CN117767581A - 水下井筒式重力储能系统及施工方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种水下井筒式重力储能系统及施工方法。该系统安装于水库内，包括井筒部、升降发电部和重物块，井筒部为立式筒体，上端开口，底部固定于水库底部，井筒部顶部高出或齐平于水库坝体顶部，井筒部侧壁设有进水口，井筒部侧壁或底部还设有出水口，出水口与水库向下游排水的管道连通，井筒部的中心设置有支撑立柱，支撑立柱的顶部高于或齐平于水库坝体顶部，重物块沿支撑立柱周向存放于井筒部底部或顶部，升降发电部，安装于支撑立柱顶部用于将井筒部底部的重物块提升至井筒部顶部，以及在将井筒部顶部的重物块下降至井筒部底部进行储存过程中，将重物块的重力势能转换为电能后传输给外部的电网。

Description

水下井筒式重力储能系统及施工方法

技术领域

本申请属于储能发电技术领域，特别是涉及一种水下井筒式重力储能系统及施工方法。

背景技术

目前，储能技术是新能源发展的关键技术之一，重力储能作为近年来新发展的一种补充形式，与抽水蓄能等均归属于机械储能。重力储能主要借助山体、地下竖井和人工构筑物等结构。其中地下竖井需要利用废弃钻井平台与矿坑，人工构筑物型式是在地面上建立重力储能塔，利用重物的重力进行储能和发电，考虑到自身结构特征，单个混凝土储能塔的规模可能不大且储能容量受限。以上三种方式，存在地址条件受限或者超高建筑不稳定的问题，且储能时能耗较大，度电成本高。

因此，需要提供一种针对上述现有技术中的不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的之一在于提供一种水下井筒式重力储能系统及施工方法，能够节约土地资源，且能够减少储能时的能耗。

为实现上述目的及其他相关目的提供一种水下井筒式重力储能系统，该系统安装于水库内，包括井筒部、升降发电部和重物块。

井筒部为立式筒体，上端开口，底部固定于水库底部，井筒部顶部高出或齐平于水库坝体顶部。井筒部侧壁设有进水口，井筒部侧壁或底部还设有出水口，出水口与水库向下游排水的管道连通。井筒部的中心设置有支撑立柱，支撑立柱的顶部高于或齐平于水库坝体顶部。

重物块沿支撑立柱周向存放于井筒部底部或顶部。

升降发电部，安装于支撑立柱顶部用于将井筒部底部的重物块提升至井筒部顶部，以及在将井筒部顶部的重物块下降至井筒部底部进行储存过程中，将重物块的重力势能转换为电能后传输给外部的电网。

在一示例中，井筒部还包括支撑横梁，支撑横梁的一端与井筒部内壁固定连接，另一端与支撑立柱固定连接。

在一示例中，支撑横梁为多个，其中至少一个支撑横梁与支撑立柱的顶部位于同一水平面上，用于架设交通桥。

在一示例中，井筒部顶部或靠近顶部的外壁面或靠近顶部的内壁面设有用于存放重物块的环状存放平台。

在一示例中，重物块为混凝土块或其他在水环境中具有抗腐蚀性能且可循环再利用的材料。

在一示例中，升降发电部包括重物拾取组件，重物拾取组件设有第一定位芯片，便于定位重物拾取组件位于水下部分的位置。

在一示例中，重物块内部埋设有第二定位芯片，便于重物块的拾取、转运及储存过程中的定位。

本申请还提供一种水下井筒式重力储能系统的施工方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据储能规模，结合水库正常水位和死水位的高度差，确定井筒部的内径及多个进水口的不同安装高度、升降发电部的起吊高度、重物块的尺寸和数量；

