CN113669192A - 海洋浮力储能系统 - Google Patents

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Abstract

海洋浮力储能系统，属于储能技术领域。解决了现有浮力储能系统结构复杂，不利于实现大规模储能集群的问题。本发明包括电动机、发电机、第一离合器、第二离合器、浮力球、闭合缆绳、停放轨道、第一绞盘、第二绞盘和抓取装置；在电力富余时，通过闭合缆绳由电动机拖动浮力球从海面平台下降到海底，将富余的电能转化为势能进行存储；在需要发电时，浮力球由海底上浮至海面平台并通过闭合缆绳拖动发电机发电，整个系统结构简单，可将产生的富余电力高效的转化为势能进行存储，能量的转化率高。本发明主要用于储能以及电网调峰调频等，亦可用于远海风电场储能。

Description

海洋浮力储能系统
技术领域
本发明属于储能技术领域。
背景技术
海洋可再生能源开发正处于快速发展阶段，势必成为未来可持续能源结构中的重要组成部分。除了大规模的浅海固定式风电项目的成功运行，未来海上风电有向深海发展的趋势，欧洲、美国和日本已经有大量的已建、在建及规划的浮式风电项目。陆地上，较大规模的光伏阵列需要占据很大的土地资源，这在经济发达人口稠密的沿海地区往往是不可以接受的，如果能够充分利用宽阔的海上空间就可以克服以上难题，从而催生了水上漂浮式光伏发电系统的研究。相比于陆上光伏系统，其能够利用周围低温水体阻止太阳能电池产生过热问题，并且不容易产生扬尘覆盖问题，也避免了建筑和植被遮挡阳光，从而保持较高的转换效率。
同陆上可再生能源类似，海洋可再生能源同样具有间歇性、随机性缺陷，从而导致可再生能源电能的不稳定性。规划指出不但要显著提高海洋可再生能源装备技术成熟度和推进海洋可再生能源工程化应用，更要实现海洋可再生能源装备从“能发电”向“稳定发电”的转变。除了对可再生能源发电和电力需求负荷进行更准确的预测与控制外，储能技术是完成这个从“能”到“稳定”转变的关键之一。而现有技术中存在应用海洋浮力进行储能的系统，但该浮力储能系统结构复杂，不利于实现大规模储能集群，因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有浮力储能系统结构复杂，不利于实现大规模储能集群的问题，本发明提供了一种新型的、结构简单的海洋浮力储能系统。
海洋浮力储能系统，包括电动机、发电机、第一离合器、第二离合器、浮力球、闭合缆绳、停放轨道、第一绞盘、第二绞盘和抓取装置；
闭合缆绳套设在第一绞盘和第二绞盘之间，并相对于第一绞盘和第二绞盘滑动连接；
第一绞盘与电动机、发电机、第一离合器和第二离合器均同轴设置在海面平台上；
第一绞盘的第一输出轴通过第一离合器与电动机的转轴连接；
第一绞盘的第二输出轴通过第二离合器与发电机的转轴连接，
停放轨道、第二绞盘和抓取装置均设置在海底；
停放轨道为半环形轨道，停放轨道的入口端和出口端存在高度差，且停放轨道的入口端低于停放轨道的出口端，停放轨道的出口端设有阻拦机构；
抓取装置，用于实现对浮力球的转移；
浮力球上设有一个滑轮组件；
储能阶段：阻拦机构处于阻拦状态，第一离合器使第一绞盘的第一输出轴与电动机的转轴保持连接，第二离合器使第一绞盘的第一输出轴与发电机的转轴保持断开后，外部可再生能源发电单元输出的过剩电能给电动机供电，电动机通过驱动第一绞盘转动带动挂接在闭合缆绳上的浮力球由海面向海底运动，直至运动到第二绞盘，此过程中，将外部可再生能源发电单元输出的过剩电能转化为浮力球的势能，再通过抓取装置将浮力球转移至停放轨道处后，滑轮组件卡和在停放轨道上，并由于浮力使浮力球沿停放轨道滑动，最终停靠在停放轨道的出口端；
发电阶段：阻拦机构处于非阻拦状态，第一离合器使第一绞盘的第一输出轴与电动机的转轴保持断开，第二离合器使第一绞盘的第一输出轴与发电机的转轴保持连接后，通过抓取装置将浮力球挂接在闭合缆绳上后，浮力球在浮力作用下由下至上运动，浮力球带动闭合缆绳同步运动，由于闭合缆绳运动驱动第一绞盘带动发电机转轴运动，发电机开始进行发电。
优选的是，浮力球为空心浮力球。
优选的是，浮力球为纺锤形空心浮力球。
优选的是，停放轨道的纵向截面呈工字型。
优选的是，滑轮组件包括两个滑轮，两个滑轮相对设置，且两个滑轮通过连接框架固定连接；
连接框架的纵截面为矩形结构，且矩形结构的底边设有豁口，且两个滑轮分别设置在豁口的两个端面。
优选的是，外部可再生能源发电单元为光伏发电系统或风力发电系统。
优选的是，发电机输出的电能用于给电网或无线充电桩进行供电。
优选的是，浮力球通过挂钩与闭合缆绳固定连接。
优选的是，所述的海洋浮力储能系统，还包括控制器，该控制器用于对电动机和发电机进行控制。
本发明带来的有益效果是：
(1)本发明所述的海洋浮力储能系统结构简单，可实现模块化设计，便于组装；
