CN111566339B - 水下能量存储系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下能量存储系统(UW‑ES系统)，该水下能量存储系统包括存储器结构，该存储器结构位于诸如为海、海洋、水路等的体(1)的底部(4)。该存储器结构具有带可变形壁结构(17A、17B)的加压储液器(7A、7B)和带刚性壁结构(18A、18B)的减压储液器(8A、8B)，所述加压储液器(7A、7B)容纳与水体的水(2)分离的工作液体(9)。分别通过将工作液体的部分从减压存储器转移到加压存储器中来存储能量，以及通过将工作液体的部分从加压存储器转移到减压存储器中来回收能量。其中使用了作用在加压存储器的可变形壁结构上的水的流体静压。UW‑ES系统紧凑且经济，并且允许与各种动力输出系统高度协同地集成。

Description

水下能量存储系统
技术领域
本发明涉及一种水下能量存储系统，用于在水体表面下方存储能量。
背景技术
在本文中，应注意的是，贯穿本文件使用的术语“水体”是指海、海洋、水路或其它类似的大流域。
另外，在本文件中，水下能量存储系统有时缩写为“UW-ES系统”。
用于在水体表面下方存储能量的水下能量存储系统例如从WO2015053615A1的图1A中获知。
发明内容
本发明的一个目的是提供至少一种替代的水下能量存储系统，该水下能量存储系统提供了对已知水下能量存储系统的改进。
为此，本发明提供一种用于在水体的表面下方存储能量的水下能量存储系统，其中，水下能量存储系统包括存储器结构，存储器结构包括基部结构，通过基部结构，存储器结构位于水体的底部处，以及其中，存储器结构包括加压存储器和减压存储器，加压存储器和减压存储器中的每个均相对于基部结构进行保持，以及加压存储器和减压存储器中的每个均将工作液体保持在水体的表面下方且与水体的水分离，以及其中，加压存储器具有可变形壁结构，并且布置和配置成通过可变形壁结构在作用在可变形壁结构上的水的流体静压影响下的变形来对容纳在加压存储器内的工作液体加压，以及其中，减压存储器具有刚性壁结构，刚性壁结构布置和配置成屏蔽减压存储器内的工作液体免于在水的流体静压的影响下加压，以及其中，水下能量存储系统还包括能量存储子系统和能量回收子系统，能量存储子系统配置成通过将工作液体的部分从减压存储器转移到加压存储器中来增加存储器结构内的工作液体的势能来存储能量，以及能量回收子系统配置成通过将工作液体的部分释放以从加压存储器流动至减压存储器中来减少存储器结构内的工作液体的势能来回收所存储的能量。
在优选的实施方式中，水下能量存储系统还包括空气管道结构，空气管道结构布置和配置成在减压存储器与水体的表面上方的空气空间之间提供气流。
本发明提供了一种动力输出和存储系统，包括上述水下能量存储系统和动力输出系统，其中，动力输出系统通过水下能量存储系统的存储器结构的基部结构而位于水体的底部处。
在优选的实施方式中，动力输出和存储系统配置成经由能量存储子系统存储由动力输出系统提供的能量。
在优选的实施方式中，动力输出系统是风力涡轮机。
因此，本发明提供了一种用于在水体表面下方存储能量的水下能量存储系统，其中，该水下能量存储系统包括存储器结构，所述存储器结构包括基部结构，所述存储器结构通过所述基部结构位于所述水体的底部，并且其中，所述存储器结构包括加压存储器和减压存储器，所述加压存储器和减压存储器中的每个均相对于所述基部结构进行保持，并且所述加压存储器和所述减压存储器中的每个均在所述水体表面下方保持工作液体，并且与所述水体的水分离，并且其中，所述加压存储器具有可变形壁结构，并且布置和配置成用于通过所述可变形壁结构在作用于所述可变形壁结构上的水的流体静压的影响下的变形，来对容纳在所述加压存储器内的所述工作液体加压，并且其中，所述减压存储器具有刚性壁结构，所述刚性壁结构布置和配置成用于屏蔽所述减压存储器内的所述工作液体免受在所述水的流体静压的影响下加压，并且其中，所述水下能量存储系统还包括能量存储子系统和能量回收子系统，所述能量存储子系统配置成通过将所述工作液体的部分从所述减压存储器转移到所述加压存储器中来增加所述存储器结构内的所述工作液体的势能来存储能量，所述能量回收子系统配置成通过将所述工作液体的部分从所述加压存储器释放到所述减压存储器中来减少所述存储器结构内的所述工作液体的势能来回收所存储的能量。
