CN105756843B - 一种双壳式抽水蓄能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双壳式抽水蓄能系统，包括蓄水池和低压水气共容舱，蓄水池通过阀门和水泵机组连接低压水气共容舱的进水口，低压水气共容舱的出水口通过阀门和水轮机机组连接蓄水池；水轮机机组连接发电机；低压水气共容舱的底部放置有高压储气罐，形成双壳式结构；高压储气罐分别通过阀门连接压缩机组、双向涡轮增压机以及低压水气共容舱上部的空腔；压缩机组连接电动机；双向涡轮增压机连接电机；双向涡轮增压机通过阀门与低压水气共容舱上部的空腔相连通。本发明通过双壳式结构，降低高压容器的投资成本，缩短储能系统的回收年限；在储能和释能过程中能够维持低压水气共容舱内的压力恒定，保证了电能稳定的输出，有较高的系统效率。

Description

一种双壳式抽水蓄能系统
【技术领域】
本发明涉及储能领域，具体涉及一种双壳式抽水蓄能系统。
【背景技术】
随着风力发电的迅速发展，储能系统作为电厂和电网之间的过渡系统，在最近几年倍受关注，其中抽水蓄能系统以其结构简单、运行效率高、无污染等优点被各国研究者确定为最有可能进行大规模应用的系统。
抽水蓄能系统通常由上水库、下水库和输水及发电设备组成，上下水库之间存在一定的高度差。在风能富裕时段，风力机被风能驱动，通过发电机及其它辅助设备发出电能，这部分电能通过驱动水泵机组把下水库的水抽到上水库内，以水力势能的形式存储起来；在负荷高峰时段，再从上水库放水至下水库，并冲击水轮机机组做功发电，将水力势能转换为电能。
虽然抽水蓄能系统相比其他储能系统有众多优点，但在抽水蓄能系统的长期运行中发现：传统抽水蓄能系统的建造需要具有一定高度的水坝，且在干旱地区受到很大的限制，对地理环境有较高的要求；系统储能过程中，从风能转变为水的势能，中间经历了诸多部件，一定程度上增加了系统损耗，降低储能效率；另外，抽水蓄能系统投资成本高、回收期限长、经济性较差等缺点，使该系统的广泛应用受到很大限制。因此，解决抽水蓄能系统目前所面临的问题成为风能大规模利用必要的前提。针对这些问题，西安交通大学王焕然等人首次提出水-气共容舱电力储能系统，并针对该系统在发电和储能过程中的变工况工作特性，提出了恒压水-气共容舱电力储能系统(CN201210099690.1)。
该恒压水-气共容舱电力储能系统在储能过程中，水气共容舱内气体的压力不断升高，水泵机组在变工况状态下工作，运行效率降低；而且在发电过程中需要外界补充一定量的蒸汽来维持舱内气体的压力恒定，输出稳定电能。由于水蒸气温度较高，会在一定程度上降低共容舱的安全性，且会加速水气共容舱的腐蚀；另外，该研究团队在恒压水-气共容舱电力储能系统的进一步研究中发现，该储能系统所需水气共容舱为高压容器，投资成本巨大，从而使系统的回收年限大幅度增加，降低了运行经济性，且在高压情况下，舱内气体在水中的溶解度会急剧增大，这些溶解气体会造成水轮机叶片出现严重的气蚀现象，从而引起重大安全事故。恒压水-气共容舱电力储能系统所面临的这些问题很大程度上制约了该系统的大规模商业应用，所以，开发一种高效、恒压、经济性好的新型抽水蓄能系统对于风能的大规模高效利用至关重要。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种双壳式抽水蓄能系统，该系统投资成本低，回收期限短。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
包括蓄水池和低压水气共容舱，低压水气共容舱的底部设置进水口和出水口，蓄水池通过阀门和水泵机组连接低压水气共容舱的进水口，低压水气共容舱的出水口通过阀门和水轮机机组连接蓄水池；水轮机机组连接发电机；
低压水气共容舱的底部放置有高压储气罐，形成双壳式结构；高压储气罐分别通过阀门连接压缩机组、双向涡轮增压机以及低压水气共容舱上部的空腔；压缩机组连接电动机；双向涡轮增压机连接电机；双向涡轮增压机通过阀门与低压水气共容舱上部的空腔相连通。
进一步地，低压水气共容舱的内部放置有若干个用于减少水面和气体接触面积的空心圆柱体，空心圆柱体均能够漂浮在水面上。
进一步地，每个空心圆柱体均由带螺纹的圆柱盖和圆柱壳体组成，且圆柱壳体的底部厚度大于圆柱盖顶部的厚度，形成偏心结构。
进一步地，空心圆柱体漂浮在水面上时，水位线位于空心圆柱体的中部。
进一步地，低压水气共容舱的进水口和出水口上方设置有液体整流罩，且液体整流罩的最小间隙小于空心圆柱体的外径。
进一步地，压缩机组、双向涡轮增压机和所有阀门均位于低压水气共容舱的外部。
