CN107559146A - 一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统 - Google Patents

Abstract

一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，包括海上风力发电机组，空气压缩及膨胀发电单元以及海底高压空气储能装置，当海上风力发电机组发电超过电网需求时，利用富余的电能驱动空气压缩及膨胀发电单元的空气压缩机，向海底高压空气储能装置充入高压空气；当电网负荷增大而海上风力发电机组负荷不能满足电网需求时，释放海底高压空气储能装置内的高压空气，经空气压缩及膨胀发电单元的膨胀机做功带动发电机发电，以提高向电网提供的电力负荷。本发明可在风力较大而电网负荷需求低时通过压缩空气进行储能消纳过剩电力，而在风力较小或电网负荷需求高时利用海底储存的压缩空气膨胀做功，向电网提供电力，从而实现风力发电系统的功率调节功能。

Description

一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统

技术领域

本发明属于风力发电和储能技术领域，特别涉及一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统。

背景技术

风力发电是水力发电以外的最具有潜力的可再生能源发电技术。近年来，风力发电在我国得到了飞速的发展，截止2016年，我国累计风电装机容量已经达到了1.68亿千瓦，成为名副其实的风电大国。

由于风能具有一定的随机性，风电的稳定性较差，风力发电机组的功率由风速大小决定而不能根据电网负荷需求进行随意的调节,因此，常规风电需要一定的其它形式的如水电、火电等形式的发电机组来进行配合调峰，这就对电网调峰造成了一定的负担，当风电场发电负荷超出电网输送调节能力的时候，只能进行限电弃风，造成大量风电机组容量和风资源的浪费。我国各地电网存在不同程度的弃风现象，在风电装机规模较大的地区尤其严重。今后我国各地风电装机容量还会进一步发展，电网对风电的接纳能力急需进一步的提高，加强对风电技术的研究，提升风电本身的调节能力是解决风电不稳定问题的一个重要解决办法。

与此同时，我国经历了多年的陆上风电的快速发展，陆上的优质风资源区域大部分已经开发殆尽，海上风电正在逐步起步和蓬勃发展。由于海上风速较大，不受障碍物和地表粗糙度的影响，风速风向更加稳定，湍流较小，并且靠近陆上电力消费中心，因此海上风电开发价值极大。我国已经建成滩涂、潮间带以及近海多个海上风电场，今后风电还将向更远更深海域进军。而深海海域的风力发电机组将不再采用直接深入海床的桩基础，而是采用漂浮式基础，目前在欧洲已经有了设置于水深在一百至两百米范围的漂浮式海上风力发电机组样机并取得了成功，大型商用漂浮式海上风力发电场也在规划和建设中。这说明海上风电技术已经开始走向大力发展的快车道。而海上风电装机容量上来以后，同样会面临发电负荷不稳定和电网调峰问题，因此急需一种先进的解决方法。

发明内容

为了克服上述现有技术中风电不稳定调峰困难等缺点，本发明的目的在于提供一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，利用海底高压环境储存压缩空气进行储能，可以实现海上风电机组的负荷自调节功能，增强风电的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，包括海上风力发电机组，空气压缩及膨胀发电单元以及海底高压空气储能装置，当所述海上风力发电机组发电超过电网需求时，利用富余的电能驱动空气压缩及膨胀发电单元的空气压缩机，向海底高压空气储能装置充入高压空气；当所述当电网负荷增大而海上风力发电机组负荷不能满足电网需求时，释放海底高压空气储能装置内的高压空气，经空气压缩及膨胀发电单元的膨胀机做功带动发电机发电，以提高向电网提供的电力负荷。

所述海底高压空气储能装置内的空气压力与其所处深度处的海水压力相同。

所述海上风力发电机组为漂浮式大型海上风力发电机组，采用塔筒式支架和浮筒式支撑底座，包括风机叶轮及发电系统、风机塔筒、筒式浮力舱和锚链，风机叶轮及发电系统安装在风机塔筒上，风机塔筒安装在筒式浮力舱上，筒式浮力舱悬浮于海水中。

