CN114382636B - 一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统及控制方法，所述系统包括密封沉箱、控制器、抽排水发电一体机、水流发电阀门组、进排储气系统；所述方法包括：步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体，具体包括：步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率；步骤1.2、调控密封沉箱内气体压力保证最佳发电和压缩储气；步骤1.3、排放气体保证发电功率输出；步骤1.4、压缩气体排气应急发电；步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭；步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能；步骤2.1、余电电量充足时保证蓄水发电的最大容量；步骤2.2、余电电量趋近于零时压缩气体压力排水蓄能；步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水；步骤2.4、最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量。

Description

一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力能源领域，具体涉及一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统及控制方法。

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。

然而海上风电、水上漂浮式光伏，在海洋、湖泊等不具备上储水条件地区，不具备上下储水势能发电条件，尤其高纬度地区水体结冻，无法实现传统的抽水蓄能。又由于海上风电、水上漂浮式光伏受天气影响很大，新能源发电强弱变化莫测，如何保证可靠性的储能；又由于水轮机发电控制过程需要有压缩气体参与，如何提供压缩气体的需求。

同样随着氢能源车的快速发展，制氢和储氢同步发展，然而氢气易爆，给储氢的安全、可靠、大容量提出问题，同样的问题也发生在二氧化碳气体的存储等。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统及控制方法，通过利用水体和气体的物理特性，如压力、流量、气体压缩等转换另一种能量在余电时存储，并利用水流和气流在需求用电时发电。针对大形水体如海洋、湖泊等具有一定规模深度的水体，充分利用水深压力和气囊承载压储存气体，水动势能做功转换能量排水、压缩气体储能和发电。通过密封沉箱和压缩气囊锚定于预定的水体深度，水体为海洋、湖泊、水库等。密封沉箱上安装水流发电阀门组，利用余电、压缩气体排水储能、水体压力发电。进排水口，置于历史最低水位或冰冻下层，考虑水体生态和寒冷地区应用。

本发明的技术方案为：一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统，包括：

控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、进排储气系统；其中，控制器置于陆地控制室内；抽排水发电一体机置于密封沉箱内底部；水流发电阀门组嵌入安装在密封沉箱一侧下部；进排储气系统组成与密封沉箱上面一侧连接；所述进排储气系统包括一个体积可变的压缩气囊；

所述的，密封沉箱锚定预定的水体深度，其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。考虑密封沉箱承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，外形结构可依据水体底部地貌而定，可长方体、椭圆体等，在密封沉箱上部分别安装抽排水管道和进排储气系统；

在密封沉箱侧上面嵌入安装一套水流发电阀门组，其中包括水流发电阀门组由水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与水流发电机阀门呈同心圆轴向相互连接。水流发电阀门组一端与进水管道连接，另一端与密封沉箱内连通；

密封沉箱体上部两侧分别安装有排水管道和进排储气系统。

所述的，控制器内有输入输出接口，输入接口实时监测系统内所有内嵌在所有执行单元中和独立的传感器数据，其中包括密封沉箱内外压力、水位高度、气体压力，水流发电机的水流流量、阀门的开度、发电功率和压缩气囊的体积、压力、气体密度等；输出接口依据控制策略、指令，实时控制系统所有的阀门的开闭，控制抽排水发电一体机、空压发电一体机的模式转换和工作执行。

其中排水管道经密封沉箱体上部一侧贯穿安装，排水管道下端与抽排水发电一体机连接，置于密封沉箱近底部，与密封沉箱体内部连通。抽排水管道上端安装一个三通阀门分别与进排水管道一端和进水管道连接；进排水管道另一端的进排水口，置于水体历史最低水位下层或冰冻不冻水面下层。此时主要考虑不对水体底部生态扰动和寒冷地区的应用。

其中，三通阀门在控制器的控制下分别执行：进排水管道与排水管道连通，以及和进排水管道与进水管道连通。

其中，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或抽排水模式。

其中，位于密封沉箱一侧下部嵌入安装的水流发电阀门组，水流发电机阀门置于密封沉箱的外侧，水流发电机置于密封沉箱内侧。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，进排储气系统包括压缩气囊、空压发电一体机、进排气管道、气体进排气阀门、A/B双向逆止阀、密封沉箱进排气阀门。其中，压缩气囊置于密封沉箱同一水体中，深度依据水体底部地形而定，理想深度大于等于密封沉箱水体深度。由于压缩气囊置于一定深度的水体中，其内部气体压力等于该水体深度的压力，有利于解决压缩气囊的承压问题。所述的压缩气囊内的气体介质为空气、氢气或二氧化碳之一；

气体进排气阀门一端安装在进排气管道上端，气体进排气阀门另一端为进排气口，控制进排气管道气体与环境的交互。进排气管道另一端分别与密封沉箱进排气阀门和空压发电一体机。

所述的空压发电一体机置于密封沉箱的上端，一端通过A/B双向逆止阀与压缩气囊连接，另一端与进排气管道连接，在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式。

所述的A/B双向逆止阀，A向逆止阀气体流向由空压发电一体机到压缩气囊；B向逆止阀气体流向由压缩气囊到空压发电一体机，A/B双向逆止阀中的A向逆止阀与B向逆止阀互为开和关状态。

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个最大或最小极端状态：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。

工作原理：

初始状态：密封沉箱置于一定深度h_外水的水体中，压缩气囊置于一定深度h_气水的水体中，压力分别为P_外水＝ρ_水gh_外水和P_压缩＝ρ_水gh_气水；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。压缩气囊的体积V_t1压缩等于压缩气囊的最小极限体积V_min，即V_t1压缩＝V_min。

其中，h_气水为压缩气囊所处的水深高度；P_压缩为压缩气囊内的气体压力；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；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压缩为压缩气囊初始的体积；V_min为压缩气囊最小极限体积；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_扬程为抽排水发电一体机排水扬程出口压力。

在下面说明过程中的关于“空压发电一体机发电”和“抽排水发电一体机发电”时，为了分析说明清楚暂不考虑最小工作压力。

1、释放电量和压缩空气储能

供电时，控制器控制打开密封沉箱水流发电机阀门，以及将三通阀门切换至进排水管道与进水管道连通，水流发电机在密封沉箱内外差压力作用下，通过控制水流发电机阀门水流流量发电。此时控制器控制空压缩发电一体机进入发电模式、关闭气体进排气阀门、打开沉箱进排气阀门、打开A向逆止阀，依据水流发电机位于水体深度的压力将密封沉箱空气压缩，此时密封沉箱的发电与压缩气体储能过程如下：

1)当h_气水＜h_外水时最大发电和压缩气体

如压缩气囊所水体深度h_气水小于密封沉箱水体深度h_外水即h_气水＜h_外水，当密封沉箱内气体压力大P_t内于压缩气囊内的压力P_压缩，即P_t内＞P_压缩时，密封沉箱内部气体经进排气管道、空压发电一体机发电、A向逆止阀压入压缩气囊中。此时发电功率为：水流发电机发电功率+空压缩发电一体机发电功率。

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内部气体压力P_t内和密度同步增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，当密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机发发电保证压力ΔP_发电时，控制器控制空压缩发电一体机进入压缩气体工作模式，将密封沉箱内的气体压入到压缩气囊内，降低密封沉箱内的压力P_t内，提高密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机发电保证压力ΔP_发电，达到最佳发电功率输出。

此时缩空气囊中气体压力P_压缩，为缩空气囊所处的水体深度压力。发电功率为：水流发电机发电功率-空压机功率。

2)当h_气水≥h_外水时最大发电和压缩气体

如压缩气囊所在水体深度h_气水大于等于密封沉箱水体深度h_外水即h_气水≥h_外水，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趋近于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，控制器启动空压发电一体机将密封沉箱内的气体压缩到压缩气囊内，提高密封沉箱内外压力差ΔP。由于压缩气囊所在水体深度h_气水大于等于密封沉箱水体深度h_外水，此时缩空气囊中气体压力P_压缩，为缩空气囊所处的水体深度压力，所以压缩气囊内的压力大于等于进排水口扬程压力P_扬程。

此时发电功率为：水流发电机发电功率-空压缩发电一体机消耗功率。

其中，ΔP为密封沉箱内外压力差值；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_气水为压缩气囊所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_扬程为抽排水发电一体机排水扬程出口压力；P_外水为密封沉箱外部的水体压力；V_t1压缩为压缩气囊初始的体积；V_min为压缩气囊最小极限体积；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积。