(2)系统建设成本低、维护方便、能量转换效率高、可靠性和稳定性好；
(3)本系统配置的无线充电桩可以为在深海工作的无人船、无人潜艇或无人机充电，提供稳定的保障，提升无人船、无人潜艇或无人机的航程和工作时间；
(4)与海上风力发电系统和海上光伏发电系统配套，可充分利用可再生能源，减少弃风、弃光现象，对于满足能源需求、改善能源消费结构、减少环境污染、开发海上能源等方面具有重要的意义；同时还可辅助电网调峰调频。
附图说明
图1是本发明所述海洋浮力储能系统的原理示意图；
图2是停放轨道7的结构示意图；
图3是浮力球5和停放轨道7的相对位置关系图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一、参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的海洋浮力储能系统，包括电动机1、发电机2、第一离合器3、第二离合器4、浮力球5、闭合缆绳6、停放轨道7、第一绞盘8、第二绞盘9和抓取装置；
闭合缆绳6套设在第一绞盘8和第二绞盘9之间，并相对于第一绞盘8和第二绞盘9滑动连接；
第一绞盘8与电动机1、发电机2、第一离合器3和第二离合器4均同轴设置在海面平台上；
第一绞盘8的第一输出轴通过第一离合器3与电动机1的转轴连接；
第一绞盘8的第二输出轴通过第二离合器4与发电机2的转轴连接，
停放轨道7、第二绞盘9和抓取装置均设置在海底；
停放轨道7为半环形轨道，停放轨道7的入口端和出口端存在高度差，且停放轨道7的入口端低于停放轨道7的出口端，停放轨道7的出口端设有阻拦机构；
抓取装置，用于实现对浮力球5的转移；
浮力球5上设有一个滑轮组件5-1；
储能阶段：阻拦机构处于阻拦状态，第一离合器3使第一绞盘8的第一输出轴与电动机1的转轴保持连接，第二离合器4使第一绞盘8的第一输出轴与发电机2的转轴保持断开后，外部可再生能源发电单元输出的过剩电能给电动机1供电，电动机1通过驱动第一绞盘8转动带动挂接在闭合缆绳6上的浮力球5由海面向海底运动，直至运动到第二绞盘9，此过程中，将外部可再生能源发电单元输出的过剩电能转化为浮力球5的势能，再通过抓取装置将浮力球5转移至停放轨道7处后，滑轮组件5-1卡和在停放轨道7上，并由于浮力使浮力球5沿停放轨道7滑动，最终停靠在停放轨道7的出口端；
发电阶段：阻拦机构处于非阻拦状态，第一离合器3使第一绞盘8的第一输出轴与电动机1的转轴保持断开，第二离合器4使第一绞盘8的第一输出轴与发电机2的转轴保持连接后，通过抓取装置将浮力球5挂接在闭合缆绳6上后，浮力球5在浮力作用下由下至上运动，浮力球5带动闭合缆绳6同步运动，由于闭合缆绳6运动驱动第一绞盘8带动发电机2转轴运动，发电机2开始进行发电。
本实施方式中，停放轨道7的入口端和出口端存在高度差可使得卡和在停放轨道7上的浮力球5由于浮力作用，沿停放轨道7的入口端向其出口端滑动，并由于阻拦机构将浮力球5限位在停放轨道7的出口端，这种依靠浮力自动沿停放轨道7运动的方式，无需额外配置转载机器人；
具体应用时，在电力富余时，通过闭合缆绳6由电动机1拖动浮力球5从海面平台下降到海底，将富余的电能转化为势能进行存储；在需要发电时，浮力球5由海底上浮至海面平台并通过闭合缆绳6拖动发电机2发电，整个系统结构简单，可将产生的富余电力高效的转化为势能进行存储，能量的转化率高。
进一步的，浮力球5为空心浮力球。
更进一步的，浮力球5为纺锤形空心浮力球。
本优选实施方式中，浮力球5设置成纺锤形，该种结构在水中上浮和下潜时均有利于降低阻力，提升效率。
更进一步的，停放轨道7的纵向截面呈工字型。
更进一步的，滑轮组件5-1包括两个滑轮，两个滑轮相对设置，且两个滑轮通过连接框架固定连接；
连接框架的纵截面为矩形结构，且矩形结构的底边设有豁口，且两个滑轮分别设置在豁口的两个端面。
具体应用时，滑轮组件5-1卡和在停放轨道7后，工字型的停放轨道7的上横梁位于矩形结构的连接框架的腔体中，且两个滑轮与工字型的停放轨道7的上横梁的下表面滑动连接，滑轮组件5-1与停放轨道7之间的稳固性好。
更进一步的，外部可再生能源发电单元为光伏发电系统或风力发电系统。更进一步的，发电机2输出的电能用于给电网或无线充电桩进行供电。
更进一步的，浮力球5通过挂钩与闭合缆绳6固定连接。
更进一步的，海洋浮力储能系统还包括控制器，该控制器用于对电动机1和发电机2进行控制。
本优选实施方式中，控制器可对电动机1和发电机2的具体工况进行控制。
原理分析：
当电网电能富足时，利用风力发电机、太阳能电池板和波浪能回收装置分别将海上风能、太阳能、波浪能转化成的低价电能驱动电动机1工作，电动机1和第一绞盘8之间的第一离合器3闭合，带动第一绞盘8工作，通过闭合缆绳6将纺锤形浮力球拖曳至海底收集场地，存放于“工”字型环形轨道(即：停放轨道)上存放，将电能转化为势能存储起来；
