一种适用于海上风电的漂浮式长时储能系统

本发明属于电化学储能与海洋能利用的交叉领域，具体涉及一种适用于海上风电的漂浮式长时储能系统。

背景技术：

1、随着海上风电的大规模开发，其功率波动性对配套储能系统提出了高效、安全、长寿命及长时储能的迫切需求。然而，海上恶劣的环境导致运输、安装及运维成本极高，且面临严重的腐蚀与海洋生物附着挑战。

2、然而，现有的储能技术方案在应用于海上场景时存在显著局限：

3、1、传统液流电池：虽具备安全和长寿命优势，但依赖电动循环泵，存在能耗高、占地大、故障点多等问题，难以适应海上无人值守环境；且陆地应用的被动保温及温控功耗高，降低了系统效率。

4、2、刚性储液罐：储罐内电解液混合不均匀，导致高/低soc流体间发生不可逆浓差扩散，引发附加浓差极化，造成电压效率损失0.7%~1.5%。同时在海洋环境中易受腐蚀和风浪冲击损坏，造价高昂，运输安装困难，且重量增加了平台负担。

5、3、沉箱式储能：虽调节性能优异，但工程安装难度大、运维成本高。

6、此外，现有浮式液流电池专利（如cn113937123a等）多采用“可再生能源→电能→化学能”的间接转换路径，不仅存在电-化转换损失，且未能有效利用波浪本身的机械动能，仍需依赖外部电力驱动系统运行。

7、因此，亟需研发一种能够克服上述缺陷，适应海上特殊环境的新型储能系统，从而解决现有海上储能技术在环境适应性、能源转换效率、运维可靠性及经济性方面存在的以下具体技术问题：

8、1、海上液流电池循环动力依赖外部供电及维护难的问题；

9、2、海上储能容器耐腐蚀、抗风浪及运输安装成本高的问题；

10、3、海上储能系统热管理能耗高及效率低的问题；

11、4、海洋生物寄生附着及长期运维难题；

12、5、海上风电配套储能的空间占用与浮力平衡问题。

13、6、储罐内电解液混合不均匀问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于海上风电的漂浮式长时储能系统，通过波浪能机械转换装置将波浪起伏的动能直接转化为驱动电解液循环的机械能，省去中间发电与电充环节，提高系统效率，并通过液体缓冲和动态控制实现浪涌输入与液流电池输出的稳定匹配，通过柔性材料为电解液罐体，利用电解液的密度略大于海水密度半潜浮在一定深度的海下，一方面解决占地面积、电解液混合不均匀、温度梯度问题，另一方面柔性材料天然具备抗海洋寄生特性，特别适用于远海、海岛等无电网环境。

2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种适用于海上风电的漂浮式长时储能系统，包括浮式平台、圆台球缺底柔性囊结构、电堆单元、波浪致动单元、防范海洋生物寄生单元和控制单元；所述浮式平台为圆形可漂浮结构，漂浮在海面；所述电堆单元、控制单元、刚性电解液缓冲罐和刚性压缩气体缓冲罐安放于所述浮式平台上面；所述圆台球缺底柔性囊结构悬吊于所述浮式平台结构下面5~20米的水深中；所述波浪致动单元安装在所述浮式平台侧面边缘；所述防范海洋生物寄生单元设置于所述圆台球缺底柔性囊结构上。

4、进一步地，所述浮式平台包括圆形平台和若干个漂浮桶；所述若干个漂浮桶等分安装在所述圆形平台侧面边缘；所述电堆单元安装在所述浮式平台中心；2个所述刚性电解液缓冲罐和所述刚性压缩气体缓冲罐均匀分布在所述浮式平台的同心圆环上；若干个所述波浪致动单元等分穿插安装在所述若干个漂浮桶中间的圆形平台侧面边缘。

5、进一步地，所述圆台球缺底柔性囊结构由相互隔离的正极电解液囊与负极电解液囊构成，整体呈上宽下窄的圆台状，其底部为球缺形底部；所述圆台球缺底柔性囊结构采用耐电解液腐蚀、抗海洋生物附着的多层复合材料制造，内部维持预设工作压力。

6、进一步地，所述波浪致动单元包括碟形浮子和连杆、波浪能往复式液压泵、波浪能往复式空压机、正或负刚性电解液缓冲罐、刚性压缩气体缓冲罐和连接管道；所述碟形浮子和连杆为所述波浪能往复式液压泵的连杆或所述波浪能往复式空压机的连杆，通过碟形浮子带动活塞上下移动以改变密闭容积。

