综合物理储能系统技术方案

本发明专利技术属于机械储能技术领域，旨在解决现有的抽水储能系统建址困难且对环境造成破坏的问题，具体涉及一种综合物理储能系统，包括控制中心、变流装置、地上水库、防水洞、地下空间、装设于防水洞内部的抽水装置和水轮机。初始状态下，地下空间充满水；在用电低谷时，启动空气压缩机，压缩空气挤压地下空间的水，水从地下空间逐渐挤压至地上水库，电能转换为压缩空气的势能和地上水库中水的重力势能；在用电高峰时，启动膨胀机，地下空间的压缩空驱动膨胀机发电，待压缩空气压力达到大气压力后，关闭膨胀机，同时启动水轮机，地上水库的水驱动水轮机发电。本发明专利技术无需要修建地上水库，不额外占用土地，成本低、储能量大、环境友好、安全无任何污染。无任何污染。无任何污染。

【技术实现步骤摘要】
综合物理储能系统


[0001]本专利技术属于机械储能
，具体涉及一种综合物理储能系统。

技术介绍

[0002]大力发展可再生能源并实现清洁能源变革，是实现碳达峰、碳中和的重要途径。由于新能源发电受气候条件的影响，导致波动性大，其大规模并网将影响电网的稳定性。储能技术是有效解决新能源并网稳定性的重要技术途径，是绿色环保的新能源大规模高效开发利用、实现我国能源领域绿色可持续发展战略的重要保障。
[0003]抽水储能和压缩空气储能等物理储能技术具有安全可靠、可规模化、环境友好无污染以及经济性好等优势，抽水储能技术成熟，应用广泛。但传统的抽水储能也存在很多不足，首先传统抽水储能对地形和地势依赖严重，不仅要有充足的水资源还要有足够的地形落差用来修建上下游水库。我国可修建传统抽水储能的地理资源极其有限，选址困难；修建面积大的上、下游水库会对生态环境造成很大破坏，且影响当地的生态系统；以上特点导致传统抽水蓄能系统无法广泛应用。
[0004]新加坡、俄罗斯和日本等曾经提出建设地下抽水储能电站的设想，甚至建成示范电站(水利水电快报18卷21期、26卷8期、27卷14期)，虽然可以缓解选址困难和对地形、地势的严重依赖程度，但要修建地上水库，不仅占用大量土地，而且建设成本较高。
[0005]现有技术中公开的利用废弃矿井，提出了多种不同形式的抽水储能系统；但废弃矿井的选址受到限制，只能选择有废弃矿井的地方；煤矿等废弃矿井因安全等问题国家管控严格，可利用的废弃矿井数量有限，能用于抽水储能的更为有限；由于水的渗漏和浸泡等问题，废弃矿井的改造费用也较为高昂。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的抽水储能系统选址困难且对环境造成破坏等问题，本专利技术的第一方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、空气压缩装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的上方；所述水轮机设置于所述防水洞的内部；所述空气压缩装置设置于地面；
[0007]所述空气压缩装置包括空气压缩机和输气管道，所述空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压所述地下空间中的水至所述地上水库；
[0008]该综合物理储能系统初始状态时，地下空间为充满水的状态；
[0009]在用电低谷时，所述控制中心启动空气压缩机，压缩空气通过输气管道挤压地下空间的水，使水从地下空间通过输水管道逐渐被提升至地上水库中，在地下空间的水全部被提升后，关闭水阀门，电能转换为压缩空气的势能和水的重力势能；
[0010]在用电高峰时，所述控制中心启动膨胀机，所述地下空间的压缩空气驱动空气膨胀机并带动发电机发电，待压缩空气压力达到本地大气压力后，控制中心关闭膨胀机，同时
打开水阀门并启动所述水轮机，所述地上水库的水通过输水管道驱动水轮机带动发电机发电。
[0011]在一些优选实施例中，所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；
[0012]所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；所述地上水库与所述地下空间的底部之间设置有回水管道；所述输气管道远离所述空气压缩装置的一端与所述地下空间的顶部腔室连通；
[0013]初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态；
[0014]处于用电高峰时，所述控制中心启动所述水轮机，从所述地上水库流出的水驱动所述水轮机发电，电能经所述变流装置输送至电网；当所述地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭所述水轮机，完成供电；
[0015]处于用电低谷时，所述控制中心启动所述空气压缩装置将所述地下空间内部的水通过所述回水管道挤压至所述地上水库，以存储重力势能，同时在所述地下空间的腔室内部存储压缩空气的势能；当所述地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭所述空气压缩装置；
[0016]当再次需要用电时，从所述地上水库流下的水驱动所述水轮机发电，以把水的重力势能转换为电能；并且，从所述地上水库流下的水挤压所述地下空间内部的压缩空气通过所述输气管道驱动所述膨胀机发电，以把压缩空气的势能转换为电能。
[0017]本专利技术的第二方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、抽水装置、空气压缩装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的下方；所述地下空间设置于所述防水洞的下方；所述抽水装置与所述水轮机装设于所述防水洞的内部；
[0018]所述变流装置、所述地上水库、所述地下空间、所述防水洞、所述抽水装置、所述空气压缩装置、所述水轮机均与所述控制中心信号连接；所述变流装置的一端与所述空气压缩机、所述水轮机、所述抽水装置通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节所述空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；
[0019]所述空气压缩装置包括空气压缩机和膨胀机，所述空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压所述地下空间中的水至所述地上水库，以存储水的重力势能以及压缩空气的势能；
