一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置的制作方法

1.本发明涉及海上风力发电技术领域，具体涉及一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能 发电装置。


背景技术：

2.传统抽水蓄能电站通常是作为电网的配套设施存在，作为“电池”来调节电网荷载。 但是传统抽水蓄能电站需要水库配套，对选址的要求极高，山水缺一不可，在我国沿海地区 很难找到合适的站址。但由于海上风电出力不够稳定，大容量集中接入并网会对电网运行产 生较大影响，所以海上风力发电系统一般采用蓄电池蓄能。但由于蓄电池寿命短、成本高、 有污染、且不能大量储存电能的缺点，海中蓄能发电装置就显得很有必要。
3.海中蓄能不仅能像常规抽水蓄能那样大量储存电能、调峰填谷，且启动迅速、爬坡卸荷 速度快、运行灵活可靠，还具有不依赖淡水资源、建设成本低、电力生产可靠和环保的优点。 海中蓄能快速转变的灵活性可弥补海上风电电力的随机性和不均匀性，为系统提供更多的调 峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用电源等。
4.申请号为201910770451.4的专利文献公开了一种深海漂浮式抽水蓄能风力发电装置及方 法，该发电装置利用漂浮于海面上的空心球体内海水的流入和外排，实现风力发电电力的调 节和存储。申请号为201620672422.8的专利文献公开了一种利用海底压力能的储水发电系统， 该发电系统利用海底高压海水在存储容器内的流入和外排，实现电力的调节和存储。上述两 种发电系统均采用抽水蓄能的方式，将电力转变为海水的势能进行蓄能，但在第一种技术方 案中，由于整个发电装置漂浮于海面上，不仅导致进入空心球体的海水势能较小，并导致发 电装置发电量不足，对电网电量的调节能力较差，还使得整个发电装置的稳定性不足。在第 二种技术方案中，由于整个发电系统固定设置在海底，各个存储容器之间通过压力管道连通， 不仅不便于整个发电系统在海底的安装固定，且在浮力作用下，存储容器与压力管道之间的 密封连接容易被破坏，不仅会缩短整个发电系统的使用寿命，还使得存储容器的容积大小受 到限制，进而导致发电系统发电量不足，对电网电量的调节能力较差。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置， 以解决现有海中蓄能发电装置对电网电量调节能力差的问题。
6.本发明所采用的技术方案为：一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，包括：
7.变电站，所述变电站用于对外输出电力；
8.海上风电阵列，所述海上风电阵列设置于浅海区，并与所述变电站电连接，用于向所述 变电站连续供给风电；
9.海中蓄能阵列，所述海中蓄能阵列设置于深海区，并与所述变电站电连接，用于调
节所 述变电站对外输出电力的大小；
10.其中，所述海中蓄能阵列包括蓄能体，所述蓄能体具有蓄能腔，所述蓄能腔中设有纵向 流体通道，所述纵向流体通道的顶端与所述蓄能体外部空间连通，底端与所述蓄能腔连通； 所述纵向流体通道内设有可逆式水泵水轮机组，所述可逆式水泵水轮机组具有用于将所述蓄 能腔内海水外排的水泵工况和用于对外发电的水轮机工况。
11.优选的，所述蓄能体包括混凝土空心球，所述混凝土空心球通过锚固链条悬浮于所述深 海区。
12.优选的，所述混凝土空心球的内直径为30m。
13.优选的，所述纵向流体通道沿所述混凝土空心球的直径设置，且在所述纵向流体通道的 顶端设有阀门。
14.优选的，所述纵向流体通道的横截面为圆形。
15.优选的，多个所述蓄能体通过串联电缆串联连接。
16.优选的，所述深海区的水深为100m～800m。
17.优选的，所述海上风电阵列包括多个串联的风力发电机。
18.优选的，所述可逆式水泵水轮机组的功率为5mw～40mw。
19.本发明的有益效果：
20.1、本发明的储能发电装置采用抽水蓄能的原理，通过设置在蓄能体的纵向流体通道内的 可逆式水泵水轮机组，在电网负荷低时，利用风力发电产生的富余电力将蓄能体内部的海水 抽出，实现电力的存储；在电网负荷高时，利用高压海水对可逆式水泵水轮机组的冲击发电， 实现风力发电的电力补充。具有调峰填谷、机组启停迅速、运行灵敏可靠的优点，同时本发 明的储能发电装置的迅速转变的特性可弥补海上风电电力的不稳定性，为电网提供更多的调 峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用电源，并具有能量生产可靠和环保等优点。
