一种水沙蓄能发电系统技术方案

一种水沙蓄能发电系统，其上蓄沙库(1)和上蓄水池(21)位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库(11)、下蓄水池(12)和水泵(18)位于水沙蓄能发电系统的下部。类水轮机(10)安装在上蓄沙库(1)和下蓄沙库(11)之间；传送机组位于水沙蓄能发电系统的一侧。上蓄水池(21)的底部高于上蓄沙库(1)的顶部。下蓄水池(12)低于下蓄沙库(11)的底部水平面。本发明专利技术利用山势建造水沙蓄能发电系统，利用“粮仓效应”将沙子重力分解，降低上蓄沙库底部承重，并利用沙子的重力势能，在水的作用下克服沙子流动时的粘滞阻力，使沙水势能转换动能做功，驱动类水轮机发电，落下的沙水利用地势进行沙水分离，有余电时提沙抽水蓄能。

A power generation system with water and sand energy storage

【技术实现步骤摘要】
一种水沙蓄能发电系统
本专利技术涉及一种蓄能电站。
技术介绍
众所周知光伏、风力发电的不确定性和不稳定性，造成电网的波动，由此带来的是大面积的弃风和弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。抽水蓄能、压缩空气储能、化学储能是很好的解决方法。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60％～70％之间，当前全球最大的处于运行中的抽水蓄能电站是位于美国佛吉尼亚州的巴斯康蒂抽水蓄能电站，容量达到3吉瓦，发电最大时长为10小时18分钟。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，主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故的备用任务，一是改善特高压电网的运行特性，更好地促进清洁能源消纳能力。二是提高电力系统安全可靠性，在特高压电网中充分发挥“稳定器”、“调节器”、“平衡器”的作用。由此国家加大、加快抽水蓄能电站的设计建设力度。目前抽水蓄能电站集中在南方水源充沛地区建造，然而急需要储能电站支撑的西北却是贫水地区，西北地区的建设成本、地质条件、环境因素、下游生态等都制约着抽水蓄能电站发展。由暴雨、冰雪融化等水源激发的泥石流含有大量泥沙石块，介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流，在自身重力势能转换成动能的作用下发生运动。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最高可达80％左右。当泥石流从山上冲下的过程中既有动能又有势能，势能减少动能增加，势能转化成动能，来势凶猛，因其高速前进，具有强大的能量。受高含沙水的黄河启发，黄河高含沙水具记载，1953～1971年，黄河支流皇甫川河口断面日平均含沙量超过500kg/m3达109天，超过800kg/m3达33天，超过1000kg/m3达6天，最大日平均含沙量为1310kg/m3，属高含沙水流：含沙量达到每立方米数百千克以至一千千克以上的水流。由沙子堆积密度一般取1300-1600kg/m3(与含水率有关)，取高含水值为1600kg/m3，则每立方米沙水占比为：1310/1600*100％＝82％，也即利用20％的水克服沙子的粘滞阻力，使高沙水流动。人类很好地利用自然现象，如抽沙机是利用一定的沙水比例，克服沙子的粘滞阻力，将河、海中的沙子抽出，或含固体颗粒的沙浆、灰浆、矿渣等输送到另一现场，输送的固液混合浓度可达到60％。天鲲号是亚洲最大自航绞吸挖泥船，是人类巧妙利用沙水混合疏浚改造自然的案例。设计每小时挖泥6000立方米，绞刀额定功率6600千瓦，最大可达9900千瓦。综上所述，无论是泥石流、黄河的高沙水和抽沙机，都是沙子与水混合在重力或外力的作用下，通过水降低沙子的粘滞阻力，使沙水移动。从上述得知：泥石流最大固体可达80％，也就是说80％沙和20％水的比例，而黄河最大含沙量为82％。如利用泥石流成因机理采用80％沙和20％水、依山势创建人造“泥石流”，可以利用重力势能转换动能做功发电。即，利用山势建设占比为80％沙和20％水或大于20％水的提沙抽水储能电站，其优点是，建设提沙抽水储能电站成本、技术含量及地质条件要求低，可利用山坡、废弃矿山、矿井等地质条件，沙子来源丰富、用水相对少、无污染，对当地及下游生态不会造成破坏，可操作性强，适合西北地区的需求，使采用提沙抽水蓄能成为可能，还可以提供新的经济增长点。然而高沙水发电对水轮机的摩擦损耗较大，而如天鲲号自航绞吸挖泥船等已很好的解决类似问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种水沙蓄能发电系统，以解决贫水地区新能源发电波动性大、负荷特性不匹配的问题，同时可以避免由于兴修抽水蓄能电站带来下游生态破坏、化学储能后处理的污染等。本专利技术中，同样高度的重力势能是水的近1.5倍，可依山坡兴建地质要求低，沙子原料丰富，水的用量少，无污染，不破坏生态，特别适合贫水地区。