CN114352464B - 一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统及控制方法，系统包括：由功能性蓄水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电机组、压进排储气系统；所述控制方法包括：1、密封沉箱注水发电压缩气体；1)水流发电机做功功率控制；2)密封沉箱储气和气流发电；3)压缩气体保证水流发电机发电功率；4)调控排气保证压力差；5)控制水流发电机阀门关闭；6)压缩气体排气应急发电；2、排水蓄能；1)余电充足排水保证蓄水最大容量；2)余电少趋近于零时，压缩气体压力排水蓄能；3)压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；4)利用余电保证蓄水储能的最大容量。

Description

一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力能源领域，尤其是一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统及控制方法。

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，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地形地貌满足上下储水条件建造，然而海洋、湖泊等不具备上储水条件地区，再有海上风电、水上漂浮光伏都不具备上下储水势能发电条件，无法实现抽水蓄能。另外对于功能性大量用水，如海水淡化、城市供水、大型排水灌溉、大型水冷却系统、海岛储能发电等，能否将在用水过程中的相关物理量充分利用，如压力、流量、浮力、重力转换另一种能量存储。由此如何将大形水体如海洋、湖泊等具有一定规模深度的水体，水的压力、浮力充分利用，将其转换动能发电，提出一种新的储能思路。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统及控制方法。

所述的沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统，包括功能性蓄水罐、控制器、抽排水发电一体机、水中密封沉箱、水流发电机组、压进排储气系统；功能性蓄水罐位于水体周边，满足功能用水配备的蓄水罐，如海水淡化、生活用水厂、大型冷却用水、抽水灌溉。其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。

其中，密封沉箱考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，结构外形依地势而定，在结构两侧面靠近底部各嵌入安装一套水流发电机组；密封沉箱置于水体下一定的深度，上通过管道分别与抽排水发电一体机和压进排储气系统连接。

密封沉箱上部两侧分别安装有可伸缩抽排水管道和可伸缩主进排气管道，可伸缩抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，可伸缩抽排水管道下端置于密封沉箱近底部，与密封沉箱内部连通，可伸缩抽排水管道上端与抽排水发电一体机一端连接；

抽排水发电一体机另一端与三通阀门接，抽排水发电一体机通过三通阀门的切换，分别与水体排水管道连通或与功能用水管道连通。

可伸缩主进排气管道一端分别与密封沉箱进排气口阀门和双向逆止阀连接。密封沉箱进排气口阀门与密封沉箱体上一侧连接，形成密封沉箱内部气体对外的流通通道。可伸缩主进排气管道通过双向逆止阀、空压发电一体机、可伸缩进排气管道与多台压缩气体活塞缸连接。可伸缩主进排气管道另一端通过进排气阀门与大气连通。

所述的水流发电机组由水流发电机和水流发电机阀门组成，水流发电机与水流发电机阀门同心圆轴向连接，水流发电机阀门分别安装在密封沉箱两侧的球缺面的外侧，水流发电机安装在密封沉箱两侧球缺面内侧。水流发电机阀门在控制器控制下线性开合，控制水流通过水流发电机的流量，实现发电输出功率的控制。

所述的压进排储气系统由可伸缩主进排气管道、空压发电一体机、双向逆止阀、多台压缩气体活塞缸、密封沉箱进排气口阀门和进排气阀门组成。其中，第一压缩气体活塞缸到第n压缩气体活塞缸置于密封沉箱外底部，一方面对密封沉箱的锚定作用，另一方面利用密封沉箱重力和浮力对压缩气体活塞缸做功，吸收或压缩气体。

其中，压缩气体活塞缸内由活塞、气缸体和气缸进排气管道组成，螺纹管连杆与密封沉箱底脚连接，在密封沉箱浮力和重力的作用下，如同汽车活塞缸一样，往复运动对压缩气体活塞缸做功，吸收或压缩气体。其中，螺纹管连杆采用橡胶承压胶管，由于管内充满水，依据液体不可压缩原理对密封沉箱浮力和重力的传递，而且胶管有一定的柔性可抵御水体的波动，同时也降低安装难度和材料成本。

由于气缸进排气管道一端与气缸体底部连通，另一端与可伸缩进排气管道连通，实现气缸进排气通道。

多台压缩气体活塞缸均匀分布固定安装在水体底部，每个压缩气体活塞缸的螺纹管连杆上端与密封沉箱底脚连接。多台压缩气体活塞缸相互之间由气缸进排气管道连接，在与可伸缩进排气管道一端连接。可伸缩进排气管道另一端通过空压发电一体机、双向逆止阀与可伸缩主进排气管道连接。

可伸缩主进排气管道上端安装有进排气阀门，控制气体进入和排出，可伸缩主进排气管道下端安装密封沉箱进排气口阀门，控制密封沉箱气体进入和排出。

其中，双向逆止阀内含有A、B两个不同方向的逆止阀，A逆止阀气流方向定义为双向逆止阀的进出气口端。A逆止阀气流方向是由可伸缩主进排气管道，通过空压发电一体机经可伸缩进排气管道，到压缩气体活塞缸吸进气体；B逆止阀气流方向由压缩气体活塞缸经可伸缩进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩主进排气管道，压缩气体活塞缸排出气体发电。

所述的控制器安装在控制室或柜内，控制器通过有线或无线与所有的阀门、水流发电机发电机、抽排水发电一体机、压缩气体活塞缸、空压发电一体机等进行控制。所有的设备都具有相关的数据传感器和自适应控制系统，可通过有线或无线接收和发送数据，接受控制器远程调度功能。

工作原理：

1、初始状态：密封沉箱置于一定深度h_外水的水体中，压力为P_外水＝ρ_水gh_外水；密封沉箱内水深h_内水＝0无水体积V_t1内气体压力P_t1内＝P₀。压缩气体活塞缸内的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P₀。

2、供电时分别打开水流发电机阀门，控制水流量发电，此时控制器控制可伸缩主进排气管道等对应的阀门打开或关闭，此时密封沉箱的发电与压缩气体过程如下：

1)水体在密封沉箱内外压力差作用下，水经水流发电机发电进入密封沉箱内，密封沉箱处于下沉状态，同时依据水流发电机位于水体深度的压力，将密封沉箱内气体压缩。当密封沉箱内部气体压力P_t内大于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩时，密封沉箱内气体经可伸缩主进排气管道、双向逆止阀A、空压发电一体机发电、压入压缩气体活塞缸中。此时发电功率为：水流发电机发电功率+空压发电一体机发电功率。

2)随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内部气体压力P_t内、密度和密封沉箱的重量同步增加，当控制器检测密封沉箱注入水流减缓，水流发电机发电减小到输出功率极限时，控制器启动空压发电一体机工作，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体活塞缸内，控制密封沉箱内的压力P_t内满足最佳水流流速，达到最佳发电功率输出。此时压缩气体活塞缸中气体压力P_t压缩大于密封沉箱内的气体压力P_t内。发电功率为：水流发电机发电功率-空压发电一体机消耗功率。