21.2、本发明中的每个蓄能体均为一个小型的水力发电机，所有的蓄能体之间通过串联电缆 串联，且每个蓄能体的底部与锚固链条固定连接，并悬浮于深海区，通过锚固链条对蓄能体 的拉拽作用，可有效保证整个海中蓄能阵列的稳定性，并有利于蓄能体内海水的外排和涌入。
22.3、本发明的储能发电装置采用海中抽蓄与海上风电相结合的方式，不仅实现替代蓄电池 对整个系统进行储能，也提高了整个系统的稳定性。同时采用海中蓄能技术对海上风电系统 进行蓄能，不仅可以扩大抽水蓄能电站的选址范围，也解决了出力波动和不稳定性的海上风 电储能问题。
23.4、本发明中的蓄能体通过锚固链条悬浮于深海区，在蓄能体的纵向流体通道内设有可逆 式水泵水轮机组，当高压海水冲击可逆式水泵水轮机时，可使各个蓄能体形成各自独立的小 型水力发电机，用于对海上风电补充电力；同时，由于各个蓄能体之间各自独立，并悬浮于 深海区，使得蓄能体可具有较大的容积用于容纳海水进行发电，提高了电力调节能力，且不 会因浮力增大而影响整个储能发电装置的稳定性。
附图说明
24.图1为本发明的集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置的结构示意图；
25.图2为蓄能体处于水泵工况的结构示意图；
26.图3为蓄能体处于水轮机工况的结构示意图；
27.图4为蓄能体在深海区的悬浮示意图。
28.图中附图标记说明：
29.10、变电站；
30.20、海上风电阵列；
31.21、风力发电机；
32.30、海中蓄能阵列；
33.31、蓄能体；32、蓄能腔；33、纵向流体通道；34、可逆式水泵水轮机组；35、阀门； 36、串联电缆；
34.40、浅海区；
35.50、深海区；
36.60、主电缆；
37.70、锚固链条。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本 发明，而并非对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、
ꢀ“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置 或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 此外，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。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、
ꢀ“
连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以 是机械连接，也可以是电连接；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。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。
41.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
42.实施例，如图1-图4所示，一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，该装置包括：
43.变电站10，该变电站10用于外接场外荷载并对外输出电力。
44.海上风电阵列20，该海上风电阵列20固定设置于浅海区40，并通过主电缆60与变电站 10电连接，用于向变电站10连续供给风电。
45.海中蓄能阵列30，该海中蓄能阵列30设置于深海区50，并通过主电缆60与变电站10 电连接，用于调节变电站10对外输出电力的大小。
46.其中，海中蓄能阵列30包括多个由串联电缆36串联的蓄能体31，该蓄能体31内部中空 以形成蓄能腔32，在蓄能腔32中设有一纵向流体通道33，该纵向流体通道33的顶端开
