海上无坝抽水压缩空气储能系统及方法与流程

本发明属于物理储能技术领域，涉及一种用于海上孤岛的压缩空气储能，具体为海上无坝抽水压缩空气储能系统及方法。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，同时也是影响国民经济发展的重要因素。近年来，随着化石能源的消耗量急剧增加，由此带来的常规能源短缺、温室空气排放、环境污染等问题日益突出，因此加强风能、太阳能等具有替代作用的可再生能源的开发利用尤为重要。

我国幅员辽阔，陆地及海洋面积广阔，可再生能源蕴藏量丰富。在经济社会的发展过程中，远离海岸线的诸多海岛由于受特殊地理环境因素的制约，需要投入巨大的时间成本和经济成本才能接入强大的输配电网络，严重影响了这些地区的经济发展。根据我国的风能、太阳能资源的分布情况可知，这些远离海岸线的海岛的风能及太阳能资源的可开发量丰富，由于风能和太阳能具有天然的互补性，因此在海岛地区开发风能和太阳能是一种合理可行的能源利用方式。由于风能及太阳能受天气影响明显，具有波动性和随机性，因此有必要引入电能存储技术，保证能源的持续、稳定供给。

目前储能技术主要分为物理储能和化学储能，其中物理储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，化学储能技术包括电池储能等。考虑到目前可以进行大规模储能的技术为抽水蓄能和压缩空气储能，同时考虑海岛的地理环境条件，因此仅有压缩空气储能具有可行性。

国内外目前针对压缩空气储能技术的研究多采用地下盐穴、废弃矿洞或隧道等作为储气容器，存在电站造价高且需要特定地形结构等问题。为解决上述问题，同时考虑到储能和释能过程中的变工况特性，西安交通大学王焕然等首次提出一种恒压水-气共容舱电力储能系统(cn201210099690.1)。

在上述恒压水-气共容舱电力储能系统的释能过程中，水-气共容舱内的水位不断降低，水气共容舱内上部空气体积增大，空气压力下降。为保证水轮机在稳定工况下发电，即保持释能过程中水气共容舱内压力恒定，利用蒸汽锅炉向水-气共容舱内补充水蒸气。

进一步的，考虑到蒸汽锅炉产生的高温水蒸气会与水-气共容舱内工质发生热交换，降低水-气共容舱的安全性，同时考虑简化系统结构，王焕然等进一步提出一种用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统(cn201320222066.4)。

在上述用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统中，由于高压储气罐的设置，使得储能系统的经济性变差，同时又额外增加了增压机及节流稳压装置，增加了储能系统的能耗及不可逆损失。

目前，电能的清洁、高效、低成本储存技术仍然属于世界性难题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上无坝抽水压缩空气储能系统及方法，结构简单，设计合理，造价低，电能清洁高效。

本发明是通过以下技术方案来实现：

海上无坝抽水压缩空气储能系统，包括电力调配单元、储能回路和释能回路；

所述的储能回路包括依次连接的压缩机机组、水下气囊和水气共容舱；压缩机机组的空气入口连接大气，水下气囊设置在海面以下且固定在海底，水气共容舱上设置有与海水连通的高压水泵；

所述的释能回路包括水轮机；水轮机进水口与水气共容舱的出水口相连；

所述的电力调配单元包括电动机/发电机和用于连接控制电动机/发电机的电力调度与控制中心；电动机/发电机的电动机输出端连接储能回路的压缩机机组输入端，电动机/发电机的发电机输入端连接释能回路的水轮机输出端；

储能时，电动机/发电机的电动机端带动高压水泵向水气共容舱内注水储能；释能时，水气共容舱中的高压水驱动水轮机带动电动机/发电机的发电机端进行发电。

优选的，压缩机机组由若干压缩机串联而成，在每个压缩机空气出口和下一压缩机空气入口间安装有一个换热器；第一级压缩机的空气入口连接大气，最后一级压缩机的空气出口依次连接最后一级换热器后连接水下气囊的空气入口。

