一种弹簧式水下恒压空气储释能系统的制作方法

本发明涉及压缩气体储能领域，尤其涉及一种弹簧式水下恒压储释能系统。

背景技术：

近年来，我国可再生能源快速崛起。2019年国内风力发电量和太阳能发电量分别增至405.7twh、224.3twh，在总发电量中占比8.5％，年增长率分别为10.8％、26.4％。但由于可再生能源间歇性明显、能量密度低、大规模并网不利于电网稳定、输电通道建设滞后等因素，限制了可再生能源的消纳。为此国家明确提出推动储能系统与可再生能源协调运行。

现有的抽水储能系统，需要建造水库和水坝，选址困难且建设周期长，投资成本高，占用土地资源多，需要考虑移民问题，对环境影响较大，会导致一些生态问题。

现有的蓄电池储能系统，单位储能成本高，功率等级低，无法大规模布置，工作寿命短，充放电慢，污染性高，难以工作在环境恶劣的地方。

现有的恒容储能系统，储气罐内总有剩余气体，能量无法彻底利用，储释能时储气罐内气体压力时刻变化，导致压气机与透平偏离设计工况运行，系统效率低。

现有的电机-缆绳式水下恒压储释能系统在储释气时通过电机-缆绳拉动储气罐以调整储气罐的深度，从而保证储气罐中气体恒压，如发明公开专利“一种水力恒压储释能系统与智能调控方法(公开号：cn111120208a)”，该系统在恒压控制时，拉动储气罐的电动机会消耗电能。

现有的电机-缆绳式水下恒压储释能系统在使用电机-缆绳结构控制储气罐中气体恒压时，需要实时监测储气罐内液面深度以及缆绳与水平面夹角以计算出所需的电机力矩，进而进行电机调控。这个控制过程需要为各传感器以及电机设计自动控制系统。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种弹簧式水下恒压储释能系统，可以通过弹簧的力学负反馈作用维持储气与释气过程中储气罐内气体压力恒定。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种弹簧式水下恒压储释能系统，包括水面工作平台、多级压气机、多级空气透平、电动机-发电机、三通阀、储气罐、水下工作平台、伸缩机构和弹簧，

所述水面工作平台靠近水面设置，且所述水面工作平台与水面之间的距离可调，

所述多级压气机、所述多级空气透平和所述电动机-发电机位于水面工作平台上方，且所述多级压气机和所述多级空气透平分别与所述电动机-发电机导线连接，且所述多级压气机的出口、所述多级空气透平的进口分别通过第一输气管道和第二输气管道与三通阀的第一端口和第二端口连接，

所述储气罐位于水面下且可沿竖直方向在水里上下移动，储气罐的进出气口通过第三输气管道与三通阀的第三端口连接，

所述水下工作平台位于所述储气罐下方，且所述水下工作平台通过所述伸缩机构与水底固定连接，

所述弹簧位于所述储气罐和所述水下工作平台之间，所述弹簧的顶端与所述储气罐固定连接，所述弹簧的底端与所述水下工作平台固定连接。

进一步地，还包括雷达测距仪，所述雷达测距仪固定设置在所述储气罐的顶部，用于测量所述储气罐的顶部分别到储气罐内部液面和水面工作平台的距离。

进一步地，还包括位于所述水面工作平台之上的储冷油保温罐、第一输油管道、储热油保温罐和第二输油管道，

所述储冷油保温罐包括第一出油口和第一进油口，且所述储冷油保温罐内可储存储冷油，所述第一输油管道的一端与所述第一出油口连接，所述第一输油管道依次经过所述多级压气机的各级间附近和所述多级空气透平的出口附近，所述第一输油管道的另一端与所述第一进油口连接；

所述储热油保温罐包括所述第二出油口和第二进油口，且所述储热油保温罐内可储存储热油，所述第二输油管道的一端与所述第二出油口连接，所述第二输油管道依次经过所述多级空气透平的各级间附近和所述多级压气机的出口附近，所述第二输油管道的另一端与所述第二进油口连接。

采用上述技术方案，当多级压气机工作时，多级压气机级间与第一输油管中的储冷油发生热交换，级间气体降温，从而使多级压气机更高效工作，提高多级压气机效率，多级压气机的出口处附近空气与第二输油管中的储热油发生热交换，从而将出口附近高温空气的热能储存于储热油中。

