CN110566408A - 深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置及方法,其中,装置包括:风力发电机塔架、抽水蓄能装置和浮力装置,其中,抽水蓄能装置包括风力发电机、水轮机和抽水泵;浮力装置用于支撑风力发电机塔架,浮力装置包括空心球体,且空心球体的球壳上设置有水轮机和抽水泵,以在用电低峰时,利用风力发电机发出的电能将水从空心球体中抽出,进行抽水蓄能,而在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入空心球体,带动水轮机发电,使得风力发电机和水轮机同时向电网供电。该装置可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。

Description

深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置及方法
技术领域
本发明涉及深远海域海上风电技术领域,特别涉及一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置及方法。
背景技术
近年来我国能源需求不断增大,随着化石能源不断枯竭,风力发电作为可再生能源得到快速发展,是目前最具前景的可再生能源之一。另外,风能作为一种清洁能源,已经得到广泛认可,风力发电技术也已相当成熟,大范围推广已不是问题。
相较于陆地,海面上的风力资源丰富且稳定,海上风力发电场的建设越来越多。对于离岸深海地区,风力资源更为丰富,建设海上风力发电厂不仅不占用土地资源,而且不影响近海区域其他功能的发挥,深海海上风力发电必然是未来的发展趋势。
我国幅员辽阔,海岸线漫长,总长度达3.2万公里,海上风力资源非常丰富。而且我国东部沿海地区经济发达,土地宝贵,不适合发展陆地风力发电,更适合建设海上风力发电。但是海上风力发电面临的困难之一是基础问题,目前常用的基础有单桩、多桩、重力式、吸力式、漂浮式基础,而在深海区考虑经济性只能使用漂浮式基础。
然而,在海上进行风力发电过程中,受到环境、风速、风向等因素的影响,发电的输出功率呈现浮动变化,输出电量的峰值、时间间隔都是随机变化的。当并入电力系统时,可能会导致电网频率出现偏差、电压波动、闪变等问题。而电网的负荷也是在不断变化的,用电高峰和用电低峰的用电量差别非常大。因此,如何安全、高效地将风电并入电网,是当前最热门的研究课题之一。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本发明的一个目的在于提出一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置,该装置可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。
本发明的另一个目的在于提出一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法。
为达到上述目的,本发明一方面实施例提出了一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置,包括:风力发电机塔架和抽水蓄能装置,其中,所述抽水蓄能装置包括风力发电机、水轮机和抽水泵;浮力装置,用于支撑所述风力发电机塔架,所述浮力装置包括空心球体,且所述空心球体的球壳上设置有所述水轮机和所述抽水泵,以在用电低峰时,利用所述风力发电机发出的电能将水从所述空心球体中抽出,进行抽水蓄能,而在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入所述空心球体,带动所述水轮机发电,使得所述风力发电机和所述水轮机同时向电网供电。
本发明实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置,通过在电网低负荷时抽水蓄能,在电网高负荷时风机和水轮机同时发电,提高对风力发电不确定以及电网负荷波动的适应性,从而可以更高效、充分地利用风力发电,且可以更好地调节并入风力发电后的电网,进而可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。
另外,根据本发明上述实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置还可以具有以下附加的技术特征:
进一步地,在本发明的一个实施例中,还包括:系泊装置,所述系泊装置设置于所述空心球体的底部,以连接所述空心球体和海底,使得所述风力发电装置保持在预定位置。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述系泊装置连接在所述空心球体表面同一高度。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述空心球体的顶部与所述风力发电机塔架相连。
