压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统及方法

1.本发明涉及地下能源储备技术领域，尤其涉及一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统及方法。


背景技术：

2.为了应对全球气候变化问题，2015年12月，《巴黎协定》在第21届联合国气候大会通过，协定的主要目标是在世界各国的共同努力下，立即采取行动减少温室气体的排放，全球平均气温上升的幅度较前工业化时期相比控制在2℃以内。为了实现这一目标，需要减少使用以石油、煤炭为代表的传统化石能源，构建以可再生能源为主体的新能源结构，其中风能和太阳能有望成为未来主要的可再生能源。
3.众所周知，可再生能源具有以下特点：间歇性、波动性和周期性。当可再生能源的供应端和需求端不平衡时，就会存在大量的弃风弃光现象。
4.为了解决上述问题，需要利用大规模储能技术来实现负荷平衡，抽水蓄能和压气蓄能是目前最成熟的两种大规模储能方式。两种储能方式分别以水和高压空气作为能量载体对能量进行存储和释放，通过能量的存储和释放将风电、光伏这些间歇性能源转化成稳定、可控的电能，最终实现电网的“削峰填谷”。
5.尽管抽水蓄能和压气蓄能存在诸多优点，但抽水蓄能和压气蓄能仍然存在很多局限性。抽水蓄能受地理资源约束明显，需要建造在有丰富的水资源和地理落差，同时上下水库要存在较大落差，经济效益较差、投资成本和后期维护成本高。传统的压气蓄能将空气储存在地面储气罐，储气容量小、能量密度低、发电效率低。如何实现大规模高效储能是一个亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明通过提供一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统及方法，能够实现大规模高效储能。
7.本发明提供了一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，包括：湖底人工硐室、地面蓄水池、注排水管道、第一发电机、可逆水轮机、空气压缩机、第二发电机、膨胀机、三通管、通气管道、电网、第一阀门、第二阀门、第三阀门及第四阀门；所述湖底人工硐室的下部与所述地面蓄水池通过所述注排水管道连通；所述可逆水轮机设置在所述注排水管道中；所述可逆水轮机的动力输出端与所述第一发电机的动力输入端机械连接；所述第一阀门和所述第二阀门均设置在所述注排水管道中，且所述第一阀门位于所述可逆水轮机与所述地面蓄水池之间，所述第二阀门位于所述可逆水轮机与所述湖底人工硐室之间；所述电网的发电端与所述空气压缩机的动力输入端连接；所述空气压缩机的出气端与所述三通管的第一端口连通；所述三通管的第二端口通过所述通气管道与所述湖底人工硐室的上部连通；所述第三阀门设置在所述空气压缩机与所述三通管的第一端口之间；所述三通管的第三端口与所述膨胀机的进气端连通，所述膨胀机的出气端与所述第二发电机的进气
端连通；所述第二发电机的发电端与所述电网的动力输入端连接；所述第四阀门设置在所述膨胀机与所述三通管的第三端口之间。
8.具体来说，在所述通气管道和所述湖底人工硐室的外壁有钢筋混凝土层。
9.具体来说，还包括：控制器；所述控制器的信号输出端与所述第一阀门、第二阀门、第三阀门及第四阀门的信号输入端通信连接。
10.本发明还提供了一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能方法，适用于上述的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，包括：
11.储能阶段，打开所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门，关闭所述第四阀门，利用所述电网中富余的电力，驱动所述空气压缩机产生高压空气，所述高压空气经所述通气管道进入所述湖底人工硐室；所述湖底人工硐室中的水经过所述可逆水轮机沿着所述注排水管道排至所述地面蓄水池；当所述湖底人工硐室充满高压空气时，关闭所有阀门；
12.释能阶段，打开所述第一阀门、所述第二阀门、所述第四阀门，关闭所述第三阀门，同时利用水能和压缩空气的能量发电；高压空气沿着所述通气管道经所述第四阀门进入所述膨胀机，带动所述第二发电机进行发电；随着发电过程的进行，所述湖底人工硐室中空气的压力逐渐下降；当所述湖底人工硐室内部的空气压力低于所述注排水管道中的水头压力时，所述地面蓄水池中的水沿着所述注排水管道经过所述可逆水轮机，带动所述第一发电机进行发电，最终进入所述湖底人工硐室；当所述湖底人工硐室中的高压空气经所述通气管道排至地面，所述湖底人工硐室中充满水时，能量全部释放，关闭所有阀门。
13.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
14.利用天然水压密封的湖底人工硐室，能够在一个人工硐室中同时通过压气蓄能和抽水蓄能实现能量的存储和释放，以达到可再生能源的高效利用。系统循环运行初期，湖底人工硐室内的高压气体和水会向外渗透，在抽水蓄能和压气蓄能的交替过程中，人工硐室会形成气、水交替渗透层，同时在湖底天然水压和渗透阻力的作用下，气、水交替的渗透层会逐渐趋于稳定，更有利硐室的密封性。
