CN114382637A - 一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法，所述控制方法：包括步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能，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、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率；步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭；步骤1.5、压缩气体排气应急发电；步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能；具体包括：步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能；步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能。

Description

一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机电领域，尤其是一种气、水沉箱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。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，无法保证可靠性的储能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法，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，能够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。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，水动势能做功转换能量发电和压缩气体，确保可靠的储能和发电。

本发明的技术方案为：一种气、水沉箱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、沉箱、水流发电机组、平衡系统、进排储气系统；其中，功能性蓄水罐位于水体周边；沉箱浸没于水体中；水流发电机组安装在沉箱两端；抽排水发电一体机通过管道与沉箱连接，置于陆地；平衡系统安装在沉箱侧面上部的4个对角位置；进排储气系统通过管道与沉箱连接，浸没与水体中；控制器与所有被控设备通过无线或有线通讯连接，置于陆地上。

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。

所述的沉箱包括密封沉箱和压缩气体无底沉箱，压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，一体化建造连接。其中压缩气体无底沉箱无底，如同倒扣的船只。

其中，密封沉箱考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，结构外形长方体，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。沉箱依据密封沉箱进或排水产生的浮力和重力，在水体下上下移动，并通过平衡系统保证沉箱水平稳定、匀速的运动，同时带动压缩气体无底沉箱吸进或压缩气体。

密封沉箱上部两侧分别安装有可伸缩抽排水管道，以及可伸缩进排气管道，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；

抽排水发电一体机的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。可伸缩进排气管道通过双向逆止阀、空压发电一体机、进排气管道在压缩气体无底沉箱上部与内部连通。可伸缩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面的外侧，水流发电机安装在密封沉箱两侧面内侧。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。

所述的进排储气系统由可伸缩进排气管道、空压发电一体机、双向逆止阀、密封沉箱进排气口阀门和进排气阀门组成。其中，由于压缩气体无底沉箱与密封沉箱外底部一体化连接，在密封沉箱进排水过程中，沉箱在重力和浮力的作用下，对压缩气体无底沉箱内的气体吸进或压缩。

进排气管道一端与压缩气体无底沉箱一侧上端连接，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进排气管道连接。

可伸缩进排气管道上端，安装进排气阀门，控制气体进入和排出，可伸缩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进排气管道，通过空压发电一体机、经进排气管道，到达压缩气体无底沉箱内；B逆止阀气流方向由压缩气体无底沉箱，经进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩进排气管道，压缩气体无底沉箱排出气体。

所述的平衡系统包括：四个平衡发电一体机，分别安装在靠近沉箱上端，侧面交接处，如长方形沉箱安装在4个对角的位置，每个平衡发电一体机可独立控制，改变角度、发电输出功率、螺旋桨驱动。当沉箱上下移动时，通过控制改变发电输出功率，保障沉箱水平稳定及匀速运动，在大的波动情况下启动平衡发电一体机螺旋桨驱动模式，保障沉箱水平稳定。其中，发电输出功率可通过控制变换转速比，改变螺旋桨扭力，增加或减少发电量同时改变水流流过的流量，实现沉箱水平稳定及匀速运动。

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、四个平衡发电一体机、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：

考虑浮力平衡状态，理想沉箱体重量应等于沉箱排空体积产生的浮力；

考虑水流发电机发电时的最小水头深度，密封沉箱的高度大于或等于最小水头深度。

初始状态：密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度h_外水的水体中(水流发电机发电时的最小水头深度)，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。压缩气体无底沉箱内的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P_外水+ρ_水gΔh_气沉＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉)。

其中，Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内压缩气体的高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；

1、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无底沉箱压缩气体过程如下：

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。于此同时依据压缩气体无底沉箱所处的水体深度压力，同步压缩气体无底沉箱内部水面上升对气体压缩。由于压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，密封沉箱内部气体压力P_t内小于压缩气体无底沉箱内的气体压力P_t压缩，依据基于玻意耳定律，压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩：

