水下等压压缩空气混合储能系统及方法

1.本发明属于水下储能技术领域。


背景技术：

2.储能技术能够存储、释放能量，弥补发电系统能量瞬时性的缺点，还可以大大改善可再生能源的波动性，现已成为智能电网、可再生能源高占比系统、能源互联网的关键组成部分和重大支撑技术之一。目前已应用的储能技术主要包括抽水蓄能电站、压缩空气储能、液流电池、蓄电池、超导磁能、飞轮和电容/超级电容等。由于受能量密度、容量、效率、储能周期、运行费用、寿命等问题所限，只有抽水蓄能和压缩空气储能两种系统在大规模商业系统中运行。
3.目前，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，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。
4.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，而如何对间歇性、随机性缺陷的海洋可再生能源进行有效存储，以及将其存储后将其转化为稳定电能为电网供电，亟需解决，而现有技术中存在可进行稳压供电的水下储能系统，但是其系统结构复杂，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决现有技术中可进行稳压供电的水下储能系统结构复杂问题，本发明提供了一种水下等压压缩空气混合储能系统及方法。
6.水下等压压缩空气混合储能系统，包括电动/发电机、压缩机、膨胀机、储气罐组、1号离合器和2号离合器；
7.电动/发电机的供电电源为海上可再生能源；
8.储气罐组包括n个储气罐，且n个储气罐从左至右依次首尾连通；n为大于或等于2的整数；
9.储气罐组置于海内，且储气罐组中最右侧的储气罐与海水连通，储气罐组中最左侧的储气罐与压缩机和膨胀机连通；
10.电动/发电机的主轴的一端通过1号离合器与压缩机的输入轴连接，电动/发电机的主轴的另一端通过2号离合器与膨胀机的输出轴连接；
11.1号离合器，用于控制电动/发电机的主轴的一端与压缩机的输入轴间的通断；
12.2号离合器，用于控制电动/发电机的主轴的另一端与膨胀机的输出轴间的通断；
13.电动/发电机作为电动机时，电动/发电机驱动压缩机的输入轴转动，从而使得压缩机将空气压缩至储气罐组，并通过储气罐组对空气进行存储；电动/发电机作为发电机时，储气罐组输出的气体对膨胀机做功，使得膨胀机的输出轴带动电动/发电机的主轴转动，电动/发电机输出电能输送至电网。
14.采用所述的水下等压压缩空气混合储能系统实现的储能方法，该储能方法包括储能阶段和释能阶段，具体为：
15.储能阶段：
16.将海上可再生能源生成的电能转化为空气内能存储至储气罐组，具体为过程为，海上可再生能源为电动/发电机供电，2号离合器使控制电动/发电机的主轴的另一端与膨胀机的输出轴断开，1号离合器使控制电动/发电机的主轴的一端与压缩机的输入轴连接，此时，电动/发电机作为电动机工作，带动压缩机的输入轴转动，对压缩机做功，压缩机对空气进行压缩，并将压缩空气存储至储气罐组中，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐组内的海水保持恒压力排入大海；
17.释能阶段：
18.2号离合器使控制电动/发电机的主轴的另一端与膨胀机的输出轴连接，1号离合器使控制电动/发电机的主轴的一端与压缩机的输入轴断开；再将储气罐组中的压缩空气释放后对膨胀机做功，使膨胀机的输出轴带动电动/发电机的主轴转动，此时，电动/发电机作为发电机进行发电；其中，在释放压缩空气时，海水流入储气罐组保持对压缩空气压力恒定。
19.优选的是，所述的水下等压压缩空气混合储能系统，还包括蓄热器；
20.蓄热器的第一气体输入口与压缩机的气体输出口连通，蓄热器的第一气体输出口与膨胀机的气体输入口连通，
21.蓄热器的第一气体输入/输出口与储气罐组中最左侧的储气罐连通；
22.蓄热器与储气罐组中最左侧的储气罐间管道上设有阀门；
23.蓄热器，用于对气体进行加热。
24.优选的是，所述的水下等压压缩空气混合储能系统，还包括水轮发电机；
25.水轮发电机设置在储气罐组中最右侧的储气罐的底部，
26.通过进/出储气罐组中最右侧的储气罐中的海水对水轮发电机做功，使得水轮发电机发电，该电能用于给蓄热器供电。
27.优选的是，海上可再生能源为海上风力发电、海上光伏发电或波浪能回收发电。
28.优选的是，储气罐组中从左至右第一至第n
