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CN111498036A - 一种带有储能装置的海上浮式风电机组及电能消纳方法 - Google Patents

一种带有储能装置的海上浮式风电机组及电能消纳方法 Download PDF

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章恂
顾健威
吴凯
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Abstract

本发明公开一种带有储能装置的海上浮式风电机组及电能消纳方法，机组包括风机、塔筒、箱体结构以及若干储气罐；从上到下，风机、塔筒和箱体结构依次连接，储气罐等间隔设置在箱体结构的一周，箱体结构中设置有压缩机和微型透平机，压缩机和储气罐的入口连通；储气罐的出口连通微透平机的工质入口，储气罐中充有压缩空气；箱体结构的一周设置有锚定支架，锚定支架通过悬链线连接锚定装置，锚定装置固定在海底；箱体结构中设置有配重；压缩机的电能输入端连接风电机组的电能输出端；储气罐内的压缩空气作为储能介质，同时可为风机提供浮力，减少风浪对风机作用力，保持风机稳定，同时可以用于消纳风电机组的电能。

Description

一种带有储能装置的海上浮式风电机组及电能消纳方法
技术领域
本发明属于海上风电技术领域，具体涉及一种带有储能装置的海上浮式风电机组及电能消纳方法。
背景技术
与陆上风电相比，海上风电具有风能资源丰富、适合大规模开发、没有视觉和噪声污染等优点。在近海，由于水深较浅，风机采用固定式基础。但在水深较大的远海区域，固定式基础建造成本过高，且容易出现疲劳、变形等各种问题，因此深远海风电将采用新型的浮式风机。
风能作为可再生能源的一种，也具有能量不稳定、电网友好性差的特点。储能是解决可再生能源间歇性问题的有效手段。CN110611332A公开了一种海上风电系统储能装置及其控制方法，利用储能单元模糊PID控制算法，实现储能和海上风电场虚拟控制，使电网更加稳定，但该发明主要从控制角度进行设计。CN106762420B公开了一种海上风电非补燃式压缩空气恒压储能装置，但该装置所有活塞式储气罐均安装在海底地基上，这对于水深较大的深远海区域并不适用。CN110657067A公开了一种海上风电压缩空气储能式储热器及工作方法，但该装置采用间冷式设计，系统较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有储能装置的海上浮式风电机组及电能消纳方法，储气罐内的压缩空气作为储能介质，同时可为风机提供浮力，减少风浪对风机作用力，保持风机稳定。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种带有储能装置的海上浮式风电机组，包括风机、塔筒、箱体结构以及若干储气罐；从上到下，风机、塔筒和箱体结构依次连接，储气罐等间隔设置在箱体结构的一周，箱体结构中设置有压缩机和微型透平机，压缩机和储气罐的入口连通；储气罐的出口连通微透平机的工质入口，储气罐中充有压缩空气；
箱体结构的一周设置有锚定支架，锚定支架通过悬链线连接锚定装置，锚定装置固定在海底；箱体结构中设置有配重；压缩机的电能输入端连接风电机组的电能输出端。
储气罐中设置电加热器、温度计和压力测量装置。
箱体结构与储气罐之间通过储气罐悬臂梁连接。
储气罐悬臂梁采用为杆结构或桁架结构，设置一根或多根斜撑杆连接箱体结构与储气罐悬臂梁。
储气罐均匀分布在箱体结构周围，压缩机和微型透平机通过气体管路与储气罐连通，气体管路设置在储气罐悬臂梁上。
储气罐采用球形或圆柱形，储气罐采用弹性材料制成。
储气罐的罐体采用弹性材料制成。
锚定支架、悬链线以及锚定装置的数量为3～6个，均匀布置在箱体结构周边的圆周上，锚定装置固定在海底，每根悬链线与1～3个锚定装置固定连接。
箱体结构、储气罐悬臂梁、储气罐和锚定支架外表面均设有耐腐蚀层。
