抽水储能电站的浮筒式抽水系统的制作方法

1.本发明属于电力系统中的物理储能领域，涉及一种抽水储能电站的浮筒式抽水系统。


背景技术：

2.随着新型电力系统建设的持续推进，电力系统呈现出高比例可再生能源、高比例电力电子设备的特征，然而风能和太阳能等可再生能源发电技术存在具有不稳定性、随机性、间歇性的缺点，极易产生供需错配问题。具体来说，风电、光电站分别在凌晨、中午发电最大，而用电高峰在早晨10点和晚上8点，而这些发电站的发电高峰时段分布与用电负荷高峰时段存在较大的错位矛盾。发电高峰与用电高峰不对应，导致发电高峰期用不掉的多余电能被白白浪费掉，而用电高峰期恰恰又不是发电高峰期，又会出现电网负荷大供应不足的问题。此外，季节、天气等因素也将加大系能源发电的不稳定性。随着波动性和间歇性可再生能源在电源结构中占的比持续增长，供应侧也将出现随机波动的特性，电网频率控制愈发重要，调峰调频需求日益迫切，解决这一问题的有效方法是采用电力储能系统，将发电高峰期大量富裕的低价电力储存起来，利用电力储能系统平滑电力系统发电的输出和削峰填谷，均衡电网的负荷。
3.电力储能包括机械储能、电化学储能、电磁储能、热储能、化学储能等多种方式。电化学储能最常见的就是使用大量的蓄电池进行充放电，机械储能则有较为常见的抽水储能、重力储能及压缩空气储能等。当然，抽水储能也是重力储能的一种，利用发电高峰期电网上富裕的低价电能将水抽到更高位置的水库（例如山顶水库），用电高峰时再将水库的水引下来至发电机组进行水力发电，利用的是水的势能。常见的山顶水库储能是将位于低洼地的水源用抽水机抽到位于高处如山顶的蓄水池内，在用电高峰时在开闸将高处的水泄放下来冲击水力发电机的叶轮进行发电。另外是直接利用自然的湖泊洞穴或者矿坑一类的，将高于这些低洼处的自然河流湖泊的水直接引到低处的矿坑进行发电。这样可以利用天然形成的有利地形或者是二次利用的原则，可以极大地降低储能电站的建造成本，进一步提高利润率。这在最近几年已被广为开发使用，因为经过勘察，我国很多地方都存在这些有利的地形。但是，与传统的人工在高处建立蓄水池的方式不同，传统的高处蓄水池，其发电机叶轮位于下方，且推动发电机叶轮的水进入到低洼处的河流或者自然湖泊时，以人工蓄水池的蓄水量来说对发电机叶轮下方的水位几乎不造成任何影响，但是以矿坑等低洼处的蓄水情况来说，以利用矿坑建造储能电站为例，由于矿坑一般库容量有限，因此随着水力发电的持续进行，矿坑内水位会逐渐上升，此时，位于最低处以最大限度利用水力势能的发电机叶轮就会逐渐沉没入水中造成运转阻力，降低了运转的效率。而在抽水时，过长的引水管也降低了水泵的扬程能力，提高了能耗。而储能电站本身是靠用电高低峰时的不同电价的价差来创造利润，因此，对于本身的运作效率非常敏感。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种抽水储能电站的浮筒式抽水系统，能够根据水位的变化随时改变发电机的位置，提高运转效率。
5.为解决上述问题，本发明所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，所述的抽水储能电站，包含有相互独立且两者之间又互相临近的第一水库及第二水库；所述的第一水库的水位高于所述的第二水库，第二水库的底部低于第一水库的水位以保证有足够的发电落差；所述的第一水库与所述第二水库之间有输水管进行水流互通；抽水发电一体机，兼备抽水和发电的功能；所述抽水发电一体机的叶轮位于第二水库的导水管的末端下方，进行抽水或者发电；所述导水管的另一端与所述输水管连接；所述的导水管具有伸缩性，可变换长度；所述的抽水发电一体机在用电波谷期时，工作在抽水状态，此时叶轮以及所述导水管的末端浸没于所述第二水库的水面以下，将所述第二水库的水抽出至第一水库，以清理出所述第二水库的库容；在用电高峰期时，所述叶轮位于所述第二水库的水面以上，利用第一水库与第二水库之间的水位落差，水流沿导水管冲击叶轮，实现在用电高峰期时的水力发电；所述的抽水发电一体机位于一个具有浮筒式结构的浮筒平台内，所述的浮筒平台由不少于两个的浮筒提供浮力而使整个浮筒平台浮于所述第二水库水面上；所述的用电高峰期及用电波谷期是指外部社会公共电网的负荷状态；用电高峰期为所述抽水储能电站的发电阶段，用电波谷期为所述抽水储能电站的储能阶段。
