本发明属于可再生能源技术与储能技术交叉领域，具体涉及一种利用波浪能/风能的递进式水下压缩空气储能系统。
背景技术：
海上风能及波浪能等可再生能源的开发是促使能源利用向绿色转型的有效手段，也是缓解当前全球性能源短缺与环境污染问题的重要措施。由于海上没有障碍物阻挡，对于自然风的阻力较小，使得海上较陆地风速大且风切变小，海上风能资源更为丰富，海上风力机组是利用海上风能资源的主要型式，将风能转换为电能。另外，当海风将能量传递给海洋时就会在海洋表面形成波浪能，波浪能发电是波浪能利用的主要方式，就是通过特定装置将波浪所蕴含的动能与势能转换为电能。但海上风能与波浪能均具有随机性的特点，用其进行转换的电能输出表现出了强的波动特性，因此与陆上风力发电类似，需要储能装置对这些波动性电能进行平抑，进而提高可再生能源的利用率，减少对电力系统的冲击。
现阶段在海上风电场附近会设置水下压缩空气储能系统对风电场功率的波动进行平抑，使得海上风电输出具备可控性。相比于陆上的常规压缩空气储能系统而言，水下压缩空气储能系统多采用水下柔性容器作为压缩空气的储存容积，这类体积可变的容器可通过水压实现定压空气存储，并可经过控制其在水下的深度来调节定压储存的压力等级。因此，能够避免陆上压缩空气储能系统常常采用的岩洞、矿洞及人造刚性容器等固定体积容器所带来诸多问题，如在储能及释能阶段因储气容积中压力不断变化所带来的压缩机和透平均处于非额定工况而运行效率低下的问题，或在释能阶段采用透平进口定压力运行模式时需采用节流阀对压缩空气进行降压所带来的能量浪费问题以及该类定容储气容积的建设维护成本较高问题等。另外，尽管现阶段波浪能发电的实现形式多样，如振荡水柱式、摆式、越浪式、筏式、鸭式及点吸收式等，但针对每种具体方式而言均需要设计配套的涡轮发电机组或液压转换装置，所以总体来说波浪能发电技术还是具有能量输出波动大，能源转换效率不高以及造价费用高等缺点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种利用波浪能/风能的递进式水下压缩空气储能系统，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提高了能量转换效率，实现了海上风能和波浪能等可再生能源的互补利用及波动性能源的可控、平稳输出。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用波浪能/风能的递进式水下压缩空气储能系统，包括海上风能转换系统、振荡水柱压缩空气系统、水下压缩空气储能系统以及电动机/发电机；所述海上风能转换系统的输出端连接至主电网及电动机/发电机，电动机/发电机通过联轴器连接至水下压缩空气储能系统，且水下压缩空气储能系统的入口端连接振荡水柱压缩空气系统。
进一步地，所述振荡水柱压缩空气系统包括振荡水柱气体压缩腔室，振荡水柱气体压缩腔室在淹没于海面以下的部分设有开口，振荡水柱气体压缩腔室的顶部设有空气进口门，振荡水柱气体压缩腔室的后壁开设有空气引流门，空气引流门的出口端连接至低压柔性水下储气包，低压柔性水下储气包的出口端连接至水下压缩空气储能系统。
进一步地，所述水下压缩空气储能系统包括连接在低压柔性水下储气包出口端的气源切换系统，气源切换系统上设有空气入口，气源切换系统的出口端连接至压气机，所述压气机通过第i联轴器与电动机/发电机连接，压气机的输出端通过蓄热系统连接至高压柔性水下储气包，高压柔性水下储气包的出口端通过蓄热系统连接至透平，透平通过第ii联轴器与电动机/发电机连接。
进一步地，低压柔性水下储气包出口端和气源切换系统之间设有第i阀门，蓄热系统和高压柔性水下储气包入口端之间设有第ii阀门，高压柔性水下储气包的出口端和蓄热系统之间设有第iii阀门。
进一步地，蓄热系统与透平之间设有燃烧系统，燃烧系统上设有燃料入口。
进一步地，空气引流门的出口端与低压柔性水下储气包的入口端之间设有止回阀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
海上蕴藏的风能与波浪能资源十分丰富，但其输出具有波动性特点，需采用储能系统与其耦合来调节其输出，使得功率具备可控性。本发明针对现阶段海上风电场配置水下压缩空气储能系统，加入波浪能驱动的振荡水柱压缩空气系统对空气进行预压缩，进而形成利用波浪能及海上风能的递进式压缩储能系统。本发明系统不仅能够简化波浪能利用形式，而且由于波浪能预压缩的效果，使得后续的水下压缩空气储能系统在同样压缩压力等级下的耗功减少，提高了能量转换效率，实现了海上风能和波浪能等可再生能源的互补利用及波动性能源的可控、平稳输出。
