利用海洋深度落差的重力储能系统-2014

1、 510152025说明书利用海洋深度落差的重力储能系统技术领域本发明涉及能量储存技术领域，是一种采用重力势能进行能量储存以及利用所存能量产生电能的高效储能/释能系统。背景技术可再生能源（风能、太阳能、潮流能等）通常具有规律性差，波动大等特点，难以与电力需求实时趋势保持一致，虽然我国可再生能源装机容量不断扩大，但是电力供应紧张和电网调峰困难的问题反而日益凸显。大规模电力储能技术是解决电力生产产能与电力需求波动的峰谷差之间矛盾的重要手段。此外，电力储能技术还可以有效平滑可再生能源的并网冲击，以及可以提高电力系统供电的可靠性。目前已有的电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能，

2、电解水储能、超导磁能和超级电容等。其中抽水储能技术最为典型，抽水储能方式储能容量大，响应速度较快，因而应用较广泛。但是建设抽水储能电站需要特殊的地理条件，建设两个水库和水坝，建设周期长，初期投资巨大，并且只能建设在有水源的地方，能量循环效率一般（约70）。为了利用深海的自然条件，美国麻省理工学院的Slocum教授和德国Subhydro公司先后申请了深海水罐储能方面的专利（WO2011112561和WO2013117329）。上述方案储能密度较高，但效率一般,对元部件强度要求高，技术复杂，而且深海设施的维护难度很大。现有技术例如CN201599160U提出了一项通过提升配重体实现储蓄重力势能的方

3、案。该方案需要有足够高度的超大型支撑柱结构，并采用滑轮和拉索实现重物升降。该方案能量密度较低，占地多。此外，该技术对立柱、拉索等部件的强度性能和结构设计要求高，安全系数低，存在运行风险。发明内容51015202530本发明提供一种利用海面与海底之间自然的海拔差，通过机械运动方式提升标准化重块实现电力储能的储能系统，可有效克服现有技术存在的系统过于复杂、安全系数不高、成本较高的问题。特别适宜在深度上千米且海底较平坦的区域实施。所述方案包括：大型浮体，用于漂浮在海面上并承载大量重物。通过锚链与单点系泊装置相连。单点系泊装置，用于为大型浮体提供单点系泊。包括位于海面的小型浮体、海底桩体、以及连接两者

4、的至少一条张力索。所述小型浮体所受浮力大于其重量，故张力索始终保持张紧。所述小型浮体顶部有垂直旋转关节，旋转关节的动圈上固定有与大型浮体相连的锚链。至少一个以上的标准化重块，所述标准化重块主要由高比重材料制成，作为存储重力势能的容器。至少一组可发电的电动提升装置，用于实现标准化重块的提升和下降。包括提升用电机、发电机，提升缆绳、绞盘，滑轮组以及吊钩。滑轮组安装在大型浮体的边缘或者外飘舷台上；缆绳的一端卷绕在绞盘上，经过滑轮组后铅锤向下，另一端固定有吊钩。所述提升用电动机通过传动方式驱动绞盘将标准化重块从海底提升到海面，从而将电能转化为标准化重块所增加的重力势能。所述发电机通过传动方式制动缆绳绞

5、盘，使得标准化重块从海面平缓地下降到海底，从而将重块的重力势能转化为电力输出。码垛用起重机，用于实现标准化重块在大型浮体上的整齐放置，以及将标准化重块吊运到缆绳末端的吊钩上。至少一个无缆的海底作业机器人，所述机器人是安装有摄像头和自动机械卡爪的移动机器人。用于在海底运动，发现并捕获缆绳末端的吊钩，然后将吊钩挂接到标准化重块上的吊耳。海底无线充电装置，通过非接触供电方式为海底作业机器人中的蓄电池充电。海底无线通信装置，通过水下通信方式实现海底作业机器人与海面终端之间的数据通信。所述系统的工作流程为：在电力需求的波谷时段（例如夜间9点至白天510152025307点），利用电网或者风力发电机组暂时