此时压缩气体活塞缸内压入的气体密度，主要为密封沉箱气体压力P_t内的大气密度，和密封沉箱上浮带动压缩气体活塞缸做功吸进的气体，由此得到高密度的压缩气体。

3)随着密封沉箱下沉所处水体的深度h_外水增加，注水量同步增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加，密封沉箱内部气体经空压发电一体机压缩，压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩增加，当控制器读取压缩气体活塞缸内的压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ时，控制关闭双向逆止阀、停止空压发电一体机工作、打开进排气阀门将密封沉箱内气体与大气连通，密封沉箱内的气体直排到大气中。提高密封沉箱内的压力差ΔP，实现水流发电机发电最佳输出功率。发电功率为：水流发电机发电功率；所诉述的扬程阈值压力P_δ是指：密封沉箱达到最大水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力。

4)随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内水即将充满，当控制器分别检测到水流发电机最小工作压力差ΔP_min等于密封沉箱内外压力差ΔP，以及水流发电机注入水流速量Q_水小于等于最小流量Q_水min时，控制器分别控制水流发电机阀门关闭。

3、余电排水蓄能

1)排水蓄能时，当控制器监测到新能源输出余电电量P_余电大于等于最小余电电量阈值P_δ余电时，且压缩空气罐气体压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ，控制器控制打开进排气阀门、关闭空压发电一体机和关闭双向逆止阀，建立密封沉箱内与大气通道，启动抽排水发电一体机排水，封沉箱内水体经可伸缩排水管道全部排放到功能性储水罐或水体中，提供蓄水发电的容量。

所述的最小余电电量阈值P_δ余电是指，新能源发电大于负荷需求时，产生的余电P_余电可满足全部密封沉箱抽排水的最小用电电量。

2)当控制器监测到新能源输出余电电量P_余电趋近于零，且压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ时，控制器分别控制关闭进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、控制关闭双向逆止阀A打开B。压缩气体活塞缸内气体通过空压发电一体机发电，将气体压力作用在密封沉箱内，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道、抽排水发电一体机发电排放到功能性蓄水罐或水体中，同时密封沉箱产生浮力。随着密封沉箱在浮力作用下上升，排水扬程压力P_扬程减小，有利于密封沉箱水排出。

3)当压缩气体活塞缸内气体压力P_t压缩趋近于抽排水发电一体机排水扬程出口压力P_扬程时，且压缩气体活塞缸内气体压力P_t压缩大于密封沉箱内的气体压力P_t内，同时新能源输出余电电量P_余电大于零时，抽排水发电一体机处于抽排水模式，压缩气体活塞缸内的压缩气体，通过空压发电一体机发电，进入密封沉箱内。

同时控制器启动抽排水发电一体机，与压缩气体活塞缸内的压缩气体共同作用下，将密封沉箱中的水排到功能性蓄水罐或水体中。此时减少抽排水发电一体机的用电消耗。

4)当控制器检测压缩气体活塞缸压力P_t压缩趋近于环境压力P₀时，且新能源输出余电电量P_余电大于零时，控制器控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、打开双向逆止阀A关闭B。将密封沉箱内气体与环境大气连通，环境大气进入密封沉箱中。控制抽排水发电一体机利用余电排水，满足排水的需求。

由于密封沉箱、压缩气体活塞缸与大气建立通道，在密封沉箱上浮的带动下，环境大气经可伸缩主进排气管道吸进大气，密封沉箱和压缩气体活塞缸同时获得气体，将密封沉箱水排出，得到排水蓄能的空间。

其中，P_t压缩为某一时刻压缩气缸内的气体压力；h_外水为密封沉箱所置于的深度；P_t1内为密封沉箱内的初始气体压力；ΔP为密封沉箱内外压力差；P₀为陆地环境气体压力；P_t内为密封沉箱内的任意时刻的气体压力；h_内水为密封沉箱内的水深高度；V_t1压缩为压缩气缸初始的体积；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；Q_水min为水流发电机最小流速；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；P_外为密封沉箱外部的水体压力；P_δ为扬程阈值压力；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力；P_余电为能源输出余电电量。

控制方法如下：

步骤1、初始状态：

密封沉箱置于一定深度h_外水的水体中压力为：

P_外水＝ρ_水gh_外水 (1)

密封沉箱内水深h_内水＝0无水体积V_t1内气体压力P_t1内＝P₀

压缩气体活塞缸内的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P₀。

步骤2、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能

打开水流发电机阀门，在水体深度压力作用下，水流流经水流发电机做功发电。打开双向逆止阀A关闭B。打开密封沉箱进排气口阀门，关闭进排气阀门，断开与环境大气连通。在暂不考虑空压发电一体机和抽排水发电一体最小保证工作压力下，此时密封沉箱的发电与储能过程如下：

步骤2.1、水流发电机发电做功功率P_水控制

基于密封沉箱初始状态，通过密封沉箱内外压力，即P_外水＞P_t1内时，通过密封沉箱内部水的深度h_内水、外水的深度h_外水和密封沉箱内部压力P_t内，得到密封沉箱内外压力差ΔP的表达式为：

ΔP＝ρ_水gh_外水+P₀-ρ_水gh_内水-P_t内

当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即ΔP＞ΔP_min时，

由此水流发电机发电做功功率P_水：

P_水＝F·v＝ΔP·S_k·v＝ΔP·Q_水

由此控制器通过控制水流发电机阀门开度面积S_k，可以调整输出水流发电机发电功率。

步骤2.2、密封沉箱P_t内＞P_t压缩时储气和气流发电

基于玻意耳定律，当密封沉箱初始态t1到密封沉箱内注水体积和密封沉箱重力增加，密封沉箱和压缩气体活塞缸气体体积减小t2时，计算密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体活塞缸气体压力P_t2压缩。

步骤2.3、时压缩气体保证水流发电机最佳发电

随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，当密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即时，控制空压发电一体机压缩气体，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体活塞缸内，提高密封沉箱内外压力差ΔP的同时压缩气体活塞缸内获得气体压力P_t压缩，由此控制密封沉箱内的压力P_t内达到最佳发电功率输出。

步骤2.4、当P_t压缩＞P_δ调控排气保证最佳功率输出随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加，压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩同步增加，当P_t压缩＞P_δ时，控制器控制停止空压发电一体机工作、相应的阀门关闭或打开，将密封沉箱内气体与大气连通，密封沉箱内的气体直排到大气中。提高密封沉箱内的压力差ΔP，实现水流发电机发电最佳输出功率。

