CN116025504A - 一种水体旋转、排水储能与发电的系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水体旋转、排水储能与发电的系统及控制方法，利用水头发电时的进水和储能时排空沉箱内水体过程，通过导流管道使沉箱内的水体旋转产生动能储能，由于水的粘滞力降低水体的角速度和动能，由此通过气体将圆台形沉箱内底、壁与水体隔开，克服水的粘滞力提高水体的动能，同时采用空化射流气泡技术克服水体的生物寄生，提高沉箱的稳定性和沉箱储能输出功率密度，解决提高每个单体水下沉箱排水储能功率密度问题。水体旋转动能与水轮机发电一起快速支撑电网，提高沉箱储能功率密度。

Description

一种水体旋转、排水储能与发电的系统及控制方法

技术领域

本发明属于储能领域，具体涉及一种水体旋转、排水储能与发电的系统及控制方法。

背景技术

随着新能源的快速发展，储能的重要性凸显，如众所周知光伏、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弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。然而现有储能各有特点，如抽水蓄能、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。一种类似“抽水蓄能”的方法“水下沉箱排水储能”，通过新能源发电无法外送产生的余电将水下沉箱内的水排出，需要供电时利用水深压力驱动沉箱上的水轮发电机发电。是“抽水蓄能”的逆过程。有利于水上风电、漂浮式光伏、海洋潮汐发电等，在海洋、湖泊等储能，通过储能调度保证新能源输出的稳定性。

由于考虑水下沉箱排水储能的浮力、安装和成本问题，单体容量不易于过大，由此提高每个单体水下沉箱排水储能功率密度，是非常重要的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种水体旋转、排水储能与发电的系统及控制方法，利用水头发电时的进水和储能时排空沉箱内水体的过程，通过导流管道使沉箱内的水体旋转，同时克服水体的生物寄生、水体旋转水的圆台形沉箱底和箱壁的粘滞力，提高沉箱的稳定性和沉箱储能输出功率密度。

由于水下沉箱排水储能内外水体相互隔开，当在发电时的进水、储能时排空沉箱内水体。当选择圆台形沉箱结构和特定的导流管道进排水方式，使圆台形沉箱内的水体发生转动。

由此圆台形沉箱内在沿沉箱管壁方向布置水轮机发电出水管，圆台形沉箱内的水体在水轮机发电出水动能的作用下，使水体沿沉箱箱壁旋转。同样在排蓄能时，在圆台形沉箱内在沿沉箱管壁方向布置水泵抽水导向进水管，将圆台形沉箱内的水体排出，在排出水体的过程中圆台形沉箱内水体在水流的作用下发生旋转的趋势，如持续非定期进、排水维持水体旋转，如再圆台形沉箱内底部加入水平方向与水体旋转同轴一定质量的叶轮，同风机一样水体旋转带动发电。

由于水的粘滞力降低水体的转动角速度ω，由转动动能公式为

由此粘滞力大大的降低水体转动动能E_水，由此克服水的粘滞力水体才可能同风机发电和飞轮储能，通过水体旋转带动叶轮发电，在瞬间新能源发不足时，快速支撑电网，由此有效的获取此动能则使沉箱储能功率密度增加。

另外，水生物对沉箱内壁影响很大，增加水体旋转的摩擦阻力，由此水生物定期清理也是非常重要一个环节，由此采用国际上最新的水下清洗海生物的技术“空化射流技术”，该技术可有效地清洗不同类型的舰船、海上石油平台、码头、水下管道等设施的海生物。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种水体旋转、排水储能与发电的系统，包括圆台形沉箱储能单元、发电单元、生物清理单元、水体旋转减阻单元；

所述圆台形沉箱储能单元位于一定规模和深度的水体中；发电单元位于圆台形沉箱的顶盖和靠近底部；生物清理单元位于圆台形沉箱内并与圆台形沉箱同轴漂浮在水体上；水体旋转减阻单元位于圆台形沉箱内外。

