一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统及方法

1.本发明涉及水下储能技术领域，具体而言，尤其涉及一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统及方法。


背景技术：

2.目前各类海洋活动基本上依赖海底电缆远距离输电和自持电池供电，难以满足各类水下用电设备低成本、长距离、大电能的需求。海洋可再生能源的优势愈发显著。但海洋可再生能源随机性、间歇性以及低能量密度的缺点成为其开发应用的主要阻碍因素之一。“海洋可再生能源+储能”的模式是一种可行的方案。水下压缩空气储能是压缩空气储能技术在海洋储能领域的应用，然而水下压缩空气储能存在输气管道与海水换热导致空气析出水分在管道低洼处聚集成积液，容易引发管道堵塞、振动等一系列问题，甚至发生水击问题，严重影响水下输气系统的安全运行。


技术实现要素：

3.根据上述提出传统缆系岸站供电和自持电池供电无法满足水下用电设备用电需求，且传统水下压缩气体储能存在输气管道积液影响系统运行安全的技术问题，而提供一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统及方法，避免了因积液问题造成系统运行故障，提高储能系统运行效率，并能够为各类海洋用电设备提供低成本、原位、大电量、长期稳定的供能服务。
4.本发明采用的技术手段如下：
5.一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，包括电动增压单元、气液混合储能装置和释能发电单元；
6.所述电动增压单元包括依次连接的海洋可再生能源发电装置、电动机和海水泵；所述气液混合储能装置内部设置有柔性隔膜，用于分隔所述气液混合储能装置内部的压缩气体与海水；所述柔性隔膜将所述气液混合储能装置内部分为分别位于所述柔性隔膜上方和下方的空气存储区和海水存储区，所述海水存储区两侧分别设置一个通口；所述海水泵通过管路连接至所述气液混合储能装置一侧通口，所述海水泵与所述气液混合储能装置之间的管路上设置有开关阀ⅰ；所述电动增压单元用于将所述海洋可再生能源发电装置产生的电能通过所述电动机转化为机械能并驱动所述海水泵向所述气液混合储能装置提供带有一定压力的海水；
7.所述释能发电单元包括依次连接的海水马达、发电机和海洋用电设备；所述气液混合储能装置另一侧通口通过管路连接至所述海水马达，所述气液混合储能装置与所述海水马达之间的管路上设置有开关阀ⅱ；所述释能发电单元用于将所述气液混合储能装置提供的海水的压力通过所述海水马达转换为机械能并驱动所述发电机为所述海洋用电设备供电。
8.进一步地，所述电动机输入口通过输电线缆ⅰ与海洋可再生能源发电装置相连接，
用于将所述海洋可再生能源发电装置产生的电能转化为机械能；所述电动机的输出轴通过联轴器ⅰ与所述海水泵的输入端相连接，用于提供驱动所述海水泵工作；所述海水泵的输出口依次通过海水管道ⅰ、所述开关阀ⅰ以及海水管道ⅱ与所述气液混合储能装置相连通；所述开关阀ⅰ用于控制所述海水管道ⅰ和所述海水管道ⅱ之间的连通。
9.进一步地，所述气液混合储能装置连接至所述海水泵的一侧通口设置有溢流阀。
10.进一步地，所述气液混合储能装置底部设置有重力式压载物，用于将所述气液混合储能装置固定于海底。
11.进一步地，所述海水马达的输入口依次通过海水管道ⅳ、所述开关阀ⅱ和海水管道ⅲ与所述气液混合储能装置相连通；所述发电机的输入端通过联轴器ⅱ与所述海水马达的输出轴相连接；所述发电机的输出口通过输电线缆ⅱ与所述海洋用电设备相连接，用于为所述海洋用电设备供电。
12.进一步地，所述气液混合储能装置两侧的通口分别与所述海水管道ⅱ和所述海水管道ⅲ密封连接。
13.本发明还提供了一种水下气液混合储能方法，采用了上述无输气管道的水下大型气液混合储能系统，包括储能过程和释能过程：
14.储能过程用于将海洋可再生能源转化为压缩气体的压力能存储在气液混合储能装置中，具体包括以下过程：
