CN111173669B - 一种水沙蓄能发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种水沙蓄能发电系统，其上蓄沙库(1)和上蓄水池(21)位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库(11)、下蓄水池(12)和水泵(18)位于水沙蓄能发电系统的下部。类水轮机(10)安装在上蓄沙库(1)和下蓄沙库(11)之间；传送机组位于水沙蓄能发电系统的一侧。上蓄水池(21)的底部高于上蓄沙库(1)的顶部。下蓄水池(12)低于下蓄沙库(11)的底部水平面。本发明利用山势建造水沙蓄能发电系统，利用“粮仓效应”将沙子重力分解，降低上蓄沙库底部承重，并利用沙子的重力势能，在水的作用下克服沙子流动时的粘滞阻力，使沙水势能转换动能做功，驱动类水轮机发电，落下的沙水利用地势进行沙水分离，有余电时提沙抽水蓄能。

Description

一种水沙蓄能发电系统
技术领域
本发明涉及一种蓄能电站。
背景技术
众所周知光伏、风力发电的不确定性和不稳定性，造成电网的波动，由此带来的是大面 积的弃风和弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。抽水蓄能、压缩空气储能、 化学储能是很好的解决方法。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60％～70％ 之间，当前全球最大的处于运行中的抽水蓄能电站是位于美国佛吉尼亚州的巴斯康蒂抽水蓄 能电站，容量达到3吉瓦，发电最大时长为10小时18分钟。抽水蓄能电站是电力系统重要 的调节工具，具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰 电源与储能电源，主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故的备用任务，一是改善特高 压电网的运行特性，更好地促进清洁能源消纳能力。二是提高电力系统安全可靠性，在特高 压电网中充分发挥“稳定器”、“调节器”、“平衡器”的作用。由此国家加大、加快抽水蓄能电 站的设计建设力度。目前抽水蓄能电站集中在南方水源充沛地区建造，然而急需要储能电站 支撑的西北却是贫水地区，西北地区的建设成本、地质条件、环境因素、下游生态等都制约 着抽水蓄能电站发展。
由暴雨、冰雪融化等水源激发的泥石流含有大量泥沙石块，介于挟沙水流和滑坡之间的 土、水、气混合流，在自身重力势能转换成动能的作用下发生运动。它与一般洪水的区别是 洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最高可达80％左右。当泥石流从山 上冲下的过程中既有动能又有势能，势能减少动能增加，势能转化成动能，来势凶猛，因其 高速前进，具有强大的能量。
受高含沙水的黄河启发，黄河高含沙水具记载，1953～1971年，黄河支流皇甫川河口断 面日平均含沙量超过500kg/m3达109天，超过800kg/m3达33天，超过1000kg/m3达6天，最大日平均含沙量为1310kg/m3，属高含沙水流：含沙量达到每立方米数百千克以至一千千克以上的水流。由沙子堆积密度一般取1300-1600kg/m3(与含水率有关)，取高含水值为1600kg/m3，则每立方米沙水占比为：1310/1600*100％＝82％，也即利用20％的水克服沙子的粘滞阻力，使高沙水流动。
