CN114263568A - 一种海上风电储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种海上风电储能系统，涉及海上风电开发技术领域，包括风力发电装置、海水淡化装置、氢气制备装置、以及浮力储能装置，所述浮力储能装置的气罐阵列连接传输件，传输件连接发动机和发电机。发动机用于驱动传输件将气罐阵列输送至海面以下。气罐阵列利用自身浮力上升，并在带动传输件运动时驱动发电机发电。本申请能够利用多余风电制备氢气，并在电网需求量低于风电发电量时，利用风力将氢气储存罐按压至海面以下，在电网需求量高于风电发电量时，利用氢气储存罐的浮力驱动发电机发电，通过将多余风电转化为化学能提高储电能力，并通过浮力储存的方式提高平稳供电能力。

Description

一种海上风电储能系统

技术领域

本申请涉及海上风电开发技术领域，具体涉及一种海上风电储能系统。

背景技术

随着化石能源的巨大消耗和环境的严重污染，可再生能源越来越受到世界各国的关注，风能成为最具竞争力的新能源之一。由于陆地上可经济开发的风电资源越来越少，全球风电场建设已逐步从陆地向近海发展。相比陆上风电，海上风电不仅不占用土地资源，而且能量丰富、出力稳定、利用率高，已成为世界风电发展的新方向。

但是，海上风力发电具有随机性、波动性和间歇性的特点，高度依赖自然环境条件，这导致电力平衡较为困难，局部地区极易出现弃风限电现象。弃风限电是指，风机可以正常运作，但因为电网消纳能力不足、风力发电不稳定、建设工期不匹配等而使得风电机组停止运作的现象，造成损失。因此，提高风电系统的储能能力是避免风电机组停止运作的关键。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种海上风电储能系统，能够提高风力发电效率，实现高效储能。

为达到以上目的，采取的技术方案是：

本申请第一方面提供一种海上风电储能系统，包括风力发电装置、海水淡化装置、氢气制备装置、以及浮力储能装置，风力发电装置用于将风电输送至电网、海水淡化装置、氢气制备装置、以及浮力储能装置；

所述浮力储能装置包括发动机、发电机、传输件、以及气罐阵列，气罐阵列连接传输件，传输件分别连接发动机和发电机；

所述海水淡化装置用于对海水进行淡化处理得到淡水；所述氢气制备装置用于对淡水进行制氢处理得到氢气和氧气，并将氢气存储至所述气罐阵列；

当风力发电装置的发电量大于电网需求量时，所述风力发电装置通过发动机驱动传输件，将气罐阵列输送至海面以下；当风力发电装置的发电量小于电网需求量时，发动机停止工作，所述气罐阵列利用自身浮力上升，并通过带动传输件运动驱动所述发电机发电。

一些实施例中，所述海上风电储能系统还包括控制装置，所述控制装置用于在风电大于电网所需电量时，控制风力发电装置将超出部分电能输送至海水淡化装置、氢气制备装置、以及发动机；

所述控制装置还用于在风电大于电网所需电量时，控制发动机启动，发电机关闭；

所述控制装置还用于在风电小于电网所需电量时，控制发动机关闭，控制发电机启动。

一些实施例中，所述海上风电储能系统还包括燃料电池发电装置，当气罐阵列存储满时，所述氢气制备装置将氢气和氧气发送给燃料电池发电装置，所述燃料电池发电装置利用氢气和氧气发电，并将电能传输给电网、所述风力发电装置、所述海水淡化装置、所述氢气制备装置、以及所述浮力储能装置中的至少一个。

一些实施例中，所述海上风电储能系统还包括太阳能辅助供电装置，其利用太阳能发电，用于为所述风力发电装置、所述海水淡化装置、所述氢气制备装置、以及所述浮力储能装置供电。

