一种浮力储能系统及方法

1.本发明涉及浮力储能技术领域，尤其涉及一种浮力储能系统及方法。


背景技术：

2.新能源发电存在较强的间歇性与波动性问题，导致无法直接与电力系统并网送电，这导致电力平衡较为困难，局部地区极易出现弃风限电现象。因此，通过储能技术来进行能源的存储与利用是当前新能源发展的主要研究方向。
3.相关技术中，例如公开号为cn113669192a的专利公开了一种海洋浮力储能系统，具体公开了：在储能阶段时，通过闭合缆绳由电动机拖动浮力球从海面平台下降到海底，将富余的电能转化为浮力球的浮力势能进行存储；在释能阶段时，浮力球由海底上浮至海面平台并通过闭合缆绳拖动发电机发电。然而，该技术方案难以实现在电网功率波动幅度较小时的调频。
4.因此，目前亟需一种浮力储能系统及方法来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例描述了一种浮力储能系统及方法，可以实现在电网功率波动幅度较小时的调频。
6.第一方面，本发明一个实施例提供了一种浮力储能系统，包括：
7.架体，设置于水中，所述架体的顶部设置有平台，所述平台高出水面，所述架体包括多个升降单元；
8.多个电机单元，设置于所述平台上，每个所述电机单元对应一个所述升降单元，每个所述电机单元均包括电动机、发电机和传动组件；
9.多个浮体单元，每个所述浮体单元设置于一个所述升降单元内，每个所述浮体单元包括浮体和用于固定所述浮体的固定组件，所述固定组件与所述传动组件连接；
10.控制单元，与外部的新能源发电单元和所述电机单元电连接，所述控制单元用于基于各所述浮体单元的可储存电能，控制所述新能源发电单元向与各所述浮体单元对应的电动机的输出电能。
11.第二方面，本发明一个实施例提供了一种浮力储能方法，基于上述实施例所述的浮力储能系统，所述方法包括：
12.在储能阶段时，所述控制单元控制所述电动机和所述传动组件连接，并控制所述新能源发电单元向所述电动机供电，以使所述电动机驱动所述传动组件运动，并通过所述传动组件带动所述浮体单元沿所述升降单元向下运动，从而将所述新能源发电单元产生的电能转化为所述浮体的浮力势能；
13.在释能阶段时，所述控制单元控制所述发电机和所述传动组件连接，具有浮力势能的所述浮体向上运动，以通过所述固定组件带动所述传动组件运动，从而驱动所述发电机发电。
14.根据本发明实施例提供的浮力储能系统及方法，由于单个浮力球发出的额定功率较大，对于电网小幅度的功率波动无法响应或响应效果差；而多个浮体单元发出的额定功率较小，对于电网小幅度的功率波动也能达到较好的调频效果，当电网功率波动幅度大时，控制多个浮体单元进行调频，也能达到预期效果；此外，通过借助架体，可以保证每个浮体单元沿升降单元升降过程中的稳定性。
附图说明
15.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作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1示出了根据一个实施例的浮力储能系统的结构示意图；
17.图2示出了图1所示浮力储能系统中一个电机单元的结构示意图；
18.图3示出了图1所示浮力储能系统中一个浮体单元的局部放大图；
19.图4示出了图1所示浮力储能系统中一个浮体单元的俯视图。
20.附图标记：
21.1-架体；
22.11-平台；
23.12-升降单元；
24.121-限位轨道；
25.2-电机单元；
26.21-电动机；
27.22-发电机；
28.23-传动组件；
29.231-电磁离合器；
30.232-齿轮组件；
31.233-传动件；
32.3-浮体单元；
33.31-浮体；
34.32-固定组件；
35.321-限位块；
36.322-滚轮；
37.323-固定部；
38.324-固定件；
39.325-固定壳。
具体实施方式
40.下面结合附图，对本发明提供的方案进行描述。
41.如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种浮力储能系统，该系统包括架体1、多
