一种轨道式旋转桨翼沉箱储能发电系统及控制方法

本发明属于储能领域，特别涉及一种轨道式旋转桨翼沉箱储能发电系统及控制方法。

背景技术：

1、随着海上风电快速发展，除电力需求以外的依托海洋环境或利用海水特性的各种产业快速推进，海上能源岛、海下数据中心、海下换流站、海上油气平台、海洋污染治理等都有风电的需求，然而风力发电的不确定性和不稳定性问题，是制约着上述产业的快速发展，不得依托陆地如调频调峰火电、压缩空气储能、化学储能、抽水蓄能电站现有成熟技术保证电网的稳定。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60%～70%之间，包括抽水效率，发电效率，蒸发剩余量等。抽水蓄能电站是电力系统重要的调节工具，具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰电源与储能电源，但有适配的地质环境要求。

2、调频调峰火电碳排放依然是个问题，而压缩空气储能、化学储能容量小对现有的风电支撑无法满足要求。

3、一种类似“抽水蓄能”的方法“水下沉箱排水储能”，通过新能源发电无法外送产生的余电将水下沉箱内的水排出，需要供电时利用水深压力驱动沉箱上的水轮发电机发电。是“抽水蓄能”的逆过程。不占陆地面积，无蒸发水体损失，容量大而且无需“抽水蓄能”的上水库等优点，而且对依托海洋环境或利用海水特性的各种产业，依据需求配置容量就近稳定供电，大大的降低线损，同时为海上风电并网提供稳定电源保证。同时带动相关行业的创新与发展，如水体治理（漂浮物清理等），海水淡化、大型冷却、海上平台、海下石油管道加热加压、水下数据中心、水下换流站等。

4、由于水下沉箱排水储能全寿命100年周期，由此考虑防腐、生物寄生、浮力、稳定性、制造成本等问题。假如水下沉箱排水储能的系统转换效率的70%中有30%的转换效率没被利用，如何进一步提高水下沉箱排水储能发电效率，是非常重要的。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出一种轨道式旋转桨翼沉箱储能发电系统及控制方法，利用水泵/水轮机水头发电时的进水和储能时排空沉箱内水体的过程，并充分将水泵/水轮机储能发电没被利用的动能再利用，由此通过对水泵/水轮机进排水水流的约束，制造水体旋转产生角动能，圆柱形沉箱体内的水体发生旋转，同时利用超疏水材料即实现防腐、克服水生物寄生的同时，又实现降低水体旋转水对圆柱形沉箱底和箱壁的粘滞力，提高沉箱的稳定性和沉箱储能输出功率密度。

2、本发明的原理为：将圆柱形沉箱锚定海床上或嵌入海床内，利用水域水头势能通过水泵/水轮机进水到圆柱形沉箱体内驱动水轮机发电，以及利用余电启动水泵排空圆柱形沉箱体内水体的过程储能。由于圆柱形沉箱体内外水体相互隔开，在水泵/水轮机的进、排水的导流管道对水流进行约束，同时基于圆柱形沉箱体内壁光滑圆形结构，使水流发生高效的旋转产生角动能，如在圆柱形沉箱体内底部加入水平方向与水体旋转同轴的叶轮，利用水体旋转产生的动能，同风机一样水体旋转带动发电，由此将水轮机进水发电和水泵排水储能没有被利用的动能再利用，提高沉箱储能与发电系统效率。

3、由于在进水发电的同时，沉箱内的气体较低的损耗被压缩到同一水域的气囊中，在排水储能过程释放压缩气体即助力水泵排水，同时又为圆柱形沉箱体内提供恒温、恒湿的气体，保证了沉箱结构的长寿命。

4、考虑圆柱形沉箱置于水底，浮力、水流等对圆柱形沉箱结构稳定性的影响很大，由此基于吸力锚原理将圆柱形沉箱嵌入在水底的淤泥中，同时基于陀螺定轴稳定原理利用圆柱形沉箱体内的水体旋转，进一步保证圆柱形沉箱的稳定性。