所述风机塔筒内部与筒式浮力舱连通，检修人员可以通过海面以上的塔筒舱门进入浮筒仓内进行检修作业。

所述筒式浮力舱底部有配重块，利用重心位置保持风机塔筒垂直于海平面，在筒式浮力舱外部连接锚链，锚链另一端固定于海床，锚链为风机基础提供一定的固定张力，使风机位置保持固定，不会因为洋流和潮水发生移动。

所述空气压缩及膨胀发电单元位于筒式浮力舱中，包括低压侧空气管道，所述风机塔筒内安装有通风管，通风管上端连接至海平面以上的大气，下端延伸至筒式浮力舱内部与低压侧空气管道相连，低压侧空气管道与压缩/膨胀机相连，压缩/膨胀机与高压侧空气管道相连，压缩/膨胀机的旋转轴与电动/发电机相连，高压侧空气管道上设置阀门，高压侧空气管道向下从筒式浮力舱底部穿出，连接至海底高压空气储能装置内。

压缩/膨胀机、电动/发电机同轴相连，垂直布置。在储能过程，压缩/膨胀机作为压缩机使用，电动/发电机作为电动机使用，在发电过程，压缩/膨胀机作为膨胀机使用，电动/发电机作为发电机使用。

所述海底高压空气储能装置包括柔性罩壳，柔性罩壳设置在地基板上方，充气时形成储气室，地基板中埋设有导气管，导气管连通储气室内外，所述高压侧空气管道与压缩空气导管相连，压缩空气导管向海底延伸，与导气管相连。

所述柔性罩壳由带钢丝绳金属网夹芯的芳纶面料做成，展开后呈倒扣的半球型，底部边缘密封固定于地基板上，当储满高压空气时，柔性罩壳展开呈现半球型，当空气被释放时，柔性罩壳被海水压瘪折叠贴附于地基板上。

所述地基板由钢筋水泥浇筑而成，吸附于海床之上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、实现风力发电机组的输出负荷调节功能，增加了储能系统，因而可以使风力发电机组可以在一定范围内根据电网负荷需求实现功率调节，大大降低了电网的调峰负担，并且避免弃风，有效利用风资源。

2、与深海的海上风力发电机组相配合，利用深海海底的高压环境进行压缩空气储能，避免了常规压缩空气储能依赖于需要天然洞穴等特殊地理环境的限制，空气压力高，储能量大(储能量在1万kWh以上)，并且不需要承压储罐，不存在爆炸危险。

3、储气室采用柔性罩壳固定于水泥地基板的形式，造价便宜，施工容易。

4、空气压缩/膨胀机采用同一个设备，空气压缩/膨胀机在储能过程作为压缩机使用，在释放能量过程作为膨胀机使用；电动/发电机采用同一个设备，电动/发电机在储能过程作为电动机使用，在释放能量过程作为发电机使用。使系统复杂度降低，可靠性增加，设备重量减轻，降低造价。

附图说明

图1是本发明结构示意图，储气室内充满高压空气，柔性罩壳展开呈现半球型。

图2是本发明空气压缩及膨胀发电单元结构示意图。

图3是本发明结构示意图，空气被释放，柔性罩壳被海水压瘪折叠贴附于地基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行详细说明，实例中提到具体参数仅为其中的一种实施状况，并非对本发明做出的限制，在实施过程中，工程师根据当时条件所做的技术经济性的参数优化都在本专利保护范围之内。