15.通过海洋可再生能源发电装置捕获海洋可再生能源并转化为电能，海洋可再生能源发电装置产生的电能通过输电线缆ⅰ提供给电动机，将电能转化为电动机输出轴的机械能，电动机的输出轴与海水泵相连接，将机械能转化为海水的压力能，海水泵泵出带有一定压力的海水经由打开的开关阀ⅰ进入气液混合储能装置内；气液混合储能装置内预先在柔性隔膜上方充入与当地静水压相同压力的压缩气体，柔性隔膜将海水与压缩气体隔开，海水进入气液混合储能装置后，被柔性隔膜包裹的压缩气体体积不断缩小，海水压力与压缩气体压力保持一致且不断增大，海水持续进入气液混合储能装置内，直至海洋可再生能源发电装置发电结束或气液混合储能装置内海水压力达到溢流阀预设的溢流压力，海水不再进入气液混合储能装置，储能过程结束；
16.释能过程用于将压缩气体的压力能转化为电能供海洋用电设备使用，具体包括以下过程：
17.气液混合储能装置内被压缩的压缩气体推动海水经由打开的开关阀ⅱ进入海水马达，将压缩气体的压力能转化为海水马达输出轴的机械能，海水马达的输出轴与发电机连接，将机械能转化为电能，产生的电能通过输电线缆ⅱ供给海洋用电设备使用。
18.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.1、本发明提供的无输气管道的水下大型气液混合储能系统及方法，弥补传统的缆系岸站供电和自持电池供电方式的不足，为各类海洋用电设备提供低成本、原位、大电量、长期稳定的供能服务，尤其是应用于活动在深远海的水下无人用电设备。
20.2、本发明提供的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，不需要使用水下输气管道，可避免因输气管道积液而引发系统效率降低、系统故障等不利情况发生。
21.3、本发明提供的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，融合了高压气体在能量密度和水液压在功率密度方面的优势。
22.4、本发明提供的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，使用柔性隔膜将海水与压缩气体分隔开，可避免气体溶于水而造成需要水下频繁补气。
23.5、本发明提供的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，压缩气体与海水通过柔性隔膜可以传递热量，得益于海水巨大的热沉效应，能够实现气液混合储能装置内压缩气体的近等温压缩与膨胀，提高系统效率。
24.基于上述理由本发明可在水下储能技术领域和海洋设备供电技术领域广泛推广。
附图说明
25.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。
26.图1为本发明所述水下大型气液混合储能系统的原理示意图。
27.图2为本发明所述水下大型气液混合储能系统的储能过程示意图。
28.图3为本发明所述水下大型气液混合储能系统的释能过程示意图。
29.图中：1、海洋可再生能源发电装置；2、电动机；3、海水泵；4、开关阀ⅰ；5、气液混合储能装置；6、开关阀ⅱ；7、海水马达；8、发电机；9、海洋用电设备；10、柔性隔膜；11、输电线缆ⅰ；12、联轴器ⅰ；13、海水管道ⅰ；14、海水管道ⅱ；15、海水管道ⅲ；16、海水管道ⅳ；17、联轴器ⅱ；18、输电线缆ⅱ；19、重力式压载物；20、溢流阀。
具体实施方式
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.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。
37.实施例1
38.如图1-3所示，本发明提供了一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统，包括电动增压单元、气液混合储能装置5和释能发电单元；