[0020]所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；
[0021]所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；所述抽水装置通过吸水管与所述地下空间的底部连通；所述输气管道远离所述空气压缩装置的一端与所述地下空间的顶部腔室连通；
[0022]初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态且腔室内充满压缩空气；
[0023]处于用电高峰时，所述控制中心启动所述膨胀机，压缩空气通过所述输气管道驱动所述膨胀机发电，电能通过所述变流装置回馈至电网；当压缩空气的压力降至大气压时，启动所述水轮机，从所述地上水库流出的水驱动所述水轮机发电，电能经所述变流装置输送至电网；当所述地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当所述地上水库内的水位到
达预设下限高度时，关闭所述水轮机，完成供电；
[0024]处于用电低谷时，所述控制中心启动所述抽水装置，将所述地下空间内部的水抽取至所述地上水库，以存储重力势能；当所述地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭所述抽水装置；所述控制中心启动所述空气压缩装置，向所述地下空间内压缩空气，当所述地下空间内的压力达到预设压力时关闭所述空气压缩装置，完成系统充电。
[0025]在一些优选实施例中，所述地下空间为隧洞，所述隧洞的埋深为H，H∈100m，1500m。
[0026]在一些优选实施例中，所述抽水装置包括一台或多台水泵；
[0027]当所述水泵为多台时，多台所述水泵协同工作。
[0028]在一些优选实施例中，所述水轮机为一台或多台；
[0029]当所述水轮机为多台时，多台所述水轮机协同工作。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种综合物理储能系统，其特征在于，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、空气压缩装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的上方；所述水轮机设置于所述防水洞的内部；所述空气压缩装置设置于地面；所述空气压缩装置包括空气压缩机和输气管道，所述空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压所述地下空间中的水至所述地上水库；该综合物理储能系统初始状态时，地下空间为充满水的状态；在用电低谷时，所述控制中心启动空气压缩机，压缩空气通过输气管道挤压地下空间的水，使水从地下空间通过输水管道逐渐被提升至地上水库中，在地下空间的水全部被提升后，关闭水阀门，电能转换为压缩空气的势能和水的重力势能；在用电高峰时，所述控制中心启动膨胀机，所述地下空间的压缩空气驱动空气膨胀机并带动发电机发电，待压缩空气压力达到本地大气压力后，控制中心关闭膨胀机，同时打开水阀门并启动所述水轮机，所述地上水库的水通过输水管道驱动水轮机带动发电机发电。2.根据权利要求1所述的综合物理储能系统，其特征在于，所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；所述地上水库与所述地下空间的底部之间设置有回水管道；所述输气管道远离所述空气压缩装置的一端与所述地下空间的顶部腔室连通；初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态；处于用电高峰时，所述控制中心启动所述水轮机，从所述地上水库流出的水驱动所述水轮机发电，电能经所述变流装置输送至电网；当所述地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭所述水轮机，完成供电；处于用电低谷时，所述控制中心启动所述空气压缩装置将所述地下空间内部的水通过所述回水管道挤压至所述地上水库，以存储重力势能，同时在所述地下空间的腔室内部存储压缩空气的势能；当所述地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭所述空气压缩装置；当再次需要用电时，从所述地上水库流下的水驱动所述水轮机发电，以把水的重力势能转换为电能；并且，从所述地上水库流下的水挤压所述地下空间内部的压缩空气通过所述输气管道驱动所述膨胀机发电，以把压缩空气的势能转换为电能。3.一种综合物理储能系统，其特征在于，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、抽水装置、空气压缩装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的下方；所述地下空间设置于所述防水洞的下方；所述抽水装置与所述水轮机装设于所述防水洞的内部；所述变流装置、所述地上水库、所述地下空间、所述防水洞、所述抽水装置、所述空气压缩装置、所述水轮机均与所述控制中心信号连接；所述变流装置的一端与所述空气压缩机、所述水轮机、所述抽水装置通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节所述空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；所述空气压缩装置包括空气压缩机和膨胀机，所述空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压所述地下空间中的水至所述地上水库，以存储水的重力势能以及压缩
空气的势能；所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；所述抽水装置通过吸水管与所述地下空间的底部连通；所述输气管道远离所述空气压缩装置的一端与所述地下空间的顶部腔室连通；初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态且腔室...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖立业，张京业，邱清泉，聂子攀，王粟，唐文冰，郭文勇，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：