一种水力-压缩空气协调储能装置及方法与流程

1.本发明属于储能技术领域，特别涉及一种水力-压缩空气协调储能装置及方法。


背景技术：

2.风电、光伏的上网输电占比日益提高，但是由于风力、光伏发电不稳定属性，要保证区域电网安全、稳定平稳运行，新能源发电就难以被电网全部接收利用，这就导致部分新能源发电的浪费。
3.新能源储能常见的有电化学储能、压缩空气储能、抽水蓄能、飞轮储能等，目前，除了电化学储能及抽水蓄能具有较高的储能效率外，其他方式的储能效率均不是很高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种水力-压缩空气协调储能装置及方法，以解决现有储能技术储能效率低的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种水力-压缩空气协调储能装置，包括水池、进水口、出水口、注气装置、储气装置、压缩空气发电机和水轮发电机；水池的一端设置进水口，另一端设置出水口，进水口高于出水口，出水口连接水轮发电机；储气装置设置在水池内部，储气装置的一端连接注气装置，另一端连接压缩空气发电机，压缩空气发电机和注气装置均在水池外。
7.进一步的，注气装置包括空压机和压缩空气罐；空压机连接压缩空气罐，压缩空气罐连接储气装置。
8.进一步的，储气装置包括若干个压缩空气储存球，若干个压缩空气储存球依次串联连接。
9.进一步的，若干个压缩空气储存球依次排布在水池底部。
10.进一步的，若干个压缩空气储存球膨胀时的水位高于出水口。
11.进一步的，水轮发电机的高度低于出水口的高度。
12.进一步的，进水口上设置有进水闸板，出水口上设置有出水闸板。
13.进一步的，一种水力-压缩空气协调储能装置的储能方法，包括以下步骤：
14.步骤1：打开进水闸板，将水池底部注满水，水位达到出水口下部后关闭进水闸板，此时保持泄水闸板关闭；
15.步骤2：新能源发电启动空压机并通过压缩空气罐向压缩空气储存球内充入压缩空气，直至球体膨胀到设计容积且球体压力达到要求，关闭沿途阀门并关闭空压机；此时，水位升高到超出出水口的设定距离的高度；
16.步骤3：电网需要输送电量时，打开出水闸板，通过水轮发电机发电，直至水位降低到出水口下方位置，关闭出水闸板；
17.步骤4：打开压缩空气球体泄放管路上的阀门，将压缩空气储存球体内的压缩空气内能通过压缩空气发电装置转化为电能，直至球体内压缩空气不能再发电为止。
18.与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
19.本发明利用在小型水力发电装置底部固定布置的可收缩或扩大的压缩空气储存球储存压缩空气来进行储能。新能源不能上网时，通过使用新能源电量用空气压缩机将压缩空气注入球体储能。在球体充气时，球体体积变大，推升水位上升，将新能源电能转化为压缩空气内能及水的重力势能。所转化的水的重力势能通过水力发电转化为电能，压缩空气内能通过压缩空气推动压缩空气储能发电装置转化为电能上网利用。如此，水电站
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发电
→
补水
→
发电与压缩空气储存球体的充气
→
泄气协调配合，可实现将新能源不能上网的电能转化为水的重力势能及压缩空气内能再分别发电利用，从而可达到高效储能的目的。
20.本发明储能-输电受限因素较小，可实现快速响应。
附图说明
21.图1水力-压缩空气协调储能方法简图。
22.图2水力-压缩空气协调储能装置简图。
23.其中：
24.1.进水闸板；2.空压机；3.压缩空气罐；4.压缩空气储存球；
25.5.压缩空气发电装置；6.出水闸板；7.水轮发电机。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明进一步说明：
27.请参阅图1和图2，一种水力-压缩空气协调储能装置及方法，所述装置包括：
28.1)进水闸板：用于向水力发电装置内补水。
29.2)空压机：使用新能源电量，为压缩空气储存球体提供压缩空气。
30.3)压缩空气罐：在空压机出口管路，稳定压缩空气压力，为压缩空气储存球体提供稳定压力。
31.4)压缩空气储存球：由可膨胀防水材料制作而成，有一定耐压性；可储存或排出压缩空气，随着压力增加体积会逐步膨胀，能够储存一定压力的压缩空气。压缩空气储存球可使用具有较强承压能力和较强伸缩柔韧性的改性橡胶或聚合物高分子材料加工而成。
32.5)压缩空气发电装置：设计在压缩空气储存球体的气体排出管路，可利用压缩空气排出气流发电，不限于风轮机等发电装置。
33.6)泄水闸板：在水力发电装置上与泄水通道连通的闸板，下部与水轮发电装置连通，打开闸板可将水拍向下游并驱动水轮机发电。
34.7)水轮发电机：安装在水力发电装置下游，通过水力发电机将水的重力势能转化为电能。
35.装置运行
36.步骤1：打开1进水闸板，将水力发电装置底部注满水，水位达到泄水阀下部后关闭1进水闸板，图2所示l位置，此时保持6泄水闸板关闭；
37.步骤2：新能源发电启动2空压机并通过3压缩空气罐向4压缩空气储存球内充入压缩空气。直至球体膨胀到设计容积且球体压力达到要求，关闭沿途阀门并关闭空压机；此时，水位升高到设计要求的h位置。
38.步骤3：电网需要输送电量时，打开6泄水闸板，通过7水轮发电机发电，直至水位从h降低到l位置，关闭6泄水闸板，此时已将全部水重力势能转化为电能。
39.步骤4：打开压缩空气球体泄放管路上的阀门，将4压缩空气储存球体内的压缩空气内能通过5压缩空气发电装置转化为电能。直至球体内压缩空气不能再发电为止。此时球体塌缩，气体全部泄放。
40.至此，所有的存储能量已全部转化为电能输送到电网。步骤1-4可重复进行，这样可实现循环储能，为实现新能源有效利用及电网削峰填谷提供帮助。
41.该方法是将新能源电能通过一步动作同时转化为水的重力势能及压缩空气内能，再通过协调配合将储存的能量逐步释放出来转化为可上网电能。实现方法可参照图1所示，示意图如图2所示，具体过程如下所述。
42.1)将水力发电装置底部注满水，水位达到泄水阀下部并关闭进水闸。能够保证水力发电装置底部压缩空气球体注入空气膨胀后，水位能够上升超过发电装置闸板以上后备用。
43.2)新能源电量不能上网时，新能源发电启动空压机并持续往布置在水底的压缩空气储存球体内注入压缩空气。此时，存气球体开始膨胀，并推升水位上升。此时，新能源电能转化为了球体推开水的重力势能及压缩空气内能。当球体达到最大且压力达到极限时，停止向空压机。此时储能过程结束。
44.3)当需要向电网输送电能时，首先开启水力发电装置闸板，将升高的水位通过闸板释放，并推动水轮机发电，将水的重力势能转化为电能，直至水轮机不能再发电为止。
45.4)当上一步结束后，打开球体排气阀，排气阀通过管道与压缩空气储能发电装置连接，将压缩空气内能转化为电能。直至，压缩空气全部泄放完毕。至此，所有的储能
→
发电过程宣告结束。
46.5)上一步结束后，将水力发电装置进水闸板打开，放水至水位达到与第一步一致为准。
47.工作原理：
48.本发明介绍一种小型水力-压缩空气协调储能方法及装置。该方法是将电网弃风、弃光电量重新利用发电的一种储能模式。
49.本发明是将小型水力发电站与压缩空气储能协调配合的一种储能方式，其原理在于：利用在小型水力发电装置底部固定布置的可收缩或扩大的压缩空气储存球储存压缩空气来进行储能。新能源不能上网时，通过使用新能源电量用空气压缩机将压缩空气注入球体储能。
50.在球体充气时，球体体积变大，推升水位上升，将新能源电能转化为压缩空气内能及水的重力势能。所转化的水的重力势能通过水力发电转化为电能，压缩空气内能通过压缩空气推动压缩空气储能发电装置转化为电能上网利用。如此，水电站
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发电
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补水
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发电与压缩空气储存球体的充气
→
泄气协调配合，可实现将新能源不能上网的电能转化为水的重力势能及压缩空气内能再分别发电利用，从而可达到高效储能的目的。