15.与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
16.1、本发明选择水资源丰富的湖泊的底部建造大型人工硐室，有效解决了水源供给问题和地理落差的约束。
17.2、本发明利用天然水封原理，在围岩壁面形成气、水交替渗透层，降低了地下硐室的渗透率，实现了高压空气的密封。地下硐室背部无需使用额外的内衬材料，降低了地下硐室的投资成本。
18.3、本发明利用一个湖底人工硐室实现了压气蓄能和抽水蓄能两个方面的储能，大大增加了单位体积的储能容量和经济价值。
19.4、本发明相比较于传统的抽水蓄能无需设置大坝，不会对生态环境造成破坏，人工硐室位于地下，同时减少水分的蒸发，避免了系统在长期运行过程中导致水位下降。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统的结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能方法的
流程图；
22.其中，1-湖泊，2-地面蓄水池，3-注排水管道，4-第一发电机，5-可逆水轮机，6-水，7-湖底人工硐室，8-钢筋混凝土层，9-通气管道，10-电网，11-电动机，12-空气压缩机，13-膨胀机，14-第二发电机，15-第一阀门，16-第三阀门，17-第四阀门，18-第二阀门。
具体实施方式
23.本发明实施例通过提供一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统及方法，能够实现大规模高效储能。
24.本发明实施例中的技术方案为实现上述技术效果，总体思路如下：
25.利用现有湖底人工硐室建造技术，确定合理的硐室尺寸和深度，以确保水封硐室压气蓄能和抽水蓄能的密封性。其中，人工硐室顶板距离湖泊1底部不低于50m，硐室深度不低于300m，从而保证水能的落差。在系统运行初期，湖底人工硐室在水和气的压力差作用下，水向内渗透，气向外渗透。随着水、气的交替注采，渗透层趋于稳定状态，利用天然水压实现水封硐室压气储能。
26.在储能阶段，利用电网中富余的电力驱动空气压缩机，产生的高压空气通过通气管道进入湖底人工硐室。同时，湖底人工硐室中的水在气体的高压作用下，通过注排水管道中的可逆水轮机进入地面蓄水池，完成抽水蓄能和压气蓄能的储能阶段。
27.在释能阶段，湖底人工硐室中的高压空气沿注排水管道进入膨胀机和发电机，将空气势能转换为电能补充到电网中。随着高压空气的释放，硐室内部的空气压力逐渐降低，当硐室内部的空气压力低于注排水管道的水头压力时，地面蓄水池中的水通过注排水管道开始进入湖底人工硐室，发电机利用水的重力势能进行发电，最终湖底人工硐室储存的能量转化为电能并入电网。重复上述储能和释能的过程，即可利用压气蓄能与抽水蓄能耦合的人工硐室储能系统完成电网中电能的调度。该储能系统在循环运行中利用天然水封原理来实现人工无内衬硐室储存高压气体的密封。
28.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
29.参见图1，本发明实施例提供的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，包括：湖底人工硐室7、地面蓄水池2、注排水管道3、第一发电机4、可逆水轮机5、空气压缩机12、第二发电机14、膨胀机13、三通管、通气管道9、电网10、第一阀门15、第二阀门18、第三阀门16及第四阀门17；湖底人工硐室7的下部与地面蓄水池2通过注排水管道3连通；可逆水轮机5设置在注排水管道3中；可逆水轮机5的动力输出端与第一发电机4的动力输入端机械连接；第一阀门15和第二阀门18均设置在注排水管道3中，且第一阀门15位于可逆水轮机5与地面蓄水池2之间，第二阀门18位于可逆水轮机5与湖底人工硐室7之间；电网10的发电端与空气压缩机12的动力输入端连接；空气压缩机12的出气端与三通管的第一端口连通；三通管的第二端口通过通气管道9与湖底人工硐室7的上部连通；第三阀门16设置在空气压缩机12与三通管的第一端口之间；三通管的第三端口与膨胀机13的进气端连通，膨胀机13的出气端与第二发电机14的进气端连通；第二发电机14的发电端与电网10的动力输入端连接；第四阀门17设置在膨胀机13与三通管的第三端口之间。
30.具体地，地面蓄水池2通过第一阀门15控制注排水，空气压缩机12的出气口和通气
管道9之间通过第三阀门16控制高压空气注入，膨胀机13的进气口和通气管道9之间通过第四阀门17控制，湖底人工硐室7和可逆水轮机5之间设置的第二阀门18，可以防止气体从注排水管道3泄漏。电网10的发电端与空气压缩机12的电动机11的动力输入端连接。
31.为了提高湖底人工硐室7的密封性和稳定性，在通气管道9和湖底人工硐室7的外壁有钢筋混凝土层8。
32.对本发明实施例进行具体说明，还包括：控制器；控制器的信号输出端与第一阀门15、第二阀门18、第三阀门16及第四阀门17的信号输入端通信连接。通过控制器控制第一阀门15、第二阀门18、第三阀门16及第四阀门17的开启和关闭。
33.参见图2，本发明实施例提供的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能方法，适用于上述的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，包括：