5、其中，基于转动动能公式，其中，为水的质量， 为水体旋转的角速度，为水体的转动动能，为水体转动惯量，r为质点与圆柱形沉箱体中心的垂直距离，由于水的粘滞力导致水体的转动角速度降低，由此大大的降低水体转动动能，同时考虑圆柱形沉箱的防腐和水生物寄生问题，充分利用疏水材料防腐和降低水的粘滞力的特点，采用疏水材料进行圆柱形沉箱表面处理，既克服水体转动动能的损失，又解决防腐和水生物寄生问题，获得高效同风机发电和飞轮储能，通过水体旋转带动叶轮发电，在瞬间新能源发不足，有功无功快速支撑电网，由此有效的获取此动能则使沉箱储能功率密度增加。

6、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

7、一种轨道式旋转桨翼沉箱储能发电系统，包括圆柱形沉箱单元、结构支撑单元、轨道式旋转桨翼单元、储能发电单元、沉箱进排气管道、压缩气体单元；所述结构支撑单元、轨道式旋转桨翼单元、储能发电单元，置于圆柱形沉箱单元内部，压缩气体单元置于圆柱形沉箱单元外部，并依据小于最小水头深度或圆柱形沉箱单元所处水体，锚定在圆柱形沉箱单元的顶部；

8、所述结构支撑单元位于圆柱形沉箱单元的中心位置，贯穿沉箱穹顶并与沉箱穹顶连接，对沉箱穹顶起到支撑作用；沉箱进排气管道依附安装在结构支撑单元的内管壁上；轨道式旋转桨翼单元安装在靠近圆柱形沉箱单元的圆柱形沉箱体的内壁区域，通过固定在圆柱形沉箱单元的沉箱穹顶的上链条轨道和沉箱下底的下链条轨道滑动连接；

9、所述圆柱形沉箱单元为圆柱型罐体结构，包括圆柱形沉箱体、上部的沉箱穹顶、沉箱底的多锚室吸力锚结构；多锚室吸力锚结构与圆柱形沉箱单元的沉箱底一体化制造连接，多锚室吸力锚结构嵌入水体底部淤泥层，基于吸力锚原理将圆柱形沉箱单元锚定在水体底部；沉箱穹顶通过垂直安放在多锚室吸力锚结构中心的结构支撑单元进行结构支撑；

10、所述储能发电单元包括电动机/发电机一体机和水泵/水轮机一体机；

11、水泵/水轮机一体机安装在水泵/水轮机舱内；

12、进一步地，所述结构支撑单元包括储能发电进排水通道、储能发电进排水口、环形圆柱隔离舱和水泵/水轮机舱；

13、所述结构支撑单元为圆柱型结构，一体化制造，由上至下依次排列储能发电进排水通道、环形圆柱隔离舱和水泵/水轮机舱，储能发电的沉箱进排水管道由上至下贯通整个结构支撑单元，与水泵/水轮机舱内储能发电单元的水泵/水轮机进排水口连接；

14、结构支撑单元的底部的水泵/水轮机舱安装在沉箱底的中心位置；

15、所述环形圆柱隔离舱与水泵/水轮机舱上下安装，相互密封独立，环形圆柱隔离舱的内环为储能发电进排水通道，并在环形圆柱隔离舱内环壁安装有内环密封舱门和外环壁上安装有外环密封舱门；在环形圆柱隔离舱的底部与水泵/水轮机舱的顶部之间安装水泵/水轮机密封舱门。

16、进一步地，所述沉箱进排气管道依附安装在结构支撑单元的内管壁上，沉箱进排气管道上安装有五个进排气分支管道和阀门，分别为大气进排气分支管道及阀门、环形圆柱隔离舱进排气分支管道及阀门、水泵/水轮机舱进排气分支管道及阀门、圆柱形沉箱体进排气分支管道及阀门和压缩气体单元进排气分支管道及阀门；