7、进一步地，所述波浪能往复式液压泵通过吸压液管道分别与吸液溢流管道和刚性罐输入管道连接；所述吸液溢流管道的另一端分别与吸液管道和过压溢流管道的一端连通；所述吸液管道另一端与对应的正极电解液囊或负极电解液囊相通，且置低于正极电解液囊或负极电解液囊的液位；所述过压溢流管道的另一端与电堆回流管道连通，且在所述过压溢流管道内安装有压力控制阀门。

8、进一步地，在所述吸液管道中依次设置有逆止阀和电驱应急辅助循环泵；所述波浪能往复式液压泵的压液输出通过所述吸压液管道和所述刚性罐输入管道将液体压入对应的正或负刚性电解液缓冲罐中；所述刚性罐输入管道内安装有逆止阀；所述正或负的刚性电解液缓冲罐经由带液流线性控制阀的管道与所述电堆单元的正极或负极电解液循环回路连通。

9、进一步地，所述波浪能往复式空压机设有带逆止阀的吸气管道和带逆止阀的压缩气体管道；所述带逆止阀的吸气管道与大气相通；所述波浪能往复式空压机经所述带逆止阀的压缩气体管道与所述刚性压缩气体缓冲罐连接；所述刚性压缩气体缓冲罐经由带气流受控阀的管道与所述防范海洋生物寄生单元中的气泡防范海洋生物寄生模块连接。

10、进一步地，所述防范海洋生物寄生单元包括气泡防范海洋生物寄生模块、可更换式防污膜和电子围栏装置；所述气泡防范海洋生物寄生模块置于所述圆台球缺底柔性囊结构的球缺形底部，配置有气动式水平旋转排气臂结构；所述可更换式防污膜贴敷于所述多层复合材料表面。

11、进一步地，所述气动式水平旋转排气臂结构包括管状排气臂和圆柱形可旋转接口；所述圆柱形可旋转接口包括上固定段与下旋转段，两者同芯并通过密封轴承连接；所述上固定段顶部中心与所述带气流受控阀的管道固定连接；所述下旋转段可绕所述上固定段旋转；所述管状排气臂水平安装于所述下旋转段侧方，一端密封，另一端与所述下旋转段内部气路连通，且在管体水平一侧分布有若干排气孔。

12、进一步地，所述控制单元包括传感器、各类阀门、液流线性调节阀门以及电驱应急辅助循环泵；所述控制单元分别与所述波浪致动单元、正或负的刚性电解液缓冲罐、电堆单元及上述各执行元件电连接；所述液流线性调节阀门设置于所述电堆单元的正极或负极电解液循环回路中；所述传感器用于采集浪涌动能输出功率、电解液流量、电解液温度、液流电池荷电状态及健康状态相关运行参数。

13、有益效果：

14、1、本发明的运行与海上风电形成天然正相关性，可显著平滑电力输出曲线。关键储能单元采用液流电池技术，设计寿命超过30年，远超传统化学电池。

15、2、本发明仅利用自然能源驱动，不消耗外部电能即可完成能量转换与调节，实现能源利用的净增长。

16、3、本发明直接利用海水的天然恒温特性作为散热介质，有效保障电池在最佳温度区间工作，大幅提升充放电效率。低毒渗漏电解液不会造成海洋污染。

17、4、本发明采用密度略大于海水的电解液，以及柔性液囊作为储能载体，其重力略大于等于海水浮力，不增加风机基础负荷。同时，波浪能捕捉器可模块化安装，适应性强。

18、5、本发明的全生命周期综合成本显著降低，功率与容量解耦支持功率与容量的灵活配置。系统结构简单，具备免维护或极简维护的特点，可靠性高。

19、6、本发明采用三层立体防寄生体系：气泡隔离——动态气幕，阻断生物接触路径；柔性基材——低表面能材料，天然拒附、不易扎根；可换薄膜——外贴式防护层，遇寄生可快速撕换，彻底杜绝海洋生物寄生。

20、7、本发明采用正负极电解液囊通过顺应海流产生可控形变，避免传统大型储罐内的流场分布电解液混合不均，形成的浓度与温度梯度，引发附加浓差极化，可避免系统电压效率隐性损失；

21、8、本发明采用正负极电解液囊因为柔性具有防碰创特性，因为液囊内外等压，刺破后液体与海水交换缓慢。