CN112780492A - 一种用于气动发电的海上风能储存输送系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于风能发电的海上风能储存输送系统，包括若干个海上风力发电机、储气系统和气动发电机，海上风能转化为压缩空气势能进行存储并长距离运输的系统,将海上风能转化为风叶轴驱动空气压缩机工作的动能，根据输气速率，选择合理的水深布置柔性气囊，柔性气囊中储存与水压相同压力的恒压压缩空气，恒定的水压将足量的压缩空气压向海平面上方的气动发电机，从输送速率和供气时间都能精准控制从而得到稳定电力输出；最大限度利用海上风能，节约了海上发电和电能输送的成本，取代了水下电缆的使用。水下柔性囊体在线能量存储，解决了风力发电电能存储问题，压缩气体稳定持续供应，保证了稳定的电力输出并易于并网。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电风能传输技术领域，尤其是一种用于气动发电的海上风能储存输送系统。
背景技术
风力发电是把风的动能转变成机械动能，再把机械动能转化为电力动能。风力发电机组，大体分为风轮，发电机系统和铁塔三部分，风力发电系统由风力发电机、充电器和数字逆变器组成，发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，把机械能转化成电能。
海上风力发电中，机舱中各部件协调运动，机舱内发电机达到转速后开始产生电流，电流通过粗的电缆被送到塔架下面的控制柜。风机的输出电压需要先通过35KV集电线汇集至海上升压站，再经海上升压站并通过220KV海底电缆接入陆上集控中心。这意味着离海岸越远的深海项目，送出工程的成本越高，并且不同的送出方式也会影响项目的收益。而且输送过程中使用的电缆线造价高，输送距离远的话，极大的增加了整个项目的成本。
风力发电过程中，风力时而大时而小，风力发电完全受制于风力的大小，造成发电功率的不稳定，很难保证同一个频率持续供电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，为海上风力发电提供一种节约成本，先将持续收集的风能在海水中储存后，再以一定的速度输出到陆地上，最后转化为电能的用于气动发电的海上风能储存输送系统。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，包括若干个海上风力发电机、储气系统和气动发电机，所述储气系统设于海平面以下,所述气动发电机设于海平面上；储气系统处于海平面以下，合理利用海底空间，储气系统处于一个恒定持续的海水压力下，最大限度利用了海水的能量。所述每个海上风力发电机风叶轴与空气压缩机相连，风叶轴通过风能驱动旋转，转换为空气压缩机的动能，节约了电能，直接利用了源源不断的风能，节约时间和能量之间的转化步骤。每片海域的风力大小和所安装的海上风力发电机的风叶片大小，决定了海上风力发电机的风叶轴驱动空气压缩机的功率大小；空气压缩机的气缸大小决定了出气量和压缩空气的压力范围。每个空气压缩机出气管路并联到出气总管路后与所述储气系统相连，所述储气系统通过输气管路与气动发电机相连，所述储气系统由若干个柔性囊体组构成，所述出气总管路上由空气压缩机输出方向上依次设有空气净化装置和进气单向阀，所述输气管路上设有出气单向阀；串联的所有空气压缩机一个或者多个工作产生压缩空气时，压缩空气通过净化装置净化后储存到柔性囊体组，保证柔性气囊组储存环境的干净清洁，无需定期清理柔性囊体组。柔性囊体组中的清洁压缩空气存储后待用；保证在气动发电机工作时，压缩气体匀速饱和供给。进气单向阀和出气单向阀保证压缩空气单向流动，便于储存和使用。
所述海上风力发电机的风叶轴驱动空气压缩机工作，当空气压缩机气缸中空气压力达到与储气系统所在水位的水压相同时，压缩空气通过空气净化装置净化后由出气总管路输入储气系统。储气系统内外压力相同，压缩空气进气时，储气系统本身不受压力，无需借助外界系统进行输入压缩气体。所述储气系统的柔性囊体组内储存的压缩空气的压力与柔性囊体组所在水位的水压相同，需要发电时，打开出气单向阀，在水压作用下，柔性囊体组内压缩空气通过输气管路匀速输出，压缩空气驱动海平面上的气动发电机发电。打开出气单向阀时，气动发电机一端没有压力，压缩空气通过海水压力和自身压力同时作用，源源不断输向气动发电机。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述柔性囊体组包括若干个相互并联设置的柔性囊体单元，每个柔性囊体单元由若干个柔性囊体相互串联构成，多个柔性囊体整齐排列，便于管理同时保证足够的储存空间；柔性气囊的个数可根据空气压缩机的排气量和压缩空气的压力决定排列的个数，柔性气囊在海底环境允许的情况下，可无限排列；每个柔性囊体均设置在海平面以下20m-1000m深度。柔性囊体存放空间极大利用了海底空间，同时借助海水的水压，保证压缩气体输出时，给予源源不断的输出压力。