此时发电功率为：水流发电机发电功率。

2)随着注水量和发电量的增加，密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体压力、密度和密封沉箱的重量同步增加，气体空间减小浮力降低，为防止沉箱快速下降，控制器通过平衡发电一体机发电模式，并依据下降速度和沉箱的平衡状态，实时对每个平衡发电一体机输出功率进行调整，保证沉箱平稳匀速度下降，同时助力发电。

此时发电功率为：水流发电机发电功率+平衡发电功率。

3)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，当控制器检测沉箱接近终点时，控制器控制平衡发电一体机启动螺旋桨驱动模式，降低沉箱下降速度，控制沉箱软着陆。在此期间密封沉箱内外压力差逐渐减小，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压缩气体，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体无底沉箱内。为防止压缩气体压力大于当前水深的最大压力时，造成气体外泄，控制器控制压缩气体压力小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力，使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。当控制器检测沉箱着陆时，控制器控制平衡发电一体机停止工作。

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-平衡发电一体机消耗功率。

此时压缩气体无底沉箱内压入的压缩气体，为当前水体深度下密封沉箱气体压力P_t内的压缩气体，以及压缩气体无底沉箱的压缩气体，由此得到高密度的压缩气体。

4)随着密封沉箱注水量同步增加，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，压缩气体无底沉箱内的气体压力P_t压缩同步增加，当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，气体经空压发电一体机停止工作。此时压缩气体压力为压缩气体无底沉箱当前水深的压力。

2、压缩空气助力余电排水蓄能

1)排水蓄能时，由于压缩气体无底沉箱气体压力P_t压缩大于扬程压力P_扬程，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。压缩气体无底沉箱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，同时沉箱产生浮力，压缩气体无底沉箱内气体体积减小，水面上升，压力P_t压缩同步降低，但且始终大于等于排水扬程压力P_扬程，有利于密封沉箱水排出。

2)随着排出水量的增加，密封沉箱重量降低，气体空间加大，浮力同步增加，沉箱上升趋势增加。为保证沉箱匀速度上升，控制器启动平衡发电一体机发电模式，同时助力发电。

3)当压缩气体无底沉箱内气体体积减小以及水面的上升，压缩气体无底沉箱内水即将充满时，即

压缩气体无底沉箱内的压缩气体无法对水体做功时，同时新能源输出余电电量P_余电大于零时，启动抽排水发电一体机进入抽排水模式，控制器控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、关闭双向逆止阀A和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，将密封沉箱内水排空。当密封沉箱内的水排空时，控制器打开双向逆止阀A和关闭B、控制压缩气体无底沉箱与环境大气连通，同时启动空压发电一体机，将环境大气压缩到压缩气体无底沉箱内，压缩气体无底沉箱内气体压力为：P_t1压缩＝P_外水+ρ_水gΔh_气沉＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉)，回到初始状态。

其中，P_余电为新能源输出余电电量；P_t压缩为任意时刻压缩气体无底沉箱的气体压力；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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内气体高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；V_t1压缩为压缩气体无底沉箱初始的体积；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量；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；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；g为重力加速度；P_扬程为抽排水发电一体机扬程压力；P_外为密封沉箱外部的水体压力。控制方法如下：

初始状态：

密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度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。压缩气体无底沉箱内的体积V_t1压缩，气体压力：

P_t1压缩＝P_外水+ρ_水gΔh_气沉＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉)

步骤1、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，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1.1、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_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水

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

步骤1.2、沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力计算

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体压力、气体空间减小浮力降低，密封沉箱的重量同步增加，为防止沉箱快速下降，控制器启动平衡发电一体机发电模式，保证沉箱匀速度下降的同时助力发电。

此时发电功率为：水流发电机发电功率+启动平衡发电功率。

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无底沉箱气体体积减小t2时，计算密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩。

密封沉箱气体压力：

压缩气体无底沉箱气体压力：

由于压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，依据水深则压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩大于密封沉箱气体压力P_t2内，即P_t2压缩＞P_t2内。

步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体减少水体增加，当控制器检测沉箱接近终点时，控制器控制平衡发电一体机反向驱动螺旋桨，控制沉箱软着陆。在此期间密封沉箱内外压力差ΔP减小，当