进一步地，水泵机组、水轮机机组、电动机、电机和所有阀门均连接控制器。
进一步地，低压水气共容舱的顶部设置有液位传感器，液位传感器连接控制器。
进一步地，双向涡轮增压机的压比为1～2。
进一步地，水泵机组和低压水气共容舱的进水口之间设置单向阀。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过设置蓄水池和水泵机组，便于向低压水气共容舱内输送水，完成储能；通过设置水轮机机组和发电机，便于将低压水气共容舱内的水再输送至蓄水池内，释能发电；本发明通过在低压水气共容舱的底部放置高压储气罐，形成双壳式结构；通过设置双向涡轮增压机，可以作为膨胀机，也可以用作压缩机，在储能过程中，电机作为电动机，双向涡轮增压机作为压缩机将低压水气共容舱内的气体压入高压储气罐中，来维持低压水气共容舱内的压力恒定，在释能过程中，该双向涡轮增压机与电机相连，电机作为发电机，高压储气罐内的带压气体在双向涡轮增压机内膨胀做功后进入低压水气共容舱，维持低压水气共容舱内的压力恒定。本发明使用了高低压容器双壳式结构，这大大降低了高压容器的投资成本，缩短储能系统的回收年限，提高系统运行经济性。本发明在储能和释能过程中维持低压水气共容舱内的压力恒定，保证了电能稳定的输出，有较高的系统效率。本发明采用双向涡轮增压机和电机，不仅可以获得更高的能量转换效率，而且具有更好的环境友好性。
进一步地，本发明通过设置空心圆柱体，将容器内水面与气体之间的接触面积减少到原来的百分之一左右，使得气体在水中的溶解度大幅度变小，保证了水轮机安全和高效运行，有效减轻气蚀现象。
进一步地，本发明通过采用偏心结构的空心圆柱体，能够有效保证其漂浮在水面上，有效减小水面和空气的接触面积。
进一步地，本发明水位线位于空心圆柱体的中部，在保证结构稳定的同时，适用于最大的舱内水位波动幅度。
进一步地，本发明通过设置液体整流罩，利于控制舱内水位的波动幅度。
进一步地，本发明通过设置控制器，便于自动控制。
进一步地，本发明通过设置液位传感器，便于提高控制信号。
进一步地，本发明通过设置单向阀，防止水的倒流。
【附图说明】
图1为本发明风力驱动的双壳式抽水蓄能系统的结构示意图。
图2为图1中低压水气共容舱内空心球排布图示意图。
图3(a)为图1中空心圆柱体构造示意图；图3(b)为图3(a)中I处的放大图。
图4为图1中液体整流罩示意图。
其中：1、蓄水池；2、水泵机组；3、水轮机机组；4、双向涡轮增压机；5、电机；6、低压水气共容舱；7、高压储气罐；8、控制器；9、风力发电厂；10、第一柱塞阀门；11、单向阀；12、第二柱塞阀门；13、第一电控阀门；14、第二电控阀门；15、液位传感器；16、液体整流罩；17、空心圆柱体；18、第三电控阀门；19、电动机；20、第四电控阀门；21、压缩机组；22、第五电控阀门；23、圆柱盖；24、圆柱壳体。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明包括低压水气共容舱6、高压储气罐7、空心圆柱体17、水泵机组2、水轮机机组3、液体整流罩16、蓄水池1、双向涡轮增压机4，低压水气共容舱6的底部设置进水口和出水口，水泵机组2由风电厂或电网的富裕电能驱动，通过管道及第一柱塞阀门10从储水池1中抽水，水泵机组2的出口通过管道及单向阀11与低压水气共容舱6的进水口连通，低压水气共容舱6的出水口通过管道及第二柱塞阀门12连通水轮机机组3；水轮机机组3连接蓄水池1并向蓄水池1中排水。水轮机机组3连接发电机。
高压储气罐7被置于低压水气共容舱6底部，低压水气共容舱6和高压储气罐7构成一种特殊的双壳式结构；高压储气罐7通过管道和第二电控阀门14连接压缩机组21，压缩机组21连接电动机19并通过管道连接第一电控阀门13。高压储气罐7通过第四电控阀门20与低压水气共容舱6上部的空腔相连通。
高压储气罐7通过管道和第五电控阀门22连接双向涡轮增压机4，双向涡轮增压机4通过第三电控阀门18与低压水气共容舱6上部的空腔相连通；双向涡轮增压机4连接电机5。双向涡轮增压机4可以作为膨胀机，也可以用作压缩机，在储能过程中，电机5作为电动机，双向涡轮增压机4作为压缩机将低压水气共容舱内6的气体压入高压储气罐7中，来维持低压水气共容舱6内的压力恒定，在释能过程中，该双向涡轮增压机4与电机5相连，电机5作为发电机，高压储气罐7内的带压气体在双向涡轮增压机4内膨胀做功后进入低压水气共容舱6，维持低压水气共容舱6内的压力恒定。双向涡轮增压机4的选择可根据所需压比的大小确定，一般压比选取在1～2之间。