6.进一步地，所述的第一水库为自然河道、河流、湖泊或其他自然的其库容量可视为无限的水资源，其水位落差波动对所述的抽水储能电站的影响可忽略不计。
7.进一步地，所述的第二水库低于第一水库且与所述第一水库具有足够的落差来进行水力发电；所述第二水库为位于低洼处的矿坑、水塘、洞穴或者是其他的具有一定库容量的储水地貌；所述第二水库作为抽水储能电站的储水设施。
8.进一步地，所述的抽水储能电站还包含控制系统，所述控制系统与所述抽水发电一体机以及浮筒平台连接，监控它们的工作状态并控制它们的运转。
9.进一步地，所述的第一水库与所述第二水库之间的输水管还设有第一电动闸阀，由所述控制系统控制其开关，以调节所述第一水库与第二水库之间的水流量。
10.进一步地，所述的浮筒平台上还安装有作动装置，所述作动装置在发电状态时，提升所述抽水发电一体机的叶轮至所述第二水库的水面以上，降低叶轮的旋转阻力；当所述抽水储能电站处于储能状态时，所述作动装置将所述抽水发电一体机的叶轮降低至所述第二水库的水面以下并接近水面，保证抽水效率即可；所述的作动装置受控制系统控制，根据抽水储能电站的工作状态进行调整。
11.进一步地，所述的抽水发电一体机，还能调整为水泵和发电机各自独立的工作方式，各自连接可伸缩的导水管，完成抽水或者发电的工作。
12.进一步地，所述的导水管为可伸缩的结构，当浮筒平台随所述第二水库的水位上下波动时，所述的导水管能跟随改变长度。
13.进一步地，所述的导水管为多级直径渐变的套筒式可伸缩的结构，或者是波纹管，或者是具备类似功能的管道。
14.本发明所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，通过将抽水储能电站的抽水发电一体机设置于由漂浮于所述第二水库水面的浮筒平台上，使所述浮筒平台能随着水位的变化来上下运动，始终保持水泵或发电机在一个最优化的运转位置上，进一步提高运转效率，可最大化整个抽水储能电站的储能效率，经济效益更高。
附图说明
15.图1 是本发明所述的抽水储能电站的整体结构布局简要示意图。
16.图2 是本发明所述的浮筒式抽水平台的结构简要示意图。
17.1是第二水库（废弃矿坑、溶洞等），2是坑体，3是伸缩式导水管（套筒），4是第一水库（河道、湖泊等），5是输水管或引渠，6是浮筒平台，7是浮筒，8是（电动）阀门，9是抽水发电一体机，10是叶轮，11是传动锥形齿轮，12是连轴器，13是驱动齿轮，14是齿条。
实施方式
18.以下结合附图给出本发明的具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于以下的实施方式。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.本发明所述的抽水储能电站，是基本利用自然环境或废弃的人造环境来建造的储能系统。如图1所示，包含有相互独立且两者之间又互相临近的第一水库4及第二水库1；所述的第一水库4的水位高于所述的第二水库1，第二水库1的底部远远低于第一水库的水位以保证有足够的发电落差；所述的第一水库4可以是自然河道、河流、湖泊或其他自然的水资源，其水资源库容量对于本储能电站系统来说可视为无限的水资源，其水位落差波动对本发明所述的抽水储能电站的影响可忽略不计。
21.所述的第二水库1的位置低于第一水库4且与所述第一水库具有足够的水位落差来进行水力发电。所述第二水库1为位于低洼处的废弃矿坑、水塘、自然深坑、洞穴或者是其他的具有一定库容量的储水地貌；所述第二水库1作为抽水储能电站的储水设施。
22.所述的第一水库与所述第二水库之间有输水管或者是引渠相连，其连接形式不限，所述输水管道上还具有阀门或电动阀门，由一控制系统来控制其开关或控制流量大小，必要时可调节或切断第一水库与第二水库之间的水流量。而且，由于向第一水库抽水和从
第一水库向第二水库送水两种工作状态下，输水管5位于第一水库的管口需要具有不同的水位高度，可通过分管加阀门的方式进行切换。需要说明的是，本发明附图中未显示所述的控制系统，可设置于所述的抽水储能电站的控制机房内。
23.抽水发电一体机9，兼备抽水和发电的功能；所述抽水发电一体机的叶轮位于第二水库的导水管3的末端下方，进行抽水或者发电；所述导水管3的另一端与所述输水管连接；所述的导水管具有伸缩性，可变换长度。所述叶轮10与与所述导水管3之间具有足够小的间隙减小漏水以保证抽水或发电过程中的效率，间隙的调节可通过多级不同尺寸的垫圈来调整。
