CN110360056A - 间冷式海上空气储能型风力发电系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种间冷式海上空气储能型风力发电系统及工作方法，该系统包括风力发电机、漂浮式平台、固定缆绳、空气透平、高压和低压空压机、换热器、水平管线、水下管线、气囊、透平进出口管线、关断阀和风机电缆，实现将海上风电产生的过剩电能转化为压缩气体能，储存至水下气囊中，当海上风电产生的电能不足或无法产生电能时，用水下气囊中的压缩空气推动空气透平做功，将空气压缩能转化为电能，向电网提供电能，使海上风电机组自身具有一定的功率调节能力，解决现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击的难题；具有气囊恒压输出气量的优势，使功率输出比陆上空气储能电站透平输出特性更加平稳，同时采用气囊降低成本，且不占用陆上空间。

Description

间冷式海上空气储能型风力发电系统及运行方法
技术领域
本发明涉及海上风力发电和空气储能技术的交叉领域，具体涉及一种间冷式海上空气储能型风力发电系统及运行方法。
背景技术
海上风电技术是一种利用海上风能的先进的清洁能源技术，海上风能具有总储量大、可利用小时数长的特点，但受到海上风速波动的影响，海上风电的功率输出并不稳定，因此海上风电对电网体系存在系统性的冲击。为解决海上风电功率输出与电网需求不匹配的难题，海上风电场或电网需要考虑配备一定比例的抽水蓄能电站、空气储能电站或电池储能电站。然而，抽水蓄能电站需要依托地形和水源建设；空气储能的能量密度低，所以陆上空气储能电站所需储气体积大，如果采用金属储气罐成本太高，一般采用废气的矿井作为存储空气的容积，因此空气储能电站建设也存在储气地域受限，且当储存气体使用的压力降低时，透平功率输出不稳定；电池储能电站原理简单，虽不依赖地形，但其技术本身还不够成熟、稳定，行业内未形成统一标准，现有电池储能电站运行寿命较短、建设费用较高、易发生恶劣事故。如果可以将压缩空气储能与海上风电机组结合，将压缩空气储存在海平面以下的气囊中，则可以提高海上风电机组自身功率输出的稳定性，使海上风电机组的输出功率具有一定范围的调节能力，则可以降低海上风电对电网的冲击，降低电网对抽水蓄能电站、陆上空气储能电站或电池储能电站的建设和调峰需求。目前，尚无有效的技术方案能实现海上风电功率输出与电网需求波动进行实时的功率匹配和调节。如果能够开发一种技术，实现海上风电机组自身具有调节能力，将使海上风能更好的利用。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种间冷式海上空气储能型风力发电系统及运行方法,可显著降低或消除海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
间冷式海上空气储能型风力发电系统，包括风力发电机1、漂浮式平台2、固定缆绳3、低压空压机4、换热器5、高压空压机6、空气透平7、水泵8、气囊9、低压空压机进口管线10、低压空压机出口管线11、高压空压机进口管线12、水泵进口管线13、水泵出口管线14、换热器出口管线15、高压空压机出口管线16、水平管线17、透平进口管线18、透平出口管线19、水下管线20、风机电缆21、空压机出口管线关断阀22和透平进口管线关断阀23，其中风力发电机1固定在漂浮式平台2上，漂浮式平台2通过一个或若干个固定缆绳3固定在某一海域，风机电缆21的一端固定在漂浮式平台2上，低压空压机4、换热器5、高压空压机6、空气透平7和水泵8均固定在漂浮式平台2上，低压空压机进口管线10和低压空压机出口管线11分别与低压空压机4的进口和出口相连，低压空压机出口管线11通过换热器5与高压空压机进口管线12相连通，水泵进口管线13和水泵出口管线14分别与水泵8的进口和出口相连，水泵出口管线14通过换热器5与换热器出口管线15相连通，高压空压机进口管线12和高压空压机出口管线16分别与高压空压机6的进口和出口相连通，透平进口管线18和透平出口管线19分别与空气透平7的进口和出口相连，高压空压机出口管线16和透平进口管线18均与水平管线17的一端连通，水平管线17的另一端通过水下管线20与固定于海水下的气囊9相连通，空压机出口管线关断阀22位于高压空压机出口管线16上，透平进口管线关断阀23位于透平进口管线18上。
所述低压空压机进口管线10和透平出口管线19均与空气直接相通。
所述气囊9的个数大于等于1，且当气囊9的个数大于1时，气囊9间彼此相互连通；所述气囊9固定于水下80至1000米以内的某一固定深度。
所述固定缆绳3与海底接触的一端是船锚结构或打桩结构或沉桩结构。
风力发电机1输出的电能可通过风机电缆21传输至电网或为高压空压机4和低压空压机6提供动力，空气透平7输出的电能可通过风机电缆21传输至电网。