参见图2，低压水气共容舱6内部放置有大量钢制的空心圆柱体17，空心圆柱体17能够漂浮在低压水气共容舱6水面上，使低压水气共容舱6内水面上被空心圆柱体17覆盖，本发明中采用小直径空心圆柱体和大直径空心圆柱体配合，小直径空心圆柱体主要分布在大直径圆柱体之间，以及位于大直径空心圆柱体和低压水气共容舱之间，以减少水和空气的接触面积；小直径空心圆柱体的直径小于或等于大柱体之间缝隙的距离，小直径空心圆柱体的高度等于大直径空心圆柱体的高度。
参见图3(a)和图3(b)，空心圆柱体17为质量分布不均匀的偏心柱体结构，其柱体高度要大于低压水气共容舱6内水位的波动幅度，防止水和空气接触；舱内水位的波动幅度可由位于低压水气共容舱6进水口和出水口上方的液体整流罩16来控制，液体整流罩16的结构为一定厚度的圆板上开有特定宽度的条形孔，条形孔宽度应小于空心圆柱体17的直径；空心圆柱体17由带螺纹的圆柱盖23和圆柱壳体24组成，且圆柱壳体24的底部厚度大于圆柱盖23顶部的厚度，形成偏心结构；若空心圆柱体17外半径为R，内半径为r，密度为ρ，根据柱体浮力和所受重力相等可求得空心柱体内部填充所需的质量，一般空心圆柱体17漂浮在水面上时，水位线在空心圆柱体17中部时最为适宜。
参见图4，为了防止空心圆柱体17进入入水管道和出水管道，空心圆柱体17的外径最小值应大于液体整流罩16的最小间隙。
在低压水气共容舱6的顶部安装有液位传感器15，液位传感器15采用电容式液位传感器，低压水气共容舱6顶部开孔，用来通过液位仪信号线。低压水气共容舱6内的压力恒定不变，蓄水池1内的压力为环境压力。
水泵机组2、水轮机机组3、电动机19、电机5和所有阀门均位于低压水气共容舱6的外部。水泵机组2、水轮机机组3、电动机19、电机5、液位传感器15和所有柱塞阀门以及所有电控阀门均连接控制器8，主要通过液位传感器15信号的变化来控制双向涡轮增压机4的电机5和所有电控阀门的启动和关闭。
本发明主要的工作过程及原理：
其它阀门保持关闭，控制器8开启第一电控阀门13、第二电控阀门14、第四电控阀门20、启动电动机19，压缩机组21开始工作，空气通过管道和第一电控阀门13、第二电控阀门14后分流，一部分被压入高压储气罐7，另一部分通过第四电控阀门20进入低压水气共容舱6内，待到低压水气共容舱6内压力达到设定值后，关闭第四电控阀门20，压缩机组21继续向高压储气罐7内充气；高压储气罐7内的压力增加到设定值后，控制器8关闭第一电控阀门13、第二电控阀门14，电动机19停止工作。
第一柱塞阀门10安装在水泵机组2之前，低压水气共容舱6进水口和出水口位于舱的底部，打开第一柱塞阀门10，风电厂或电网富裕电能驱动水泵机组2工作，水从蓄水池1中经过进水管道、第一柱塞阀门10和单向阀11，进入低压水气共容舱6内，单向阀11在此用来防止水的倒流，此过程中风能转化为低压水气共容舱6内气体和水的压力势能储存起来，与此同时控制器8接收到液位传感器15的信号，打开第三电控阀门18、第五电控阀门22，并启动电机5，此时电机5以电动机的形式工作，双向涡轮增压机4以压缩机的形式工作，双向涡轮增压器4被电机5带动旋转，将低压水气共容舱6内的气体，通过管道上的第三电控阀门18、第五电控阀门22压入高压储气罐7内，该管道的一端连接高压储气罐7的底部，另一端连接低压水气共容舱6的上部。
在需要电能输出时，打开第二柱塞阀门12，低压水气共容舱6内的带压水流经出水管道和第二柱塞阀门12，最终进入蓄水池1内，水轮机机组3被水流冲击转动，带动发电机发电输出电能。与此同时，液位传感器15将位置信号传输给控制器8，此时第三电控阀门18、第五电控阀门22开启，其它阀门保持关闭，高压储气罐7内的气体进入双向涡轮增压机4内膨胀做功，并进入低压水气共容舱6内与舱内原有气体混合膨胀做功。电机5被涡轮增压机4带动旋转输出电能，此时双向涡轮增压机4为膨胀机，而电机5为发电机，其发出的电能和水轮机机组3的发电机发出的电能直接供给给电网，被用户利用。低压水气共容舱6内的压力保持不变，待水位降至设定水位后关闭第三电控阀门18、第五电控阀门22以及第二柱塞阀门12，水轮机机组3和双向涡轮增压机4停止工作，不再输出电能。
本发明提供一种绿色环保且简易的抽水蓄能系统，以解决传统抽水蓄能系统适应性差、投资成本高、回收期限长、储能效率低的问题。