17、圆柱形沉箱体进排气分支管道及阀门贯穿沉箱穹顶，与圆柱形沉箱体的内部气体连通，通过电控阀门控制圆柱形沉箱体内的气体进出。

18、进一步地，所述水泵/水轮机舱内安装水泵/水轮机一体机，水轮机的进水口和水泵的出水口为同一个水泵/水轮机进排水口，与储能发电进排水通道连通；水轮机的出水口通过水轮机导流管道穿过水泵/水轮机舱与圆柱形沉箱体的内部连通；水泵的进水口通过水泵导流管道穿过水泵/水轮机舱与圆柱形沉箱体内部连通；水轮机导流管道和水泵导流管道沿水泵/水轮机舱的外圆周水平安放，水轮机导流管道内嵌安装水轮机导流逆止阀，水泵导流管道内嵌安装水泵导流逆止阀，水轮机导流管道口与水泵导流管道口处于同一半径圆周上且朝向相同反。

19、进一步地，所述轨道式旋转桨翼单元包括上链条轨道、下链条轨道、若干个桨翼、环形链条；

20、上链条轨道和下链条轨道为圆柱形沉箱体的同心圆轨道，上链条轨道和下链条轨道内嵌环形链条；上链条轨道固定安装在圆柱形沉箱体的沉箱穹顶上，下链条轨道固定安装在沉箱底；上链条轨道内的环形链条与传动齿轮连接，传动齿轮通过传动轴穿过沉箱穹顶与储能发电单元的电动机/发电机连接；

21、若干个桨翼等距离的安装在上链条轨道、下链条轨道之间；桨翼由桨叶和桨骨组成，桨叶固定安装在桨骨半圆柱的平面一侧上，桨骨的两端分别与上链条轨道和下链条轨道的内环形链条固定连接。

22、进一步地，所述压缩气体单元包括气囊和气囊进排气管道；

23、气囊依据最小水头高度或圆柱形沉箱体的顶部深度，利用圆柱形沉箱体作为锚桩，锚定在圆柱形沉箱体的顶部或周边水体中；

24、气囊通过气囊进排气管道和压缩气体单元进排气分支管道接入沉箱进排气管道，控制进出气囊的压缩气体。

25、进一步地，所述桨翼为可折叠式的，包括子桨叶单元、桨叶滑道框和桨骨；

26、所述子桨叶单元由若干个子桨叶和牵引浮筒组成，子桨叶为横式矩形结构，在横式矩形结构的两侧立边高1/2位置各安装一个转轴，在横式矩形结构的两条水平长边上等分固定各安放两个合页，每个子桨叶之间通过合页连接；

27、其中，最上端子桨叶和最下端子桨叶为1/2高子桨叶，1/2高子桨叶的两端没有安装转轴，1/2高子桨叶同样在两条长边上等分固定各安放两个合页；最上端的1/2高子桨叶的上端与牵引浮筒的下面通过合页连接，1/2高子桨叶的下端通过合页与最上一个子桨叶的下端通过合页连接；

28、最下端的1/2高子桨叶的上端与最下一个子桨叶的下端通过合页连接，1/2高子桨叶的下端通过合页与桨叶滑道框的下边框连接；

29、所述牵引浮筒为倒放的圆柱形密封结构，为抵抗圆柱形沉箱体内的气体压力，内充一定压力的气体，牵引浮筒轴向长度与子桨叶等宽；牵引浮筒的轴向中心分别安装同心的子桨叶的转轴；

30、其中，1/2高子桨叶的上端通过合页与牵引浮筒的下端连接。

31、进一步地，所述桨叶滑道框为立式矩形框，2根立边框为牵引浮筒和子桨叶上下移动的滑动轨道，桨叶滑道框内高度为子桨叶单元纵向展开高度，框内宽度与子桨叶等宽；其中，子桨叶单元中的牵引浮筒在上方，并与每个子桨叶通过转轴内嵌到桨叶滑道框的滑动轨道中，子桨叶单元折叠后水平放置在桨叶滑道框的下边框在上面。

32、进一步地，所述桨叶滑道框的上边框和下边框的中心位置安装桨骨，并与上链条轨道、下链条轨道内的环形链条固定连接；若干个可折叠的桨翼的运动依据流体力学并考虑产生湍流扰动，由此优化设计可折叠的桨翼之间的距离，并等距离的安装在上链条轨道、下链条轨道之间，其中可折叠的桨翼由子桨叶和桨骨组成，子桨叶的结构依据水体动力学设计，由于牵引浮筒中空充气结构具有一定的浮力，减少可折叠的桨翼对下链条轨道的摩擦力，桨骨的两端分别与上链条轨道和下链条轨道的内环形链条固定连接。