所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统的运行方法，所述间冷式海上空气储能型风力发电系统的工作过程主要有三个阶段，分别为直接上网阶段、储能阶段、放能阶段，所述直接上网阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％至110％时，空压机出口管线关断阀22和透平进口管线关断阀23处于关闭状态，风力发电机1输出的电能全部通过风机电缆21传输至电网；所述储能阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的110％以上时，空压机出口管线关断阀22处于开启状态，透平进口管线关断阀23处于关闭状态，风力发电机1输出的电功率分为两部分电功率，第一部分为与电网需求值相等的电功率，第二部分为多出电网需求值的部分电功率，其中第一部分电功率通过风机电缆21传输至电网，第二部分电功率带动低压空压机4和高压空压机6对气体做功，将电能转化为压缩气体能，储存在气囊9中；所述放能阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％以下时，空压机出口管线关断阀22处于关闭状态，透平进口管线关断阀23处于开启状态，用水下的气囊9中的压缩空气推动空气透平7做功，将空气压缩能转化为电能，空气透平7输出的电能通过风机电缆21传输至电网，或者空气透平7与风力发电机1输出的电能全部通过风机电缆21传输至电网。
本发明的有益效果在于：
目前，尚未见到可用于解决海上风电上网电功率波动性过大问题的成熟技术方案。本发明提出了一种可操作性高的间冷式海上空气储能型风力发电系统，通过在海上风电机组漂浮平台上设置高压和低压空气压缩机、空气透平、水下储气气囊的技术方案，可以实现将海上风电产生的过剩电能通过多个空压机储存至压缩空气中，储存至水下储气气囊中，储气压力可达0.8MPa至10MPa，提高了空气储能的的能量密度，当海上风电产生的电能不足或无法产生电能时，用水下储气气囊中的压缩空气推动空气透平做功，将空气压缩能转化为电能，向电网提供电能，通过此种方案实现海上风电机组自身具有一定的功率调节能力，可显著降低或消除现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。本方案采用水下气囊储气，当气囊内的气体减少时，气体的压力等同于周围海水压力，气囊体积收缩，气压不变，可使本系统中的空气透平功率输出特性比陆上空气储能电站透平输出特性更加平稳。同时，本方案采用较低成本的水下气囊方案代替价格昂贵的储罐，降低了成本且不受用陆上空间限制，具有寿命长、灵活性高的特点。
附图说明
图1是本发明间冷式海上空气储能型风力发电系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明间冷式海上空气储能型风力发电系统，包括风力发电机1、漂浮式平台2、固定缆绳3、低压空压机4、换热器5、高压空压机6、空气透平7、水泵8、气囊9、低压空压机进口管线10、低压空压机出口管线11、高压空压机进口管线12、水泵进口管线13、水泵出口管线14、换热器出口管线15、高压空压机出口管线16、水平管线17、透平进口管线18、透平出口管线19、水下管线20、风机电缆21、空压机出口管线关断阀22和透平进口管线关断阀23，其中风力发电机1固定在漂浮式平台2上，漂浮式平台2通过一个或若干个固定缆绳3固定在某一海域，风机电缆21的一端固定在漂浮式平台2上，低压空压机4、换热器5、高压空压机6、空气透平7和水泵8均固定在漂浮式平台2上，低压空压机进口管线10和低压空压机出口管线11分别与低压空压机4的进口和出口相连，低压空压机出口管线11通过换热器5与高压空压机进口管线12相连通，水泵进口管线13和水泵出口管线14分别与水泵8的进口和出口相连，水泵出口管线14通过换热器5与换热器出口管线15相连通，高压空压机进口管线12和高压空压机出口管线16分别与高压空压机6的进口和出口相连通，透平进口管线18和透平出口管线19分别与空气透平7的进口和出口相连，高压空压机出口管线16和透平进口管线18均与水平管线17的一端连通，水平管线17的另一端通过水下管线20与固定于海水下的气囊9相连通，空压机出口管线关断阀22位于高压空压机出口管线16上，透平进口管线关断阀23位于透平进口管线18上。
作为本发明的优选实施方式，所述低压空压机进口管线10和透平出口管线19均与空气直接相通。
作为本发明的优选实施方式，所述气囊9的个数大于等于1，且当气囊9的个数大于1时，气囊9间彼此相互连通；所述气囊9固定于80至1000米以内的某一固定深度。
作为本发明的优选实施方式，所述固定缆绳3与海底接触的一端是船锚结构或打桩结构或沉桩结构。
作为本发明的优选实施方式，风力发电机1输出的电能可通过风机电缆21传输至电网或为高压空压机4和低压空压机6提供动力，空气透平7输出的电能可通过风机电缆21传输至电网。
本发明所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统的运行方法，所述间冷式海上空气储能型风力发电系统的工作过程主要有三个阶段，分别为直接上网阶段、储能阶段和放能阶段，所述直接上网阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％至110％时，空压机出口管线关断阀22和透平进口管线关断阀23处于关闭状态，风力发电机1输出的电能全部通过风机电缆21传输至电网；所述储能阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的110％以上时，空压机出口管线关断阀22处于开启状态，透平进口管线关断阀23处于关闭状态，风力发电机1输出的电功率分为两部分电功率，第一部分为与电网需求值相等的电功率，第二部分为多出电网需求值的部分电功率，其中第一部分电功率通过风机电缆21传输至电网，第二部分电功率带动低压空压机4和高压空压机6对气体做功，将电能转化为压缩气体能，储存在气囊9中；所述放能阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％以下时，空压机出口管线关断阀22处于关闭状态，透平进口管线关断阀23处于开启状态，用水下的气囊9中的压缩空气推动空气透平7做功，将空气压缩能转化为电能，空气透平7输出的电能通过风机电缆21传输至电网，或者空气透平7与风力发电机1输出的电能全部通过风机电缆21传输至电网。