39.所述电动增压单元包括依次连接的海洋可再生能源发电装置1、电动机2和海水泵3；所述气液混合储能装置5内部设置有柔性隔膜10，用于分隔所述气液混合储能装置5内部的压缩气体与海水，避免压缩气体溶于海水而需要经常水下补气；所述柔性隔膜10边缘固定安装于所述气液混合储能装置5内壁，将所述气液混合储能装置5内部分为分别位于所述柔性隔膜10上方和下方的空气存储区和海水存储区，所述海水存储区两侧分别设置一个通口；所述海水泵3通过管路连接至所述气液混合储能装置5一侧通口，所述海水泵3与所述气液混合储能装置5之间的管路上设置有开关阀ⅰ4；所述电动增压单元用于将所述海洋可再生能源发电装置1产生的电能通过所述电动机2转化为机械能并驱动所述海水泵3向所述气液混合储能装置5提供带有一定压力的海水；
40.所述释能发电单元包括依次连接的海水马达7、发电机8和海洋用电设备9；所述气液混合储能装置5另一侧通口通过管路连接至所述海水马达7，所述气液混合储能装置5与所述海水马达7之间的管路上设置有开关阀ⅱ6；所述释能发电单元用于将所述气液混合储能装置5提供的海水的压力通过所述海水马达7转换为机械能并驱动所述发电机8为所述海洋用电设备9供电。
41.进一步地，所述电动机2输入口通过输电线缆ⅰ11与海洋可再生能源发电装置1相连接，用于将所述海洋可再生能源发电装置1产生的电能转化为机械能；所述电动机2的输出轴通过联轴器ⅰ12与所述海水泵3的输入端相连接，用于提供驱动所述海水泵3工作；所述海水泵3的输出口依次通过海水管道ⅰ13、所述开关阀ⅰ4以及海水管道ⅱ14与所述气液混合
储能装置5相连通；所述开关阀ⅰ4用于控制所述海水管道ⅰ13和所述海水管道ⅱ14之间的连通。
42.进一步地，所述海洋可再生能源发电装置1通常可以是海上风能、太阳能、波浪能、洋流能等的能量捕获装置，用于提供驱动所述电动机2的电能。
43.进一步地，所述气液混合储能装置5连接至所述海水泵3的一侧通口设置有溢流阀20，用于保护所述气液混合储能装置5，所述溢流阀20通常是关闭状态，当达到预设的溢流压力后开启所述溢流阀20使海水从所述溢流阀20流出，防止所述气液混合储能装置5内压力过高导致损坏。
44.进一步地，所述气液混合储能装置5底部设置有重力式压载物19，用于将所述气液混合储能装置5固定于海底。
45.进一步地，所述海水马达7的输入口依次通过海水管道ⅳ16、所述开关阀ⅱ6和海水管道ⅲ15与所述气液混合储能装置5相连通；所述发电机8的输入端通过联轴器ⅱ17与所述海水马达7的输出轴相连接，用于将机械能转换为电能；所述发电机8的输出口通过输电线缆ⅱ18与所述海洋用电设备9相连接，用于为所述海洋用电设备9供电。
46.进一步地，所述海洋用电设备9通常可以是水下机器人、水下无人潜航器、水下滑翔机、海底观测网、海洋平台等的需要持续稳定大电量供给的设备或平台。
47.进一步地，在工作前需向所述气液混合储能装置5内预先充入与所述水下大型气液混合储能系统安装深度静水压压力相同的压缩气体(压缩惰性气体)。
48.进一步地，所述气液混合储能装置5除底部有左右各一个通口与所述海水管道密闭连接外，无其他任何通道与外界海水接触，因此所述气液混合储能装置5是封闭式的。
49.进一步地，所述气液混合储能装置5两侧的通口分别与所述海水管道ⅱ14和所述海水管道ⅲ15密封连接。
50.工作时，本发明所述无输气管道的水下气液混合储能系统包括储能过程和释能过程：
51.储能过程中，打开所述开关阀ⅰ4，关闭所述开关阀ⅱ6；所述海洋可再生能源发电装置1捕获海洋可再生能源并转化为电能，所述海洋可再生能源发电装置1产生的电能通过所述输电线缆ⅰ11提供给所述电动机2，电能转化为所述电动机2输出轴的机械能，所述电动机2输出轴通过所述联轴器ⅰ12与所述海水泵3连接，机械能转化为海水的压力能，所述海水泵3泵出带有一定压力的海水先后经过所述海水管道ⅰ13、打开的所述开关阀ⅰ4以及所述海水管道ⅱ14，进入所述气液混合储能装置5内；所述气液混合储能装置5内预先充入与当地静水压相同压力的压缩气体，所述柔性隔膜10将海水与压缩气体隔开，海水进入所述气液混合储能装置5内，被所述柔性隔膜10包裹的压缩气体体积不断缩小，海水压力与压缩气体压力一致且不断增大，海水持续进入所述气液混合储能装置5内，直至所述海洋可再生能源发电装置1发电结束或海水压力达到所述溢流阀20设置压力，海水不再进入所述气液混合储能装置5，储能过程结束；