与从WO2015053615A1的图1A中已知的水下能量存储系统相比，根据本发明的该UW-ES系统具有不同的存储器结构。主要的不同之处在于，该UW-ES系统的存储器结构具有基部结构，通过该基部结构，该存储器结构位于水体的底部，并且该存储器结构具有加压存储器，该加压存储器具有其可变形的壁结构。由于这些差异，当存储和回收势能时，该UW-ES系统能够利用流体静压，该流体静压在水体的水中是自然可利用的，并且作用在加压存储器的可变形壁结构上。由于在存储器结构所在的水体底部附近具有非常强大的静水压力，因而该UW-ES系统的存储器结构可建造得比从WO2015053615A1的图1A中已知的系统的存储器结构明显更紧凑和更便宜。毕竟，所述已知系统具有相对大体积的上存储器2和下存储器3。上存储器2和下存储器3体积庞大的原因在于，在所述已知系统中，存储和回收势能仅涉及工作液体本身的流体静压。所述已知系统根本不使用水体水的高得多的流体静压。
注意，已知其它系统，其使用水体的水本身作为工作液体，以进行转移，从而用于存储和回收势能。在这种意义上，这些其它已知的系统利用水体水的流体静压。然而，这些其它已知的系统的缺点在于，水体的水会污染这些系统的结构部件。另一方面，在根据本发明的UW-ES系统中，工作液体是经调整处理的工作液体，因为它与水体的未经调整处理的水保持分离。
在本发明的优选实施方式中，水下能量存储系统还包括空气管道结构，该空气管道结构布置和配置成用于在减压存储器与水体表面上方的空气空间之间提供气流。由于该空气管道结构，因而可实现的是，在工作液体部分从减压存储器到加压存储器的许多不同转移期间，减压存储器内的空气压力将基本上保持在大气压力水平，以及在从加压存储器到减压存储器的许多不同转移期间，加压存储器内的空气压力将基本上保持在大气压力水平。可选地，如果需要，可为空气管道结构设置可控的阀装置和/或可控的空气转移装置，以便将减压存储器内的空气压力控制在各种其它压力水平。
在另一优选实施方式中，本发明提供了一种动力输出和存储系统，其不仅包括根据本发明的水下能量存储系统，而且还包括动力输出系统，其中，动力输出系统通过水下能量存储系统的存储器结构的基部结构而位于水体的底部。因此，该优选实施方式在水体底部至少设置了用于水下能量存储系统和动力输出系统二者的共用基础。这在两个系统的总安装和维护成本方面提供了协同作用。
在本发明的另一优选实施方式中，动力输出和存储系统配置成通过所述能量存储子系统存储由所述动力输出系统提供的能量。这在两个系统的总安装和维护成本方面提供了进一步的协同作用。
在本发明的另一优选实施方式中，动力输出和存储系统的动力输出系统是风力涡轮机。由于风力涡轮机需要相对坚固的基础，因而充分利用了上述关于两个系统的安装成本的协同作用。因此，本发明允许提供一种与集成的原位能量存储系统相结合的紧凑型风力涡轮机系统。风力涡轮机系统和能量存储系统的这种组合系统不仅具有两个系统的最佳安装和维护成本，而且还提供了最佳的运行能量经济性，因为风能在收集风能的地方是可存储的，通常在离岸的地方。
附图说明
本发明的上述方面和其它方面将从以下仅通过非限制性实例并参考附图中的示意图描述的实施方式中变得显而易见，并得以阐明。
图1以剖视图示出了根据本发明的水下能量存储系统的实施方式的示例。
图2以类似于图1的剖视图示出了用于根据本发明的水下能量存储系统中的上述空气管道结构的具体实施方式的示例。
图1和图2中所用的附图标记以下述方式指示本发明的上述部分和各方面、以及相关的部分和各方面。
1 水体
2 水体中的水
3 水体表面
4 水体底部
5；105 存储器结构
6 基部结构
7A、7B 加压存储器
8A、8B 减压存储器
9 工作液体
10 动力输出和存储系统
11A、11B 能量存储子系统
12A、12B 能量回收子系统
14；114 风道结构
15A、15B 能量存储管道
16A、16B 能量回收管道
17A、17B 可变形壁结构
18A、18B 刚性壁结构
19 锚定系统
21 泵
22A、22B 涡轮机
30 水下能量存储(UW-ES)系统
50 动力输出系统(风力涡轮机)
70 动力输出系统(表面波浪能量提取器)
71 漂浮物
72 起吊线
73 液体引导结构
具体实施方式
在图1和图2中，对于与图1和图2的不同实施方式，相似的部件和方面有时使用相同的附图标记。