3)由于压缩气囊所在水体深度h_气水，由此压缩气体的压力一定，水流发电机发电过程中，基于玻意耳定律：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，由此压缩气囊AR体积V_t压缩增加，当控制器读取当控制器读取压缩气囊体积达到压缩气囊额定体积时，控制打开大气进排气阀将密封沉箱内与大气连通、控制A/B双向逆止阀关闭，密封沉箱内压缩的气体经进排气管道排放到大气中，由此降低密封沉箱内的压力，满足水流发电机发电压力差，达到最佳发电功率输出。

此时的发电效率最高，发电功率为：水流发电机发电功率。

4)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，由于电网需要应急电网支撑时，且当控制器读取压缩气囊体积达到压缩气囊额定体积时，控制器分别打开气体进排气阀门，将进排气管道与环境空气连通、关闭沉箱进排气阀、空压发电一体机处于发电模式、打开B向逆止阀、压缩气囊气体经空压发电一体机发电排放到大气中。此时由于压缩气囊中的压缩气体与空气环境连通，空压发电一体机在压缩气体压力作用下发电，在排到大气中。另外在水流发电机发电过程中，也需要一定的压缩气体参与控制。

2、排水蓄能

1)余电电量充足保证蓄水发电的最大容量

当控制器监测到新能源输出余电电量大于等于最小余电电量阈值，且控制器读取压缩气囊容积达到压缩气囊额定容积时，控制器分别控制大气进排气阀打开、空压发电一体机停止工作、A/B双向逆止阀关闭、沉箱进排气阀打开，此时大气与密封沉箱内连通。控制器控制三通阀门将进排水管道与排水管道连通，启动抽排水发电一体机，经进排水管道将封沉箱内水体全部排放到水体中。提供最大的蓄水发电容量。

所述的最小余电电量阈值是指，新能源发电大于负荷需求时，产生的余电电量满足密封沉箱抽排水的最小余电电量。由于新能源发电的波动性，产生的余电电量也随之改变。

2)余电电量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趋近于等于零，且压缩气囊气体压力大于进排水口扬程压力时，控制器分别控制大气进排气阀关闭、B向逆止阀打开、沉箱进排气阀打开，压缩气囊与密封沉箱内连通。控制三通阀门将排水管道与进排水管道连通，水体与密封沉箱内连通，同时控制抽排水发电一体机和空压发电一体机进入发电模式。此时压缩气囊内压缩气体，经空压发电一体机发电作用在密封沉箱内水上，将密封沉箱内部分水体经抽排水发电一体机、排水管道、进排水管道排到水体中。

3)压缩气体助力抽排水发电一体机排水

当压缩气囊气体压力P_压缩小于进排水口扬程压力P_扬程大于环境气体压力，且压缩气囊体积V_t压缩大于压缩气囊最小极限体积V_min，同时新能源输出余电电量大于零时，抽排水发电一体机由发电模式转换为抽排水模式，在压缩气囊气体压力助力下将密封沉箱水经进排水口排到水体中。此时由于压缩气囊气体压力P_压缩，减少抽排水发电一体机的用电功率。

4)最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量

当压缩气囊体积V_t压缩大于压缩气囊最小极限体积V_min，且新能源输出余电电量大于零时，控制器分别控制打开气体进排气阀门、空压发电一体机停止工作、A/B双向逆止阀关闭、沉箱进排气阀打开、抽排水发电一体机处于抽排水状态，此时环境空气经进排气管道、沉箱进排气阀与密封沉箱内连通，抽排水发电一体机排水工作。利用余电最大限度的将密封沉箱中的水体排出。

3、应用气体介质环境扩展：气体介质压缩存储释放

如将进排气管道口置于气体介质环境，如氢气、二氧化碳等，控制进排气管道气体与气体介质环境的交互，在密封沉箱充满气体介质，执行1、释放电量和压缩空气储能中1)～2)过程，将气体介质压缩到压缩气囊中，实现在发电的过程压缩储存气体。

如使用气体介质时，将进排气管道口置于用气环境中，控制压缩气囊中的气体与气体介质环境的交互，执行2、排水蓄能中1)～3)过程，将压缩气囊中的气体介质排放到用气环境中，实现压缩气囊中的气体介质排水过程蓄能。

所述的气体环境是指空气环境或气体介质环境，密封沉箱和压缩气囊所充入的气体取决于进排气口所处的环境。

控制方法如下：

初始状态：密封沉箱置于一定深度h_外水的水体中，压缩气囊置于一定深度h_气水的水体中，压力分别为P_外水＝ρ_水gh_外水和P_压缩＝ρ_水gh_气水；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。压缩气囊的体积V_t1压缩等于压缩气囊的最小极限体积V_min，即V_t1压缩＝V_min。

其中，h_气水为压缩气囊所处的水深高度；P_压缩为压缩气囊内的气体压力；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压缩为压缩气囊初始的体积；V_min为压缩气囊最小极限体积。

步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体

供电时，控制器分别控制打开密封沉箱水流发电机阀门、三通阀门切换至进排水管道与进水管道连通，关闭气体进排气阀门、打开沉箱进排气阀门、打开A向逆止阀、空压缩发电一体机进入发电模式，将密封沉箱压缩气囊与密封沉箱内气体连通，此时水流发电机在水体深度压力作用下，通过控制水流发电机阀门水流流量发电，密封沉箱的发电与压缩气体步骤如下：

步骤1.1、水流发电机发电做功功率P_power控制

基于密封沉箱初始气体压力P_t1内状态，当密封沉箱外压力P_外水减去水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，大于密封沉箱气体压力P_t1内，即P_外水-ΔP_发电＞P_t1内时，控制器通过调节水流发电机阀门的开度S_k，控制水流量Q_水调整输出水流发电机发电功率。

其中，S_k为水流发电机阀门开度；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；P_min为水流发电机发电的最小极限输出功率；ΔP为密封沉箱内外压力差值；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_气水为压缩气囊所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；V_min为压缩气囊最小极限体积；P_扬程为抽排水发电一体机排水扬程出口压力；P_外水为密封沉箱外部的水体压力。

步骤1.2、调控密封沉箱内气体压力保证最佳发电和压缩储气

随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，此时

①当h_气水＜h_外水时最大发电和压缩气体

当h_气水＜h_外水、P_t内＞P_压缩时，控制器打开或关闭对应的阀门，使密封沉箱内气体经空压发电一体机发电压入压缩气囊中。

②当h_气水≥h_外水时最大发电和压缩气体

为保证水流发电机做功功率P_power，控制器通过控制水流发电机阀门开度S_k，增加水流流量Q_水。当时，且P_t内≤P_压缩时，控制器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囊内，减低密封沉箱内的压力P_t内，达到最佳水流发电机做功功率P_power输出。

步骤1.3、当V_t压缩≥V_额定时排放气体保证发电功率输出

在水流发电机发电和密封沉箱气体压入压缩气囊过程中，当V_t压缩≥V_额定时，控制器打开或关闭对应的阀门，使密封沉箱内压缩的气体排放到大气中，由此降低密封沉箱内的压力，达到最佳发电功率输出。

步骤1.4、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响应速度，当电网需要应急电网支撑，且V_t压缩≥V_额定时，控制器打开或关闭对应的阀门，控制压缩气囊中的压缩气体经空压发电一体机发电排放的空气环境中。

步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭

当ΔP≤ΔP_发电时，控制器无法通过压缩气体或向大气排气，以及水流发电机阀门的开度S_k，保证水流发电机发电功率，控制器关闭一切阀门和停止空压发电一体机、水流发电机工作。

S_k为水流发电机阀门开度；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；P_min为水流发电机发电的最小极限输出功率；ΔP为密封沉箱内外压力差值；P_power为水流发电机发电做功功率；P_gpower为空压发电一体机发电做功功率；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_气水为压缩气囊所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P_扬程为抽排水发电一体机排水扬程出口压力；P_外水为密封沉箱外部的水体压力。

步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能

步骤2.1、余电电量充足保证蓄水发电的最大容量

当P_余电≥P_δ余电、V_t压缩≥V_额定时，控制器分别控制打开或关闭对应的阀门，使大气与密封沉箱内连通、密封沉箱内水与水体连通，启动抽排水发电一体机，经进排水管道将全部排放到水体中。提供最大的蓄水发电容量。

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，产生的余电电量P_余电满足全部排出密封沉箱抽排水的最小用电电量。