一种海上浮式风电机组电能消纳方法，风机所发电能不能全部并网时，压缩机工作，向储气罐压缩空气，压缩空气存储在储气罐中；风机出力降低时，压缩空气从储气罐中输出至微型透平机，微型透平机工作将压缩空气的动能转化为电能。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述带有储能装置的海上浮式风电机组，装有压缩空气的储气罐产生可以产生浮力，支撑整个风机的重量，起到类似浮筒的作用；储气罐通过悬臂梁均匀布置在以风机为圆心的圆周上，浮力更加均匀，辅助锚定装置对风机进行锚固，风机整体结构稳定性更好；风机多余的发电量可以驱动箱体结构中的压缩机吸入并压缩空气，再送入储气罐中，提高储气罐内压缩空气压力，实现储能，风机发电量下降时，储气罐中的部分压缩空气进入箱体结构中的微型透平机，转化为电能，降低风机全时段的发电波动性，本发明所述机组能提高海上浮式风电机组的稳定性和发电性能，具有良好的经济效益和应用前景。
进一步地，悬臂梁采用桁架式结构或与斜撑杆组合使用，能够起到稳定支撑的同时，减轻风机基础的重量，降低制造成本。
进一步地，根据风机整体结构重量及载荷分析，选择压缩空气储气罐数量和容量，保证风机整体结构稳定。
进一步地，储气罐体积可以在一定范围内随压缩空气压力变化而变化，可以控制浮力大小，缓解悬链线张紧力，与锚固装置一同控制风机稳定。
进一步地，储气罐体积变化造成风机整体在一定范围内上浮或下沉，可以调整风机受风、浪作用力，提高发电适应性和结构稳定性。
进一步地，根据实际情况，选择悬链线的数量和与锚固装置的固定方式，达到最稳定的固定方式。
进一步地，箱体结构、悬臂梁、储气罐和锚固支架外表面均设有耐腐蚀层，能够防止海水腐蚀对装置带来的破坏，提高装置的寿命和安全性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图；
图2为本发明的实施例2的结构示意图；
图中：1-风机，2-塔筒，3-过渡段，4-箱体结构，5-储气罐悬臂梁，6-储气罐，7-锚定支架，8-悬链线，9-锚定装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
一种带有储能装置的海上浮式风电机组，包括风机1、塔筒2、箱体结构4以及若干储气罐6；从上到下，风机1、塔筒2和箱体结构4依次连接，储气罐6等间隔设置在箱体结构4的一周，箱体结构4中设置有压缩机和微型透平机，压缩机和储气罐6的入口连通；储气罐6的出口连通微透平机的工质入口，储气罐6中充有压缩空气；
箱体结构4的一周设置有锚定支架7，锚定支架7通过悬链线8连接锚定装置9，锚定装置9固定在海底；箱体结构4中设置有配重；压缩机的电能输入端连接风电机组的电能输出端。
实施例1
如图1，本发明的带有压缩空气储能的海上浮式风电机组，包括风机1、塔筒2、过渡段3、箱体结构4、储气罐悬臂梁5、储气罐6、锚定支架7、悬链线8以及锚定装置9；风机1、塔筒2、过渡段3、箱体结构4之间依次通过法兰盘固定连接。3根储气罐悬臂梁5与箱体结构4固定相连，均匀分布在箱体结构圆周。每根储气罐悬臂梁长约20米，有斜撑保持稳定。储气罐悬臂梁5末端与储气罐6相连，储气罐悬臂梁内有压缩空气管路和电气管路，每个储气罐为直径10米，长20米的圆筒形，容积1500立方米；储气罐外壁为高强度薄膜材料，具有弹性，可承受1～3个大气压的压力，储气罐体积可随压缩空气压力变化而膨胀收缩。箱体结构4上还伸出3根锚定支架7，锚定支架长10米，支架末端由悬链线8与锚定装置9相连。锚定装置9固定在海床上，起到固定风电机组的作用。
箱体结构4、储气罐悬臂梁5、锚定支架7均采用316不锈钢制成，表面加工防腐层，进行防腐处理。
实施例2
