基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备及工作方法

1.本发明涉及一种基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备及工作方法，属于海上风电系统储能调节技术及海洋工程桩基冲刷防护装置领域。


背景技术：

2.近年来，海上风电在国内外得到了快速的发展，间歇性、波动性和非周期性是风能利用的重要特征，也是造成风力发电系统不稳定性的重要原因。随着风电行业的快速发展，风电＂弃风＂现象越来越严重。利用储能系统，一方面实现了将不稳定的风电转化为稳定的能量，保证风电场电力传输的平稳性和可靠性，增强了风电场并网运行的稳定性，另一方面提高了风电的利用率，优化风电平台运行的经济性，减少了风能的浪费。
3.压缩空气储能是一种大规模能量存储技术。压缩空气储能的成本是其他形式储能的百分甚至千分之一，而功率等级方面却能达到大多数储能形式的百倍以上。具有储能密度较大，建设成本相对较低的优点。相对其他形式的储能，在海上风电系统中运用压缩空气储能拥有着更高的能量回收效益。因此，采用压缩空气储能技术拥有着广阔的应用前景。但是，单纯采用压缩空气储能，利用方式单一，经济效益差。
4.近年来，海上风电在国内外得到了快速的发展，冲刷是海上风电单桩基础设计中需要经常面对的问题。海床冲刷导致海上风电结构自振频率降低，结构位移增加，桩基承载力不同程度降低；对应的基础刚度随之减小，降低了桩基的使用寿命。冲刷坑防护及降低防护成本也是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为了同时解决弃风电现象产生的能源浪费、弃风电利用方式单一、冲刷坑防护成本高的技术问题；本发明提供一种基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备。本发明的一体化桩基设备能同时满足利用弃风电、减缓冲刷坑的发展、提供养殖场所的功能需要。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案：一种基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备，包括：桩基；进气管道，所述进气管道的进气口连接空气；空气压缩机，所述空气压缩机的进气口连接进气管道的出气口；储气罐，所述储气罐的进气口连接空气压缩机的出气口；电加热装置，所述电加热装置位于储气罐的下方对储气罐加热；透平膨胀发电机，所述透平膨胀发电机进气口连接储气罐；输气管道，所述输气管道一端与透平膨胀发电机的出气口相连接、另一端密闭，输气管道开设有若干出气孔；输气管道位于桩基外、沿冲刷坑底面设置，使出气孔的出气方向与冲刷坑的表面垂直；养殖网箱，所述养殖网箱设置在冲刷坑内、桩基周围，养殖网箱固定于桩基，输气
管道位于养殖网箱内；以及，桩基内电路，所述桩基内电路给空气压缩机和电加热装置供电，接受透平膨胀发电机的输电；其中，进气管道、空气压缩机、储气罐、电加热装置和透平膨胀发电机均设置在桩基内部，从上而下依次设置。
7.所述桩基内电路连接风力发电机，主要由风力发电机给其供电。
8.所述空气压缩机，接入桩基内电路，由发生弃风电现象时产生的电能驱动；用于压缩空气，制造高压气体。实现弃风电的利用。
9.所述储气罐，用于储存高压空气。储气罐可以是恒压储气罐，也可以是非恒压的储气罐，均可以完成储存高压空气的功能；但是，恒压储气罐的效果要更好更稳定。所以，优选恒压储气罐。
10.所述电加热装置，接入桩基内电路，由风力发电机提供的电能驱动；用于加热高压空气，以使高压空气具备更多的热能。进一步利用弃风电。
11.所述透平膨胀发电机，利用储气罐内的高温高压空气进行发电，产生电能输入桩基内电路，以反补电网。
12.所述输气管道，其密闭端延伸至冲刷坑的上边缘。
13.所述输气管道，其数量可以为两个以上，环绕桩基均匀分布，呈放射状。
14.所述输气管道，还可以包括环形管和多个直管；环形管设置有气体进口和气体出口，气体出口位于环形管的外侧，气体进口与透平膨胀发电机的出气口连接；直管一端密闭、另一端与环形管的气体出口连接；环形管套设与桩基底部，直管与桩基的夹角与冲刷坑表面与桩基的夹角一致；出气孔分布于直管。