进一步地,在本发明的一个实施例中,还包括:控制器,用于当在用电低峰时,关闭所述水轮机的阀门,并且当在用电高峰时,打开所述水轮机的阀门,关闭所述抽水泵的阀门。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述水轮机和所述抽水泵的安装高度根据所述空心球体的最小吃水深度确定。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述最小吃水深度根据所述空心球体的稳定数据得到。
可选地,在本发明的一个实施例中,所述最小吃水深度可以为23m。
可选地,在本发明的一个实施例中,所述空心球体可以为真空钢筋混凝土球体。
为达到上述目的,本发明另一方面实施例提出了一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法,采用上述实施例所述的装置,其中,方法包括以下步骤:检测用电的当前状况;当在用电低峰时,利用所述风力发电机发出的电能将水从所述空心球体中抽出,进行抽水蓄能;当在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入所述空心球体,带动所述水轮机发电,使得所述风力发电机和所述水轮机同时向电网供电。
本发明实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法,通过在电网低负荷时抽水蓄能,在电网高负荷时风机和水轮机同时发电,提高对风力发电不确定以及电网负荷波动的适应性,从而可以更高效、充分地利用风力发电,且可以更好地调节并入风力发电后的电网,进而可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为根据本发明实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置的结构示意图;
图2为根据本发明实施例的真空钢筋混凝土球体的吃水深度示意图;
图3为根据本发明实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置及方法,首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置。
图1是本发明一个实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置的结构示意图。
如图1所示,该深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置10包括:风力发电机塔架100、抽水蓄能装置200(图中未具体标识)和浮力装置300(图中未具体标识)。
其中,抽水蓄能装置200包括风力发电机210、水轮机220和抽水泵230。浮力装置300,用于支撑风力发电机塔架100,浮力装置300包括空心球体310,且空心球体310的球壳上设置有水轮机220和抽水泵230,以在用电低峰时,利用风力发电机210发出的电能将水从空心球体310中抽出,进行抽水蓄能,而在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入空心球体310,带动水轮机220发电,使得风力发电机210和水轮机220同时向电网供电。本发明实施例的装置10可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。
在本发明的一个实施例中,空心球体310的顶部与风力发电机塔架100相连,且风力发电机塔架100远离空心球体310的一端连接有风力发电机210和风力发电机桨叶。
可选地,在本发明的一个实施例中,空心球体310可以为真空钢筋混凝土球体。
可以理解的是,空心球体310的材料可以为钢筋混凝土,球壳的厚度根据强度计算得出;且空心钢筋混凝土球体内部为真空,外部海水在大气压作用下可进入球体内。
进一步地,在本发明的一个实施例中,如图1所示,本发明实施例的装置10还包括:系泊装置400。其中,系泊装置400设置于空心球体310的底部,以连接空心球体310和海底,使得风力发电装置10保持在预定位置。其中,系泊装置连接在空心球体310表面同一高度。
进一步地,在本发明的一个实施例中,本发明实施例的装置10还包括:控制器。其中,控制器用于当在用电低峰时,关闭水轮机220的阀门,并且当在用电高峰时,打开水轮机220的阀门,关闭抽水泵230的阀门。
可以理解的是,当在用电低峰时,可关闭水轮机220阀门,利用风力发电机210发的部分或全部的电带动抽水泵230将钢筋混凝土球体内部的水抽出,进行抽水蓄能。当在用电高峰时,可打开水轮机220阀门,关闭抽水泵阀门,钢筋混凝土球体内部为真空,外部海水在大气压作用下进入球体的同时带动水轮机发电。这种情况下,水轮机和风力发电机可同时向电网供电。
进一步地,在本发明的一个实施例中,水轮机220和抽水泵230的安装高度根据空心球体310的最小吃水深度确定,其中,最小吃水深度根据空心球体310的稳定数据得到。可选地,最小吃水深度可以为23m。
