CN210371025U - 间冷式空气储热储能海上风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种间冷式空气储热储能海上风力发电系统，该系统包括风力发电机、海底电缆、升压站、储热储能站平台、储热器、换热器、高压和低压空压机、高压和低压空气透平、水下储气气囊、连接管线和阀门，可实现将海上风电产生的过剩电能通过多个空压机储存至水下气囊和储热器中，当海上风电产生的电能不足或无法产生电能时，气囊中的压缩空气在换热器内先后两次与从储热器流出的高温储热工质吸收热量后，分别推动高压和低压空气透平做功，将空气压缩能和储热器中的热能高效转化为电能，向电网提供电能，通过此种方案实现海上风电机组自身具有一定的功率调节能力，可显著降低或消除现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。

Description

间冷式空气储热储能海上风力发电系统

技术领域

本实用新型涉及海上风力发电和空气储热储能技术的交叉领域，具体涉及一种间冷式空气储热储能海上风力发电系统。

背景技术

海上风电技术是一种利用海上风能的先进的清洁能源技术，海上风能具有总储量大、可利用小时数长的特点，但受到海上风速波动的影响，海上风电的功率输出并不稳定，因此海上风电对电网体系存在系统性的冲击。为解决海上风电功率输出与电网需求不匹配的难题，海上风电场或电网需要考虑配备一定比例的抽水储能电站、空气储能电站或电池储能电站。然而，抽水储能电站需要依托地形和水源建设；空气储能的能量密度低，所以陆上空气储能电站所需储气体积大，如果采用金属储气罐成本太高，一般采用废气的矿井作为存储空气的容积，因此空气储能电站建设也存在储气地域受限，且当储存气体使用的压力降低时，透平功率输出不稳定；电池储能电站原理简单，虽不依赖地形，但其技术本身还不够成熟、稳定，行业内未形成统一标准，现有电池储能电站运行寿命较短、建设费用较高、易发生恶劣事故。如果可以将压缩空气储能与海上风电机组结合，将压缩空气储存在海平面以下的气囊中，则可以提高海上风电机组自身功率输出的稳定性，使海上风电机组的输出功率具有一定范围的调节能力，则可以降低海上风电对电网的冲击，降低电网对抽水储能电站、陆上空气储能电站或电池储能电站的建设和调峰需求。目前，尚无有效的水下空气储热储能技术方案能实现海上风电功率输出与电网需求波动进行实时的功率匹配和调节。如果能够开发一种技术，实现海上风电机组自身具有调节能力，将使海上风能更好的利用。

发明内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种间冷式空气储热储能海上风力发电系统，该系统自身具有一定的功率调节能力，可显著降低或消除现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

间冷式空气储热储能海上风力发电系统，包括一个或多个风力发电机1、风力机海底电缆2、升压站3、海底电缆4、海底储热储能站电缆5、储热储能站平台6、储热器7、换热器8、低压空压机9、高压空压机10、高压空气透平11、低压空气透平12、气囊13、储热器进口管线14、储热器出口管线15、低压空压机进口管线16、低压空压机出口管线17、高压空压机进口管线18、高压空压机出口管线19、高压空气透平进口管线20、高压空气透平出口管线21、低压空气透平进口管线22、低压空气透平出口管线23、换热器出口管线24、换热器出口阀门25、气囊进口管线26、换热器进口管线27、换热器进口阀门28和气囊出口管线29，其中，一个或多个风力发电机1通过风力机海底电缆2与升压站3相连，升压站3通过海底电缆4连接到外部电网，升压站3还通过海底储热储能站电缆5与储热储能站平台6相连，储热器7、换热器8、低压空压机9、高压空压机10、高压空气透平11和低压空气透平12固定于储热储能站平台6上，低压空压机进口管线16一端置于空气中，另一端与低压空压机9的进口相连，低压空压机出口管线17一端与低压空压机9的出口相连，另一端与换热器8的进口相连，高压空气透平进口管线20一端与换热器8的出口相连，另一端与高压空气透平11的进口相连，高压空气透平出口管线21一端与高压空气透平11的出口相连，另一端与换热器8的进口相连，低压空气透平进口管线22一端与低压空气透平12的进口相连，另一端与换热器8的出口相连，低压空气透平出口管线23一端与低压空气透平12的出口相连，另一端置于空气中，储热器进口管线14的一端与储热器7的进口相连，另一端与换热器8的出口相连，储热器出口管线15一端与储热器7的出口相连，另一端与换热器8的进口相连，换热器8的出口通过相连接的换热器出口管线24和气囊进口管线26与固定在海水下的气囊13的进口相连，在换热器出口管线24上设置有换热器出口阀门25，换热器8的进口通过相连接的换热器进口管线27和气囊出口管线29与固定在海水下的气囊13的出口相连，在换热器进口管线27上设置有换热器进口阀门28。