步骤2.2、余电电量趋近于零时压缩气体压力排水蓄能

当P_压缩＞P_扬程、V_t压缩≥β_vV_额定时，控制器分别控制打开或关闭对应的阀门，建立压缩气囊与密封沉箱气体通道，以及水体与密封沉箱内水连通。此时压缩气囊内压缩气体作用在密封沉箱内水上，将密封沉箱内部分水体经排放到水体中，得到注水发电的空间。

其中，体积倍率β_v取值范围小于1即β_v＜1。

步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水

如h_气水≤h_外水，由此P_压缩≤P_扬程，当V_压缩＞V_min、P_余电＞0时，启动抽排水发电一体机抽排水，在压缩气囊气体压力助力下将密封沉箱中的水排放到水体中。

步骤2.4、最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量

当P_余电＞0时，控制器分别控制打开或关闭对应的阀门，将环境空气与密封沉箱内连通，密封沉箱内水与水体连通，抽排水发电一体机排水工作，利用余电最大限度的将密封沉箱中的水体排出。

其中，S_k为水流发电机阀门开度；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；P_min为水流发电机发电的最小极限输出功率；ΔP为密封沉箱内外压力差值；P_power为水流发电机发电做功功率；P_gpower为空压发电一体机发电做功功率；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_气水为压缩气囊所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；V_min为压缩气囊最小极限体积；P_扬程为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_余电为新能源发电大于负荷需求时产生的余电。

P_外为密封沉箱外部的水体压力。

具体操作步骤：

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。压缩气囊的体积V_t1压缩等于压缩气囊的最小下限体积V_min，即V_t1压缩＝V_min，压缩气囊内气体压力为压缩气囊所处水体深度的压力：

P_压缩＝ρ_水gh_气水 (2)

在下面说明过程中的关于“空压发电一体机发电”和“抽排水发电一体机发电”时，为了分析说明清楚暂不考虑最小工作压力。

其中，h_气水为压缩气囊所处的水深高度；P_压缩为压缩气囊内的气体压力；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；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压缩为压缩气囊的初始状态体积；V_min为压缩气囊的最小下限体积。

步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体

供电时，控制器实时监测系统的各个传感器信号，并控制打开密封沉箱水流发电机阀门，以及将三通阀门切换至进排水管道与进水管道连通，控制器控制空压缩发电一体机进入发电模式、关闭气体进排气阀门、打开沉箱进排气阀门、打开A向逆止阀，将压缩气囊与密封沉箱内气体连通。此时水流发电机在水体深度压力作用下，通过控制水流发电机阀门水流流量发电。密封沉箱的发电与压缩气体过程如下：

步骤1.1、水流发电机发电做功功率P_power控制

由于初始状态时密封沉箱内水深h_内水＝0，密封沉箱外部压力P_外水减去水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电大于密封沉箱内部压力P_t内，即P_外水-ΔP_发电＞P_t1内时，水流经进排水口、进排水管道、三通阀门、进水管道、水流发电机阀门、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。

由于水流发电机发电做功功率P_power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，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)

依据做功功率公式P_power＝F·v_水、做功水的推力F＝ΔP·S_k和流量公式Q_水＝v_水·S_k由此水流发电机发电做功功率P_power

P_power＝F·v_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水 (4)

由式(4)可以看出，当密封沉箱内外压力差ΔP和密封沉箱深度h_外水一定时，水流发电机发电做功功率与水流流量Q_水有关，而水流流量Q_水与水流发电机阀门的开度S_k有关，水流发电机阀门的开度S_k越大流量Q_水越大。当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，即ΔP＞ΔP_发电时，控制器通过控制水流发电机阀门开度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；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；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_power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；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；ΔP为密封沉箱内外的压力差；

步骤1.2、调控密封沉箱内气体压力保证最佳发电和压缩储气

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，密封沉箱内水的深度h_内水增加，密封沉箱内气体体积V_t内减小，基于做功公式P＝ρgh，密封沉箱内部气体压力P_t内增加，当密封沉箱内注入一定水量到达t2时刻时，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。由此得到密封沉箱内气体压力的变化表达式：

P_t1内·V_t1内＝P_t2内·V_t2内 (5)

由此可以看出随着水流通过水流发电机发电，注入密封沉箱内水体积增加，密封沉箱气体体积V_t2内减小，密封沉箱气体压力P_t2内增加。

①当h_气水＜h_外水时最大发电和压缩气体

由于压缩气囊所处水体深度h_气水决定了压缩气囊的压缩气体的压力P_压缩，如压缩气囊所处水体深度h_气水小于密封沉箱所处水体深度h_外水即h_气水＜h_外水，当密封沉箱内气体压力P_t内大于压缩气囊内的压力P_压缩，即P_t内＞P_压缩时，密封沉箱内气体经沉箱进排气阀门、进排气管道、空压发电一体机发电、A向逆止阀、压入压缩气囊中。

此时的空压发电一体机是将大于陆地环境气体压力P₀的密度压缩气体，压缩到水体深度压力下的压缩气囊中，空压机的压缩效率更高。

发电功率为：水流发电机发电功率+空压缩发电一体机发电功率。

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；

②当h_气水≥h_外水时最大发电和压缩气体

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，依据表达式(5)密封沉箱内部气体压力P_t内增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，由公式P_power＝ΔP·Q_水可知，当水流流量Q_水一定时作用在水流发电机做功功率P_power减小。由此为保证水流发电机做功功率P_power，控制器通过控制水流发电机阀门开度S_k，增加水流流量Q_水。

当水流发电机阀门到达最大极限开度S_{k_max}时，水流流量Q_水无法增加时，且密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，即时，水流发电机做功达到最小极限功率P_min。

由于压缩气囊所处水体深度h_气水决定了压缩气囊的压缩气体的压力P_压缩，当压缩气囊所处水体深度h_气水大于等于密封沉箱所处水体深度h_外水即h_气水≥h_外水时，密封沉箱内的压力P_t内一定小于等于压缩气囊所水体深度压力P_压缩，即P_t内≤P_压缩，控制器启动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囊内，降低密封沉箱内的压力P_t内，提高密封沉箱内外压力差ΔP，减小水流发电机阀门的开度S_k。由此通过控制空压发电一体机压缩气体，以及水流发电机阀门的开度S_k，达到最佳水流发电机做功功率P_power输出。

由于压缩气囊所在水体深度h_气水大于等于密封沉箱水体深度h_外水，此时缩空气囊中气体压力P_压缩，为缩空气囊所处的水体深度压力，所以压缩气囊内的压力大于等于进排水口扬程压力P_扬程。

此时发电功率为：水流发电机发电功率-空压缩发电一体机消耗功率。

空压发电一体机效率：此时的空压发电一体机是将远高于陆地环境气体压力P₀气体密度，压缩到水体深度压力的压缩气囊中，空压机的压缩效率更高。

步骤1.3、V_t压缩≥V_额定时水流发电机发电

由于压缩气囊所在水体深度h_气水，由此压缩气体的压力一定，在水流发电机发电过程中，基于玻意耳定律：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，由此压缩气囊AR体积V_t压缩增加，当控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定时，控制打开大气进排气阀将密封沉箱内与大气连通、控制A/B双向逆止阀关闭，密封沉箱内压缩的气体经进排气管道排放到大气中，由此降低密封沉箱内的压力，满足水流发电机发电压力差，达到最佳发电功率输出。

此时的发电效率最高，发电功率为：水流发电机发电功率。

步骤1.4、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，由于电网需要应急电网支撑时，且当控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定时，控制器分别打开气体进排气阀门，将进排气管道与环境空气连通、关闭沉箱进排气阀、空压发电一体机处于发电模式、打开B向逆止阀，压缩气囊中的压缩气体与空气环境连通。由公式P_gpower＝P_压缩·Q_气可知，此时压缩气囊中的压缩气体，在压缩气体压力P_压缩作用下，气体流量Q_气经空压发电一体机，在做功功率P_gpower的作用下发电，在排到大气中。

另外在水流发电机发电过程中，也需要一定的压缩气体参与控制。

步骤1.5、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时，密封沉箱内外压力差ΔP减小，当密封沉箱内外压力差ΔP小于等于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，即ΔP≤ΔP_发电时，控制器无法通过优化控制空压发电一体机压缩气体或向大气排气，以及水流发电机阀门的开度S_k，保证水流发电机发电功率，控制器关闭一切阀门和停止空压发电一体机、水流发电机工作。

