CN114530945A - 一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法，包括：功能性储水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、压缩空气系统；所述功能性储水罐位于水体周边，所述密封沉箱位于水体下方预定深度位置；密封沉箱下侧一端安装有水流发电阀门，包括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；密封沉箱体上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道，其中抽排水管道经密封沉箱体上部一侧贯穿安装，下部与抽排水发电一体机一端连接，另一端与功能性储水罐连通，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式。压缩空气系统中进排气管道一端焊接在密封沉箱体上部一侧，与密封沉箱体内部气体连通。

Description

一种锚定沉箱式气液储能与发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及能源与机电领域，尤其是一种锚定沉箱式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，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，本发明提出一种气液储能与发电系统及控制方法，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：一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，包括：

功能性储水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、压缩空气系统；

所述功能性储水罐位于水体周边，所述密封沉箱位于水体下方预定深度位置；

所述密封沉箱下侧一端安装有水流发电阀门组，包括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；

所述密封沉箱上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道，其中抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，抽排水管道下端与抽排水发电一体机一端连接，置于密封沉箱内侧底部，抽排水发电一体机与密封沉箱内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；

抽排水管道在水面位置下方处安装有进排水阀，在控制器的控制下进行进水或排水；

抽排水管道上端与功能性储水罐连通，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式；

抽排水管道下部且在密封沉箱上部处连接有注水管道，注水管道另一端与水流发电阀门组连接，提供水流发电机发电的注水通道；

压缩空气系统通过进排气管道与密封沉箱内部气体连通，所述进排气管道一端安装在密封沉箱上部一侧；

所述控制器基于当前发电余量、功能性储水罐的储水量、压缩空气系统内的空气压力状况进行综合判断，确定系统的运行状态；基于该运行状态控制发电系统运行，具体控制过程包括：

打开密封沉箱水流发电阀门组，水体在密封沉箱内外压力差作用下，水流压力冲击水流发电机做功，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；

释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中。

所述功能性储水罐位于水体周边，满足功能用水配备的储水罐，如海水淡化、生活用水厂、大型冷却用水、抽水灌溉等。其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。

其中，水流发电阀门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呈同心圆轴向相互连接。

所述的，密封沉箱考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，外形类似椭圆型或长方体结构，在密封沉箱一侧面靠近底部嵌入安装一套水流发电阀门组；密封沉箱锚定预定的水体深度。

密封沉箱体上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道。其中抽排水管道经密封沉箱体上部一侧贯穿安装，抽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，抽排水发电一体机与密封沉箱体内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；抽排水管道靠近水面下处安装有进排水阀，用于防止对水体底部生态扰动，在控制器的控制下进行进或排水。

抽排水管道上端与功能性储水罐连通。抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式。

抽排水管道下部靠近密封沉箱上部处连接有注水管道，注水管道另一端与水流发电阀门组进口连接，提供水流发电机发电的注水通道。

压缩空气系统中进排气管道一端安装在密封沉箱体上部一侧，与密封沉箱体内部气体连通。

其中，位于一侧面上的水流发电阀门组，水流发电机阀门在密封沉箱的外侧，水流发电机在密封沉箱内侧。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，压缩空气系统由压缩气罐、空压发电一体机、进排气管道、三通进排气阀门、进排气阀门组成。其中，压缩气罐、空压发电一体机置于位于水体地面。

三通进排气阀门分别与压缩气罐、空压发电一体机和环境大气连接，分别控制压缩气罐与空压发电一体机连通，控制密封沉箱内气体与压缩气罐交互；控制空压发电一体机与环境大气连通，控制密封沉箱内气体与环境的交互。

所述的空压发电一体机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。进排气管道的另一端与密封沉箱连接，建立大气或压缩气罐的气流通道，在进排气管道的上端靠近空压发电一体机陆地处安装有进排气阀门，可用于压缩气体对水流发电过程控制和应急电网快速支撑作用。

所述的控制器置于压缩气罐环境中，向下通过有线或无线对系统内的数据监测和控制；向上通过有线或无线发送系统数据信息、接收上级调度信息，包括新能源发电信息。

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。

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。压缩气罐的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P₀。