进一步地，振荡水柱气体压缩腔室在淹没于海面以下有一个开口，在顶部有空气进口门，在后壁有空气引流门。当波浪向振荡水柱气体压缩腔室移动，波峰接近振荡水柱气体压缩腔室前壁时，空气进口门关闭，海水进入振荡水柱气体压缩腔室，推动其内部水位上升，容积减小，使得内部空气被压缩至预定压力后，从空气引流门中排出存进低压柔性水下储气包中。而当波谷接近振荡水柱气体压缩腔室前壁时，空气进口门开启，随着海水从振荡水柱气体压缩腔室中不断抽出，其内部水位不断下降，使得振荡水柱气体压缩腔室中的气压降低，外部空气通过空气进口门流入振荡水柱气体压缩腔室，以此循环往复，即能够将波浪能转换为压缩空气的内能。
进一步地，当海上风能转换系统输出电功率富余时，压缩空气储能系统工作于储能模式，电动机/发电机工作于电动机模式，低压柔性水下储气包中的低压空气经多余电能驱动的压气机再次压缩，存储进高压柔性水下储气包中，同时在蓄热系统中将压缩过程热能进行存储，若低压柔性水下储气包的空气量不足时，气源切换系统将切换至大气，环境空气将被压气机直接压缩，当海上风能转换系统输出电功率不足时，压缩空气储能系统工作于释能模式，电动机/发电机工作于发电机模式，高压柔性水下储气包中的高压空气首先依次在蓄热系统和燃烧系统内吸热，最后进入透平中膨胀做功，驱动电动机/发电机发电，弥补用电量的缺额。燃烧系统是否投入系统工作及其对工作介质的加热温度可根据实际需求功率的不同来灵活调整。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
其中：1、海上风能转换系统；2、振荡水柱气体压缩腔室；3、空气进口门；4、空气引流门；5、止回阀；6、低压柔性水下储气包；7、第i阀门；8、气源切换系统；9、压气机；10、蓄热系统；11、第ii阀门；12、高压柔性水下储气包；13、第iii阀门；14、燃烧系统；15、透平；16、第i联轴器；17、电动机/发电机；18、第ii联轴器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1，本发明首次提出一种利用波浪能/风能的递进式水下压缩空气储能系统实现海上风能与波浪能资源的平稳可控输出，并简化了波浪能的利用过程。本发明将海上风能转换系统1、振荡水柱压缩空气系统和水下压缩空气储能系统等进行有机集成，构建波浪能/风能多能输入-电能输出的递进式压缩储能系统。
振荡水柱压缩空气系统利用波浪能对空气进行预压缩，由振荡水柱气体压缩腔室2、低压柔性水下储气包6和阀门组件等组成。波浪波峰进入振荡水柱气体压缩腔室2时，振荡水柱气体压缩腔室2内部水位上升，容积减小，使得内部空气被压缩至一定压力后存入恒压的低压柔性水下储气包6；反之，当波浪波谷进入振荡水柱气体压缩腔室2时其内部水位压降，气压降低，将环境空气吸收压缩腔室，以便进行后续压缩。
水下压缩空气储能系统利用海上风能对波浪能预压缩的气体进行深度压缩存储，并在电力不足时释能发电。该系统由气源切换系统8、压缩系统、蓄热系统10、燃烧系统14、高压柔性水下储气包12、膨胀系统和阀门组件等组成，压缩系统为压气机9，可采用多级压缩、级间和级后冷却的配置形式，压气机9可采用离心式、轴流式或混流式等机组型式，可根据实际情况具体设计；膨胀系统为透平15，可采用多级膨胀、中间再热的配置形式，且透平15可采用向心式、轴流式或混合式机组型式，可根据实际情况具体设计。高压压缩气体存储于恒压的高压柔性水下储气12中，蓄热系统10可根据具体适用环境可采用显热、潜热等蓄热材料进行压缩过程热能存储。另外，水下压缩空气储能系统中除高压水下柔性储气包外，其余部件可配置于海基平台上，亦可配置于陆基平台上。
当海上风能转换系统1输出电能大于负荷需求时，多余电能将驱动压缩系统将波浪能预压缩的气体进行深度压缩，存储进恒压的高压柔性水下储气包12，同时在蓄热系统10中将压缩过程热能进行存储。值得注意的是，若波浪能预压缩空气量不足时，可通过气源切换系统8切换至大气，环境空气将被压缩系统直接压缩。当海上风能转换系统输出电能难以满足负荷需求时，高压柔性水下储气包12中的压缩气体依次在蓄热系统10和燃烧系统14中吸热升温后进入膨胀系统膨胀做功，驱动发电机发电以弥补电能需求的缺口。值得注意的是，燃烧系统是否投入系统工作及其对工作介质的加热温度可根据实际需求功率的不同来灵活调整。
本发明使用波浪能/风能来实现对水下压缩空气储能系统的改造，实现递进式压缩储能，达到简化波浪能利用形式、提高海上风能利用效率的目标。