所述柔性囊体采用现有技术中公开的任何一种适用于本系统的用于储存气体的柔性囊体储存装置。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述柔性囊体均设于同一水平面，保证柔性囊体受到的水压相同，当压缩空气输入时，柔性囊体本身随时处于不受压状态；柔性囊体上设有压缩气体进出口，所述压缩气体进出口通过三通分别与进气管路和输气管路相连。设有一个压缩气体进出口，保证柔性囊体和外部管道接通时的密封性。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述柔性囊体设有囊本体，在囊本体正下方设有配重座，配重座的尺寸大于囊本体直径，囊本体和配重座之间通过拉索固定。配重座重量大，固定在预设位置，囊本体通过拉索保证固定在预设位置，不会因为囊体本身轻而偏离原来位置。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述囊本体下端通过一根拉索与配重座连接。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述囊本体还可以通过两侧对称安装的拉索连接配重座。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述柔性囊体设有罩筒，罩筒的底部设有海水流通孔，海水通过海水流通孔自由进出罩筒，使柔性囊体处于海水环境和所在位置的水压；罩筒内设有囊本体，囊本体上端与罩筒上端固定连接，罩筒上端设有囊本体上压缩气体进出口相通的开孔。柔性囊体通过罩筒限定了所在位置和容积；同时，罩筒支撑和固定囊本体。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述所述囊本体为球状或者波纹状。便于囊本体随压缩气体进入膨胀，随压缩空气输出而收缩。
本海水风能储存输送系统，选好浅海区域，在海平面以下20m-1000m深度布置储气系统，储气系统设于同一水平面；储气系统由若干个柔性囊体组构成，柔性囊体组包括若干个相互并联设置的柔性囊体单元，每个柔性囊体单元由若干个柔性囊体相互串联构成，柔性囊体设有囊本体，确定好安装深度和安装方式后，将配重座或者罩筒布置在预设水平面，保证所有配重座或者罩筒都处于同一水平面，囊本体下端通过一根拉索或两侧对称安装的拉索与配重座连接；或者囊本体设置于罩筒内，囊本体上端与罩筒上端固定连接。囊本体经过出气总管路与并联的出气管路分别接到空气压缩机气缸；到当海上风力发电机在海上风能的作用下带动风叶轴旋转，风叶轴驱动空气压缩机工作，当空气压缩机气缸不断吸入并压缩空气，压缩空气的压力达到与储气系统所在水位的水压相同时，压缩空气通过空气净化装置净化后由出气总管路输入，通过压缩气体进出口进入囊本体储存；整个过程中出气单向阀处于关闭状态，当需要海平面上方的气动发电机工作发电时，打开出气单向阀，在水压作用下，柔性囊体组内压缩空气通过输气管路匀速输出，压缩空气驱动海平面上的气动发电机发电。
本发明的有益效果是：海上风能转化为压缩空气势能进行存储并长距离运输的系统,将海上风能转化为风叶轴驱动空气压缩机工作的动能，根据输气速率，选择合理的水深布置柔性气囊，柔性气囊中储存与水压相同压力的恒压压缩空气，恒定的水压将足量的压缩空气压向海平面上方的气动发电机，从输送速率和供气时间都能精准控制从而得到稳定电力输出；最大限度利用海上风能，节约了海上发电和电能输送的成本，取代了水下电缆的使用。水下柔性囊体在线能量存储，解决了风力发电电能存储问题，压缩气体稳定持续供应，保证了稳定的电力输出并易于并网。
附图说明
图1为用于气动发电的海上风能储存输送系统的整体示意图；
图2为用于气动发电的海上风能储存输送系统的安装结构示意图；
图3为用于气动发电的海上风能储存输送系统的柔性囊体的一种结构示意图；
图4为用于气动发电的海上风能储存输送系统的柔性囊体的另一种结构示意图；
图5为用于气动发电的海上风能储存输送系统的球状柔性囊体的一种结构示意图；