一些实施例中，海上风电储能系统还包括海上工作平台，其设置于海面上，用于承载所述海上风电储能系统中除所述浮力储能装置外的其他所有装置。

一些实施例中，所述输送件包括：

支撑轴，其竖直设置于海面，且部分位于海面以下；

两个连接轴，其均为水平设置，且两个连接轴的中部均与支撑轴连接；每个所述连接轴均连接所述发动机和所述发电机；

四个传动轮，其分别套设在两个连接轴的端部；

两个传输链，其分别设置在支撑轴的两侧，每个传输链均套设在两个传动轮的外部，两个传输链之间连接有所述气罐阵列；所述气罐阵列包括多个相互连接的氢气储存罐。

一些实施例中，所述氢气制备装置包括搬运组件；

所述搬运组件用于将未储存氢气的氢气储存罐连接至氢气制备装置的出气口，还用于将已储存氢气的氢气储存罐连接至气罐阵列。

一些实施例中，所述海水淡化装置包括：

蒸发罐，其内部设有容置空间，用于容置海水；

抽水泵，其设置在蒸发罐外侧，用于将海水输送至蒸发罐内部；

加热装置，其设置在蒸发罐底部，用于对蒸发罐进行加热；

蒸汽压缩机，其设置在蒸发罐顶部，用于将海水受热后产生的热蒸汽从蒸发罐中抽出，并进行压缩得到高温高压水蒸气；

冷凝管道，其一端连接蒸汽压缩机，另一端连接所述氢气制备装置，用于对高温高压水蒸气进行冷凝得到淡水，并将淡水输送至所述氢气制备装置。

一些实施例中，所述冷凝管道包括顺序连接的第一管道、第二管道、以及第三管道，第一管道连接所述蒸汽压缩机，第二管道连接所述氢气制备装置的进气口；

第一管道和第三管道均位于蒸发罐外部，第二管道位于蒸发罐内部，第二管道具有多个弯折部。

一些实施例中，所述氢气制备装置包括：

电解室，其用于对淡水进行电解得到氢气和氧气；

氢气出气管，其连接在电解室上方，用于将氢气输送至浮力储能装置；

氧气出气管，其连接在电解室上方，用于将氧气将电解室中输出。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：因地制宜，利用海上丰富的海水资源，不仅能制备清洁无污染的氢气，并且有效利用氢气的浮力大这一特点实现高效的浮力储能，能量转换效率高、绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例中海上风电储能系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中海水淡化装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中氢气制备装置的结构示意图。

图4为本发明实施例中浮力储能装置的结构示意图。

图5为本发明实施例中燃料电池发电装置的结构示意图。

附图标记：

1-风力发电装置；2-海水淡化装置；3-氢气制备装置；4-海上工作平台；5-浮力储能装置；6-燃料电池发电装置；7-太阳能辅助供电装置；21-抽水泵；22-加热装置；23-蒸汽压缩机；24-冷凝管道；25-蒸发罐；31-电解室；32-氢气出气管；33-阴极电极；34-阳极电极；35-阴极室；36-阳极室；37-分子隔膜；38-旋转气阀；39-氢气压缩机；310-氢气储存罐；311-传感器；51-气罐阵列；52-发动机；53-传动轮；54-传输链；55-支撑轴；56-连接轴；61-氢气进口；62-氧气进口；63-阳极催化板；64-阴极催化板；65-质子交换膜；66-阳极板；67-阴极板；68-散热装置；69-控制组件。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种海上风电储能系统，能够利用多余风电制备氢气，并在电网需求量低于风电发电量时，利用风力将气罐阵列51按压至海面以下，在电网需求量高于风电发电量时，利用气罐阵列51的浮力驱动发电机发电，通过将多余风电转化为化学能提高储电能力，并通过浮力储存的方式提高平稳供电能力。

具体的，海上风电储能系统包括风力发电装置1、海水淡化装置2、氢气制备装置3、以及浮力储能装置5，风力发电装置1用于利用风力发电并为电网、海水淡化装置2、氢气制备装置3、以及浮力储能装置5供电。上述浮力储能装置5包括发动机52、发电机（图中未示出）、传输件、气罐阵列51，气罐阵列51机械连接传输件，传输件电性连接发动机52和发电机。

