CN103790708B - 海洋压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，采用一种海洋沉箱结构实现高压空气储存，一组作为储能单元，另一组作为稳压箱结合海上高压缓冲箱构成高压水池，浅层海水可以视为低压水池；高压水池与低压水池构成一对液体势能源。气水能量交换单元连接储能单元、高压水池和低压水池，实现气体势能和液体势能之间的转换。抽蓄发电单元连接高压水池和低压水池，实现电能和液体势能的转换。储能时电能转换为液体势能再转换为气体势能，以压缩空气的形式存储在储能单元。发电时压缩空气势能转换为液体势能再转换为电能。储气沉箱与高压气体管道之间，可以采用伸缩结构进行连接。

Description

海洋压缩空气储能系统

技术领域

本发明属于压缩空气储能系统设计领域，尤其涉及一种利用深海海水压强稳定性为压缩空气提供储存环境的海洋压缩空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能因其技术成熟，可大规模商业化应用等优点，已成为了一种重要的储能手段。然而，压缩空气储能系统中的高压储气容器一项，存在技术与工艺上的局限，系统对高压储气容器壁承受气体压强的能力有很高要求，而且，为了便于降低材料选择难度，通常希望气罐内气体压力保持均匀与恒定。这两方面要求的实现，无疑增大了气罐材料选择的难度以及制造成本，同时，在安全运行方面也存在较大隐患。因此，高压储气容器的制造成本与安全问题成为本技术领域亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的技术目的是克服现有技术中，高压储气容器因所需压强承受能力过高而造成的制造难、成本高的问题，以及压力控制技术不成熟造成的安全问题；提供了一种在应用中，无需容器壁承压，且时时保证容器内压力均匀、保持节能、安全、清洁、经济的海洋压缩空气储能系统。

本发明采用的技术方案为：

一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，两组深潜于海下的高压储气容器，采用无底沉箱结构，一组作为储气单元，一组作为稳压箱与海上的高压缓冲箱构成高压水池；储气单元的顶部通过高压气体管道与设置在海上的压缩空气发电系统相连；压缩空气发电系统包含气水能量交换单元和抽蓄发电单元，两者分别都连接高压水池与低压水池；该系统具有储能运行方式和发电运行方式；

所述储能运行方式下，抽蓄发电单元以电驱动将海水从低压水池抽至高压水池的高压缓冲箱中；气水能量交换单元利用高压缓冲箱中的水与低压水池的水的压强差做功压缩液体活塞中的空气，压缩完成后将气体送入储气单元；

所述发电运行方式下，将储气单元中的气体送入液体活塞中，气体膨胀做功将低压水池的水送入高压缓冲箱中，同时抽蓄发电单元利用高压缓冲箱和低压水池的水之间的压强差发电；

所述气水能量交换单元由液体活塞与液压活塞机构组合而成。

所述高压储气容器与高压气体管道之间采用伸缩结构作为连接方式，该伸缩结构为伸缩式软管道或螺旋式管道。

所述压缩空气发电系统设置于船、岛屿或海上钻井平台之上。

利用海洋深处的高压强环境实现海上的高压缓冲箱的压强稳定，高压缓冲箱与稳压箱之间通过气体管道相连；当稳压箱与储气单元的压强要求一致的情况下，两者能合并运行。

所述的低压水池采用海水经净化后的净化水池实现，或直接利用海洋实现。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

(1)所述高压储气容器与高压缓冲箱采用深海沉箱结构，一方面有效利用海底压强形成了容器内储气的高压环境，另一方面利用海水的深度实现了储气容器内顶部到底部压强基本均等，增加了系统的安全性；同时实现了高压容器内外压强相等，避免了容器壁承受高压，降低了容器壁选材和制作难度。

(2)所述高压储气容器与高压气体管道之间采用可伸缩结构进行连接，可以克服海平面涨落造成的位移差，使沉箱结构位于海洋的深度保持不变，即高压储气容器内气体压强环境保持稳定。

(3)所述海洋压缩空气储能系统，其基础建设只限于发电侧海上平台的搭建，设备可置于船、岛屿或海上钻井平台等之上，相比陆上压缩空气储能系统，极大地节约了建设成本，建设与运行的效率和环境友好性也得到了提升。

(4)所述与虚拟抽水蓄能电站相结合的海洋压缩空气储能系统，其气水能量交换单元可直接取用海水资源，利用海水的容量巨大，温度恒常，取用方便等特点，可以实现气水能量交换单元的温度控制。