1、释放电量压缩空气储能

供电时控制器密封沉箱水流发电机阀门，控制三通进排气阀门处于空压缩发电一体机与压缩空气罐连通状态、抽排水发电一体机处于关闭状态、空压缩发电一体机进入发电模式、打开进排水阀门处于抽排水管道与外水体近水面连通状态，此时水流由进排水阀门注入，经抽排水管道、注水管道到达水流发电机阀门，在水体深度压力下控制水流流量发电，密封沉箱的发电与储能过程如下：

1)压力差作用最大发电

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，同时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，当密封沉箱内部气体大于压缩气罐的气体压力时，密封沉箱内部气体经进排气管道、空压发电一体机发电压入压缩空气罐中。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。

2)保障水流发电机发电及压缩空气储备

随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内部气体压力和密度同步增加，当密封沉箱内外压力差减小，此时控制器检测到密封沉箱内外压力差减小，即将达到水流发电机发电最小保证压力极限点时，同时控制器读取压缩空气罐内的压力小于扬程阈值压力时，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快速压入到压缩空气罐内，控制密封沉箱内的压力满足最佳发电压力，达到最佳发电功率输出。此时压缩空气罐中气体压力，趋近于扬程阈值压力。发电功率为：水流发电机发电功率-空压机功率。

3)当控制器读取压缩空气罐内的压力大于扬程阈值压力时，控制三通进排气阀门将空压缩发电一体机与大气连通，控制空压发电一体机进入发电模式，密封沉箱内压缩的气体经空压发电一体机发电调控排放到大气中，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。发电功率为：水流发电机发电功率+空压发电一体机发电。

所诉述的扬程阈值压力是指：抽排水发电一体机扬程出口压力。

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，控制器分别打开进排气口阀门将进排气管道与环境大气连通、将三通进排气阀门置于压缩气体罐与空压发电一体机气体连通状态，控制空压发电一体机进入发电工作模式。此时由于进排气管道与大气环境连通，此时压缩气体罐中的压缩气体，在压缩气体压力作用下，压缩气体经空压发电一体机，在做功功率的作用下发电，在排到大气中。由于在水流发电机发电过程中，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时，且压缩空气罐气体压力大于扬程阈值压力时，控制器控制三通进排气阀门通过空压发电一体机、进排气管道，将密封沉箱内压缩气体与大气连通，并通过抽排水发电一体机经排水管道将封沉箱内水体全部排放到到功能性储水罐或水体中。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，且压缩空气罐气体压力大于扬程阈值压力时，控制器控制三通进排气阀门通过空压发电一体机、进排气管道，将压缩空气罐与密封沉箱内连通，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。

此时压缩空气罐内的压缩气体经空压缩发电一体机发电、进排气管道，作用密封沉箱水体上，水体经抽排水发电一体机发电，在压缩气体压力作用下将密封沉箱内部分的水体排放到功能性储水罐或水体中。其中，将水排放的水体过程需打开进排水阀门。

此时发电功率为：抽排水发电一体机功率+空压缩发电一体机功率。

3)压缩气体助力抽排水发电一体机排水

当压缩空气罐气体压力小于扬程阈值压力时，且大于环境大气压力，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，在压缩空气罐气体压力助力下将密封沉箱水抽到功能储水罐中。此时由于压缩空气罐气体压力，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

当压缩空气罐气体压力等于环境大气压力，且新能源输出余电电量大于零时，控制器控制三通进排气阀门，将密封沉箱内气体通道通过进排气管道、空压发电一体机，与环境大气连通，环境大气进入密封沉箱中，满足抽排水发电一体机排水的需求。利用余电最大限度的将密封沉箱中的水体排出。

3、水流发电机的效率与密封沉箱位于水体的深度有关，越深水的压力越大发电效率越高

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。

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。压缩气罐的体积V_t1压缩气体压力P_t1压缩＝P₀。

步骤1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，同时将密封沉箱中的气体压缩到压缩气罐中；具体如下：

步骤1.1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，控制水流发电机发电做功功率P_水；

步骤1.2、当密封沉箱内空气压力P_t内＝P_t压缩时，启动储气和气流发电过程，所述P_t压缩为压缩气罐中的气体压力；

步骤1.3、调控压缩空气保证水流发电机最佳发电；

步骤1.4、当P_t压缩＞P_δ进行排气调控保证最佳压力差ΔP_发电，所述P_δ为抽排水发电一体机扬程出口压力阈值；

步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭；

步骤2、释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中，具体包括：

步骤2.1、判断P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ，所述的P_余电为电网的余电电量，P_δ余电为余电电量阈值，满足条件时开始蓄水，直到达到最大容量；