时，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体无底沉箱内，为防止压缩气体压力大于当前水深的最大压力时气体外泄，控制空压发电一体机压缩气体，压缩气体压力P_t压缩≤ρ_水g(h_外水+h_气沉)。由此提高密封沉箱内外压力差ΔP，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1.4、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1.5、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，当电网需要应急电网支撑时，控制器对应关闭、打开相应阀门，控制压缩气体无底沉箱中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中。

步骤二、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能

步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能

密封沉箱向水体排水时，由于P_t压缩＞P_扬程，控制器分别关闭和打开相关的阀门。压缩气体无底沉箱内气体作用在密封沉箱内，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道等排放到水体中。随着密封沉箱排水量增多浮力增大，沉箱上浮趋势增加，为防止沉箱快速上升，控制器通过平衡发电一体机控制沉箱匀速度上升，同时助力发电。

步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能

当向功能性蓄水罐内排水时，且P_t压缩≤P_扬程、Δh_气沉＞0、P_余电＞0时，启动抽排水发电一体机抽排水，与压缩气体无底沉箱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中。

步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能

随着压缩气体无底沉箱内气体对密封沉箱内排出水做功，压缩气体无底沉箱内气体体积减小，当

P_余电＞0时，控制器分别启动抽排水发电一体机抽排水，控制打开、关闭相关阀门。将密封沉箱内气体与环境大气连通。利用余电将密封沉箱内的水排空，密封沉箱得到排水蓄能的空间。当密封沉箱内的水排空时，控制打开、关闭相关阀门，将压缩气体无底沉箱内气体与环境大气连通，同样控制器利用余电，通过空压发电一体机将环境大气压缩到压缩气体无底沉箱内，回到初始状态。控制压缩气体压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩，由此实现压缩空气储能。

其中，P_t压缩为任意时刻压缩气体无底沉箱内的气体压力；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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内气体高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；V_t1压缩为压缩气体无底沉箱初始的体积；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量；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；Δh_内水为密封沉箱内增加水的深度；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；g为重力加速度；P_扬程为抽排水发电一体机扬程压力；P_外为密封沉箱外部的水体压力。

有益效果：

1)本发明相比抽水蓄能电站解决地质要求问题；

2)本发明不占陆地面积；

3)本发明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)本发明解决海上风电、漂浮式光伏的就近储能和电网支撑；

5)本发明充分利用水体的浮力、重力和压力，产生的压缩气体，提供排水蓄能和发电动能；

6)通过改变密封沉箱和压缩气体无底沉箱进气介质，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为气、水气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统结构图；

图2为本发明的控制方法流程图。

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，所述的水气沉箱连动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、水中沉箱、平衡系统、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。

所述的沉箱包括密封沉箱ST和压缩气体无底沉箱AR，压缩气体无底沉箱AR置于密封沉箱ST底部，一体化建造连接。其中压缩气体无底沉箱AR无底，如同倒扣船只。其中，沉箱结构外形长方体，密封沉箱ST考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，在密封沉箱ST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。沉箱依据密封沉箱ST进或排水产生的浮力和重力，在水体下上下移动，并通过平衡系统保证沉箱水平稳定、匀速的运动，同时带动压缩气体无底沉箱AR吸进或压缩气体。

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。可伸缩进排气管道GP通过双向逆止阀K3、空压发电一体机DY3、进排气管道TP与压缩气体无底沉箱连接。可伸缩进排气管道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。

所述的进排储气系统由可伸缩进排气管道GP、空压发电一体机DY3、双向逆止阀K3、密封沉箱进排气口阀门K5和进排气阀门K4组成。其中，由于压缩气体无底沉箱与密封沉箱外底部一体化连接，在密封沉箱进排水过程中，沉箱在重力和浮力的作用下，对压缩气体无底沉箱内的气体吸进或压缩。

进排气管道TP一端与压缩气体无底沉箱一侧上端连接。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与可伸缩进排气管道GP连接。