所诉述的扬程阈值压力P_δ是指：密封沉箱达到最大水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力。

步骤2.5、控制水流发电机阀门关闭

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内水即将充满，当控制器分别检测到ΔP_min＝ΔP，以及Q_水≤Q_水min时，控制器分别控制空压发电一体机停止工作，水流发电机阀门关闭。

步骤2.6、压缩气体排气应急发电

由于气流发电响应速度高于水流发电机响应速度，当水流发电机处于关闭状态或水流发电机启动发电过程时，由于电网需要应急电网支撑时，控制器打开或关闭相关阀门，压缩气体活塞缸中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中。

步骤3、余电排水蓄能

步骤3.1、P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ保证蓄水最大容量

排水蓄能时，控制器打开或关闭相关阀门。

当P_余电≥P_δ余电和P_t压缩＞P_扬程时，建立密封沉箱内与大气通道，启动抽排水发电一体机排水，将封沉箱内水体经可伸缩排水管道全部排放到功能性储水罐或水体中，提供蓄水发电的容量。

所述的最小余电电量阈值P_δ余电是指，新能源发电大于负荷需求时，产生的余电P_余电可满足全部密封沉箱抽排水的最小用电电量。

步骤3.2、当时，压缩气体压力排水蓄能

当和P_t压缩＞P_δ时，控制器打开或关闭相关阀门，将压缩气体活塞缸内气体压力作用在密封沉箱内水体上，在气体压力的作用下，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道等排放到功能性蓄水罐或水体中，同时密封沉箱产生上升的浮力，降低了排水扬程的压力P_扬程，有利于密封沉箱水排出。

步骤3.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能

当P_t压缩＞P_t内和P_余电＞0时，控制器打开或关闭相关阀门，建立密封沉箱内气体、压缩气体活塞缸与环境大气连通，密封沉箱和压缩气体活塞缸同时获得气体，将密封沉箱水排出，得到排水蓄能的空间。

步骤3.4、利用余电保证蓄水储能的最大容量

当控制器检测且P_余电＞0时，控制器打开或关闭相关阀门，将密封沉箱内气体与环境大气连通。控制抽排水发电一体机利用余电排水，满足排水的需求。其中，P_t压缩为某一时刻压缩气缸内的气体压力；P_水为水流发电机做功功率；P_δ余电为最小余电电量阈值；P_min为水流发电机最小极限做功功率；h_外水为密封沉箱所置于的深度；P_t1内为密封沉箱内的初始气体压力；S_k为水流发电机阀门的开度；ΔP为密封沉箱内外压力差；P₀为陆地环境气体压力；P_t内为密封沉箱内的任意时刻的气体压力；h_内水为密封沉箱内的水深高度；V_t1压缩为压缩气缸初始的体积；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；Q_水min为水流发电机最小流速；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；P_外为密封沉箱外部的水体压力；P_δ为扬程阈值压力；P_余电为能源输出余电电量。

有益效果：

1)相比抽水蓄能电站解决地质要求问题；

2)不占陆地面积；

3)创新利用功能性大量用水发电，降低企业成本，如海水淡化、城市供水、大型排水灌溉、大型水冷却系统、海岛储能发电等；

4)解决海上风电、漂浮式光伏的就近储能和电网支撑；

5)充分利用水体的浮力、重力和压力产生压缩气体，提供储能发电动能；

6)在新能源发电低谷时压缩气体排水蓄能；

7)通过改变密封沉箱和压缩气体活塞缸进气介质，可实现不同气体介质的压缩与储存，如氢气、二氧化碳等气体。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统结构图；

图2为压缩气体活塞缸结构示意图；

图3为本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，所述的沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统，由功能性蓄水罐SW、控制器CPU、抽排水发电一体机DY4、水中密封沉箱ST、水流发电机组、压进排储气系统组成；功能性蓄水罐SW位于水体周边，满足功能用水配备的蓄水罐，如海水淡化、生活用水厂、大型冷却用水、抽水灌溉、抽水蓄能发电。其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。

其中，密封沉箱ST考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，密封沉箱ST外形结构依据水体地势而定，在两侧面靠近底部各嵌入安装一套水流发电机组；

密封沉箱ST置于水体下一定的深度，上通过管道分别与抽排水发电一体机DY4和压进排储气系统连接。

密封沉箱ST上部两侧分别安装有可伸缩抽排水管道WP和可伸缩主进排气管道GP，可伸缩抽排水管道WP经密封沉箱ST上部一侧贯穿安装，可伸缩抽排水管道WP下端置于密封沉箱ST近底部，与密封沉箱ST内部连通，可伸缩抽排水管道WP上端与抽排水发电一体机DY4一端连接；

抽排水发电一体机DY4另一端与三通阀门K6连接，抽排水发电一体机DY4通过三通阀门K6的切换，分别与水体排水管道连通或与功能用水管道连通。

可伸缩主进排气管道GP一端分别与密封沉箱进排气口阀门K5和双向逆止阀K3连接。密封沉箱进排气口阀门K5与密封沉箱ST上一侧连接，形成密封沉箱ST内部气体对外的流通通道。可伸缩主进排气管道GP通过双向逆止阀K3、空压发电一体机DY3、可伸缩进排气管道TP与多台压缩气体活塞缸连接。可伸缩主进排气管道GP另一端通过进排气阀门K4与大气连通。

所述的水流发电机组由水流发电机DY1和水流发电机阀门K1组成，水流发电机DY1与阀门K1同心圆轴向连接，以及和水流发电机DY2与阀门K2同心圆轴向连接，水流发电机阀门K1、水流发电机阀门K2，分别安装在密封沉箱ST两侧的球缺面的外侧，水流发电机DY1、水流发电机DY2安装在密封沉箱ST两侧球缺面内侧。水流发电机阀门K1和水流发电机阀门K2，在控制器CPU的控制下线性开合，控制水流通过水流发电机DY1和水流发电机DY2的流量，实现发电输出功率的控制。

所述的压进排储气系统由可伸缩主进排气管道GP、空压发电一体机DY3、双向逆止阀K3、多台压缩气体活塞缸、密封沉箱进排气口阀门K5和进排气阀门K4组成。其中，第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn置于密封沉箱外底部，一方面对密封沉箱ST的锚定作用，另一方面利用密封沉箱ST浮力和重力对第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn做功，吸收或压缩气体。

图2所示，所述的压缩气体活塞缸Yn内由活塞GL、气缸AR体和气缸进排气管道NP组成，螺纹管连杆CO与密封沉箱ST底脚连接，在密封沉箱ST浮力和重力的作用下，如同汽车活塞缸一样往复运动，对压缩气体活塞缸Yn做功，吸收或压缩气体。其中，螺纹管连杆CO采用橡胶承压胶管，由于管内充满水，依据液体不可压缩原理对密封沉箱ST浮力和重力的传递，而且胶管有一定的柔性可抵御水体的波动，同时也降低安装难度和材料成本。气缸进排气管道NP一端与气缸AR体底部连通，另一端与可伸缩进排气管道TP连通，实现气缸AR进排气通道。