34.储能阶段，打开第一阀门15、第二阀门18和第三阀门16，关闭第四阀门17，利用电网10中富余的电力，驱动空气压缩机12产生高压空气，高压空气经通气管道9进入湖底人工硐室7。湖底人工硐室7中的水6经过可逆水轮机5沿着注排水管道3排至地面蓄水池2。当湖底人工硐室7充满高压空气时，关闭所有阀门。至此，完成地面蓄水池2的蓄水过程和湖底人工硐室7的储气过程。
35.释能阶段，打开第一阀门15、第二阀门18、第四阀门17，关闭第三阀门16，同时利用水能和压缩空气的能量发电。高压空气沿着通气管道9经第四阀门17进入膨胀机13，带动第二发电机14进行发电。随着发电过程的进行，湖底人工硐室7中空气的压力逐渐下降。当湖底人工硐室7内部的空气压力低于注排水管道3中的水头压力时，地面蓄水池2中的水6沿着注排水管道3经过可逆水轮机5，带动第一发电机4进行发电，最终进入湖底人工硐室7。当湖底人工硐室7中的高压空气经通气管道9排至地面，湖底人工硐室7中充满水时，关闭所有阀门。至此，完成地面蓄水池2和湖底人工硐室7的能量全部释放。
36.重复上述储能阶段和释能阶段，即可完成该湖底人工硐室7的压气蓄能和抽水蓄能耦合运行。通过利用抽水蓄能和压气蓄能的循环储能和释能过程来完成电网10的“削峰填谷”。
37.本发明实施例具有建设成本低、储能容量高、密封性好的优点。
38.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
39.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，其特征在于，包括：湖底人工硐室、地面蓄水池、注排水管道、第一发电机、可逆水轮机、空气压缩机、第二发电机、膨胀机、三通管、通气管道、电网、第一阀门、第二阀门、第三阀门及第四阀门；所述湖底人工硐室的下部与所述地面蓄水池通过所述注排水管道连通；所述可逆水轮机设置在所述注排水管道中；所述可逆水轮机的动力输出端与所述第一发电机的动力输入端机械连接；所述第一阀门和所述第二阀门均设置在所述注排水管道中，且所述第一阀门位于所述可逆水轮机与所述地面蓄水池之间，所述第二阀门位于所述可逆水轮机与所述湖底人工硐室之间；所述电网的发电端与所述空气压缩机的动力输入端连接；所述空气压缩机的出气端与所述三通管的第一端口连通；所述三通管的第二端口通过所述通气管道与所述湖底人工硐室的上部连通；所述第三阀门设置在所述空气压缩机与所述三通管的第一端口之间；所述三通管的第三端口与所述膨胀机的进气端连通，所述膨胀机的出气端与所述第二发电机的进气端连通；所述第二发电机的发电端与所述电网的动力输入端连接；所述第四阀门设置在所述膨胀机与所述三通管的第三端口之间。2.如权利要求1所述的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，其特征在于，在所述通气管道和所述湖底人工硐室的外壁有钢筋混凝土层。3.如权利要求1或2所述的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，其特征在于，还包括：控制器；所述控制器的信号输出端与所述第一阀门、第二阀门、第三阀门及第四阀门的信号输入端通信连接。4.一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能方法，其特征在于，适用于如权利要求1-3中任一项所述的压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统，包括：储能阶段，打开所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门，关闭所述第四阀门，利用所述电网中富余的电力，驱动所述空气压缩机产生高压空气，所述高压空气经所述通气管道进入所述湖底人工硐室；所述湖底人工硐室中的水经过所述可逆水轮机沿着所述注排水管道排至所述地面蓄水池；当所述湖底人工硐室充满高压空气时，关闭所有阀门；释能阶段，打开所述第一阀门、所述第二阀门、所述第四阀门，关闭所述第三阀门，同时利用水能和压缩空气的能量发电；高压空气沿着所述通气管道经所述第四阀门进入所述膨胀机，带动所述第二发电机进行发电；随着发电过程的进行，所述湖底人工硐室中空气的压力逐渐下降；当所述湖底人工硐室内部的空气压力低于所述注排水管道中的水头压力时，所述地面蓄水池中的水沿着所述注排水管道经过所述可逆水轮机，带动所述第一发电机进行发电，最终进入所述湖底人工硐室；当所述湖底人工硐室中的高压空气经所述通气管道排至地面，所述湖底人工硐室中充满水时，能量全部释放，关闭所有阀门。

技术总结
本发明公开了一种压气蓄能与抽水蓄能耦合的湖底人工硐室储能系统及方法。利用天然水压密封的湖底人工硐室，能够在一个人工硐室中同时通过压气蓄能和抽水蓄能实现能量的存储和释放，以达到可再生能源的高效利用。系统循环运行初期，湖底人工硐室内的高压气体和水会向外渗透，在抽水蓄能和压气蓄能的交替过程中，人工硐室会形成气、水交替渗透层，同时在湖底天然水压和渗透阻力的作用下，气、水交替的渗透层会逐渐趋于稳定，更有利硐室的密封性。更有利硐室的密封性。更有利硐室的密封性。


技术研发人员：李航 韩月 马洪岭 朱施杰 曾真 郑铸颜 王轩 杨春和
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/6/3