人类很好地利用自然现象，如抽沙机是利用一定的沙水比例，克服沙子的粘滞阻力，将 河、海中的沙子抽出，或含固体颗粒的沙浆、灰浆、矿渣等输送到另一现场，输送的固液混 合浓度可达到60％。天鲲号是亚洲最大自航绞吸挖泥船，是人类巧妙利用沙水混合疏浚改造 自然的案例。设计每小时挖泥6000立方米，绞刀额定功率6600千瓦，最大可达9900千瓦。
综上所述，无论是泥石流、黄河的高沙水和抽沙机，都是沙子与水混合在重力或外力的 作用下，通过水降低沙子的粘滞阻力，使沙水移动。从上述得知：泥石流最大固体可达80％， 也就是说80％沙和20％水的比例，而黄河最大含沙量为82％。如利用泥石流成因机理采用 80％沙和20％水、依山势创建人造“泥石流”，可以利用重力势能转换动能做功发电。即，利 用山势建设占比为80％沙和20％水或大于20％水的提沙抽水储能电站，其优点是，建设提沙 抽水储能电站成本、技术含量及地质条件要求低，可利用山坡、废弃矿山、矿井等地质条件， 沙子来源丰富、用水相对少、无污染，对当地及下游生态不会造成破坏，可操作性强，适合 西北地区的需求，使采用提沙抽水蓄能成为可能，还可以提供新的经济增长点。然而高沙水 发电对水轮机的摩擦损耗较大，而如天鲲号自航绞吸挖泥船等已很好的解决类似问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种水沙蓄能发电系统，以解决贫水地区新能源发电波动性大、负 荷特性不匹配的问题，同时可以避免由于兴修抽水蓄能电站带来下游生态破坏、化学储能后 处理的污染等。本发明中，同样高度的重力势能是水的近1.5倍，可依山坡兴建地质要求低， 沙子原料丰富，水的用量少，无污染，不破坏生态，特别适合贫水地区。
本发明水沙蓄能发电系统发电时利用沙子的重力势能和在水的作用下降低沙子流动时 的粘滞阻力，避免“粮仓效应”，利用上蓄沙库的锥形底部创建如“泥石流”条件，使沙水势能 转换动能做功驱动类水轮机发电，落下的沙水利用地势进行沙水分离。并利用发电的余电， 通过传送机、水泵将沙子和水分别回传送到蓄沙库和蓄水池中。本发明利用陡峭山势建造抽 水蓄能电站的同时，又利用“粮仓效应”将大量的沙子重力分解，解决抽水蓄能电站底部承重 问题。
所述的“粮仓效应”是当粮仓底部的压力在粮仓高度大于底部直径的2倍后便不再增加， 即当容器内颗粒的高度超过-定值后，底部压力基本保持常数，不再随高度增高而增加。所 述的类水轮机是指能够适用于本发明的沙水比例发电机的设备。
本发明水沙蓄能发电系统由上蓄沙库、下蓄沙库、上蓄水池、下蓄水池、类水轮机、水 泵以及传送机组组成。所述的上蓄沙库和上蓄水池位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库、 下蓄水池和水泵位于水沙蓄能发电系统的下部；类水轮机安装在上蓄沙库和下蓄沙库之间。 传送机组位于水沙蓄能发电系统一侧。
其中，上蓄水池依地质条件建在上蓄沙库的一侧，上蓄水池的底部高于上蓄沙库的顶部。 下蓄水池依地质条件建在下蓄沙库的一侧并低于下蓄沙库底部水平面，水泵安装在下蓄水池 上。
所述的上蓄沙库由库体、给水系统、沙水控制阀门、泄沙水管道和给水管道组成。库体 的轴向截面为漏斗形状，库体上部为半圆柱体，下部为半圆锥体。其中，给水系统由上至下 垂直安装在上蓄沙库内，给水系统的进水口端与给水管道的一端连接，给水管道的另一端与 给水阀门连接。沙水控制阀门位于库体下部的半圆锥体底部，并与泄沙水管道上部连接，泄 沙水管道下部与类水轮机入口连接，类水轮机出口接入下蓄沙库，下蓄沙库位于类水轮机的 下部。