可伸缩进排气管道GP上端安装有进排气阀门K4，控制气体进入和排出，可伸缩进排气管道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进排气管道GP，通过空压发电一体机DY3经进排气管道TP到压缩气体无底沉箱吸进气体；B逆止阀气流方向由压缩气体无底沉箱经进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩进排气管道，压缩气体无底沉箱排出气体发电。

所述的平衡系统包括：平衡发电一体机DY5、平衡发电一体机DY6、平衡发电一体机DY7和平衡发电一体机DY8，分别安装在靠近沉箱上端，侧面交接处，如长方形沉箱安装在4个对角线的位置，每个平衡发电一体机可独立控制，改变角度、发电输出功率、螺旋桨驱动。目的当沉箱上下移动时，通过控制改变发电输出功率，保障沉箱水平稳定及匀速运动，在大的波动情况下启动平衡发电一体机螺旋桨驱动模式，保障沉箱水平稳定。其中，发电输出功率可通过控制变换转速比，改变螺旋桨扭力，增加或减少发电量同时改变水流流过的流量，实现沉箱水平稳定及匀速运动。

所述的控制器CPU安装在控制室或柜内，控制器CPU通过有线或无线与所有的阀门、水流发电机DY1和发电机DY2、抽排水发电一体机DY4、空压发电一体机DY3、平衡发电一体机DY5、平衡发电一体机DY6、平衡发电一体机DY7和平衡发电一体机DY8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。

控制方法如下：

如图2所示，

初始状态：密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度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。压缩气体无底沉箱内的体积V_t1压缩，气体压力：

P_t1压缩＝P_外水+ρ_水gΔh_气沉＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉)

步骤1、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，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1.1、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_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水

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

步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体压力、气体空间减小浮力降低，密封沉箱的重量同步增加，为防止沉箱快速下降，控制器启动平衡发电一体机发电模式，保证沉箱匀速度下降的同时助力发电。

此时发电功率为：水流发电机发电功率+启动平衡发电功率。

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无底沉箱气体体积减小t2时，计算密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩。

密封沉箱气体压力：

压缩气体无底沉箱气体压力：

由于压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，依据水深则压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩大于密封沉箱气体压力P_t2内，即P_t2压缩＞P_t2内。

步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体减少水体增加，当控制器检测沉箱接近终点时，控制器控制平衡发电一体机反向驱动螺旋桨，控制沉箱软着陆。在此期间密封沉箱内外压力差ΔP减小，当

时，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体无底沉箱内，为防止压缩气体压力大于当前水深的最大压力时气体外泄，控制空压发电一体机压缩气体压力P_t压缩≤ρ_水g(h_外水+h_气沉)。由此提高密封沉箱内外压力差ΔP，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1.4、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1.5、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，当电网需要应急电网支撑时，控制器对应关闭、打开相应阀门，控制压缩气体无底沉箱中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中。

步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能

步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能

密封沉箱向水体排水时，由于P_t压缩＞P_扬程，控制器分别关闭和打开相关的阀门。压缩气体无底沉箱内气体作用在密封沉箱内，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道等排放到水体中。随着密封沉箱排水量增多浮力增大，沉箱上浮的趋势增加，为防止沉箱快速上升，控制器通过平衡发电一体机控制沉箱匀速度上升，同时助力发电。

步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能

当向功能性蓄水罐内排水时，且P_t压缩≤P_扬程、Δh_气沉＞0、P_余电＞0时，启动抽排水发电一体机抽排水，与压缩气体无底沉箱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中。

步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能

随着压缩气体无底沉箱内气体对密封沉箱内排出水做功，压缩气体无底沉箱内气体体积减小，当

P_余电＞0时，控制器分别启动抽排水发电一体机抽排水，控制打开、关闭相关阀门。将密封沉箱内气体与环境大气连通。利用余电将密封沉箱内的水排空，密封沉箱得到排水蓄能的空间。当控制器监测到密封沉箱内的水排空时，控制打开、关闭相关阀门，将压缩气体无底沉箱内气体与环境大气连通，利用余电通过空压发电一体机将压缩气体压缩到压缩气体无底沉箱，回到初始状态。控制压缩气体压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩，由此实现压缩空气储能。