口与 蓄能体31外部空间连通，纵向流体通道33的底端开口与蓄能腔32内底部连通；在纵向流体 通道33内设有一可逆式水泵水轮机组34，该可逆式水泵水轮机组34具有水泵工况和水轮机 工况，当可逆式水泵水轮机组34处于水泵工况时，可逆式水泵水轮机组34用于将蓄能体31 的蓄能腔32内的海水通过纵向流体通道33外排至深海区50，以实现蓄能；当可逆式水泵水 轮机组34处于水轮机工况时，深海区50的海水在高压作用下进入纵向流体通道33并冲击可 逆式水泵水轮机组34，以进行水力发电，实现海上风电阵列20的电力补充。
47.本技术采用抽水蓄能的原理，在浅海区40设置海上风电阵列20，用于进行风力发电，在 深海区50设置海中蓄能阵列30，用于对风力发电进行蓄能和补电。本技术在蓄能体31的纵 向流体通道33内设有可逆式水泵水轮机组34，当电网负荷低时，可利用风力发电产生的富 余电力将蓄能体31内部的海水抽出，实现电力的存储；当电网负荷高时，可利用高压海水对 可逆式水泵水轮机组34的冲击发电，实现风力发电的电力补充。本发明的储能发电装置具有 调峰填谷、机组启停迅速、运行灵敏可靠的优点，同时，其迅速转变的特性可弥补海上风电 的不稳定性，为电网提供更多的调峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用电源，并具有电 力生产可靠和环保的优点。
48.在一具体实施例中，如图2和图3所示，蓄能体31包括混凝土空心球，该混凝土空心球 的底部为配重部。如此设置，可通过配重部对混凝土空心球重心的调节，使得混凝土空心球 内腔中的纵向流体通道33始终保持竖直状态，以便于可逆式水泵水轮机组34将混凝土空心 球内腔中的海水全部抽出并外排。
49.优选的，混凝土空心球的下方设有锚固链条70，该锚固链条70的一端与混凝土空心球的 底端固定连接，另一端固定在深海区50的海底。如此设置，可通过设置在混凝土空心球下方 的锚固链条70将混凝土空心球固定在深海区50；当混凝土空心球的内腔中充满海水时，混 凝土空心球可在重力作用下落于深海区50的海底；当混凝土空心球的内腔中海水外排时，在 浮力作用下，混凝土空心球会向上浮动，通过锚固链条70的拉拽作用，可使混凝土空心球悬 浮于深海区50中，从而降低浮力作用和海水流动对储能发电装置的影响。
50.更优选的，混凝土空心球的内直径为30m。如此设置，可使混凝土空心球具有足够大容 积的内腔，以用于容纳足量的海水，并增加海中蓄能阵列30的电力调节能力，使得可逆式水 泵水轮机组34的补电时长可达4小时。
51.在一具体实施例中，如图2和图3所示，纵向流体通道33沿混凝土空心球的直径设置， 并且在纵向流体通道33的顶端开口处设有一阀门35。如此设置，将纵向流体通道33沿混凝 土空心球的直径设置，可在混凝土空心球内部海水外排过程中，保证纵向流体通道33的底端 没于混凝土空心球内海水液面以下，以便于混凝土空心球内海水的外排。在纵向流体通道33 的顶端设置阀门35，可以控制深海区50海水进入混凝土空心球，以使可逆式水泵水轮机组 34转变为水轮机工况。
52.优选的，纵向流体通道33的横截面为圆形。
53.更优选的，深海区50的水深为100m～800m。
54.在一具体实施例中，如图1所示，海上风电阵列20包括多个串联的风力发电机21。
55.在一具体实施例中，可逆式水泵水轮机组34的功率为5mw～40mw。
56.本技术的储能发电装置的工作过程如下：
57.本技术中的海上风电阵列20是先利用风力机将风能转换为机械能，再通过风力发
电机21 将机械能转换为的电能，风力发电机21富余的电能用于使可逆式水泵水轮机组34运行水泵 工况，以将电能变成海水的势能储存起来。
58.在负荷低谷期，可逆式水泵水轮机组34利用风力发电机21富余的电能运行水泵工况， 用于将蓄能腔32中的海水抽到蓄能体31外部的深海区50，从而将海上风电产生的电能转化 成海水的势能储存起来。在负荷高峰期，可逆式水泵水轮机组34运行水轮机工况，通过打开 阀门35，利用压力差(海水压力与蓄能腔32负压的差值)，使蓄能体31外部深海区50的海 水涌入纵向流体通道33，并驱动可逆式水泵水轮机组34发电，实现海上风电的补电。
59.与现有技术相比，本技术的储能发电装置至少具有以下有益技术效果：