52.释能过程中，关闭所述开关阀ⅰ4，当所述海洋用电设备9存在供电需求时，所述开关阀ⅱ6被打开，所述柔性隔膜10内压缩气体推动海水先后经过所述海水管道ⅲ15、所述开关阀ⅱ6、所述海水管道ⅳ16进入所述海水马达7，压缩气体的压力能转化为所述海水马达7输出轴的机械能，所述海水马达7的输出轴通过所述联轴器ⅱ17与所述发电机8连接，将机
械能转化为电能，所述发电机8产生的电能通过所述输电线缆ⅱ18供给所述海洋用电设备9使用，直至能量释放完毕或所述海洋用电设备9不在需要电能供给，释能过程结束；以上即为一个完整的工作周期。
53.本发明还提供了一种水下气液混合储能方法，采用了上述无输气管道的水下大型气液混合储能系统，包括储能过程和释能过程：
54.储能过程用于将海洋可再生能源转化为压缩气体的压力能存储在气液混合储能装置5中，具体包括以下过程：
55.通过海洋可再生能源发电装置1捕获海洋可再生能源并转化为电能，海洋可再生能源发电装置1产生的电能通过输电线缆ⅰ11提供给电动机2，将电能转化为电动机2输出轴的机械能，电动机2的输出轴与海水泵3相连接，将机械能转化为海水的压力能，海水泵3泵出带有一定压力的海水经由打开的开关阀ⅰ4进入气液混合储能装置5内；气液混合储能装置5内预先在柔性隔膜10内部充入与当地静水压相同压力的压缩气体，柔性隔膜10将海水与压缩气体隔开，海水进入气液混合储能装置5后，被柔性隔膜10包裹的压缩气体体积不断缩小，海水压力与压缩气体压力保持一致且不断增大，海水持续进入气液混合储能装置5内，直至海洋可再生能源发电装置1发电结束或气液混合储能装置5内海水压力达到溢流阀20预设的溢流压力，海水不再进入气液混合储能装置5，储能过程结束；
56.释能过程用于将压缩气体的压力能转化为电能供海洋用电设备9使用，具体包括以下过程：
57.气液混合储能装置5内被压缩的压缩气体推动海水经由打开的开关阀ⅱ6进入海水马达7，将压缩气体的压力能转化为海水马达7输出轴的机械能，海水马达7的输出轴与发电机8连接，将机械能转化为电能，产生的电能通过输电线缆ⅱ18供给各类海洋用电设备9使用。
58.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：
1.一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，包括电动增压单元、气液混合储能装置和释能发电单元；所述电动增压单元包括依次连接的海洋可再生能源发电装置、电动机和海水泵；所述气液混合储能装置内部设置有柔性隔膜，用于分隔所述气液混合储能装置内部的压缩气体与海水；所述柔性隔膜将所述气液混合储能装置内部分为分别位于所述柔性隔膜上方和下方的空气存储区和海水存储区，所述海水存储区两侧分别设置一个通口；所述海水泵通过管路连接至所述气液混合储能装置一侧通口，所述海水泵与所述气液混合储能装置之间的管路上设置有开关阀ⅰ；所述电动增压单元用于将所述海洋可再生能源发电装置产生的电能通过所述电动机转化为机械能并驱动所述海水泵向所述气液混合储能装置提供带有一定压力的海水；所述释能发电单元包括依次连接的海水马达、发电机和海洋用电设备；所述气液混合储能装置另一侧通口通过管路连接至所述海水马达，所述气液混合储能装置与所述海水马达之间的管路上设置有开关阀ⅱ；所述释能发电单元用于将所述气液混合储能装置提供的海水的压力通过所述海水马达转换为机械能并驱动所述发电机为所述海洋用电设备供电。2.