基于上面的介绍性描述，包括对附图的简要描述，以及基于在附图中使用的上面解释的附图标记，图1和图2的示例很大部分是容易自我解释的。下面给出了额外的解释。
首先参考图1所示的例子。其中，将水下能量存储系统30(UW-ES系统30)示为动力输出和存储系统10的部分。动力输出和存储系统10还包括两个动力输出系统50和70。动力输出系统50是风力涡轮机。动力输出系统70是表面波浪能量提取器，其布置和配置成以与上述文献WO2015053615A1中描述的方式类似的方式从水体1的表面波浪提取动能。因此，这里不再详细讨论表面波浪能量提取器70的运行。这里简单地注意到的是，图1示出了多个漂浮物71、提升线72和液体引导结构73，漂浮物71、提升线72和液体引导结构73分别与WO2015053615A1的图3中所示的系统1的漂浮物9、提升线28和液体引导结构52类似。
UW-ES系统30的存储器结构5的基部结构6是刚性的防水地板，基部结构6通过诸如锚定裙部19的锚定系统19相对于水体1的底部4锚定。
存储器结构5分别包括两个(相互相似的)加压存储器7A和7B、以及两个对应的(相互相似的)减压存储器8A和8B。加压存储器7A和7B分别具有可变形的壁结构17A和17B，壁结构17A和17B是囊型的。减压存储器8A和8B分别具有刚性壁结构18A和18B。另外，刚性基部结构6和刚性空气管道结构14用作减压存储器8A和8B的刚性壁结构的部分。
如图1的左下部所示，UW-ES系统30还包括能量存储子系统11A和能量回收子系统12A，能量存储子系统11A和能量回收子系统12A对应于加压存储器7A和减压存储器8A。另外，如图1的右下部所示，UW-ES系统30包括能量存储子系统11B和能量回收子系统12B，能量存储子系统11B和能量回收子系统12B对应于加压存储器7B和减压存储器8B。
如图1的左下部所示，能量存储子系统11A包括能量存储管道15A，工作液体9的部分可通过该能量存储管道15A从减压存储器8A转移到加压存储器7A中。工作液体9的这种转移必须克服水2作用在可变形囊状存储器7A上的流体静压进行。通过表面波浪能量提取器70的作用来提供用于执行工作液体9的这种转移的能量。
如在图1的左下部中进一步看到的是，能量回收子系统12A包括能量回收管道16A和涡轮机22A，工作液体9的部分可通过能量回收管道16A和涡轮机22A从加压存储器7A流入减压存储器8A。工作液体9的这种流动通过水2作用在可变形囊状存储器7A上的流体静压而产生。涡轮机22A用于从工作液体9的这种流动中产生电能。
如图1的右下部所示，能量存储子系统11B包括能量存储管道15B，工作液体9的部分可通过该能量存储管道15B从减压存储器8B转移至加压存储器7B。工作液体9的这种转移必须克服水2作用在可变形囊状存储器7B上的流体静压来完成。用于执行工作液体9的这种转移的能量由泵21的作用提供，泵21由风力涡轮机50提供的能量驱动。
如图1的右下部进一步所示，能量回收子系统12B包括能量回收管道16B和涡轮机22B，工作液体9的部分可通过能量回收管道16B和涡轮机22B从加压存储器7B流入减压存储器8B。工作液体9的这种流动通过水2作用在可变形囊状存储器7B上的流体静压而产生。涡轮机22B用于从工作液体9的这种流动产生电能。
在图1中，将加压存储器7A示出为处于相对膨胀的状态，而将另一加压存储器7B示出为处于相对收缩的状态。与之相对应的是，减压存储器8A容纳相对少量的工作液体9，而另一减压存储器8B容纳相对大量的工作液体9。
图1的UW-ES系统30具有空气管道结构14，该空气管道结构14布置和配置成用于在减压存储器8A和8B与水体1的表面3上方的空气空间之间提供气流。在图1的例子中，空气管道结构14是刚性的竖井型空气管道结构。该竖井可用于例如通过安装和附接在竖井内部的电梯、楼梯等来进入存储器结构5的内部以进行维护等。
在图1的例子中，风力涡轮机50位于水体1的底部4。这通过存储器结构5的基部结构6来实现。
现在参考图2，图2示出了空气管道结构114，空气管道结构114与图1的空气管道结构4不同。空气管道结构114不是刚性的竖井型。取而代之的是，空气管道结构114包括柔性软管，柔性软管通过浮标保持漂浮在水体1的表面3处。