60.本技术的集海中蓄能与海上风电于一体的储能发电装置能够大量储存海上风电发出的电 力，当电网负荷低时，海上风电产生的电能通过可逆式水泵水轮机组34把混凝土空心球中的 海水抽出，进行蓄能。当电网负荷高时，需要峰值发电时，混凝土空心球的阀门打开，让涌 进的海水驱动可逆式水泵水轮机组34发电。本技术的储能发电装置与常规抽水蓄能装置一 样，可以调峰填谷、机组启停迅速、运行灵敏可靠，其迅速转变的特性可弥补海上风电的不 稳定性，为电网提供更多的调峰填谷容量和调频、调相、紧急事故备用电源，同时具有电能 生产可靠和环保等优点。本技术巧妙地将海中抽蓄与海上风电系统相结合，一方面通过水泵 工况替代蓄电池对整个系统进行储能，另一方面也提高了整个系统的稳定性。
61.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为 本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，包括：变电站(10)，所述变电站(10)用于对外输出电力；海上风电阵列(20)，所述海上风电阵列(20)设置于浅海区(40)，并与所述变电站(10)电连接，用于向所述变电站(10)连续供给风电；海中蓄能阵列(30)，所述海中蓄能阵列(30)设置于深海区(50)，并与所述变电站(10)电连接，用于调节所述变电站(10)对外输出电力的大小；其特征在于，所述海中蓄能阵列(30)包括蓄能体(31)，所述蓄能体(31)具有蓄能腔(32)，所述蓄能腔(32)中设有纵向流体通道(33)，所述纵向流体通道(33)的顶端与所述蓄能体(31)外部空间连通，底端与所述蓄能腔(32)连通；所述纵向流体通道(33)内设有可逆式水泵水轮机组(34)，所述可逆式水泵水轮机组(34)具有用于将所述蓄能腔(32)内海水外排的水泵工况和用于对外发电的水轮机工况。2.根据权利要求1所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述蓄能体(31)包括混凝土空心球，所述混凝土空心球通过锚固链条(70)悬浮于所述深海区(50)。3.根据权利要求2所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述混凝土空心球的内直径为30m。4.根据权利要求2或3所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述纵向流体通道(33)沿所述混凝土空心球的直径设置，且在所述纵向流体通道(33)的顶端设有阀门(35)。5.根据权利要求4所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述纵向流体通道(33)的横截面为圆形。6.根据权利要求1所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，多个所述蓄能体(31)通过串联电缆(36)串联连接。7.根据权利要求1所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述深海区(50)的水深为100m～800m。8.根据权利要求1所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述海上风电阵列(20)包括多个串联的风力发电机(21)。9.根据权利要求1所述的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，其特征在于，所述可逆式水泵水轮机组(34)的功率为5mw～40mw。

技术总结
本发明公开了海上风力发电技术领域的一种集海中蓄能和海上风电于一体的储能发电装置，包括变电站、设置于浅海区并与变电站电连接的海上风电阵列、以及设置于深海区并与变电站电连接的海中蓄能阵列，海中蓄能阵列包括具有蓄能腔的蓄能体，蓄能腔中设有纵向流体通道，纵向流体通道的顶端与蓄能体外部空间连通，底端与蓄能腔连通，纵向流体通道内设有可逆式水泵水轮机组。本发明采用抽水蓄能的原理，通过设置在蓄能体的纵向流体通道内的可逆式水泵水轮机组，在电网负荷低时，利用风力发电产生的富余电力将蓄能体内部的海水抽出，实现电力的存储；在电网负荷高时，利用高压海水对可逆式水泵水轮机组的冲击发电，实现风力发电的电力补充。电的电力补充。电的电力补充。


技术研发人员：马宁 朱爱莉 王辉 何伟男
受保护的技术使用者：上海勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2022.03.03
技术公布日：2023/9/12