上述式中，S_k为水流发电机阀门开度；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；P_min为水流发电机发电的最小极限输出功率；ΔP为密封沉箱内外压力差值；P_power为水流发电机发电做功功率；P_gpower为空压发电一体机发电做功功率；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_气水为压缩气囊所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_扬程为抽排水发电一体机排水进排水口的扬程压力；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；P₀为当地环境气体压力；P_min为水流发电机做功最小极限功率；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P_外水为密封沉箱外部的水体压力。

步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能

步骤2.1、余电电量充足保证蓄水发电的最大容量

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，且控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定即V_t压缩≥V_额定时，控制器分别控制大气进排气阀打开、空压发电一体机停止工作、A/B双向逆止阀关闭、沉箱进排气阀打开，此时大气与密封沉箱内连通。控制器控制三通阀门将进排水管道与排水管道连通，启动抽排水发电一体机，经进排水管道将密封沉箱内水体全部排放到水体中。提供最大的蓄水发电容量。

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，产生的余电电量P_余电满足全部排出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2.2、余电电量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_余电趋近于等于零，即压缩气囊所处水体深度h_气水大于密封沉箱水体深度h_外水即h_气水＞h_外水，压缩气囊气体压力P_压缩大于进排水口扬程压力P_扬程，即P_压缩＞P_扬程时，由于压缩气囊的压力P_压缩与所处水体深度h_气水有关，所处的水体深度h_气水不变，压缩气囊内气体压力P_压缩不变，当控制器监测分析到压缩气囊内气体体积V_压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定与体积倍率β_v的乘积，即V_t压缩≥β_vV_额定时，控制器分别控制大气进排气阀关闭、B向逆止阀打开、沉箱进排气阀打开，压缩气囊与密封沉箱建立气体通道。控制三通阀门将排水管道与进排水管道连通，水体与密封沉箱内连通，同时控制抽排水发电一体机和空压发电一体机进入发电模式。此时压缩气囊内压缩气体，经空压发电一体机发电作用在密封沉箱内水上，将密封沉箱内部分水体经抽排水发电一体机、排水管道、进排水管道排到水体中，得到注水发电的空间。

其中，体积倍率β_v取值范围小于1即β_v＜1。

步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水

如压缩气囊所水体深度h_气水小于等于密封沉箱水体深度h_外水即h_气水≤h_外水，由此压缩气囊内气体压力P_压缩小于等于抽排水发电一体机排水扬程出口压力P_扬程，即P_压缩≤P_扬程，同时控制器分别监测压缩气囊内气体体积V_压缩大于最小体积极限值V_min，即V_压缩＞V_min，新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，抽排水发电一体机启动抽排水模式，在压缩气囊气体压力助力下将密封沉箱中的水，经进排水口排到水体中。此时由于压缩气囊气体压力P_压缩，减少抽排水发电一体机的用电功率。此时消耗功率为：抽排水发电一体机发电功率-压缩气囊内气体做功功率。

步骤2.4、最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量

由于压缩气囊内气体压力P_压缩不变，当压缩气囊体积V_压缩趋近于压缩气囊最小极限体积V_min即且新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，控制器分别控制打开气体进排气阀门、空压发电一体机停止工作、A/B双向逆止阀关闭、沉箱进排气阀打开，将环境大气与密封沉箱内连通，控制三通阀门处于将排水管道与进排水管道连通状态、抽排水发电一体机进入抽排水状态。此时环境大气经进排气管道、沉箱进排气阀与密封沉箱内连通，抽排水发电一体机排水工作。利用余电最大限度的将密封沉箱中的水体排出。

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；V_t1压缩为压缩气囊的初始体积；V_min为压缩气囊的最小下限体积；P_t1内为密封沉箱内初始气体压力；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P₀为当地环境气体压力；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_压缩为压缩气囊内气体压力；P_power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；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；V_t内为密封沉箱内某一时刻的气体体积；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；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ΔP为密封沉箱内外的压力差；P_min为水流发电机做功最小极限功率；V_min为压缩气囊最小极限体积；P_扬程为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_余电为新能源发电大于负荷需求时产生的余电。

优点：

1)相比抽水蓄能电站解决地质要求高问题；

2)不占陆地面积；

3)对水体中下部生态无扰动；

4)海上风电、漂浮式光伏就地储能和电网支撑；

5)高密度压缩气体，提高空压机的效率；

6)充分有效利用气、水的动、势能做功，作用于密封沉箱中水体进行排水蓄能和发电；

7)气流发电相比较水流发电响应更快，可对电网应急支撑；

8)压缩气囊置于水体底部，解决了气囊承压问题。

9)当密封沉箱内充入不同气体介质时，如氢气、二氧化碳气体，可利用该专利技术对制氢气体和二氧化碳气体压缩存储，实现安全、可靠、大容量的存储的目的。

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为本发明基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统结构图；

图2为本发明控制方法流程图。

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，所述的基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统包括，控制器CPU、抽排水发电一体机DY2、密封沉箱ST、水流发电阀门组、进排储气系统；其中控制器CPU置于陆地控制室内；抽排水发电一体机DY2置于密封沉箱ST内底部；水流发电阀门组嵌入安装在密封沉箱ST一侧下部；进排储气系统组成与密封沉箱ST上面一侧连接；

所述的，控制器CPU内有输入输出接口，输入接口实时监测系统内所有内嵌在所有执行单元中和独立的传感器数据，其中包括密封沉箱内外压力、水位高度、气体压力，水流发电机DY1的水流流量、阀门的开度、发电功率和压缩气囊AR的体积、压力、气体密度等；输出接口依据控制策略、指令，实时控制系统所有的阀门的开闭，控制抽排水发电一体机DY2、空压发电一体机DY3的模式转换和工作执行。

所述的，密封沉箱ST锚定预定的水体深度，其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。考虑密封沉箱ST承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，外形结构可依据水体底部地貌而定，可长方体、椭圆体等，在密封沉箱ST上部分别安装排水管道INWP和进排气储系统；

在密封沉箱ST侧上面嵌入安装一套水流发电阀门组，其中水流发电阀门组由水流发电机DY1和水流发电机阀门K1组成，水流发电机DY1与水流发电机阀门K1呈同心圆轴向相互连接。水流发电阀门组一端与进水管道IWP连接，另一端与密封沉箱ST内连通；

密封沉箱ST上部两侧分别安装有排水管道OUTWP和进排储气系统。其中排水管道OUTWP经密封沉箱体ST上部一侧贯穿安装，排水管道OUTWP下端与抽排水发电一体机DY2连接，置于密封沉箱ST近底部，与密封沉箱ST内部联通。排水管道OUTWP上端安装一个三通阀门K2分别与进排水管道WP一端和进水管道IWP连接；进排水管道WP另一端的进排水口，置于水体历史最低水位下层或冰冻不冻水面下层。此时主要考虑不对水体底部生态扰动和寒冷地区的应用。

其中，位于密封沉箱ST一侧下部嵌入安装的水流发电阀门组，水流发电机阀门K1置于密封沉箱ST的外侧，水流发电机DY1置于密封沉箱ST内侧。水流发电机阀门K1在控制器CPU控制下线性开合，控制水流通过水流发电机DY1的流量，实现发电输出功率的控制。

所述的，进排储气系统由压缩气囊AR、空压发电一体机DY3、进排气管道GP、气体进排气阀门K4、A/B双向逆止阀K6、密封沉箱进排气阀门K3组成。其中，压缩气囊AR置于密封沉箱ST同一水体中，深度依据水体底部地形而定，理想深度大于等于密封沉箱ST水体深度，有利于解决压缩气囊AR的承压问题。

气体进排气阀门K4安装在进排气管道GP上端，控制进排气管道GP气体与环境的交互。进排气管道GP另一端分别与密封沉箱进排气阀门K3和空压发电一体机DY3。

所述的空压发电一体机DY3置于密封沉箱ST的上端，一端通过A/B双向逆止阀K6与压缩气囊AR连接，另一端与进排气管道GP连接，在控制器CPU的控制下执行发电模式或压缩空气模式。

所述的A/B双向逆止阀K6，A向逆止阀气体流向由空压发电一体机DY3到压缩气囊AR；B向逆止阀气体流向由压缩气囊AR到空压发电一体机DY3，A/B双向逆止阀K6中的A向逆止阀与B向逆止阀互为开和关状态。

