一种分布式浮力储能装置

1.本发明属于海上风电储能技术领域，具体涉及一种分布式浮力储能装置。


背景技术：

2.随着新能源产业的快速发展，建设电力源网荷储一体化和多能互补的新型能源体系为能源结构调整和产业结构优化升级提供了强有力的支撑。支持分布式新能源合理配置储能系统，充分发挥储能系统的调峰、调频作用，对于提高能源利用率，追求效益最大化都具有重要意义。
3.海上风电因气候季节等原因，存在波动性、间歇性和不规律性等特点，高度依赖自然环境条件，导致电力平衡较为困难，对于海上风电的储能也提出了较高要求。传统的储能方式，例如电化学储能、抽水蓄能，存在投资成本大，实施困难，对海洋环境影响大等问题。浮力储能是一种新型储能技术，通过电能与浮力势能之间的相互转换来完成储能和释能，具有经济性高、结构简单、更适合海洋环境的优点。
4.申请号为202210782241.0的发明申请公开了一种利用水库的浮力储能装置，储能单元包括设置在水库岸边平台上的发电电动机、卷扬机和上部滑轮、以及设置在水库底部的下部滑轮，通过钢缆伸缩实现浮体的上浮和下沉，进而实现电能与浮力势能的相互转换。但是，该装置不仅需要额外搭建储能平台，造成投资成本高，而且存在占用海洋面积大、影响海洋生态环境等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种分布式浮力储能装置。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
7.一种分布式浮力储能装置，包括浮力储能单元；其特征在于，多个浮力储能单元分布在多个风电机组上形成分布式储能；
8.所述浮力储能单元包括第一浮体模块、第二浮体模块、轮缘电机、轮状存储轨道和竖直轨道；多个竖直轨道呈圆周分布在风机塔筒上，每个竖直轨道上均滑动安装一个第一浮体模块，每个第一浮体模块上安装一个轮缘电机；风机塔筒的上部和下部分别转动安装有轮状存储轨道，其中一个轮状存储轨道上分布有多个第二浮体模块，第二浮体模块能够在轮状存储轨道上往复滑动，每个第二浮体模块同时能够与相应的第一浮体模块一起上浮和下潜；当第一浮体模块和第二浮体模块一起下潜时，电能转化为浮力势能，实现储能；当第一浮体模块和第二浮体模块一起上浮时，浮力势能转换为电能，实现释能。
9.进一步的，所述第一浮体模块包括第一环形固定件和多个呈圆周均匀分布在第一环形固定件上的第一浮体；轮缘电机与第一环形固定件连接，轮缘电机通过支架与竖直轨道滑动连接，使第一浮体模块能够沿着竖直轨道往复滑动。
10.进一步的，所述第二浮体模块包括第二环形固定件和多个呈圆周均匀分布在第二
环形固定件上的第二浮体。
11.进一步的，所述轮状存储轨道包括连接圆环和连接杆；连接圆环与风机塔筒转动连接，连接圆环的四周均匀分布有多个竖直的连接杆，第二浮体模块的至少一个第二浮体与连接杆连接，第二浮体模块能够在连接杆上往复滑动，且能够与连接杆固定。
12.进一步的，所述装置的运行分为储能和释能两个阶段；在储能阶段，位于风机塔筒上部的轮状存储轨道转动，使风机塔筒上部的轮状存储轨道上的各个第二浮体模块位于相应第一浮体模块的下方，风机塔筒上部的轮状存储轨道上的第二浮体模块被释放，第二浮体模块在浮力作用下上浮且该脱离轮状存储轨道，并且与相应的第一浮体模块吸附在一起；轮缘电机接通电源，轮缘电机的叶轮转动产生推力使第一浮体模块和第二浮体模块一起下潜，将第二浮体模块运送至风机塔筒下部的轮状存储轨道上并与该轮状储存轨道固定，将电能转化为浮力势能，轮缘电机断开电源；在释能阶段，风机塔筒下部的轮状存储轨道上的第二浮体模块被释放，第二浮体模块在浮力作用下上浮且该轮状存储轨道，并且与相应的第一浮体模块吸附在一起，第一浮体模块和第二浮体模块在浮力作用下一起上浮，使轮缘电机的叶轮转动产生感应电流，将浮力势能转化为电能。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