(5)所述与虚拟抽水蓄能电站相结合的海洋压缩空气储能系统，其抽蓄发电单元的高压水池利用深海稳压箱与相连的高压缓冲箱实现，低压水池可直接用海洋代替，无需特殊地势条件，降低了选址与建设难度，节省了成本。

(6)所述与虚拟抽水蓄能电站相结合的海洋压缩空气储能系统，其高压储气单元与稳压箱在压强设定值相等时，可共用同一容器，提高经济性。

附图说明

图1为海洋压缩空气储能系统高压储气容器结构图；

图2a、图2b和图2c为海洋压缩空气储能系统高压储气沉箱与高压气体管道连接方式图，其分别为伸缩式软管道、弹簧式软管道和螺旋式管道方式；

图3为海洋压缩空气储能系统中的海上压缩空气发电系统采用传统压缩空气储能发电方式的系统构成图；

图4为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用水气共容仓发电方式的系统构成图；

图5为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用虚拟抽水蓄能发电方式的系统构成图；

图6为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用虚拟抽水蓄能发电方式的总体结构图；

图7为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用虚拟抽水蓄能发电方式的储能运行原理图；虚线箭头为气体流向，实线箭头为水流向；

图8为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用虚拟抽水蓄能发电方式的发电运行原理图；

图9为海洋压缩空气储能系统高压储气沉箱与稳压箱按照等压方案设计时的结构图。

图中标号：

A-高压储气沉箱，B-气水能量交换单元，C-高压水池，D-抽蓄发电单元；1-高压气体管道，2-低压气体管道，3-第一高压水管道，4-第一低压水管道，5-第二高压水管道，6-第二低压水管道，7-电端口，8、9-水管道，10-高压气体稳压管道；11-液体活塞，11a、11b-液压活塞缸，25、26-液压缸，27-液压活塞连杆，28-稳压箱，29-高压缓冲箱。12-24、30-32-阀门。

具体实施方式

本发明提供了一种海洋压缩空气储能系统，下面结合附图，对该系统实施方案作详细说明。本发明意在强调压缩空气储能系统对海水资源的利用，对海上平台、发电机构等部分的实现方案，只做示例性说明，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1所示为海洋压缩空气储能系统高压储气容器结构图，系统的高压储气容器采用无底沉箱结构，利用深海高压环境进行压缩空气的存储，高压储气容器通过高压气体管道与设置在海上的压缩空气发电系统相连；高压储气容器与高压气体管道之间，可以采用伸缩结构作为连接方式。图2a-2c所示为相应连接方式图，包括伸缩式软管道、弹簧式软管道和螺旋式管道三种方式。当海平面出现涨落时，伸缩结构式管道可以克服海平面涨落造成的位移差，使沉箱结构位于海洋的深度保持不变，即高压储气容器内气体压强环境保持稳定。

图3所示为海洋压缩空气储能系统中的海上压缩空气发电系统采用传统压缩空气储能发电方式的系统构成图。压缩空气与燃料在燃烧室中汇合并燃烧，带动汽轮机运行，发电机发电，将电能输出到电网，储能环节利用空气压缩机实现。

图4所示为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用水气共容仓发电方式的系统构成图。高压储气沉箱A通过高压气体管道1与高压水池C连接，高压水池C通过第二高压水管道5与抽蓄发电单元D连接，低压海水通过第二低压水管道6与抽蓄发电单元D连接，抽蓄发电单元D通过电端口7与电网连接。高压储气沉箱为高压水池C提供稳定的高压环境，高压水池C与低压海水间的稳定压强差，形成水头差，驱动抽蓄发电单元发电，进而将电能输出到电网，储能环节则利用抽蓄发电单元将低压海水输送至高压水池C，将高压水池C内气体压缩至高压储气沉箱中，完成能量存储。

图5所示为海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用虚拟抽水蓄能发电方式的系统构成图。图6所示为相应系统的总体结构：高压储气沉箱A通过高压气体管道1与气水能量交换单元B连接，气水能量交换单元B通过第一低压水管道4与低压海水连接，低压海水通过第二低压水管道6与抽蓄发电单元D连接；低压气体管道2与气水能量交换单元B连接，气水能量交换单元B通过第一高压水管道3与高压水池C连接，高压缓冲箱29通过第二高压水管道5与抽蓄发电单元D连接；高压缓冲箱29通过高压气体稳压管道10与稳压箱28连接；抽蓄发电单元D通过电端口7与电网连接。

