抽海水蓄能发电的海上风力机装置的制作方法

1.本实用新型属于发电及新能源技术领域，涉及一种抽海水蓄能发电的海上风力机装置。


背景技术：

2.风能是一种清洁的和可再生的能源，相比于陆上风电，海上风电的下垫面粗糙度小且周围遮挡物较少，使得海上的风能资源更为丰富。风力机是将风能转换为电能的动力装置，来流风经过风力机时推动叶轮旋转，然后叶轮通过齿轮箱带动发电机发电。由于来流风具有随机性和间歇性的特点，风力机的输出功率不稳定，并网情况下将影响电网运行的稳定性。此外当风力机发电量与用电量不匹配时，还会造成“弃风”或“限电”的情况出现，造成能源的浪费和电网调控成本的增加。
3.风力发电装置和储能装置相结合是解决上述问题的途径之一，风力机发电功率大但用电负荷小时，储能装置存储剩余的能量；风力机发电功率小但用电负荷大时，储能装置释放能量提供给用户侧，通过该途径可有效缓解风力机间歇性发电对电网的冲击。目前常见的储能方式有压缩空气储能、电池储能、抽水储能等。相比于其他储能方式，抽水储能具有能量存储大、结构简单等优点，同时由于在海上，海水资源的利用不受限制，使得抽水储能方式在海上风电中具有较好的应用前景。
4.中国专利cn 108843504 a（孙中国等）和中国专利cn 103410651 a（安利强等）分别提出一种结合抽水储能的海上风力发电装置，该装置的储能罐位于海床上，高压海水流入储能罐中并带动水轮机发电，然后再通过风力机所发电量带动水泵将储能罐中的海水排出。由于该发明需要将储能罐安装到海床上，并且适用于水深较大的环境中，使得储能装置的造价成本高昂，对地质条件和海洋环境的要求较高，难以大规模推广应用。中国专利cn 202645871 u（安利强等）提出一种具有抽水储能供能的海上风力发电系统，该发明将风力机塔筒分为上腔和下腔，分别在上腔出水口处和下腔进水口处设置水轮发电机，通过风力机所发电量带动水泵将下腔中的海水抽到上腔，然后海水从上腔流出，进而带动两台水轮发电机发电。该发明装置结构复杂，在塔筒进水口和出水口布置水轮机对塔筒的设计要求较高，塔筒存储水后对其结构性能也有一定影响。同时塔筒作为存储海水的装置后占用了原本塔筒内部空间，对后期风力机的运维也会产生不利影响。此外，该装置通过风力机发电量来带动水泵抽水供能，能量经历机械能、电能、机械能、重力势能、动能、电能多次转换，装置发电效率低。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种抽海水蓄能发电的海上风力机装置，结构简单，通过风力机叶轮直接带动水泵进行抽水蓄能和发电，其中蓄水箱位于机舱位置，发电系统位于风力机基础平台上，易于应用于实际工程中，能够有效减小风力机输出功率不稳定对电网的冲击。
6.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种抽海水蓄能发电的海上风力机装置，它包括风力机基础和发电系统、蓄水系统和风力机；所述发电系统位于风力机基础上高于海平面，蓄水系统的蓄水箱高于发电系统，蓄水箱将重力势能转换为动能，推动发电系统的水轮机旋转，水轮机转轴带动发电机组发电，水轮发电机组控制系统控制水轮机和发电机组运行；风力机的塔筒下端与风力机基础连接，机舱位于塔筒顶部，蓄水箱和水泵位于机舱内。
7.所述发电系统的下水管道和抽水管道位于塔筒内。
8.所述下水管道与蓄水箱和水轮机连接，位于下水管道上设置下水管道阀门，出水管道与水轮机连接。
9.所述抽水管道与水泵和海水入口容器连接，位于抽水管道上设置抽水管道阀门。
10.所述水泵与风力机的高速轴连接，蓄水箱与水泵连通，高速轴与变速箱连接，低速轴与变速箱和叶轮连接，叶轮与风力机控制系统连接。
11.所述海水入口容器上设置过滤网。
12.所述蓄水箱内设置水位计，水位计与蓄水箱水位控制系统连接。
13.所述蓄水箱的存储能量e=ρlwhsgh
t ，式中e为能量，ρ为海水密度，l为蓄水箱的长度，w为蓄水箱的宽度，hs为蓄水箱的高度，g为重力加速度，h
t
为风力机轮毂高度。
14.所述风力机捕获能量等于用电负荷时，能量全部通过发电机组进行发电，最后供给到用户端；风力机捕获能量大于用电负荷时，如果蓄水箱中的水位未超过临界高水位线，能量一部分通过发电机组进行发电，然后供给到用户端，剩余部分以海水重力势能方式存储在蓄水箱中，如果蓄水箱中的水位超过临界高水位线，能量一部分通过发电机组进行发电，然后供给到用户端，剩余部分损耗；风力机捕获能量小于用电负荷时，如果蓄水箱中的水位高于临界低水位线，风力机捕获的能量全部通过发电机组进行发电，还有一部分发电量通过蓄水箱中海水的重力势能转换得到，最后两部分发电量一起供给到用户端，如果蓄水箱中的水位低于临界低水位线，能量全部通过发电机组进行发电，然后供给到用户端，此外还有部分用电量需要通过电网调配供给到用户端。
15.本实用新型的有益效果主要体现于：
16.风力机叶轮直接带动水泵进行抽水蓄能，然后再通过水轮发电机组进行发电，将储能和发电装置结合为一个整体，功率调节反应快，实现实时调控。
17.发电系统位于风机基础平台上，减轻了机舱重量，为蓄水箱结构在机舱内的设置预留了空间。
18.蓄水箱位于机舱位置，结构简单，避免了单独设置海水蓄水箱的桩基基础，节约投资成本。