下面结合附图对本发明的实施过程作进一步描述：
对蕴藏丰富的海上风能和波浪能等可再生能源的高效开发利用是解决现阶段常规能源短缺及环境污染问题的关键。针对海上风能与波浪能资源的随机波动性特点，需采用储能系统与其耦合来调节其输出，使得功率具备可控性。现阶段主要是对功率等级高的海上风电场配置了水下压缩空气储能系统，采用安装在海面以下的柔性储气容积来定压存储压缩空气，使得系统在储能压缩过程及释能膨胀过程中压气机与透平均工作在其额定工况，提高了能量转换效率。另外，现有的波浪能发电形式较多，但各种形式的系统均需要设计配套的涡轮发电机组或液压转换装置，同时还具有能量输出波动大，能源转换效率不高以及造价费用高等缺点。
本发明所涉及的一种利用波浪能/风能的递进式水下压缩空气储能系统避免了使用波浪能进行发电的能源利用形式，改用波浪能对空气进行预压缩，作为水下压缩空气储能系统的压缩气源。后续利用多余的海上风电在水下压缩空气储能系统中进行深度压缩，形成递进式压缩储能系统，实现海上风能和波浪能等可再生能源的互补利用及波动性能源的可控、平稳输出。该发明简化了波浪能利用过程，能够克服传统波浪能发电过程中装置设计难度大、输出功率波动及转换效率低等缺点，为水下压缩空气储能系统提供预压缩气源，节省了深度压缩过程中的风电耗功，可以有效提高可再生能源的利用效率，对于改善能源消费结构、减少环境污染、保护生态环境、促进经济发展等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
参照图1，本发明系统由海上风能转换系统1、振荡水柱压缩空气系统和水下压缩空气储能系统等组成。振荡水柱压缩空气系统由振荡水柱气体压缩腔室、低压柔性水下储气包和阀门组件等组成。压缩空气储能系统由气体切换阀、压缩系统、蓄热系统、燃烧系统、高压柔性水下储气包、膨胀系统和阀门组件等组成。压缩系统可采用多级压缩、级间和级后冷却的配置形式，压气机可采用离心式、轴流式或混流式机组型式；膨胀系统可采用多级膨胀、中间再热的配置形式，透平可采用向心式、轴流式或混合式机组型式；可根据具体情况来设计相应的机组型式、级数及各级参数。高压压缩气体存储于恒压的高压柔性水下储气包中，蓄热系统可根据具体适用环境可采用显热、潜热等蓄热材料进行压缩过程热能存储。
振荡水柱压缩空气系统利用波浪能将空气进行预压缩，存储于低压柔性水下储气包中，后续水下压缩空气储能系统利用海上风能转换系统的多余电能将预压缩的空气进行深度压缩，存储于高压柔性水下储气包中，以形成递进式压缩过程。而在电能供应不足时可利用高压压缩空气膨胀做功，以弥补电能供应的缺口。
振荡水柱气体压缩腔室2由一个空腔体组成，其在淹没于海面以下有一个开口，在顶部有空气进口门3，在后壁有空气引流门4。当波浪向振荡水柱气体压缩腔室2移动，波峰接近振荡水柱气体压缩腔室2前壁时，空气进口门3关闭，海水进入振荡水柱气体压缩腔室2，推动其内部水位上升，容积减小，使得内部空气被压缩至预定压力后，从空气引流门4中排出经止回阀5存进低压柔性水下储气包6中。而当波谷接近振荡水柱气体压缩腔室2前壁时，空气进口门3开启，随着海水从振荡水柱气体压缩腔室2中不断抽出，其内部水位不断下降，使得振荡水柱气体压缩腔室2中的气压降低，外部空气通过空气进口门3流入振荡水柱气体压缩腔室2。以此循环往复，将波浪能转换为压缩空气的内能。
当海上风能转换系统1输出电功率富余时，压缩空气储能系统工作于储能模式，此时第i阀门7、第ii阀门11开启，第iii阀门13关闭，第i联轴器16啮合，第ii联轴器18断开，电动机/发电机17工作于电动机模式，低压柔性水下储气包6中的低压空气依次流过第i阀门7和气源切换系统8，经多余电能驱动的压气机9再次压缩，存储进高压柔性水下储气包12中，同时在蓄热系统10中将压缩过程热能进行存储。值得注意的是，若低压柔性水下储气包6的空气量不足时，气源切换系统8将切换至大气，环境空气将被压气机直接压缩。
当海上风能转换系统1输出电功率不足时，压缩空气储能系统工作于释能模式，此时第i阀门7、第ii阀门11关闭，第iii阀门13开启，第i联轴器16断开，第ii联轴器18啮合，电动机/发电机17工作于发电机模式，高压柔性水下储气包12中的高压空气首先在蓄热系统10内吸热，继而进入燃烧系统14中燃烧升温，最后进入透平15中膨胀做功，驱动电动机/发电机17发电，弥补用电量的缺额。值得注意的是，可根据实际需求功率的不同来确定燃烧系统14是否投入运行及在线运行时燃烧温度的范围。