CN108757288A - 一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用深海恒压储气罐恒压的水‑气共容舱电力储能系统及方法，所述的系统包括固定设置在海底且与海水连通的深海恒压储气罐，向深海恒压储气罐输气的压缩机组，设置在地面的水‑气共容舱，向水‑气共容舱内抽水蓄能的水泵机组，以及用于发电的水轮机；水轮机通过管道及阀门与水‑气共容舱下部相连，水泵机组的输入端接入海水；压缩机组的出气口通过管道及阀门分别与深海恒压储气罐的输气管道及水‑气共容舱的顶部相连；储能时，水泵机组向水‑气共容舱内注水，水‑气共容舱内高压空气被挤压进入深海恒压储气罐内储能；释能时，水‑气共容舱中的高压水被深海恒压储气罐内高压空气推动进入水轮机，驱动水轮机带动发电机发电释能。

Description

一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统及 方法

技术领域

本发明涉及恒压储气罐的电力储能系统，具体为一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统及方法。

背景技术

目前中国已经是世界上第一大能源消费国，随着中国经济的飞速发展，中国对能源的消耗还会大幅增加，中国在节能减排和环境保护方面将承受越发强烈的国际压力。

为了减少化石燃料的使用，世界电力行业发展趋势是采用可再生能源发电。风能作为我国唯一被大规模开发利用的可再生能源，被广泛用于发电。然而近些年随着风电并网容量逐步增加，风力发电场的弃风量急剧增加，很多风力发电厂都发生过风机脱网的事故。这些事故对于整个电网的安全运行带来了很大的隐患。究其原因是我国风能波动性强、风电稳定性不好，电网调峰能力不足，难以保证电网安全运行。

目前世界公认的解决风电波动性的方法是利用电力储能技术把风电大规模存储起来，减小其并网后的波动性。国外在上世纪七十年代就开始研究电能大规模储存问题，德国、美国都建立了一些电力储存的示范项目。

目前中国还没有商业运行的储能电站。虽然有很多种电力储能技术，但真正能大规模储存电能的成熟技术只有抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能对地理条件的要求比较苛刻，而传统的压缩空气储能技术需要补入热源，会造成一些污染。

西安交通大学的王焕然提出的恒压水-气共容舱电力储能系统(专利号：CN102319668 B，授权日期2013.12.11)虽然不需要补燃，但是该系统的水-气共容舱需要复杂的稳压装置才能稳定水-气共容舱内的压力。西安交通大学的王焕然等人提出的用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统(专利号：CN 104100441 B，授权日期2016.08.24)采用高压储气罐和复杂的控制系统稳定水-气共容舱的压力，但采用控制系统使得系统变得复杂，高压储气罐的高昂造价更降低了系统的经济性。

发明内容

针对现有技术中现有的恒压水-气共容舱电力储能系统稳压转置复杂、高压储气罐造价昂贵等缺陷，本发明提供一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统及方法，系统简单，造价较低，系统能量转化效率高，发电过程中水-气共容舱内压力基本无波动。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，包括固定设置在海底且与海水连通的深海恒压储气罐，向深海恒压储气罐输气的压缩机组，设置在地面的水-气共容舱，向水-气共容舱内抽水蓄能的水泵机组，以及用于发电的水轮机；

水轮机通过管道及阀门与水-气共容舱下部相连，水泵机组的输入端接入海水；压缩机组的出气口通过管道及阀门分别与深海恒压储气罐的输气管道及水-气共容舱的顶部相连；

储能时，水泵机组向水-气共容舱内注水，水-气共容舱内高压空气被挤压进入深海恒压储气罐内储能；释能时，水-气共容舱中的高压水被深海恒压储气罐内高压空气推动进入水轮机，驱动水轮机带动发电机发电释能。

优选的，所述深海恒压储气罐、水-气共容舱、压缩机组之间采用一个三通换向阀门相互连通。

优选的，所述深海恒压储气罐呈刚性圆柱形罐体，罐体的内外壁均喷涂非金属耐腐蚀材料。

优选的，所述深海恒压储气罐放置于海平面以下100-500m。

优选的，所述深海恒压储气罐呈阵列并联布置于海底，并均通过锚链结构被固定于海底。

优选的，所述深海恒压储气罐的底部通过输水管道直接与深海环境相连，深海恒压储气罐的罐体装有水位传感器；输水管道入口设置有球形安全滤网，外部设置有仿生声波发射器。

优选的，水-气共容舱的顶部连接有安全阀门；水泵机组通过抽水阀门与水-气共容舱相连；水-气共容舱通过排水阀门与水轮机相连；深海恒压储气罐的顶部通过输气阀门与水-气共容舱的顶部和压缩机组排气口相连。