个电机单元2、多个浮体单元3和控制单元(图中未示出)，其中：
42.架体1设置于水中，架体1的顶部设置有平台11，平台11高出水面，架体1包括多个升降单元12；
43.多个电机单元2设置于平台11上，每个电机单元2对应一个升降单元12，每个电机单元2均包括电动机21、发电机22和传动组件23；
44.每个浮体单元3设置于一个升降单元12内，每个浮体单元3包括浮体31和用于固定浮体31的固定组件32，固定组件32与传动组件23连接；
45.控制单元与外部的新能源发电单元(图中未示出)和电机单元2电连接，控制单元用于基于各浮体单元3的可储存电能，控制新能源发电单元向与各浮体单元3对应的电动机21的输出电能。
46.在本实施例中，由于单个浮力球发出的额定功率较大，对于电网小幅度的功率波动无法响应或响应效果差；而多个浮体单元3发出的额定功率较小，对于电网小幅度的功率波动也能达到较好的调频效果，当电网功率波动幅度大时，控制多个浮体单元3进行调频，也能达到预期效果；此外，通过借助架体1，可以保证每个浮体单元3沿升降单元12升降过程中的稳定性。
47.在本发明一个实施例中，每个升降单元12均设置有沿竖直方向设置的限位轨道121，每个浮体单元3的固定组件32均设置有限位块321，限位块321可沿限位轨道121上下移动。
48.在本实施例中，通过设置限位块321和限位轨道121，可以保证每个浮体单元3沿升降单元12升降过程中的稳定性。
49.如图4所示，每个升降单元12均设置有沿竖直方向设置的四条限位轨道121，这样更加有利于保证每个浮体单元3沿升降单元12升降过程中的稳定性。
50.在本发明一个实施例中，每个浮体单元3的固定组件32均设置有滚轮322，滚轮322与限位轨道121接触。如此设置，可有效防止每个浮体单元3沿升降单元12升降过程中出现“卡死”的现象。
51.在本发明一个实施例中，传动组件23包括电磁离合器231、与电磁离合器231啮合的齿轮组件232和与齿轮组件232连接的传动件233，传动件233与固定组件32连接；
52.在储能阶段时，控制单元控制电动机21和电磁离合器231连接；
53.在释能阶段时，控制单元控制发电机22和电磁离合器231连接。
54.在本实施例中，通过设置电磁离合器231可以实现储能和释能的顺利切换。
55.在本发明一个实施例中，传动件233为链条或钢丝绳(图中未示出)；
56.当传动件233为链条时，固定组件32设置有固定部323，固定部323为上下贯穿结构，固定部323内设置有用于穿过链条的固定件324，通过固定件324实现传动件233和固定部323的固定。
57.在本实施例中，通过将传动件233设置为链条，可以借助链条的结构，方便实现与固定组件32的固定，具体是通过将固定件324穿过位于固定部323内的传动件233来实现二者的固定。
58.在一些实施方式中，固定件324可以为螺栓。
59.在本发明一个实施例中，固定组件32包括固定壳325，固定壳325设置有内螺纹(图
中未示出)，浮体31设置有外螺纹(图中未示出)，浮体31和固定壳325通过螺纹固定。如此设置，有利于保证浮体31和固定壳325固定的稳固性，从而可以有效防止当浮力增大时可能导致浮体31和固定壳325出现分离的现象。
60.在一些实施方式中，为了方便固定组件32和浮体31的安装，固定壳325可以设置为分体式结构，例如由两个半壳体通过螺栓紧固。
61.在本发明一个实施例中，浮体31的上端面和下端面均为锥形面。如此设置，可以减少浮体31升降过程中的阻力，以节省能量的消耗。
62.在本发明一个实施例中，架体1为钢架结构，钢架结构是经过海洋防腐防污处理后的钢架结构。如此设置，可以有效保证架体1的使用寿命。在此，本发明实施例对海洋防腐防污处理不进行赘述，此为本领域技术人员所熟知。
63.在本发明一个实施例中，新能源发电单元为太阳能发电单元、风能发电单元或海洋能发电单元，在此本发明实施例不进行具体限定。
64.在本发明一个实施例中，浮体31为中空结构，浮体31内填充有密度不大于空气密度的气体；在所有浮体31中，至少存在两种填充有不同密度气体的浮体31；每个浮体单元3均具有浮力势能最小和最大两种状态，各浮体单元3的可储存电能等于该浮体单元3的最大浮力势能；