其中，第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn均匀分布固定安装在水体底部，每个压缩气体活塞缸的螺纹管连杆上端与密封沉箱ST底脚连接。第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn相互之间由气缸进排气管道NP连接，在与可伸缩进排气管道TP一端连接。可伸缩进排气管道TP另一端通过空压发电一体机DY3、双向逆止阀K3与可伸缩主进排气管道GP连接。

可伸缩主进排气管道GP上端安装进排气阀门K4，控制气体进入和排出，可伸缩主进排气管道GP下端安装密封沉箱进排气口阀门K5，控制密封沉箱ST气体进入和排出。

其中，双向逆止阀K3内含有A、B两个不同方向的逆止阀，A逆止阀气流方向定义为双向逆止阀K3的进出气口端。A逆止阀气流方向是由可伸缩主进排气管道GP，通过空压发电一体机DY3经可伸缩进排气管道TP到第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn吸进气体；B逆止阀气流方向由第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn经可伸缩进排气管道TP，再通过空压发电一体机DY3到可伸缩主进排气管道GP，第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn排出气体发电。

本发明的一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统，其控制方法如下：如图3所示。

步骤2、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能

打开水流发电机阀门，在水体深度压力作用下，水流流经水流发电机做功发电。打开双向逆止阀A关闭B，打开密封沉箱进排气口阀门，关闭进排气阀门，断开与环境大气连通，此时密封沉箱的发电与储能过程如下：

步骤2.1、水流发电机发电做功功率P_水控制

基于密封沉箱初始状态，通过密封沉箱内外压力，即P_外水＞P_t1内时，通过密封沉箱内部水的深度h_内水、外水的深度h_外水和密封沉箱内部压力P_t内，得到密封沉箱内外压力差ΔP的表达式为：

ΔP＝ρ_水gh_外水+P₀-ρ_水gh_内水-P_t内

当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即ΔP＞ΔP_min时，由此水流发电机发电做功功率P_水：

P_水＝F·v＝ΔP·S_k·v＝ΔP·Q_水

由此控制器通过控制水流发电机阀门开度面积S_k，可以调整输出水流发电机发电功率。

步骤2.2、密封沉箱P_t内＞P_t压缩时储气和气流发电：

基于玻意耳定律，当密封沉箱初始态t1到密封沉箱内注水体积和密封沉箱重力增加，密封沉箱和压缩气体活塞缸气体体积减小t2时，计算密封沉箱气体压力P_t2内。

步骤2.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率

随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，当密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即时，控制空压发电一体机压缩气体，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体活塞缸内，提高密封沉箱内外压力差ΔP，由此控制密封沉箱内的压力P_t内达到最佳发电功率输出。

水流发电机做功功率P_水减小，当达到最小极限做功功率P_min时，空压发电一体机进入压缩气体工作模式，提高密封沉箱内外压力差ΔP和压缩气体活塞缸内压力P_t压缩，由此通过控制空压发电一体机，实现调节水流流速。

步骤2.4、当P_t压缩＞P_δ调控排气保证最佳功率输出

随着密封沉箱下沉所处水体的深度h_外水增加，注水量同步增加，密封沉箱内部气体经空压发电一体机压缩，压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩增加，当P_t压缩＞P_δ时，控制关闭、打开相应的阀门，停止空压发电一体机工作，控制密封沉箱内气体与大气连通，密封沉箱内的气体直排到大气中。

步骤2.5、控制水流发电机阀门关闭

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内水即将充满，当控制器分别检测到ΔP_min＝ΔP，以及Q_水≤Q_水min时，控制器分别控制空压发电一体机停止工作，水流发电机阀门关闭。

步骤2.6、压缩气体排气应急发电

控制器打开、关闭相关阀门，压缩气体活塞缸中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中。

其中，S_k为水流发电机阀门开度面积；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；Q_水min为水流发电机最小流速；ΔP为密封沉箱内外压力差值；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；P_水为水流发电机发电做功功率；Δh_内水为密封沉箱内增加水的深度；h_内水为密封沉箱内水的深度；Δh_外水为密封沉箱在所处水体中增加的深度；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；g为重力加速度；P_t压缩为压缩气体活塞缸中某一时刻的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_外为密封沉箱外部的水体压力；P_δ为密封沉箱达到最大水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力。

步骤3、余电排水蓄能

步骤3.1、P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ保证蓄水最大容量

排水蓄能时，当P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ时，控制器打开、关闭相关阀门和停止空压发电一体机工作。启动抽排水发电一体机排水，将密封沉箱内水体全部排放到功能性储水罐或水体中，提供蓄水发电的容量。

所述的最小余电电量阈值P_δ余电是指，新能源发电大于负荷需求时，产生的余电P_余电可满足满足全部密封沉箱抽排水的最小用电电量。由于新能源发电的波动性，产生的余电电量P_余电也随之改变。

步骤3.2、新能源发电余电很少趋近于零时，压缩气体压力排水蓄能

当时，且P_t压缩＞P_δ时，控制器打开、关闭相关阀门。压缩气体活塞缸内气体压力作用在密封沉箱内，密封沉箱水排放到功能性蓄水罐或水体中，同时密封沉箱产生浮力。

步骤3.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能

当时，且P_t压缩＞P_t内，同时P_余电＞0时，压缩气体活塞缸内的压缩气体与抽排水发电一体机一起做功，将密封沉箱中的水排放到功能性蓄水罐或水体中。

步骤3.4、利用余电保证蓄水储能的最大容量

当且P_余电＞0时，控制器打开、关闭相关阀门，将密封沉箱内气体与环境大气连通，控制抽排水发电一体机利用余电排水，满足排水的需求。其中，P_t压缩为某一时刻压缩气缸内的气体压力；P_水为水流发电机做功功率；P_min为水流发电机最小极限做功功率；h_外水为密封沉箱所置于的深度；P_t1内为密封沉箱内的初始气体压力；S_k为水流发电机阀门的开度；ΔP为密封沉箱内外压力差；P₀为陆地环境气体压力；P_t内为密封沉箱内的任意时刻的气体压力；h_内水为密封沉箱内的水深高度；V_t1压缩为压缩气缸初始的体积；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力。

其中，空压发电一体机和抽排水发电一体机，在发电时刻可在控制器的控制下改排变气或排水的流量，2个极端状态：最大流量时无阻力流过，最小关闭流量为零。发电功率相对水流发电机发电功率较小。