Claims (6)

1.间冷式海上空气储能型风力发电系统，其特征在于：包括风力发电机(1)、漂浮式平台(2)、固定缆绳(3)、低压空压机(4)、换热器(5)、高压空压机(6)、空气透平(7)、水泵(8)、气囊(9)、低压空压机进口管线(10)、低压空压机出口管线(11)、高压空压机进口管线(12)、水泵进口管线(13)、水泵出口管线(14)、换热器出口管线(15)、高压空压机出口管线(16)、水平管线(17)、透平进口管线(18)、透平出口管线(19)、水下管线(20)、风机电缆(21)、空压机出口管线关断阀(22)和透平进口管线关断阀(23)，其中风力发电机(1)固定在漂浮式平台(2)上，漂浮式平台(2)通过一个或若干个固定缆绳(3)固定在某一海域，风机电缆(21)的一端固定在漂浮式平台(2)上，低压空压机(4)、换热器(5)、高压空压机(6)、空气透平(7)和水泵(8)均固定在漂浮式平台(2)上，低压空压机进口管线(10)和低压空压机出口管线(11)分别与低压空压机(4)的进口和出口相连，低压空压机出口管线(11)通过换热器(5)与高压空压机进口管线(12)相连通，水泵进口管线(13)和水泵出口管线(14)分别与水泵(8)的进口和出口相连，水泵出口管线(14)通过换热器(5)与换热器出口管线(15)相连通，高压空压机进口管线(12)和高压空压机出口管线(16)分别与高压空压机(6)的进口和出口相连通，透平进口管线(18)和透平出口管线(19)分别与空气透平(7)的进口和出口相连，高压空压机出口管线(16)和透平进口管线(18)均与水平管线(17)的一端连通，水平管线(17)的另一端通过水下管线(20)与固定于海水下的气囊(9)相连通，空压机出口管线关断阀(22)位于高压空压机出口管线(16)上，透平进口管线关断阀(23)位于透平进口管线(18)上。
2.根据权利要求1所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统，其特征在于：所述低压空压机进口管线(10)和透平出口管线(19)均与空气直接相通。
3.根据权利要求1所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统，其特征在于：所述气囊(9)的个数大于等于1，且当气囊(9)的个数大于1时，气囊(9)间彼此相互连通；所述气囊(9)固定于水下80至1000米以内的某一固定深度。
4.根据权利要求1所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统，其特征在于：所述固定缆绳(3)与海底接触的一端是船锚结构或打桩结构或沉桩结构。
5.根据权利要求1所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统，其特征在于：风力发电机(1)输出的电能通过风机电缆(21)传输至电网或为高压空压机(4)和低压空压机(6)提供动力，空气透平(7)输出的电能通过风机电缆(21)传输至电网。
6.权利要求1至5任一项所述的间冷式海上空气储能型风力发电系统的运行方法，其特征在于：所述间冷式海上空气储能型风力发电系统的工作过程有三个阶段，分别为直接上网阶段、储能阶段和放能阶段，所述直接上网阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％至110％时，空压机出口管线关断阀(22)和透平进口管线关断阀(23)处于关闭状态，风力发电机(1)输出的电能全部通过风机电缆(21)传输至电网；所述储能阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的110％以上时，空压机出口管线关断阀(22)处于开启状态，透平进口管线关断阀(23)处于关闭状态，风力发电机(1)输出的电功率分为两部分电功率，第一部分为与电网需求值相等的电功率，第二部分为多出电网需求值的部分电功率，其中第一部分电功率通过风机电缆(21)传输至电网，第二部分电功率带动低压空压机(4)和高压空压机(6)对气体做功，将电能转化为压缩气体能，储存在气囊(9)中；所述放能阶段是指间冷式海上空气储能型风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％以下时，空压机出口管线关断阀(22)处于关闭状态，透平进口管线关断阀(23)处于开启状态，用水下的气囊(9)中的压缩空气推动空气透平(7)做功，将空气压缩能转化为电能，空气透平(7)输出的电能通过风机电缆(21)传输至电网，或者空气透平(7)与风力发电机(1)输出的电能全部通过风机电缆(21)传输至电网。
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