一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法，包括：功能性储水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、压缩空气系统；所述功能性储水罐位于水体周边，所述密封沉箱位于水体下方预定深度位置；密封沉箱下侧一端安装有水流发电阀门，包括水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与水流发电机阀门呈同心圆轴向相互连接；密封沉箱体上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道，其中抽排水管道经密封沉箱体上部一侧贯穿安装，下部与抽排水发电一体机一端连接，另一端与功能性储水罐连通，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式。压缩空气系统中进排气管道一端焊接在密封沉箱体上部一侧，与密封沉箱体内部气体连通。与密封沉箱体内部气体连通。与密封沉箱体内部气体连通。

【技术实现步骤摘要】
一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及能源与机电领域，尤其是一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法。

技术介绍

[0002]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，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地形地貌满足上下储水条件建造，然而海上风电、水上漂浮式光伏，在海洋、湖泊等不具备上储水条件地区，不具备上下储水势能发电条件，无法实现抽水蓄能。又由于海上风电、水上漂浮式光伏受天气影响很大，新能源发电强弱变化莫测，无法保证可靠性的储能。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种气液储能与发电系统及控制方法，对于功能性大量用水，如海水淡化、城市供水、大型排水灌溉、大型水冷却系统、海岛储能发电等，能够将在用水过程中的相关物理量充分利用，如压力、流量、浮力、重力转换另一种能量存储。针对大形水体如海洋、湖泊等具有一定规模深度的水体，充分利用水深压力，水动势能做功转换能量发电和压缩气体，确保可靠的储能和发电。
[0004]本专利技术的技术方案为：一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，包括：
[0005]功能性储水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、压缩空气系统；
[0006]所述功能性储水罐位于水体周边，所述密封沉箱位于水体下方预定深度位置；
[0007]所述密封沉箱下侧一端安装有水流发电阀门组，包括水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与水流发电机阀门呈同心圆轴向相互连接；
[0008]所述密封沉箱上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道，其中抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，抽排水管道下端与抽排水发电一体机一端连接，置于密封沉箱内侧底部，抽排水发电一体机与密封沉箱内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；
[0009]抽排水管道在水面位置下方处安装有进排水阀，在控制器的控制下进行进水或排水；
[0010]抽排水管道上端与功能性储水罐连通，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行
发电模式或压缩空气模式；
[0011]抽排水管道下部且在密封沉箱上部处连接有注水管道，注水管道另一端与水流发电阀门组连接，提供水流发电机发电的注水通道；
[0012]压缩空气系统通过进排气管道与密封沉箱内部气体连通，所述进排气管道一端安装在密封沉箱上部一侧；
[0013]所述控制器基于当前发电余量、功能性储水罐的储水量、压缩空气系统内的空气压力状况进行综合判断，确定系统的运行状态；基于该运行状态控制发电系统运行，具体控制过程包括：
[0014]打开密封沉箱水流发电阀门组，水体在密封沉箱内外压力差作用下，水流压力冲击水流发电机做功，同时依据水流发电机位于水体深度h
外水
的压力P
外水
将密封沉箱内气体压缩；
[0015]释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中。
[0016]所述功能性储水罐位于水体周边，满足功能用水配备的储水罐，如海水淡化、生活用水厂、大型冷却用水、抽水灌溉等。其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。
[0017]其中，水流发电阀门组由水流发电机和水流发电机阀门组成，水流发电机与水流发电机阀门呈同心圆轴向相互连接。
[0018]所述的，密封沉箱考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，外形类似椭圆型或长方体结构，在密封沉箱一侧面靠近底部嵌入安装一套水流发电阀门组；密封沉箱锚定预定的水体深度。
[0019]密封沉箱体上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道。其中抽排水管道经密封沉箱体上部一侧贯穿安装，抽排水管道下端与抽排水发电一体机连接，置于密封沉箱近底部，抽排水发电一体机与密封沉箱体内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；抽排水管道靠近水面下处安装有进排水阀，用于防止对水体底部生态扰动，在控制器的控制下进行进或排水。
[0020]抽排水管道上端与功能性储水罐连通。抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式。
[0021]抽排水管道下部靠近密封沉箱上部处连接有注水管道，注水管道另一端与水流发电阀门组进口连接，提供水流发电机发电的注水通道。
[0022]压缩空气系统中进排气管道一端安装在密封沉箱体上部一侧，与密封沉箱体内部气体连通。
[0023]其中，位于一侧面上的水流发电阀门组，水流发电机阀门在密封沉箱的外侧，水流发电机在密封沉箱内侧。水流发电机阀门在控制器控制下线性开合，控制水流通过水流发电机的流量，实现发电输出功率的控制。
[0024]所述的，压缩空气系统由压缩气罐、空压发电一体机、进排气管道、三通进排气阀门、进排气阀门组成。其中，压缩气罐、空压发电一体机置于位于水体地面。
[0025]三通进排气阀门分别与压缩气罐、空压发电一体机和环境大气连接，分别控制压缩气罐与空压发电一体机连通，控制密封沉箱内气体与压缩气罐交互；控制空压发电一体
机与环境大气连通，控制密封沉箱内气体与环境的交互。
[0026]所述的空压发电一体机另一端与进排气管道连接，在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式。进排气管道的另一端与密封沉箱连接，建立大气或压缩气罐的气流通道，在进排气管道的上端靠近空压发电一体机陆地处安装有进排气阀门，可用于压缩气体对水流发电过程控制和应急电网快速支撑作用。