14.1.本发明以风机塔筒为依托，将多个浮力储能单元分布式建设在海上风电场的各个风电机组上，形成分布式储能，总储能能力强；单个浮力储能单元的占地面积小，投资成本低，无需额外搭建海上储能平台。
15.2.将轮缘电机与第一浮体模块组合成整体，第一浮体模块起到运输第二浮体模块的作用，当海上风电机组的发电量大于用电负荷时，轮缘电机接通电源使叶轮转动驱动第一浮体模块和第二浮体模块一起下潜，将盈余的电能转化为浮力势能进行储存，完成储能；当海上风电机组的发电量小于用电负荷时，轮状存储轨道释放第二浮体模块，带动第一浮体模块和轮缘电机一起上浮，轮缘电机的叶轮转动产生感应电流，将浮力势能转化为电能，完成释能。因此，该装置能够在用电负荷小，海上风力较为充足地情况下进行能源储存，实现海上风力发电系统的调峰调频，提高能源利用效率，最小化风光储综合发电成本。
16.3.可根据需求对单立柱式、半潜式、张力腿式等海上风力发电机进行改进，将浮力储能单元与风力发电机塔筒一体建设，以适应不同的海上风力发电机。
附图说明
17.图1为整体结构图；
18.图2为第一浮体模块与第二浮体模块吸附在一起的结构图；
19.图3为第一浮体模块的结构图；
20.图4为轮缘电机的结构图；
21.图5为v型支架的结构图；
22.图6为第二浮体模块的结构图；
23.图7为第二浮体模块与轮状存储轨道的连接示意图；
24.图8为轮状存储轨道的结构图；
25.图9为竖直轨道的结构图；
26.附图标记说明：1、第一浮体模块；2、第二浮体模块；3、轮缘电机；4、轮状存储轨道；
5、竖直轨道；6、风机塔筒；7、v型支架；
27.101、第一浮体；102、第一环形固定件；201、第二浮体；202、第二环形固定件；401、连接圆环；402、连接杆；501、竖直轨道本体；502、支撑桁架。
具体实施方式
28.下面结合附图给出具体实施例，具体实施例仅用于详细介绍本发明的技术方案，并不以此限定本技术的保护范围。
29.本发明为一种分布式浮力储能装置(简称装置，参见图1～9)，包括多个浮力储能单元，海上风电场中的各个风电机组上均安装一个浮力储能单元，形成分布式浮力储能；
30.所述浮力储能单元包括第一浮体模块1、第二浮体模块2、轮缘电机3、轮状存储轨道4和竖直轨道5；多个竖直轨道5呈圆周均匀分布在风机塔筒6上，竖直轨道5沿风机塔筒6的轴向布置，每个竖直轨道5上均滑动安装有一个第一浮体模块1，每个第一浮体模块1上均安装一个轮缘电机3，通过轮缘电机3使第一浮体模块1沿着竖直轨道5向下滑动，实现第一浮体模块1的下潜；两个轮状存储轨道4分别转动安装在风机塔筒6的上部和下部，风机塔筒6上部的轮状存储轨道4不超过最低海平面位置且始终处于海平面以下，风机塔筒6下部的轮状存储轨道4位于海床上部较为稳定的位置；其中一个轮状存储轨道4上安装至少一个第二浮体模块组，第二浮体模块组由多个呈圆周分布在轮状存储轨道4上的第二浮体模块2组成，第二浮体模块2能够在轮状存储轨道4上往复滑动，且能够与轮状存储轨道4固定在一起，当轮状存储轨道4转动一定角度后，每个第一浮体模块1均有与之位置对应的第二浮体模块2，使第一浮体模块1与相应的第二浮体模块2吸附后一起下潜或上浮；当第一浮体模块1与风机塔筒6上部的第二浮体模块2吸附后，轮缘电机3接通电源，轮缘电机3的叶轮转动产生推力推动第一浮体模块1和第二浮体模块2一起沿着竖直轨道5向下滑动，使第一浮体模块1与第二浮体模块2一起下潜，将第二浮体模块2运送至风机塔筒6下部的轮状存储轨道4上存储，实现浮力势能的存储。
31.如图3所示，所述第一浮体模块1包括第一浮体101和第一环形固定件102；多个第一浮体101呈圆周均匀分布在第一环形固定件102上，轮缘电机3固定在第一环形固定件102上，轮缘电机3同时通过v型支架7与竖直轨道5滑动连接，v型支架7的中部与轮缘电机3的外壁固定连接，v型支架7的两端分别设有滚轮，通过滚轮与竖直轨道5两侧的滑槽滑动连接，实现第一浮体模块1在竖直轨道5上的往复滑动，进而实现第一浮体模块1的上浮和下潜，参见图4、5。进一步的，第一浮体模块1的多个第一浮体101采用不同尺寸，以平衡第一浮体模块1和轮缘电机3固定在一起后的整体重心，减小第一浮体模块1与竖直轨道5之间的滑动摩擦力。