具体控制方法如下：

步骤1、初始状态：密封沉箱置于一定深度h_外水的水体中压力为：

P_外水＝ρ_水gh_外水 (1)

密封沉箱内水深h_内水＝0无水体积V_t1内气体压力P_t1内＝P₀

压缩气体活塞缸内的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P₀。

步骤2、密封沉箱内注水发电压缩气体

控制器打开密封沉箱水流发电机阀门，在水体深度压力作用下，水流流经水流发电机做功发电。控制器分别控制打开双向逆止阀A、密封沉箱进排气口阀门，关闭双向逆止阀B和进排气阀门，断开与环境大气连通，此时密封沉箱的发电与储能过程如下：

密封沉箱在水体压力作用下，水经水流发电机发电进入密封沉箱内，同时依据水流发电机位于水体深度h_外水的压力P_外水将密封沉箱内气体压缩。

步骤2.1、水流发电机发电做功功率P_水控制

由于初始状态时，密封沉箱外部压力P_外水大于密封沉箱内部压力P_t内，即P_外水＞P_t1内时，由于水流发电机发电做功功率P_水与密封沉箱内外压力差ΔP和水流流量Q_水有关，依据压强公式：

P＝ρgh (2)

通过密封沉箱内部水的深度h_内水、外水的深度h_外水和密封沉箱内部压力P_t内，得到密封沉箱内外压力差ΔP的表达式为：

ΔP＝ρ_水gh_外水+P₀-ρ_水gh_内水-P_t内 (3)

当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即ΔP＞ΔP_min时，依据做功功率公式：

P＝F·v (4)

做功水的推力：

F＝ΔP·S_k (5)

流量公式：

Q_水＝v_水·S_k (6)

由此水流发电机发电做功功率P_水：

P_水＝F·v＝ΔP·S_k·v＝ΔP·Q_水 (7)

由式(7)可以看出，当密封沉箱深度h_外水一定时，水流发电机发电做功与水流发电机阀门的开度S_k和水流流量Q_水有关，当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即ΔP＞ΔP_min时，控制器通过控制水流发电机阀门开度面积S_k，可以调整输出水流发电机发电功率。

其中，h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_内水为密封沉箱内水的深度；V_t1内为密封沉箱内初始体积；P_t1内为密封沉箱内初始气体压力；P₀为当地环境大气压力；P_外水为密封沉箱外部压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_水为水流发电机发电做功功率；S_k为水流发电机阀门的开度；v_水为通过水流发电机水流的流速；Q_水为通过水流发电机水流的流量；ΔP为密封沉箱内外的压力差；ΔP_min为水流发电机最小发电工作压力差；

步骤2.2、密封沉箱P_t内＞P_t压缩时储气和气流发电

水体在密封沉箱内外压力差ΔP作用下，水经水流发电机发电进入密封沉箱内，由于重力密封沉箱同步下沉，密封沉箱内气体体积V_t2内减小。同时密封沉箱重力对压缩气体活塞缸做功，压缩气体使体积V_t2压缩减小。

如密封沉箱内部气体压力P_t内大于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩即P_t内＞P_t压缩时，密封沉箱内气体必经双向逆止阀A压入到压缩气体活塞缸中，不考虑双向逆止阀A等压力损失，此时密封沉箱内部气体压力P_t内近似等于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩即P_t内≈P_t压缩。根据水流发电机位于水体深度的压力和玻意耳定律：一定质量的空气，在温度保持不变时，它的压强和体积成反比。即P₁V₁＝P₂V₂。由此得到密封沉箱或压缩气体活塞缸内气体压力的变化表达式：

P_t1内·(V_t1内+V_t1压缩)＝P_t2内·(V_t2内+V_t2压缩) (8)

由此可以看出随着水流通过水流发电机发电，注入密封沉箱内水的体积增加，密封沉箱气体体积V_t2内和压缩气体活塞缸内气体体积V_t2压缩减小，密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体活塞缸内气体压力P_t2压缩同步增加。

其中，V_t2内为t₂时刻的密封沉箱内气体体积；P_t2内为t₂时刻的密封沉箱内气体压力；P_t2压缩为t₂时刻的压缩气体活塞缸内气体压力；V_t2压缩为t₂时刻的压缩气体活塞缸气体体积；

由于水体体积远远大于密封沉箱体积，随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加的水深Δh_内水大于大密封沉箱所处水体的深度h_外水增加的水深Δh_外水，即Δh_内水＞Δh_外水。由此基于做功公式P＝ρgh，密封沉箱重量对压缩气体活塞缸做功增加的气体压力ΔP_t压缩小于密封沉箱内部增加的气体压力ΔP_t内，即ΔP_t压缩＜ΔP_t内。

由此密封沉箱内部气体压力P_t内大于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩即P_t内＞P_t压缩，密封沉箱内气体经可伸缩主进排气管道、双向逆止阀A、空压发电一体机发电压入到压缩气体活塞缸中。

由此获得能量：

发电功率为：水流发电机发电功率+空压发电一体机发电功率。

压缩气体储能：压缩气体活塞缸内获得密封沉箱内部气体压力P_t内。

步骤2.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率

同样由于水体体积远远大于密封沉箱体积，随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加的水深Δh_内水大于大密封沉箱所处水体的深度h_外水增加的水深Δh_外水，即Δh_内水＞Δh_外水。而压缩气体活塞缸气体压力在密封沉箱的重量做功压力P_t压缩同步增加，由此依据表达式(9)密封沉箱内部气体压力P_t内和压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩增加，而密封沉箱内外压力差ΔP减小，在通过水流发电机发电水流流量Q_水一定时，由公式(7)可知水流发电机做功功率P_水减小。当密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即时，控制器将空压发电一体机由发电转换为压缩气体工作模式，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体活塞缸内，提高密封沉箱内外压力差ΔP，由此通过控制空压发电一体机压缩气体的速度，控制密封沉箱内的压力P_t内达到最佳发电功率输出。由于空压发电一体机做功压缩气体，此时压缩气体活塞缸中气体压力P_t压缩大于密封沉箱内的气体压力P_t内即P_t压缩＞P_t内。

由于压缩气体活塞缸内压入大量的密封沉箱内压缩气体，以及在密封沉箱上浮时带动压缩气体活塞缸做功吸进的气体同步被压缩，其气体密度远大于环境大气密度。当压缩气体活塞缸对这些气体进一步压缩时，压缩气体活塞缸内得到较高压力P_t压缩的压缩气体。