进一步地，所述的圆台形沉箱储能单元包括：圆台形沉箱、水泵/水轮一体机；其中，圆台形沉箱内部为上小下大的圆台形结构，沿内壁水平方向由下到上分布若干条倒阶梯式气室带，每条倒阶梯式气室带通过气室隔板隔开，易于气泡沿圆台形沉箱内壁附着，并存储在每条倒阶梯式气室带内；当每条倒阶梯式气室带充满气体时，气体将旋转所述水体与圆台形沉箱内壁隔开，降低水体与圆台形沉箱内壁粘滞阻力；水泵/水轮一体机位于圆台形沉箱的外面底部，水泵/水轮一体机与进排水管道连接，进排水管道另一端位于圆台形沉箱外部水体的上部，防止储能发电进排水时对底层水体的扰动。水泵/水轮一体机的另一端，分别与贯穿圆台形沉箱底部的抽排水导流管道和水轮机出水导流管道连接；其中，抽排水导流管道沿圆台形沉箱内壁铺设，在有新能源发电无法外送产生剩余电力时，通过水泵/水轮一体机之水泵将圆台形沉箱内水和水生物排出，提供水轮机发电空间，同时在抽排水导流管道进水水流的作用下，水体发生旋转。圆台形沉箱顶盖安装有与大气连通通道，圆台形沉箱内气体通过大气连通管道、大气排气阀与大气连通。

进一步地，所述的发电单元包括：水轮机和叶轮发电机组。其中，水轮机为水泵/水轮一体机置于圆台形沉箱的外面底部，水轮机出水导流管道一端与水轮机出口连接，另一端穿过圆台形沉箱靠近底部壁，并沿圆台形沉箱内部铺设，控制水流沿圆台形沉箱内壁流动，在水轮机发电的同时使圆台形沉箱内水体旋转，驱动叶轮平台旋转，带动叶轮发电机组发电。

进一步地，所述叶轮发电机组包含：电动/发电机、主轴、叶轮平台；所述主轴与圆台形沉箱同轴，并贯穿通过圆台形沉箱的顶盖，上端安装电动/发电机，下端通过轴承与圆台形沉箱内底部连接，在圆台形沉箱内贯穿通过漂浮式空化射流气泡枪，以及贯穿通过叶轮平台中心并在靠近主轴底部与之固定连接；所述叶轮平台包括：叶轮托盘、叶轮组，其中，叶轮托盘内为叶轮托盘气室，主轴上端安装贯穿叶轮托盘中心并在靠近主轴底部的位置进行连接，叶轮组均匀垂直分布安装在叶轮托盘和主轴之间并连接；其中，叶轮组在水流驱动下叶轮平台旋转；通过叶轮托盘下部叶轮托盘气室中的气体，将叶轮平台与下面水体分开，降低水体与叶轮平台底部水的粘滞力，以及通过控制叶轮托盘边缘的气体溢出，提供圆台形沉箱内壁倒阶梯式气室带气体，由于圆台形沉箱为上小下大圆台结构，有益于叶轮托盘边缘溢出气体沿圆台形沉箱内壁上升，充满浸没在水体中的倒阶梯式气室带，将水体与圆台形沉箱内壁隔离，降低水体与圆台形沉箱内壁的粘滞力。

进一步地，所述的生物清理单元包括漂浮式空化射流气泡枪，其漂浮在水体表面，主轴贯穿漂浮式空化射流气泡枪中心，随水体上下浮动和旋转，漂浮式空化射流气泡枪将空化射流气泡，对圆台形沉箱内壁水生物进行扫描清理，清理下来的水生物在旋转水体离心力和重力的作用下落入到叶轮平台边缘，当经过抽排水导流管道口时，在水流的作用下通过水泵排出。

进一步地，所述的水体旋转减阻单元包括：空压机、气囊、压缩气体排气管道；空压机置于圆台形沉箱外顶部，空压机进气管贯穿通过圆台形沉箱顶盖与圆台形沉箱内气体连通；空压机通过压缩气体排气管道与气囊连通；气囊内压缩气体通过压缩气体控气阀，经管道由压缩气体出气口排放到叶轮托盘下部叶轮托盘气室中，在压缩气体控气阀的控制下，分别提供叶轮托盘下部叶轮托盘气室气体和叶轮托盘气室溢出的气体，为圆台形沉箱内壁若干条倒阶梯式气室带提供附着气体。由于叶轮托盘底部叶轮托盘气室气体和若干条倒阶梯式气室带浸没在水体中，都被水体封住，所以克服水体与圆台形沉箱内部的粘滞力用气量相对较小；空压机将圆台形沉箱内压缩后的气体进一步压缩到气囊中，大大提高空压机的效率。