如图1所示，一种利用海底高压环境进行压缩空气储能的海上风力发电系统，主要由漂浮式大型海上风力发电机组，空气压缩及膨胀发电单元5，以及海底高压空气储能装置等组成。其中漂浮式海上风力发电机组主要由风机叶轮及发电系统1、风机塔筒2、筒式浮力舱4和锚链12组成，额定发电容量5MW，风机叶轮直径146m，海面以上轮毂高度100m。空气压缩及膨胀单元5主要由低压侧空气管道13、压缩/膨胀机14、电动/发电机15、高压侧空气管道16和阀门17组成，如图2所示，其中电动/发电机15额定容量3MW。海底高压空气储能装置主要由柔性罩壳8、导气管10和地基板11组成，导气管10向柔性罩壳8充气，充气后形成储气室9，储气室9展开直径35m，最大储气容积53581立方米，储气室9位于水下约200m深度，除去能量转化的损耗，净储能电量可达1.8万kWh。

风机叶轮及发电系统1安装于风机塔筒2之上。风机塔筒2安装于筒式浮力舱4之上，并且与筒式浮力舱4连通，筒式浮力舱4提供支撑的浮力，在筒式浮力舱4底部有配重块6，利用重心位置保持风机塔筒垂直于海平面，在筒式浮力舱4外部连接锚链12，锚链12另一端固定于海床，锚链12为风机基础提供一定的固定张力，使风机位置保持固定，不会因为洋流和潮水发生移动。

如图2所示，空气压缩及膨胀单元5布置于筒式浮力舱4内部。在风机塔筒2内安装有通风管3，通风管上端连接至海平面以上的大气，下端延伸至筒式浮力舱内部，与空气压缩及膨胀单元5的低压侧空气管道13相连。低压侧空气管道13与压缩/膨胀机14相连，压缩/膨胀机14与高压侧空气管道16相连，压缩/膨胀机14的旋转轴与电动/发电机15相连，高压侧空气管道16上设置阀门17，高压侧空气管道16向下从筒式浮力舱4底部穿出，与压缩空气导管7相连，压缩空气导管7向海底延伸，与海底高压空气储能装置的导气管10相连，导气管10预埋在地基板11内部，导气管另一端出口与储气室9相连。柔性罩壳8由带钢丝绳金属网夹芯的芳纶面料做成，展开后呈倒扣的半球型，底部边缘密封固定于地基板上。当储气室9内储满高压空气时，柔性罩壳8展开呈现半球型，如附图1所示，当空气被释放时，柔性罩壳8被海水压瘪折叠贴附于地基板之上，如附图3所示。

该系统的工作过程：

当电网负荷需求旺盛，不限电的时候，海上风力发电机组发出的电能直接通过海缆完全输送至电网。

当电网负荷需求降低，而此时刚好风大，海上风力发电机组发出电量超出电网需求时，启动压缩空气储能功能，电动/发电机15作为电动机使用，消耗多余电能驱动压缩/膨胀机14，此时压缩/膨胀机14作为压缩机使用，海面以上空气经通风管3被吸入，经压缩以后经压缩空气导管7和导气管10被送入储气室9，由于储气室9采用了柔性罩壳8不承受压差，因此，储气室9内的压力等于同等深度海水的压力。而在向储气室9充气的过程，储气室9体积逐渐膨胀，排开同等体积的海水，实现储能。

当电网负荷需求上升以后，则可以释放储气室9内的高压空气做功发电。此时，压缩/膨胀机14作为膨胀机使用，高压空气在此膨胀做功后通过通风管3排出至海面大气，电动/发电机15作为发电机使用，由压缩/膨胀机14驱动。电动/发电机14发出的电能与海上风力发电机发出的电能一起输送至电网。

该系统的关键设计参数如表1所示。

表1主要参数表

参数	数值	单位
			海上风力发电机容量	5	MW
风机叶轮直径	146	m
			风机轮毂高度	100	m
电动/发电机容量	3	MW
			储气室半径	35	m
储气室容积	53851	m3
			水深	200	m
最大储能电量	17950	kWh
			储能和放能的综合转化效率	0.6
储能系统满功率支撑时间	6	h