24.所述的抽水发电一体机在用电波谷期时，即电价最便宜的时候，工作在抽水储能状态，此时叶轮以及所述导水管的末端浸没于所述第二水库的水面以下，将所述第二水库的水抽出至第一水库，以清理出所述第二水库的库容；在用电高峰期时，此时储能电站处于发电状态，所述叶轮位于所述第二水库的水面上，利用第一水库与第二水库之间的水位落差，水流沿导水管冲击叶轮，实现在用电高峰期时的水力发电。所述的用电高峰期及用电波谷期是指外部社会公共电网的负荷状态；用电高峰期为所述抽水储能电站的发电阶段，用电波谷期为所述抽水储能电站的储能阶段。所述叶轮与所述抽水发电一体机之间的动力传递可以有多种方式，本发明实施例采用的是锥形齿轮与连轴器的连接方式，必要时还可加装齿轮箱。
25.所述的抽水发电一体机，其叶轮位于所述导水管的末端位置，导水管为可伸缩的结构，当浮筒平台随所述第二水库的水位上下波动时，所述的导水管能跟随改变长度。
26.所述的导水管为多级直径渐变的套筒式可伸缩的结构，比如类似于可伸缩的天线的结构，也可以是波纹管，或者是具备类似功能的管道。
27.所述的抽水发电一体机是位于一个具有浮筒式结构的浮筒平台6内，所述的浮筒平台6由不少于两个的浮筒提供足够的浮力而使整个浮筒平台能平稳地浮于所述第二水库水面上。因此，当所述的第二水库位于储能或者发电状态时，其水位会不断发生变化，而漂浮于所述第二水库的水面的浮筒平台能跟随所述第二水库的水位而进行自动升降，进而改变所述的抽水发电一体机的叶轮与所述第一水库的水位落差，满足不同工作状态及不同水位高度的情况下的高工作效率。
28.所述的控制系统监控整个抽水储能电站的工作状态并控制各子系统的运转，包括浮筒平台。
29.所述的浮筒平台上还安装有作动装置，包含驱动齿轮13和齿条14。由于所述的抽水发电一体机具有两种工作状态，而这两种工作状态下，所述叶轮需要具有不同的工作位置，因此需要作动装置来改变叶轮与所述第二水库水面的相对位置，是位于水面以上还是水面以下。通过驱动齿轮13的旋转，以及与之啮合的齿条14，改变承载抽水发电一体机的平台与水面之间的高度差。作动装置可以在一定范围内升降整个平台，如图2所示，所述作动装置在发电状态时，可以提升所述抽水发电一体机的叶轮包括导水管的末端至所述第二水库的水面以上，当发电时水流冲击叶轮旋转，叶轮不会浸没于水中，降低了叶轮的旋转阻力；当所述抽水储能电站处于储能状态即向第一水库抽水时，所述作动装置将平台降低，所述抽水发电一体机的叶轮降低至所述第二水库的水面以下并接近水面，无需将叶轮浸入水中过深导致不必要的导水管过长，提升抽水的能效。
30.所述的作动装置受控制系统控制，根据抽水储能电站的工作状态进行调整。所述作动装置，其驱动齿轮13可直接由水力推动叶轮来驱动，也可以由额外的驱动电机来驱动。
31.本实施例采用的抽水发电一体机，是将水泵和发电机集成在一起的目前较为通用的设计，在一些应用场景下，可以调整为水泵和发电机各自独立的工作方式，各自连接可伸缩的导水管，完成抽水或者发电的工作。
32.由于浮筒平台在所述第二水库上水面上漂浮，为避免浮筒平台在水面上四处移动，还可以采用添加钢索固定或者是采用垂直的限位导杆的结构来约束所述的浮筒平台只进行随水位变化的上下升降运动，而不会在水平方向上发生位移，限制所述浮筒平台的活动。需要设计者根据情况自行设计，本发明不再赘述。
33.本发明所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，通过将抽水储能电站的抽水发电一体机设置于由漂浮于所述第二水库水面的浮筒平台上，使所述浮筒平台能随着水位的变化来上下运动，始终保持水泵或发电机在一个最优化的运转位置上，进一步提高运转效率，可最大化整个抽水储能电站的储能效率，经济效益更高。