本发明还提供一种水体旋转、排水储能与发电的系统的控制方法，包括如下步骤：

初始状态：圆台形沉箱、气囊置于一定水体深度，圆台形沉箱处于空置状态，气囊内有一定量的气体，关闭圆台形沉箱大气排气阀；

步骤1，发电状态时：

步骤1.1水体旋转结合排水储能与发电的系统进入发电状态，水轮机在水头压力作用下开始发电，水流进入圆台形沉箱，并沿着圆台形沉箱壁旋转流动，同时给电动机驱动的叶轮平台一定的功率，控制叶轮平台与水流同步旋转，达到基本速度后，电动机退出工作，同时减少水跃现象。当水位达到叶轮平台，即水位淹没叶轮托盘气室时，启动气囊并在压缩气体控气阀的控制下，通过压缩气体排气管道，向叶轮平台下部叶轮托盘气室充满气体，将叶轮平台与圆台形沉底部水体隔开，减少水的粘滞力加速水体的旋转。

步骤1.2随着水轮机发电量的增加圆台形沉箱内水位达到一定高度高时，气囊在压缩气体控气阀的控制下，同步通过压缩气体排气管道向叶轮托盘气室充气，并使气体经叶轮托盘气室溢出，沿着圆台形沉箱内壁附着逐步上升，充满同水位高度的圆台形沉箱内壁的倒阶梯式气室带中，此时气体通过水体被封闭在圆台形沉箱内壁的倒阶梯式气室带中，将水体与圆台形沉箱的底部和内壁隔开，减少水的粘滞力加速水体和叶轮平台的旋转；

步骤1.3随着水轮机发电量的增加使圆台形沉箱内的水位达到一定高度时，由于圆台形沉箱大气排气阀关闭，圆台形沉箱内水体上部的气体压力增加，与水头的压差趋近于水轮机发电需求发电功率压力时，启动空压机将圆台形沉箱内水体上部的气体压缩到气囊中，释放圆台形沉箱内的压力。

步骤1.4当气囊内气体达到极限时，关闭空压机，打开大气排气阀提供更大水轮机的发电空间，水流发电持续驱动水体旋转产生动能。同时气囊在压缩气体控气阀的控制下，提供同水位高度的圆台形沉箱内壁倒阶梯式气室带气体，保证水体与圆台形沉箱的底部和内壁隔开；

步骤2、新能源发电无法外送产生的余电储能时：

步骤2.1当有余电时，启动水泵经过抽排水导流管道将圆台形沉箱内水排出，此时水体在水泵抽水流的动能作用下继续驱动水体和叶轮平台旋转；同时漂浮式空化射流气泡枪随着水体旋转，对圆台形沉箱内壁的生物定期清洗；当清洗下来的生物在离心力的作用下，经抽排水导流管道进水口时，将污物排出；

步骤2.2随着圆台形沉箱内水体的排出，水位下降，当水位达到应高度时，同高以上圆台形沉箱内壁的倒阶梯式气室带的气体被释放；当水位达到叶轮平台时，停止水泵工作，保证叶轮托盘气室的气体被水体封住，减少叶轮平台与圆台形沉箱底部水体的粘滞阻力；