本发明通过风电厂富裕电能驱动水泵机组2，蓄水池1中的水通过进水管道被压入低压水气共容舱6内，液位传感器15通过感应舱内工质液位的变化将信号传递给控制器8，双向涡轮增压机4通过管道将低压水气共容舱6和高压储气罐7连接起来；出水管道一端连接低压水气共容舱6出水口，另一端通向蓄水池1，水轮机机组2被安装在出水管道上，带压水冲击水轮机机组3做功并带动发电机发电，低压水气共容舱6内水面上被不同大小的空心圆柱体17覆盖，空心圆柱体17质量分布不均匀，控制器8通过控制电控阀门和双向涡轮增压机4电机维持低压水气共容舱内压力平衡。
传统抽水蓄能系统需要特殊的地质结构和地理条件，且在一定程度上会造成当地生态系统的破坏。另外，抽水蓄能系统需要大量的水来维持系统的正常运行，这在我国西北干旱地区很难大规模推广应用。而本发明很好的解决了抽水蓄能系统所遇到的这些问题，具有众多优点：
1、相比于专利CN201210099690.1所提出的系统，本发明使用了高低压容器双壳式结构，这大大降低了高压容器的投资成本，缩短储能系统的回收年限，提高系统运行经济性。
2、本发明在储能和释能过程中维持低压水气共容舱6内的压力恒定，保证了电能稳定的输出，有较高的系统效率。
3、本发明采用双向涡轮增压机4，不仅可以获得更高的能量转换效率，而且具有更好的环境友好性。
4、本发明采用空心圆柱体17将容器内水面与气体之间的接触面积减少到原来的百分之一左右，使得气体在水中的溶解度大幅度变小，保证了水轮机安全和高效运行。
5、双向涡轮增压机4所用电机5是双作用的，在水轮机储能时，它是电动机；在水轮机发电时，它是发电机。

Claims (10)

1.一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：包括蓄水池(1)和低压水气共容舱(6)，低压水气共容舱(6)的底部设置进水口和出水口，蓄水池(1)通过阀门和水泵机组(2)连接低压水气共容舱(6)的进水口，低压水气共容舱(6)的出水口通过阀门和水轮机机组(3)连接蓄水池(1)；水轮机机组(3)连接发电机；
低压水气共容舱(6)的底部放置有高压储气罐(7)，形成双壳式结构；高压储气罐(7)分别通过阀门连接压缩机组(21)、双向涡轮增压机(4)以及低压水气共容舱(6)上部的空腔；压缩机组(21)连接电动机(19)；双向涡轮增压机(4)连接电机(5)；双向涡轮增压机(4)通过阀门与低压水气共容舱(6)上部的空腔相连通。
2.根据权利要求1所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：低压水气共容舱(6)的内部放置有若干个用于减少水面和气体接触面积的空心圆柱体(17)，空心圆柱体(17)均能够漂浮在水面上。
3.根据权利要求2所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：每个空心圆柱体(17)均由带螺纹的圆柱盖(23)和圆柱壳体(24)组成，且圆柱壳体(24)的底部厚度大于圆柱盖(23)顶部的厚度，形成偏心结构。
4.根据权利要求2所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：空心圆柱体(17)漂浮在水面上时，水位线位于空心圆柱体(17)的中部。
5.根据权利要求2所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：低压水气共容舱(6)的进水口和出水口上方设置有液体整流罩(16)，且液体整流罩(16)的最小间隙小于空心圆柱体(17)的外径。
6.根据权利要求1所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：压缩机组(21)、双向涡轮增压机(4)和所有阀门均位于低压水气共容舱(6)的外部。
7.根据权利要求1所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：水泵机组(2)、水轮机机组(3)、电动机(19)、电机(5)和所有阀门均连接控制器(8)。
8.根据权利要求7所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：低压水气共容舱(6)的顶部设置有液位传感器(15)，液位传感器(15)连接控制器(8)。
9.根据权利要求1所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：双向涡轮增压机(4)的压比为1～2。
10.根据权利要求1所述的一种双壳式抽水蓄能系统，其特征在于：水泵机组(2)和低压水气共容舱(6)的进水口之间设置单向阀(11)。
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