由此获得能量：

发电功率为：水流发电机发电功率-空压发电一体机消耗功率；

压缩气体储能：压缩气体活塞缸内得到较高压力P_t压缩的压缩气体储能。

步骤2.4、当P_t压缩＞P_δ调控排气实现最佳功率输出

随着密封沉箱下沉所处水体的深度h_外水增加，注水量同步增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加，密封沉箱内部气体经空压发电一体机压缩，压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩增加，当控制器读取压缩气体活塞缸内的压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ即P_t压缩＞P_δ时，控制关闭双向逆止阀、停止空压发电一体机工作、打开进排气阀门将密封沉箱内气体与大气连通，密封沉箱内的气体直排到大气中。提高密封沉箱内的压力差ΔP，实现水流发电机发电最佳输出功率。发电功率为：水流发电机发电功率；所诉述的扬程阈值压力P_δ是指：密封沉箱达到最大水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力。

步骤2.5、控制水流发电机阀门关闭

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内水即将充满，当控制器分别检测到水流发电机最小工作压力差ΔP_min等于密封沉箱内外压力差ΔP，即ΔP_min＝ΔP，以及水流发电机注入水流速量Q_水小于等于最小流量Q_水min即Q_水≤Q_水min时，控制器分别控制水流发电机阀门关闭。

步骤2.6、压缩气体排气应急发电

由于气流发电响应速度高于水流发电机响应速度，当水流发电机处于关闭状态或水流发电机启动发电过程时，由于电网需要应急电网支撑时，控制器分别关闭密封沉箱进排气口阀门、打开进排气阀门、关闭双向逆止阀A打开B，控制空压发电一体机进入发电工作模式。此时压缩气体活塞缸中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中。

其中，S_k为水流发电机阀门开度面积；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；Q_水min为水流发电机最小流速；ΔP为密封沉箱内外压力差值；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；P_水为水流发电机发电做功功率；Δh_内水为密封沉箱内增加水的深度；h_内水为密封沉箱内水的深度；Δh_外水为密封沉箱在所处水体中增加的深度；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；g为重力加速度；P_t压缩为压缩气体活塞缸中某一时刻的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_外为密封沉箱外部的水体压力；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力；P_δ余电为最小余电电量阈值；P_min为水流发电机最小极限做功功率；P_t1内为密封沉箱内的初始气体压力；P₀为陆地环境气体压力；V_t1压缩为压缩气缸初始的体积；P_δ为扬程阈值压力；P_余电为能源输出余电电量。

步骤3、余电排水蓄能

步骤3.1、P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ保证蓄水最大容量

排水蓄能时，当控制器监测到新能源输出余电电量P_余电大于等于最小余电电量阈值P_δ余电，即P_余电≥P_δ余电时，且压缩空气罐气体压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ，即P_t压缩＞P_δ时，控制器控制打开进排气阀门、关闭空压发电一体机和关闭双向逆止阀，建立密封沉箱内与大气通道，启动抽排水发电一体机排水，密封沉箱内水体经可伸缩排水管道全部排放到功能性储水罐或水体中，提供蓄水发电的容量。其中，如将密封沉箱内水体全部排放到水体中，需控制三通阀门置于抽排水发电一体机排水口与水体连通位置。

所述的最小余电电量阈值P_δ余电是指，新能源发电大于负荷需求时，产生的余电P_余电可满足全部密封沉箱抽排水的最小用电电量。由于新能源发电的波动性，产生的余电电量P_余电也随之改变。

步骤3.2、新能源发电余电很少趋近于零时，压缩气体压力排水蓄能

当控制器监测到新能源输出余电电量P_余电趋近于零，即且压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ，即P_t压缩＞P_δ时，控制器分别控制关闭进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、控制关闭双向逆止阀A打开B。压缩气体活塞缸内气体通过空压发电一体机发电，将气体压力作用在密封沉箱内，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道、抽排水发电一体机发电排放到功能性蓄水罐或水体中，同时密封沉箱产生浮力。随着密封沉箱在浮力作用下上升，排水扬程压力P_扬程减小，有利于密封沉箱水排出。

此时发电功率为：抽排水发电一体机发电功率+空压发电一体机发电功率。

步骤3.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能

当压缩气体活塞缸内气体压力P_t压缩趋近于抽排水发电一体机排水扬程出口压力P_扬程，即时，且压缩气体活塞缸内气体压力P_t压缩大于密封沉箱内的气体压力P_t内，即P_t压缩＞P_t内，同时新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，抽排水发电一体机处于抽排水模式，压缩气体活塞缸内的压缩气体，通过空压发电一体机发电，进入密封沉箱内。

同时控制器启动抽排水发电一体机，与压缩气体活塞缸内的压缩气体共同作用下，将密封沉箱中的水排到功能性蓄水罐或水体中。此时减少抽排水发电一体机的用电消耗。

步骤3.4、利用余电保证蓄水储能的最大容量

当控制器检测压缩气体活塞缸压力P_t压缩趋近于环境压力P₀，即时，且新能源输出余电电量P_余电大于零，即P_余电＞0时，控制器控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、打开双向逆止阀A关闭B。将密封沉箱内气体与环境大气连通，环境大气进入密封沉箱中。控制抽排水发电一体机利用余电排水，满足排水的需求。

由于密封沉箱、压缩气体活塞缸与大气建立通道，在密封沉箱上浮的带动下，环境大气经可伸缩主进排气管道吸进大气，密封沉箱和压缩气体活塞缸同时获得气体，将密封沉箱水排出，得到排水蓄能的空间。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (14)

1.一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，包括：

功能性蓄水罐、控制器、抽排水发电一体机、水中密封沉箱、水流发电机组、压进排储气系统；功能性蓄水罐位于水体周边；

其中，密封沉箱两侧面各嵌入安装一套水流发电机组；

密封沉箱置于水体下预定的深度，上部通过管道分别与抽排水发电一体机和压进排储气系统连接；

所述的密封沉箱上部两侧分别安装有可伸缩抽排水管道和可伸缩主进排气管道，可伸缩抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，可伸缩抽排水管道下端置于密封沉箱近底部，与密封沉箱内部连通，可伸缩抽排水管道上端与抽排水发电一体机一端连接；

抽排水发电一体机另一端与三通阀门连接，抽排水发电一体机通过三通阀门的切换，分别与水体排水管道连通或与功能用水管道连通；

所述的压进排储气系统包括可伸缩主进排气管道、空压发电一体机、双向逆止阀、多台压缩气体活塞缸、密封沉箱进排气口阀门和进排气阀门；其中，第一台压缩气体活塞缸到第n台压缩气体活塞缸Yn置于密封沉箱外底部，一方面对密封沉箱的锚定作用，另一方面利用密封沉箱浮力和重力对第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn做功，吸收或压缩气体；

可伸缩主进排气管道一端分别与密封沉箱进排气口阀门和双向逆止阀连接；密封沉箱进排气口阀门与密封沉箱上一侧连接，形成密封沉箱内部气体对外的流通通道；可伸缩主进排气管道通过双向逆止阀、空压发电一体机、可伸缩进排气管道与多台压缩气体活塞缸连接；可伸缩主进排气管道另一端通过进排气阀门与大气连通。