6、过剩的电力驱动可发电的电动提升装置将标准化重块从海底提升到大型浮体并进行码垛，实现重力势能的存储。在电力需求的波峰时段（例如白天7点至夜间9点）则通过下放标准化重块到海底，控制电机再生发电。与现有技术相比，本发明具有如下优点：一、采用机械装置实现升降、挂接/脱离和码垛操作，技术成熟、设备成本低，安全可靠，生命长。通过缆绳分时复用可以大幅度减少高强度缆绳成本。系统中的海面大型浮体可以等效现有技术CN201599160U中的高强度立柱，即使缆绳意外断裂致使标准化重块坠落海底，也不会像现有技术CN201599160U那样引发地震等破坏。电机和绞盘等安装在海面而非深海中，维护方便。系统海面部分的工作寿

7、命可以达到数十年。海底作业机器人只需要抓取约30公斤的吊钩，故体积小而成本不高。机器人大部分时间在海底，没有遭受海浪海流破坏的危险，而在海面安全时可以吊上甲板进行维护。二、能量循环效率高，可实现电力均匀输出。整个过程主要包括电动机提升重物、重物下降推动发动机发电两个动作。电机技术成熟，单向效率可以达到95，系统总体效率可以接近90，远高于抽水电站的70。通过两套或多套缆绳的间歇下放重物，可实现电力的均匀化输出。三、可以实现超大容量储能，能量密度高。虽然单个配重体重量一般不大（例如50吨左右），但是可以通过增加配重体数量提高储能总量。假设海深落差2000米，一艘载重万吨的船体可以储能40MWh，

8、可存储4台2MW风机约6小时的发电量。四、建设周期短，工程施工量小，经济效益好。系统的主体（单点系泊装置和大型浮体等）可以在陆地完成建造，然后由轮船拖到指定海域，并通过安装锚桩完成系泊。海面系泊的大型浮体可以采用通用驳船船体，由于相应的载重过万吨的船体技术十分成熟，成本可控。标准化重块壳体可以采用钢结构或者钢筋混凝土；而内部填充物材料可选混凝土或者低品位铁矿石等，成本低廉。储能55MWh的系统总造价不超过2000万,约2-5年收回投资。五、系统不占用宝贵的陆地资源，适用的地理范围广，例如中国南海海盆和中国东海冲绳海槽等位置。为附近的海上风力发电机、波浪能发电机等再生能源提供最佳的储能方式。51

9、015202530六、运营过程无污染，能量存储安全且长期保存无损失，没有电池蓄电的环境污染和寿命次数问题。所储能量为静态物质，没有突然破损和释放的危险。特殊情况下可以将重块直接投入海中。七、可以建设成多功能平台。例如作为风电发电机承载平台、远洋电力补给平台、海洋物资中转平台。可回收的标准化重块可以用于绑定其它轻比重设备，实现设备在海面和海底之间的往返搬运，可以为建设附近的海底水罐发电站或海底空间站提供便利。附图说明图1为本发明实施例中重力储能系统的整体布局示意图；图2为一种海底作业机器人实例及其作业方法的示意图；图3为另一种海底作业机器人实例及其作业方法的示意图。具体实施方式以下结合附图实施例

10、对本发明的结构和工作原理进行详细描述。如图1所示，一种利用海洋深度落差的重力储能系统，其基本布局为：在较平坦的海底地面1上，安装有单点系泊装置2。海面上有大型浮体3，通过锚链系泊在单点系泊装置2的顶端。单点系泊装置2使得大型浮体具有风向标的效应，即在各种风浪作用下大型浮体3的受力为最小，即使遭遇极恶劣气候也能保证安全。海底设有无缆遥控的海底作业机器人4。系统首次运行时，大型浮体3的甲板上堆垛有大量标准化重块5。这些重块被逐个下放至海底并实现发电。由于大型浮体3在风浪影响下会围绕单点系泊转动，标准化重块会散落在距离单点系泊轴线一定距离的圆圈内。如果大型浮体通过螺旋桨动力维持其海面位置，则落点会更

11、集中。当进行储电时，海底的重块被逐个提升，并整齐堆垛在大型浮体3上。单点系泊装置2包括在安装在海底地面1上的三个重力式桩柱21。实际工程中上述桩柱也可以采用吸力式桩柱或者压力式桩柱，桩柱数量可以是一个或者多个，采用三个和四个较常见。每个桩柱连接两根张紧索22，张紧索的另一端连接到海面漂浮的小型浮体23上。小型浮体23顶部安装有可整周旋转的铰链式旋转关节24。该旋转关节的内圈固定，设有直径约50mm的通孔，可以穿过一定数量的电缆和通信线缆。外圈可自由旋转，其上设有延长臂和夹紧栓，用于固定与大型浮体相连的锚链31。51015202530大型浮体3选用常规大型驳船，载重量约一万吨。小型浮体23包括下