步骤2.3如有余电时启动电动机加速叶轮平台速度，当没有余电时叶轮平台利用重量惯性维持旋转；

步骤2.4当需要对电网快速支撑时，启动发电机发电，叶轮平台惯性动能驱动发电机发电；

步骤2.5当叶轮平台转速降到一定时，启动水轮机发电进入发电状态，水轮机在水头压力作用下开始发电，水流进入圆台形沉箱，并驱动水体和叶轮平台持续旋转。

有益效果：

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)海上漂浮式风电、光伏就地储能和电网快速支撑；

5)水体动能+叶轮平台+水轮机发电提高沉箱储能功率密度；

6)沉箱内水体旋转动能同陀螺仪，提高沉箱的稳定性；

7)叶轮平台发电同飞轮发电响应更快，可对电网快速稳定支撑。

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为本发明的一种水体旋转、排水储能与发电的系统结构图；

图2为仰视叶轮平台与气囊结构关系图；

图3为漂浮式空化射流气泡枪结构；

图4为圆台形沉箱结剖面图。

其中，圆台形沉箱1，电动/发电机2，主轴3，空压机4，压缩气体排气管道5，空压机进气管6，空化射流气泡7，漂浮式空化射流气泡枪8，气泡枪口9，中心孔10，水泵/水轮一体机11，进排水管道12，顶盖13，叶轮组14，抽排水导流管道15，大气连通管道16，叶轮平台17，叶轮托盘18，倒阶梯式气室带19，气室隔板20，水轮机出水导流管道21，轴承22，压缩气体排气管道23，压缩气体出气口24，压缩气体控气阀25，气囊26，叶轮托盘气室27，外面底部28，水体29，大气排气阀30。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、2、3、4所示，本发明的一种水体旋转、排水储能与发电的系统主要包括:圆台形沉箱储能单元、发电单元、生物清理单元、水体旋转减阻单元。

其中，圆台形沉箱储能单元位于一定规模和深度的水体中；发电单元位于圆台形沉箱1的顶盖13和靠近外面底部28；生物清理单元位于圆台形沉箱1内并与圆台形沉箱1同轴漂浮在水体29上；水体旋转减阻单元位于圆台形沉箱1内外。

所述的圆台形沉箱储能单元主要包括：圆台形沉箱1、水泵/水轮一体机11。如图4所示，其中，圆台形沉箱1内部为上小下大的圆台形结构，沿内壁水平方向由下到上分布若干条倒阶梯式气室带19，每条倒阶梯式气室带19通过气室隔板20隔开，易于气泡沿圆台形沉箱1内壁附着，并存储在每条倒阶梯式气室带19内。当每条倒阶梯式气室带19充满气体时，气体将旋转所述水体29与圆台形沉箱1内壁隔开，降低水体29与圆台形沉箱1内壁粘滞阻力。水泵/水轮一体机11位于圆台形沉箱1的外面底部28，水泵/水轮一体机11与进排水管道12连接，进排水管道12另一端位于圆台形沉箱1外部水体的上部，防止储能发电进排水时对底层水体的扰动。水泵/水轮一体机11的另一端，分别与贯穿圆台形沉箱1外面底部28的抽排水导流管道15和水轮机出水导流管道21连接。其中，抽排水导流管道15沿圆台形沉箱1内壁铺设，在新能源发电无法外送产生余电时通过水泵/水轮一体机11之水泵将圆台形沉箱1内水和水生物排出，提供水泵/水轮一体机11之水轮机发电空间，同时在抽排水导流管道15进水水流的作用下，水体29发生旋转。圆台形沉箱1顶盖安装有与大气连通通道，圆台形沉箱1内气体通过大气连通管道16、大气排气阀30与大气连通。

所述的发电单元主要包括：水轮机和叶轮发电机组。其中，水轮机为水泵/水轮一体机11置于圆台形沉箱的外面底部28，水轮机出水导流管道21一端与水轮机出口连接，另一端穿过圆台形沉箱1靠近外面底部28壁，并沿圆台形沉箱1内部铺设，控制水流沿圆台形沉箱内壁1流动，在水轮机发电的同时使圆台形沉箱1内水体29旋转，驱动叶轮平台旋转，带动叶轮发电机组发电。

所述叶轮发电机组包含：电动/发电机2、主轴3、叶轮平台17。所述主轴3与圆台形沉箱1同轴，并贯穿通过圆台形沉箱1的顶盖13，上端安装电动/发电机2，下端通过轴承22与圆台形沉箱1内外面底部28连接，在圆台形沉箱1内贯穿通过漂浮式空化射流气泡枪8，以及贯穿通过叶轮平台17中心并在靠近主轴3底部与之固定连接。所述叶轮平台17包括：叶轮托盘18、叶轮组14，其中，叶轮托盘18如同倒扣的立边托盘，在倒扣的立边托盘内为叶轮托盘气室27，主轴3上端安装贯穿叶轮托盘18中心并在靠近主轴3底部的位置进行连接，叶轮组14均匀垂直分布安装在叶轮托盘18和主轴3之间并连接。其中，叶轮组14在水流驱动下叶轮平台17旋转；由于水的密度是空气密度的800倍，由此通过叶轮托盘18下部叶轮托盘气室27中的气体，将叶轮平台17与下面水体29分开，降低水体29与叶轮平台17底部水的粘滞力，以及通过控制叶轮托盘18边缘的气体溢出，提供圆台形沉箱1内壁倒阶梯式气室带19气体，由于圆台形沉箱1为上小下大圆台结构，有益于叶轮托盘18边缘溢出气体沿圆台形沉箱1内壁上升，充满浸没在水体29中的倒阶梯式气室带19，将水体29与圆台形沉箱1内壁隔离，降低水体29与圆台形沉箱1内壁的粘滞力。

