一种具有储能功能的海上风电固定式基础

1.本发明涉及海上风电基础技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有储能功能的海上风电固定式基础。


背景技术：

2.风力发电具有随机性、间歇性和低能量密度的缺陷，为了实现削峰填谷，并网调频等功能，陆上风力发电通常配备储能系统。海上风电场存在同样的问题，但与陆上风电配储规模相比，目前海上风电配储较为少见，多以电池储能为主，并且电池储能系统主要建设在海上风电场的陆上集控中心，需要通过电缆汇输才能实现电能的输送，无论是从成本还是环境保护的角度来考虑，给海上风电配置陆上电池储能都不是一种较优的选择。目前鼓励开展海上风电配置新型储能研究，降低海上风电汇集输电通道的容量要求，提升海上风电消纳利用水平和容量支撑能力。由此可见，海洋风电配储是实现就地消纳、保障电力系统安全稳定运行的发展趋势和必然要求。


技术实现要素：

3.根据上述提出现有海上风电配储采用电池储能存在成本高、不环保，无法满足海上风电就地消纳需求的技术问题，而提供一种具有储能功能的海上风电固定式基础。本发明主要使用所述具有储能功能的海上风电固定式基础既作为海上风机的支撑结构，又作为储能装置存储海上风机捕获的能量。
4.本发明采用的技术手段如下：
5.一种具有储能功能的海上风电固定式基础，包括新型吸力筒基础和储气罐；
6.所述新型吸力筒基础包括内筒、外筒和抱罐墙；
7.所述内筒为上下开口的筒状结构，所述内筒内部沿轴向设置有分舱板，用于将所述内筒内部分为三个舱室；
8.所述外筒为双层筒状结构，内壁与外壁之间设置有空腔，所述空腔底部开口；所述外筒套设于所述内筒上部外侧，所述外筒顶部设置有封装平面；所述封装平面设置有与所述空腔相连通的外筒测压口和外筒抽水口，且在对应至所述内筒内部三个所述舱室的位置分别开设有与相应的所述舱室相连通的一个内筒测压口和一个内筒抽水口；
9.所述储气罐内部中空，用于安装风机并存储压缩气体；所述风机设置有压缩机和发电机；所述储气罐顶部中心设置有能够与所述压缩机或所述发电机相连接的中心输气管道，用于输送所述风机所产生的电能驱动所述压缩机产生的压缩气体至所述储气罐内部存储，或者将所述储气罐内部存储的压缩气体提供给所述发电机进行发电；
10.所述抱罐墙安装于所述封装平面上方，中心设置有储气罐安装空间，所述储气罐底部固定安装于所述储气罐安装空间内；所述储气罐底部等间距设置有四个储气罐通水口；所述抱罐墙设置有能够与所述储气罐通水口一一对应并连通的抱罐墙通水口。
11.进一步地，所述储气罐顶部外围设置有四个能够与所述风机所在风电场内其它风
机上设置的压缩机或所述风机设置的所述发电机相连接的外围输气管道，用于输送所述风机所在风电场内其它风机所产生的电能驱动相应的压缩机产生的压缩气体至所述储气罐内部存储，或者将所述储气罐内部存储的压缩气体提供给所述发电机进行发电。
12.进一步地，所述内筒、所述外筒、所述抱罐墙和所述储气罐同轴设置。
13.进一步地，所述储气罐通过所述储气罐外壁与所述抱罐墙内壁之间填充的混凝土固定安装于所述储气罐安装空间内。
14.进一步地，所述分舱板为人字形结构。
15.进一步地，所述内筒的长度大于筒径，用于为所述风机提供竖直方向和水平方向的承载力。
16.进一步地，所述外筒的筒径大于长度，且所述外筒的筒径大于所述内筒的筒径，所述外筒的长度小于所述内筒的长度。
17.进一步地，所述内筒测压口用于在所述新型吸力筒基础安装时，通过向相应的所述舱室内部伸入压力表实时监测相应的所述腔室内部压力；所述内筒抽水口用于在所述新型吸力筒基础安装时，通过外接抽水设备抽吸相应的所述舱室内的海水，使得相应的所述舱室内形成负压，进而控制所述新型吸力筒基础下沉安装至指定深度。
18.进一步地，所述封装平面上设置有两个所述外筒测压口和两个外筒抽水口。
19.进一步地，所述外筒测压口用于在所述新型吸力筒基础安装过程中，通过向所述空腔内部伸入压力表实时监测所述空腔内部压力；所述外筒抽水口用于在所述新型吸力筒基础安装时，通过外接抽水设备抽吸所述空腔内的海水，使得所述空腔内形成负压，进而控制所述新型吸力筒基础下沉安装至指定深度。