当多级空气透平工作时，级间与第二输油管中的储热油发生热交换，级间气体升温，从而使多级空气透平更高效工作，提高多级空气透平效率，多级空气透平的出口附近空气与第一输油管中的储冷油发生热交换，从而将出口附近低温空气的冷能储存于储冷油中。

进一步地，所述第一输油管道和第二输油管道中位于多级压气机的各级间附近、多级空气透平的第二出油口附近、多级空气透平的各级间附近和多级压气机的出口附近的部分均采用导热材料制成，其余部分采用绝热材料包裹。

采用上述技术方案，通过将第一输油管道和第二输油管道进行热交换处的材料采用导热材料，可以有效提高热交换效率，在其他部分采用绝热材料，减少能量消耗。

进一步地，多级压气机和所述电动机-发电机之间的导线上设置有第一离合器，所述多级空气透平和所述电动机-发电机之间的导线上设置有第二离合器。

采用上述技术方案，通过设置第一离合器和第二离合器来控制相应电路的开闭，以分别控制多级压气机和多级空气透平的工作。

进一步地，还包括空气干燥器，所述空气干燥器设置在所述第二输气管道上。

采用上述技术方案，通过设置空气干燥器吸收压缩空气中水汽，防止水汽进入多级空气透平中。

进一步地，在所述储气罐的进出气口处设置有进出气电动闸门，所述进出气电动闸门与第三输气管道的一端连接，第三输气管道的另一端与三通阀的第三端口连接。

采用上述技术方案，需要进行储气或释放压缩空气时打开进出气电动闸门。

进一步地，所述储气罐包括进出水口，在所述储气罐的进出水口处设置有进出水电动闸门。

采用上述技术方案，需要进行储气或释放压缩空气时打开进出水电动闸门。

进一步地，还包括竖直导轨，所述竖直导轨的底部与所述水下工作平台固定连接，所述水面工作平台和所述储气罐分别与所述竖直导轨滑动连接。

采用上述技术方案，储气罐沿着导轨上下移动；通过调节水面工作平台在竖直导轨上的位置，使水面工作平台保持在水面附近。

进一步地，所述伸缩机构包括支撑柱和可相对于所述支撑柱进行伸缩的液压柱，所述支撑柱的底部与水底固定连接，所述液压柱的顶部与所述水下工作平台固定连接。

采用上述技术方案，通过调节液压柱的伸出长度，可以改变水下工作平台相对于水底的高度，从而可以调整系统所受的压强。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、与电机-缆绳式水下恒压储释能系统相比，弹簧式水下恒压储释能系统利用弹簧的力学负反馈作用实现恒压储释气，不需要另外设计自动控制系统以控制恒压。另外，弹簧式水下恒压储释能系统利用弹簧的力学负反馈作用控制恒压储释气的过程中，没有额外输入能量，而电机-缆绳式水下恒压储释能系统需要为电机提供电能以维持恒压储释气。

2、与抽水储能系统相比，弹簧式水下恒压储释能系统对选址要求宽松，建造难度与工程量小；与蓄电池储能系统相比，弹簧式水下恒压储释能系统污染小，功率级别高。

3、与恒容储能系统相比，弹簧式水下恒压储释能系统储释能时，空气透平与压气机工作在设计工况下，系统效率高。另外，弹簧式水下恒压储释能系统释能时，由于储气罐中气体始终恒压且压强高于大气压强，因此若储气罐中还有剩余气体，一旦空气透平端输气管道接通，储气罐内的高压气体就会进入空气透平内膨胀做功，直到储气罐内气体排净。因此可以实现将储气罐中的所有高压气体排尽，能量利用更完全。

4、弹簧式水下恒压储释能系统合理利用了压气机出口的热能以及空气透平出口的冷能，使得压气机与透平更高效工作，提高了系统效率。

5、弹簧式水下恒压储释能系统的伸缩机构可以为系统设定不同的工作压强。

6、随着近年来新能源发电的大规模发展，相关储能技术的规模化推广应用势在必行。对于海上风电而言，水下压缩空气储能可以就地利用海水环境。本发明的弹簧式水下恒压储释能系统可以为促进新能源灵活高效消纳提供有效技术手段。

附图说明

图1为本发明实施例弹簧式水下恒压储释能系统示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种弹簧式水下恒压储释能系统，包括水面工作平台6、多级压气机1、多级空气透平4、电动机-发电机3、三通阀5、储气罐10、水下工作平台13、伸缩机构和弹簧12。

