒的顶部设置风轮，风轮通过轴依次与变速器和抽水泵连接；储能球上部开有进水口，进水口设置水力发电装置；储能球上设置排压气管和抽水管，排压气管的上端延伸至海平面，抽水管与抽水泵相连接，抽水管将海水排至大海。 
上述海上风力抽水储能的水力发电装置，所述水力发电装置包括阀门和水轮发电机组。
上述海上风力抽水储能的水力发电装置，所述风力机为漂浮式风力机，平台通过固定锚索连接至储能球。
上述海上风力抽水储能的水力发电装置，所述储能球上部和下部的内壁上分别安装上液位传感器和下液位传感器，液位传感器与控制系统电连接。
本发明利用海上丰富的风资源与海水资源，将风力机捕获风能后产生的风轮旋转，直接作为机械能驱动抽水泵用于抽取海水，将机械能转化为水的势能，再由海水驱动水力发电装置发电，而非通过风力发电机直接发电，有效避免了现有技术中风力发电机并网后对电网的冲击，平抑了风能峰谷。所述水力发电机具有水力发电效率高、相对风力发电输出功率稳定的优势，并能够根据需要控制发电量，用电高峰时，可以控制水力发电机组满负荷运行；用电低谷时，调节进水量使发电功率减少。储能球体积大，储能总量巨大，是一种结构简单、操作方便的储能装置，储能球能抵抗海水压力，设备利用率高。储能球上配置有水轮发电机组，深海海水压力巨大，海水经进水口流入，驱动水轮发电机组向电网稳定供电，能具备调峰、调频的能力。 
所述水力发电机可以多组使用，整合为发电系统后并网发电，能够抽水蓄能且发电量巨大，相当于一个大型水力发电站，有效缓解能源紧缺的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明储能球的结构示意图。
图中各标号清单为：1、储能球，2、排压气管，3、塔筒，4、抽水管，5、风轮，6、低速轴，7、变速器，8、高速轴，9、抽水泵，10、机舱，11、排水管，12、出水口，13、平台，14、固定锚索，15、水力发电装置，16、海水，17、水轮发电机组，18、阀门，19、进水口，20、排压气管口，21、抽水管口，22、上液位传感器，23、下液位传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括建在海床上的储能球1、设置在储能球1壁上的水力发电装置15、漂浮式风力机、抽水泵9和各设备之间的管道。漂浮式风力机的平台13漂浮在海平面上，平台13通过固定锚索14与储能球1连接。平台13上建造塔筒3，风轮5设置在塔筒3的顶部，变速器7和抽水泵9设置在塔筒3顶部的机舱10内。风轮5、变速器7和抽水泵9通过轴依次连接，风轮5与变速器7之间是低速轴6，变速器7与抽水泵9之间是高速轴8。所述管道包括排压气管2、抽水管4和排水管11；其中储能球1顶部设置排压气管2和抽水管4，排压气管2从储能球1的顶壁向上延伸至海平面，抽水管4的下端口在储能球1的底部，上端口与抽水泵9连接；排水管11从抽水泵9接出。风轮5捕获风能驱动低速轴6旋转，变速器7提升转速传递给高速轴8，高速轴8驱动抽水泵9经抽水管4抽海水，由排水管11经塔筒3上出水口12排入海中。
如图2所示，储能球1上部的球壁上开有进水口19，在进水口19处设置水力发电装置15，水力发电装置15包括阀门18和水轮发电机组17。阀门18打开状态时，海水16经进水口19流入，驱动水轮发电机组17旋转。储能球1顶部开有排压气管口20和抽水管口21，用于安装排压气管2和抽水管4，储能球1内部的上、下位置分别安装上液位传感器22和下液位传感器23，用于监测储能球1内的水位。
以下对本发明的工作过程做进一步说明：
海上风力抽水储能的水力发电机在初始未运行的状态为：风轮5静止不旋转、阀门18关闭、水轮发电机组17未运行，储能球1内部无海水16。正常运行的过程为：打开阀门18，海水16受压力影响经进水口19流入，驱动水轮发电机组17发电，海水16流入储能球1底部，排压气管2保持储能球1内部与外界大气压一致，储能球1内部水面上升到一定位置被下液位传感器23监测到，下液位传感器23将信号传递给控制系统，控制系统启动风轮5，低速轴6经过变速器7提升转速后，由高速轴8驱动抽水泵9工作，将储能球1内的海水16由抽水管4泵入，经排水管11从出水口12排入大海。
正常运行时，海水驱动水轮发电机组17持续发电，由于风具有随机性，风轮5不能保证持续运转，储能球1内部海水16流入总量会大于抽水泵9抽出水的总量，使储能球1内海水体积增加，水平面上升至上液位传感器22的安装位置时，上液位传感器22监测到信号，并将信号传递给控制系统，控制系统关闭阀门18，水轮发电机组17停止工作，直到抽水泵9将储能球1内部海水16抽出至下液位传感器23的安装位置以下，风力机的风轮5停止旋转，进入下一循环发电过程。
实施例
建造混凝土结构的储能球1，球体的外径30m、壁厚3m。储能球内部储水的体积为7234.56m3-，将储能球1放入400m深海底。海面上配置一台额定功率6MW的海上漂浮式风力机，平台13上建造高100米的塔筒3，塔筒3顶部安装风轮5和机舱10，机舱10内部设置变速器7和抽水泵9。由于抽水泵9需要将海水提升至500m的高度处排出，设定抽水泵的效率为75%，根据能量守恒定律，所配置6MW的风力发电机在额定功率下工作2.23小时，可将储能球内7234.56m3的海水全部提升至500m并排出。
储能球1正常工作时水流量为2m3/s，设定水轮发电机组17效率为80%，根据水轮发电机功率计算公式：
Figure 2013103434648100002DEST_PATH_IMAGE001
                  
其中：P为水轮发电机功率MW，Q为水流量m3/s，H为水头m，η为水轮发电机组发电效率。经计算水轮发电机组功率为6.278MW，采用100套所述水力发电机的发电量相当于一个大型水力发电站的发电量。

Claims (5)

1.一种海上风力抽水储能的水力发电装置，其特征在于，它包括风力机、储能球（1）、抽水泵（9）和水力发电装置（15）；所述风力机建于海平面之上，所述储能球建在海平面之下的海床上，在储能球上设置海水进水口，在进水口处设置水力发电机发电，所述抽水泵可将储能球内冲击水力发电机发电后的海水排至大海中。
2.根据权利要求1所述的一种海上风力抽水储能的水力发电装置，其特征在于，所述装置的具体结构为：所述风力机的平台（13）上建造塔筒（3），塔筒（3）的顶部设置风轮（5），风轮（5）通过轴依次与变速器（7）和抽水泵（9）连接；储能球（1）上部开有进水口（19），进水口（19）设置水力发电装置（15）；储能球（1）上设置排压气管（2）和抽水管（4），排压气管（2）的上端延伸至海平面，抽水管（4）与抽水泵（9）相连接，抽水管（4）将海水排至大海。 
3.根据权利要求2所述的海上风力抽水储能的水力发电装置，其特征在于，所述水力发电装置（15）包括阀门（18）和水轮发电机组（17）。
4.根据权利要求3所述的海上风力抽水储能的水力发电装置，其特征在于，所述风力机为漂浮式风力机，平台（13）通过固定锚索（14）连接至储能球（1）。
5.根据权利要求4所述的海上风力抽水储能的水力发电装置，其特征在于，所述储能球（1）上部和下部的内壁上分别安装上液位传感器（22）和下液位传感器（23），液位传感器与控制系统电连接。
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