根据权利要求1所述的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，所述电动机输入口通过输电线缆ⅰ与海洋可再生能源发电装置相连接，用于将所述海洋可再生能源发电装置产生的电能转化为机械能；所述电动机的输出轴通过联轴器ⅰ与所述海水泵的输入端相连接，用于提供驱动所述海水泵工作；所述海水泵的输出口依次通过海水管道ⅰ、所述开关阀ⅰ以及海水管道ⅱ与所述气液混合储能装置相连通；所述开关阀ⅰ用于控制所述海水管道ⅰ和所述海水管道ⅱ之间的连通。3.根据权利要求1所述的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，所述气液混合储能装置连接至所述海水泵的一侧通口设置有溢流阀。4.根据权利要求1所述的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，所述气液混合储能装置底部设置有重力式压载物，用于将所述气液混合储能装置固定于海底。5.根据权利要求2所述的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，所述海水马达的输入口依次通过海水管道ⅳ、所述开关阀ⅱ和海水管道ⅲ与所述气液混合储能装置相连通；所述发电机的输入端通过联轴器ⅱ与所述海水马达的输出轴相连接；所述发电机的输出口通过输电线缆ⅱ与所述海洋用电设备相连接，用于为所述海洋用电设备供电。6.根据权利要求5所述的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，其特征在于，所述气液混合储能装置两侧的通口分别与所述海水管道ⅱ和所述海水管道ⅲ密封连接。7.一种水下气液混合储能方法，其特征在于，采用了如权利要求1所述的无输气管道的水下大型气液混合储能系统，包括储能过程和释能过程：储能过程用于将海洋可再生能源转化为压缩气体的压力能存储在气液混合储能装置中，具体包括以下过程：通过海洋可再生能源发电装置捕获海洋可再生能源并转化为电能，海洋可再生能源发电装置产生的电能通过输电线缆ⅰ提供给电动机，将电能转化为电动机输出轴的机械能，电动机的输出轴与海水泵相连接，将机械能转化为海水的压力能，海水泵泵出带有一定压力的海水经由打开的开关阀ⅰ进入气液混合储能装置内；气液混合储能装置内预先在柔性隔
膜上方充入与当地静水压相同压力的压缩气体，柔性隔膜将海水与压缩气体隔开，海水进入气液混合储能装置后，被柔性隔膜包裹的压缩气体体积不断缩小，海水压力与压缩气体压力保持一致且不断增大，海水持续进入气液混合储能装置内，直至海洋可再生能源发电装置发电结束或气液混合储能装置内海水压力达到溢流阀预设的溢流压力，海水不再进入气液混合储能装置，储能过程结束；释能过程用于将压缩气体的压力能转化为电能供海洋用电设备使用，具体包括以下过程：气液混合储能装置内被压缩的压缩气体推动海水经由打开的开关阀ⅱ进入海水马达，将压缩气体的压力能转化为海水马达输出轴的机械能，海水马达的输出轴与发电机连接，将机械能转化为电能，产生的电能通过输电线缆ⅱ供给海洋用电设备使用。

技术总结
本发明提供一种无输气管道的水下大型气液混合储能系统及方法，所述储能系统包括：电动增压单元，包括依次连接的海洋可再生能源发电装置、电动机和海水泵；气液混合储能装置内部设置有柔性隔膜；所述电动增压单元用于将所述海洋可再生能源发电装置产生的电能通过所述电动机转化为机械能并驱动所述海水泵向所述气液混合储能装置提供带有一定压力的海水；释能发电单元，包括依次连接的海水马达、发电机和海洋用电设备；所述释能发电单元用于将所述气液混合储能装置提供的海水的压力通过所述海水马达转换为机械能并驱动所述发电机为所述海洋用电设备供电。本发明解决了传统缆系岸站供电和自持电池供电无法满足水下用电设备长距离、大电量的问题。大电量的问题。大电量的问题。


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：2023.03.10
技术公布日：2023/7/6