所述的生物清理单元主要包括：漂浮式空化射流气泡枪8。其中，漂浮式空化射流气泡枪8漂浮在水体29表面，主轴3贯穿漂浮式空化射流气泡枪8中心孔10，可随水体29上下浮动和旋转，漂浮式空化射流气泡枪8经气泡枪口9产生空化射流气泡7，并对圆台形沉箱1内壁水生物进行扫描清理，清理下来的水生物在旋转水体离心力和重力的作用下落入到叶轮平台17边缘，当经过抽排水导流管道15口时，在水流的作用下通过水泵排出。

所述的水体旋转减阻单元主要包括：空压机4、气囊26、压缩气体排气管道23。空压机4置于圆台形沉箱1外顶部，空压机进气管6贯穿通过圆台形沉箱的顶盖13与圆台形沉箱1内气体连通；空压机4通过压缩气体排气管道5与气囊26连通；气囊26内压缩气体通过压缩气体控气阀25，经压缩气体排气管道23由压缩气体出气口24排放到叶轮托盘18下部叶轮托盘气室27中，在压缩气体控气阀25的控制下，分别提供叶轮托盘18下部叶轮托盘气室27气体和叶轮托盘气室27溢出的气体，为圆台形沉箱1内壁若干条倒阶梯式气室带19提供附着气体。由于叶轮托盘18底部叶轮托盘气室气体和若干条倒阶梯式气室带19浸没在水体中，都被水体封住，所以克服水体与圆台形沉箱1内部的粘滞力用气量相对较小。

其中，空压机4将圆台形沉箱1内压缩后的气体进一步压缩到气囊26中，大大提高空压机4的效率。

本发明的基本原理为：

由于圆台形沉箱内外水体相互隔开，当在发电时的进水、储能时排空圆台形沉箱内水体，都可通过导流管道使沉箱内的水体发生转动。如圆台形沉箱内在沿沉箱管壁布置水轮机发电出水管，圆台形沉箱内的水体在水轮机发电出水动能的作用下，使水体沿沉箱箱壁旋转。同样在排蓄能时，水泵通过圆台形沉箱中心处具有导向性的进水管，将圆台形沉箱内的水体排出，在排出水体的过程中圆台形沉箱内水体在水流的作用下发生旋转的趋势，当定期进、排水维持水体旋转，再圆台形沉箱内底部加入水平方向与水体旋转同轴一定质量的叶轮，水体同风机一样水体旋转带动发电。

由于水的粘滞力降低水体的转动角速度ω，基于转动动能公式

水体转动动能E_水降低，由此通过立边托盘和圆台形沉箱内壁倒阶梯式气室带内充盈的气体，将水体与圆台形沉箱内壁和底分开，克服水的粘滞力，水体可以同飞轮储能，通过水体旋转带动叶轮发电，在瞬间新能源发不足时，快速支撑电网，由此有效的获取此动能则使沉箱储能功率密度增加。其中，J_水为水体转动惯量；ω为水体角速度；E_水为转动动能。

其中，当水轮机满功率发电完成，余下的圆台形沉箱空间维持水流水轮机降功率输出，并驱动水体旋转动力。此时如叶轮平台转速大于基础转速时，如需瞬间功率支撑，发动机快速响应，通过水体动能驱动叶轮平台带动电动机发电支撑电网，同飞轮储能的原理。发电时首先确定叶轮平台转速，当叶轮平台转速低时启动电动机驱动叶轮平台提速，达到基本速度，同时减少水跃现象。依海岸建设圆台形沉箱，可减少圆台形沉箱浮力。