[0027]所述的控制器置于压缩气罐环境中，向下通过有线或无线对系统内的数据监测和控制；向上通过有线或无线发送系统数据信息、接收上级调度信息，包括新能源发电信息。
[0028]其中，空压发电一体机和抽排水发电一体机，在发电时刻可在控制器的控制下改排变气或排水的流量，2个极端状态：最大流量时无阻力流过，最小关闭流量为零。发电功率相对水流发电机发电功率较小。
[0029]工作原理：
[0030]初始状态：密封沉箱置于一定深度h
外水
的水体中，压力为P
外水
＝ρ
水
gh
外水
；密封沉箱内水深h
内水
＝0，无水体积V
t1内
，气体压力P
t1内
＝P0。压缩气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，包括：功能性储水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、压缩空气系统；所述功能性储水罐位于水体周边，所述密封沉箱位于水体下方预定深度位置；所述密封沉箱下侧一端安装有水流发电阀门组，包括水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与水流发电机阀门呈同心圆轴向相互连接；所述密封沉箱上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道，其中抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，抽排水管道下端与抽排水发电一体机一端连接，置于密封沉箱内侧底部，抽排水发电一体机与密封沉箱内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；抽排水管道在水面位置下方处安装有进排水阀，在控制器的控制下进行进水或排水；抽排水管道上端与功能性储水罐连通，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式；抽排水管道下部且在密封沉箱上部处连接有注水管道，注水管道另一端与水流发电阀门组连接，提供水流发电机发电的注水通道；压缩空气系统通过进排气管道与密封沉箱内部气体连通，所述进排气管道一端安装在密封沉箱上部一侧；所述控制器基于当前发电余量、功能性储水罐的储水量、压缩空气系统内的空气压力状况进行综合判断，确定系统的运行状态，基于该运行状态控制发电系统运行，具体控制过程包括：打开密封沉箱水流发电阀门组，水体在密封沉箱内外压力差作用下，水流压力冲击水流发电机做功，同时依据水流发电机位于水体深度h
外水
的压力P
外水
将密封沉箱内气体压缩；释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中。2.根据权利要求1所述的一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，包括：密封沉箱内部采用蜂窝状结构支撑，外形为椭圆体或长方体结构，在密封沉箱一侧面嵌入安装一套所述的水流发电阀门组；密封沉箱锚定在预定的水体深度。3.根据权利要求2所述的一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，位于一侧面的水流发电阀门组，水流发电机阀门在密封沉箱的外侧，水流发电机在密封沉箱内侧，水流发电机阀门在控制器控制下线性开合，控制水流通过水流发电机的流量，实现发电输出功率的控制。4.根据权利要求1所述的一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，所述的压缩空气系统包括压缩气罐、空压发电一体机、进排气管道、三通进排气阀门、进排气阀门；其中，压缩气罐、空压发电一体机置于位于水体以上的地面，三通进排气阀门分别与压缩气罐、空压发电一体机和环境大气连接，分别控制压缩气罐与空压发电一体机连通，控制密封沉箱内气体与压缩气罐交互；控制空压发电一体机与环境大气连通，控制密封沉箱内气体与环境的交互；所述的空压发电一体机一端与三通进排气阀门连接，另一端与进排气管道连接，在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式；所述进排气管道的一端与密封沉箱连接，建
立大气或压缩气罐的气流通道，在进排气管道的另一端位于水面以上，安装有进排气阀门，用于压缩气体对水流发电过程控制和支撑应急电网发电。5.一种利用权利要求1
‑
4之一的系统进行气液储能与发电的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，同时将密封沉箱中的气体压缩到压缩气罐中；具体如下：步骤1.1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，控制水流发电机发电做功功率P
水
；步骤1.2、当密封沉箱内空气压力P
t内
＝P
t压缩
时，启动储气和气流发电过程，所述P
t压缩
为压缩气罐中的气体压力；步骤1.3、调控压缩空气保证水流发电机最佳发电；步骤1.4、当P
t压缩
＞P
δ
进行排气调控保证最佳压力差ΔP
发电
，所述P
δ
为抽排水发电一体机扬程出口压力阈值；步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭；步骤2、释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中，具体包括：步骤2.1、判断P
余电
≥P
δ余电
、P
t压缩
＞P
δ
，所述的P
余电
为电网的余电电量，P
δ余电
为余电电量阈值，满足条件时开始蓄水，直到达到最大容量；步骤2.2、新能源发电余电低于阈值或趋近于零时，通过压缩气罐中的压缩气体压力排水蓄能；步骤2.3、进一步利用压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；步骤2.4、当电网中有余电时，利用余电提供给抽排水发电一体机进行抽排水，保证密封沉箱内蓄水储能的最大容量。6.根据权利要求5所述的气液储能与发电的控制方法，其特征在于，所述步骤1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，同时将密封沉箱中的气体压缩到压缩气罐中，具体包括如下步骤：控制器分别打开进排水阀门、密封沉箱水流发电机阀门，控制三通进排气阀门处于空压缩发电一体机与压缩空气罐连通状态、抽排水发电一体机处于关闭状态、空压缩发电一体机进入发电模式，进排水阀门打开处于抽排水管道与外水体近水面连通状态，此时水流由进排水阀门注入，经抽排水管道、注水管道到达水流发电机阀门，在水体深度压力下控制水流流量发电，密封沉箱的注水发电与压缩空气储能过程步骤如下：步骤1.1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，控制水流发电机发电做功功率P
水
，基于密封沉箱初始状态，通过密封沉箱内外压力P
外水
＞P
t1内
时，以及水流发电机阀门的开度s
k
，调整输出水流发电机发电做功功率P
水

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