15.本发明的一体化桩基设备，一方面能将弃风电存储、释放、转化为电能，并接入桩基内电路，当电网供电不足时，实现对电网的反补。另一方面，在实现对电网反补过程中，通过采用特制输气管道将透平膨胀发电机产生的膨胀空气形成气流以扰乱水流、破坏流场从而达到减缓冲刷坑发展、加强防护的效果。再者，将膨胀空气释放至冲刷坑内，能提高冲刷坑内水域的含氧量，使得冲刷坑变成了一个天然的养殖场；养殖网箱的设置能进一步减缓冲刷坑的发展。另外，通过对桩基内电路电能的充分利用，以降低其风电现象的产生；当不存在弃风电、电网供电不足时，给电网供电；能使电网处于相对动态平衡中。除输气管道外的其他装置均设置在桩基内，且依次安置以便于达到先储能后释能的工作流程。
16.所述养殖网箱，可以为锥形养殖网箱；所述锥形养殖网箱，套设于桩基，外表面与冲刷坑表面贴合。采用能够与刷坑表面贴合的锥形养殖网箱能进一步减缓冲刷坑的发展。
17.本发明还提供了上述基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的工作方法。
18.一种基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的工作方法，采用上述一体化桩基设备；弃风电现象产生的电能带动空气压缩机工作，空气压缩机通过进气管道吸入空气进行压缩，压缩后的空气存储于储气罐；在电网供电不足时，电加热装置对储气罐加热；储气罐的压缩空气带动透平膨胀发电机工作、产生电能，产生的电能反补电网；透平膨胀发电机排出空气为养殖网箱提供氧气。
19.本发明的有益效果是：提供了一种兼具储能、反补电网、缓冲刷坑发展、加强防护冲刷坑和提高养殖经济
收益的一体化桩基设备。本发明在利用冲刷坑养殖的同时起到防护作用和电力调节的作用，提高运维安全性的同时降低能量损失。克服风力发电系统中风力发电产量的不稳定性，通过压缩空气的储能形式，将发生弃风电现象时的消耗不掉的电能转换成压缩势能的形式进行储能，并在电网供电不足时，通过透平发电机将压缩势能转换为电能进行反补电网，保证风电场电力传输的平稳性和可靠性，增强了风电场并网运行的稳定性。同时，该装置兼设的养殖箱在冲刷坑内。一方面养殖网箱会阻碍水流运动，减弱流场的产生，并且养殖箱底部输气管道中均匀排出的空气会扰乱水流流动，使冲刷坑内的水体产生剧烈无序的紊动，破坏冲刷坑内的流场，从而减缓冲刷坑深度发展。另一方面在冲刷坑内养殖鱼类，提高了经济效益。同时，通过透平膨胀发电后空气直接排入养殖箱内，提高养殖箱内的氧含量，在养殖网内设计出一套更为适合鱼类养殖的环境。与现有技术相比，本发明在对风电系统进行调节的同时兼顾冲刷坑防护和海产品养殖，极大地提高了经济收益，降低了电能损失与安全隐患。同统防护措施相比，结合养殖用于冲刷坑防护的方法具有防护效果好，维护量小，施工成本低和附带价值高的优点。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一体化桩基设备的剖面示意图；图2为本发明实施例提供的输气管道的结构示意图；图3为储能和释能阶段的气流和电流流动示意图（实体箭头表示气流，空心箭头表示电流）；图4为压缩储能工作原理流程图；其中，1-进气管道；2-空气压缩机；3-恒压储气罐；4-高压管道；5-电加热装置；6-透平膨胀发电机；7-冲刷坑；8-锥形养殖网箱；9-输气管道；10-出气管道；11-桩基内电路；12-桩基。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
22.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
23.如图1所示，一种基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备，包括：监测控制模块、桩基12、桩基内电路11、进气管道1、空气压缩机2、储气罐、电加热装置5、透平膨胀发电机6、养殖网箱和输气管道9；进气管道1、空气压缩机2、储气罐、电加热装置5和透平膨胀发电机6均设置在桩基12内部，从上而下依次设置；进气管道1的进气口连接空气；空气压缩机2的进气口连接进气管道1的出气口；储气罐的进气口连接空气压缩机2的出气口；电加热装置5位于储气罐的下方对储气罐加热；桩基内电路11给空气压缩机2和电加热装置5供电；透