如图1和如图2所示，本发明的方法操作步骤包括如下步骤：

步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体，具体包括：

步骤1.1、水流发电机发电做功功率P_power控制，当密P_外水-ΔP_发电＞P_t1内时，控制器通过调节水流发电机阀门的开度S_k，控制水流量Q_水调整输出水流发电机发电功率。

步骤1.2、调控密封沉箱内气体压力保证最佳发电和压缩储气

随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，此时

①当h_气水＜h_外水时最大发电和压缩气体

当h_气水＜h_外水、P_t内＞P_压缩时，控制器打开或关闭对应的阀门，使密封沉箱内气体经空压发电一体机发电压入压缩气囊中。

②当h_气水≥h_外水时最大发电和压缩气体

为保证水流发电机做功功率P_power，控制器通过控制水流发电机阀门开度S_k，增加水流流量Q_水。当时，且P_t内≤P_压缩时，启动空压发电一体将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气囊内，降低密封沉箱内的压力P_t内，达到最佳水流发电机做功功率P_power输出。

步骤1.3、当V_t压缩≥V_额定时排放气体保证发电功率输出

在水流发电机发电和密封沉箱气体压入压缩气囊过程中，当V_t压缩≥V_额定时，控制器打开或关闭对应的阀门，使密封沉箱内压缩的气体排放到大气中，由此降低密封沉箱内的压力，达到最佳发电功率输出。

步骤1.4、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响应速度，当电网需要应急电网支撑，且V_t压缩≥V_额定时，控制器打开或关闭对应的阀门，控制压缩气囊中的压缩气体经空压发电一体机发电排放的空气环境中。

步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭

当ΔP≤ΔP_发电时，控制器无法通过压缩气体或向大气排气，以及水流发电机阀门的开度S_k，保证水流发电机发电功率，控制器关闭一切阀门和停止空压发电一体机、水流发电机工作。

步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能

步骤2.1、余电电量充足保证蓄水发电的最大容量

当P_余电≥P_δ余电、V_t压缩≥V_额定时，控制器分别控制打开或关闭对应的阀门，使大气与密封沉箱内连通、密封沉箱内水与水体连通，启动抽排水发电一体机，经进排水管道将全部排放到水体中。提供最大的蓄水发电容量。

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，产生的余电电量P_余电满足全部排出密封沉箱抽排水的最小用电电量。

步骤2.2、余电电量趋近于零时压缩气体压力排水蓄能

当P_压缩＞P_扬程、V_t压缩≥β_vV_额定时，控制器分别控制打开或关闭对应的阀门，建立压缩气囊与密封沉箱气体通道，以及水体与密封沉箱内水连通。此时压缩气囊内压缩气体作用在密封沉箱内水上，将密封沉箱内部分水体排放到水体中，得到注水发电的空间。

其中，体积倍率β_v取值范围小于1即β_v＜1。

步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水

如h_气水≤h_外水，由此P_压缩≤P_扬程，当V_压缩＞V_min、P_余电＞0时，启动抽排水发电一体机抽排水，在压缩气囊气体压力助力下将密封沉箱中的水排放到水体中。

步骤2.4、最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量

当P_余电＞0时，控制器分别控制打开或关闭对应的阀门，将环境空气与密封沉箱内连通，密封沉箱内水与水体连通，抽排水发电一体机排水工作，利用余电最大限度的将密封沉箱中的水体排出。

进一步，还可以包括步骤3，气体介质压缩存储释放

步骤3.1、将进排气管道口置于气体介质环境，控制进排气管道气体与气体介质环境的交互，在密封沉箱充满气体介质，执行步骤1、释放电量和压缩空气储能中的步骤(1.1)～(1.2)，将气体介质压缩到压缩气囊中，实现在发电的过程压缩储存气体；

在需要使用气体介质时，将进排气管道口置于用气环境中，控制压缩气囊中的气体与气体介质环境的交互，执行步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能中的步骤(2.1)～(2.3)，将压缩气囊中的气体介质排放到用气环境中，实现压缩气囊中的气体介质排水过程蓄能；

所述的气体环境是指空气环境或气体介质环境，密封沉箱和压缩气囊所充入的气体取决于进排气口所处的环境，所述气体包括如氢气、二氧化碳、空气。

上面方法各步骤具体操作如下：

初始状态：

密封沉箱ST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ST内水深h_内水＝0无水体积V_t1内气体压力P_t1内＝P₀。压缩气囊AR的体积V_t1压缩等于压缩气囊AR的最小下限体积V_min，即V_t1压缩＝V_min，压缩气囊AR内气体压力为压缩气囊AR所处水体深度h_气水的压力：

P_压缩＝ρ_水gh_气水 (2)

在下面说明过程中的关于“空压发电一体机DY3发电”和“抽排水发电一体机DY2发电”时，为了分析说明清楚暂不考虑最小工作压力。

其中，h_气水为压缩气囊所处的水深高度；P_压缩为压缩气囊内的气体压力；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；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压缩为压缩气囊的初始状态体积；V_min为压缩气囊的最小下限体积。

步骤1、密封沉箱ST内注水发电和压缩气体

供电时，控制器CPU实时监测系统的各个传感器信号，并控制打开密封沉箱水流发电机阀门K1，以及将三通阀门K2切换至进排水管道WP与IWP进水管道连通，控制器控制空压缩发电一体机DY3进入发电模式、关闭气体进排气阀门K4、打开沉箱进排气阀门K3、打开A向逆止阀K6，将压缩气囊AR与密封沉箱ST内气体连通。此时水流发电机DY1在水体深度压力作用下，通过控制水流发电机阀门K1水流流量发电。密封沉箱ST的发电与压缩气体过程如下：

步骤1.1、水流发电机DYI发电做功功率P_power控制

由于初始状态时密封沉箱ST内水深h_内水＝0，密封沉箱ST外部压力P_外水减去水流发电机DY1的最小保证发电压力差ΔP_发电大于密封沉箱ST内部压力P_t内，即P_外水-ΔP_发电＞P_t1内时，水流经进排水口K5、进排水管道WP、三通阀门K2、进水管道IWP、水流发电机阀门K1、水流发电机DY1发电，进入密封沉箱ST内，同时依据水流发电机DY1位于水体深度h_外水的压力P_外水将密封沉箱ST内气体压缩。

由于水流发电机DY1发电做功功率P_power与密封沉箱ST内外压力差ΔP和水流流量Q_水有关，依据压强公式：P＝ρgh，通过密封沉箱ST内部水的深度h_内水、外水的深度h_外水和密封沉箱ST内部压力P_t内，得到密封沉箱ST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)

依据做功功率公式P_power＝F·v_水、做功水的推力F＝ΔP·S_k和流量公式Q_水＝v_水·S_k由此水流发电机DY1发电做功功率P_power：

P_power＝F·v_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水 (4)

由式(4)可以看出，当密封沉箱ST内外压力差ΔP和密封沉箱ST深度h_外水一定时，水流发电机DY1发电做功功率与水流流量Q_水有关，而水流流量Q_水与水流发电机阀门K1的开度S_k有关，水流发电机阀门K1的开度S_k越大流量Q_水越大。当密封沉箱ST内外压力差ΔP大于水流发电机DY1的最小保证发电压力差ΔP_发电，即ΔP＞ΔP_发电时，控制器CPU通过控制水流发电机阀门K1开度S_k，可以调整输出水流发电机DY1发电功率。

其中，h_外水为密封沉箱ST所处水体的深度；h_内水为密封沉箱ST内水的深度；V_t1内为密封沉箱ST内初始体积；P_t1内为密封沉箱ST内初始气体压力；ΔP_发电为水流发电机DY1的最小保证发电压力差；P₀为当地环境气体压力；P_外水为密封沉箱ST外部压力；P_t内为密封沉箱ST内部某一时刻的气体压力；P_power为水流发电机DY1发电做功功率；S_k为水流发电机阀门K1的开度；v_水为通过水流发电机DY1水流的流速；Q_水为通过水流发电机DY1水流的流量；ΔP为密封沉箱ST内外的压力差；V_t1压缩为压缩气囊的初始体积；V_min为压缩气囊的最小下限体积；P_压缩为压缩气囊内气体压力；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；V_t内为密封沉箱内某一时刻的气体体积；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；P_min为水流发电机做功最小极限功率。