32.如图6所示，所述第二浮体模块2包括第二浮体201和第二环形固定件202，多个第二浮体201呈圆周均匀分布在第二环形固定件202上；第二浮体模块2与第一浮体模块1通过电磁吸附在一起。
33.如图7、8所示，所述轮状存储轨道4包括连接圆环401和连接杆402；连接圆环401与风机塔筒6转动连接，实现转动的方式包括但不限于齿轮传动；连接圆环401的四周均匀分布有多个竖直的连接杆402，第二浮体模块2的至少一个第二浮体201套装在其中一个连接杆402上，第二浮体模块2能够沿着连接杆402往复滑动，并与连接杆402固定在一起，第二浮
体201与连接杆402的固定方式包括但不限于电磁吸附。
34.如图9所示，所述竖直轨道5包括竖直轨道本体501与支撑桁架502；竖直轨道本体501通过支撑桁架502与风机塔筒6固定连接，支撑桁架502作为竖直轨道5的支撑结构起到稳定装置的作用，竖直轨道本体501的两侧分别设有与v型支架7两端滑动连接的滑槽。
35.所述第一浮体101和第二浮体201的外壳采用低阻硬质材料制成，例如碳纤维，第一浮体101和第二浮体201可采用回收的海洋垃圾作为内部支撑。所述竖直轨道5、轮状存储轨道4、第一浮体模块1和第二浮体模块2的外表面均可喷涂无机或有机防腐涂层以及采用热浸镀锌等方式涂覆防腐涂层。
36.所述轮缘电机3为永磁轮缘电机，在储能阶段，轮缘电机3接通电源，此时的轮缘电机3相当于螺旋桨，轮缘电机3的叶轮转动产生推力，推动第一浮体模块1和位于风机塔筒6上部的第二浮体模块2一起下潜，将上部的第二浮体模块2运送至位于风机塔筒6下部的轮状存储轨道4上存储，并与轮状存储轨道4通过但不限于电磁吸附固定在一起，将浮力势能存储在位于风机塔筒6下部的第二浮体模块2中，进而完成浮力势能的存储；在释能阶段，轮缘电机3断开电源，位于风机塔筒6下部的第二浮体模块2释放存储的浮力势能，在浮力作用下第二浮体模块2和第一浮体模块1一起上浮，使轮缘电机3的叶轮转动产生感应电动势进而产生感应电流，将浮力势能转换为电能，电能传输至电网。
37.本发明的工作原理和工作流程是：
38.初始时，各个第一浮体模块1在浮力作用下漂浮在相应竖直轨道5的上部，各个第二浮体模块2与相应轮状存储轨道4固定在一起，轮缘电机3断开电源；该装置的运行分为储能和释能两个阶段；
39.在储能阶段，首先，位于风机塔筒6上部的轮状存储轨道4转动，使风机塔筒6上部的轮状存储轨道4上的各个第二浮体模块2位于相应第一浮体模块1的下方，风机塔筒6上部的轮状存储轨道4释放与之固定在一起的第二浮体模块2，第二浮体模块2在浮力作用下上浮使第二浮体模块2完全脱离轮状存储轨道4的连接杆402并与相应的第一浮体模块1吸附在一起；然后，第一浮体模块1上的轮缘电机3接通电源，轮缘电机3的叶轮转动产生推力，推动第一浮体模块1和第二浮体模块2一起沿着竖直轨道5向下滑动，实现第一浮体模块1和第二浮体模块2的下潜，直至将第二浮体模块2运送至风机塔筒6下部的轮状存储轨道4上并与该轮状储存轨道4固定在一起，第一浮体模块1上的轮缘电机3断开电源，完成浮力势能的存储；
40.在释能阶段，风机塔筒6下部的轮状存储轨道4释放与之固定在一起的第二浮体模块2，第二浮体模块2在浮力作用下上浮并脱离风机塔筒6下部的轮状存储轨道4，与相应的第一浮体模块1吸附在一起，两者在浮力作用下沿着竖直轨道5向上滑动，实现第一浮体模块1和第二浮体模块2的上浮，在第一浮体模块1和第二浮体模块2上浮过程中轮缘电机3的叶轮转动产生感应电动势进而产生感应电流，浮力势能被转化为电能并传输至电网，完成浮力势能的释放。