当风电发电量过剩时，上述海水淡化装置2利用风电对海水进行淡化处理得到淡水，上述氢气制备装置3利用风电对淡水进行制氢处理得到氢气，并将氢气存储至上述气罐阵列51，上述发动机52利用风电驱动传输件将气罐阵列51输送至海面以下。后续，当风电发电量不足时，上述气罐阵列51可基于自身浮力上升，并带动传输件运动从而输出机械能，上述发电机利用该机械能进行发电，发电机发的电可供应电网也可供应海上风电储能系统自身。

在本实施例中，因地制宜，利用海上丰富的海水资源，不仅能制备清洁无污染的氢气，并且有效利用氢气的浮力大这一特点实现高效的浮力储能，能量转换效率高、绿色环保。

如图1和图4所示，在较佳的实施例中，上述海上风电储能系统还包括控制装置（图中未示出），其连接上述电网、上述风力发电装置1、上述海水淡化装置2、上述氢气制备装置3、以及上述浮力储能装置5。

上述控制装置用于在风电大于电网所需电量时，控制风力发电装置1将超出部分电能输送至上述海上风电储能系统中的其他所有装置。

上述控制装置还用于在风电大于电网所需电量时，控制发动机52启动，发电机关闭。上述控制装置还用于在风电小于电网所需电量时，控制发动机52关闭，控制发电机启动。

在本实施例中，当海上有风，而电网处在用电高峰期时，风力发电装置1正常工作，并向电网输送电能。

当海上有风，而电网却处于用电低峰时，风力发电装置1有多余的电能出现，可利用多余的电能向海水淡化装置2、氢气制备装置3和浮力储能装置5供电，海水淡化装置2淡化海水得到淡水，氢气制备装置3对淡水进行制氢处理得到氢气和氧气，浮力储能装置5将氢气储存到气罐阵列51后，利用多余的风电做功，以克服气罐阵列51的浮力将其输送到海面以下进行浮力储能，满足更大容量的储能需求。

当风电发电量无法满足电网需求时，风力发电装置1不再向浮力储能装置5供电，浮力储能装置5中的发动机52停止做功，气罐阵列51在自身浮力作用下上升同时带动与其连接的传输件运动，传输件输出的机械能可被发电机利用进行发电，所发电量可输送至电网以弥补风电的不足。

其中，风力发电装置1包括风电机组（图中未示出）和变压站（图中未示出）。

如图1所示，在较佳的实施例中，上述海上风电储能系统还包括燃料电池发电装置6，其连接上述电网、上述风力发电装置1、上述海水淡化装置2、上述氢气制备装置3、以及上述浮力储能装置5。燃料电池发电装置6可连接氢气制备装置3的氢气输出口和氧气输出口。

上述燃料电池发电装置6利用氢气和氧气发电，并向上述海上风电储能系统中的其他所有装置供电。

在本实施例中，在风电大于电网所需电量时，控制风力发电装置1将超出部分电能输送至上述海上风电储能系统中的其他所有装置，海水淡化装置2进行海水淡化，氢气制备装置3进行制氢和制氧，当氢气产量超出浮力储能装置5的存储能力时，氢气制备装置3将氢气和氧气输送至燃料电池发电装置6，燃料电池发电装置6利用氢气制备装置3制备的氧气和氢气进行催化反应以进行化学发电并辅助供应海上风电储能系统其他装置的日常用电。

当制备的氢气有剩余时，通过在燃料电池发电装置6将化学能转化为稳定输出的电能供系统电力设备使用，实现将间歇性的海上电能转换成环保绿色的氢气化学能，并且能进一步将化学能转化为稳定输出的电能供系统电力设备使用，提高风电利用率。