S2：基础处理，在水库库区具备干地施工的条件下场内基坑道路、基础固结灌浆施工；

S3：混凝土浇筑，包括井筒部的浇筑施工和重物块的预制；井筒部侧壁预留进水口、出水口的安装位置；

S4：金属结构制作和安装，包括升降发电部的制作和安装，进水口、出水口安装调试，出水口通向下游的管道敷设；

S5：输电和送电设备及相应电气设备的安装；

S6：系统调试，包括重物块的起吊和下落操作调试，输电和送电设备调试；

S7：水库蓄水及水下井筒式重力储能系统运行。

本申请至少具有如下有益效果：

本申请的水下井筒式重力储能系统，安装于水库内，对地址条件要求少，避免占用珍贵的土地资源。相比于废弃钻井平台与矿坑，本申请的水下井筒式重力储能系统不会受到原有钻井平台与矿坑的空间的限制，可以根据储能容量的规模，在水库中调整井筒部的半径或者高度，包括水面以上的高度，和埋设于水库底部下方的深度。

升降发电部及重物块也位于水库内，避免建立在陆地上的重力储能塔的高层建筑造成对周边环境的影响(如高空落物、航班起降)，以避免需要对建立在陆地上的重力储能塔的高层建筑支撑稳定和安全而增加额外的维护设备及费用。

本申请的水下井筒式重力储能系统，借助水体的浮力和外部电网提供电力的合力起吊水中的重物块，可以节约起吊能耗，减少度电成本。

本申请的水下井筒式重力储能系统，升降发电部安装于支撑立柱上，支撑立柱通过支撑横梁与井筒部内壁固定连接，提高井筒部和支撑立柱的稳定性，进而提升升降发电部的稳定性。升价发电部在提升和降落重物的过程中产生的振动和应力，也可通过支撑立柱传导和分散至井筒部壁面，从而增强了水下井筒式重力储能系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的水下井筒式重力储能系统的俯视图。

图2为根据本申请实施例示出的储存电能状态下的水下井筒式重力储能系统的剖面图。

图3为根据本申请实施例示出的释放电能状态下的水下井筒式重力储能系统的剖面图。

图示说明：

100井筒部；110进水口；120出水口；130支撑立柱；140支撑横梁；150交通桥；160环状存放平台；200升降发电部；300重物块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或营业，本申请中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，请参阅图1至图3，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本申请提供一种水下井筒式重力储能系统，该系统安装于水库内，包括井筒部100、升降发电部200、重物块300。

井筒部100为立式筒体，上端开口，井筒部100底部固定于水库底部，井筒部100顶部高出或与水库坝体顶部齐平。在一示例中，井筒部100底部可根据储能容量需要，埋设于水库底部的下方。井筒部100的容积与储能容量相适应，由于水库库区水体较大，因此可以避免背景技术的人工构筑物型式受地面条件限制导致储能容量受限影响。在一示例中，井筒部100的内径为50-100m，高度为50-100m，优选的，井筒部100内径和高度均为75m。井筒部100为混凝土制备。

井筒部100侧壁设有进水口110，用于将水库水体流入井筒部100。进水口110为多个。在一示例中，多个进水口110沿井筒部100侧壁的周向在同一水平面内或位于多个水平面内均匀分布，能够加快进水效率，提高井筒部100的整体稳定性。多个进水口110在竖直平面上设置的高度与水库不同时期水位(正常蓄水位、死水位、防洪限制水位等)相适应，使得进入井筒部100的水体高度与水库水位齐平。

井筒部100设有将井筒部100水体排出的出水口120。在一示例中，出水口120与水库向下游排水的管道连通，用于将井筒部100水体排空。出水口120为多个，分别与上述向水库坝体下游排水的管道连通，能够加快排水效率。出水口设于井筒部100的侧壁或底部。

井筒部100的中心设置有支撑立柱130，支撑立柱130的顶部高于或与水库坝体顶部齐平。当支撑立柱130的顶部与坝体顶部齐平，方便在支撑立柱130的顶部与水库坝体之间架设交通桥150。在一示例中，支撑立柱130为钢筋混凝土结构制成。