2.按照权利要求1所述的一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，

所述的压缩气体活塞缸Yn内包括活塞、气缸体和气缸进排气管道，螺纹管连杆与密封沉箱底脚连接，在密封沉箱浮力和重力的作用下往复运动，对压缩气体活塞缸Yn做功，吸收或压缩气体；气缸进排气管道一端与气缸体底部连通，另一端与可伸缩进排气管道连通，实现气缸进排气通道；

其中，第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn均匀分布固定安装在水体底部，每个压缩气体活塞缸的螺纹管连杆上端与密封沉箱ST底脚连接；第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn相互之间由气缸进排气管道连接，再与可伸缩进排气管道一端连接；可伸缩进排气管道另一端通过空压发电一体机、双向逆止与可伸缩主进排气管道连接；

可伸缩主进排气管道上端安装有进排气阀门，控制气体进入和排出，可伸缩主进排气管道下端安装密封沉箱进排气口阀门，控制密封沉箱气体进入和排出；

其中，双向逆止阀内含有A、B两个不同方向的逆止阀，A逆止阀气流方向定义为双向逆止阀的进出气口端；A逆止阀气流方向是由可伸缩主进排气管道，通过空压发电一体机经可伸缩进排气管道到第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn吸进气体；B逆止阀气流方向由第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn经可伸缩进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩主进排气管道，第一台压缩气体活塞缸Y1到第n台压缩气体活塞缸Yn排出气体发电。

3.一种针对权利要求1-2之一所述的一种沉箱/气缸连动多物理量排水蓄能系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、初始状态计算；

步骤2、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能；

步骤2.1、控制水流发电机发电做功功率；

步骤2.2、密封沉箱储气和气流发电；

步骤2.3、压缩气体保证水流发电机最佳发电；

步骤2.4、调控排气保证最佳功率输出；

步骤2.5、控制水流发电机阀门关闭；

步骤2.6、压缩气体排气应急发电；

步骤3、余电排水蓄能，具体包括；

步骤3.1、P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ时保证蓄水最大容量；

步骤3.2、新能源发电余电小于阈值或趋近于零时，压缩气体压力排水蓄能；

步骤3.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；

步骤3.4、利用余电保证蓄水储能的最大容量。

4.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1的初始状态计算包括：

密封沉箱置于一定深度h_外水的水体中压力为：

P_外水＝ρ_水gh_外水 (1)

密封沉箱内水深h_内水＝0无水体积V_t1内气体压力P_t1内＝P₀

压缩气体活塞缸内的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P₀。

5.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2，密封沉箱内注水发电压缩气体，控制器分别控制打开双向逆止阀A、密封沉箱进排气口阀门，关闭双向逆止阀B和进排气阀门，断开与环境大气连通；打开密封沉箱水流发电机阀门，在水体深度压力作用下，水流流经水流发电机做功发电，同时依据水流发电机位于水体深度h_外水的压力P_外水将密封沉箱内气体压缩；

其中，步骤2.1、控制水流发电机发电做功功率P_水，具体如下：

由于初始状态时，密封沉箱外部压力P_外水大于密封沉箱内部压力P_t内，即P_外水＞P_t1内时，由于水流发电机发电做功功率P_水与密封沉箱内外压力差ΔP和水流流量Q_水有关，依据压强公式：

P＝ρgh (2)

通过密封沉箱内部水的深度h_内水、外水的深度h_外水和密封沉箱内部压力P_t内，得到密封沉箱内外压力差ΔP的表达式为：

ΔP＝ρ_水gh_外水+P₀-ρ_水gh_内水-P_t内 (3)

当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即ΔP＞ΔP_min时，

依据做功功率公式：

P＝F·v (4)

做功水的推力：

F＝ΔP·S_k (5)

流量公式：

Q_水＝v_水·S_k (6)

由此水流发电机发电做功功率P_水：

P_水＝F·v＝ΔP·S_k·v＝ΔP·Q_水 (7)

由式(7)可以看出，当密封沉箱深度h_外水一定时，水流发电机发电做功与水流发电机阀门的开度S_k和水流流量Q_水有关，当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即ΔP＞ΔP_min时，控制器通过控制水流发电机阀门开度面积S_k，调整输出水流发电机发电功率；

其中，h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_内水为密封沉箱内水的深度；V_t1内为密封沉箱内初始体积；P_t1内为密封沉箱内初始气体压力；P₀为当地环境大气压力；P_外水为密封沉箱外部压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_水为水流发电机发电做功功率；S_k为水流发电机阀门的开度；v_水为通过水流发电机水流的流速；Q_水为通过水流发电机水流的流量；ΔP为密封沉箱内外的压力差；ΔP_min为水流发电机最小发电工作压力差。

6.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.2、密封沉箱P_t内＞P_t压缩时储气和气流发电，具体如下：

水体在密封沉箱内外压力差ΔP作用下，水经水流发电机发电进入密封沉箱内，由于重力密封沉箱同步下沉，密封沉箱内气体体积V_t2内减小；同时密封沉箱重力对压缩气体活塞缸做功，压缩气体使体积V_t2压缩减小；

如密封沉箱内部气体压力P_t内大于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩即P_t内＞P_t压缩时，密封沉箱内气体必经双向逆止阀A压入到压缩气体活塞缸中，不考虑双向逆止阀A等压力损失，此时密封沉箱内部气体压力P_t内近似等于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩即P_t内≈P_t压缩；根据水流发电机位于水体深度的压力和玻意耳定律：一定质量的空气，在温度保持不变时，它的压强和体积成反比；即P₁V₁＝P₂V₂；由此得到密封沉箱或压缩气体活塞缸内气体压力的变化表达式：

P_t1内·(V_t1内+V_t1压缩)＝P_t2内·(V_t2内+V_t2压缩) (8)

由此看出随着水流通过水流发电机发电，注入密封沉箱内水的体积增加，密封沉箱气体体积V_t2内和压缩气体活塞缸内气体体积V_t2压缩减小，密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体活塞缸内气体压力P_t2压缩同步增加；

其中，V_t2内为t₂时刻的密封沉箱内气体体积；P_t2内为t₂时刻的密封沉箱内气体压力；P_t2压缩为t₂时刻的压缩气体活塞缸内气体压力；V_t2压缩为t₂时刻的压缩气体活塞缸气体体积；

由于水体体积远远大于密封沉箱体积，随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加的水深Δh_内水大于大密封沉箱所处水体的深度h_外水增加的水深Δh_外水，即Δh_内水＞Δh_外水；由此基于做功公式P＝ρgh，密封沉箱重量对压缩气体活塞缸做功增加的气体压力ΔP_t压缩小于密封沉箱内部增加的气体压力ΔP_t内，即ΔP_t压缩＜ΔP_t内；