33、本发明还提供一种轨道式旋转桨翼沉箱储能发电系统的控制方法，包括如下步骤：

34、步骤1、发电状态时实现如下步骤：

35、步骤1.1关闭环形圆柱隔离舱进排气分支管道阀门、水泵/水轮机舱进排气分支管道阀门、大气进排气分支管道阀门，打开圆柱形沉箱体进排气分支管道阀门和压缩气体单元进排气分支管道阀门，进入发电状态；

36、依据储能发电控制策略控制打开储能发电进排水口密封门，在水头压力作用下水泵/水轮机一体机中的水轮机开始发电，同时水流经水轮机导流管道口的约束下，水体在圆柱形沉箱体内发生旋转；

37、步骤1.2随着圆柱形沉箱体内水位逐步增加，持续的水体旋转动能大于轨道式旋转桨翼单元最小旋转力时，轨道式旋转桨翼单元旋转，带动电动机/发电机一体机的发电机发电；同时依据电网治理控制策略控制电动机/发电机一体机43有功无功输出；

38、步骤1.3随着水轮机发电量的增加，圆柱形沉箱体内的水位逐步升高，当圆柱形沉箱体内的气体压力到达气囊的锚定水深压力时，圆柱形沉箱体内气体经圆柱形沉箱体进排气分支管道及阀门、压缩气体单元进排气分支管道及阀门、气囊进排气管道压缩到气囊中；

39、步骤1.4当电网输出电量满足负荷需求时，依据储能发电控制策略，控制切换水泵/水轮机一体机处于待机状态，或切换到水泵进入排水储能状态，或切换到水轮机进入发电状态；

40、步骤1.5当水轮机发电时，将圆柱形沉箱体的注水趋势沉箱水体上限时，依据历史数据分析、圆柱形沉箱体内的水体优化容量分配和控制策略降低注水速度，控制水泵/水轮机一体机的水轮发电机减少发电输出，维持圆柱形沉箱体内的水体基础旋转速度；

41、步骤2储能状态时实现如下步骤：

42、步骤2.1当有余电时，启动水泵/水轮机一体机中的水泵，圆柱形沉箱体内水体经水泵导流管道口抽出，水流并在水泵导流管道口约束下，启动或持续水体在圆柱形沉箱体内旋转；当水体旋转动能或持续水体旋转动能大于轨道式旋转桨翼单元最小旋转力时，轨道式旋转桨翼单元旋转，经发电机发电；

43、步骤2.2随着圆柱形沉箱体内的水体减少，圆柱形沉箱体内的气体压力下降，当圆柱形沉箱体内的气体压力小于气囊内的气体压力时，依据控制气体压缩与释放策略，控制气囊内的气体向圆柱形沉箱体内释放，提高圆柱形沉箱体内气体压力助力水泵排水；

44、步骤2.3当电网需要治理时，依据电网治理控制策略控制电动机/发电机一体机对电网快速支撑；

45、步骤2.4当余电不足时，依据储能发电控制策略，控制切换水泵/水轮机一体机中的水轮机进入发电状态；

46、步骤2.5当水泵将圆柱形沉箱体内水体排出趋势沉箱水体下限时，依据历史数据分析、圆柱形沉箱体内的水体优化容量分配和储能发电控制策略控制降低排水速度，电动机/发电机一体机退出工作状态减小负荷，维持圆柱形沉箱体内的水体基础旋转速度。

47、有益效果：

48、1）相比抽水蓄能电站解决地质要求高问题；

49、2）不占陆地面积；

50、3）压缩气体助力排水储能；

51、4）海上风电、光伏就地储能和电网快速支撑；

52、5）轨道式旋转桨翼、可折叠桨叶提升排水蓄能发电功率密度；

53、6）沉箱内水体旋转动能同陀螺仪，提高沉箱的稳定性；

54、7）轨道式旋转桨翼发电响应更快，可对电网快速稳定支撑；

55、8）疏水材料既降低水与沉箱壁的粘滞力，又提高沉箱防腐性能。