重物块300沿支撑立柱130周向存放于井筒部100底部或顶部。

升降发电部200，安装于支撑立柱130顶部，以方便提升和下落位于支撑立柱130周向的存储于井筒底部和井筒顶部的重物块300。升降发电部200用于将井筒部100底部的重物块300提升至井筒部100顶部，以及在将井筒部100顶部的重物块300下降至井筒部100底部进行储存过程中，将重物块300的重力势能转换为电能后传输给外部的电网。升降发电部200由外部的电网(图中未示出)供电，外部的电网的电能来自太阳能、风能、水力发电等。一示例中，升降发电部200包括重物拾取组件(图中未示出)，具体地，重物拾取组件为起重机，具体为六臂起重机。在一示例中，重物拾取组件设有第一定位芯片，便于北斗卫星进行定位重物拾取组件位于水下部分的位置。

本申请的水下井筒式重力储能系统，安装于水库内，对地址条件要求少，避免占用珍贵的土地资源。相比于废弃钻井平台与矿坑，本申请的水下井筒式重力储能系统不会受到原有钻井平台与矿坑的空间的限制，可以根据储能容量的规模，在水库中调整井筒部的半径或者高度，包括水面以上的高度，和埋设于水库底部下方的深度。

升降发电部及重物块也位于水库内，避免建立在陆地上的重力储能塔的高层建筑造成对周边环境的影响(如高空落物、航班起降)，以避免需要对建立在陆地上的重力储能塔的高层建筑支撑稳定和安全而增加额外的维护设备及费用。

本申请的水下井筒式重力储能系统，借助水体的浮力和外部电网提供电力的合力起吊水中的重物块，可以节约起吊能耗，减少度电成本。

在一示例中，井筒部100还包括支撑横梁140，支撑横梁140的一端与井筒部100内壁固定连接，另一端与支撑立柱130固定连接，支撑横梁140用于提高井筒部100的抗水压能力。支撑横梁140为多个。在一示例中，多个支撑横梁140沿支撑立柱130的周向在同一水平面内或位于多个水平面内均匀分布，以提高井筒部100和支撑立柱130在同一水平面内或不同水位下的稳定性。在一示例中，其中至少一个支撑横梁140与支撑立柱130的顶部在同一水平面上，用于上架设交通桥150，具体的，可以在支撑横梁140上架设交通桥150。在一示例中，在支撑横梁140下方斜向设置有固定支架(图中未示出)，以提高支撑横梁140的稳固。在一示例中，支撑横梁140为钢筋混凝土结构制成。

本申请的水下井筒式重力储能系统，升降发电部安装于支撑立柱上，支撑立柱通过支撑横梁与井筒部内壁固定连接，提高井筒部和支撑立柱的稳定性，进而提升升降发电部的稳定性。升价发电部在提升和降落重物的过程中产生的振动和应力，也可通过支撑立柱传导和分散至井筒部壁面，从而增强了水下井筒式重力储能系统的稳定性。

井筒部100还包括交通桥150，用于通过交通工具将重物块300运输到井筒部100内部。交通桥150的一端与水库坝体固定连接，另一端经靠近水库坝体的一端的井筒部100的外壁后与支撑立柱130固定连接。在一示例中，交通桥150部分安装建设于与支撑立柱130的顶部在同一水平面的支撑横梁140上。在一示例中，交通桥150为钢筋混凝土结构制成。

在一示例中，井筒部100顶部设有环状存放平台160。在另一示例中，井筒部100靠近顶部的外壁面设有环状存放平台160。在又一示例中，井筒部100靠近顶部的内壁面设有环状存放平台160。升降发电部200提升后的重物块300可存放于离重物块300距离最近的环状存放平台160的上表面上。在一示例中，环状存放平台160包括上下叠放的上层环状存放平台(图中未示出)和下层环状存放平台(图中未示出)，上层环状存放平台分隔为多个上层存放隔间，下层环状存放平台分隔为多个下层存放隔间，上层存放隔间和下层存放隔间用于存储和固定重物块300。在一示例中，上层存放隔间与下层存放隔间通过活动板连通。活动板可平行移动，便于升降发电部200提升后的重物块300经上层存放隔间放置于下层存放隔间内。在另一示例中，下层存放隔间内设有升降机，可将重物块300在上层存放隔间与下层存放隔间内之间移动，使得升降发电部200只需在上层存放隔间内提升或释放重物块300。

