CN105569910A - 基于重物增压技术的抽水蓄能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力储能技术领域的一种基于重物增压技术的抽水蓄能发电系统。所述抽水蓄能系统包含一个单作用单活塞杆液压缸、一个低压水池、作用于活塞杆的重物和水力发电设备。水力发电设备的储能发电方法：包括储能运行和发电运行两个阶段，蓄能系统的重物通过重力作用于活塞杆上，重物下降使液压缸内产生高压水头，与低压水池形成压强差驱动抽蓄发电机组发电，水从活塞腔经抽蓄发电机组进入低压水池，从而将重物的重力势能转化为水的势能，再经抽蓄发电机组转换为电能。本发明可以以此为基础，通过多个装置并联运行或级联运行实现连续储能和发电、成本低、效率高、寿命长、对生态无影响，降低电网碳排放。

Description

基于重物增压技术的抽水蓄能发电系统

技术领域

本发明属于电力储能技术领域，特别涉及一种基于重物增压技术的抽水蓄能发电系统。

背景技术

电力系统中发电量和负荷量必须时时匹配，储能技术在电网运行中起到重要作用。如果缺少储能设备，为保证电力系统中发电量和负荷量的时时匹配，常规火电厂必须当作备用，压火运行，降低了运行效率。风电场也必须通过弃风实现出力调整，浪费了能源。在系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以有效地利用电力设备，降低供电成本，同时也可以提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动。

抽水蓄能是目前技术最成熟的大规模储能方式，然而，传统抽水蓄能电站的建设对地理地形条件有严格的要求，即必须有两个大容量的水池以及足够高的落差才能实现，并对生态环境有很大影响。本发明为克服现有技术中，抽水蓄能电站建设对地理地形条件的严格依赖，充分利用甘肃等地区多石少水的地理特点，提供了一种无需大的地势落差，无需丰富水资源环境即可实现的重物增压技术的抽水储能系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于重物增压技术的抽水蓄能发电系统；其特征在于，所述抽水蓄能系统包含一个单作用单活塞杆液压缸、一个低压水池、作用于活塞杆的重物和水力发电设备，抽水蓄能系统的基本结构为重物B与活塞杆连接，水力发电设备C的一端连接单作用单活塞杆液压缸A的活塞腔，另一端与低压水池D相连；水力发电设备C与电网连接；其中，抽水蓄能发电系统包括储能运行和发电运行两个阶段，储能时，水力发电设备使用电网电力运行，将低压水池中的水送入活塞腔推动重物上升，将电能转换为重物势能；发电时，重物通过液压杆将重力转换成液体压强，推动水力发电设备发电，水从活塞腔经水力发电设备进入低压水池，重物下降，将重物势能转化成电能。

所述抽水蓄能发电系统中的水力发电设备基本结构有两种构成方式：一为直接连接抽蓄发电机组，二为经液压机构变换装置连接发电机；对于后者，液压机构可以采用单活塞缸，将液体势能转换为直线动能后，可以直接连接直线发电机发电或者接曲柄结构再带动发电机发电。

所述液压机构变换装置包括两组活塞缸串联形成的液压活塞组和液压控制机构，即所有活塞缸内活塞之间通过连杆连接；一组活塞缸内活塞腔通过阀门及管路与单活塞杆液压缸和低压水池连接，另一组活塞缸内的活塞腔分别通过阀门及管路与抽蓄发电机组和低压水池连接。每组活塞缸可以由一个或者多个活塞缸构成。通过液压活塞转换，液体压强差就可以根据活塞面积比转换成另一个液体压强差，以匹配水轮发电机组的水头要求。

所述抽蓄发电机组采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水泵，或者采用液压马达。

所述液压控制机构由直线运动控制和流速控制两种方式实现，直线运动控制由直线电机额外控制系统控制的液压缸或齿轮实现直线运动控制；流速控制由比例控制设备、液压伺服系统或变频水泵组成。