优选的，，水泵机组和压缩机组由海上风力发电机组供电。

一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能方法，基于上述任意一项所述的系统，其包括，

预压缩过程；连通深海恒压储气罐和压缩机组，开动压缩机组向输气管道输气，完成输气管道排水过程，使得深海恒压储气罐内部充满海水，内外压力平衡；

储能过程；连通深海恒压储气罐和水-气共容舱，启动水泵机组向水-气共容舱内充水，此时水-气共容舱内压力恒定为深海恒压储气罐所处的环境压力，水-气共容舱内空气被挤压，推动输气管道内的空气进入深海恒压储气罐并排出其中的海水；储能完成，深海恒压储气罐内部为压力相同的高压空气和海水，内外压力平衡；

释能过程；连通深海恒压储气罐、水-气共容舱和水轮机；水-气共容舱内的水受深海恒压储气罐内的高压气体推动进入水轮机内做功，水轮机带动发电机发电。

进一步，

预压缩过程具体如下；

三通换向阀门连通深海恒压储气罐和压缩机组，此时深海恒压储气罐与大气连通，故输气管道内水位与海平面一致；开动压缩机组向输气管道输气，当水位传感器检测到水位低于深海恒压储气罐顶部时，关闭压缩机组和输气阀门，完成输气管道排水过程，使得深海恒压储气罐内部充满海水，内外压力平衡；

储能过程具体如下；

三通换向阀门连通深海恒压储气罐和水-气共容舱，打开输气阀门和抽水阀门，水泵机组电机驱动水泵机组向水-气共容舱内充水，水-气共容舱内空气被挤压，推动输气管道内的空气进入深海恒压储气罐并排出其中的海水；储能完成，关闭抽水阀门，深海恒压储气罐内部为压力相同的高压空气和海水，内外压力平衡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的系统，充分利用了深海的恒定高压环境，深海恒压储气罐在任何时段内外压力均平衡，故储气罐无需承受高压，降低了储气罐的造价。而且深海恒压储气罐能够向水-气共容舱电力储能系统提供恒定的高压气体，避免了系统采用复杂的压力稳定装置，进一步降低了系统的复杂性，提高系统经济性。在水-气共容舱电力储能系统工作之前，深海恒压储气罐内部充满海水，故罐体内外压力平衡；并且直接采用海水作为水源，无需设置蓄水池，减少系统复杂度、提高系统经济性。

进一步的，本发明所述的深海恒压储气罐、水-气共容舱、压缩机组之间采用一个三通换向阀门连接，使得深海恒压储气罐的进气和出气共用一根输气管道，有效降低了系统的复杂度。在预先向深海储气罐充气时，三通换向阀门连通压缩机组和深海恒压储气罐，在水-气共容舱电力储能系统的储能和释能过程中，三通换向阀门连通深海恒压储气罐和水-气共容舱。

进一步的，本发明所述的深海恒压储气罐可以被阵列布置在海底，可以根据水-气共容舱所需的储气容积并联布置相应数量的深海恒压储气罐，使得系统具有良好的可扩展性。

进一步的，本发明所述的深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统可以储存海上风力发电机组发出的电能。随着风电技术的发展，海上风力发电机组由近海逐步走向深海，而传统的储能技术难以储存深海区域布置的海上风力发电机组。

进一步的，本发明所述的深海恒压储气罐底部连接的输水管道上安装有仿生声波发射器，可以防止海洋生物进入深海恒压储气罐，保证系统安全运行。

本发明所述的方法中，在系统开始电力储能前，先使用压缩机组向深海恒压储气罐内部充气，此时深海恒压储气罐内部充满压力约等于所处深海环境的环境压力的高压空气，罐体内外依然压力平衡。在释能过程中，深海恒压储气罐能够向水-气共容舱内提供压力恒定为深海环境压力的高压空气，从而推动水-气共容舱内的水进入水轮机做功。整个电力储能过程前、中、后，深海恒压储气罐内部都是压力平衡状态。

附图说明

图1为本发明用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统的结构示意图。

图2为本发明用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统的输水管道入口结构示意图。

图中：压缩机组1；压缩机组电机2；三通换向阀门3；水-气共容舱4；安全阀门5；水泵机组6；水泵机组电机7；抽水阀门8；排水阀门9；水轮机10；发电机11；输气阀门12；深海恒压储气罐13；锚链结构14；输水管道15；仿生声波发射器16；水位传感器17；输气管道18；球形安全滤网19。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，包括向深海恒压储气罐13输气的压缩机组1、水-气共容舱4、向水-气共容舱4内抽水蓄能的水泵机组6、深海恒压储气罐13、仿生声波发射器16、水位传感器17及用于发电的水轮机10，水轮机10通过管道及阀门利用水-气共容舱4内的水发电，水泵机组6直接将海水泵入水-气共容舱4中；压缩机组1的出气口通过管道及阀门与深海恒压储气罐13及水-气共容舱4的顶部相连，水泵机组6通过管道及阀门与水-气共容舱4的中部连通，水-气共容舱4下部通过管道及阀门与水轮机10相连。