图6为用于气动发电的海上风能储存输送系统的波纹状柔性囊体的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考附图1-6，本发明提供一种技术方案：一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，包括若干个海上风力发电机4、储气系统8和气动发电机1，所述储气系统8设于海平面以下,所述气动发电机11设于海平面上。所述每个海上风力发电机的风叶轴5与空气压缩机6相连，海上风能驱动每个海上风力发电机的风叶轴5旋转，风叶轴5驱动对应空气压缩机6工作产生压缩气体，每个空气压缩机6出气管路3并联到出气总管路7后与所述储气系统8相连，压缩气体通过出气总管路7存入所述储气系统8。所述储气系统8通过输气管路10与气动发电机11相连，当气动发电机11需要发电时，储气系统8中的压缩气体通过输气管路10源源不断输入气动发电机11，气动发电机11开始发电。所述出气总管路7上由空气压缩机6输出方向上依次设有空气净化装置2和进气单向阀1，压缩气体经过空气净化装置2净化后单向输入储气系统8；所述输气管路10上设有出气单向阀9，当需要发电时，打开出气单向阀9，压缩气体单向输入空气压缩机6。
所述储气系统8由柔性囊体组构成，所述柔性囊体组包括4个相互并联设置的柔性囊体单元，每个柔性囊体单元由5个相互串联构成，每个柔性囊体8-1储存容积为500m³；储气系统8总储存容积达到10000m³，每个柔性囊体8-1均设置在海平面以下100m的深度。柔性囊体8-1所在水深的压力均为1MPa，柔性囊体8-1内储存压缩空气压力为1MPa。柔性囊体8-1上设有压缩气体进出口8-6，所述压缩气体进出口8-6通过三通分别与进气管路1和输气管路10相连。进气管路1中的压缩空气通过压缩气体进出口8-6进入柔性囊体8-1，柔性囊体8-1中储存的1MPa的压缩空气通过压缩气体进出口8-6输入气动发电机11，气动发电机11开始发电，根据能量公式：W=P*V*ln(P/Pa) 其中：P是入口压力，就是气囊气体压力；Pa 为出口压力，V是体积，得到在理想情况下，气动发电机11利用1m³压缩空气可以发1.2度电转换与传输效率估算45%则约为0.6度电。
每个柔性囊体8-1储存容积最大还可以为1000m³；柔性囊体单元串联10个柔性囊体8-1，10个柔性囊体单元并联成一个柔性气囊组，达到总储存容积为10万m³，每个柔性囊体8-1最深均设置在海平面以下200m的深度。柔性囊体8-1所在水深的压力均为2MPa，柔性囊体8-1内储存压缩空气压力为2MPa。柔性囊体8-1中储存的2MPa的压缩空气通过压缩气体进出口8-6输入气动发电机11，气动发电机11开始发电，气动发电机11利用10万m³压缩空气可以发13.2万度电。
所述海上风力发电机的风叶轴5驱动空气压缩机6工作，当空气压缩机6气缸中空气压力达到与储气系统8所在水位的水压相同时，压缩空气通过空气净化装置2净化后由出气总管路7输入储气系统8，所述储气系统8的柔性囊体组内储存的压缩空气的压力与柔性囊体组所在水位的水压相同。需要发电时，打开出气单向阀9，在水压作用下，柔性囊体组内压缩空气通过输气管路10上的出气单向阀9匀速输出，压缩空气驱动海平面上的气动发电机11发电。
如附图3和4所示，所述柔性囊体8-1设有囊本体8-1-1，在囊本体8-1-1正下方设有配重座8-3，配重座8-3的尺寸大于囊本体8-1-1直径，囊本体8-1-1的储存容积为1000m³时，将配重座8-3固定在预设好的水下200m深度时，囊本体8-1-1和配重座8-3之间通过拉索8-2固定。洋流运动影响囊本体8-1-1的稳定性；所述囊本体8-1-1下端通过一根拉索8-2与配重座8-3连接。所述囊本体8-1-1还可以通过两侧对称安装的拉索8-2连接配重座8-3。当压缩空气输入囊本体8-1-1后，囊本体8-1-1的体积不断增大，直到囊本体8-1-1增大到自由容积，当压缩空气向海平面上气动发电机11输出时，打开出气单向阀9，气动发电机11一侧压力小于囊本体8-1-1所在水平面的海水压力，通过2MPa海水压力将压缩空气挤出囊本体8-1-1，囊本体8-1-1的体积不断缩小，气动发电机11开始发电，气动发电机11利用10万m³压缩空气可以发13.2万度电。而囊本体8-1-1待再次充入压缩空气。
与囊本体8-1-1通过拉索8-2与配重座8-3固定结构相比，柔性囊体8-1的结构进一步优化为：
如附图5和6所示，所述柔性囊体8-1设有罩筒8-4，将罩筒8-4固定在预设好水深，罩筒8-4的底部设有海水流通孔8-5，海水自由流入或者流出罩筒8-4；罩筒8-4内设有囊本体8-1-1，所述囊本体8-1-1为球状或者波纹状。罩筒8-4容积为1000m³时，囊本体8-1-1不会因为洋流运动的影响，产生摆动摇晃，保证容积恒定；囊本体8-1-1上端与罩筒8-4上端固定连接，罩筒8-4上端设有囊本体8-1-1上压缩气体进出口8-6相通的开孔。当压缩空气输入囊本体8-1-1后，囊本体8-1-1的体积不断增大，直到囊本体8-1-1充满罩筒8-4内空间，囊本体8-1-1内压缩空气的容积达到1000m³；当压缩空气向海平面上气动发电机11输出时，打开出气单向阀9，气动发电机11一侧压力小于囊本体8-1-1所在水平面的海水压力，通过2MPa海水压力将压缩空气挤出囊本体8-1-1，囊本体8-1-1的体积不断缩小，气动发电机11开始发电，气动发电机11利用10万m³压缩空气可以发13.2万度电。而囊本体8-1-1待再次充入压缩空气。