所述液压机构变换装置中采用在活塞组和抽蓄发电机组中增加缓冲装置来保证水轮机运行的稳定性。缓冲装置为具有一定调节裕量的高压液体势能源，该高压液体势能源由缓冲高压水池和低压水池两部分组成。

所述缓冲装置中的高压水池有以下三种形式：基于重物增压技术的活塞腔、基于空气压缩技术的水池和具有一定高度水池。

所述抽水蓄能发电系统中重物与活塞杆的连接方式可以有直接连接、传动机械连接、电磁连接、液压连接等。直接连接包括固定连接、托盘连接、悬挂连接等。机械连接包括经滑轮连接、经齿轮连接、经连杆连接等，电磁连接包括液压杆或者重物中一个或两者安装电磁铁等设备，重物通过磁场力传递将重力作用于液压杆。液压连接包括液压杆直接或者通过其他机械连接另外的液压机构的液压杆，通过液压传动作用于重物。采用直接连接时，单活塞杆液压缸垂直放置。采用传动机械连接、电磁连接或液压连接时，单活塞杆液压缸为任意放置。

本发明的有益效果包括以下几个方面：

(1)本发明将电能以重物势能的形式进行存储，针对负荷需求和发电处理出现差异的问题，可以起到消峰填谷、平滑负荷的作用，降低了常规电厂由于大幅调整出力带来的经济和效率损失，从而也大幅度的提高了经济效益。并且本发明可以作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。

(2)本发明利用重物增压技术，使得抽水储能发电装置可以安放在任意高度，根据实际条件在不同位置灵活安装电气设备，克服了传统抽水蓄能电站对地势落差等地貌环境的依赖。

(3)本发明无需特定的水资源丰富的地理环境，适合多石少水的地区开发利用。

(4)本发明无需依赖地势落差等地貌环境，降低了选址难度，扩大了抽水储能电站的应用范围。

(5)本发明可以灵活改变出水压强，使得单作用单活塞液压缸的出水水头不受抽水储能发电装置的限制，便于利用较少水量获得更高发电量。

(6)本发明提供缓冲装置，可以使得液压机构变压装置在变换运动方向的同时，保证抽蓄发电单元的稳定运行，提高水轮机运行的稳定性。

(7)本发明可以控制活塞杆的运动和缓冲器相配合，使得抽水蓄能系统实现连续储能或者连续发电。

(8)本发明成本低、效率高、寿命长、绿色环保、对生态无影响，可以实现大规模储能问题，降低电网碳排放。

附图说明

图1为基于重物增压技术的直连抽蓄发电机组的抽水蓄能系统示意图。

图2为液压机构变换装置的第一种实现方案CD1示意图；

图3为液压机构变换装置的第二种实现方案CD2示意图；

图4为液压机构变换装置的第三种实现方案CD3示意图；

图5为液压机构变换装置的第四种实现方案CD4示意图；

图6为液压机构变换装置的第五种实现方案CD5示意图；

图7为垂直滑轮式连接的抽水蓄能系统实施方案图；

图8为水平滑轮式连接的抽水蓄能系统实施方案图。

图中标号：

A-单活塞杆液压缸，B-重物，C-水力发电设备，D-低压水池，E-液压控制机构，F-缓冲高压水池，M活塞缸、N活塞缸，第1阀门……第8阀门。

具体实施方式：

本发明提供了一种基于重物增压技术的抽水蓄能系统及蓄能发电方法；该系统包含一个单作用单活塞杆液压缸、一个低压水池、作用于活塞杆的重物和水力发电设备，水力发电设备的基本结构有两种构成方式：一为直接连接抽蓄发电机组，二为经二为经液压机构变换装置连接发电机构成。下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