‑
1个储气罐的底部均设有配重。
29.优选的是，压缩机压缩空气时产生的热量通过绝热导热管或热纳米管单向导热给蓄热器。
30.采用含有蓄热器的水下等压压缩空气混合储能系统实现的储能方法，该储能方法包括储能阶段和释能阶段，具体为：
31.储能阶段：
32.将海上可再生能源生成的电能转化为空气内能存储至储气罐组，具体为过程为，海上可再生能源为电动/发电机供电，2号离合器使控制电动/发电机的主轴的另一端与膨胀机的输出轴断开，1号离合器使控制电动/发电机的主轴的一端与压缩机的输入轴连接，
此时，电动/发电机作为电动机工作，带动压缩机的输入轴转动，对压缩机做功，压缩机对空气进行压缩，并将压缩空气通过蓄热器加热后存储至储气罐组中，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐组内的海水保持恒压力排入大海；
33.释能阶段：
34.2号离合器使控制电动/发电机的主轴的另一端与膨胀机的输出轴连接，1号离合器使控制电动/发电机的主轴的一端与压缩机的输入轴断开；再将储气罐组中的压缩空气释放后，通过蓄热器对压缩空气加热后对膨胀机做功，使膨胀机的输出轴带动电动/发电机的主轴转动，此时，电动/发电机作为发电机进行发电；其中，在释放压缩空气时，海水流入储气罐组保持对压缩空气压力恒定。
35.本发明带来的有益效果是：
36.本发明所述的水下等压压缩空气混合储能系统结构简单，利用海水的静压特性保持存储的压缩空气压力恒定，保证压缩机和膨胀机始终工作在恒定工况附近，使膨胀和压缩过程均具有较高的效率；海水能够自由进出储气罐组，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐内的海水排走，在释放压缩空气时，海水流入储气罐保持压缩空气压力稳定，从而使生成的电能恒定；储气罐内气体变化将带来储气罐组终端进口海水快速流动，在此引入水轮发电机，将其所发的电能转化为热能存储于蓄热器中；将压缩过程中产生的大量热能、水轮发电机产生的电能、以及海上可再生能源产生的电能转化为热能，并通过蓄热器进行存储，在膨胀释能阶段，用蓄热器中存储的热能加热压缩空气，提高压缩空气能量，从而提高系统总效率。此外，压缩和膨胀过程均可为多段压缩和膨胀。
37.本发明提出的水下等压压缩空气混合储能系统，结构简单、可实现模块化设计，便于组装，选址灵活，电动/发电一体式电机成本低、维护方便、能量转换效率高；系统可靠性和稳定性好，能够充分利用风能、太阳能等可再生能源，减少弃光弃风现象，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，可以有效推动海洋可再生能源装备从“能发电”向“稳定发电”的转变。
附图说明
38.图1是本发明所述的水下等压压缩空气混合储能系统的原理示意图。
具体实施方式
39.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。
40.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。
41.具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的水下等压压缩空气混合储能系统，包括电动/发电机1、压缩机2、膨胀机3、储气罐组4、1号离合器5和2号离合器6；
42.电动/发电机1的供电电源为海上可再生能源；
43.储气罐组4包括n个储气罐4
‑
1，且n个储气罐4
‑
1从左至右依次首尾连通；n为大于或等于2的整数；
44.储气罐组4置于海内，且储气罐组4中最右侧的储气罐4
‑
1与海水连通，储气罐组4中最左侧的储气罐4
‑
1与压缩机2和膨胀机3连通；
45.电动/发电机1的主轴的一端通过1号离合器5与压缩机2的输入轴连接，电动/发电机1的主轴的另一端通过2号离合器6与膨胀机3的输出轴连接；
46.1号离合器5，用于控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴间的通断；
47.2号离合器6，用于控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴间的通断；
48.电动/发电机1作为电动机时，电动/发电机1驱动压缩机2的输入轴转动，从而使得压缩机2将空气压缩至储气罐组4，并通过储气罐组4对空气进行存储；电动/发电机1作为发电机时，储气罐组4输出的气体对膨胀机3做功，使得膨胀机3的输出轴带动电动/发电机1的主轴转动，电动/发电机1输出电能输送至电网。