本发明的一种水体旋转、排水储能与发电的系统的控制方法包括：

初始状态：圆台形沉箱、气囊26置于一定水体深度，圆台形沉箱处于空置状态，气囊26内有一定量的气体，关闭圆台形沉箱大气排气阀。

步骤1，发电状态时：

步骤1.1水体旋转结合排水储能与发电的系统进入发电状态，水轮机在水头压力作用下开始发电，水流进入圆台形沉箱1，并沿着圆台形沉箱壁旋转流动，同时给电动机驱动的叶轮平台17一定的功率，控制叶轮平台17与水流同步旋转，达到基本速度后，电动机退出工作，同时减少水跃现象。当水位达到叶轮平台17，即水位淹没叶轮托盘气室27时，启动气囊26并在压缩气体控气阀的控制下，通过压缩气体排气管道，向叶轮平台17下部叶轮托盘气室27充满气体，将叶轮平台17与圆台形沉箱1外面底部28水体隔开，减少水的粘滞力加速水体的旋转。

步骤1.2随着水轮机发电量的增加圆台形沉箱内水位达到一定高度高时，气囊在压缩气体控气阀的控制下，同步通过压缩气体排气管道向叶轮托盘气室27充气，并使气体经叶轮托盘气室27溢出，沿着圆台形沉箱1内壁附着逐步上升，充满同水位高度的圆台形沉箱1内壁的倒阶梯式气室带19中，此时气体通过水体被封闭在圆台形沉箱1内壁的倒阶梯式气室带19中，将水体29与圆台形沉箱1的外面底部28和内壁隔开，减少水的粘滞力加速水体和叶轮平台的旋转，基于转动动能原理，转动动能与水体转动惯量和转动角速度的平方成正比，即

由此大大的提高水体的动能。

步骤1.3随着水轮机发电量的增加使圆台形沉箱1内的水位达到一定高度时，由于圆台形沉箱1大气排气阀30关闭，圆台形沉箱1内水体29上部的气体压力增加，与水头的压差趋近于水轮机发电需求发电功率压力时，启动空压机4将圆台形沉箱1内水体29上部的气体压缩到气囊26中，释放圆台形沉箱1内的压力。

步骤1.4当气囊26内气体达到极限时，关闭空压机4，打开大气排气阀提供更大水轮机的发电空间，水流发电持续驱动水体29旋转产生动能。同时气囊26在压缩气体控气阀25的控制下，提供同水位高度的圆台形沉箱1内壁倒阶梯式气室带19气体，保证水体29与圆台形沉箱1的外面底部28和内壁隔开。

步骤2、余电储能：

步骤2.1当有余电时，启动水泵经过抽排水导流管道15将圆台形沉箱1内水排出，此时水体在水泵抽水流的动能作用下继续驱动水体29和叶轮平台17旋转。同时漂浮式空化射流气泡枪8随着水体29旋转，对圆台形沉箱1内壁的生物定期清洗。当清洗下来的生物在离心力的作用下，经抽排水导流管道15进水口时，将污物排出。

步骤2.2随着圆台形沉箱1内水体29的排出，水位下降，当水位达到应高度时，同高以上圆台形沉箱1内壁的倒阶梯式气室带19的气体被释放。当水位达到叶轮平台17时，停止水泵工作，保证叶轮托盘气室27的气体被水体封住，减少叶轮平台17与圆台形沉箱1外面底部28水体的粘滞阻力。

步骤2.3如有余电时启动电动机加速叶轮平台17速度，基于动能公式

转动角速度越大提升动能越大。此时处于飞轮储能状态。当没有余电时叶轮平台17利用水体转动惯量维持旋转。

步骤2.4当需要对电网快速支撑时，启动发电机发电，叶轮平台惯性动能驱动发电机发电。

步骤2.5当叶轮平台17转速降到一定时，启动水轮机发电进入发电状态，水轮机在水头压力作用下开始发电，水流进入圆台形沉箱1，并驱动水体29和叶轮平台17持续旋转。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水体旋转、排水储能与发电的系统，其特征在于：包括圆台形沉箱储能单元、发电单元、生物清理单元、水体旋转减阻单元；

所述圆台形沉箱储能单元位于一定规模和深度的水体中；发电单元位于圆台形沉箱的顶盖和靠近底部；生物清理单元位于圆台形沉箱内并与圆台形沉箱同轴漂浮在水体上；水体旋转减阻单元位于圆台形沉箱内外。