步骤1.2、调控密封沉箱ST内气体压力保证最佳发电和压缩储气

水体在密封沉箱ST内外压力差ΔP作用下，水经水流发电机DY1发电，进入密封沉箱ST内，密封沉箱ST内水的深度h_内水增加，密封沉箱ST内气体体积V_t内减小，基于做功公式P＝ρgh，密封沉箱ST内部气体压力P_t内增加，当密封沉箱ST内注入一定水量到达t2时刻时，根据水流发电机DY1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ST内气体压力的变化表达式：

P_t1内·V_t1内＝P_t2内·V_t2内 (5)

由此可以看出随着水流通过水流发电机DY1发电，注入密封沉箱ST内水体积增加，密封沉箱ST气体体积V_t2内减小，密封沉箱ST气体压力P_t2内增加。

①当h_气水＜h_外水时最大发电和压缩气体

由于压缩气囊所处水体深度h_气水决定了压缩气囊的压缩气体的压力P_压缩，如压缩气囊AR所水体深度h_气水小于密封沉箱ST水体深度h_外水即h_气水＜h_外水，当密封沉箱ST内气体压力P_t内大于压缩气囊AR内的压力P_压缩，即P_t内＞P_压缩时，密封沉箱ST内气体经沉箱进排气阀门K3、进排气管道GP、空压发电一体机DY3发电、A向逆止阀K6、压入压缩气囊AR中。

此时的空压发电一体机DY3是将大于陆地环境气体压力和密度气体，压缩到水体深度压力下的压缩气囊AR中，空压机的压缩效率更高。

发电功率为：水流发电机DY1发电功率+空压缩发电一体|机DY3发电功率。

其中，V_t2内为t₂时刻的密封沉箱ST内气体体积；P_t2内为t₂时刻的密封沉箱ST内气体压力；

②当h_气水≥h_外水时最大发电和压缩气体

随着密封沉箱ST注水量增加，密封沉箱ST内水的深度h_内水增加，依据表达式(5)密封沉箱ST内部气体压力P_t内和压缩气囊AR体积V_压缩增加，密封沉箱ST内外压力差ΔP减小，由公式P_power＝ΔP·Q_水可知，当水流流量Q_水一定时作用在水流发电机DY1做功功率P_power减小。由此为保证水流发电机DY1做功功率P_power，控制器CPU通过控制水流发电机阀门K1的开度S_k，增加水流流量Q_水。

当水流发电机阀门K1到达最大开度S_{k_max}时，水流流量Q_水无法增加时，且密封沉箱ST内外压力差ΔP趋近于水流发电机DY1的最小保证发电压力差ΔP_发电，即时，水流发电机DY1做功达到最小极限功率P_min。

由于压缩气囊所处水体深度h_气水决定了压缩气囊的压缩气体的压力P_压缩，当压缩气囊所处水体深度h_气水大于等于密封沉箱所处水体深度h_外水即h_气水≥h_外水时，密封沉箱ST内的压力P_t内一定小于等于压缩气囊AR所水体深度压力P_压缩，即P_t内≤P_压缩时，控制器CPU将空压发电一体机DY3进入压缩气体工作状态，将密封沉箱ST内的气体快速压入到压缩气囊AR内，降低密封沉箱ST内的压力P_t内，提高密封沉箱ST内外压力差ΔP，减小水流发电机阀门K1的开度S_k。由此通过优化控制空压发电一体机DY3压缩气体，以及水流发电机阀门K1的开度S_k，达到最佳水流发电机DY1做功功率P_power输出。

由于压缩气囊AR所在水体深度h_气水大于等于密封沉箱ST水体深度h_外水，此时缩空气囊AR中气体压力P_压缩，为缩空气囊AR所处的水体深度压力，所以压缩气囊AR内的压力P_压缩大于等于进排水口扬程压力P_扬程。

发电功率为：水流发电机DY1发电功率-空压发电一体机DY3压缩气体消耗功率。

空压发电一体机DY3效率：此时的空压发电一体机DY3是将远高于陆地环境气体压力气体密度，压缩到水体深度压力的压缩气囊AR中，空压机的压缩效率更高。

步骤1.3、V_t压缩≥V_额定时水流发电机发电

由于压缩气囊AR所在水体深度h_气水，由此压缩气体的压力P_压缩一定，在水流发电机发电过程中，基于玻意耳定律：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，由此压缩气囊AR体积V_t压缩增加。当控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定，即V_t压缩≥V_额定时，控制打开大气进排气阀K4将密封沉箱ST内与大气连通、控制A/B双向逆止阀关闭，密封沉箱ST内压缩的气体经进排气管道GP排放到大气中，由此降低密封沉箱ST内的压力，满足水流发电机DY1发电压力差，达到最佳发电功率输出。

此时的发电效率最高，发电功率为：水流发电机发电功率。

步骤1.4、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响应速度，当水流发电机DY1处于关闭状态或水流发电机DY1启动发电过程，由于电网需要应急电网支撑时，且当控制器读取压缩气囊AR体积V_t压缩大于等于压缩气囊AR额定体积V_额定时，控制器分别打开气体进排气阀门K4，将进排气管道GP与环境空气连通、关闭沉箱进排气阀K3、空压发电一体机DY3处于发电模式、打开B向逆止阀K6，压缩气囊AR中的压缩气体与空气环境连通。由公式P_gpower＝P_压缩·Q_气可知，此时压缩气囊AR中的压缩气体，在压缩气体压力P_压缩作用下，气体流量Q_气经空压发电一体机DY3，在做功功率P_gpower的作用下发电，在排到大气中。

步骤1.5、控制水流发电机阀门K1关闭

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱ST内水即将充满时，密封沉箱ST内外压力差ΔP减小，当密封沉箱ST内外压力差ΔP小于等于水流发电机DY1的最小保证发电压力差ΔP_发电，即ΔP≤ΔP_发电时，控制器CPU无法通过优化控制空压发电一体机DY3压缩气体或向大气排气，以及水流发电机阀门K1的开度S_k，保证水流发电机DY1发电功率，控制器CPU控制关闭一切阀门和停止空压发电一体机DY3、水流发电机DY1工作。

上述式中，S_k为水流发电机阀门K1的开度；Q_水为水流流过水流发电机阀门K1开度面积S_k的流量；S_{k_max}为水流发电机阀门K1最大开度；P_min为水流发电机DY1发电的最小极限输出功率；ΔP为密封沉箱ST内外压力差值；P_power为水流发电机DY1发电做功功率；P_gpower为空压发电一体机DY3发电做功功率；Q_气为气流流过空压发电一体机DY3的流量；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱ST所处水体的深度；h_气水为压缩气囊AR所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱ST内部某一时刻的气体压力；P_外水为密封沉箱ST外部的水体压力；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；P_扬程抽排水发电一体机排水扬程出口压力。

另外在水流发电机DY1发电过程中，也需要一定的压缩气体参与控制。

步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能

步骤2.1、余电电量充足保证蓄水发电的最大容量

当控制器CPU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，且控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定即V_t压缩≥V_额定时，控制器分别控制大气进排气阀K4打开、空压发电一体机DY3停止工作、A/B双向逆止阀K6关闭、沉箱进排气阀K3打开，此时大气与密封沉箱ST内连通。控制器控制三通阀门K2将进排水管道WP与排水管道OUTWP连通，启动抽排水发电一体机DY2，经进排水管道WP将密封沉箱ST内水体全部排放到水体中。提供最大的蓄水发电容量。

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，产生的余电电量P_余电满足全部排出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2.2、余电电量P_余电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_余电趋近于等于零，即压缩气囊AR所处水体深度h_气水大于密封沉箱ST水体深度h_外水即h_气水＞h_外水，压缩气囊AR气体压力P_压缩大于进排水口扬程压力P_扬程，即P_压缩＞P_扬程时，由于压缩气囊AR的压力P_压缩与所处水体深度h_气水有关，所处的水体深度h_气水不变，压缩气囊AR内气体压力P_压缩不变，当控制器监测分析到压缩气囊AR内气体体积V_压缩大于等于压缩气囊AR额定体积V_额定与体积倍率β_v的乘积，即V_t压缩≥β_vV_额定时，控制器分别控制大气进排气阀K4关闭、B向逆止阀K6打开、沉箱进排气阀K3打开，压缩气囊AR与密封沉箱ST建立气体通道。控制三通阀门K2将排水管道OUTWP与进排水管道WP连通，水体与密封沉箱ST内连通，同时控制抽排水发电一体机DY2和空压发电一体机DY3进入发电模式。此时压缩气囊AR内压缩气体，经空压发电一体机DY3发电作用在密封沉箱ST内水上，将密封沉箱ST内部分水体经抽排水发电一体机DY2、排水管道OUTWP、进排水管道WP排到水体中，得到注水发电的空间。