12、部的三分支腿和上部的圆柱体，圆柱体直径约5.5米，高度约15米。小型浮体满排水量400吨，自重约50吨，完成安装之后小型浮体受到等效浮力约为350吨，使得张力索始终保持张紧。张紧索可以选用6根直径60mm的迪尼马合成纤维索或者等效强度的钢索。所述锚链31通常选取约20米长的含耐磨段的有挡钢链。标准化重块5采用钢筋模具浇注特重型混凝土制成，其中特重型混凝土优先选用赤铁矿混凝土或者重晶石混凝土。实际工程中也可以在钢罐中填充铁矿石或重晶石后再压灌水泥浆制成，其中水泥优先采用钡水泥。要求标准化重块的整体比重至少大于2，最好达到甚至超过4，有利于缩小重块体积，提高有效比重和减小海水阻力。本实施例中的大型

13、浮体为一万吨驳船，可负载约200个重量为50吨的标准化重块，假设重块比重为4，扣除海水浮力，共等效为7500吨重物的重力势能。这些标准化重块的外形为圆柱形，长度与直径尺寸较接近，其底面平坦便于在海底平稳着陆。实际应用中，外形可以进行优化，以减小提升和下降时海水的阻力，例如：对圆柱形的棱边进行圆角过渡；将圆柱形改成胶囊形、球形、水滴形等流线外形。假设流水线外形采用长圆柱火箭筒形，则在火箭头部平缓着陆后加速放松缆绳使其自然倾倒，由垂直状态专成横卧状态。标准化重块的顶部安装有吊环，在外侧圆周面上均布地安装若干个吊环。更详细的结构将在图4中说明。大型浮体3的甲板两侧对称安装有两组可发电的电动提升装置6

14、。每组均包含一台电动发电一体机61，可以实现电力拖动和再生发电。可发电的电动提升装置6还包括滑轮组62、缆绳绞盘63和提升缆绳64。滑轮组62安装在大型浮体的边缘或者外飘舷台上。滑轮组62下方有较大空间，可以容纳一个标准化重块4停靠。滑轮组62下方的浮体外壁上安装大量防撞轮胎以减小重块对浮体的突发性碰撞力；缆绳绞盘63安装在滑轮组后方的甲板上。提升缆绳64的一端卷绕在绞盘63上，经过滑轮组62后铅锤向下，另一端固定有吊钩65。所述吊钩65的具体结构将在图5中说明。电动发电一体机61通过浮体上安装的变电装置31进行变压之后与海底电网及附近的风力发电机组相连。51015202530需要储电时，电动

15、发电一体机61通过传动方式驱动绞盘63将海底堆放的标准化重块5提升到海面，从而将电能转化为标准化重块所增加的重力势能。需要发电时，电动发电一体机61通过传动方式制动缆绳绞盘，将大型浮体上的标准化重块5从海面平缓地下降到海底，从而将重块的重力势能转化为电力输出。标准化重块5在海面和海底之间循环使用。大型浮体上安装有一台码垛用起重机7。本实施例中选用电动机或电动液压装置拖动的回转式起货机（也称为克令吊），具有至少提升、变幅和回转三个自由度。该码垛用起重机也可以选用全液压折臂式起重机和吊杆式起货机等代替。起重机的起重夹具71具有两个对称下垂的吊钩，用于勾住标准化重块圆周侧面上对称位置的两个吊环，实现

16、重块的搬运和码垛。单点系泊装置2的海底桩体上绑定一个无线充电装置25。在海底作业机器人4上装有无线充电接收装置41和可反复充放电的蓄电池43。由于海底作业机器人每次储电时需要在8小时之内作业近200次，其中待机时间5小时，运动作业时间3小时，大约耗电9Kwh。所述蓄电池优选选用可低温工作且电容量高的锂电池或镁基电池，按照120Wh/Kg计算，电池重量只需约100Kg，机器人造价和重量均可接受。无线供电技术可分为电磁感应、磁耦共振、激光光感应、微电波转换等。本实施例中优先选用技术最成熟的电磁感应式充电装置，例如德国Wampfler公司的IPT系列。选择无线充电方式代替常用的水下接驳盒及湿插拔接口