由此密封沉箱内部气体压力P_t内大于压缩气体活塞缸的气体压力P_t压缩即P_t内＞P_t压缩，密封沉箱内气体经可伸缩主进排气管道、双向逆止阀A、空压发电一体机发电压入到压缩气体活塞缸中。

7.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率，具体如下：

同样由于水体体积远远大于密封沉箱体积，随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加的水深Δh_内水大于大密封沉箱所处水体的深度h_外水增加的水深Δh_外水，即Δh_内水＞Δh_外水；而压缩气体活塞缸气体压力在密封沉箱的重量做功压力P_t压缩同步增加，由此依据表达式(9)密封沉箱内部气体压力P_t内和压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩增加，而密封沉箱内外压力差ΔP减小，在通过水流发电机发电水流流量Q_水一定时，由公式(7)可知水流发电机做功功率P_水减小；当密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机最小发电工作压力差ΔP_min，即时，控制器将空压发电一体机由发电转换为压缩气体工作模式，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体活塞缸内，提高密封沉箱内外压力差ΔP，由此通过控制空压发电一体机压缩气体的速度，控制密封沉箱内的压力P_t内达到最佳发电功率输出；

由于空压发电一体机做功压缩气体，此时压缩气体活塞缸中气体压力P_t压缩大于密封沉箱内的气体压力P_t内即P_t压缩＞P_t内；

此时压缩气体活塞缸内压入大量的密封沉箱内压缩气体，以及在密封沉箱上浮时带动压缩气体活塞缸做功吸进的气体同步被压缩，其气体密度大于环境大气密度；当压缩气体活塞缸对这些气体进一步压缩时，压缩气体活塞缸内得到压力P_t压缩的压缩气体。

8.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.4、调控排气保证最佳功率输出，具体如下：

随着密封沉箱下沉所处水体的深度h_外水增加，注水量同步增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加，密封沉箱内部气体经空压发电一体机压缩，压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩增加，当控制器读取压缩气体活塞缸内的压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ即P_t压缩＞P_δ时，控制关闭双向逆止阀、停止空压发电一体机工作、打开进排气阀门将密封沉箱内气体与大气连通，密封沉箱内的气体直排到大气中；提高密封沉箱内的压力差ΔP，实现水流发电机发电最佳输出功率；发电功率为：水流发电机发电功率；所诉述的扬程阈值压力P_δ是指：密封沉箱达到最大水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力。

9.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.5、控制水流发电机阀门关闭，具体如下：

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内水即将充满，当控制器分别检测到水流发电机最小工作压力差ΔP_min等于密封沉箱内外压力差ΔP，即ΔP_min＝ΔP，以及水流发电机注入水流速量Q_水小于等于最小流量Q_水min即Q_水≤Q_水min时，控制器分别控制水流发电机阀门关闭。

10.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.6、压缩气体排气应急发电，具体如下：

由于气流发电响应速度高于水流发电机响应速度，当水流发电机处于关闭状态或水流发电机启动发电过程时，由于电网需要应急电网支撑时，控制器分别关闭密封沉箱进排气口阀门、打开进排气阀门、关闭双向逆止阀A打开B，控制空压发电一体机进入发电工作模式；此时压缩气体活塞缸中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中；

其中，S_k为水流发电机阀门开度面积；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；Q_水min为水流发电机最小流速；ΔP为密封沉箱内外压力差值；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；P_水为水流发电机发电做功功率；Δh_内水为密封沉箱内增加水的深度；h_内水为密封沉箱内水的深度；Δh_外水为密封沉箱在所处水体中增加的深度；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；g为重力加速度；P_t压缩为压缩气体活塞缸中某一时刻的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_外为密封沉箱外部的水体压力；P_δ为扬程阈值压力；P_扬程为某一水深的抽排水发电一体机排水扬程出口压力。

11.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3.1、P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ保证蓄水最大容量；具体如下：

排水蓄能时，当控制器监测到新能源输出余电电量P_余电大于等于最小余电电量阈值P_δ余电，即P_余电≥P_δ余电时，且压缩空气罐气体压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ，即P_t压缩＞P_δ时，控制器控制打开进排气阀门、关闭空压发电一体机和关闭双向逆止阀，建立密封沉箱内与大气通道，启动抽排水发电一体机排水，封沉箱内水体经可伸缩排水管道全部排放到功能性储水罐或水体中，提供蓄水发电的容量；其中，如将封沉箱内水体全部排放到水体中，需控制三通阀门置于抽排水发电一体机排水口与水体连通位置；

所述的最小余电电量阈值P_δ余电是指，新能源发电大于负荷需求时，产生的余电P_余电可满足全部密封沉箱抽排水的最小用电电量。

12.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3.2、新能源发电余电趋近于零时，压缩气体压力排水蓄能，具体如下：

当控制器监测到新能源输出余电电量P_余电趋近于零，即且压缩气体活塞缸气体压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ，即P_t压缩＞P_δ时，控制器分别控制关闭进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、控制关闭双向逆止阀A打开B；压缩气体活塞缸内气体通过空压发电一体机发电，将气体压力作用在密封沉箱内，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道、抽排水发电一体机发电排放到功能性蓄水罐或水体中，同时密封沉箱产生浮力；随着密封沉箱在浮力作用下上升，排水扬程压力P_扬程减小，有利于密封沉箱水排出。

13.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能，具体如下：

当压缩气体活塞缸内气体压力P_t压缩趋近于抽排水发电一体机排水扬程出口压力P_扬程，即时，且压缩气体活塞缸内气体压力P_t压缩大于密封沉箱内的气体压力P_t内，即P_t压缩＞P_t内，同时新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，抽排水发电一体机处于抽排水模式，压缩气体活塞缸内的压缩气体，通过空压发电一体机发电，进入密封沉箱内；

同时控制器启动抽排水发电一体机，与压缩气体活塞缸内的压缩气体共同作用下，将密封沉箱中的水排到功能性蓄水罐或水体中；此时减少抽排水发电一体机的用电消耗。

14.按照权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3.4、利用余电保证蓄水储能的最大容量，具体如下：

当控制器检测压缩气体活塞缸压力P_t压缩趋近于环境压力P₀，即时，且新能源输出余电电量P_余电大于零时即P_余电＞0时，控制器控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、打开双向逆止阀A关闭B；将密封沉箱内气体与环境大气连通，环境大气进入密封沉箱中；控制抽排水发电一体机利用余电排水，满足排水的需求；

由于密封沉箱、压缩气体活塞缸与大气建立通道，在密封沉箱上浮的带动下，环境大气经可伸缩主进排气管道吸进大气，密封沉箱和压缩气体活塞缸同时获得气体，将密封沉箱水排出，得到排水蓄能的空间。