进一步的，如图5所示，燃料电池发电装置6包括氢气进口61、氧气进口62、阳极催化板63、阴极催化板64，质子交换膜65两侧有阳极板66和阴极板67，氢气和氧气由相应进口进入后经催化板上的催化剂催化反应，将产生大量电能和热能，电能经阴阳极输送至系统供给使用。由于热能会导致电池发热影响发电效率，由散热装置68负责电池冷却，控制组件69通过对系统目标功率的控制，控制燃料电池装置的输出功率，保证电网供给平衡。

如图1所示，在较佳的实施例中，上述海上风电储能系统还包括太阳能辅助供电装置7，其连接上述风力发电装置1、上述海水淡化装置2、上述氢气制备装置3、以及上述浮力储能装置5。

上述太阳能辅助供电装置7利用太阳能发电，并向上述海上风电储能系统中的其他所有装置供电。

在本实施例中，太阳能辅助供电装置7包括太阳能电池板阵列（图中未示出）和逆变设备（图中未示出）。当海上有充足的阳光时，太阳能辅助供电装置7工作，为系统日常运行提供辅助供电

如图1所示，在较佳的实施例中，海上风电储能系统还包括海上工作平台4，其设置于海面上，用于承载上述海上风电储能系统中除上述浮力储能装置5外的其他所有装置。

在本实施例中，海上工作平台4与传统离岸式海上升压站平台相似，风力发电装置1、海水淡化装置2装置、氢气制备装置3、燃料电池发电装置6和太阳能辅助供电装置7均放置在海上工作平台4上。风力发电装置11通过风力发电，太阳能辅助供电装置7通过太阳能发电，氢气制备装置3的电由风力发电装置1主要提供，太阳能辅助供电装置7辅助提供。

如图4所示，在较佳的实施例中，上述输送件包括支撑轴55、两个连接轴56、四个传动轮53、以及两个传输链54。支撑轴55竖直设置，且部分位于海面以下。两个连接轴56均为水平设置，且两个连接轴56的中部均与支撑轴55连接，每个上述连接轴56均连接上述发动机52和上述发电机。四个传动轮53分别套设在两个连接轴56的端部。两个传输链54分别设置在支撑轴55的两侧，每个传输链54均套设在两个传动轮53的外部，两个传输链54之间设有上述气罐阵列51，上述气罐阵列51包括多个氢气储存罐310。

在本实施例中，浮力储能装置5可包括多组发动机52、发电机、传输件、以及气罐阵列51，且多个支撑轴55相互平行设置。传动轮53之间通过连接轴56实现机械连接，气罐阵列51则固定安装在传输链54上，实现上下浮动的运输。一组传输链54上可以有多个气罐阵列51，一个系统可以有多条传输链54并列组成，同时进行多批次氢气储能。

当海上有风，气罐阵列51被充满，电网同时又处在用电低峰时，电动机将风力发电装置1发的电能转换为机械能带动传动轮53将气罐阵列51向海下运输，克服向上的浮力实现氢气浮力储能。

当电网处于用电高峰时，气罐阵列51由于海水浮力的作用，向上释放能量，能量产生动力，动力通过传输链54、传动轮53驱动发电机发电，将存储的浮力动能转换为电能供给电力系统使用。

在较佳的实施例中，上述氢气制备装置3包括搬运组件（图中未示出），上述浮力储能装置5的数量为多个，上述搬运组件用于将未储存氢气的氢气储存罐310连接至氢气制备装置3的出气口，还用于将易储存氢气的氢气储存罐310连接至气罐阵列51。

如图1和图2所示，在较佳的实施例中，上述海水淡化装置2包括蒸发罐25、抽水泵21、加热装置22、蒸汽压缩机23、以及冷凝管道24。蒸发罐25内部设有容置空间，用于容置海水。抽水泵21设置在蒸发罐25外侧，用于将海水输送至蒸发罐25内部。加热装置22设置在蒸发罐25底部，用于对蒸发罐25进行加热。蒸汽压缩机23设置在蒸发罐25顶部，用于将海水受热后产生的热蒸汽从蒸发罐25中抽出，并进行压缩得到高温高压水蒸气。冷凝管道24一端连接蒸汽压缩机23，另一端连接上述氢气制备装置3，用于对高温高压水蒸气进行冷凝得到淡水，并将淡水输送至上述氢气制备装置3。