优选的，压缩机机组中的换热器冷却回路输入端设置有进水口与海水连通的低压水泵。

优选的，水下气囊外部罩有固定网罩；固定网罩的多点连接柔性铆链结构，柔性铆链结构的另一端锚固于海底管桩基础。

优选的，水下气囊的进气管道和出气管道分别为进气高压软管和出气高压软管，进气高压软管和出气高压软管采用锚接方式锚固于海底管桩基础上。

优选的，压缩机机组通过高压进气电控阀门向水下气囊内压入高压空气，通过高压注气电控阀门向水气共容舱内压入高压空气进行补气；高压水泵出口经高压加水电控阀门与水气共容舱相连；水下气囊的空气出口经高压加气电控阀门向水气共容舱中压入高压空气；水轮机进水口通过高压出水电控阀门与水气共容舱的出水口相连。

优选的，所述系统内所有金属设备内外表面喷涂防腐涂层；水气共容舱内水气表面添加有用于抑制空气在海水中的溶解性的表面活性剂。

海上无坝抽水压缩空气储能方法，基于上述系统，包括，

预处理步骤，通过压缩机组向水下气囊充气加压的预处理过程；

储能步骤，在电网电能过剩时，通过高压水泵向水气共容舱内注水，水在水气共容舱内与预压缩气体混合成为高压水，压缩水气共容舱内的空气回流至水下气囊内，当舱内气体达到设定压力时完成储能过程；

释能步骤，在电网用电负荷高峰时，通过水气共容舱内的海水在水下气囊内高压气体的作用下被向外压出，然后海水对水轮机做功，水轮机带动电动机/发电机发电完成释能。

进一步，预处理步骤具体如下，

在电力调度与控制中心的调度控制下，电能驱动电动机/发电机旋转，此时电动机/发电机作为电动机工作；电动机/发电机通过第一联轴器和旋转轴驱动压缩机机组做功，第一级压缩机吸入空气，将空气压缩至设定压力温度后，空气进入第一级换热器，被冷却至环境温度后进入下一级压缩机再次被压缩至设定压力温度，直至在最后一级换热器中冷却至环境温度后被充入水下气囊中；当水下气囊达到设定压力后关闭所有阀门及压缩机机组；水下气囊与水气共容舱内部压力相同。

进一步，储能步骤具体如下，

开启高压水泵，对水气共容舱内注水，水在水气共容舱内与预压缩气体混合成为高压水，压缩水气共容舱内的空气回流至水下气囊内，当舱内气体达到设定压力时，关闭高压水泵及阀门完成储能过程；

释能步骤具体如下，

水气共容舱内的海水在水下气囊内高压气体的作用下被向外压出，然后海水对水轮机做功，做功结束后的海水与冷却海水汇合回流至海中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的储能系统充分利用深海海水环境压力所提供稳定的高压环境，采用柔性的水下气囊替代传统的高压储气洞穴、或盐穴、或高压容器。深海柔性的水下气囊与海面之上的水气共容舱一起构成了电力储能物理空间，二者之间的压缩空气是连通的，依据水气共容舱内水和高压空气在水气界面具有相同压力这一特性，将储存在高压空气内的能量转变为海水的压力势能，海水的压力势能通过水轮机转化对外出输出的电能，发电过程和储能过程不需要外热源加热，也不需要对其进行冷却，储能系统结构简单，主要设备造价低，不但可以降低储能系统的造价，而且还可以为储能系统提供稳定的压缩空气气源。保证系统运行过程中具有稳定的工况和较高的发电效率，同时进一步提高了系统的经济性。

附图说明

图1为本发明实例中所述海上无坝抽水压缩空气储能系统的结构示意图。

图2为本发明实例中所述水下气囊的结构示意及固定示意图。

图中：1第一压缩机，2第二压缩机，3水轮机，4高压水泵，5水气共容舱，6水下气囊，7第一换热器，8第二换热器，9第一联轴器，10第二联轴器，11电动机/发电机，12电力调度与控制中心，13用户侧，14风电/光伏电站，15低压水泵，16高压进气电控阀门，17高压注气电控阀门，18冷却水电控阀门，19高压加水电控阀门，20高压加气电控阀门，21高压出水电控阀门，22出气高压软管，23进气高压软管，24固定网罩，25-27柔性铆链，28-32管桩基础，33海底。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明海上无坝抽水压缩空气储能系统，包括压缩机机组、水轮机3、高压水泵4、水气共容舱5、水下气囊6、第一换热器7、第二换热器8、第一联轴器9、第二联轴器10、电动机/发电机11、低压水泵15和电控阀门16-21；电动机/发电机11的电动机端连接压缩机组的动力输入端，发电机端连接水轮机3的动力输出端；