49.具体应用时，所述的水下等压压缩空气混合储能系统包括储能阶段和释能阶段，其储能阶段是2号离合器6使控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴断开，1号离合器5使控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴连接，将电动/发电机1作为电动机，使海上可再生能源生成的电能转化为空气内能存储至储气罐组4；释能阶段是将2号离合器6使控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴连接，1号离合器5使控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴断开；再将储气罐组4中的压缩空气释放后对膨胀机3做功，使膨胀机3的输出轴带动电动/发电机1的主轴转动，此时，电动/发电机1作为发电机进行发电。
50.本发明所述的水下等压压缩空气混合储能系统结构简单，应用时，储气罐组4固定于海平面以下某一深度处，储气罐组4中各个气罐通过管道依次首尾相连，最右侧的储气罐4
‑
1与海水连通，海水能够自由进出储气罐组4，利用海水的静压特性保持存储的压缩空气压力恒定，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐组4内的海水排走，在释放压缩空气时，海水流入储气罐组4保持压缩空气压力稳定，储气罐4
‑
1壁面内外压力基本相同，无需很高的耐压强度，可大幅降低储气罐组4制备成本，且由于储气罐组4与大海始终是连通的，且固定于海平面以下某一深度处，外界对储气罐组4内的压力始终相同，从而使得通入压缩气体和释放压缩气体的压力相同，释放压缩空气后，生成的电能稳定。
51.具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的水下等压压缩空气混合储能系统作进一步说明，所述的水下等压压缩空气混合储能系统，还包括蓄热器7；
52.蓄热器7的第一气体输入口与压缩机2的气体输出口连通，蓄热器7的第一气体输出口与膨胀机3的气体输入口连通，
53.蓄热器7的第一气体输入/输出口与储气罐组4中最左侧的储气罐4
‑
1连通；
54.蓄热器7与储气罐组4中最左侧的储气罐4
‑
1间管道上设有阀门8；
55.蓄热器7，用于对气体进行加热。
56.本实施方式中，通过增设蓄热器7对压缩空气进行加热，从而提高能量的转化效率。
57.具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的水下等压压缩空气混合储能系统作进一步说明，所述的水下等压压缩空气混合储能系统，还包括水轮发电机9；
58.水轮发电机9设置在储气罐组4中最右侧的储气罐4
‑
1的底部，
59.通过进/出储气罐组4中最右侧的储气罐4
‑
1中的海水对水轮发电机9做功，使得水轮发电机9发电，该电能用于给蓄热器7供电。
60.本实施方式中，储气罐组4内气体变化将带来储气罐组4内海水快速流动，在此引入水轮发电机9，将其所发的电能为蓄热器7供电，从而转化为热能存储于蓄热器7中。
61.具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的水下等压压缩空气混合储能系统作进一步说明，更进一步的，具体参见图1，海上可再生能源为海上风力发电、海上光伏发电或波浪能回收发电。
62.本优选实施方式中，海上风力发电、海上光伏发电或波浪能回收发电均为海上可再生能源，该种能源同具有间歇性、随机性缺陷，因此，通过对此部分的海上可再生能源进行有效存储，再进行稳定释能，进行平稳供电，减少弃光弃风现象，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。
63.具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的水下等压压缩空气混合储能系统作进一步说明，储气罐组4中从左至右第一至第n
‑
1个储气罐4
‑
1的底部均设有配重。
64.本优选实施方式中，储气罐组4上设有配重，实现对储气罐组4在海中的稳固性。