其中，P_t压缩为任意时刻压缩气体无底沉箱内的气体压力；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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内气体高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；V_t1压缩为压缩气体无底沉箱初始的体积；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量；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；Δh_内水为密封沉箱内增加水的深度；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；g为重力加速度；P_扬程为抽排水发电一体机扬程压力；P_余电为新能源输出余电电量；P_外为密封沉箱外部的水体压力。

根据本发明的一个实施例，更详细的具体控制方法如下：

初始状态：密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度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。

压缩气体无底沉箱内的体积V_t1压缩，气体压力：

P_t1压缩＝P_外水+ρ_水gΔh_气沉＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉) (2)

步骤1、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1.1、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 (3)

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 (4)

由于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，

依据做功功率公式：

P＝F·v (5)

做功水的推力：

F＝ΔP·S_k (6)

流量公式：

Q_水＝v_水·S_k (7)

由此水流发电机发电做功功率P_水：

P_水＝F·v_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水 (8)

由式(8)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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内气体高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；

步骤1.2、沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力计算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，密封沉箱内气体体积V_t2内减小，沉箱的浮力减小，沉箱的重力同步增加，沉箱处于下沉状态。而且随着注水量的增多，势必造成密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体空间快速的减小，沉箱下降速度加快。为保证沉箱匀速稳定的下降，控制器启动平衡发电一体机发电模式，调控平衡发电一体机增加沉箱下降的阻力，保证沉箱匀速度下降的同时助力发电。

同时沉箱重力对压缩气体无底沉箱内的气体做功，内部水面上升压缩气体使体积V_t2压缩减小。由于压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，密封沉箱内部气体压力P_t内小于压缩气体无底沉箱内的气体压力P_t压缩，即P_t内＜P_t压缩，双向逆止阀A打开，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。由此得到密封沉箱和压缩气体无底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 (9)

依据基于玻意耳定律和由于初始状态由式(2)可知P_t1压缩，压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩表达式为：

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内减小，沉箱浮力降低，沉箱重力对压缩气体无底沉箱内气体体积V_t2压缩减小，密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体无底沉箱内气体压力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时刻的压缩气体无底沉箱内气体压力；V_t2压缩为t₂时刻的压缩气体无底沉箱气体体积；

此时发电功率为：水流发电机发电功率+启动平衡发电功率。

步骤1.3、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，当控制器检测沉箱接近终点时，控制器控制平衡发电一体机启动螺旋桨模式，反向驱动螺旋桨控制沉箱软着陆。在此期间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(8)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，控制器启动空压发电一体机压缩气体工作模式，依据最佳水流发电机发电工作压力差，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体无底沉箱内，提高密封沉箱内外压力差ΔP。与此同时，为防止压缩气体压力P_t压缩＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉)大于当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)时气体外泄，控制器通过空压发电一体机，控制压缩气体压力P_t压缩小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩，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。

由此控制空压发电一体机的压力保证范围在，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；压缩气体无底沉箱压缩气体压力P_t压缩小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩。

当控制器检测沉箱着陆时，控制器控制平衡发电一体机停止工作。

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-平衡发电一体消耗功率；

压缩气体储能：压缩气体无底沉箱内得到较高压力P_t压缩的压缩气体储能，而且压缩气体无底沉箱气体压力P_t压缩大于扬程压力P_扬程。

所诉述的扬程压力P_扬程是指：密封沉箱达到某一水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力。

步骤1.4、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1.5、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。此时压缩气体无底沉箱中的压缩气体，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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱压缩气体的高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱箱体的高度；P_t压缩为压缩气体无底沉箱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。

步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能

步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能

当向水体排水时，由于压缩气体无底沉箱气体压力P_t压缩大于扬程压力P_扬程，即P_t压缩＞P_扬程，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。压缩气体无底沉箱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水体中，同时随着密封沉箱排水量增多，气体空间同步增加产生浮力。沉箱在浮力作用下上浮趋势增加。