所述的给水系统由柱状给水管道、N个环形给水管道、k1梯级阀门～kN梯级阀门、弧形 给水管道、控水阀门、进水口和射水口阀门组成，N为正整数。其中N个梯级阀门等距离排列安装在柱状给水管道上，由下至上按照1～N的顺序排列；N个环形给水管道等距离排列，与N个梯级阀门对应连接。其中第一个环形给水管道上垂直安装若干个柱状喷淋管，在柱状喷淋管上装有若干喷头，其余的每个环形给水管道上环形排列有若干排水孔。其中，弧形给水管道位于上蓄沙库半圆体上边缘处，弧形给水管道的一端通过安装在柱状给水管道上的控 水阀门与柱状给水管道连接，弧形给水管道的另一端密封。弧形给水管道上排列有若干排水 孔，弧形给水管道通过此排水孔向库体的半圆锥体表面排水，降低沙子与半圆锥体表面的摩 擦力。柱状给水管道的一端为进水口，与给水管道的一端连接，柱状给水管道的另一端为射 水口阀门，射水口阀门布置于第一环形给水管道的中心位置。
当给水系统分时、分层排出的水与沙子混合时，沙子之间、沙子与半圆锥体底部的摩擦 力降低，由此避免了“粮仓效应”发生。沙子在重力的作用下向半圆锥体底部移动，当沙子移 动到第一环形给水管道处进一步与水混合，使水比例提高，减少沙子与沙子之间的粘滞阻力， 是沙子如同水一般流动，提供稳定连续的重力势能。
当给水系统射水口阀门打开时，沙子在水流冲击作用下加速下行，提高发电的响应时间。 当沙水通过沙水控制阀门时，在沙水控制阀门的控制下，沙水下泄流量得到控制。一定流量 的沙水经泄沙水管道到达类水轮机时，驱动类水轮机旋转发电，“水沙流”由类水轮机出口被 排放到下蓄沙库中。
所述的传送机组位于水沙蓄能发电系统一侧，分别由上传送机、中传送机、下传送机、 上逆止进沙门、中逆止进沙门和下逆止进沙门组成。上蓄沙库体的一侧由上至下安装有上逆 止进沙门、中逆止进沙门和下逆止进沙门，分别对应与上传送机出料口、中传送机出料口、 下传送机出料口连接。其中，下传送机出料口还与中传送机进料口连接，下传送机进料口安 装在下蓄沙库底部；中传送机出料口还与上传送机进料口连接；所述出料口和进料口分别为 传送机两端的进沙和出沙端。
所述的下蓄沙库位于水沙蓄能发电系统下部，当沙水动能经类水轮机做功后下泄到下蓄 沙库时，沙子中的大部分水通过沙子间隙与沙子分离，水流入到下蓄水池中。当有余电时， 启动传送机组，沙子经下传送机进料口传送到下逆止进沙门，然后进入上蓄沙库中。当上蓄 沙库中沙子高度即将超过下逆止进沙门时，下逆止进沙门关闭，中传送机启动，下传送机传 送的沙子由中传送机接力传送到中逆止进沙门，然后传送到上蓄沙库中；当上蓄沙库中沙子 高度即将超过中逆止进沙门时，中逆止进沙门关闭，上传送机启动，中传送机传送的沙子由 上传送机接力传送到上逆止进沙门，进入上蓄沙库中；多级输送沙子的目的是降低传输能耗 和提高传送高度，分级越多能耗越低。在上蓄沙库中沙子容量低于逆止进沙门时，逆止进沙 门处于打开状态，当上蓄沙库中沙子容量接近逆止进沙门时，逆止进沙门关闭，阻止沙子外 泄。
所述的上蓄水池位于上蓄沙库的一侧，上蓄水池底部高于柱状给水管道进水口。上蓄水 池底部管道安装有上给水阀门。上给水阀门的出水口与上给水管道连接，上给水管道的另一 端与给水系统中柱状给水管道进水口连接。抽水管道的一端接入上蓄水池位上端，抽水管道 的另一端与水泵出水口连接。
所述的下蓄水池位于下蓄沙库的一侧，低于下蓄沙库的底部水平面，当沙水下泄到下蓄 沙库时，沙子中的大部分水通过沙子间隙与沙子分离，流入下蓄水池中。位于下蓄水池上的 水泵进水口经管道连接于下蓄水池的底部，水泵出水口与抽水管道连接，抽水管道的另一端 与上蓄水池顶部连接。当发电有余电时启动水泵，将沙与水分离后流入下蓄水池中的水，经 水泵、抽水管道回送到上蓄水池中，循环利用。
本发明水沙蓄能发电系统在不同工作模式下的工作过程如下：
依据泥石流形成机制和抽水蓄能原理，水沙蓄能发电系统分别设有上蓄沙库、下蓄沙库 和上蓄水池、下蓄水池，通过上蓄沙库和下蓄沙库的相对高度差和沙与水的重量产生重力势 能，通过上蓄沙库底的斜坡和向沙子注入水降低沙子粘滞阻力，创建如泥石流条件的水沙流， 将水沙流的势能转换为驱动水利发电机发电的动能。