20.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.1、本发明提供的具有储能功能的海上风电固定式基础，在满足传统海上风电固定式基础为上部风机提供抗外部载荷能力的同时，还能够实现海上风能发电的就地消纳，不需要将海上风机发电送往陆上储能系统，直接将海上风机发电现场制气，存入基础的储气容腔中，把电能转化为压缩气体的压力能存储起来，需要时再释放出来。
22.2、本发明提供的具有储能功能的海上风电固定式基础，对传统吸力筒基础进行了升级改进，提出了新型吸力筒基础，能够提供更稳固的承载力，并且具有海水冲刷防护的功能。
23.3、本发明提供的具有储能功能的海上风电固定式基础，不仅能够存储本地风机捕获的能量，还能够适量存储其它风机捕获的能量。
24.4、本发明提供的具有储能功能的海上风电固定式基础，能够实现压缩气体的近等温等压存储，有利于提高系统储能/释能效率。
25.基于上述理由本发明可在海上风电基础和水下储能等领域广泛应用。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础结构示意图。
28.图2为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础纵向剖面图。
29.图3为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础透视关系图。
30.图4为本发明所述新型吸力筒基础结构示意图。
31.图5为本发明所述储气罐结构示意图。
32.图6为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础俯视图。
33.图7为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础顶部放大图。
34.图8为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础的一种实施例示意图。
35.图中：1、储气罐；2、新型吸力筒基础；3、内筒；4、外筒；5、抱罐墙；6、分舱板；7、内筒测压口；8、内筒抽水口；9、外筒测压口；10、外筒抽水口；11、中心输气管道；12、外围输气管道；13、储气罐通水口；14、抱罐墙通水口；15、电动机；16、发电机；17、风机。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
41.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在......上
方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
42.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
43.实施例1
44.如图1-8所示，本发明提供了一种具有储能功能的海上风电固定式基础，包括新型吸力筒基础2和储气罐1；
45.所述新型吸力筒基础2包括内筒3、外筒4和抱罐墙5；
46.所述内筒3为上下开口的筒状结构，所述内筒3内部沿轴向设置有分舱板6，用于将所述内筒3内部分为三个舱室，所述分舱板6用于作为加强筋提高所述所述内筒3的结构强度，以抵抗所述新型吸力筒基础2在安装过程中所受轴向压缩力和顶部的吸力，提高所述新型吸力筒基础2的屈曲稳定性；
47.所述外筒4为双层筒状结构，内壁与外壁之间设置有空腔，所述空腔底部开口；所述外筒4套设于所述内筒3上部外侧，所述外筒4顶部设置有封装平面；所述封装平面设置有与所述空腔相连通的外筒测压口9和外筒抽水口10，且在对应至所述内筒3内部三个所述舱室的位置分别开设有与相应的所述舱室相连通的一个内筒测压口7和一个内筒抽水口8；