附图说明
19.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
20.图1为本实用新型的结构示意图。
21.图2为本实用新型机舱的结构示意图。
22.图3为本实用新型发电系统的结构示意图。
23.图4为本实用新型能量等于用电负荷转换过程示意图。
24.图5为本实用新型能量大于用电负荷转换过程示意图。
25.图6为本实用新型能量小于用电负荷转换过程示意图。
26.图中：海平面1；风力机基础2；发电系统3；下水管道4；塔筒5；下水管道阀门6；机舱7；叶轮8；抽水管道9；抽水管道阀门10；海水入口容器11；过滤网12；蓄水箱13；水位计14；蓄水箱水位控制系统15；风力机控制系统16；低速轴17；变速箱18；高速轴19；水泵20；出水管道21；水轮机22；水轮机转轴23；发电机组24；水轮发电机组控制系统25。
具体实施方式
27.如图1~图6中，一种抽海水蓄能发电的海上风力机装置，它包括风力机基础2和发电系统3、蓄水系统和风力机；所述发电系统3位于风力机基础2上高于海平面1，蓄水系统的蓄水箱13高于发电系统3，蓄水箱13将重力势能转换为动能，推动发电系统3的水轮机22旋转，水轮机转轴23带动发电机组24发电，水轮发电机组控制系统25控制水轮机22和发电机组24运行；风力机的塔筒5下端与风力机基础2连接，机舱7位于塔筒5顶部，蓄水箱13和水泵20位于机舱7内。该结构蓄水箱13位于机舱位置，结构简单，避免了单独设置海水蓄水箱的桩基基础，节约投资成本。
28.优选的方案中，所述发电系统3的下水管道4和抽水管道9位于塔筒5内。使用时，发电系统3位于风机基础平台上，减轻了机舱重量，为蓄水箱结构在机舱内的设置预留了空间。
29.优选的方案中，所述下水管道4与蓄水箱13和水轮机22连接，位于下水管道4上设置下水管道阀门6，出水管道21与水轮机22连接。使用时，风力机叶轮直接带动水泵进行抽水蓄能，然后再通过水轮发电机组进行发电，将储能和发电装置结合为一个整体，功率调节反应快，便于实时调控，下水管道4的流量通过下水管道阀门6进行调节。
30.优选的方案中，所述抽水管道9与水泵20和海水入口容器11连接，位于抽水管道9上设置抽水管道阀门10。使用时，抽水管道9的流量通过抽水管道阀门10调节。
31.优选的方案中，所述水泵20与风力机的高速轴19连接，蓄水箱13与水泵20连通，高速轴19与变速箱18连接，低速轴17与变速箱18和叶轮8连接，叶轮8与风力机控制系统16连接。使用时，风力机控制系统16通过转矩控制和偏航控制确保风力机叶轮8运行，叶轮8旋转后通过低速轴17、变速箱18和高速轴19后带动水泵20运行。
32.优选的方案中，所述海水入口容器11上设置过滤网12。使用时，过滤网12阻挡海水中的杂物进入海水入口容器11内，避免造成管道堵塞。
33.优选的方案中，所述蓄水箱13内设置水位计14，水位计14与蓄水箱水位控制系统15连接。使用时，水位计14用于监测蓄水箱13的水位。
34.优选的方案中，所述蓄水箱13的存储能量e=ρlwhsgh
t ，式中e为能量，ρ为海水密度，l为蓄水箱的长度，w为蓄水箱的宽度，hs为蓄水箱的高度，g为重力加速度，h
t
为风力机轮毂高度。
35.优选的方案中，所述风力机捕获能量等于用电负荷时，能量全部通过发电机组24进行发电，最后供给到用户端；风力机捕获能量大于用电负荷时，如果蓄水箱13中的水位未超过临界高水位线，能量一部分通过发电机组24进行发电，然后供给到用户端，剩余部分以海水重力势能方式存储在蓄水箱13中，如果蓄水箱13中的水位超过临界高水位线，能量一
部分通过发电机组24进行发电，然后供给到用户端，剩余部分损耗；风力机捕获能量小于用电负荷时，如果蓄水箱13中的水位高于临界低水位线，风力机捕获的能量全部通过发电机组24进行发电，还有一部分发电量通过蓄水箱13中海水的重力势能转换得到，最后两部分发电量一起供给到用户端，如果蓄水箱13中的水位低于临界低水位线，能量全部通过发电机组24进行发电，然后供给到用户端，此外还有部分用电量需要通过电网调配供给到用户端。
36.实施例：
37.以nrel 5mw的风力机，轮毂高度为90m，叶轮直径为126m，切入和切出风速分别为3m/s和25m/s为例。
38.蓄水箱13的尺寸为10
×5×
6m3（长
×
宽
×
高），蓄水箱13理论上可存储的能量可以通过下式计算：e=ρlwhsgh
t
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（1）；
39.式中：e为能量；ρ为海水密度，ρ=1050kg/m3；为蓄水箱的长度，l=10m；w为蓄水箱的宽度，w=5m；hs为蓄水箱的高度，hs=6m；g为重力加速度，g=9.8m/s2；h
t
为风力机轮毂高度，h
t
=90m。根据公式（1）可计算出蓄水箱理论上可存储能量e =77.18kw
·
h。即该海上风力机装置在发电的同时还能够配置77.18kw
·
h的储能容量，可以有效缓解传统风力机由于发电功率的间歇性而对电网产生的冲击。
40.上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。