该系统包括一个深海恒压储气罐13，所述的深海恒压储气罐13的底部通过输水管道15直接与深海环境相连，深海恒压储气罐13的顶部通过阀门及管道与水-气共容舱4的顶部和压缩机组1排气口相连。

所述深海恒压储气罐13、水-气共容舱4、压缩机组1之间采用一个三通换向阀门3相互连通，在向储气罐充气时所述三通换向阀门3连通深海恒压储气罐13和压缩机组1，在储气罐放气时中所述三通换向阀门3连通深海恒压储气罐13和水-气共容舱4。

所述深海恒压储气罐13的罐体为刚性，采用圆柱形结构，罐体的内外壁均喷涂非金属耐腐蚀材料，可以是玻璃钢或环氧树脂。所述深海恒压储气罐13放置于海平面以下100-500m。所述深海恒压储气罐13通过锚链结构14被固定于海底。

其中，水-气共容舱4的顶部连接有安全阀门5；水泵机组6和压缩机组1的电源可以由海上风力发电机组提供，水源直接采用海水。

深海恒压储气罐13所处的环境压力可视为恒定，在向深海恒压储气罐13内排水充气时，依然可以视为深海恒压储气罐13内外压力恒定，罐体不承压。深海恒压储气罐13可以大面积阵列布置于海底。仿生声波发射器16安装在所述深海恒压储气罐13的输水管道15上，输水管道15入口还装有球形安全滤网，用于防止海洋生物进入罐体内部。所述的深海恒压储气罐13的罐体装有水位传感器17。

具体的，如图1所示，本发明用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统包括：由深海恒压储气罐13、压缩机组电机2驱动的压缩机组1、以及由水泵机组电机7驱动的水泵机组6。水轮机10的出水口接往海洋环境，通过一个排水阀门9控制水轮机10的排水做功并带动发电机11发电。水泵机组7通过一个抽水阀门8从海洋中抽水并送往水-气共容舱4。深海恒压储气罐13的底部通过输水管道15直接连通深海环境，海水通过输水管道15进出深海恒压储气罐13。深海恒压储气罐的顶部接有一个输气阀门12，输气阀门12控制深海恒压储气罐的进气与排气。

深海恒压储气罐13通过锚链结构14被固定于海底。深海恒压储气罐13的输水管道15上还装有一个仿生声波发射器16和球形安全滤网19，如图2所示，用于防止海洋生物进入深海恒压储气罐13，保证系统安全运行。深海恒压储气罐13的罐体底部装有水位传感器17用于判断深海恒压储气罐13内的水位，在向深海恒压储气罐13内充气时，若水位到达罐体底部则停止输气。

深海恒压储气罐13被放置于海平面以下100-500m，依据水-气共容舱4所需的工作压力确定深海恒压储气罐13的位置。例如，水-气共容舱4需要的工作压力为4MPa，相当于400米水头，则将深海恒压储气罐13布置在海平面以下400m。

本发明还包括一个三通换向阀门3，三通阀门换向阀门3可以根据系统的工作过程分别将深海恒压储气罐13通过输气管道18连通压缩机组1或水-气共容舱4。在预先向深海恒压储气罐13充气时，三通换向阀门3连通深海恒压储气罐13和压缩机组1，在系统的储能和释能过程中，三通换向阀门3连通水-气共容舱4和深海恒压储气罐13。

在水-气共容舱4顶部接有一个安全阀门5，防止水-气共容舱4内压力过高，提高系统安全性。

本发明用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能方法，包括以下几个步骤：

1.预压缩阶段：

(1)输气管道18排水过程：三通换向阀门3连通深海恒压储气罐13和压缩机组1，由于此时深海恒压储气罐13与大气连通，故输气管道18内水位与海平面一致。此时开动压缩机组1向输气管道18输气，当水位传感器17检测到水位低于深海恒压储气罐13顶部时，关闭压缩机组1和输气阀门12，完成输气管道18排水过程。此时深海恒压储气罐13内部充满海水，内外压力平衡。

2.系统储能过程：

三通换向阀门3连通深海恒压储气罐13和水-气共容舱4，打开输气阀门12、抽水阀门8，水泵机组电机7驱动水泵机组6向水-气共容舱4内充水，此时水-气共容舱4内压力恒定为深海恒压储气罐13所处的环境压力，水-气共容舱4内空气被挤压，推动输气管道18内的空气进入深海恒压储气罐13并排出其中的海水。储能过程结束后关闭抽水阀门8，此时深海恒压储气罐13内部为高压空气和海水，但高压空气的压力与海水压力相同，故深海恒压储气罐13内外压力仍平衡。