本专利技术水沙蓄能发电系统发电时利用沙子的重力势能和在水的作用下降低沙子流动时的粘滞阻力，避免“粮仓效应”，利用上蓄沙库的锥形底部创建如“泥石流”条件，使沙水势能转换动能做功驱动类水轮机发电，落下的沙水利用地势进行沙水分离。并利用发电的余电，通过传送机、水泵将沙子和水分别回传送到蓄沙库和蓄水池中。本专利技术利用陡峭山势建造抽水蓄能电站的同时，又利用“粮仓效应”将大量的沙子重力分解，解决抽水蓄能电站底部承重问题。所述的“粮仓效应”是当粮仓底部的压力在粮仓高度大于底部直径的2倍后便不再增加，即当容器内颗粒的高度超过-定值后，底部压力基本保持常数，不再随高度增高而增加。所述的类水轮机是指能够适用于本专利技术的沙水比例发电机的设备。本专利技术水沙蓄能发电系统由上蓄沙库、下蓄沙库、上蓄水池、下蓄水池、类水轮机、水泵以及传送机组组成。所述的上蓄沙库和上蓄水池位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库、下蓄水池和水泵位于水沙蓄能发电系统的下部；类水轮机安装在上蓄沙库和下蓄沙库之间。传送机组位于水沙蓄能发电系统一侧。其中，上蓄水池依地质条件建在上蓄沙库的一侧，上蓄水池的底部高于上蓄沙库的顶部。下蓄水池依地质条件建在下蓄沙库的一侧并低于下蓄沙库底部水平面，水泵安装在下蓄水池上。所述的上蓄沙库由库体、给水系统、沙水控制阀门、泄沙水管道和给水管道组成。库体的轴向截面为漏斗形状，库体上部为半圆柱体，下部为半圆锥体。其中，给水系统由上至下垂直安装在上蓄沙库内，给水系统的进水口端与给水管道的一端连接，给水管道的另一端与给水阀门连接。沙水控制阀门位于库体下部的半圆锥体底部，并与泄沙水管道上部连接，泄沙水管道下部与类水轮机入口连接，类水轮机出口接入下蓄沙库，下蓄沙库位于类水轮机的下部。所述的给水系统由柱状给水管道、N个环形给水管道、k1梯级阀门～kN梯级阀门、弧形给水管道、控水阀门、进水口和射水口阀门组成，N为正整数。其中N个梯级阀门等距离排列安装在柱状给水管道上，由下至上按照1～N的顺序排列；N个环形给水管道等距离排列，与N个梯级阀门对应连接。其中第一个环形给水管道上垂直安装若干个柱状喷淋管，在柱状喷淋管上装有若干喷头，其余的每个环形给水管道上环形排列有若干排水孔。其中，弧形给水管道位于上蓄沙库半圆体上边缘处，弧形给水管道的一端通过安装在柱状给水管道上的控水阀门与柱状给水管道连接，弧形给水管道的另一端密封。弧形给水管道上排列有若干排水孔，弧形给水管道通过此排水孔向库体的半圆锥体表面排水，降低沙子与半圆锥体表面的摩擦力。柱状给水管道的一端为进水口，与给水管道的一端连接，柱状给水管道的另一端为射水口阀门，射水口阀门布置于第一环形给水管道的中心位置。当给水系统分时、分层排出的水与沙子混合时，沙子之间、沙子与半圆锥体底部的摩擦力降低，由此避免了“粮仓效应”发生。沙子在重力的作用下向半圆锥体底部移动，当沙子移动到第一环形给水管道处进一步与水混合，使水比例提高，减少沙子与沙子之间的粘滞阻力，是沙子如同水一般流动，提供稳定连续的重力势能。当给水系统射水口阀门打开时，沙子在水流冲击作用下加速下行，提高发电的响应时间。当沙水通过沙水控制阀门时，在沙水控制阀门的控制下，沙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水沙蓄能发电系统，其特征在于，所述的水沙蓄能发电系统由上蓄沙库(1)、下蓄沙库(11)、上蓄水池(21)、下蓄水池(12)、类水轮机(10)、水泵(18)以及传送机组组成；上蓄沙库(1)和上蓄水池(21)位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库(11)、下蓄水池(12)和水泵(18)位于水沙蓄能发电系统的下部；类水轮机(10)安装在上蓄沙库(1)和下蓄沙库(11)之间；传送机组位于水沙蓄能发电系统的一侧；所述的上蓄水池(21)建在上蓄沙库(1)的一侧，上蓄水池(21)的底部高于上蓄沙库(1)的顶部；下蓄水池(12)依地质条件建在下蓄沙库(11)的一侧，并低于下蓄沙库(11)的底部水平面，水泵(18)安装在下蓄水池(12)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种水沙蓄能发电系统，其特征在于，所述的水沙蓄能发电系统由上蓄沙库(1)、下蓄沙库(11)、上蓄水池(21)、下蓄水池(12)、类水轮机(10)、水泵(18)以及传送机组组成；上蓄沙库(1)和上蓄水池(21)位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库(11)、下蓄水池(12)和水泵(18)位于水沙蓄能发电系统的下部；类水轮机(10)安装在上蓄沙库(1)和下蓄沙库(11)之间；传送机组位于水沙蓄能发电系统的一侧；所述的上蓄水池(21)建在上蓄沙库(1)的一侧，上蓄水池(21)的底部高于上蓄沙库(1)的顶部；下蓄水池(12)依地质条件建在下蓄沙库(11)的一侧，并低于下蓄沙库(11)的底部水平面，水泵(18)安装在下蓄水池(12)上。