48.所述储气罐1呈圆柱形，内部中空，用于安装风机17并存储压缩气体；所述风机17设置有压缩机15和发电机16；所述储气罐1顶部中心设置有能够与所述压缩机15或所述发电机16相连接的中心输气管道11，用于输送所述风机17所产生的电能驱动所述压缩机15产生的压缩气体至所述储气罐1内部存储，或者将所述储气罐1内部存储的压缩气体提供给所述发电机16进行发电；
49.所述抱罐墙5安装于所述封装平面上方，中心设置有储气罐安装空间，所述储气罐1底部固定安装于所述储气罐安装空间内；
50.所述储气罐1底部等间距设置有四个储气罐通水口13；所述抱罐墙5设置有能够与所述储气罐通水口13一一对应并连通的抱罐墙通水口14；所述储气罐通水口13与所述抱罐墙通水口14直径相同。
51.进一步地，所述风机17所在风电场内，其它风机也安装有本技术所述的具有储能功能的海上风电固定式基础。
52.进一步地，所述储气罐1顶部外围设置有四个能够与所述风机17所在风电场内其它风机上设置的压缩机或所述风机17设置的所述发电机16相连接的外围输气管道12，用于输送所述风机17所在风电场内其它风机所产生的电能驱动相应的压缩机产生的压缩气体至所述储气罐1内部存储，或者将所述储气罐1内部存储的压缩气体提供给所述发电机16进行发电；通过设置所述外围输气管道12，本发明提供的具有储能功能的海上风电固定式基
础，不仅能够存储本地风机捕获的能量，还能够适量存储其它风机捕获的能量，即在所述风机17所在风电场内其它风机对应的储气罐内存储的压缩气体至最大限度后，可以通过连接其它风机上设置的压缩机与所述风机17对应的所述储气罐1上的所述外围输气管道12，即可将其他风机上设置的压缩机产生的多余的压缩气体存储至所述风机17对应的所述储气罐1内。
53.进一步地，通过设置所述储气罐通水口13和所述抱罐墙通水口14，在所述新型吸力筒基础2与储气罐1固定连接后，外界海水依旧能够依次通过所述抱罐墙通水口14和所述储气罐通水口13进入所述储气罐1内部；在所述中心输气管道11和所述外围输气管道12储气和排气过程中，所述储气罐通水口13和所述抱罐墙通水口14能够保证所述储气罐1内部气体压力始终等于当前所述储气罐通水口13所在海水深度产生的静水压(以所述通水口13中心所在深度计算)，当前深度产生的静水压不会改变，因此在所述储气罐1内部能够实现等压压缩与膨胀的热力过程，相比于传统闭式储气罐的等容压缩与膨胀，等压过程有利于系统元件工作在其最佳效率区间，提高储能系统效率；同时，由于在所述储气罐1内存储的压缩气体可以与海水直接接触，所述储气罐1内的热力过程接近于等温过程，也有利于提高系统效率。
54.进一步地，所述抱罐墙5内壁与所述储气罐1外壁间存在一定间隙，当所述新型吸力筒基础2在海床安装到位后，将所述储气罐1放置于所述储气罐安装空间内，然后使用混凝土灌浆填满所述抱罐墙5内壁与所述储气罐1外壁之间的间隙，凝固后使得所述新型吸力筒基础2与所述储气罐1紧密连接；应当注意的是，在安装所述储气罐1时，当混凝土灌浆填满所述抱罐墙5内壁与所述储气罐1外壁之间的间隙后，应通过二次作业，打通所述抱罐墙通水口14与储气罐通水口13之间的混凝土。
55.进一步地，所述储气罐1可用钢筋混凝土制作而成，不仅可作为存储压缩气体使用，由于其本身自重较大，亦存在为本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础所提供锚固力的风力发电机提供重力压载的作用，大大提高风机抗外部载荷干扰的能力。
56.进一步，所述内筒3、所述外筒4、所述抱罐墙5和所述储气罐1同轴设置。
57.进一步地，所述储气罐1通过所述储气罐1外壁与所述抱罐墙5内壁之间填充的混凝土固定安装于所述储气罐安装空间内。
58.进一步地，所述分舱板6为人字形结构。
59.进一步地，所述内筒3的长度大于筒径，用于为所述风机17提供竖直方向和水平方向的承载力。
60.进一步地，所述外筒4的筒径大于长度，且所述外筒4的筒径大于所述内筒3的筒径，所述外筒4的长度小于所述内筒3的长度，从而使所述新型吸力筒基础2在上方风机17遭受强大水平载荷时，能够提供足够的水平承载力和抗倾覆能力，以及用于本发明所述具有储能功能的海上风电固定式基础的海水冲刷防护。