为防止沉箱快速上升，控制器采用平衡发电一体机发电模式，控制沉箱匀速度上升，同时助力发电。

步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能

由于功能性蓄水罐置于陆地，当向功能性蓄水罐内排水时，压缩气体无底沉箱内气体压力P_t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_t压缩≤P_扬程时，且压缩气体无底沉箱内的气体空间高度Δh_气沉大于零，即Δh_气沉＞0，同时新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，抽排水发电一体机进入抽排水模式，压缩气体无底沉箱内的压缩气体，通过空压发电一体机发电，进入密封沉箱内，抽排水发电一体机与压缩气体无底沉箱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中。此时压缩气体助力抽排水发电一体机排水，减少用电消耗。

步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能

随着压缩气体无底沉箱内气体对密封沉箱内排出水做功，压缩气体无底沉箱内气体体积减小，压缩气体无底沉箱内水面上升，当压缩气体无底沉箱内水即将充满时，即

压缩气体无底沉箱内的压缩气体无法对水体做功，同时新能源输出余电电量P_余电大于零，即P_余电＞0时，控制器启动抽排水发电一体机进入抽排水模式，并控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、关闭双向逆止阀A和B。将密封沉箱内气体与环境大气连通，环境大气经可伸缩进排气管道进入密封沉箱中。此时抽排水发电一体机利用余电排水，将密封沉箱内的水排空放到功能性蓄水罐或水体中，密封沉箱得到排水蓄能的空间。当控制器监测到密封沉箱内的水排空时，控制打开双向逆止阀A关闭B，将压缩气体无底沉箱内气体与环境大气连通，启动空压发电一体机压缩气体。

利用余电将环境大气经可伸缩进排气管道，在空压发电一体机压缩气体的作用下，压缩气体进入压缩气体无底沉箱中，回到初始状态。其中，压缩到压缩气体无底沉箱压缩气体压力P_t压缩小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩实现压缩空气储能。

当压缩到压缩气体无底沉箱压缩气体压力P_t压缩大于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)＞P_t压缩，控制器控制空压发电一体机停止工作。

其中，P_t压缩为任意时刻压缩气体无底沉箱内的气体压力；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；h_内水为密封沉箱内的水深高度；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内气体高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；ΔP_min为水流发电机最小工作压力差；ρ_水为水的密度；g为重力加速度；P_扬程为抽排水发电一体机扬程压力；P_余电为新能源输出余电电量；P_外为密封沉箱外部的水体压力。

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 (15)

1.一种气、水沉箱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、平衡系统、进排储气系统、沉箱；

其中，功能性蓄水罐位于水体周边；

沉箱浸没于水体中；水流发电机组安装在沉箱两端；抽排水发电一体机通过管道与沉箱连接，置于陆地；

所述平衡系统安装在沉箱侧面上部的4个对角线位置；

进排储气系统通过管道与沉箱连接，浸没与水体中；

控制器与所有被控设备通过无线或有线通讯连接，置于陆地上。

2.根据权利要求1所述的一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的沉箱包括密封沉箱和压缩气体无底沉箱，压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，一体化建造连接；其中压缩气体无底沉箱无底，地面为空；

其中，沉箱的结构外形为长方体，密封沉箱内部采用蜂窝状结构支撑，在密封沉箱两侧面各嵌入安装一套水流发电机组；

密封沉箱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；沉箱依据密封沉箱进或排水产生的浮力和重力，在水体下上下移动，并通过平衡系统保证沉箱水平稳定、匀速的运动，同时带动压缩气体无底沉箱吸进或压缩气体；

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；

可伸缩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；可伸缩进排气管道通过双向逆止阀、空压发电一体机、进排气管道与压缩气体无底沉箱连接；可伸缩进排气管道另一端通过进排气阀门与大气连通。

3.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，水流发电机组包括水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与阀门同心圆轴向连接，以及和水流发电机与阀门同心圆轴向连接，水流发电机阀门、水流发电机阀门，分别安装在密封沉箱两侧的外侧，水流发电机、水流发电机安装在密封沉箱两侧面内侧；水流发电机阀门和水流发电机阀门，在控制器CPU的控制下线性开合，控制水流通过水流发电机和水流发电机的流量，实现发电输出功率的控制。