所述储热储能站平台6固定于海岛上或船体上。

所述气囊13的个数大于等于1，且当气囊13的个数大于1时，气囊13间彼此相互连通，所述气囊13固定于80至1000米以内的某一固定深度。

所述低压空压机9和高压空压机10的工作电压与升压站3的电压相同，高压空气透平11和低压空气透平12机组的输出电压与升压站3的电压相同。

所述风力发电机1输出的电能可通过风力机海底电缆2传输至升压站3变压后，再输送给电网或储热储能站平台6，储热储能站平台6产生的电功率可以直接通过海底储热储能站电缆5和海底电缆4传送至电网。

所述间冷式空气储热储能海上风力发电系统的运行方法，主要有三个阶段，分别为直接上网阶段、储能储热阶段和放能放热阶段，所述直接上网阶段是指间冷式空气储热储能海上风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％至110％时，换热器出口阀门25和换热器进口阀门28处于关闭状态，风力发电机1输出的电能全部依次通过风力机海底电缆2、升压站3和海底电缆4传输至电网；所述储能储热阶段是指间冷式空气储热储能海上风力发电系统的输出功率为电网需求值的110％以上时，换热器出口阀门25处于开启状态，换热器进口阀门28处于关闭状态，风力发电机1输出的电功率分为两部分电功率，第一部分为与电网需求值相等的电功率，第二部分为多出电网需求值的部分电功率，其中第一部分电功率依次通过风力机海底电缆2、升压站3和海底电缆4传输至电网，第二部分电功率依次通过风力机海底电缆2、升压站3、海底电缆4、海底储热储能站电缆5输送至储热储能站平台6，带动低压空压机9和高压空压机10对气体做功，将电能转化为气体的压缩能和热能，气体的压缩能储存在气囊9中，压缩气体产生的热能通过在换热器8内压缩气体与储热工质间的流动换热，将热能储存在储热器7中；所述放能放热阶段是指间冷式空气储热储能海上风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％以下时，换热器出口阀门25处于关闭状态，换热器进口阀门28处于开启状态，气囊9中的高压气体先进入换热器8，与储热器7流出的储热工质在换热器8中进行热交换，温度升高后的高压气体推动高压空气透平11做功发电使得高压气体降温降压后再次进入换热器8中与储热器7流出的储热工质进行热交换后，再次提升温度的气体工质，推动低压空气透平12做功发电，高压空气透平11和低压空气透平12输出的电能通过海底储热储能站电缆5和海底电缆4输送至电网。

本实用新型的有益效果在于：

目前，尚未见到可用于解决海上风电上网电功率波动性过大问题的成熟技术方案。本实用新型提出了一种可操作性高的间冷式空气储热储能海上风力发电系统，本实用新型通过在近海岛屿或浮动船体上设置高压和低压空气压缩机、高压和低压空气透平、换热器、储热器和水下储气气囊的技术方案，可实现将海上风电产生的过剩电能通过多个空压机储转化为气体的压缩能和热能，气体的压缩能储存至水下的气囊中，储气压力可达0.8MPa至10MPa，提高了空气储能的的能量密度，当海上风电产生的电能不足或无法产生电能时，气囊中的压缩空气在换热器内先后两次从储热器流出的高温储热工质吸收热量后，分别推动高压和低压空气透平做功，将空气压缩能和储热器中的热能高效转化为电能，向电网提供电能，通过此种方案实现海上风电机组自身具有一定的功率调节能力，可显著降低或消除现有海上风电功率波动过大而引起对电网的冲击。本方案采用水下气囊储气，当气囊内的气体减少时，气体的压力等同于周围海水压力，气囊体积收缩，可实现透平进口气压不变，可使本系统中的空气透平功率输出特性比陆上空气储能电站透平输出特性更加平稳、高效。同时，本方案采用较低成本的水下气囊方案代替价格昂贵的储罐，降低了成本且不受用陆上空间限制，具有寿命长、灵活性高的特点。