61.进一步地，当所述新型吸力筒基础2在海中下落至海床上后：所述内筒测压口7用于在所述新型吸力筒基础2安装时，通过向相应的所述舱室内部伸入压力表实时监测相应的所述腔室内部压力；所述内筒抽水口8用于在所述新型吸力筒基础2安装时，通过外接抽水设备抽吸相应的所述舱室内的海水，使得相应的所述舱室内形成负压，进而控制所述新型吸力筒基础2下沉安装至指定深度；所述内筒3内部的三个所述舱室均设置有相应的所述
内筒测压口7和所述内筒抽水口8，用于在所述新型吸力筒基础2安装过程中，通过单独控制每个舱室内的压差，控制所述新型吸力筒基础2安装过程中的水平度，防止所述新型吸力筒基础2出现筒倾斜现象。
62.进一步地，所述封装平面上设置有两个所述外筒测压口9和两个外筒抽水口10。
63.进一步地，当所述新型吸力筒基础2在海中下落至海床上后：所述外筒测压口9用于在所述新型吸力筒基础2安装过程中，通过向所述空腔内部伸入压力表实时监测所述空腔内部压力；所述外筒抽水口10用于在所述新型吸力筒基础2安装时，通过外接抽水设备抽吸所述空腔内的海水，使得所述空腔内形成负压，进而控制所述新型吸力筒基础2下沉安装至指定深度。
64.工作时，首先将所述新型吸力筒基础2放入海中，海水灌入所述内筒3和所述外筒4内部，当所述新型吸力筒基础2落至海床上以后，通过抽吸所述内筒3和所述外筒4内部的海水，使所述新型吸力筒基础2下沉至所述内筒3和所述外筒4均安装于海床上，然后将风机17安装于本发明所述固定式基础的储气罐1上方；所述内筒3和所述外筒4用于在所述新型吸力筒基础2安装到位后，为所述风机17在遭受外部载荷扰动时提供锚固力；
65.此时，所述储气罐1内充满经由所述抱罐墙通水口14和所述储气罐通水口13进入的海水；当所述风机17开始发电后，电能通过所述压缩机15转化压缩气体的压力能，将所述压缩机15的出气口连接至所述中心输气管道11，使带有一定压力的压缩气体通过所述中心输气管道11进入所述储气罐1中内部(当所述风机17所在风电场内其它风机对应的储气罐内存储的压缩气体至最大限度后，可以通过连接其它风机上设置的压缩机与所述风机17对应的所述储气罐1上的所述外围输气管道12，即可将其他风机上设置的压缩机产生的多余的压缩气体输送至所述储气罐1内)，随着储气过程的进行，气体体积逐步向下扩展，在此过程中所述储气罐1中的海水通过所述储气罐通水口13和所述抱罐墙通水口14逐渐向外排出，在储气过程中，所述储气罐1内部气体压力始终保持恒定，此为储能过程；应当注意的是，所述储气罐1内部最大储气不超过所述储气罐通水口13所在深度；
66.当外界需要时，将所述中心输气管道11和所述外围输气管道12分别连接至所述发电机16的进气口，使存储在所述储气罐1内部的压缩气体能够通过所述中心输气管道11和所述外围输气管道12流出，通过发电机16为外界设备稳定可持续的电能供给，随着所述储气罐1内部压缩气体体积的减小，外界海水重新通过所述抱罐墙通水口14和所述储气罐通水口13不断涌入所述储气罐1内部，在排气过程中，所述储气罐1内部气体压力始终保持恒定，直至所述储气罐1内部压缩气体全部排出，海水重新充满所述储气罐1内部，此为释能过程；以上即为一个完整的工作周期。
67.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，包括新型吸力筒基础和储气罐；所述新型吸力筒基础包括内筒、外筒和抱罐墙；所述内筒为上下开口的筒状结构，所述内筒内部沿轴向设置有分舱板，用于将所述内筒内部分为三个舱室；所述外筒为双层筒状结构，内壁与外壁之间设置有空腔，所述空腔底部开口；所述外筒套设于所述内筒上部外侧，所述外筒顶部设置有封装平面；所述封装平面设置有与所述空腔相连通的外筒测压口和外筒抽水口，且在对应至所述内筒内部三个所述舱室的位置分别开设有与相应的所述舱室相连通的一个内筒测压口和一个内筒抽水口；所述储气罐内部中空，用于安装风机并存储压缩气体；所述风机设置有压缩机和发电机；所述储气罐顶部中心设置有能够与所述压缩机或所述发电机相连接的中心输气管道，用于输送所述风机所产生的电能驱动所述压缩机产生的压缩气体至所述储气罐内部存储，或者将所述储气罐内部存储的压缩气体提供给所述发电机进行发电；所述抱罐墙安装于所述封装平面上方，中心设置有储气罐安装空间，所述储气罐底部固定安装于所述储气罐安装空间内；所述储气罐底部等间距设置有四个储气罐通水口；所述抱罐墙设置有能够与所述储气罐通水口一一对应并连通的抱罐墙通水口。