上述冷凝管道24包括顺序连接的第一管道、第二管道、以及第三管道，第一管道连接上述蒸汽压缩机23，第二管道连接上述氢气制备装置3。第一管道和第三管道均位于蒸发罐25外部，第二管道位于蒸发罐25内部，第二管道具有多个弯折部。

在本实施例中，加热装置22提供热能，由抽水泵21抽取的海水在蒸发罐25中沸腾蒸发形成二次蒸汽，通过蒸汽压缩机23的绝热压缩，提高其压力、温度及热焙后再送回蒸发罐25的加热室，作为加热蒸汽使用，使蒸发罐25内的海水继续蒸发，而其本身则在冷凝管道24内冷凝成淡水，淡水经收集管道输送至电解室31内。

采集到的淡水经过输送管道送至氢气制备装置3中的电解室31内，电解电离得到氢气和氧气，氢气通过压缩机压缩存储在储氢气罐内。储存的氢气一部分由传输管道输送至燃料电池发电装置6，经过化学反应提供稳定可持续的电能供系统设备使用。一部分储气罐则置入浮力储能装置5的气罐阵列51中，经由动力通过系统传输，将气罐阵列51压入海水中，并将装满海水的水罐提出海面，利用氢气受到的浮力和海水的重力，将动力储存起来。在用电需求较大的释能阶段，气罐阵列51由于海水浮力的作用，向上产生动力将储存的能量释放出来。

如图1和图3所示，在较佳的实施例中，上述氢气制备装置3包括电解室31、氢气出气管32、以及氧气出气管（图中未示出）。电解室31用于对淡水进行电解得到氢气和氧气。氢气出气管32连接在电解室31上方，用于将氢气输送至浮力储能装置5。氧气出气管连接在电解室31上方，用于将氧气将电解室31中输出。

在本实施例中，氢气制备装置3包括电解室31和安装在电解室31内的分子隔膜37，分子隔膜37将电解室31隔成阳极室36和阴极室35，阳极室36内安装有阳极电极34，阴极室35内安装有阴极电极33。电解室31上设有氢气出气管32，氢气出气管32与旋转气阀38相连，通过旋转气阀38来控制出气的速率，旋转气阀38与氢气压缩机39的进气口连接，氢气压缩机39的出气口与氢气储存罐310连接，产生的氢气在氢气压缩机39被压缩，减少存储量。

电解室31内设置传感器311，包括输出电压传感器311、压力传感器311、液位传感器311、电解槽温度传感器311、电解槽循环量传感器311、以及氢氧纯度传感器311，传感器311监测各类运行状态处于正常工作范围，保证制氢安全。

综上上述，本发明通过海上作业平台的海水淡化装置2、氢气制备装置3和燃料电池发电装置6，将间歇性的海上电能转换成环保绿色的氢气化学能，并且能进一步将化学能转化为稳定输出的电能供系统电力设备使用，同时，浮力储能装置5又能将制备的多余氢气送至海底进行浮力储能，满足更大容量的储能需求。

本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电储能系统，其特征在于，包括风力发电装置（1）、海水淡化装置（2）、氢气制备装置（3）、以及浮力储能装置（5），风力发电装置（1）用于将风电输送至电网、海水淡化装置（2）、氢气制备装置（3）、以及浮力储能装置（5）；

所述浮力储能装置（5）包括发动机（52）、发电机、传输件、以及气罐阵列（51），气罐阵列（51）连接传输件，传输件分别连接发动机（52）和发电机；

所述海水淡化装置（2）用于对海水进行淡化处理得到淡水；所述氢气制备装置（3）用于对淡水进行制氢处理得到氢气和氧气，并将氢气存储至所述气罐阵列（51）；

当风力发电装置（1）的发电量大于电网需求量时，所述风力发电装置（1）通过发动机（52）驱动传输件，将气罐阵列（51）输送至海面以下；当风力发电装置（1）的发电量小于电网需求量时，发动机（52）停止工作，所述气罐阵列（51）利用自身浮力上升，并通过带动传输件运动驱动所述发电机发电。