34.以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的抽水储能电站，包含有相互独立且两者之间又互相临近的第一水库及第二水库；所述的第一水库的水位高于所述的第二水库，第二水库的底部低于第一水库的水位以保证有足够的发电落差；所述的第一水库与所述第二水库之间有输水管进行水流互通；抽水发电一体机，所述抽水发电一体机兼备抽水和发电的功能；所述抽水发电一体机的叶轮位于第二水库的导水管的末端下方，进行抽水或者发电；所述导水管的另一端与所述输水管连接；所述的导水管具有可伸缩性，能自由改变长度；所述的抽水发电一体机在用电波谷期时，工作在抽水状态；此时所述叶轮以及所述导水管的末端浸没于所述第二水库的水面以下，将所述第二水库的水抽出至第一水库，以清理出所述第二水库的库容；在用电高峰期时，工作在发电状态；所述叶轮位于所述第二水库的水面以上，利用第一水库与第二水库之间的水位落差，水流沿导水管冲击叶轮，实现在用电高峰期时的水力发电；所述的抽水发电一体机位于一个具有浮筒式结构的浮筒平台内，所述的浮筒平台由不少于两个的浮筒提供浮力而使整个浮筒平台浮于所述第二水库水面上；所述的用电高峰期及用电波谷期是指外部社会公共电网的负荷状态；用电高峰期为所述抽水储能电站的发电阶段，用电波谷期为所述抽水储能电站的储能阶段。2.如权利要求1所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的第一水库为自然河道、河流、湖泊或其他自然的其库容量可视为无限的水资源，其水位落差波动对所述的抽水储能电站的影响可忽略不计。3.如权利要求2所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的第二水库低于第一水库且与所述第一水库具有足够的落差来进行水力发电；所述第二水库为位于低洼处的废弃矿坑、水塘、洞穴或者是其他的具有一定库容量的储水地貌；所述第二水库作为抽水储能电站的储水设施。4.如权利要求1所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的抽水储能电站还包含控制系统，所述控制系统与所述抽水发电一体机以及浮筒平台连接，监控它们的工作状态并控制它们的运转。5.如权利要求4所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的第一水库与所述第二水库之间的输水管还设有第一电动闸阀，由所述控制系统控制其开关，以调节所述第一水库与第二水库之间的水流量。6.如权利要求4所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的浮筒平台上还安装有作动装置，所述作动装置在发电状态时，提升所述抽水发电一体机的叶轮至所述第二水库的水面以上，降低叶轮的旋转阻力；当所述抽水储能电站处于储能状态时，所述作动装置将所述抽水发电一体机的叶轮降低至所述第二水库的水面以下并接近水面，保证抽水效率即可；所述的作动装置受控制系统控制，根据抽水储能电站的工作状态进行调整。7.如权利要求1所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的抽水发电一体机，还能替换为水泵负责抽水、发电机负责发电的各自独立的工作方式；所述水泵和发电机各自连接可伸缩的导水管，完成抽水或者发电的工作。8.如权利要求1所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的导水管为
可伸缩的结构，当浮筒平台随所述第二水库的水位上下波动时，所述的导水管能跟随浮筒平台的上下浮动而改变其管道长度。9.如权利要求8所述的抽水储能电站的浮筒式抽水系统，其特征在于：所述的导水管为多级直径渐变的套筒式可伸缩的结构，或者是波纹管，或者是具备类似功能的管道。

技术总结
本发明公开了一种抽水储能电站的浮筒式抽水系统，包含有相互独立且两者之间又互相临近的、之间有输水管相连的第一水库及第二水库；所述的第一水库的水位高于所述的第二水库，第二水库的底部低于第一水库的水位以保证有足够的发电落差；抽水发电一体机，所述抽水发电一体机在用电波谷期将第二水库的水抽出至第一水库，以清理出所述第二水库的库容；在用电高峰期利用第一水库的水流入第二水库的水流进行发电；所述抽水发电一体机上方连接有伸缩式的导水管，与所述输水管相连；所述的抽水发电一体机位于一个由浮筒承托的浮筒平台内，所述的浮筒平台能在第二水库的水面随水位的变化变换高度；所述的导水管具有伸缩性，可随浮筒平台的升降变换长度。随浮筒平台的升降变换长度。随浮筒平台的升降变换长度。


技术研发人员：汤晓明
受保护的技术使用者：亿顿重力（上海）储能科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/3