图1所示为基于重物增压技术的直连抽蓄发电机组的抽水蓄能系统示意图。其直接连接抽蓄发电机组方式为由重物B固定在液压缸A的活塞杆顶部的托盘中，抽蓄发电机组C的一端通过管道连接单作用单活塞杆液压缸A的活塞腔，另一端与低压水池D相连；抽蓄发电机组C与电网连接。其中，抽蓄发电机组C可以采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水泵，或者采用液压马达。所述抽水蓄能系统的蓄能发电方法：包括储能运行和发电运行两个阶段，储能时，水力发电设备使用电网电力运行，将低压水池中的水送入活塞腔推动重物上升，将电能转换为重物势能；发电时，重物通过液压杆将重力转换成液体压强，推动水力发电设备发电，水从活塞腔经水力发电设备进入低压水池，重物下降，将重物势能转化成电能。同时，在抽水蓄能系统中，依次将多个重物送到高处，回位后往复运行，可以实现连续储能；并且多个连续蓄能装置并联运行或者级联运行，实现大容量电力储能。

图2所示为液压机构变换装置的第一种实现方案CD1示意图，该液压机构变换装置连接抽蓄发电机组的液压机构变换装置包括两组活塞缸串联形成的活塞组和液压控制机构，即所有活塞缸内活塞之间通过连杆连接；一组活塞缸内活塞腔通过阀门及管路与单活塞杆液压缸和低压水池连接，另一组活塞缸内的活塞腔分别通过阀门及管路与抽蓄发电机组和低压水池连接。具体为在M活塞缸和N活塞缸内的活塞之间通过连杆连接；M活塞缸内活塞腔通过阀门及管路与一个液压缸A和低压水池D连接，N活塞缸内的活塞腔分别通过阀门及管路与水力发电设备C和低压水池D连接；液压控制机构E连接在活塞杆的一端，液压控制机构E采用直线运动控制方式控制活塞杆的运行，直线运动控制可由直线电机额外控制系统控制的液压缸或齿轮控制的直线运动机械等设备实现。

其具体工作步骤为：当液压控制机构E向右运动时(此时活塞杆处于M活塞缸和N活塞缸的最左端，M活塞缸和N活塞缸中装满水)第1阀门、第4阀门、第6阀门、第7阀门打开，第2阀门、第3阀门、第5阀门、第8阀门关闭，在重物B的压力下，液压缸A中的水通过第1阀门和高压水管道到M活塞缸中，原M活塞缸中的水通过第4阀门和低压水管道流入低压水池D中，N活塞缸中的水通过第6阀门和高压水管道流入水力发电设备C，低压水池D中的水通过第7阀门和低压水管道流入N活塞缸中。利用M活塞缸、N活塞缸面积的不同来改变出水压强。

如图3所示为液压机构变换装置的第三种实现方案CD2：其工作原理与实现方案CD1相同，区别在于其液压控制机构E的位置发生变化，液压控制机构E与N活塞缸连接的第8阀门连接，并通过低压水管道插入低压水池D中，此时液压控制机构E可以采用流速控制方式实现，流速控制系统可由比例控制设备、液压伺服系统或变频水泵等设备组成。

如图4所示为液压机构变换装置的第三种实现方案CD3、图5所示为液压机构变换装置的第四种实现方案CD4和图6所述为液压机构变换装置的第五种实现方案CD5；其中，图3中，液压缸A通过阀门和M活塞缸连接，M活塞缸和低压水池D连接；缓冲装置F通过阀门和N活塞缸连接，N活塞缸和低压水池D连接；缓冲装置F为具有一定调节裕量的高压液体势能的高压水池；在M活塞缸、N活塞缸和水力发电设备C的运行过程中，高压液体势能起到了缓冲作用。当液压控制机构的运动方向改变时，存在时间差，在这段时间差中，缓冲装置F工作，使得水力发电设备C持续工作，保证水轮机运行的稳定性。图5和图6总体结构相同，只是高压水池的结构形式不一样。