2.根据权利要求1所述的一种水体旋转、排水储能与发电的系统，其特征在于：所述的圆台形沉箱储能单元包括：圆台形沉箱、水泵/水轮一体机；其中，圆台形沉箱内部为上小下大的圆台形结构，沿内壁水平方向由下到上分布若干条倒阶梯式气室带，每条倒阶梯式气室带通过气室隔板隔开，易于气泡沿圆台形沉箱内壁附着，并存储在每条倒阶梯式气室带内；当每条倒阶梯式气室带充满气体时，气体将旋转所述水体与圆台形沉箱内壁隔开，降低水体与圆台形沉箱内壁粘滞阻力；水泵/水轮一体机位于圆台形沉箱的外面底部，水泵/水轮一体机与进排水管道连接，进排水管道另一端位于圆台形沉箱外部水体的上部，防止储能发电进排水时对底层水体的扰动；水泵/水轮一体机的另一端，分别与贯穿圆台形沉箱底部的抽排水导流管道和水轮机出水导流管道连接；其中，抽排水导流管道沿圆台形沉箱内壁铺设，在有新能源发电无法外送产生剩余电力时，通过水泵/水轮一体机之水泵将圆台形沉箱内水和水生物排出，提供水轮机发电空间，同时在抽排水导流管道进水水流的作用下，水体发生旋转；圆台形沉箱顶盖安装有与大气连通通道，圆台形沉箱内气体通过大气连通管道、大气排气阀与大气连通。

3.根据权利要求1所述的一种水体旋转、排水储能与发电的系统，其特征在于：所述的发电单元包括：水轮机和叶轮发电机组，其中，水轮机为水泵/水轮一体机置于圆台形沉箱的外面底部，水轮机出水导流管道一端与水轮机出口连接，另一端穿过圆台形沉箱靠近底部壁，并沿圆台形沉箱内部铺设，控制水流沿圆台形沉箱内壁流动，在水轮机发电的同时使圆台形沉箱内水体旋转，驱动叶轮平台旋转，带动叶轮发电机组发电。

4.根据权利要求1所述的一种水体旋转、排水储能与发电的系统，其特征在于：所述叶轮发电机组包含：电动/发电机、主轴、叶轮平台；所述主轴与圆台形沉箱同轴，并贯穿通过圆台形沉箱的顶盖，上端安装电动/发电机，下端通过轴承与圆台形沉箱内底部连接，在圆台形沉箱内贯穿通过漂浮式空化射流气泡枪，以及贯穿通过叶轮平台中心并在靠近主轴底部与之固定连接；所述叶轮平台包括：叶轮托盘、叶轮组，其中，叶轮托盘内为叶轮托盘气室，主轴上端安装贯穿叶轮托盘中心并在靠近主轴底部的位置进行连接，叶轮组均匀垂直分布安装在叶轮托盘和主轴之间并连接；其中，叶轮组在水流驱动下叶轮平台旋转；通过叶轮托盘下部叶轮托盘气室中的气体，将叶轮平台与下面水体分开，降低水体与叶轮平台底部水的粘滞力，以及通过控制叶轮托盘边缘的气体溢出，提供圆台形沉箱内壁倒阶梯式气室带气体，由于圆台形沉箱为上小下大圆台结构，有益于叶轮托盘边缘溢出气体沿圆台形沉箱内壁上升，充满浸没在水体中的倒阶梯式气室带，将水体与圆台形沉箱内壁隔离，降低水体与圆台形沉箱内壁的粘滞力。

5.根据权利要求1所述的一种水体旋转、排水储能与发电的系统，其特征在于：所述的生物清理单元包括漂浮式空化射流气泡枪，其漂浮在水体表面，主轴贯穿漂浮式空化射流气泡枪中心，随水体上下浮动和旋转，漂浮式空化射流气泡枪将空化射流气泡，对圆台形沉箱内壁水生物进行扫描清理，清理下来的水生物在旋转水体离心力和重力的作用下落入到叶轮平台边缘，当经过抽排水导流管道口时，在水流的作用下通过水泵排出。