高压储气沉箱A中的压缩空气作为能量存储的介质；具有稳定压强的深海稳压箱28与高压缓冲箱29连接，构成高压水池C，高压水池C内的水和低压海水进行循环，作为发电循环介质；抽蓄发电单元D作为主要运行设备，通过阀门控制和水轮发电机组控制实现储能发电过程。

气水能量交换单元B通过液体活塞11与液压活塞机构(液压缸25、26，液压活塞连杆27)实现：液体活塞是海水在两侧气压差作用下往复运动的装置，可以实现气体势能与液体势能之间的转换；并可以通过额外装置辅助实现气体的绝热变化过程或等温变化过程。液体活塞输出的水势能变化很大。液体活塞中至少应有两个缸(液体活塞缸11a和液体活塞缸11b)。液体活塞缸属于高压容器，可以用高压金属球罐实现，也可以用储气钢管等实现；可以用单一容器实现，也可以用多级容器组合实现。低压气体管道2保持低压，高压气体管道1的另一端接高压储气沉箱A，低压气体管道2和高压气体管道1分别通过阀门13-16与两个液体缸连接。

液压活塞机构可以使压强变化的水流与压强稳定的水流之间相互驱动，由若干个活塞组成。水管道8和9分别通过阀门17-20连接液压活塞中的液压缸25和26，第一高压水管道3和第一低压水管道4分别通过阀门21-24连接高压水池C和低压水池。通过阀门状态的正确设置，液压缸25和液压缸26可以实现不同的压强控制。

所述海洋压缩空气储能系统具有储能和发电两种运行方式：

图7所示为储能运行方式流程图：储能时利用抽蓄发电单元D将低压海水传送至高压水池C处，在气水能量交换单元B中利用高压水和低压水的水压差做功来压缩空气，将电能转换成水的势能，再转换为压缩空气的势能，存储到高压储气沉箱A中；在此过程中，电能首先转换为水的势能，最后转换为压缩空气的势能。

图8所示为发电运行方式流程图：将高压储气沉箱A中的压缩空气通入到气水能量交换单元B中，高压气体在气水能量交换单元B中膨胀做功，将低压海水输送到高压水池C中，同时高压水池C中的水驱动抽蓄发电单元D中的水轮发电机发电后流入到低压海水中，压缩空气势能转换为水的势能，再利用高低压水之间的压强差使抽蓄发电单元D发电。

图7、图8所示流程的具体实现方案参照图6，如下所述：

a：海洋压缩空气储能系统储能运行方式：

储能方式下，假定初始状态时，液体活塞缸11a中充满水，液体活塞缸11b中只有少量水，充满了低压气体管道进入的低压气体。控制阀门状态，使阀门16关闭，液体活塞缸11b密闭，阀门14打开，液体活塞缸11a接通低压气体管道。而此时抽蓄发电单元D工作在水泵状态，水泵做功，将低压海水传送至高压缓冲箱29中，形成液压缸26内活塞两侧水的水压差，驱动液压活塞连杆27和液压缸25内的活塞运动，配合阀门的开关状态，可以使液体活塞缸11a中的水经水管道9流向液压缸25的某一侧，液压缸25另一侧的水经水管道8流向液体活塞缸11b，压缩液体活塞缸11b中的密闭空气。通过阀门状态的切换，液压活塞连杆27左右运动都可以使液体活塞缸11a中的水流向液压缸25，同时液压缸25中的水流向液体活塞缸11b。当液体活塞缸11b中的气体被压缩到一定压强值时，打开阀门15将其与高压气体管道连通，继续工作直到所有液体活塞缸11b的气体送入高压气体管道，最终存储到高压储气沉箱A中。此时液体活塞缸11a中只有少量水，充满了低压气体管道的低压气体；液体活塞缸11b中几乎充满水，切换阀门状态，使阀门14关闭，液体活塞缸11a密闭，阀门16打开，液体活塞缸11b接通低压气体管道。第一高压水管道3和第一低压水管道4中的水的压强差驱动液压活塞运动，从而驱动液体活塞中水的流动，压缩密闭空间中的空气，形成高压气体存储起来。