附图说明

图1是本实用新型间冷式空气储热储能海上风力发电系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，间冷式空气储热储能海上风力发电系统，包括一个或多个风力发电机1、风力机海底电缆2、升压站3、海底电缆4、海底储热储能站电缆5、储热储能站平台6、储热器7、换热器8、低压空压机9、高压空压机10、高压空气透平11、低压空气透平12、气囊13、储热器进口管线14、储热器出口管线15、低压空压机进口管线16、低压空压机出口管线17、高压空压机进口管线18、高压空压机出口管线19、高压空气透平进口管线20、高压空气透平出口管线21、低压空气透平进口管线22、低压空气透平出口管线23、换热器出口管线24、换热器出口阀门25、气囊进口管线26、换热器进口管线27、换热器进口阀门28和气囊出口管线29，其中一个或多个风力发电机1通过风力机海底电缆2与升压站3相连，升压站3通过海底电缆4连接到外部电网，升压站3还通过海底储热储能站电缆5与储热储能站平台6相连，储热器7、换热器8、低压空压机9、高压空压机10、高压空气透平11和低压空气透平12固定于储热储能站平台6上，低压空压机进口管线16一端置于空气中，另一端与低压空压机9的进口相连，低压空压机出口管线17一端与低压空压机9的出口相连，另一端与换热器8的进口相连，高压空气透平进口管线20一端与换热器8的出口相连，另一端与高压空气透平11的进口相连，高压空气透平出口管线21一端与高压空气透平11的出口相连，另一端与换热器8的进口相连，低压空气透平进口管线22一端与低压空气透平12的进口相连，另一端与换热器8的出口相连，低压空气透平出口管线23一端与低压空气透平12的出口相连，另一端置于空气中，储热器进口管线14的一端与储热器7的进口相连，另一端与换热器8的出口相连，储热器出口管线15一端与储热器7的出口相连，另一端与换热器8的进口相连，换热器8的出口通过相连接的换热器出口管线24和气囊进口管线26与固定在海水下的气囊13的进口相连，在换热器出口管线24上设置有换热器出口阀门25，换热器8的进口通过相连接的换热器进口管线27和气囊出口管线29与固定在海水下的气囊13的出口相连，在换热器进口管线27上设置有换热器进口阀门28。

作为本实用新型的优选实施方式，所述储热储能站平台6固定于海岛上或船体上。

作为本实用新型的优选实施方式，所述气囊13的个数大于等于1，且当气囊13的个数大于1时，气囊13间彼此相互连通，所述气囊13固定于80至1000米以内的某一固定深度。

作为本实用新型的优选实施方式，所述低压空压机9和高压空压机10的工作电压与升压站3的电压相同，高压空气透平11和低压空气透平12机组的输出电压与升压站3的电压相同。

作为本实用新型的优选实施方式，一个或若干个风力发电机1输出的电能可通过风力机海底电缆2传输至升压站3变压后，再输送给电网或储热储能站平台6，储热储能站平台6产生的电功率可以直接通过海底储热储能站电缆5和海底电缆4传送至电网。

所述间冷式空气储热储能海上风力发电系统的工作过程主要有三个阶段，分别为直接上网阶段、储能储热阶段和放能放热阶段，所述直接上网阶段是指间冷式空气储热储能海上风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％至110％时，换热器出口阀门25和换热器进口阀门28处于关闭状态，风力发电机1输出的电能全部依次通过风力机海底电缆2、升压站3和海底电缆4传输至电网；所述储能储热阶段是指间冷式空气储热储能海上风力发电系统的输出功率为电网需求值的110％以上时，换热器出口阀门25处于开启状态，换热器进口阀门28处于关闭状态，风力发电机1输出的电功率分为两部分电功率，第一部分为与电网需求值相等的电功率，第二部分为多出电网需求值的部分电功率，其中第一部分电功率依次通过风力机海底电缆2、升压站3和海底电缆4传输至电网，第二部分电功率依次通过风力机海底电缆2、升压站3、海底电缆4、海底储热储能站电缆5输送至储热储能站平台6，带动低压空压机9和高压空压机10对气体做功，将电能转化为气体的压缩能和热能，气体的压缩能储存在气囊9中，压缩气体产生的热能通过在换热器8内压缩气体与储热工质间的流动换热，将热能储存在储热器7中；所述放能放热阶段是指间冷式空气储热储能海上风力发电系统的输出功率为电网需求值的90％以下时，换热器出口阀门25处于关闭状态，换热器进口阀门28处于开启状态，气囊9中的高压气体先进入换热器8，与储热器7流出的储热工质在换热器8中进行热交换，温度升高后的高压气体推动高压空气透平11做功发电使得高压气体降温降压后再次进入换热器8中与储热器7流出的储热工质进行热交换后，再次提升温度的气体工质，推动低压空气透平12做功发电，高压空气透平11和低压空气透平12输出的电能通过海底储热储能站电缆5和海底电缆4输送至电网。