平膨胀发电机6连接桩基内电路11向桩基内电路11输电，透平膨胀发电机6的进气口连接储气罐、出气口相连接输气管道9；监测控制模块与桩基内电路11相连，监测电路电流流量，与空气压缩机2、储气罐、电加热装置5、透平膨胀发电机6等装置连接，调控各装置的运行状态；输气管道9的一端与透平膨胀发电机6的出气口相连接、另一端密闭，输气管道9上开设有若干出气孔；输气管道9位于桩基12外、沿冲刷坑7底面设置，使出气孔的出气方向与冲刷坑7的表面垂直。在透平膨胀发电机6和输气管道9之间通过出气管道10连接；出气管道10一端连接透平膨胀发电机6的出气口，另一端连接输气管道9。养殖网箱设置在冲刷坑7内、桩基12周围，养殖网箱固定于桩基12，输气管道9位于养殖网箱内。养殖网箱环绕桩基12设置，填满冲刷坑7。
24.其中，所述储气罐可以是恒压储气罐3，也可以是非恒压的储气罐。输气管道9的管径可以根据电网载量及弃风电发生情况具体设置；通常输气道管径设计为单桩基础直径的十分之一。输气管道9上的出气孔可以为方孔、圆孔、三角孔、多边形孔或不规则形孔等各种形状的孔。出气孔可以均匀分布也可以不规则分布。出气孔的大小及分布情况可以根据电网载量及弃风电发生情况具体设置。各进气口和出气口之间的连接采用高压管道4连接。具体的，储气罐通过高压管道4与空气压缩机2和电加热装置5连接。电加热装置5通过高压气管与储气罐和透平膨胀发电机6相连接。透平膨胀发电机6的出气口通过高压管道4与输气管道9的进气口连接。所述监测控制模块连接在桩内电路上，主要监测电路内电流流量，判定是否出现弃风电和供电不足的现象，并同时控制空气压缩机、储气罐、电加热装置、透平膨胀发电机等装置的运行。所述监测控制模块采用现有工业上用于监测控制的模块即可，属于现有技术，此处不再赘述其具体结构。
25.作为一种具体实施方案，基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的输气管道9的密闭端延伸至冲刷坑7的上边缘。此时，所产生的气流基本上能完全覆盖整个冲刷坑7，能产生足够多的气流以充分扰乱能对冲刷坑7产生冲刷作用的水流。
26.作为一种具体实施方案，基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的输气管道9的数量可以为两个以上，环绕桩基12分布，均匀分布，呈放射状。输气管道9的数量可以根据电网载量及弃风电发生情况具体设置，例如，4个、6个或8个。
27.如图2所示，作为一种具体实施方案，基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的输气管道9包括直径略大于桩基12直径的环形管和多个直管；环形管设置有气体进口和气体出口，气体出口位于环形管的外侧，气体进口与透平膨胀发电机6的出气口连接，气体进口可以设置在环形管的内侧；直管一端密闭、另一端与环形管的出气口连接；直管上开设出气孔，出气孔可以均匀分布也可以不均匀分布；环形管套设与桩基12底部、与桩基12固定连接，直管与桩基12的夹角与冲刷坑7表面与桩基12的夹角一致，此时，直管与冲刷坑7表面贴合，出气孔的出气方向朝向桩基12且与直管垂直，以保证从出气孔出来的气流起到若乱水流的作用且不会对冲刷坑7产生冲刷。
28.作为一种具体实施方案，基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的养殖网箱可以为锥形养殖网箱8；锥形养殖网箱8套设于桩基12，锥形养殖网箱8外表面与冲刷坑7表面贴合。根据冲刷坑7内的氧气含量确定锥形养殖网箱8内所要养殖的海洋生物。海洋动物的排泄物会对泥沙产生粘结效果，进一步减缓冲刷坑7的发展。
29.一种基于海上弃风电综合利用的一体化桩基设备的工作方法，采用上述一体化桩
基设备；监测控制模块监测到弃风电现象产生时，控制利用弃风电现象产生的电能带动空气压缩机2工作，空气压缩机2通过进气管道1吸入空气进行压缩，压缩后的空气存储于储气罐；测控制模块检测到供电不足时，控制电加热装置5对储气罐加热；储气罐的压缩空气带动透平膨胀发电机6工作、产生电能，产生的电能反补电网；透平膨胀发电机6排出空气为养殖网箱提供氧气。其中，风电发电机产生的电通过桩基内电路11给电加热装置5提供电源。
30.具体的，空气压缩机2利用发生弃风电现象时消耗不掉的电能对从进气管道1进入的空气进行压缩，空气压缩机2压缩空气时会释放热量，产生压力势能；释放的热量和产生压力势能存储于压缩空气。透平膨胀发电机6排出的膨胀空气采用输气管道9输出以形成气流。所形成的气流会扰乱水流流动，使冲刷坑7内的水体产生剧烈无序的紊动，破坏冲刷坑7内的流场，从而减缓冲刷坑7深度的发展。
31.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。