65.控制单元在执行基于各浮体单元3的可储存电能，控制新能源发电单元向与各浮体单元3对应的电动机21的输出电能时，用于执行如下操作：
66.在新能源发电单元的输出电能大于所有浮体单元3的可储存电能之和时，将新能源发电单元向与各浮体单元3对应的电动机21的输出电能确定为当前浮体单元3的可储存电能；
67.在新能源发电单元的输出电能不大于所有浮体单元3的可储存电能之和时，执行：将可储存电能相同的所有浮体单元3划分为一个浮体单元集合；确定各浮体单元集合的总可储存电能占所有浮体单元集合的总可储存电能的比例；将新能源发电单元的输出电能按照各浮体单元集合的比例分配给各浮体单元集合；针对每个浮体单元集合，将分配给当前浮体单元集合的电能依次分配给该浮体单元集合中每个浮体单元3；其中，浮体单元3所分配的电能为可储存电能，将不能满足浮体单元3所分配的电能为可储存电能的多余电能舍弃。
68.在本实施例中，为了更好地实现在电网功率波动幅度较小时的调频，可以考虑在不同的浮体31内充装不同密度的气体，从而使得所有浮体31中至少存在两种填充有不同密度气体的浮体31，这样在新能源发电单元的输出电能不大于所有浮体单元3的可储存电能之和时，可以通过上述分配电能的策略来进一步提高在电网功率波动幅度较小时的调频效果。
69.在本发明一个实施例中，每个升降单元12均设置有锁止装置(图中未示出)，锁止装置用于将浮体单元3悬停在当前位置；
70.每个浮体单元3均具有浮力势能最小和最大两种状态，各浮体单元3的可储存电能大于最小浮力势能且小于等于最大浮力势能。
71.在本实施例中，通过设置锁止装置，可以实现浮体单元3悬停在最小浮力势能所在位置和最大浮力势能所在位置之间的任意位置，从而有利于进一步提高在电网功率波动幅
度较小时的调频效果。
72.在一些实施方式中，锁止装置可以为齿轮齿条结构，这种结构具有如下特性：在向一个方向(例如向下)运动时，可以正常运动，而向该方向的反方向(例如向上)运动时，不能运动，如果要想实现该反方向的运动，需要解除相关结构的限制，这样才可以向反方向正常运动。在此，本发明实施例对锁止装置的具体结构不进行限定。
73.在本发明一个实施例中，控制单元在执行基于各浮体单元3的可储存电能，控制新能源发电单元向与各浮体单元3对应的电动机21的输出电能时，用于执行如下操作：
74.在新能源发电单元的输出电能大于所有浮体单元3的可储存电能之和时，将新能源发电单元向与各浮体单元3对应的电动机21的输出电能确定为当前浮体单元3的可储存电能；
75.在新能源发电单元的输出电能不大于所有浮体单元3的可储存电能之和时，执行：将可储存电能相同的所有浮体单元3划分为一个浮体单元集合；确定各浮体单元集合的总可储存电能占所有浮体单元集合的总可储存电能的比例；将新能源发电单元的输出电能按照各浮体单元集合的比例分配给各浮体单元集合；针对每个浮体单元集合，将分配给当前浮体单元集合的电能依次分配给该浮体单元集合中每个浮体单元3；其中，所分配的电能为可储存电能的浮体单元3处于最大浮力势能状态，所分配的电能小于可储存电能的浮体单元3处于最小浮力势能状态和最大浮力势能状态之间。
76.在本实施例中，为了更好地实现在电网功率波动幅度较小时的调频，可以考虑在每个升降单元12设置锁止装置，这样在新能源发电单元的输出电能不大于所有浮体单元3的可储存电能之和时，可以通过上述分配电能的策略来进一步提高在电网功率波动幅度较小时的调频效果。而且，该技术方案相比所有浮体31中至少存在两种填充有不同密度气体的浮体31的技术方案，前者不需要将不能满足浮体单元3所分配的电能为可储存电能的多余电能舍弃，这样可以减少能量的浪费。
77.此外，本发明实施例还提供了一种浮力储能方法，基于上述实施例提及的浮力储能系统，该方法包括：
78.在储能阶段时，控制单元控制电动机21和传动组件23连接，并控制新能源发电单元向电动机21供电，以使电动机21驱动传动组件23运动，并通过传动组件23带动浮体单元3沿升降单元12向下运动，从而将新能源发电单元产生的电能转化为浮体31的浮力势能；