如图2，本发明的带有压缩空气储能的海上浮式风电机组，包括风机1、塔筒2、过渡段3、箱体结构4、储气罐悬臂梁5、储气罐6、锚定支架7、悬链线8以及锚定装置9。风机1、塔筒2、过渡段3、箱体结构4之间依次通过法兰盘固定连接。4根储气罐悬臂梁5与箱体结构4固定相连，均匀分布在箱体结构圆周。储气罐悬臂梁为三角桁架结构，每根长约20米。储气罐悬臂梁5末端与储气罐6相连，储气罐悬臂梁内有压缩空气管路和电气管路。每个储气罐为直径8米的球体，容积250立方米。储气罐外壁为高强度薄膜材料，具有弹性，可承受1～3个大气压的压力，储气罐体积可随压缩空气压力变化而膨胀收缩。箱体结构4上还伸出4根锚定支架7，锚定支架长10米，支架末端由悬链线8与锚定装置9相连。锚定装置9固定在海床上，起到固定风电机组的作用。箱体结构4、储气罐悬臂梁5以及锚定支架7均采用316不锈钢制成，表面经防腐处理。
效果验证：
采用本发明的带有储能装置的海上浮式风电机组后，浮式风机多余的发电量可以以压缩空气的形式储存，当风机出力降低时，压缩空气能量转化为电能，降低了风电机组发电的波动，提高海上风机对电网的友好性。装有压缩空气的储气罐均匀布置在风机周围，浮力均匀，有效提高风机整体的结构稳定性。储气罐容积可随压缩空气压力变化而改变，使风机整体可在一定范围内上浮或下沉，可以调整风机受风、浪作用力，进一步提高发电适应性和结构稳定性。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，包括风机(1)、塔筒(2)、箱体结构(4)以及若干储气罐(6)；从上到下，风机(1)、塔筒(2)和箱体结构(4)依次连接，储气罐(6)等间隔设置在箱体结构(4)的一周，箱体结构(4)中设置有压缩机和微型透平机，压缩机和储气罐(6)的入口连通；储气罐(6)的出口连通微透平机的工质入口，储气罐(6)中充有压缩空气；
箱体结构(4)的一周设置有锚定支架(7)，锚定支架(7)通过悬链线(8)连接锚定装置(9)，锚定装置(9)固定在海底；箱体结构(4)中设置有配重；压缩机的电能输入端连接风电机组的电能输出端。
2.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，储气罐(6)中设置电加热器、温度计和压力测量装置，储气罐(6)采用弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，箱体结构(4)与储气罐(6)之间通过储气罐悬臂梁(5)连接。
4.根据权利要求3所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，储气罐悬臂梁(5)采用为杆结构或桁架结构，设置一根或多根斜撑杆连接箱体结构(4)与储气罐悬臂梁(5)。
5.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，储气罐(6)均匀分布在箱体结构(4)周围，压缩机和微型透平机通过气体管路与储气罐(6)连通，气体管路设置在储气罐悬臂梁(5)上。
6.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，储气罐(6)采用球形或圆柱形。
7.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，储气罐(6)的罐体采用弹性材料制成。
8.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，锚定支架(7)、悬链线(8)以及锚定装置(9)的数量为3～6个，均匀布置在箱体结构周边的圆周上，锚定装置固定在海底，每根悬链线(8)与1～3个锚定装置(9)固定连接。
9.根据权利要求1所述的带有储能装置的海上浮式风电机组，其特征在于，箱体结构(4)、储气罐悬臂梁(5)、储气罐(6)和锚定支架(7)外表面均设有耐腐蚀层。
10.一种海上浮式风电机组电能消纳方法，其特征在于，风机所发电能不能全部并网时，压缩机工作，向储气罐(6)压缩空气，压缩空气存储在储气罐中；风机出力降低时，压缩空气从储气罐(6)中输出至微型透平机，微型透平机工作将压缩空气的动能转化为电能。
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