所述水面工作平台6位于水面之上且位于水面附近，且水面工作平台6与水面之间的距离可调，所述多级压气机1、所述多级空气透平4和所述电动机-发电机3位于水面工作平台6上方，所述多级压气机1和所述多级空气透平4分别与所述电动机-发电机3导线连接，且所述多级压气机1的出口、所述多级空气透平4的进口分别通过第一输气管道和第二输气管道与三通阀5的第一端口和第二端口连接，所述储气罐10位于水面下且可沿竖直方向在水里上下移动，储气罐10的进出气口通过第三输气管道8与三通阀5的第三端口连接，所述水下工作平台13位于所述储气罐10下方，且所述水下工作平台13通过所述伸缩机构与水底16固定连接，所述弹簧12位于所述储气罐10和所述水下工作平台13之间，所述弹簧12的顶端与所述储气罐10固定连接，所述弹簧12的底端与所述水下工作平台13固定连接。在储能和释能过程中，储气罐10内的气体压强因弹簧12的力学负反馈作用而保持恒定。

所述电动机-发电机3为一体机，可以根据储能或释能过程切换工作模式：当储能时，工作模式为电动机，当释能时，工作模式为发电机。

本实施例中，所述多级压气机1和所述电动机-发电机3之间的导线上设置有第一离合器2，所述多级空气透平4和所述电动机-发电机3之间的导线上设置有第二离合器。

本实施例中，在所述储气罐10的进出气口处设置有进出气电动闸门9，所述进出气电动闸门9与第三输气管道8的一端连接，第三输气管道8的另一端与三通阀5的第三端口连接。所述储气罐10包括进出水口，在所述储气罐10的进出水口处设置有进出水电动闸门11。

本实施例还包括雷达测距仪18，所述雷达测距仪18固定设置在所述储气罐10的顶部，用于测量所述储气罐10的顶部分别到储气罐10内部液面和水面工作平台6的距离。两个距离相加可以得到储气罐10中液面到水面工作平台6之间的距离h0(m)。

本实施例还包括位于所述水面工作平台6之上的储冷油保温罐19、第一输油管道、储热油保温罐20和第二输油管道，所述储冷油保温罐19包括第一出油口和第一进油口，且所述储冷油保温罐19内可储存储冷油，可以选用凝结点较低的导热油如烷基苯型导热油，所述第一输油管道的一端与所述第一出油口连接，所述第一输油管道依次经过所述多级压气机1的各级间附近、所述多级空气透平4的出口附近，所述第一输油管道的另一段与所述第一进油口连接；所述储热油保温罐20包括所述第二出油口和第二进油口，且所述储热油保温罐20内可储存储热油，可以选用热稳定性好的导热油如联苯和联苯醚低熔混合物型导热油，所述第二输油管道的一端与所述第二出油口连接，所述第二输油管道依次经过所述多级空气透平4的各级间附近、所述多级压气机1的出口附近，所述第二输油管道的另一端与所述第二进油口连接。所述第一输油管道和第二输油管道中位于多级压气机1的各级间附近、多级空气透平4的第二出油口附近、多级空气透平4的各级间附近和多级压气机1的出口附近的部分均采用导热材料制成，其余部分采用绝热材料包裹。

本实施例还包括空气干燥器17，所述空气干燥器17设置在所述第二输气管道上。若水汽进入多级空气透平，将降低多级空气透平的工作效率，所以通过设置空气干燥器吸收水汽以防止水汽进入多级空气透平中。

还包括竖直导轨7，所述竖直导轨7的底部与所述水下工作平台13固定连接，所述水面工作平台6和所述储气罐10分别与所述竖直导轨7滑动连接，且竖直导轨7穿过所述弹簧12的中心。本实施例中，所述水面工作平台6上设置有第一滑轮，水面工作平台可通过第一滑轮沿着竖直导轨上下移动，储气罐10上设置有第二滑轮，储气罐10通过第二滑轮可以沿竖直导轨7上下移动。竖直导轨7有4个，关于储气罐10对称设置。

所述伸缩机构包括支撑柱15和可相对于所述支撑柱15进行伸缩的液压柱14，所述支撑柱15的底部与水底16固定连接，所述液压柱14的顶部与所述水下工作平台13固定连接。伸缩机构有4个，关于储气罐10对称设置。通过调节液压柱14来改变水下工作平台13的深度，从而改变本发明实施例所提供系统的工作压强。