3.系统释能过程：

打开排水阀门9，水-气共容舱4内的水受气体推动进入水轮机10内做功，水轮机10带动发电机11发电。由于深海恒压储气罐13的背压为恒定的海洋压力，故整个过程中水-气共容舱4内的水受到的是恒定的气体压力，保证水轮机10平稳带动发电机11发电。

Claims (10)

1.一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，包括固定设置在海底且与海水连通的深海恒压储气罐(13)，向深海恒压储气罐(13)输气的压缩机组(1)，设置在地面的水-气共容舱(4)，向水-气共容舱(4)内抽水蓄能的水泵机组(6)，以及用于发电的水轮机(10)；

水轮机(10)通过管道及阀门与水-气共容舱(4)下部相连，水泵机组(6)的输入端接入海水；压缩机组(1)的出气口通过管道及阀门分别与深海恒压储气罐(13)的输气管道(18)及水-气共容舱(4)的顶部相连；

储能时，水泵机组(6)向水-气共容舱(4)内注水，水-气共容舱(4)内高压空气被挤压进入深海恒压储气罐(13)内储能；释能时，水-气共容舱(4)中的高压水被深海恒压储气罐(13)内高压空气推动进入水轮机(10)，驱动水轮机(10)带动发电机(11)发电释能。

2.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述深海恒压储气罐(13)、水-气共容舱(4)、压缩机组(1)之间采用一个三通换向阀门(3)相互连通。

3.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述深海恒压储气罐(13)呈刚性圆柱形罐体，罐体的内外壁均喷涂非金属耐腐蚀材料。

4.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述深海恒压储气罐(13)放置于海平面以下100-500m。

5.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述深海恒压储气罐(13)呈阵列并联布置于海底，并均通过锚链结构(14)被固定于海底。

6.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，所述深海恒压储气罐(13)的底部通过输水管道(15)直接与深海环境相连，深海恒压储气罐(13)的罐体装有水位传感器(17)；输水管道(15)入口设置有球形安全滤网(19)，外部设置有仿生声波发射器(16)。

7.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，水-气共容(4)的顶部连接有安全阀门(5)；水泵机组(6)通过抽水阀门(8)与水-气共容舱(4)相连；水-气共容舱(4)通过排水阀门(9)与水轮机(10)相连；深海恒压储气罐(13)的顶部通过输气阀门(12)与水-气共容舱(4)的顶部和压缩机组(1)排气口相连。

8.根据权利要求1所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于，水泵机组(6)和压缩机组(1)由海上风力发电机组供电。

9.一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的系统，其包括，

预压缩过程；连通深海恒压储气罐(13)和压缩机组(1)，开动压缩机组(1)向输气管道(18)输气，完成输气管道(18)排水过程，使得深海恒压储气罐(13)内部充满海水，内外压力平衡；

储能过程；连通深海恒压储气罐(13)和水-气共容舱(4)，启动水泵机组(6)向水-气共容舱(4)内充水，此时水-气共容舱(4)内压力恒定为深海恒压储气罐(13)所处的环境压力，水-气共容舱(4)内空气被挤压，推动输气管道(18)内的空气进入深海恒压储气罐(13)并排出其中的海水；储能完成，深海恒压储气罐(13)内部为压力相同的高压空气和海水，内外压力平衡；

释能过程；连通深海恒压储气罐(13)、水-气共容舱(4)和水轮机(10)；水-气共容舱(4)内的水受深海恒压储气罐(1)内的高压气体推动进入水轮机(10)内做功，水轮机(10)带动发电机(11)发电。

10.根据权利要求9所述的一种用深海恒压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能方法，其特征在于，

预压缩过程具体如下；

三通换向阀门(3)连通深海恒压储气罐(13)和压缩机组(1)，此时深海恒压储气罐(13)与大气连通，故输气管道(18)内水位与海平面一致；开动压缩机组(1)向输气管道(18)输气，当水位传感器(17)检测到水位低于深海恒压储气罐(13)顶部时，关闭压缩机组(1)和输气阀门(12)，完成输气管道(18)排水过程，使得深海恒压储气罐(13)内部充满海水，内外压力平衡；

储能过程具体如下；

三通换向阀门(3)连通深海恒压储气罐(13)和水-气共容舱(4)，打开输气阀门(12)和抽水阀门(8)，水泵机组电机(7)驱动水泵机组(6)向水-气共容舱(4)内充水，水-气共容舱(4)内空气被挤压，推动输气管道(18)内的空气进入深海恒压储气罐(13)并排出其中的海水；储能完成，关闭抽水阀门(8)，深海恒压储气罐(13)内部为压力相同的高压空气和海水，内外压力平衡。