41.该分布式浮力储能装置可根据海上风力发电机组的发电量以及用电负荷进行统一调配，实现区域性海上风力发电系统的调峰调频；当海上风力较大，用电负荷较小，海上风力发电机组的发电量大于用电负荷，多余电能通过驱动轮缘电机3，将多余电能转化为浮力势能实现储能；当用电负荷较大，海上风力发电机组的发电量小于用电负荷，则可通过释
放浮力势能，将浮力势能转化为电能，以满足用电负荷。
42.本发明未述及之处适用于现有技术。

技术特征：
1.一种分布式浮力储能装置，包括浮力储能单元；其特征在于，多个浮力储能单元分布在多个风电机组上形成分布式储能；所述浮力储能单元包括第一浮体模块、第二浮体模块、轮缘电机、轮状存储轨道和竖直轨道；多个竖直轨道呈圆周分布在风机塔筒上，每个竖直轨道上均滑动安装一个第一浮体模块，每个第一浮体模块上安装一个轮缘电机；风机塔筒的上部和下部分别转动安装有轮状存储轨道，其中一个轮状存储轨道上分布有多个第二浮体模块，第二浮体模块能够在轮状存储轨道上往复滑动，每个第二浮体模块同时能够与相应的第一浮体模块一起上浮和下潜；当第一浮体模块和第二浮体模块一起下潜时，电能转化为浮力势能，实现储能；当第一浮体模块和第二浮体模块一起上浮时，浮力势能转换为电能，实现释能。2.根据权利要求1所述的分布式浮力储能装置，其特征在于，所述第一浮体模块包括第一环形固定件和多个呈圆周均匀分布在第一环形固定件上的第一浮体；轮缘电机与第一环形固定件连接，轮缘电机通过支架与竖直轨道滑动连接，使第一浮体模块能够沿着竖直轨道往复滑动。3.根据权利要求1所述的分布式浮力储能装置，其特征在于，所述第二浮体模块包括第二环形固定件和多个呈圆周均匀分布在第二环形固定件上的第二浮体。4.根据权利要求3所述的分布式浮力储能装置，其特征在于，所述轮状存储轨道包括连接圆环和连接杆；连接圆环与风机塔筒转动连接，连接圆环的四周均匀分布有多个竖直的连接杆，第二浮体模块的至少一个第二浮体与连接杆连接，第二浮体模块能够在连接杆上往复滑动，且能够与连接杆固定。5.根据权利要求1～4任一所述的分布式浮力储能装置，其特征在于，所述装置的运行分为储能和释能两个阶段；在储能阶段，位于风机塔筒上部的轮状存储轨道转动，使风机塔筒上部的轮状存储轨道上的各个第二浮体模块位于相应第一浮体模块的下方，风机塔筒上部的轮状存储轨道上的第二浮体模块被释放，第二浮体模块在浮力作用下上浮且该脱离轮状存储轨道，并且与相应的第一浮体模块吸附在一起；轮缘电机接通电源，轮缘电机的叶轮转动产生推力使第一浮体模块和第二浮体模块一起下潜，将第二浮体模块运送至风机塔筒下部的轮状存储轨道上并与该轮状储存轨道固定，将电能转化为浮力势能，轮缘电机断开电源；在释能阶段，风机塔筒下部的轮状存储轨道上的第二浮体模块被释放，第二浮体模块在浮力作用下上浮且该轮状存储轨道，并且与相应的第一浮体模块吸附在一起，第一浮体模块和第二浮体模块在浮力作用下一起上浮，使轮缘电机的叶轮转动产生感应电流，将浮力势能转化为电能。

技术总结
本发明为一种分布式浮力储能装置，包括浮力储能单元；多个浮力储能单元分布在多个风电机组上形成分布式储能；浮力储能单元包括第一浮体模块、第二浮体模块、轮缘电机、轮状存储轨道和竖直轨道；多个竖直轨道呈圆周分布在风机塔筒上，每个竖直轨道上均滑动安装一个第一浮体模块，每个第一浮体模块上安装一个轮缘电机；风机塔筒的上部和下部分别转动安装有轮状存储轨道，其中一个轮状存储轨道上分布有多个第二浮体模块，每个第二浮体模块同时能够与相应的第一浮体模块一起上浮和下潜；当第一浮体模块和第二浮体模块一起下潜时，电能转化为浮力势能；当第一浮体模块和第二浮体模块一起上浮时，浮力势能转换为电能。此装置以风机塔筒为依托，占地面积小，投资成本低，实现海上风力发电系统的调峰调频。发电系统的调峰调频。发电系统的调峰调频。


技术研发人员：饶中浩 李保环 张翼 刘新健 黄坤 安振华
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/20