在储气与释气过程中，由于弹簧12的力学负反馈作用，h0是恒定值，即储气罐10中的压强p也是恒定值。直观来看，无论储气过程还是释气过程，储气罐10中的液面深度h0不变，而储气时储气罐10上移，弹簧12长度增加，释气时储气罐10下移，弹簧12长度变短。具体来说，假设储气之前弹簧处于压缩状态，此时储气罐重力等于储气罐浮力与所受弹簧弹力之和，储气时，高压气体压入储气罐内，储气罐内的水被排出，此时储气罐(罐壳与其内气体)排开水的体积增大，储气罐所受浮力增加，弹簧提供的弹力需减小，才能与储气罐重力重新保持平衡。若要弹簧弹力减小，只有使压缩量变少，弹簧变长，储气罐因此而上移。假设储气之前弹簧处于拉伸状态，此时储气罐重力与所受弹簧弹力之和等于储气罐浮力，储气时，高压气体压入储气罐内，储气罐内的水被排出，此时储气罐(罐壳与其内气体)排开水的体积增大，储气罐所受浮力增加，弹簧提供的弹力需增大，才能与储气罐浮力重新保持平衡。若要弹簧弹力增大，只有使伸长量变大，弹簧变长，储气罐因此而上移。假设释气之前弹簧处于压缩状态，此时储气罐重力等于储气罐浮力与所受弹簧弹力之和，释气时，高压气体由储气罐排出，水进入储气罐，此时储气罐(罐壳与其内气体)排开水的体积减小，储气罐所受浮力减小，弹簧提供的弹力需增大，才能与储气罐重力重新保持平衡。若要弹簧弹力增大，只有使压缩量变大，弹簧变短，储气罐因此而下移。假设释气之前弹簧处于拉伸状态，此时储气罐浮力等于储气罐重力与所受弹簧弹力之和，释气时，高压气体由储气罐排出，水进入储气罐，此时储气罐(罐壳与其内气体)排开水的体积减小，储气罐所受浮力减小，弹簧提供的弹力需减小，才能与储气罐浮力重新保持平衡。若要弹簧弹力减小，只有使伸长量变小，弹簧变短，储气罐因此而下移。对弹簧的力学负反馈作用的证明过程如下：

设t时刻，储气罐10中充满水，储气罐10壳体体积vshell(m³)，储气罐10质量m(kg)，弹簧12劲度系数k(n/m),弹簧12收缩量δx(m)。此时有：

ρgvshell+kδx＝mg

设t+dt时刻，储气量为dv(m³)，弹簧伸长dx(m)，储气罐10内部底面积a(m²)，储气罐10中的液面与储气罐10顶部的距离增加dh(m)。若不考虑气体重力，此时有：

ρg(vshell+dv)+k(δx-dx)＝mg

dv＝adh

根据以上等式，当k＝ρga时，dh＝dx。弹簧12伸长dx，即储气罐10位置上升了dh即dx。储气罐10中液面到储气罐10顶部的距离的增加量也为dh，与储气罐10上升距离dx时刻相等，即表示储气罐10中液面的绝对深度(即储气罐10内液面到水面工作平台6的距离)是恒定值h0。因此，储气罐10中气体压力也是恒定值：p＝p0+ρgh0，其中，p是储气罐10中的气体压强(pa)，p0是大气压强(pa)，ρ是水的密度(kg/m³)，g是重力加速度(m/s²)。

由以上证明过程可知，储气释气过程中，只要弹簧12工作在弹性限度内，且劲度系数满足k＝ρga，无论弹簧12是处于压缩还是拉伸状态，储气罐10中的气体压强p都是恒定的。由此可知，通过设置弹簧12，为系统提供了力学负反馈作用，保证了系统压力恒定。

本实施例提供的储释能系统的工作过程如下：

1)假设初始时，储气罐10中充满水，调整水面工作平台6高度至水面附近，通过液压柱14升降水下工作平台13的高度以设定系统工作压强。液压柱14升降时，要调整水面工作平台6保持在水面附近。