虽然已在前面的描述和附图中详细描述和说明了本发明，但是应认为这种描述和说明是示例性的和/或说明性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。
例如，在所示的例子中，加压存储器的可变形壁结构是囊型的。然而，可应用这种加压存储器的多种其它可变形壁结构，诸如能够以可伸缩方式延伸和收缩的可变形壁结构。
作为另一例子，在所示的例子中，UW-ES系统的存储器结构的基部结构借助于锚定装置19位于在水体1的底部4。可替代地，还可仅通过储罐结构的重量或较大的UW-ES系统的重量或更大的动力输出和存储系统的重量来实现存储器结构的系泊。
作为另一例子，在所示的例子中，能量存储子系统11A和能量回收子系统12A分别由两个相互分离的结构形成，同时能量存储子系统11B和能量回收子系统12B也分别由两个相互分离的结构形成。可替代地，单个结构可实现能量存储子系统和能量回收子系统二者的功能。例如，既可作为涡轮发电机工作又可作为电动机驱动泵反过来工作的已知和所谓的可逆水电涡轮机可分别用于实现这种能量回收子系统和这种能量存储子系统二者的功能。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时可理解和实现所公开的实施方式的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个部件可实现权利要求中所述的几个项目的功能。为了清楚简明的描述，在这里将特征公开为相同或单独实施方式的部分，然而，应当理解的是，本发明的范围可包括具有所公开特征中的所有或一些的组合的实施方式。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记均不应解释为限制范围。

Claims (3)

1.一种动力输出和存储系统(10)，包括：
动力输出系统(50、70)；
用于在水体(1)的表面(3)下方存储由所述动力输出系统(50、70)提供的能量的水下能量存储系统(30)，
其中，所述水下能量存储系统包括：
存储器结构(5；105)，所述存储器结构(5；105)包括基部结构(6)，通过所述基部结构，所述存储器结构位于所述水体的底部(4)处，以及其中，所述存储器结构包括加压存储器(7A、7B)和减压存储器(8A、8B)，所述加压存储器(7A、7B)和所述减压存储器(8A、8B)中的每个均相对于所述基部结构进行保持，以及所述加压存储器(7A、7B)和所述减压存储器(8A、8B)中的每个均将工作液体(9)保持在所述水体的表面(3)下方且与所述水体的水(2)分离，以及其中，所述加压存储器(7A、7B)具有可变形壁结构(17A、17B)，并且布置和配置成通过所述可变形壁结构在作用在所述可变形壁结构上的所述水(2)的流体静压影响下的变形来对容纳在所述加压存储器内的所述工作液体(9)加压，以及其中，所述减压存储器(8A、8B)具有刚性壁结构(18A、18B)，所述刚性壁结构(18A、18B)布置和配置成屏蔽减压存储器内的工作液体(9)免于在所述水(2)的流体静压的影响下加压；
能量存储子系统(11A、11B)，所述能量存储子系统(11A、11B)配置成通过将所述工作液体的部分从所述减压存储器转移到所述加压存储器中来增加所述加压存储器和所述减压存储器内的所述工作液体(9)的势能来存储由所述动力输出系统(50、70)提供的能量，以及
能量回收子系统(12A、12B)，所述能量回收子系统(12A、12B)配置成通过将所述工作液体的部分释放以从所述加压存储器流动至所述减压存储器中来减少所述加压存储器和所述减压存储器内的所述工作液体的势能来回收所存储的能量；
以及其中，所述动力输出系统通过所述水下能量存储系统(30)的所述存储器结构(5；105)的所述基部结构(6)而位于所述水体(1)的底部(4)处。
2.根据权利要求1所述的动力输出和存储系统(10)，还包括空气管道结构(14；114)，所述空气管道结构布置和配置成在所述减压存储器(8A、8B)与所述水体(1)的表面(3)上方的空气空间之间提供气流。
3.根据权利要求1或2所述的动力输出和存储系统(10)，其中，所述动力输出系统(50、70)是风力涡轮机。
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