如上蓄沙库容器的容积V上蓄沙库为轴向半圆柱容积V柱与半圆锥体容积V锥之和，则：
V上蓄沙库＝V柱+V锥
Figure BDA0002278904380000041
其中，V上蓄沙库为上蓄沙库总容量；V柱为上蓄沙库圆柱体的容量，h柱为上蓄沙库圆柱体的高；V锥为上蓄沙库圆锥体的容量，h锥为上蓄沙库圆锥体的高，r沙为上蓄沙库圆柱体和圆锥体的半径。
1、水沙蓄能发电系统未发电时，所有供水阀门处于关闭状态，上蓄沙库中盛满无水沙 重量为：
W上蓄沙库＝ρ沙(V柱+V锥)
由于沙子之间的粘滞阻力，使上蓄沙库中的沙子产生“粮仓效应”，沙子的重量分散作用 到山体和库体上，使库底的承重大大降低。其中W上蓄沙库为上蓄沙库中的沙子的重量。
2、水沙蓄能发电系统发电时，上蓄水池通过给水系统向上蓄沙库给水，沙水控制阀门、 射水口阀门和给水阀门同时打开，此时射水口阀门打开的瞬间，沙子在水流冲击力下快速作 用在类水轮机上，使发电快速响应，同时释放上蓄沙库底部的承重力。
与此同时，给水系统在梯级阀门控制下，分时、分层排出的水与沙子混合。当某层环形 给水管道向上蓄沙库沙子注水时，该层的沙子之间的粘滞阻力降低，打破“粮仓效应”，同时 由于弧形给水管道向半圆锥体表面排水，使沙子与半锥体坡底之间的摩擦阻力减小，形成水 沙流。
当水沙流通过第一环形给水管道时进一步与水混合，使水沙流中水的占比≥20％，此时 沙子与沙子之间的粘滞阻力进一步降低，达到满足高沙水流动条件，形成水沙流，并以以下 算式表示的重量向下移动到沙水控制阀门，此时沙水如同水一样提供稳定连续的重力势能做 功。由于沙水比例满足驱动类水轮机发电要求，此时的射水口阀门起到微调水量和应急给水 的作用。
由于“水沙流”做功P沙/水＝μ·ρ沙/水gh沙/水·Q，而ρ沙水含水量≥20％趋近流体， Q沙/水＝S·v沙/水，F沙/水＝ρ沙/水gh沙/水·S，所以P沙/水＝μ·F沙/水·v沙/水。由于在上蓄沙库中除第 一环形给水管道到沙水控制阀门之间的沙子含水ρ沙水≥20％，其余的沙子含水＜＜20％，当上蓄沙库高度h＞＞4r沙，由“粮仓效应”作用在沙水控制阀门截面积的压力为：
Fz＝ρ沙/水gh沙/水·S+Fε＝F沙/水+Fε，由此最终发电做功为：P沙/水＝μ·Fz·v沙/水。
其中，S为沙水流过的控制阀门的截面积、Q沙/水沙水流过控制阀门的流量、v沙/水为沙水流过控制阀门的流速；r沙为上蓄沙库的半径；P沙/水发电功率；ρ沙/水为沙水的密度；h沙/水 为沙子混合部分占有的高度；μ为发电效率。
当水沙流通过沙水控制阀门时，在沙水控制阀门的控制下，水沙流下泄流量得到控制， 一定流量的水沙流经泄沙水管道时，重力势能转换成动能做功，驱动类水轮机旋转发电，水 沙流经类水轮机出口排放到下蓄沙库中。此时由于下蓄水池位于下蓄沙库的一侧，并且低于 下蓄沙库的底部平面，下泄到下蓄沙库的沙水由于沙子间隙和水的重力作用，大部分水从沙 子间隙中自动分离出，向低处流入下蓄水池中。
给水系统进行梯级阀门分时、分层控制的另一个目的是，避免上蓄沙库每层沙子在同一 时刻解除“粮仓效应”，防止沙子集中坍塌造成上蓄沙库底部大的冲击力发生。
3、当停止发电时，所有给水阀门关闭，沙水控制阀门继续打开，当上蓄沙库中的剩余 水流尽，使沙子之间粘滞阻力增大，沙子下行速度降低，关闭沙水控制阀门，此时由于沙子 之间摩擦阻力增加产生“粮仓效应”，沙子的重量分散作用在山体、坝体上，使坝底的承重大 大降低。
4、当发电有余电时，启动水泵和传送机组，当水泵工作时，将已流入下蓄水池中的水 经水泵、抽水管道回送到上蓄水池中，得到循环利用。