步骤2.2、新能源发电余电低于阈值或趋近于零时，通过压缩气罐中的压缩气体压力排水蓄能；

步骤2.3、进一步利用压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；

步骤2.4、当电网中有余电时，利用余电提供给抽排水发电一体机进行抽排水，保证密封沉箱内蓄水储能的最大容量。

优点：

1)相比抽水蓄能电站无需考虑占地和地质要求问题；

2)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；

3)海上风电、漂浮式光伏的储能和电网支撑；

4)压缩气体对水流发电机发电过程控制；

5)避免新能源的波动引起余电电量波动，在新能源发电余电电量低或没有余电时压缩气体排水或助力排水蓄能；

6)本发明采用抽排水管道靠近水面下处安装有进排水阀，用于防止对水体底部生态扰动，在控制器的控制下进行进或排水，对水底生态无扰动；

7)通过改变密封沉箱和压缩气罐中进气介质，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

图1为锚定沉箱式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，本发明所述的锚定沉箱式气液储能与发电系统，包括功能性储水罐SW、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、压缩空气系统；功能性储水罐SW位于水体周边，满足功能用水配备的储水罐，如海水淡化、生活用水厂、大型冷却用水、抽水灌溉、排水蓄能发电。其中水体可以是海洋、湖泊、水库、河流等。

其中，水流发电阀门组包括水流发电机DY1和水流发电机阀门K1，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。

所述的密封沉箱ST考虑承压问题，内部采用蜂窝状结构支撑，外形近似外形类似椭圆体或长方体结构，在密封沉箱一侧面靠近底部嵌入安装一套水流发电阀门组，所述水流发电阀门组包括水流发电机DY1+阀门k1；密封沉箱锚定预定的水体深度。密封沉箱ST体上部两侧分别安装有抽排水管道WP和进排气管道GP。其中抽排水管道WP经密封沉箱ST体上部一侧贯穿安装，抽排水管道WP下端与抽排水发电一体机DY2一端连接，抽排水发电一体机DY2置于密封沉箱ST接近底部，抽排水发电一体机DY2另一端与密封沉箱ST体内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；抽排水管道WP靠近水面下处安装有进排水阀K2，用于防止对水体底部生态扰动，在控制器的控制下进行进或排水。

抽排水管道WP上端与功能性储水罐SW连通。抽排水发电一体机DY2在控制器CPU的控制下执行发电模式或压缩空气模式。抽排水管道WP下部靠近密封沉箱ST上部处连接有注水管道IP，注水管道IP另一端与水流发电阀门组K1连接，提供水流发电机发电的注水通道。压缩空气系统中进排气管道GP一端安装在密封沉箱ST体上部一侧，与密封沉箱ST体内部气体连通。其中，位于一侧球缺面上的水流发电阀门组，水流发电机阀门K1安装在密封沉箱的外侧，水流发电机DY1安装在密封沉箱内侧。水流发电机阀门K1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的流量，实现发电输出功率的控制。

所述的压缩空气系统包括压缩气罐AR、空压发电一体机DY3、进排气管道GP、三通进排气阀门K4、沉箱进排气阀门K3。其中，压缩气罐AR、空压发电一体机DY3置于位于水体地面。

三通进排气阀门K4分别与压缩气罐AR、空压发电一体机DY3和环境大气AIR连接，分别控制压缩气罐AR与空压发电一体机DY3连通，控制密封沉箱ST内气体与压缩气罐AR交互；控制空压发电一体机AR与环境大气连通，控制密封沉箱ST内气体与环境的交互。所述的空压发电一体机DY3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气体模式。

进排气管道GP的另一端与密封沉箱ST连接，建立大气AIR或压缩气罐AR的气流通道，在进排气管道GP的上端靠近空压发电一体机DY3陆地处安装有进排气阀门K3，可用于压缩气体对水流发电过程控制和应急电网快速支撑作用。所述的控制器CPU置于压缩气罐AR环境中，向下通过有线或无线对系统内的数据监测和控制；向上通过有线或无线发送系统数据信息、接收上级调度信息，包括新能源发电信息。