本系统预设空气压缩机产生的压缩空气的压力，与柔性囊所处水深的压力保持一致，囊本体不承受任何压力，仅仅起到储存的作用，对囊本体的设计及制造成本也相应降低，给整个系统的运行，降低了总体的成本，更低碳，更高效的完成自然能到动能及电能之间的转化。
Claims (8)
1.一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：包括若干个海上风力发电机（4）、储气系统（8）和气动发电机（11），所述储气系统（8）设于海平面以下,所述气动发电机（11）设于海平面上,所述每个海上风力发电机风叶轴（5）与空气压缩机（6）相连，每个空气压缩机（6）的出气管路（3）并联到出气总管路（7）后与所述储气系统（8）相连，所述储气系统（8）通过输气管路（10）与气动发电机（11）相连，所述储气系统（8）由若干个柔性囊体组构成，所述出气总管路（7）上由空气压缩机输出方向上依次设有空气净化装置（2）和进气单向阀（1），所述输气管路（10）上设有出气单向阀（9）；
所述海上风力发电机的风叶轴（5）驱动空气压缩机（6）工作，当空气压缩机（6）气缸中空气压力达到与储气系统（8）所在水位的水压相同时，压缩空气通过空气净化装置（2）净化后由出气总管路（7）输入储气系统（8），所述储气系统（8）的柔性囊体组内储存的压缩空气的压力与柔性囊体组所在水位的水压相同，需要发电时，打开出气单向阀（9），在水压作用下，柔性囊体组内压缩空气通过输气管路（10）匀速输出，压缩空气驱动海平面上的气动发电机（11）发电。
2.根据权利要求1所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述柔性囊体组包括若干个相互并联设置的柔性囊体单元，每个柔性囊体单元由若干个柔性囊体（8-1）相互串联构成，每个柔性囊体（8-1）均设置在海平面以下20m-1000m深度。
3.根据权利要求2所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述柔性囊体（8-1）均设于同一水平面，柔性囊体（8-1）上设有压缩气体进出口（8-6），所述压缩气体进出口（8-6）通过三通分别与出气总管路（7）和输气管路（10）相连。
4.根据权利要求2所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述柔性囊体（8-1）设有囊本体（8-1-1），在囊本体（8-1-1）正下方设有配重座（8-3），配重座（8-3）的尺寸大于囊本体（8-1-1）直径，囊本体（8-1-1）和配重座（8-3）之间通过拉索（8-2）固定。
5.根据权利要求4所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述囊本体（8-1-1）下端通过一根拉索（8-2）与配重座（8-3）连接。
6.根据权利要求4所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述囊本体（8-1-1）还可以通过两侧对称安装的拉索（8-2）与配重座（8-3）连接。
7.根据权利要求2所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述柔性囊体组设有罩筒（8-4），罩筒（8-4）的底部设有海水流通孔（8-5），罩筒（8-4）内设有囊本体（8-1-1），囊本体（8-1-1）上端与罩筒（8-4）上端固定连接，罩筒（8-4）上端设有囊本体（8-1-1）上压缩气体进出口（8-6）相通的开孔。
8.根据权利要求7所述的一种用于气动发电的海上风能储存输送系统，其特征在于：所述囊本体（8-1-1）为球状或者波纹状。
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| CN202110098205.8A CN112780492A (zh) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 一种用于气动发电的海上风能储存输送系统 |
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| WO2023168873A1 (zh) * | 2022-03-08 | 2023-09-14 | 刘兴和 | 能源转换存储设备 |
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