当传送机组工作时，下蓄沙库中的沙子经下传送机进料口传送到下逆止进沙门，然后进 入上蓄沙库中。当上蓄沙库中沙子高度即将超过下逆止进沙门时，下逆止进沙门关闭，阻止 沙子外泄，与此同时中传送机启动，下传送机传送的沙子由中传送机接力传送到中逆止进沙 门，然后进入上蓄沙库中。当上蓄沙库中沙子高度即将超过中逆止进沙门时，中逆止进沙门 关闭，阻止沙子外泄，与此同时上传送机启动，中传送机传送的沙子由上传送机接力传送到 上逆止进沙门，进入上蓄沙库中。由于采用多级输送沙子一方面降低传输能耗，另一方面提 高传送高度，分级数量越多能耗越低。
附图说明
图1本发明水沙蓄能发电系统结构图；
图2水沙蓄能发电系统上蓄沙库结构示意图；
图3水沙蓄能发电系统给水系统结构体。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1和图2所示，本发明水沙蓄能发电系统由上蓄沙库1、下蓄沙库11、上蓄水池21、 下蓄水池12、类水轮机10、水泵18以及传送机组组成。所述的上蓄沙库1和上蓄水池21位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库11、下蓄水池12和水泵18位于水沙蓄能发电系统的下部；类水轮机10安装在上蓄沙库1和下蓄沙库11之间；传送机组位于水沙蓄能发电系统的一侧。
所述的上蓄水池21依地质条件建在上蓄沙库1的一侧，上蓄水池21底部高于上蓄沙库 1的顶部。下蓄水池12依地质条件建在下蓄沙库11的一侧，并低于下蓄沙库11的底部水平 面，水泵18安装在下蓄水池12上。
所述的上蓄沙库由库体、给水系统、沙水控制阀门5、泄沙水管道6和上给水管道4组 成。上蓄沙库1库体的轴向截面为漏斗形状，库体上部为半圆柱体7，下部为半圆锥体8。其中，给水系统由上至下垂直安装在上蓄沙库1内，给水系统的进水端13与上给水管道4 的一端连接，上给水管道4的另一端与上给水阀门9连接。沙水控制阀门5位于库体下部的 半圆锥体8的底部，并与泄沙水管道6的上部连接，泄沙水管道6下部与类水轮机10入口 连接，水轮机10出口接入下蓄沙库11，下蓄沙库11位于类水轮机10的下部。
如图3所示，所述的给水系统由柱状给水管道2、第一环形给水管道25、第二环形给水 管道26、第三环形给水管道27，......，第N-1环形给水管道29、第N环形给水管道30、k1梯级阀门25’、k2梯级阀门26’、k3梯级阀门27’、......、kN-1梯级阀门29’、kN梯级阀门30’、弧形给水管道3、控水阀门3’、进水口13和射水口阀门14组成，N为正整数。
其中，k1梯级阀门25’、k2梯级阀门26’、k3梯级阀门27’、......、kN-1梯级阀门29’、kN梯级阀门30’等距离安装在柱状给水管道2上，由下至上按照1～N的顺序排列；第一环形给水管道25、第二环形给水管道26、第三环形给水管道27、......、第N-1环形给水管道29，第N环形给水管道30等距离排列，第一环形给水管道25、第二环形给水管道26、第三环形 给水管道27，......，第N-1环形给水管道29，第N环形给水管道30分别与k1梯级阀门25’、 k2梯级阀门26’、k3梯级阀门27’、......、kN-1梯级阀门29’、kN梯级阀门30’对应连接。其 中第一环形给水管道25上垂直安装若干个柱状喷淋管31，在柱状喷淋管31上装有若干喷头， 其余每个环形给水管道上环形排列有若干排水孔。其中，弧形给水管道3位于半圆锥体8上 边缘处，弧形给水管道3的一端通过安装在柱状给水管道2上的控水阀门3’与柱状给水管道 体2连接，弧形给水管道3的另一端密封。弧形给水管道3上有若干排水孔，弧形给水管道 3通过此排水孔向半圆锥体8表面排水，降低沙子与库体半圆锥体8表面的摩擦力。柱状给 水管道2的一端为进水口13，进水口13与上给水管道4的一端连接，柱状给水管道2另一 端为射水口阀门14，射水口阀门14布置于第一个环形给水管道25的中心位置。