4.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的进排储气系统包括可伸缩进排气管道、空压发电一体机、双向逆止阀、密封沉箱进排气口阀门和进排气阀门；其中，由于压缩气体无底沉箱与密封沉箱外底部一体化连接，在密封沉箱进排水过程中，沉箱在重力和浮力的作用下，对压缩气体无底沉箱内的气体吸进或压缩；

进排气管道一端与压缩气体无底沉箱一侧上端连接；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进排气管道连接；

可伸缩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进排气管道，通过空压发电一体机经进排气管道到压缩气体无底沉箱吸进气体；B逆止阀气流方向由压缩气体无底沉箱经进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩进排气管道，压缩气体无底沉箱排出气体发电。

5.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的平衡系统包括：第一～第四平衡发电一体机，分别安装在沉箱上端四个角的位置，每个平衡发电一体机独立控制，能够改变角度、发电输出功率、螺旋桨驱动；目的当沉箱上下移动时，通过控制改变发电输出功率，保障沉箱水平稳定及匀速运动，在出现沉箱波动情况下启动平衡发电一体机螺旋桨驱动模式，保障沉箱水平稳定；其中，发电输出功率通过控制变换转速比，改变螺旋桨扭力，增加或减少发电量同时改变水流流过的流量，实现沉箱水平稳定及匀速运动。

6.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的控制器CPU安装在控制室或柜内，控制器CPU通过有线或无线与所有的阀门、水流发电机和发电机、抽排水发电一体机、空压发电一体机、第一～第四平衡发电一体机进行控制；所有的设备都具有相关的数据传感器和自适应控制系统，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。

7.一种用于权利要求1-6之一所述的气、水沉箱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、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能，具体包括：

步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率P_水；

步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；

步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率；

步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭；

步骤1.5、压缩气体排气应急发电；

步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能；具体包括：

步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能；

步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；

步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能。

8.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，初始状态下：密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度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

压缩气体无底沉箱内的体积V_t1压缩，气体压力：

P_t1压缩＝P_外水+ρ_水gΔh_气沉＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉) (2)

所述步骤1.1、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 (3)

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 (4)

由于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，依据做功功率公式：

P＝F·v (5)

做功水的推力：

F＝ΔP·S_k (6)

流量公式：

Q_水＝v_水·S_k (7)

由此水流发电机发电做功功率P_水

P_水＝F·v_水＝ΔP·S_k·v_水＝ΔP·Q_水 (8)

由式(8)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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱内气体高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱的高度；ΔP_min为水流发电机最小发电工作压力差。

9.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；

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，密封沉箱内气体体积V_t2内减小，沉箱的浮力减小，沉箱的重力同步增加，沉箱处于下沉状态；而且随着注水量的增多，势必造成密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体空间快速的减小，沉箱下降速度加快；为保证沉箱匀速稳定的下降，控制器启动平衡发电一体机发电模式，调控平衡发电一体机增加沉箱下降的阻力，保证沉箱匀速度下降的同时助力发电；

同时沉箱重力对压缩气体无底沉箱内的气体做功，内部水面上升压缩气体使体积V_t2压缩减小；由于压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，密封沉箱内部气体压力P_t内小于压缩气体无底沉箱内的气体压力P_t压缩，即P_t内＜P_t压缩，双向逆止阀A打开，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；由此得到密封沉箱和压缩气体无底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 (9)

依据基于玻意耳定律和由于初始状态由式(2)可知P_t1压缩，压缩气体无底沉箱气体压力P_t2压缩表达式为：

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内减小，沉箱浮力降低，沉箱重力对压缩气体无底沉箱内气体体积V_t2压缩减小，密封沉箱气体压力P_t2内和压缩气体无底沉箱内气体压力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时刻的压缩气体无底沉箱内气体压力；V_t2压缩为t₂时刻的压缩气体无底沉箱气体体积。

10.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.3、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：