其中，体积倍率β_v取值范围小于1即β_v＜1。

步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水

如压缩气囊AR所水体深度h_气水小于或等于密封沉箱ST水体深度h_外水即h_气水≤h_外水，由此压缩气囊AR内气体压力P_压缩小于或等于抽排水发电一体机DY2排水扬程出口压力P_扬程，即P_压缩≤P_扬程，同时控制器分别监测压缩气囊AR内气体体积V_压缩大于最小体积极限V_min值V_压缩＞V_min，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DY2机启动抽排水模式，在压缩气囊AR气体压力助力下将密封沉箱ST中的水，经进排水口K5排到水体中。此时由于压缩气囊AR气体压力P_压缩，减少抽排水发电一体机DY2的用电功率。

此时消耗功率为：抽排水发电一体机DY2发电功率-压缩气囊AR内气体做功功率。

步骤2.4、最大限度利用余电电量P_余电保证蓄水发电的最大容量

由于压缩气囊AR内气体压力P_压缩不变，当压缩气囊AR体积V_压缩趋近于压缩气囊AR最小极限体积V_min即且新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，控制器分别控制打开气体进排气阀门K4、空压发电一体机DY3停止工作、A/B双向逆止阀关闭K6、沉箱进排气阀K3打开，将环境空气与密封沉箱ST内连通，控制三通阀门K2处于将排水管道OUTWP与进排水管道WP连通状态、抽排水发电一体机DY2进入抽排水状态。此时环境空气经进排气管道K4、沉箱进排气阀K3与密封沉箱ST内连通，抽排水发电一体机DY2排水工作。利用余电P_余电最大限度的将密封沉箱ST中的水体排出。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；V_t1压缩为压缩气囊的初始体积；V_min为压缩气囊的最小下限体积；P_t1内为密封沉箱内初始气体压力；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P₀为当地环境气体压力；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_压缩为压缩气囊内气体压力；P_power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；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；V_t内为密封沉箱内某一时刻的气体体积；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；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ΔP为密封沉箱内外的压力差；P_min为水流发电机做功最小极限功率；V_min为压缩气囊最小极限体积；P_扬程为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_余电为新能源发电大于负荷需求时产生的余电。

步骤3、应用气体介质环境扩展：气体介质压缩存储释放

步骤3.1、如将进排气管道口置于气体介质环境，如氢气、二氧化碳等，控制进排气管道气体与气体介质环境的交互，在密封沉箱充满气体介质，执行步骤1、释放电量和压缩空气储能中的步骤(1.1)～(1.2)，将气体介质压缩到压缩气囊中，实现在发电的过程压缩储存气体。

如使用气体介质时，将进排气管道口置于用气环境中，控制压缩气囊中的气体与气体介质环境的交互，执行步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能中的步骤(2.1)～(2.3)，将压缩气囊中的气体介质排放到用气环境中，实现压缩气囊中的气体介质排水过程蓄能。

所述的气体环境是指空气环境或气体介质环境，密封沉箱和压缩气囊所充入的气体取决于进排气口所处的环境，所述气体包括如氢气、二氧化碳、空气。

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 (12)

1.一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统，其特征在于，包括：

密封沉箱、控制器、抽排水发电一体机、水流发电阀门组、进排储气系统，所述进排储气系统包括一个体积可变的压缩气囊；

其中控制器置于陆地控制室内；

抽排水发电一体机置于密封沉箱内底部；水流发电阀门组嵌入安装在密封沉箱一侧下部；进排储气系统组成与密封沉箱上面一侧连接；

所述的，密封沉箱锚定于预定的水体深度，在密封沉箱ST上部分别安装排水管道和进排气储系统；

密封沉箱上部两侧分别安装有排水管道和进排储气系统；其中排水管道经密封沉箱体上部一侧贯穿安装，排水管道下端与抽排水发电一体机连接，置于密封沉箱近底部，与密封沉箱内部联通；排水管道上端安装一个三通阀门分别与进排水管道一端和进水管道连接；进排水管道另一端的进排水口，置于水体历史最低水位下层或冰冻不冻水面下层；

其中，位于密封沉箱一侧下部嵌入安装的水流发电阀门组，水流发电机阀门置于密封沉箱的外侧，水流发电机置于密封沉箱内侧；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；

所述的进排储气系统包括体积可变的压缩气囊、空压发电一体机、进排气管道、气体进排气阀门、A/B双向逆止阀、密封沉箱进排气阀门；其中，压缩气囊置于密封沉箱同一水体中，深度大于等于密封沉箱ST水体深度；所述的压缩气囊内的气体介质为空气、氢气或二氧化碳之一；

气体进排气阀门一端安装在进排气管道上端，气体进排气阀门另一端为进排气口，控制进排气管道气体与环境的交互；进排气管道P另一端分别与密封沉箱进排气阀门和空压发电一体机连接；

所述的空压发电一体机置于密封沉箱的上端，一端通过A/B双向逆止阀与压缩气囊连接，另一端与进排气管道连接，在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式；

所述的A/B双向逆止阀，A向逆止阀气体流向由空压发电一体机到压缩气囊AR；B向逆止阀气体流向由压缩气囊AR到空压发电一体机，A/B双向逆止阀中的A向逆止阀与B向逆止阀互为开和关状态。

2.一种用于权利要求1的一种基于气囊和沉箱的气液储能与发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体，具体包括：

步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率P_power；

步骤1.2、调控密封沉箱内气体压力保证最佳发电和压缩储气；

步骤1.3、排放气体保证发电功率输出；

步骤1.4、压缩气体排气应急发电；

步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭；

步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能

步骤2.1、余电电量充足时保证蓄水发电的最大容量；

步骤2.2、余电电量趋近于零时压缩气体压力排水蓄能；

步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水；

步骤2.4、最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量；

步骤3、气体介质压缩存储释放。

3.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率P_power，具体如下：

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；压缩气囊的体积V_t1压缩等于压缩气囊的最小下限体积V_min，即V_t1压缩＝V_min，压缩气囊内气体压力为压缩气囊所处水体深度的压力：

P_压缩＝ρ_水gh_气水 (2)

由于初始状态时密封沉箱内水深h_内水＝0，密封沉箱外部压力P_外水减去水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电大于密封沉箱内部压力P_t内，即P_外水-ΔP_发电＞P_t1内时，水流经进排水口、进排水管道、三通阀门、进水管道、水流发电机阀门、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；

由于水流发电机发电做功功率P_power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，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)

依据做功功率公式P_power＝F·v_水、做功水的推力F＝ΔP·S_k和流量公式Q_水＝v_水·S_k由此水流发电机发电做功功率P_power：

P_power＝F·v_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水 (4)

由式(4)看出，当密封沉箱内外压力差ΔP和密封沉箱深度h_外水一定时，水流发电机发电做功功率与水流流量Q_水有关，而水流流量Q_水与水流发电机阀门的开度S_k有关，水流发电机阀门的开度S_k越大流量Q_水越大；当密封沉箱内外压力差ΔP大于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，即ΔP＞ΔP_发电时，控制器通过控制水流发电机阀门开度S_k，能够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；V_t1压缩为压缩气囊的初始体积；V_min为压缩气囊的最小下限体积；P_t1内为密封沉箱内初始气体压力；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P₀为当地环境气体压力；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_压缩为压缩气囊内气体压力；P_power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；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；V_t内为密封沉箱内某一时刻的气体体积；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；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；△P为密封沉箱内外的压力差；P_min为水流发电机做功最小极限功率。

4.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.2、调控密封沉箱内气体压力保证最佳发电和压缩储气，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，密封沉箱内水的深度h_内水增加，密封沉箱内气体体积V_t内减小，基于做功公式P＝ρgh，密封沉箱内部气体压力P_t内增加，当密封沉箱内注入一定水量到达t2时刻时，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；由此得到密封沉箱内气体压力的变化表达式：

P_t1内·V_t1内＝P_t2内·V_t2内 (5)