当给水系统分时、分层排出的水与沙子混合时，沙子与沙子、沙子与库体半圆锥体8底 部的摩擦力降低，沙子在重力的作用下向库体半圆锥体8的底部移动，当沙子移动到第一环 形给水管道25处进一步与水混合，使水的比例提高，减少沙子与沙子之间的粘滞阻力。当 给水系统射水口阀门14打开时，沙子在水流冲击作用下加速下行，提高发电快速响应时间。 当沙水通过沙水控制阀门5时，在沙水控制阀门5的控制下，沙水下泄流量得到控制。一定 流量沙水经泄沙水管道6到达类水轮机10时，驱动类水轮机10旋转发电，沙水由类水轮机 10出口泄放到下蓄沙库11中。
所述的传送机组位于水沙蓄能发电系统一侧，分别由上传送机15、中传送机16、下传 送机17、上逆止进沙门22、中逆止进沙门23和下逆止进沙门24组成。上逆止进沙门22、中逆止进沙门23、下逆止进沙门24，由上至下安装在上蓄沙库体1的一侧，上逆止进沙门22、中逆止进沙门23、下逆止进沙门24分别对应与上传送机15的出料口、中传送机16的 出料口、下传送机17的出料口连接。其中，下传送机17的出料口还与中传送机16的进料 口连接，下传送机17的进料口安装在下蓄沙库11底部；中传送机16的出料口还与上传送 机15的进料口连接；所述出料口和进料口分别为传送机两端的进沙和出沙端。
所述的下蓄沙库11位于水沙蓄能发电系统下部，当沙水动能经类水轮机10做功后下泄 到下蓄沙库11时，沙子中的大部分水通过沙子间隙与沙子分离后，水流入到下蓄水池12中。 在发电有余电时，启动传送机组，沙子经下传送机17进料口传送到下逆止进沙门24，然后 进入上蓄沙库1中。当上蓄沙库1中沙子高度即将超过下逆止进沙门24时，下逆止进沙门 24关闭，中传送机16启动，下传送机17传送的沙子由中传送机16接力传送到中逆止进沙门23，然后进入上蓄沙库1中；当上蓄沙库1中沙子高度即将超过中逆止进沙门23时，中 逆止进沙门23关闭，上传送机15启动，中传送机16传送的沙子由上传送机15接力传送到 上逆止进沙门22，进入上蓄沙库1中；多级输送沙子的目的是降低传输能耗和提高传送高度， 分级越多能耗越低。在上蓄沙库1中沙子容量低于逆止进沙门时，逆止进沙门处于打开状态，当上蓄沙库1中沙子容量接近逆止进沙门时，逆止进沙门关闭，阻止沙子外泄。
所述的上蓄水池21位于上蓄沙库1的一侧，上蓄水池21的底部高于上蓄沙库给水系统 的柱状给水管道2的进水口13。上蓄水池底部管道安装有上给水阀门9，上给水阀门9的出 水口与上给水管道4连接。抽水管道19的一端接入上蓄水池位21上端，抽水管道19的另 一端与水泵18的出水口连接。
所述的下蓄水池12位于下蓄沙库11的一侧，低于下蓄沙库11的底部平面，当沙水下 泄到下蓄沙库11时，沙与水自动分离，流入下蓄水池12中。位于下蓄水池上的水泵18进水口经管道连接于下蓄水池12的底部，水泵18的出水口与抽水管道19连接，抽水管道19 的另一端与上蓄水池21的顶部连接。当有余电时启动水泵18，将沙与水分离后流入下蓄水 池12中的水，经水泵18、抽水管道19回送到上蓄水池21中，循环利用。

Claims (2)

1.一种水沙蓄能发电系统，其特征在于，所述的水沙蓄能发电系统由上蓄沙库(1)、下蓄沙库(11)、上蓄水池(21)、下蓄水池(12)、类水轮机(10)、水泵(18)以及传送机组组成；上蓄沙库(1)和上蓄水池(21)位于水沙蓄能发电系统的上部，下蓄沙库(11)、下蓄水池(12)和水泵(18)位于水沙蓄能发电系统的下部；类水轮机(10)安装在上蓄沙库(1)和下蓄沙库(11)之间；传送机组位于水沙蓄能发电系统的一侧；所述的上蓄水池(21)建在上蓄沙库(1)的一侧，上蓄水池(21)的底部高于上蓄沙库(1)的顶部；下蓄水池(12)依地质条件建在下蓄沙库(11)的一侧，并低于下蓄沙库(11)的底部水平面，水泵(18)安装在下蓄水池(12)上；