79.在释能阶段时，控制单元控制发电机22和传动组件23连接，具有浮力势能的浮体31向上运动，以通过固定组件32带动传动组件23运动，从而驱动发电机22发电。
80.可以理解的是，该实施例提供的浮力储能方法与上述实施例提供的浮力储能系统是基于同一发明构思，因此二者具有相同的有益效果，在此不进行赘述。
81.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
82.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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种浮力储能系统，其特征在于，包括：架体(1)，设置于水中，所述架体(1)的顶部设置有平台(11)，所述平台(11)高出水面，所述架体(1)包括多个升降单元(12)；多个电机单元(2)，设置于所述平台(11)上，每个所述电机单元(2)对应一个所述升降单元(12)，每个所述电机单元(2)均包括电动机(21)、发电机(22)和传动组件(23)；多个浮体单元(3)，每个所述浮体单元(3)设置于一个所述升降单元(12)内，每个所述浮体单元(3)包括浮体(31)和用于固定所述浮体(31)的固定组件(32)，所述固定组件(32)与所述传动组件(23)连接；控制单元，与外部的新能源发电单元和所述电机单元(2)电连接，所述控制单元用于基于各所述浮体单元(3)的可储存电能，控制所述新能源发电单元向与各所述浮体单元(3)对应的电动机(21)的输出电能。2.根据权利要求1所述的浮力储能系统，其特征在于，每个所述升降单元(12)均设置有沿竖直方向设置的限位轨道(121)，每个所述浮体单元(3)的固定组件(32)均设置有限位块(321)，所述限位块(321)可沿所述限位轨道(121)上下移动。3.根据权利要求2所述的浮力储能系统，其特征在于，每个所述浮体单元(3)的固定组件(32)均设置有滚轮(322)，所述滚轮(322)与所述限位轨道(121)接触。4.根据权利要求1所述的浮力储能系统，其特征在于，所述传动组件(23)包括电磁离合器(231)、与所述电磁离合器(231)啮合的齿轮组件(232)和与所述齿轮组件(232)连接的传动件(233)，所述传动件(233)与所述固定组件(32)连接；在储能阶段时，所述控制单元控制所述电动机(21)和所述电磁离合器(231)连接；在释能阶段时，所述控制单元控制所述发电机(22)和所述电磁离合器(231)连接。5.根据权利要求4所述的浮力储能系统，其特征在于，所述传动件(233)为链条或钢丝绳；当所述传动件(233)为链条时，所述固定组件(32)设置有固定部(323)，所述固定部(323)为上下贯穿结构，所述固定部(323)内设置有用于穿过所述链条的固定件(324)，通过所述固定件(324)实现所述传动件(233)和所述固定部(323)的固定。6.根据权利要求1所述的浮力储能系统，其特征在于，所述固定组件(32)包括固定壳(325)，所述固定壳(325)设置有内螺纹，所述浮体(31)设置有外螺纹，所述浮体(31)和所述固定壳(325)通过螺纹固定；和/或，所述浮体(31)的上端面和下端面均为锥形面；和/或，所述架体(1)为钢架结构，所述钢架结构是经过海洋防腐防污处理后的钢架结构；和/或，所述新能源发电单元为太阳能发电单元、风能发电单元或海洋能发电单元。7.根据权利要求1-6中任一项所述的浮力储能系统，其特征在于，所述浮体(31)为中空结构，所述浮体(31)内填充有密度不大于空气密度的气体；在所有所述浮体(31)中，至少存在两种填充有不同密度气体的所述浮体(31)；每个所述浮体单元(3)均具有浮力势能最小和最大两种状态，各所述浮体单元(3)的可储存电能等于该浮体单元(3)的最大浮力势能；所述控制单元在执行基于各所述浮体单元(3)的可储存电能，控制所述新能源发电单元向与各所述浮体单元(3)对应的电动机(21)的输出电能时，用于执行如下操作：