65.具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的水下等压压缩空气混合储能系统作进一步说明，压缩机2压缩空气时产生的热量通过绝热导热管或热纳米管单向导热给蓄热器7。
66.本实施方式中，将压缩过程中产生的大量热能，并将该部分热量存储至蓄热器7，蓄热器7中存储的热能加热压缩空气，提高压缩空气能量，从而提高系统总效率。
67.具体实施方式七：采用具体实施方式一所述的水下等压压缩空气混合储能系统实现的储能方法，该储能方法包括储能阶段和释能阶段，具体为：
68.储能阶段：
69.将海上可再生能源生成的电能转化为空气内能存储至储气罐组4，具体为过程为，海上可再生能源为电动/发电机1供电，2号离合器6使控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴断开，1号离合器5使控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴连接，此时，电动/发电机1作为电动机工作，带动压缩机2的输入轴转动，对压缩机2做功，压缩机2对空气进行压缩，并将压缩空气存储至储气罐组4中，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐组4内的海水保持恒压力排入大海；
70.释能阶段：
71.2号离合器6使控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴连接，1号离合器5使控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴断开；再将储气罐组4中的压缩空气释放后对膨胀机3做功，使膨胀机3的输出轴带动电动/发电机1的主轴转动，此时，电动/发电机1作为发电机进行发电；其中，在释放压缩空气时，海水流入储气罐组4保持对压缩空气压力恒定。
72.具体实施方式八：采用具体实施方式二所述的水下等压压缩空气混合储能系统实现的储能方法，该储能方法包括储能阶段和释能阶段，具体为：
73.储能阶段：
74.将海上可再生能源生成的电能转化为空气内能存储至储气罐组4，具体为过程为，海上可再生能源为电动/发电机1供电，2号离合器6使控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴断开，1号离合器5使控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴连接，此时，电动/发电机1作为电动机工作，带动压缩机2的输入轴转动，对压缩机2做功，压缩机2对空气进行压缩，并将压缩空气通过蓄热器7加热后存储至储气罐组4中，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐组4内的海水保持恒压力排入大海；
75.释能阶段：
76.2号离合器6使控制电动/发电机1的主轴的另一端与膨胀机3的输出轴连接，1号离合器5使控制电动/发电机1的主轴的一端与压缩机2的输入轴断开；再将储气罐组4中的压缩空气释放后，通过蓄热器7对压缩空气加热后对膨胀机3做功，使膨胀机3的输出轴带动电动/发电机1的主轴转动，此时，电动/发电机1作为发电机进行发电；其中，在释放压缩空气时，海水流入储气罐组4保持对压缩空气压力恒定。
77.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、波浪能转化成的电能驱动电动/发电机1和压缩机2，将空气压缩后存储于储气罐组4中。利用海水的静压特性保持存储的压缩空气压力恒定，保证压缩机2和膨胀机3始终工作在恒定工况附近，使膨胀和压缩过程均具有较高的效率；海水能够自由进出储气罐组4，在对压缩空气进行存储时，压缩空气将储气罐4
‑
1内的海水排走，在释放压缩空气时，海水流入储气罐4
‑
1保持压缩空气压力稳定；储气罐4
‑
1内气体变化将带来储气罐组4终端进口海水快速流动，在此引入水轮发电机9，将其所发的电能转化为热能存储于蓄热器中；将压缩过程中产生的大量热能、水轮发电机9产生的电能、以及海上可再生能源产生的电能转化为热能，并通过蓄热器7进行存储，在膨胀释能阶段，用蓄热器7中存储的热能加热压缩空气，提高压缩空气能量，从而提高系统总效率。
78.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。