6.根据权利要求1所述的一种水体旋转、排水储能与发电的系统，其特征在于：所述的水体旋转减阻单元包括：空压机、气囊、压缩气体排气管道；空压机置于圆台形沉箱外顶部，空压机进气管贯穿通过圆台形沉箱顶盖与圆台形沉箱内气体连通；空压机通过压缩气体排气管道与气囊连通；气囊内压缩气体通过压缩气体控气阀，经管道由压缩气体出气口排放到叶轮托盘下部叶轮托盘气室中，在压缩气体控气阀的控制下，分别提供叶轮托盘下部叶轮托盘气室气体和叶轮托盘气室溢出的气体，为圆台形沉箱内壁若干条倒阶梯式气室带提供附着气体，由于叶轮托盘底部叶轮托盘气室气体和若干条倒阶梯式气室带浸没在水体中，都被水体封住，所以克服水体与圆台形沉箱内部的粘滞力用气量相对较小；空压机将圆台形沉箱内压缩后的气体进一步压缩到气囊中，大大提高空压机的效率。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种水体旋转、排水储能与发电的系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

初始状态：圆台形沉箱、气囊置于一定水体深度，圆台形沉箱处于空置状态，气囊内有一定量的气体，关闭圆台形沉箱大气排气阀；

步骤1，发电状态时：

步骤1.1水体旋转结合排水储能与发电的系统进入发电状态，水轮机在水头压力作用下开始发电，水流进入圆台形沉箱，并沿着圆台形沉箱壁旋转流动，同时给电动机驱动的叶轮平台一定的功率，控制叶轮平台与水流同步旋转，达到基本速度后，电动机退出工作，同时减少水跃现象，当水位达到叶轮平台，即水位淹没叶轮托盘气室时，启动气囊并在压缩气体控气阀的控制下，通过压缩气体排气管道，向叶轮平台下部叶轮托盘气室充满气体，将叶轮平台与圆台形沉底部水体隔开，减少水的粘滞力加速水体的旋转；

步骤1.2随着水轮机发电量的增加圆台形沉箱内水位达到一定高度高时，气囊在压缩气体控气阀的控制下，同步通过压缩气体排气管道向叶轮托盘气室充气，并使气体经叶轮托盘气室溢出，沿着圆台形沉箱内壁附着逐步上升，充满同水位高度的圆台形沉箱内壁的倒阶梯式气室带中，此时气体通过水体被封闭在圆台形沉箱内壁的倒阶梯式气室带中，将水体与圆台形沉箱的底部和内壁隔开，减少水的粘滞力加速水体和叶轮平台的旋转；

步骤1.3随着水轮机发电量的增加使圆台形沉箱内的水位达到一定高度时，由于圆台形沉箱大气排气阀关闭，圆台形沉箱内水体上部的气体压力增加，与水头的压差趋近于水轮机发电需求发电功率压力时，启动空压机4将圆台形沉箱内水体上部的气体压缩到气囊中，释放圆台形沉箱内的压力；

步骤1.4当气囊内气体达到极限时，关闭空压机，打开大气排气阀提供更大水轮机的发电空间，水流发电持续驱动水体旋转产生动能，同时气囊在压缩气体控气阀的控制下，提供同水位高度的圆台形沉箱内壁倒阶梯式气室带气体，保证水体与圆台形沉箱的底部和内壁隔开；

步骤2、新能源发电无法外送产生余电储能时：

步骤2.1当有余电时，启动水泵经过抽排水导流管道将圆台形沉箱内水排出，此时水体在水泵抽水流的动能作用下继续驱动水体和叶轮平台旋转；同时漂浮式空化射流气泡枪随着水体旋转，对圆台形沉箱内壁的生物定期清洗；当清洗下来的生物在离心力的作用下，经抽排水导流管道进水口时，将污物排出；

步骤2.2随着圆台形沉箱内水体的排出，水位下降，当水位达到应高度时，同高以上圆台形沉箱内壁的倒阶梯式气室带的气体被释放；当水位达到叶轮平台时，停止水泵工作，保证叶轮托盘气室的气体被水体封住，减少叶轮平台与圆台形沉箱底部水体的粘滞阻力；

步骤2.3如有余电时启动电动机加速叶轮平台速度，当没有余电时叶轮平台利用重量惯性维持旋转；

步骤2.4当需要对电网快速支撑时，启动发电机发电，叶轮平台惯性动能驱动发电机发电；

步骤2.5当叶轮平台转速降到一定时，启动水轮机发电进入发电状态，水轮机在水头压力作用下开始发电，水流进入圆台形沉箱，并驱动水体和叶轮平台持续旋转。

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