在所述新能源发电单元的输出电能大于所有所述浮体单元(3)的可储存电能之和时，将所述新能源发电单元向与各所述浮体单元(3)对应的电动机(21)的输出电能确定为当前浮体单元(3)的可储存电能；在所述新能源发电单元的输出电能不大于所有所述浮体单元(3)的可储存电能之和时，执行：将可储存电能相同的所有浮体单元(3)划分为一个浮体单元集合；确定各所述浮体单元集合的总可储存电能占所有所述浮体单元集合的总可储存电能的比例；将所述新能源发电单元的输出电能按照各所述浮体单元集合的比例分配给各所述浮体单元集合；针对每个所述浮体单元集合，将分配给当前浮体单元集合的电能依次分配给该浮体单元集合中每个所述浮体单元(3)；其中，所述浮体单元(3)所分配的电能为可储存电能，将不能满足所述浮体单元(3)所分配的电能为可储存电能的多余电能舍弃。8.根据权利要求1-6中任一项所述的浮力储能系统，其特征在于，每个所述升降单元(12)均设置有锁止装置，所述锁止装置用于将所述浮体单元(3)悬停在当前位置；每个所述浮体单元(3)均具有浮力势能最小和最大两种状态，各所述浮体单元(3)的可储存电能大于最小浮力势能且小于等于最大浮力势能。9.根据权利要求8所述的浮力储能系统，其特征在于，所述控制单元在执行基于各所述浮体单元(3)的可储存电能，控制所述新能源发电单元向与各所述浮体单元(3)对应的电动机(21)的输出电能时，用于执行如下操作：在所述新能源发电单元的输出电能大于所有所述浮体单元(3)的可储存电能之和时，将所述新能源发电单元向与各所述浮体单元(3)对应的电动机(21)的输出电能确定为当前浮体单元(3)的可储存电能；在所述新能源发电单元的输出电能不大于所有所述浮体单元(3)的可储存电能之和时，执行：将可储存电能相同的所有浮体单元(3)划分为一个浮体单元集合；确定各所述浮体单元集合的总可储存电能占所有所述浮体单元集合的总可储存电能的比例；将所述新能源发电单元的输出电能按照各所述浮体单元集合的比例分配给各所述浮体单元集合；针对每个所述浮体单元集合，将分配给当前浮体单元集合的电能依次分配给该浮体单元集合中每个所述浮体单元(3)；其中，所分配的电能为可储存电能的所述浮体单元(3)处于最大浮力势能状态，所分配的电能小于可储存电能的所述浮体单元(3)处于最小浮力势能状态和最大浮力势能状态之间。10.一种浮力储能方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任一项所述的浮力储能系统，所述方法包括：在储能阶段时，所述控制单元控制所述电动机(21)和所述传动组件(23)连接，并控制所述新能源发电单元向所述电动机(21)供电，以使所述电动机(21)驱动所述传动组件(23)运动，并通过所述传动组件(23)带动所述浮体单元(3)沿所述升降单元(12)向下运动，从而将所述新能源发电单元产生的电能转化为所述浮体(31)的浮力势能；在释能阶段时，所述控制单元控制所述发电机(22)和所述传动组件(23)连接，具有浮力势能的所述浮体(31)向上运动，以通过所述固定组件(32)带动所述传动组件(23)运动，从而驱动所述发电机(22)发电。

技术总结
本发明涉及浮力储能技术领域，尤其涉及一种浮力储能系统及方法。该系统包括：架体，设置于水中，架体的顶部设置有平台，平台高出水面，架体包括多个升降单元；多个电机单元，设置于平台上，每个电机单元对应一个升降单元，每个电机单元均包括电动机、发电机和传动组件；多个浮体单元，每个浮体单元设置于一个升降单元内，每个浮体单元包括浮体和用于固定浮体的固定组件，固定组件与传动组件连接；控制单元，与外部的新能源发电单元和电机单元电连接，控制单元用于基于各浮体单元的可储存电能，控制新能源发电单元向与各浮体单元对应的电动机的输出电能。本发明的技术方案可以实现在电网功率波动幅度较小时的调频。率波动幅度较小时的调频。率波动幅度较小时的调频。


技术研发人员：孔艳强 文盼欢 胡鑫语 秦仕吉 郭宇飞 陈文清 张冬月 靖仕寅 苏超 吴泽轩
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/6/12