可以理解的是,由于在“蓄能”和“发电”的过程中,球体内的水位会不断变化,整个装置10的自重和所受到的浮力也会随之变化,本发明实施例的装置10会上下浮动;因此,在球体内水位变化时,要保证整个装置10能够浮在水面上,不能因球体内部充水过多而沉没,在球体上下浮动时,要保证球体的稳定性,在自然情况下不能倾倒,必须规定最小吃水深度hmin。需要说明的,最小吃水深度的计算将在下面实施例进行阐述,在此不做说明。
下面将以真空钢筋混凝土球体为例对深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置10进行进一步阐述。
本发明实施例可以将支撑风力发电机塔架的浮力装置300设置成真空钢筋混凝土球体,并在真空钢筋混凝土球体上开孔安装水轮机220和抽水泵230。
为了保证真空钢筋混凝土球体内部的真空环境,本发明实施例在水轮机220和抽水泵230开孔外部设置可密封的阀门,在其不工作时,可将对应的阀门关闭以密封真空钢筋混凝土球体。
为了保证真空钢筋混凝土球体的稳定性,其重心不能过高,即吃水深度不能太小,真空钢筋混凝土球体内部得有一部分水永久保留,此水面高度亦为水轮机220和抽水泵230的安装高度。
具体而言,水轮机220安装在真空钢筋混凝土球体的球壳上,外部海水在大气压作用下进入球体时可带动水轮机220发电,具体地:水轮机220用于外部海水进入真空混凝土球体时将势能转化成电能。抽水泵230安装在真空钢筋混凝土球体的球壳上,用于在用电低峰时抽出真空钢筋混凝土球体内的水,进行抽水蓄能,具体地:抽水泵230用于抽出真空混凝土球体中的海水,将“多余”的电能转化为大气压力势能和水的势能储存起来。其中,水轮机220与抽水泵230的安装高度均根据空心混凝土的最小吃水深度确定。
进一步地,为了保证整个装置保持在预定位置上,在真空钢筋混凝土球体下部设有系泊装置400,系泊装置400将真空钢筋混凝土球体与海底相连,保证装置保持在预定位置上。优选地,系泊装置400的缆绳长度应该适当,既要保证在“蓄能”和“发电”的过程中真空钢筋混凝土球体有上下浮动的空间,又要对装置的稳定性起作用。优选地,系泊装置400应连接在真空钢筋混凝土球体表面的同一高度处,进一步保证真空钢筋混凝土球体的稳定性。
下面将结合具体参数对本发明实施例的结构尺寸进行计算,进一步说明其可行性,但本发明并不局限于以下实施例。
参数选定如表1所示。
表1
参数 数值
风力发电机功率/W 2000KW
风力发电机总重量/M<sub>w</sub> 80t
最长抽水蓄能时间/t 5h
抽水泵效率/η 70%
真空钢筋混凝土球体壁厚/a 500mm
混凝土密度/ρ<sub>c</sub> 2500kg/m<sup>3</sup>
真空钢筋混凝土球体半径/r (计算确定)
风力发电机5小时内满负荷发电量:
W=Ph=2000×5=10000kwh=3.6×1010J。
抽水泵从真空抽水克服大气压做功,相当于将水提升h=10m。
风机5小时发电量可抽水量为:
令:则:
考虑到抽水泵还要克服真空钢筋混凝土球体内外水位差做功,取:r=35m;则钢筋混凝土质量:
系统总质量:
M=Mc+Mw=1.897×107+0.008×107=1.905×107kg;
系统的排水体积:
f=ρwgV排0=Mg;
下面计算未充水时真空钢筋混凝土球体在水面上的吃水深度:
如图2所示球体,阴影部分的体积为:
令:
解得:h=7.154m。
为了使球体保持稳定,设海水的最小吃水深度为:
则排水体积为:
最小吃水深度时,球体内水的体积为:
V=V排1-V排0=(45.425-19.05)×103=26.375×103m3
球体内水的深度,令:
解得:h=8.107m,则水轮机和抽水泵应设在此高度。
球体恰好淹没时:
在浮力允许的范围内,球体内水的最大体积为:
V=V排2-V排0=(179.594-19.05)×103=160.544×103m3
球体内水的深度,令:
解得:h=53.501m。
可调节水的体积为:
V调节=V-V=(160.544-26.375)×103=134.169×103m3
抽水所用时间为:
可见此尺寸真空钢筋混凝土球体的调蓄时间与预期相符。
另外,本发明实施例的装置10的具体安装及工作工程为:在岸上工厂预制钢筋混凝土球体,安装水轮机和抽水泵,在球体顶部安装塔架和风机。在钢筋混凝土球体内部充入一定量的水(大于最小吃水深度时球体内水的体积),拖运至目标海域,将钢筋混凝土球体与系泊装置相连。全部安装完成后,将风力发电装置接入电网,当在用电低峰时,可利用风力发电机发的部分或全部的电带动抽水泵将真空钢筋混凝土球体内部的水抽出,进行抽水蓄能;当在用电高峰时,可打开水轮机的阀门,外部海水在大气压作用下进入球体的同时带动水轮机发电,水轮机和风力发电机可同时向电网供电,保证用电高峰时电网的正常运行。
综上,与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:本发明实施例充分利用漂浮装置——空心钢筋混凝土球体的空腔,将其内部抽成真空,在用电低峰时,利用风力发电机发出的电能将水从真空球壳中抽出,进行抽水蓄能;在用电高峰时,大气压将外部海水压入球体,带动水轮机发电,风力发电机和水轮机可同时向电网供电。该装置可以将用电低峰时“多余”的电能储存,防止电能浪费;该装置可以在用电高峰时,水轮机发电,将储存的电能释放,提高电能的利用率。通过抽水蓄能,该装置能够对电网起调节作用,保证电网运行效率的同时,提高风力发电对电网的适应性。