其中，空压发电一体机DY3和抽排水发电一体机DY4，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。空压发电机的发电功率相对水流发电机发电功率较小。、

如图2所示，为本发明的锚定沉箱式气液储能与发电控制方法流程图，具体操作步骤如下：

步骤1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，同时将密封沉箱中的气体压缩到压缩气罐中

供电时，控制器分别打开进排水阀门K2、密封沉箱水流发电机阀门K1，控制三通进排气阀门K4处于空压缩发电一体机DY3与压缩空气罐AR连通状态、抽排水发电一体机DY2处于关闭状态、空压缩发电一体机DY3进入发电模式，此时水流由进排水阀门K2注入，经抽排水管道WP、注水管道IP到达水流发电机阀门K1，在水体深度压力下控制水流流量DY1发电，此时密封沉箱ST的注水发电与压缩空气储能过程如下：

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，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、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，控制水流发电机发电做功功率P_水；

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，

基于做功公式：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 (1)

由此水流发电机发电做功功率P_水

依据做功功率公式：

P_水＝F·v_水 (2)

做功水的推力：

F＝ΔP·S_k (3)

流量公式：

Q_水＝v_水S_k (4)

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 (5)

由式(5)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。当密封沉箱内外部压力差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；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_发电为水流发电机的最小保证发电压力差。

步骤1.2、当密封沉箱内空气压力P_t内＝P_t压缩时，启动储气和气流发电过程，所述P_t压缩为压缩气罐中的气体压力；

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，由于密封沉箱内气体与压缩气体罐内连通，由此密封沉箱内气体压力等于压缩气体罐内的压力，即P_t内＝P_t压缩，而压缩气体罐内的体积不发生改变，即压缩气体罐内t1时刻的体积等于t2时刻的体积，V_t1压缩＝V_t2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。由此得到密封沉箱内气体在t1、t2时刻压力的变化表达式：

P_t1内·(V_t1内+V_t1压缩)＝P_t2内·(V_t2内+V_t1压缩) (6)

密封沉箱内气体压力在注入一定量水t2时刻时的压力：

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内和压缩气体罐内气体压力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时刻的压缩气体罐内气体压力；V_t2压缩为t₂时刻的压缩气体罐气体体积；

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，基于做功公式P＝ρgh，密封沉箱内部气体压力P_t内增加，当密封沉箱内部气体压力P_t内等于压缩气罐内气体压力P_t压缩，且小于扬程阈值压力P_δ，即P_t压缩＝P_t内＜P_δ时，密封沉箱内部气体经进排气管道、空压发电一体机发电压入压缩空气罐中。

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。

步骤1.3、调控压缩空气保证水流发电机最佳发电

随着密封沉箱注水量增加，密封沉箱内水的深度h_内水增加，依据表达式(7)密封沉箱内部气体压力P_t内和压缩气体罐气体压力P_t压缩增加，密封沉箱内外压力差ΔP减小，由公式(5)可知，水流流量Q_水一定时作用在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，此时控制器当读取压缩空气罐内的压力P_t压缩小于扬程阈值压力P_δ即P_t压缩＜P_δ时，控制三通进排气阀门将空压发电一体机与压缩气体罐连通，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，通过调控空压发电一体机压缩气体的速度，将密封沉箱内的气体压入到压缩气体罐内，压缩气体罐内的压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ即P_t压缩＞P_δ，提高密封沉箱内外压力差ΔP。由此通过调控空压发电一体机压缩空气，控制密封沉箱内的压力P_t内，实现最佳发电功率输出的同时获得一定量的压缩气体。

此时压缩气体罐内压入大量的密封沉箱内压缩气体，压缩气体罐中气体压力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。发电功率为：水流发电机发电功率-空压发电一体机压缩气体消耗功率。其中，所述的扬程阈值压力P_δ是指：抽排水发电一体机扬程出口压力。