压缩机机组由若干压缩机串联而成，在每个压缩机空气出口和下一压缩机空气入口间安装有一个换热器；第一级压缩机的空气入口连接大气，其空气出口连接第一级换热器的空气入口；第一级换热器的空气出口连接第二级压缩机的空气入口，依次类推，最后一级压缩机的空气出口依次连接最后一级换热器和高压进气电控阀门16后连接水下气囊6的空气入口；

低压水泵15入水口与海面相连，其出水口通过冷却水电控阀门18及管道分别与压缩机机组中的换热器冷却回路相连。

高压水泵4进口通过管道及阀门同海面相连，伸入到海面以下，即连接至浅层海面；高压水泵4出口经高压加水电控阀门19与水气共容舱5相连，将海水泵入水气共容舱5。

水轮机3进水口通过管道及高压出水电控阀门21与水气共容舱5的出水口相连，高压水驱动水轮机3带动电动机/发电机11的发电机端进行发电，产生的电能经电力调度与控制中心12输送至用户侧13，水轮机3出水口通过管道及阀门与海面相连，伸入到海面以下。

水气共容舱5的水为水轮机3提供稳定水头用于发电。水下气囊6的空气出口经高压加气电控阀门20向水气共容舱5中压入高压空气，为水气共容舱5提供稳定的高压空气。

储能时，通过电力调度与控制中心12向高压水泵4供电，高压水泵4向水气共容舱5内加水，压缩水气共容舱5内的空气回流至水下气囊6内。

通过电力调度与控制中心12向压缩机机组供电，压缩机机组除通过高压进气电控阀门16向水下气囊6内压入高压空气外，也可通过高压注气电控阀门17向水气共容舱5内压入高压空气进行补气。

在水气共容舱5的水气结合面处加入表面活性剂，如十二烷基苯磺酸钠，以减小水气共容舱5上部空气在海水中的溶解量。

为提高水下气囊6的结构强度，使水下气囊6不发生较大形变，用高强度的固定网罩24将其罩住。

由物体在液体中所受浮力的公式f＝ρgv；式中，f表示物体所受浮力，ρ表示液体密度，g表示当地加速度，v表示物体排开液体的体积；可知，较大体积的水下气囊6会受到较大浮力。为使水下气囊6避免因受到较大浮力而向水面移动，在高强度的固定网罩24的多点连接柔性铆链结构25-27，柔性铆链结构25-27的另一端锚固于海底管桩基础28-30。

水下气囊6的进气管道和出气管道分别为进气高压软管23和出气高压软管22，进气高压软管23和出气高压软管22采用锚接方式锚固于海底管桩基础31、32上。

在水下气囊6充放气的过程中，由物体在液体中的压强公式p＝ρgh，式中，p表示物体在液体中所处位置压强，ρ表示液体密度，h表示物体所处深度，可知，由于水下气囊6的所处深度未发生较大变化，因此水下气囊6所处环境压力可视为恒定，充放气过程中气压稳定。

本发明所述系统涉及的所有金属设备内外表面均进行喷涂防腐涂层处理，如压缩机、水轮机、水泵、水气共容舱、换热器、电控阀门、管道等。

具体的，如图1所示，本发明海上无坝抽水压缩空气储能系统，包括压缩机机组、水轮机3、高压水泵4、水气共容舱5、水下气囊6、第一、二换热器7、8、第一、二联轴器9、10、电动机/发电机11、低压水泵15和电控阀门16-21；

本优选实例中，压缩机机组包括相互连接的第一压缩机1和第二压缩机2。电动机/发电机11通过第一联轴器9连接压缩机机组，通过第二联轴器10连接水轮机3。第一压缩机1的空气入口连接大气，第一压缩机1的空气出口通过第一换热器7连接第二压缩机2的空气入口，第二压缩机2的空气出口通过第二换热器8和高压进气电控阀门16连接水下气囊6的空气入口；水下气囊6的空气出口通过高压加气电控阀门20连接水气共容舱5的空气入口；由于水下气囊6所处深度基本保持不变，所以其所处环境压力保持恒定。第二换热器8的空气出口也可通过高压注气电控阀门17连接水气共容舱5的空气入口。