2.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述内筒、所述外筒、所述抱罐墙和所述储气罐同轴设置。3.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述储气罐通过所述储气罐外壁与所述抱罐墙内壁之间填充的混凝土固定安装于所述储气罐安装空间内。4.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述分舱板为人字形结构。5.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述内筒的长度大于筒径，用于为所述风机提供竖直方向和水平方向的承载力。6.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述外筒的筒径大于长度，且所述外筒的筒径大于所述内筒的筒径，所述外筒的长度小于所述内筒的长度。7.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述内筒测压口用于在所述新型吸力筒基础安装时，通过向相应的所述舱室内部伸入压力表实时监测相应的所述腔室内部压力；所述内筒抽水口用于在所述新型吸力筒基础安装时，通过外接抽水设备抽吸相应的所述舱室内的海水，使得相应的所述舱室内形成负压，进而控制所述新型吸力筒基础下沉安装至指定深度。8.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述封装平面上设置有两个所述外筒测压口和两个外筒抽水口。9.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述外筒测压口用于在所述新型吸力筒基础安装过程中，通过向所述空腔内部伸入压力表实时监测所述空腔内部压力；所述外筒抽水口用于在所述新型吸力筒基础安装时，通过外接抽水设备抽吸所述空腔内的海水，使得所述空腔内形成负压，进而控制所述新型吸力筒基础下沉
安装至指定深度。10.根据权利要求1所述的具有储能功能的海上风电固定式基础，其特征在于，所述储气罐顶部外围设置有四个能够与所述风机所在风电场内其它风机上设置的压缩机或所述风机设置的所述发电机相连接的外围输气管道，用于输送所述风机所在风电场内其它风机所产生的电能驱动相应的压缩机产生的压缩气体至所述储气罐内部存储，或者将所述储气罐内部存储的压缩气体提供给所述发电机进行发电。

技术总结
本发明提供一种具有储能功能的海上风电固定式基础，包括新型吸力筒基础和储气罐；所述新型吸力筒基础包括内筒、外筒和抱罐墙；所述内筒为上下开口的筒状结构，所述内筒内部设置有三个舱室；所述外筒为双层筒状结构；所述外筒套设于所述内筒上部外侧，所述外筒顶部设置有封装平面；所述储气罐内部中空，用于安装风机并存储压缩气体；所述储气罐顶部中心设置有中心输气管道；所述储气罐底部固定安装于所述储气罐安装空间内；所述储气罐底部设置有四个储气罐通水口；所述抱罐墙设置有能够与所述储气罐通水口一一对应并连通的抱罐墙通水口。本发明的技术方案解决了目前海上风电配储成本高、不环保且无法就地消纳的问题。不环保且无法就地消纳的问题。不环保且无法就地消纳的问题。


技术研发人员：熊伟 王虎 王志文
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/6/28