步骤1.4、当P_t压缩＞P_δ进行排气调控保证最佳压力差ΔP_发电，所述P_δ为抽排水发电一体机扬程出口压力阈值；

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，密封沉箱内部气体经空压发电一体机压缩，压缩气体罐气体压力P_t压缩增加，当控制器读取压缩空气罐内的压力P_t压缩大于扬程阈值压力P_δ即P_t压缩＞P_δ时，控制三通进排气阀门K4将空压发电一体机与大气连通，控制空压发电一体机进入发电模式，密封沉箱内的气体经空压发电一体机发电排到大气中。由于空压发电一体机发电输出功率与气体的流量有关，当控制器控制调节空压发电一体机发电输出功率时，可控制提高密封沉箱内的压力差ΔP，由此实现水流发电机发电输出功率最佳压力差ΔP_发电控制，保证最佳发电功率输出。发电功率为：水流发电机发电功率+空压发电一体机发电。所诉述的扬程阈值压力P_δ是指：抽排水发电一体机扬程出口压力。

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，控制器分别控制水流发电机停止工作，水流阀门关闭。

进一步的，还可以包括步骤1.6、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，控制器分别打开进排气口阀门将进排气管道与环境大气连通、将三通进排气阀门置于压缩气体罐与空压发电一体机气体连通状态，控制空压发电一体机进入发电工作模式。此时由于进排气管道与大气环境连通，环境大气压力P₀远小于扬程阈值压力P_δ即P₀＜P_δ，由公式P_气＝P_压缩·Q_气可知，此时压缩气体罐中的压缩气体，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_气的作用下发电，在排到大气中。

上述式中，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；v_水为水流发电机阀门开度面积S_k的流速；v_水min为水流发电机最小流速；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_水为水流发电机发电做功功率；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压缩为压缩气体罐中某一时刻的气体压力；P₀为环境大气压力；P_t内为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；P_外水为密封沉箱外部的水体压力；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；P_δ为扬程阈值压力，即抽排水发电一体机扬程出口压力。

步骤2、释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中

步骤2.1、判断P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ，所述的P_余电为电网的余电电量，P_δ余电为余电电量阈值，满足条件时开始蓄水，直到达到最大容量；

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，控制器控制三通进排气阀门K4通过空压发电一体机、进排气管道GP，将密封沉箱内压缩气体与大气连通，启动抽排水发电一体机抽水，经排水管道将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。其中，将密封沉箱内水体全部排放到水体中需打开进排水阀门K2。

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，产生的余电可满足密封沉箱抽排水的最小余电电量P_余电。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、新能源发电余电低于阈值或趋近于零时，通过压缩气罐中的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，控制器控制三通进排气阀门K4通过进排气管道GP、空压发电一体机，将压缩空气罐与密封沉箱内连通，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。此时压缩气体罐内的压缩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的水体上，密封沉箱内水通过抽排水发电一体机发电、抽排水管道，在压缩气体压力作用下将密封沉箱内部分的水体排放到功能性储水罐或水体中。

此时发电功率为：抽排水发电一体机发电功率+抽气发电一体机发电功率。

步骤2.3、进一步利用压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；

当压缩气体罐内气体压力P_t压缩趋近于扬程阈值压力P_δ，即

且压缩气体罐内气体压力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，抽排水发电一体机由发电模式转换为抽排水模式，压缩气体罐内的压缩气体，通过空压发电一体机发电、进排气管道，进入密封沉箱内。

控制器启动抽排水发电一体机，在压缩空气罐气体压力助力下将密封沉箱中的水抽到功能性储水罐或水体中。此时由于压缩气体罐内的气体的助力作用下，减少抽排水发电一体机的用电需求。

步骤2.4、当电网中有余电时，利用余电提供给抽排水发电一体机进行抽排水，保证密封沉箱内蓄水储能的最大容量。

最大限度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罐内气体压力P_t压缩趋近于环境压力P₀，即

且新能源输出余电电量P_余电大于零时即P_余电＞0时，控制器控制三通进排气阀门K4，将密封沉箱内气体通道通过进排气管道GP、空压发电一体机与环境大气连通，环境大气进入密封沉箱中，控制器控制抽排水发电一体机工作，满足排水的需求。最大限度的利用余电将密封沉箱中的水体排出，得到蓄水储能的空间。

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 (8)

1.一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，包括：

功能性储水罐、控制器、抽排水发电一体机、密封沉箱、水流发电阀门组、压缩空气系统；

所述功能性储水罐位于水体周边，所述密封沉箱位于水体下方预定深度位置；

所述密封沉箱下侧一端安装有水流发电阀门组，包括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；

所述密封沉箱上部两侧分别安装有抽排水管道和进排气管道，其中抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，抽排水管道下端与抽排水发电一体机一端连接，置于密封沉箱内侧底部，抽排水发电一体机与密封沉箱内部连通，实现潜水抽排水和发电做业；