Claims (4)

1.间冷式空气储热储能海上风力发电系统，其特征在于：包括一个或多个风力发电机(1)、风力机海底电缆(2)、升压站(3)、海底电缆(4)、海底储热储能站电缆(5)、储热储能站平台(6)、储热器(7)、换热器(8)、低压空压机(9)、高压空压机(10)、高压空气透平(11)、低压空气透平(12)、气囊(13)、储热器进口管线(14)、储热器出口管线(15)、低压空压机进口管线(16)、低压空压机出口管线(17)、高压空压机进口管线(18)、高压空压机出口管线(19)、高压空气透平进口管线(20)、高压空气透平出口管线(21)、低压空气透平进口管线(22)、低压空气透平出口管线(23)、换热器出口管线(24)、换热器出口阀门(25)、气囊进口管线(26)、换热器进口管线(27)、换热器进口阀门(28)和气囊出口管线(29)，其中，一个或多个风力发电机(1)通过风力机海底电缆(2)与升压站(3)相连，升压站(3)通过海底电缆(4)连接到外部电网，升压站(3)还通过海底储热储能站电缆(5)与储热储能站平台(6)相连，储热器(7)、换热器(8)、低压空压机(9)、高压空压机(10)、高压空气透平(11)和低压空气透平(12)固定于储热储能站平台(6)上，低压空压机进口管线(16)一端置于空气中，另一端与低压空压机(9)的进口相连，低压空压机出口管线(17)一端与低压空压机(9)的出口相连，另一端与换热器(8)的进口相连，高压空气透平进口管线(20)一端与换热器(8)的出口相连，另一端与高压空气透平(11)的进口相连，高压空气透平出口管线(21)一端与高压空气透平(11)的出口相连，另一端与换热器(8)的进口相连，低压空气透平进口管线(22)一端与低压空气透平(12)的进口相连，另一端与换热器(8)的出口相连，低压空气透平出口管线(23)一端与低压空气透平(12)的出口相连，另一端置于空气中，储热器进口管线(14)的一端与储热器(7)的进口相连，另一端与换热器(8)的出口相连，储热器出口管线(15)一端与储热器(7)的出口相连，另一端与换热器(8)的进口相连，换热器(8)的出口通过相连接的换热器出口管线(24)和气囊进口管线(26)与固定在海水下的气囊(13)的进口相连，在换热器出口管线(24)上设置有换热器出口阀门(25)，换热器(8)的进口通过相连接的换热器进口管线(27)和气囊出口管线(29)与固定在海水下的气囊(13)的出口相连，在换热器进口管线(27)上设置有换热器进口阀门(28)。

2.根据权利要求1所述的间冷式空气储热储能海上风力发电系统，其特征在于：所述储热储能站平台(6)固定于海岛上或船体上。

3.根据权利要求1所述的间冷式空气储热储能海上风力发电系统，其特征在于：所述气囊(13)的个数大于等于1，且当气囊(13)的个数大于1时，气囊(13)间彼此相互连通，所述气囊(13)固定于80至1000米以内的某一固定深度。

4.根据权利要求1所述的间冷式空气储热储能海上风力发电系统，其特征在于：所述低压空压机(9)和高压空压机(10)的工作电压与升压站(3)的电压相同，高压空气透平(11)和低压空气透平(12)机组的输出电压与升压站(3)的电压相同。

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