所述的上蓄沙库(1)由库体、给水系统、沙水控制阀门(5)、泄沙水管道(6)和上给水管道(4)组成；上蓄沙库(1)库体的轴向截面为漏斗形状，库体上部为半圆柱体(7)，下部为半圆锥体(8)；给水系统由上至下垂直安装在上蓄沙库(1)内，给水系统的进水口(13)与上给水管道(4)的一端连接，上给水管道(4)的另一端与上给水阀门(9)连接；沙水控制阀门(5)位于库体半圆锥体(8)的底部，并与泄沙水管道(6)的上部连接，泄沙水管道(6)的下部与类水轮机(10)入口连接，类水轮机(10)的出口接入下蓄沙库(11)；下蓄沙库(11)位于类水轮机(10)的下部；
所述的给水系统由柱状给水管道(2)、第一环形给水管道(25)、第二环形给水管道(26)、第三环形给水管道(27)，……，第N-1环形给水管道(29)、第N环形给水管道(30)、k1梯级阀门(25’)、k2梯级阀门(26’)、k3梯级阀门(27’)、……、kN-1梯级阀门(29’)、kN梯级阀门(30’)、弧形给水管道(3)、控水阀门(3’)、进水口(13)和射水口阀门(14)组成；k1梯级阀门(25’)、k2梯级阀门(26’)、k3梯级阀门(27’)、……、kN-1梯级阀门(29’)、kN梯级阀门(30’)等距离安装在柱状给水管道(2)上，由下至上按照1～N的顺序排列；第一环形给水管道(25)、第二环形给水管道(26)、第三环形给水管道(27)，……，第N-1环形给水管道(29)，第N环形给水管道(30)等距离排列，第一环形给水管道(25)、第二环形给水管道(26)、第三环形给水管道(27)，……，第N-1环形给水管道(29)，第N环形给水管道(30)分别与k1梯级阀门(25’)、k2梯级阀门(26’)、k3梯级阀门(27’)、……、kN-1梯级阀门(29’)、kN梯级阀门(30’)对应连接；其中第一环形给水管道(25)上垂直安装若干个柱状喷淋管(31)，在柱状喷淋管(31)上装有若干喷头，其余每个环形给水管道上环形排列有若干排水孔；
弧形给水管道(3)位于半圆锥体(8)上边缘处，弧形给水管道(3)的一端通过安装在柱状给水管道(2)上的控水阀门(3’)与柱状给水管道(2)连接，弧形给水管道(3)的另一端密封；弧形给水管道(3)上有若干排水孔，弧形给水管道(3)通过此排水孔向库体的半圆锥体(8)表面排水，降低沙子与库体的半圆锥体(8)表面的摩擦力；柱状给水管道(2)的一端为进水口(13)，进水口(13)与上给水管道(4)的一端连接，柱状给水管道(2)的另一端为射水口阀门(14)，射水口阀门(14)布置于第一个环形给水管道(25)的中心位置。
2.根据权利要求1所述的水沙蓄能发电系统，其特征在于，当给水系统分时、分层排出的水与沙子混合时，沙子之间及沙子与库体半圆锥体(8)底部的摩擦力降低，沙子在重力的作用下向库体半圆锥体(8)的底部移动，当沙子移动到第一环形给水管道(25)处进一步与水混合，使水的比例提高，降低沙子与沙子之间的粘滞阻力；当给水系统射水口阀门(14)打开时，沙子在水流冲击作用下加速下行，提高发电的响应时间；当沙水通过沙水控制阀门(5)时，在沙水控制阀门(5)的控制下，沙水下泄流量得到控制；一定流量沙水经泄沙水管道(6)到达类水轮机(10)时，驱动类水轮机(10)旋转发电，沙水经由类水轮机(10)出口排放到下蓄沙库(11)中。
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