抽排水管道在水面位置下方处安装有进排水阀，在控制器的控制下进行进水或排水；

抽排水管道上端与功能性储水罐连通，抽排水发电一体机在控制器的控制下执行发电模式或压缩空气模式；

抽排水管道下部且在密封沉箱上部处连接有注水管道，注水管道另一端与水流发电阀门组连接，提供水流发电机发电的注水通道；

压缩空气系统通过进排气管道与密封沉箱内部气体连通，所述进排气管道一端安装在密封沉箱上部一侧；

所述控制器基于当前发电余量、功能性储水罐的储水量、压缩空气系统内的空气压力状况进行综合判断，确定系统的运行状态，基于该运行状态控制发电系统运行，具体控制过程包括：

打开密封沉箱水流发电阀门组，水体在密封沉箱内外压力差作用下，水流压力冲击水流发电机做功，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；

释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中。

2.根据权利要求1所述的一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，包括：密封沉箱内部采用蜂窝状结构支撑，外形为椭圆体或长方体结构，在密封沉箱一侧面嵌入安装一套所述的水流发电阀门组；密封沉箱锚定在预定的水体深度。

3.根据权利要求2所述的一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，位于一侧面的水流发电阀门组，水流发电机阀门在密封沉箱的外侧，水流发电机在密封沉箱内侧，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。

4.根据权利要求1所述的一种锚定沉箱式气液储能与发电系统，其特征在于，所述的压缩空气系统包括压缩气罐、空压发电一体机、进排气管道、三通进排气阀门、进排气阀门；其中，压缩气罐、空压发电一体机置于位于水体以上的地面，三通进排气阀门分别与压缩气罐、空压发电一体机和环境大气连接，分别控制压缩气罐与空压发电一体机连通，控制密封沉箱内气体与压缩气罐交互；控制空压发电一体机与环境大气连通，控制密封沉箱内气体与环境的交互；

所述的空压发电一体机一端与三通进排气阀门连接，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；所述进排气管道的一端与密封沉箱连接，建立大气或压缩气罐的气流通道，在进排气管道的另一端位于水面以上，安装有进排气阀门，用于压缩气体对水流发电过程控制和支撑应急电网发电。

5.一种利用权利要求1-4之一的系统进行气液储能与发电的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，同时将密封沉箱中的气体压缩到压缩气罐中；具体如下：

步骤1.1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，控制水流发电机发电做功功率P_水；

步骤1.2、当密封沉箱内空气压力P_t内＝P_t压缩时，启动储气和气流发电过程，所述P_t压缩为压缩气罐中的气体压力；

步骤1.3、调控压缩空气保证水流发电机最佳发电；

步骤1.4、当P_t压缩＞P_δ进行排气调控保证最佳压力差ΔP_发电，所述P_δ为抽排水发电一体机扬程出口压力阈值；

步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭；

步骤2、释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中，具体包括：

步骤2.1、判断P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ，所述的P_余电为电网的余电电量，P_δ余电为余电电量阈值，满足条件时开始蓄水，直到达到最大容量；

步骤2.2、新能源发电余电低于阈值或趋近于零时，通过压缩气罐中的压缩气体压力排水蓄能；

步骤2.3、进一步利用压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；

步骤2.4、当电网中有余电时，利用余电提供给抽排水发电一体机进行抽排水，保证密封沉箱内蓄水储能的最大容量。

6.根据权利要求5所述的气液储能与发电的控制方法，其特征在于，所述步骤1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，同时将密封沉箱中的气体压缩到压缩气罐中，具体包括如下步骤：

控制器分别打开进排水阀门、密封沉箱水流发电机阀门，控制三通进排气阀门处于空压缩发电一体机与压缩空气罐连通状态、抽排水发电一体机处于关闭状态、空压缩发电一体机进入发电模式，进排水阀门打开处于抽排水管道与外水体近水面连通状态，此时水流由进排水阀门注入，经抽排水管道、注水管道到达水流发电机阀门，在水体深度压力下控制水流流量发电，密封沉箱的注水发电与压缩空气储能过程步骤如下：