2.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述海上风电储能系统还包括控制装置，所述控制装置用于在风电大于电网所需电量时，控制风力发电装置（1）将超出部分电能输送至海水淡化装置（2）、氢气制备装置（3）、以及发动机（52）；

所述控制装置还用于在风电大于电网所需电量时，控制发动机（52）启动，发电机关闭；

所述控制装置还用于在风电小于电网所需电量时，控制发动机（52）关闭，控制发电机启动。

3.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述海上风电储能系统还包括燃料电池发电装置（6），当气罐阵列（51）存储满时，所述氢气制备装置（3）将氢气和氧气发送给燃料电池发电装置（6），所述燃料电池发电装置（6）利用氢气和氧气发电，并将电能传输给电网、所述风力发电装置（1）、所述海水淡化装置（2）、所述氢气制备装置（3）、以及所述浮力储能装置（5）中的至少一个。

4.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述海上风电储能系统还包括太阳能辅助供电装置（7），其利用太阳能发电，用于为所述风力发电装置（1）、所述海水淡化装置（2）、所述氢气制备装置（3）、以及所述浮力储能装置（5）供电。

5.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，海上风电储能系统还包括海上工作平台（4），其设置于海面上，用于承载所述海上风电储能系统中除所述浮力储能装置（5）外的其他所有装置。

6.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述输送件包括：

支撑轴（55），其竖直设置于海面，且部分位于海面以下；

两个连接轴（56），其均为水平设置，且两个连接轴（56）的中部均与支撑轴（55）连接；每个所述连接轴（56）均连接所述发动机（52）和所述发电机；

四个传动轮（53），其分别套设在两个连接轴（56）的端部；

两个传输链（54），其分别设置在支撑轴（55）的两侧，每个传输链（54）均套设在两个传动轮（53）的外部，两个传输链（54）之间连接有所述气罐阵列（51）；所述气罐阵列（51）包括多个相互连接的氢气储存罐（310）。

7.基于权利要求6所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述氢气制备装置（3）包括搬运组件；

所述搬运组件用于将未储存氢气的氢气储存罐（310）连接至氢气制备装置（3）的出气口，还用于将已储存氢气的氢气储存罐（310）连接至气罐阵列（51）。

8.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述海水淡化装置（2）包括：

蒸发罐（25），其内部设有容置空间，用于容置海水；

抽水泵（21），其设置在蒸发罐（25）外侧，用于将海水输送至蒸发罐（25）内部；

加热装置（22），其设置在蒸发罐（25）底部，用于对蒸发罐（25）进行加热；

蒸汽压缩机（23），其设置在蒸发罐（25）顶部，用于将海水受热后产生的热蒸汽从蒸发罐（25）中抽出，并进行压缩得到高温高压水蒸气；

冷凝管道（24），其一端连接蒸汽压缩机（23），另一端连接所述氢气制备装置（3），用于对高温高压水蒸气进行冷凝得到淡水，并将淡水输送至所述氢气制备装置（3）。

9.基于权利要求8所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述冷凝管道（24）包括顺序连接的第一管道、第二管道、以及第三管道，第一管道连接所述蒸汽压缩机（23），第二管道连接所述氢气制备装置（3）的进气口；

第一管道和第三管道均位于蒸发罐（25）外部，第二管道位于蒸发罐（25）内部，第二管道具有多个弯折部。

10.基于权利要求1所述的海上风电储能系统，其特征在于，所述氢气制备装置（3）包括：

电解室（31），其用于对淡水进行电解得到氢气和氧气；

氢气出气管（32），其连接在电解室（31）上方，用于将氢气输送至浮力储能装置（5）；

氧气出气管，其连接在电解室（31）上方，用于将氧气将电解室（31）中输出。

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