根据本发明实施例提出的深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置,通过在电网低负荷时抽水蓄能,在电网高负荷时风机和水轮机同时发电,提高对风力发电不确定以及电网负荷波动的适应性,从而可以更高效、充分地利用风力发电,且可以更好地调节并入风力发电后的电网,进而可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法。
图3是本发明一个实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法的流程图。
如图3所示,该深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法,采用上述实施例的装置,其中,方法包括以下步骤:
在步骤S301中,检测用电的当前状况;
在步骤S302中,当在用电低峰时,利用风力发电机发出的电能将水从空心球体中抽出,进行抽水蓄能;
在步骤S303中,当在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入空心球体,带动水轮机发电,使得风力发电机和水轮机同时向电网供电。
需要说明的是,前述对深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置实施例的解释说明也适用于该实施例的深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法,此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法,通过在电网低负荷时抽水蓄能,在电网高负荷时风机和水轮机同时发电,提高对风力发电不确定以及电网负荷波动的适应性,从而可以更高效、充分地利用风力发电,且可以更好地调节并入风力发电后的电网,进而可调节不同时期风力发电向电网的供电量,提高电能的利用效率,提高风力发电对电网的适应性,有望在深海地区得到推广。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置,其特征在于,包括:
风力发电机塔架和抽水蓄能装置,其中,所述抽水蓄能装置包括风力发电机、水轮机和抽水泵;和
浮力装置,用于支撑所述风力发电机塔架,所述浮力装置包括空心球体,且所述空心球体的球壳上设置有所述水轮机和所述抽水泵,以在用电低峰时,利用所述风力发电机发出的电能将水从所述空心球体中抽出,进行抽水蓄能,而在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入所述空心球体,带动所述水轮机发电,使得所述风力发电机和所述水轮机同时向电网供电。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括:系泊装置,所述系泊装置设置于所述空心球体的底部,以连接所述空心球体和海底,使得所述风力发电装置保持在预定位置。
3.根据权利要求2所述的装置,其特征在于,所述系泊装置连接在所述空心球体表面同一高度。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述空心球体的顶部与所述风力发电机塔架相连。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括:
控制器,用于当在用电低峰时,关闭所述水轮机的阀门,并且当在用电高峰时,打开所述水轮机的阀门,关闭所述抽水泵的阀门。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述水轮机和所述抽水泵的安装高度根据所述空心球体的最小吃水深度确定。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述最小吃水深度根据所述空心球体的稳定数据得到。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述最小吃水深度为23m。
9.根据权利要求1-8任意一项所述装置,其特征在于,所述空心球体为真空钢筋混凝土球体。
10.一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电方法,其特征在于,采用如权利要求1-9任意一项所述的装置,其中,方法包括以下步骤:
检测用电的当前状况;
当在用电低峰时,利用所述风力发电机发出的电能将水从所述空心球体中抽出,进行抽水蓄能;以及
当在用电高峰时,通过大气压将外部海水压入所述空心球体,带动所述水轮机发电,使得所述风力发电机和所述水轮机同时向电网供电。
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