当电网电能欠缺或无线充电桩需要工作时，控制存储于海底停放轨道7上的纺锤形浮力球依次释放，在浮力的作用下纺锤形浮力球快速上升，并通过闭合缆绳6和第二绞盘9拖动发电机2发电，为外界提供稳定的电能输出。整个工作过程损耗较小，能量转换效率较高，适合集群化装置，有利于实现大规模储能。
本发明所述的海洋浮力储能系统选址灵活，结构简单，便于组装，可实现模块化设计；系统建设成本低、维护方便、能量转换效率高、可靠性和稳定性好；与海上风力发电系统和海上光伏发电系统配套，可充分利用可再生能源，减少弃风、弃光现象，同时还可辅助电网调峰调频。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.海洋浮力储能系统，其特征在于，包括电动机(1)、发电机(2)、第一离合器(3)、第二离合器(4)、浮力球(5)、闭合缆绳(6)、停放轨道(7)、第一绞盘(8)、第二绞盘(9)和抓取装置；
闭合缆绳(6)套设在第一绞盘(8)和第二绞盘(9)之间，并相对于第一绞盘(8)和第二绞盘(9)滑动连接；
第一绞盘(8)与电动机(1)、发电机(2)、第一离合器(3)和第二离合器(4)均同轴设置在海面平台上；
第一绞盘(8)的第一输出轴通过第一离合器(3)与电动机(1)的转轴连接；
第一绞盘(8)的第二输出轴通过第二离合器(4)与发电机(2)的转轴连接，
停放轨道(7)、第二绞盘(9)和抓取装置均设置在海底；
停放轨道(7)为半环形轨道，停放轨道(7)的入口端和出口端存在高度差，且停放轨道(7)的入口端低于停放轨道(7)的出口端，停放轨道(7)的出口端设有阻拦机构；
抓取装置，用于实现对浮力球(5)的转移；
浮力球(5)上设有一个滑轮组件(5-1)；
储能阶段：阻拦机构处于阻拦状态，第一离合器(3)使第一绞盘(8)的第一输出轴与电动机(1)的转轴保持连接，第二离合器(4)使第一绞盘(8)的第一输出轴与发电机(2)的转轴保持断开后，外部可再生能源发电单元输出的过剩电能给电动机(1)供电，电动机(1)通过驱动第一绞盘(8)转动带动挂接在闭合缆绳(6)上的浮力球(5)由海面向海底运动，直至运动到第二绞盘(9)，此过程中，将外部可再生能源发电单元输出的过剩电能转化为浮力球(5)的势能，再通过抓取装置将浮力球(5)转移至停放轨道(7)处后，滑轮组件(5-1)卡和在停放轨道(7)上，并由于浮力使浮力球(5)沿停放轨道(7)滑动，最终停靠在停放轨道(7)的出口端；
发电阶段：阻拦机构处于非阻拦状态，第一离合器(3)使第一绞盘(8)的第一输出轴与电动机(1)的转轴保持断开，第二离合器(4)使第一绞盘(8)的第一输出轴与发电机(2)的转轴保持连接后，通过抓取装置将浮力球(5)挂接在闭合缆绳(6)上后，浮力球(5)在浮力作用下由下至上运动，浮力球(5)带动闭合缆绳(6)同步运动，由于闭合缆绳(6)运动驱动第一绞盘(8)带动发电机(2)转轴运动，发电机(2)开始进行发电。
2.根据权利要求1所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，浮力球(5)为空心浮力球。
3.根据权利要求1或2所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，浮力球(5)为纺锤形空心浮力球。
4.根据权利要求1所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，停放轨道(7)的纵向截面呈工字型。
5.根据权利要求4所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，滑轮组件(5-1)包括两个滑轮，两个滑轮相对设置，且两个滑轮通过连接框架固定连接；
连接框架的纵截面为矩形结构，且矩形结构的底边设有豁口，且两个滑轮分别设置在豁口的两个端面。
6.根据权利要求1所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，外部可再生能源发电单元为光伏发电系统或风力发电系统。
7.根据权利要求1所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，发电机(2)输出的电能用于给电网或无线充电桩进行供电。
8.根据权利要求1所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，浮力球(5)通过挂钩与闭合缆绳(6)固定连接。
9.根据权利要求1所述的海洋浮力储能系统，其特征在于，还包括控制器，该控制器用于对电动机(1)和发电机(2)进行控制。
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