本发明系统适用于超过一百米以上的深海风力发电场，可以在风力较大而电网负荷需求低的时候通过压缩空气进行储能而进行过剩电力消纳，而在风力较小或电网负荷需求高的时候利用海底储存的压缩空气膨胀做功，而向电网提供更多电力，从而实现风力发电系统的功率调节功能。

Claims (10)

1.一种带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，包括海上风力发电机组，空气压缩及膨胀发电单元(5)以及海底高压空气储能装置，当所述海上风力发电机组发电超过电网需求时，利用富余的电能驱动空气压缩及膨胀发电单元的空气压缩机，向海底高压空气储能装置充入高压空气；当所述电网负荷增大而海上风力发电机组负荷不能满足电网需求时，释放海底高压空气储能装置内的高压空气，经空气压缩及膨胀发电单元的膨胀机做功带动发电机发电，以提高向电网提供的电力负荷。

2.根据权利要求1所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述海底高压空气储能装置内的空气压力与其所处深度处的海水压力相同。

3.根据权利要求1所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述海上风力发电机组为漂浮式大型海上风力发电机组，包括风机叶轮及发电系统(1)、风机塔筒(2)、筒式浮力舱(4)和锚链(12)，风机叶轮及发电系统(1)安装在风机塔筒(2)上，风机塔筒(2)安装在筒式浮力舱(4)上，筒式浮力舱(4)悬浮于海水中。

4.根据权利要求3所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述风机塔筒(2)内部与筒式浮力舱(4)连通。

5.根据权利要求3所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述筒式浮力舱(4)底部有配重块(6)，利用重心位置保持风机塔筒(2)垂直于海平面，在筒式浮力舱(4)外部连接锚链(12)，锚链(12)另一端固定于海床，锚链(12)为风机基础提供一定的固定张力，使风机位置保持固定，不会因为洋流和潮水发生移动。

6.根据权利要求3所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述空气压缩及膨胀发电单元(5)位于筒式浮力舱(4)中，包括低压侧空气管道(13)，所述风机塔筒(2)内安装有通风管(3)，通风管(3)上端连接至海平面以上的大气，下端延伸至筒式浮力舱(4)内部与低压侧空气管道(13)相连，低压侧空气管道(13)与压缩/膨胀机(14)相连，压缩/膨胀机(14)与高压侧空气管道(16)相连，压缩/膨胀机(14)的旋转轴与电动/发电机(15)相连，高压侧空气管道(16)上设置阀门(17)，高压侧空气管道(16)向下从筒式浮力舱(4)底部穿出，连接至海底高压空气储能装置内。

7.根据权利要求6所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述压缩/膨胀机(14)和电动/发电机(15)同轴相连，垂直布置，在储能过程，压缩/膨胀机(14)作为压缩机使用，电动/发电机(15)作为电动机使用，在发电过程，压缩/膨胀机(14)作为膨胀机使用，电动/发电机(15)作为发电机使用。

8.根据权利要求6所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述地基板(11)由钢筋水泥浇筑而成，吸附于海床之上。

9.根据权利要求6所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述海底高压空气储能装置包括柔性罩壳(8)，柔性罩壳(8)设置在地基板(11)上方，充气时形成储气室(9)，地基板(11)中埋设有导气管(10)，导气管(10)连通储气室(9)内外，所述高压侧空气管道(16)与压缩空气导管(7)相连，压缩空气导管(7)向海底延伸，与导气管(10)相连。

10.根据权利要求9所述带海底压缩空气储能的海上风力发电系统，其特征在于，所述柔性罩壳(8)由带钢丝绳金属网夹芯的芳纶面料做成，展开后呈倒扣的半球型，底部边缘密封固定于地基板上，当储满高压空气时，柔性罩壳(8)展开呈现半球型，当空气被释放时，柔性罩壳(8)被海水压瘪折叠贴附于地基板(11)上。