b：海洋压缩空气储能系统发电运行方式：

假定初始状态时，液体活塞缸11a中完全充满水，液体活塞缸11b中只有少量水。关闭阀门14，使液体活塞缸11a密闭，打开阀门16，液体活塞缸11b接通低压气体管道保持低压。工作时首先打开阀门12，从高压储气沉箱A中经高压气体管道1向液体活塞缸11a中输入一定体积的高压气体，液体活塞缸11a中的水会经水管道9流向液压缸25的某一侧，高压强作用会驱动液压缸25的活塞运动，使液压缸25另一侧的水经水管道8流入液体活塞缸11b中；同时会驱动液压活塞连杆27和液压缸26中的活塞运动。通过恰当设置液压缸26中各阀门的开关状态，可以实现液压缸26某一侧的水经过第一高压水管道3流出到高压水池C，低压海水经过第一低压水管道4从海洋流入到液压缸26另一侧中。通过阀门状态的切换，在液体活塞缸11a中气体膨胀过程中，液压活塞连杆27可以做若干次的左右移动，此过程中，低压水持续流入液压缸26，并持续有水从液压缸26中流出到高压水池C中。当液体活塞缸11a中气体压强达到较小的值，不足以驱动活塞的运动时，可以将剩余的低压气体送入低压气体管道，再利用其他发电装置(如直线电机)进行发电，以提高能源利用率。当液体活塞缸11a中气体膨胀做功完毕后，液体活塞缸11a中剩余水量很少，液体活塞缸11b中几乎充满水，原有的低压气体被送入低压气体管道。将阀门16关闭，液体活塞缸11b封装，并将阀门14打开，液体活塞缸11a与低压气体管道连通，然后再从高压储气沉箱A中输入一定体积的高压气体到液体活塞缸11b中，高压气体膨胀做功，将水从低压水池送入液压缸26中，同时驱动活塞运动，将液压缸26中的水压入高压水池。高压气体膨胀后形成低压气体会被送入低压气体管道。液压缸25成为在液体活塞的两个液体缸中流动水的中转。而抽蓄发电单元此时工作在发电状态，通过高压缓冲箱29与海洋的水压差驱动水轮发电机做功，将水势能转化为电能，通过电端口7输送至电网。

所述海洋压缩空气储能系统中的高压水池C由于稳压箱28潜入海水的深度保持不变，而具有基本稳定的压强，因此，与之相连的高压缓冲箱29亦保持压强相同。在运行过程中，通过运行控制使高压水池C进出水的水流均速且保持近似相等，以确保高压缓冲箱29中的水量变化在一个大的时间尺度上基本为零。

图9所示为所述海洋压缩空气储能系统的海上压缩空气发电系统采用虚拟抽水蓄能发电方式时的一种简化方案，若系统设计深海稳压箱与高压储气沉箱的压强相等，即深度相同，即可采用本方案将二者进行合并。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，两组深潜于海下的高压储气容器，采用无底沉箱结构，一组作为储气单元，一组作为稳压箱与海上的高压缓冲箱构成高压水池；储气单元的顶部通过高压气体管道与设置在海上的压缩空气发电系统相连；压缩空气发电系统包含气水能量交换单元和抽蓄发电单元，两者分别都连接高压水池与低压水池；该系统具有储能运行方式和发电运行方式；

所述储能运行方式下，抽蓄发电单元以电驱动将海水从低压水池抽至高压水池的高压缓冲箱中；气水能量交换单元利用高压缓冲箱中的水与低压水池的水的压强差做功压缩液体活塞中的空气，压缩完成后将气体送入储气单元；

所述发电运行方式下，将储气单元中的气体送入液体活塞中，气体膨胀做功将低压水池的水送入高压缓冲箱中，同时抽蓄发电单元利用高压缓冲箱和低压水池的水之间的压强差发电；

所述气水能量交换单元由液体活塞与液压活塞机构组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，所述高压储气容器与高压气体管道之间采用伸缩结构作为连接方式，该伸缩结构为伸缩式软管道或螺旋式管道。

3.根据权利要求1所述的一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气发电系统设置于船、岛屿或海上钻井平台之上。

4.根据权利要求1所述的一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，利用海洋深处的高压强环境实现海上的高压缓冲箱的压强稳定，高压缓冲箱与稳压箱之间通过气体管道相连；当稳压箱与储气单元的压强要求一致的情况下，两者能合并运行。

5.根据权利要求1所述的一种海洋压缩空气储能系统，其特征在于，所述的低压水池采用海水经净化后的净化水池实现，或直接利用海洋实现。