17、方式的主要原因是为了避免接口长期磨损对系统稳定性的影响。现有的电动车电磁感应式充电装置采用简单的密封方式即可以获得理想的耐压防水效果适用于深海高压环境。无线充电装置25与无线充电接收装置的最大间隙距离可以达到大约200mm，便于机器人快速定位无线充电装置。单点系泊装置2的海底桩体上绑定一个无线通信装置26，海底作业机器人上安装另一个无线通信终端42。上述通信装置和终端优先选用水声调制解调器并配有全向变送器。例如我国七二六所生产的DCS系列或美国TeledyneBenthos公司的ATM-900系列，并可自制耐压外壳，可用于2000米深海，功率为378W/小时。通信波特率可达15360bps，通

18、信距离可达6公里。本实施例中优先将无线通信装置安装在水底，通信距离仅数十米，故有利于保持最高波特率和最佳通信质量。51015202530上述无线充电装置25和无线通信装置26通过与张紧索22平行且相互绑定的多芯电缆27连接到小型浮体23，并经旋转关节24之后分别连接到大型浮体上的变电装置31和控制系统32。控制系统32通过无线通信获得海底作业机器人4传回的图像和数据，并根据需要对其进行遥控。如图2和图3所示为海底作业机器人的两个实例。海底作业机器人4上均安装有照明和摄像头系统44。标准化重块5的顶部安装有吊环51，其圆柱侧面上均布安装有若干个吊环52，用于挂接吊钩65。标准化重块5侧面装有若干

19、反光板53或涂有反光漆，通常安装在吊环附近，便于海底作业机器人通过灯光照射后发现吊环。吊钩65的柄座66是圆柱形，内部装有蓄电池，表面装有高亮蓝光LED灯泡。这样当吊钩到达海底时，海底作业机器人通过视觉系统可快速发现体积较小的吊钩。本发明中的海底作业机器人4主要有两个实现方式。第一个实例是图2所示的履带行走机器人4a。其底盘401两侧安装速度独立控制的履带402，具有进退和转弯能力，但没有升降和侧移能力。为此前方需要安装一个多关节机械臂43，包括至少三个关节，如腰关节W、肩关节S和肘关节E，而卡爪G安装在手臂末端。如需要进一步提高机械臂灵活度还可以增加腕关节。底盘401前方装有吊环45，机器人

20、4a可通过机械臂43操作吊钩65将其勾住吊环45，从而可以从海底提升到海面甲板进行维护。同样的，当机器人4a从甲板下放到海底后也可以将吊钩65与吊环45脱开。由于吊钩45通常采用高强度轻质合金制造，重量仅30kg左右，多关节机械臂可以移动吊钩65并将其与标准化重块侧面的吊环52挂接，进而开始提升重块。由于关节数量较多，该机器人上通常安装有电动液压源，由电动液压源输出液压动力驱动履带的驱动轴和伺服多关节机械臂的液压马达。第二个实例是图3所示的采用具有多个水下推进器的无人水下航行器4b（简称为UUV），其底盘411和结构支架412和上安装多个螺旋桨推进器46，可以实现悬停、进退、升降、侧移和转弯等

21、运动。结构支架412上方固定有比重较轻的块状浮力材料413。整机总体比重略大于海水，且整机重心距离浮力中心较远，故易于保持水平姿态。由于水下航行器运动范围大，而且作业任务仅仅是抓住垂直状态的吊钩柄，故可以省去机械臂43,而将卡爪G直接安装在底盘411或者结构支架412的正前方。当卡爪G夹紧吊钩65的柄座66之后，可以将其挂接到吊环51或者52上。本发明中的UUV为无系缆的特殊水下航行器，既不同于带通信系缆的远程遥控航行器（简称ROV）,也不完全是无通信系缆的水下自治航行器（简称AUV）。这是由于该航行器可以通过无线海底通信装置26与大型浮体上的控制系统32保持通信，故既可自治也可以遥控。相比履带机器人方案，UUV方案对海底地形和沉积物土壤特性等不敏感，活动范围更大，还可以停靠在无线充电装置25上方进行充电。缺点是常规设计的负载能力相对较低，可以通过安装两个垂直推进器解决。510152