如图7所示的垂直滑轮式连接的抽水蓄能系统实施方案图：液压缸A垂直放置，储能时，水力发电设备C的水泵运行，将低压水池D中的水送入液压缸A的活塞腔，同时通过滑轮使得重物B上升，将电能转换成重物势能。可以通过活塞杆与缓冲装置F的配合，使得活塞杆在存放回位的过程中，缓冲装置F工作，活塞杆往复运行，最终实现连续储能。发电时，水力发电设备C按水轮发电机运行，重物B下降，水从活塞腔经抽蓄发电进入低压水池D，将重物势能转化成电能，同时可以通过活塞杆与缓冲装置F协调，使得活塞杆在回升的过程中，缓冲装置F工作，活塞杆往复运行，实现连续发电。连续储能可以实现大规模的电能储存，连续发电可以保证水轮机运行的稳定性。

图8所示的水平滑轮式连接的抽水蓄能系统实施方案图：液压缸A水平放置，其工作方式与图7相同。

Claims (9)

1.一种基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述抽水蓄能系统包含一个单作用单活塞杆液压缸、一个低压水池、作用于活塞杆的重物和水力发电设备，抽水蓄能系统的基本结构为:重物B与活塞杆连接，水力发电设备C的一端连接单作用单活塞杆液压缸A的活塞腔，另一端与低压水池D相连；水力发电设备C与电网连接；其中，抽水蓄能发电系统包括储能运行和发电运行两个阶段，储能时，水力发电设备C使用电网电力驱动，将低压水池D中的水送入活塞腔推动重物B上升，将电能转换为重物势能；发电时，重物通过液压杆将重力转换成液体压强，推动水力发电设备发电，水从活塞腔经水力发电设备进入低压水池，重物下降，将重物势能转化成电能。

2.根据权利要求1所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述水力发电设备的基本结构有两种构成方式：一为直接由抽蓄发电机组构成，二为经液压机构通过活塞杆连接直线发电机或曲柄发电机，或连接两组液压机构形成液压机构变换装置驱动另一端的抽蓄机组发电。

3.根据权利要求2所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述液压机构变换装置包括两组活塞缸串联形成的液压活塞组和液压控制机构，即所有活塞缸内活塞之间通过连杆连接；一组活塞缸内活塞腔通过阀门及管路与单活塞杆液压缸和低压水池连接，另一组活塞缸内的活塞腔分别通过阀门及管路与抽蓄发电机组和低压水池连接，每组活塞缸可以由一个或者多个活塞缸构成。

4.根据权利要求2和3所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述抽蓄发电机组采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水泵，或者采用液压马达。

5.根据权利要求3所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述液压控制机构由直线运动控制和流速控制两种方式实现，直线运动控制由额外直线电机控制系统控制或通过电机带动齿轮连接直线轨道实现直线运动控制；流速控制由比例控制设备、液压伺服系统或变频水泵通过控制进入到液压缸的液体流速实现。

6.根据权利要求2所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述液压机构变换装置中采用在活塞组和抽蓄发电机组中增加缓冲装置来保证水轮发电机运行的稳定性；缓冲装置为具有一定调节裕量的高压液体势能源，该高压液体势能源由缓冲高压水池和低压水池两部分组成，活塞组和抽蓄机组分别与这两个水池相连。

7.根据权利要求6所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述缓冲装置中的缓冲高压水池有以下三种形式：基于重物增压技术的活塞腔、基于空气压缩技术的水池和具有一定高度水池。

8.根据权利要求1所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于，所述抽水蓄能系统中重物与活塞杆的连接具有以下形式:直接连接、传动机械连接、电磁连接或液压连接等；采用直接连接时，单活塞杆液压缸垂直放置，采用传动机械连接、电磁连接或液压连接时，单活塞杆液压缸为任意放置；这些连接方式均能使重物的重力能够直接或者间接作用于活塞杆上。

9.根据权利要求1所述基于重物增压技术的抽水蓄能系统，其特征在于：在抽水蓄能系统中，可以依次将多个重物送到高处，回位后往复运行，实现连续储能；或者多个连续蓄能系统并联运行或者级联运行，实现大容量电力储能。