由此看出随着水流通过水流发电机发电，注入密封沉箱内水体积增加，密封沉箱气体体积V_t2内减小，密封沉箱气体压力P_t2内增加；

①当h_气水＜h_外水时最大发电和压缩气体

由于压缩气囊所处水体深度h_气水决定了压缩气囊的压缩气体的压力P_压缩，如压缩气囊所处水体深度h_气水小于密封沉箱所处水体深度h_外水即h_气水＜h_外水，当密封沉箱内气体压力P_t内大于压缩气囊内的压力P_压缩，即P_t内＞P_压缩时，密封沉箱内气体经沉箱进排气阀门、进排气管道、空压发电一体机发电、A向逆止阀、压入压缩气囊中；

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；

②当h_气水≥h_外水时最大发电和压缩气体

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，依据表达式(5)密封沉箱内部气体压力P_t内增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，由公式P_power＝ΔP·Q_水可知，当水流流量Q_水一定时作用在水流发电机做功功率P_power减小；由此为保证水流发电机做功功率P_power，控制器通过控制水流发电机阀门开度S_k，增加水流流量Q_水；

当水流发电机阀门到达最大开度S_{k_max}时，水流流量Q_水无法增加时，且密封沉箱内外压力差ΔP趋近于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，即时，水流发电机做功达到最小极限功率P_min；

由于压缩气囊所处水体深度h_气水决定了压缩气囊的压缩气体的压力P_压缩，当压缩气囊所处水体深度h_气水大于等于密封沉箱所处水体深度h_外水即h_气水≥h_外水时，密封沉箱内的压力P_t内一定小于等于压缩气囊所水体深度压力P_压缩，即P_t内≤P_压缩，控制器启动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囊内，降低密封沉箱内的压力P_t内，提高密封沉箱内外压力差ΔP，减小水流发电机阀门的开度S_k；由此通过控制空压发电一体机压缩气体，以及水流发电机阀门的开度S_k，达到最佳水流发电机做功功率P_power输出。

5.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤1.3、当V_t压缩≥V_额定时排放气体保证发电功率输出；

由于压缩气囊所在水体深度h_气水，压缩气体的压力一定，在水流发电机发电过程中，基于玻意耳定律：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，由此压缩气囊AR体积V_t压缩增加，当控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定，即V_t压缩≥V_额定时，控制打开大气进排气阀将密封沉箱内与大气连通、控制A/B双向逆止阀关闭，密封沉箱内压缩的气体经进排气管道排放到大气中，由此降低密封沉箱内的压力，满足水流发电机发电压力差，达到最佳发电功率输出。

6.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤1.4、压缩气体排气应急发电具体包括：

由于气流发电响应速度高于水流发电响应速度，当水流发电机处于关闭状态或水流发电机启动发电过程，由于电网需要应急电网支撑时，且当控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定时，控制器分别打开气体进排气阀门，将进排气管道与环境气体连通、关闭沉箱进排气阀、空压发电一体机处于发电模式、打开B向逆止阀，压缩气囊中的压缩气体与气体环境连通；由公式P_gpower＝P_压缩·Q_气可知，此时压缩气囊中的压缩气体，在压缩气体压力P_压缩作用下，气体流量Q_气经空压发电一体机，在做功功率P_gpower的作用下发电，在排到大气中。

7.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.5、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时，密封沉箱内外压力差ΔP减小，当密封沉箱内外压力差ΔP小于等于水流发电机的最小保证发电压力差ΔP_发电，即ΔP≤ΔP_发电时，控制器无法通过优化控制空压发电一体机压缩气体或向大气排气，以及水流发电机阀门的开度S_k，保证水流发电机发电功率，控制器关闭一切阀门和停止空压发电一体机、水流发电机工作；

上述式中，S_k为水流发电机阀门开度；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；S_{k_max}为水流发电机阀门最大开度；P_min为水流发电机发电的最小极限输出功率；ΔP为密封沉箱内外压力差值；P_power为水流发电机发电做功功率；P_gpower为空压发电一体机发电做功功率；Q_气为气流流过空压发电一体机的流量；ρ_水为水的密度；h_外水为密封沉箱所处水体的深度；h_气水为压缩气囊所处水体的深度；g为重力加速度；P_压缩为压缩气囊中的气体压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P_扬程为抽排水发电一体机排水扬程出口压力；V_t压缩为某一时刻的压缩气囊体积；V_额定为压缩气囊额定体积；V_t内为密封沉箱内某一时刻的气体体积；P_外水为密封沉箱外部的水体压力；P_余电为新能源输出余电电量；P_δ余电为最小余电电量阈值。

8.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.1、余电电量充足保证蓄水发电的最大容量，具体如下：

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，且控制器读取压缩气囊体积V_t压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定即V_t压缩≥V_额定时，控制器分别控制大气进排气阀打开、空压发电一体机停止工作、A/B双向逆止阀关闭、沉箱进排气阀打开，此时大气与密封沉箱内连通；控制器控制三通阀门将进排水管道与排水管道连通，启动抽排水发电一体机，经进排水管道将密封沉箱内水体全部排放到水体中；提供最大的蓄水发电容量。

9.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.2、余电电量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_余电趋近于等于零，即压缩气囊所处水体深度h_气水大于密封沉箱水体深度h_外水即h_气水＞h_外水，压缩气囊气体压力P_压缩大于进排水口扬程压力P_扬程，即P_压缩＞P_扬程时，由于压缩气囊的压力P_压缩与所处水体深度h_气水有关，所处的水体深度h_气水不变，压缩气囊内气体压力P_压缩不变，当控制器监测分析到压缩气囊内气体体积V_压缩大于等于压缩气囊额定体积V_额定与体积倍率β_v的乘积，即V_t压缩≥β_vV_额定时，控制器分别控制大气进排气阀关闭、B向逆止阀打开、沉箱进排气阀打开，压缩气囊与密封沉箱建立气体通道；控制三通阀门将排水管道与进排水管道连通，水体与密封沉箱内连通，同时控制抽排水发电一体机和空压发电一体机进入发电模式；此时压缩气囊内压缩气体，经空压发电一体机发电作用在密封沉箱内水上，将密封沉箱内部分水体经抽排水发电一体机、排水管道、进排水管道排到水体中，得到注水发电的空间；

其中，体积倍率β_v取值范围小于1即β_v＜1。

10.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.3、压缩气体助力抽排水发电一体机排水，具体如下：

如压缩气囊所水体深度h_气水小于等于密封沉箱水体深度h_外水即h_气水≤h_外水，由此压缩气囊内气体压力P_压缩小于等于抽排水发电一体机排水扬程出口压力P_扬程，即P_压缩≤P_扬程，同时控制器分别监测压缩气囊内气体体积V_压缩大于最小体积极限值V_min，即V_压缩＞V_min，新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，抽排水发电一体机启动抽排水模式，在压缩气囊气体压力助力下将密封沉箱中的水，经进排水口排到水体中；此时由于压缩气囊气体压力P_压缩，减少抽排水发电一体机的用电功率。

11.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.4、最大限度利用余电电量保证蓄水发电的最大容量，具体如下：

由于压缩气囊内气体压力P_压缩不变，当压缩气囊体积V_压缩趋近于压缩气囊最小极限体积V_min即且新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，控制器分别控制打开气体进排气阀门、空压发电一体机停止工作、A/B双向逆止阀关闭、沉箱进排气阀打开，将环境气体与密封沉箱内连通，控制三通阀门处于将排水管道与进排水管道连通状态、抽排水发电一体机进入抽排水状态；此时环境气体经进排气管道、沉箱进排气阀与密封沉箱内连通，抽排水发电一体机排水工作；利用余电最大限度的将密封沉箱中的水体排出。

12.按照权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤3，气体介质压缩存储释放

步骤3.1、将进排气管道口置于气体介质环境，控制进排气管道气体与气体介质环境的交互，在密封沉箱充满气体介质，执行步骤1、释放电量和压缩空气储能中的步骤1.1～1.2，将气体介质压缩到压缩气囊中，实现在发电的过程压缩储存气体；

在需要使用气体介质时，将进排气管道口置于用气环境中，控制压缩气囊中的气体与气体介质环境的交互，执行步骤2、压缩气体助力余电排水蓄能中的步骤2.1～2.3，将压缩气囊中的气体介质排放到用气环境中，实现压缩气囊中的气体介质排水过程蓄能；

所述的气体环境是指空气环境或气体介质环境，密封沉箱和压缩气囊所充入的气体取决于进排气口所处的环境，所述气体包括如氢气、二氧化碳、空气。