2.根据权利要求1所述的水沙蓄能发电系统，其特征在于，所述的上蓄沙库(1)由库体、给水系统、沙水控制阀门(5)、泄沙水管道(6)和上给水管道(4)组成；上蓄沙库(1)库体的轴向截面为漏斗形状，库体上部为半圆柱体(7)，下部为半圆锥体(8)；给水系统由上至下垂直安装在上蓄沙库(1)内，给水系统的进水端(13)与上给水管道(4)的一端连接，上给水管道(4)的另一端与上给水阀门(9)连接；沙水控制阀门(5)位于库体半圆锥体(8)的底部，并与泄沙水管道(6)的上部连接，泄沙水管道(6)的下部与类水轮机(10)入口连接，类水轮机(10)的出口接入下蓄沙库(11)；下蓄沙库(11)位于类水轮机(10)的下部；
所述的给水系统由柱状给水管道(2)、第一环形给水管道(25)、第二环形给水管道(26)、第三环形给水管道(27)，……，第N-1环形给水管道(29)、第N环形给水管道(30)、k1梯级阀门(25’)、k2梯级阀门(26’)、k3梯级阀门(27’)、……、kN-1梯级阀门(29’)、kN梯级阀门(30’)、弧形给水管道(3)、控水阀门(3’)、进水口(13)和射水口阀门(14)组成；k1梯级阀门(25’)、k2梯级阀门(26’)、k3梯级阀门(27’)、……、kN-1梯级阀门(29’)、kN梯级阀门(30’)等距离安装在柱状给水管道(2)上，由下至上按照1～N的顺序排列；第一环形给水管道(25)、第二环形给水管道(26)、第三环形给水管道(27)，……，第N-1环形给水管道(29)，第N环形给水管道(30)等距离排列，第一环形给水管道(25)、第二环形给水管道(26)、第三环形给水管道(27)，……，第N-1环形给水管道(29)，第N环形给水管道(30)分别与k1梯级阀门(25’)、k2梯级阀门(26’)、k3梯级阀门(27’)、……、kN-1梯级阀门(29’)、kN梯级阀门(30’)对应连接；其中第一环形给水管道(25)上垂直安装若干个柱状喷淋管(31)，在柱状喷淋管(31)上装有若干喷头，其余每个环形给水管道上环形排列有若干排水孔；
弧形给水管道(3)位于半圆锥体(8)上边缘处，弧形给水管道(3)的一端通过安装在柱状给水管道(2)上的控水阀门(3’)与柱状给水管道体(2)连接，弧形给水管道(3)的另一端密封；弧形给水管道(3)上有若干排水孔，弧形给水管道(3)通过此排水孔向库体的半圆锥体(8)表面排水，降低沙子与库体的半圆锥体(8)表面的摩擦力；柱状给水管道(2)的一端为进水口(13)，进水口(13)与上给水管道(4)的一端连接，柱状给水管道(2)的另一端为射水口阀门(14)，射水口阀门(14)布置于第一个环形给水管道(25)的中心位置。

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【专利技术属性】
技术研发人员：杨子龙，王哲，雷鸣宇，陈卓，黄欣科，王一波，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11