步骤1.1、打开密封沉箱水流发电阀门组，水流压力冲击水流发电机做功，控制水流发电机发电做功功率P_水，基于密封沉箱初始状态，通过密封沉箱内外压力P_外水＞P_t1内时，以及水流发电机阀门的开度s_k，调整输出水流发电机发电做功功率P_水；P_t1内为密封沉箱内初始压力；

步骤1.2、当密封沉箱内空气压力P_t内＝P_t压缩时，启动储气和气流发电过程，所述P_t压缩为压缩气罐中的气体压力：

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增加，密封沉箱气体体积减小，计算密封沉箱t2时的气体压力P_t2内；通过密封沉箱内部气体压力P_t内，气体通过空压发电一体机发电后压入压缩空气罐中；

步骤1.3、调控压缩空气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，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，且控制器读取压缩空气罐内的压力P_t压缩小于等于扬程阈值压力P_δ时，空压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缩到压缩空气罐内，压力P_t压缩＞P_δ，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，实现调节水流流量；

步骤1.4、当P_t压缩＞P_δ调控排气保证最佳压力差ΔP_发电：

当P_t压缩＞P_δ时，控制三通进排气阀，通过空压发电一体机发电输出功率调控，将密封沉箱内压缩的气体排到大气中，实现水流发电机发电输出功率最佳压力差ΔP_发电；

所诉述的扬程阈值压力P_δ是指：抽排水发电一体机扬程出口压力；

步骤1.5、控制水流发电机阀门关闭：

密封沉箱内水即将充满ΔP≤ΔP_发电时，且水流发电机阀门的开度S_k为最大时，控制器分别控制空压发电一体机、水流发电机停止工作，水流发电机阀门关闭。

7.根据权利要求5所述的气液储能与发电的控制方法，其特征在于，所述步骤2、释放压缩气罐中的气体通过进排气管道排出，推动空压发电一体机发电，同时利用压缩气罐排出的气体助力排空密封沉箱的水量蓄能，推动密封沉箱的水量从抽排水管道排到功能性储水罐或水体中，具体步骤包括：

步骤2.1、判断P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ，所述的P_余电为电网的余电电量，P_δ余电为余电电量阈值，满足条件时开始蓄水，直到达到最大容量；

排水蓄能时，控制器打开、关闭相关阀门；

当P_余电≥P_δ余电、P_t压缩＞P_δ时，压缩气体罐内气体通过空压发电一体机发电，将密封沉箱内水，排放到功能性储水罐或水体中；

步骤2.2、新能源发电余电低于阈值或趋近于零时，通过压缩气罐中的压缩气体压力排水蓄能；

0≤P_余电＜P_δ余电压缩气体压力排水蓄能当0≤P_余电＜P_δ余电、P_t压缩＞P_δ时，控制器打开、关闭相关阀门时，控制器打开、关闭相关阀门；压缩气体罐内的压缩气体与抽排水发电一体机发电，对密封沉箱内水体做功，将密封沉箱中的水排放到功能性储水罐或水体中；

步骤2.3、进一步利用压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能：

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、P_余电＞0时，启动抽排水发电一体机工作，同时压缩气体罐内的压缩气体助力排水；

步骤2.4、当电网中有余电时，利用余电提供给抽排水发电一体机进行抽排水，保证密封沉箱内蓄水储能的最大容量：

当

P_余电＞0时，控制器控制空压发电一体机与环境大气连通，抽排水发电一体机工作，余电将密封沉箱中的水体排出。

8.根据权利要求5所述的气液储能与发电的控制方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：

步骤1.6、当有应急情况需要发电时，采用压缩气体排气应急发电，具体包括：

控制器打开、关闭相关阀门，将进排气管道与环境大气连通、将三通进排气阀门置于压缩气体罐与空压发电一体机气体连通状态，压缩气体罐中的高压气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中；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；ΔP为密封沉箱内外的压力差；ΔP_发电为水流发电机的最小保证发电压力差；Q_水为水流流过水流发电机阀门开度面积S_k的流量；v_水为水流发电机阀门开度面积S_k的流速；v_水min为水流发电机最小流速；P_min为水流发电机发电的最小极限输出功率；ρ_水为水的密度；g为重力加速度；P_t压缩为压缩气体罐中某一时刻的气体压力；P_δ为扬程阈值压力，即抽排水发电一体机扬程出口压力。

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