技术特征：
1.一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，包括水池(8)、进水口、出水口、注气装置、储气装置、压缩空气发电机(5)和水轮发电机(7)；水池(8)的一端设置进水口，另一端设置出水口，进水口高于出水口，出水口连接水轮发电机(7)；储气装置设置在水池(8)内部，储气装置的一端连接注气装置，另一端连接压缩空气发电机(5)，压缩空气发电机(5)和注气装置均在水池(8)外。2.根据权利要求1所述的一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，注气装置包括空压机(2)和压缩空气罐(3)；空压机(2)连接压缩空气罐(3)，压缩空气罐(3)连接储气装置。3.根据权利要求1所述的一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，储气装置包括若干个压缩空气储存球(4)，若干个压缩空气储存球(4)依次串联连接。4.根据权利要求3所述的一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，若干个压缩空气储存球(4)依次排布在水池底部。5.根据权利要求3所述的一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，若干个压缩空气储存球(4)膨胀时的水位高于出水口。6.根据权利要求1所述的一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，水轮发电机(7)的高度低于出水口的高度。7.根据权利要求1所述的一种水力-压缩空气协调储能装置，其特征在于，进水口上设置有进水闸板(1)，出水口上设置有出水闸板(6)。8.一种水力-压缩空气协调储能装置的储能方法，其特征在于，基于权利要求1至7任意一项所述的水力-压缩空气协调储能装置，包括以下步骤：步骤1：打开进水闸板，将水池底部注满水，水位达到出水口下部后关闭进水闸板，此时保持泄水闸板关闭；步骤2：新能源发电启动空压机并通过压缩空气罐向压缩空气储存球内充入压缩空气，直至球体膨胀到设计容积且球体压力达到要求，关闭沿途阀门并关闭空压机；此时，水位升高到超出出水口的设定距离的高度；步骤3：电网需要输送电量时，打开出水闸板，通过水轮发电机发电，直至水位降低到出水口下方位置，关闭出水闸板；步骤4：打开压缩空气球体泄放管路上的阀门，将压缩空气储存球体内的压缩空气内能通过压缩空气发电装置转化为电能，直至球体内压缩空气不能再发电为止。

技术总结
一种水力-压缩空气协调储能装置及方法，包括水池、进水口、出水口、注气装置、储气装置、压缩空气发电机和水轮发电机；水池的一端设置进水口，另一端设置出水口，进水口高于出水口，出水口连接水轮发电机；储气装置设置在水池内部，储气装置的一端连接注气装置，另一端连接压缩空气发电机，压缩空气发电机和注气装置均在水池外。本发明可实现将新能源不能上网的电能转化为水的重力势能及压缩空气内能再分别发电利用，从而可达到高效储能的目的。从而可达到高效储能的目的。从而可达到高效储能的目的。


技术研发人员：唐晓辉 王利伟 邵海龙 谢宁 朱小敏 杨彦科 张建鹏 涂孝飞 丁胜利
受保护的技术使用者：华北电力科学研究院有限责任公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.02.23
技术公布日：2023/6/27