当储气罐10中充满水时，其壳体重力、其壳体浮力与其受弹簧12的弹力三力平衡。此时，若通过液压柱14缓慢升降水下工作平台13，储气罐10所受三力保持不变，仍然平衡，即弹簧长度不变，储气罐10相对水下工作平台13静止，而储气罐10满水时其顶部到水面工作平台6距离，也是储气罐10中液面到水面工作平台6距离h0随着液压柱14升降而变化，调整好液压柱14后，即设定好系统工作压强，在后续的储气和释气的过程中，h0保持不变。系统的工作压强即储气罐10将来所储气体的压强为p＝p0+ρgh0，其中，p是储气罐10中的气体压强(pa)；p0是大气压强(pa)；ρ是水的密度(kg/m³)；g是重力加速度(m/s²)。

2)进入用电低谷期，电动机-发电机3设置成电动机状态，用新能源发电富余电能驱动电动机。第一离合器2接通，第二离合器断开，多级压气机1在电动机的带动下开始工作，产生高压气体。储冷油保温罐19与储热油保温罐20分别开始循环工作，多级压气机的级间气体降温，出口出的附近空气与储热油热交换，从而将空气中的热能储存于储热油中。

3)三通阀5的第一端口打开，第二端口关闭，打开进出气电动闸门9和进出水电动闸门11，多级压气机1出口的高压气体通过输气管道8进入储气罐10并将储气罐10中的水通过进出水电动闸门11排出。

4)储气过程结束，断开第一离合器2、关闭三通阀5、进出气电动闸门9和进出水电动闸门11。储冷油保温罐19与储热油保温罐20停止循环工作，分别将已经储存冷能的储冷油与已经消耗部分热能的储热油储存起来。储气罐10内储有高压气体，气体压强可以由下式计算：

p＝p0+ρgh0

5)进入用电高峰期，电动机-发电机3设置成发电机状态。打开进出气电动闸门9和进出水电动闸门11，接通第二离合器，多级空气透平4端的三通阀5打开。

6)储气罐10中的高压气体通过输气管道8，经空气干燥器17除去水汽后进入多级空气透平4，在其中膨胀做功，在高压气体进行输气管道8的过程中，水从进出水电动闸门进入储气罐10内。储冷油保温罐19与储热油保温罐20开始分别开始循环工作，多级空气透平4的级间气体升温，多级空气透平的出口附近空气与储冷油热交换，将气体中的冷能储存于储冷油中。多级空气透平4带动发电机发电，并将电能输送到电网中。

7)释气过程结束，断开第二离合器、关闭三通阀5、进出气电动闸门9和进出水电动闸门11关闭。储热油保温罐20与储冷油保温罐19停止循环工作，分别将已经储存热能的储热油与已经消耗部分冷能的储冷油储存起来。

以下是将本实施例的空气储释能系统应用于具体的项目中。

某海上新能源发电项目包括风力发电与太阳能发电。为了平抑天气造成的发电量波动，该项目配置了合适的弹簧式水下恒压储释能系统。系统的工作深度、储气罐大小由所需储能量设计。多级压气机以及多级空气透平的设计工况应该与系统工作深度对应。弹簧劲度系数由k＝ρga确定，弹簧的其它参数可以由公式设计，其中，g为弹簧线材刚性模数(n/mm²)，d为弹簧线径(mm)，nc为弹簧有效圈数，dm为弹簧中径(mm)。储能系统处于海下的金属部件均采用防腐蚀合金，同时搭配牺牲阳极的阴极保护法进行防腐。

初始时系统工作压力通过液压柱设定好，水面工作平台调整至海平面附近。发电量大于需求量时，开始储能。新能源侧富余电能采用双向可调的双pwm变频技术调频调压后驱动电动机，电动机带动多级压气机将高压气体压入储气罐，储气罐中海水通过底部电动进出水闸门排出，弹簧的力学负反馈作用保证了恒压储气。储气过程中，多级压气机级间采用储冷油降温，使其更高效工作，并将其出口处的热能储存到储热油中。

发电量小于需求量时，开始释能。储气罐中的高压气体进入多级空气透平膨胀做功，多级空气透平带动发电机发电。发电机发出的电能采用双向可调的双pwm变频技术调频调压后输入电网。释气过程中，弹簧的力学负反馈作用保证了恒压释气，多级空气透平级间采用储热油升温，使其更高效工作，并将其出口处的冷能储存到储冷油中。为了提高该项目的经济效益，项目设计者还将储冷油中的冷能用于海上渔业保鲜。

某时刻，发生潮汐，海平面高度发生变化，项目运营者通过液压柱调整储能系统的工作压力，使其恢复到潮汐前的设定值。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。