高压水泵4的流体入口连接海水，高压水泵4的流体出口可通过高压加水电控阀门19连接水气共容舱5的海水入口，也可通过冷却水电控阀门18分别连接第一、二换热器7、8。

水气共容舱5的海水出口依次通过管道及阀门连接水轮机3的流体入口；水轮机3的流体出口与海面相连。

本发明海上无坝抽水压缩空气储能方法，电动机/发电机11驱动第一压缩机1和第二压缩机2，电动机/发电机11由水轮机3带动发电。

在开始储能前，打开高压进气电控阀门16，冷却水电控阀门18，高压加气电控阀门20，关闭，高压注气电控阀门17，高压加水电控阀门19，高压出水电控阀门21，在电力调度与控制中心12的调度控制下，电能驱动电动机/发电机11旋转，此时电动机/发电机11作为电动机工作；电动机/发电机11通过第一联轴器9和旋转轴驱动第一压缩机1和第二压缩机2做功，第一压缩机1吸入空气，将空气压缩至一定压力温度后，空气进入第一换热器7，被冷却至环境温度后进入第二压缩机2再次被压缩至一定压力温度，然后进入第二换热器8并冷却至环境温度后被充入水下气囊6中；当水下气囊6达到一定压力后关闭所有阀门及压缩机机组，此后除用于补气外，压缩机机组不再工作。由于水下气囊6与水气共容舱5通过管道及高压加气电控阀门20相连，此时二者内部压力相同。

在风电/光伏电站14的电网电能过剩时段，本发明海上无坝抽水压缩空气储能系统进入储能过程。开启高压水泵4，打开高压加水电控阀门19和高压加气电控阀门20对水气共容舱5内注水，水在水气共容舱内与预压缩气体混合成为高压水，压缩水气共容舱5内的空气回流至水下气囊6内，当舱内气体达到一定压力时，关闭高压水泵4及高压加水电控阀门19完成储能过程。

在电网用电负荷高峰期，本发明海上无坝抽水压缩空气储能系统进入释能过程。打开高压出水电控阀门21，水气共容舱5内的海水在水下气囊6内高压气体的作用下被向外压出，然后海水对水轮机3做功，做功结束后的海水与冷却海水汇合回流至海中。在释能过程中，由于水下气囊6所处深度保持不变，所以与水下气囊6相连的水气共容舱5上部气体的压力恒定，水气共容舱5出水压力稳定，水轮机3工况稳定。

考虑到本发明中的换热工质及做工工质为海水，具有盐碱腐蚀性，因此需要对系统中的所有金属设备内外表面喷涂防腐涂层，如压缩机、水轮机、水泵、水气共容舱、换热器、电控阀门、管道等。另外，由于海水中存在盐分，会增加水气共容舱5上部空气在海水中的溶解度，影响系统运行稳定性，因此需要在水气共容舱5内水气表面加入表面活性剂，如十二烷基苯磺酸钠，以抑制空气在海水中的溶解性。

参考图2，为提高水下气囊6的结构强度，使水下气囊6不发生较大形变，用由高强度材料制成的固定网罩24将其罩住，本优选实例中高强度材料采用尼龙。另外，为使水下气囊6避免因受到较大浮力而向水面移动，在高强度的固定网罩24的多点连接柔性铆链结构25-27，在柔性铆链结构25-27的另一端锚固于海底管桩基础28-30。水下气囊6的进气管道和出气管道均为高压软管23、22，高压软管23、22沿海底33铺设，采用锚接方式锚固于海底管桩基础31、32上。

本发明采用柔性的水下气囊代替了传统压缩空气储能系统中的高压容器或地下盐穴，进一步简化了系统结构，提高了系统的安全性、经济性和环保性；无需增加额外的增压机及节流装置，进一步降低储能系统的能耗及不可逆损失；同时水下气囊在释能过程中输出气体压力恒定，无需额外的稳压装置，水轮机运行工况稳定；采用柔性铆链结构结合高强度的固定网罩，提高了水下气囊的结构稳定性。