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，当控制器检测沉箱接近终点时，控制器控制平衡发电一体机启动螺旋桨模式，反向驱动螺旋桨控制沉箱软着陆；在此期间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(8)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，控制器启动空压发电一体机压缩气体工作模式，依据最佳水流发电机发电工作压力差，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体无底沉箱内，提高密封沉箱内外压力差ΔP；与此同时，为防止压缩气体压力P_t压缩＝ρ_水g(h_外水+Δh_气沉)大于当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)时气体外泄，控制器通过空压发电一体机，控制压缩气体压力P_t压缩小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩，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；

由此控制空压发电一体机的压力保证范围在，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；压缩气体无底沉箱压缩气体压力P_t压缩小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩；

当控制器检测沉箱着陆时，控制器控制平衡发电一体机停止工作；

压缩气体储能：压缩气体无底沉箱内得到较高压力P_t压缩的压缩气体储能，而且压缩气体无底沉箱气体压力P_t压缩大于扬程压力P_扬程；

所诉述的扬程压力P_扬程是指：密封沉箱达到某一预定水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力。

11.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭过程如下：

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。

12.按照权利要求7所述的及控制方法，其特征在于，所述步骤1.5、压缩气体排气应急发电过程如下：

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；此时压缩气体无底沉箱中的压缩气体，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；Δh_气沉为压缩气体无底沉箱压缩气体的高度；h_气沉为压缩气体无底沉箱箱体的高度；ΔP为密封沉箱内外压力差；P₀为陆地环境气体压力；P_t压缩为压缩气体无底沉箱中某一时刻的气体压力；P_扬程为抽排水发电一体机扬程压力；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。

13.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，

所述步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能过程如下：

当向水体排水时，由于压缩气体无底沉箱气体压力P_t压缩大于扬程压力P_扬程，即P_扬程＜P_压缩，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；压缩气体无底沉箱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水体中，同时随着密封沉箱排水量增多，气体空间同步增加产生浮力；沉箱在浮力作用下上升的趋势增加，为防止沉箱快速上升，控制器采用平衡发电一体机发电模式，控制沉箱匀速度上升，同时助力发电。

14.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能当向功能性蓄水罐内排水时，压缩气体无底沉箱内气体压力P_t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_t压缩≤P_扬程时，且压缩气体无底沉箱内的气体空间高度Δh_气沉大于零，即Δh_气沉＞0，同时新能源输出余电电量P_余电大于零即P_余电＞0时，抽排水发电一体机进入抽排水模式，压缩气体无底沉箱内的压缩气体，通过空压发电一体机发电，进入密封沉箱内，抽排水发电一体机与压缩气体无底沉箱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中。

15.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能过程如下：

随着压缩气体无底沉箱内气体对密封沉箱内排出水做功，压缩气体无底沉箱内气体体积减小，压缩气体无底沉箱内水面上升，当压缩气体无底沉箱内水即将充满时，即

压缩气体无底沉箱内的压缩气体无法对水体做功，同时新能源输出余电电量P_余电大于零，即P_余电＞0时，启动抽排水发电一体机进入抽排水模式，控制器控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、关闭双向逆止阀A和B；将密封沉箱内气体与环境大气连通，环境大气经可伸缩进排气管道进入密封沉箱中；控制抽排水发电一体机利用余电排水，将密封沉箱内的水排空放到功能性蓄水罐或水体中，密封沉箱得到排水蓄能的空间；当控制器监测到密封沉箱内的水排空时，控制打开双向逆止阀A关闭B，将压缩气体无底沉箱内气体与环境大气连通，启动空压发电一体机压缩气体；

利用余电将环境大气经可伸缩进排气管道，在空压发电一体机压缩气体的作用下，压缩气体进入压缩气体无底沉箱，回到初始状态；其中，压缩到压缩气体无底沉箱压缩气体压力P_t压缩小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)≥P_t压缩实现压缩空气储能；

当压缩到压缩气体无底沉箱压缩气体压力P_t压缩大于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ_水g(h_外水+h_气沉)即，ρ_水g(h_外水+h_气沉)＞P_t压缩，控制器控制空压发电一体机停止工作。

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