在一示例中，重物块300为混凝土块，采用混凝土块，成本低，能循环使用数十年，且随升降发电部200上升、下落及存放过程中损耗小。在一示例中，混凝土块为长方体，长度为1m，宽度为1m，高度为12m。在一示例中，混凝土块为15至45吨重，优选为30吨重。重物块300也可以为在水环境中具有抗腐蚀性能且可循环再利用的材料，以减少重物块300对水库水体环境的影响。在一示例中，重物块300内部埋设有第二定位芯片，便于通过北斗卫星对重物块300拾取、转运及储存过程中的定位。本申请主要难点：(1)砼重物块和吊钩需要在水下环境中循环反复耦合，需要借助北斗卫星完成高精度定位。(2)起吊设备、逆变器等相关硬件设备需要响应快、调节灵敏。

储存电能过程，打开进水口110关闭出水口120，将井筒部100内部充满水，关闭进水口110待井筒部100内部的水体为静水状态下，通过升降发电部200将重物块300从井筒部100底部提升至井筒部100顶部，将电能转换为重力块的重力势能。在一示例中，井筒部100内部的水位与水库的水位保持一致，平衡井筒部100的外壁与内壁之间水体的压力差，提高井筒部100在水下的稳定性。

释放电能时，打开出水口120关闭进水口110，将井筒部100内的水排出，升降发电部200将重物块300从井筒部100顶部下降至井筒部100底部过程中，升降发电部200将重力块的重力势能转换为电能。重物块300在下落前，将井筒部100里面的水体排出，便于重物块300在下落时不受水体的阻力，进而提高重力势能转换为电能的效率。

本申请的水下井筒式重力储能系统，安装于水库内，节约土地资源。储能时，起吊水中的重物块300，借助水体的浮力可以节约起吊能耗，减少度电成本。相比地面上建立的重力储能塔由于自身高度带来的存储电能和释放电能过程中需要增加设计和成本提高自身的稳定性，本申请的支撑立柱130在储能状态下埋没于水中，支撑立柱130受到周围水体的挤压提供的额外支撑，减少储能过程中的升降发电部200的震动，从而提高水下井筒式重力储能系统的运行的可靠性。

本申请主要优点：(1)项目核准流程简单：与水库建设相结合，无移民、征地、环保问题。(2)安全环保：利用物理原理，属于机械储能，不涉及化学反应，没有有害物质排放，对自然环境影响小。(3)寿命长：发电循环寿命长、成本低。重物以混凝土或当地材料为主材，或者利用其他再生材料，能循环使用数十年，运行过程中重物损耗小。(4)成本较低：在水库内构建砼井筒，同时蓄能重物也可以采用再生资源，因此建造成本较低。(5)时间长且无自放电问题：重物势能储存期间不会有损失，具备长时间储能的便利条件和先天优势。

本申请还提供一种水下井筒式重力储能系统的施工方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据储能规模，结合水库正常水位和死水位的高度差，确定井筒部100的内径及多个进水口110的不同安装高度、升降发电部200的起吊高度、重物块300的尺寸和数量。

S2：基础处理。在水库库区具备干地施工的条件下(水库蓄水前、放空或死水位时围堰挡水)场内基坑道路、基础固结灌浆施工。

S3：混凝土浇筑。包括井筒部100的浇筑施工和重物块的预制。井筒部100的浇筑施工包括交通桥150、支撑横梁140、支撑立柱130等结构的浇筑施工，井筒部100侧壁预留进水口110、出水口120的安装位置。混凝土重物块300的预制。在井筒部100的施工建设同时，水库上游的水可经井筒部100的出水口120与水库向下游排水的管道连通，保证水库下游生态流量的稳定。

S4：金属结构制作和安装。包括升降发电部200的制作和安装，进水口110、出水口120安装调试，出水口120通向下游的管道敷设。

S5：输电和送电设备及相应电气设备的安装。

S6：系统调试，包括混凝土重物块300的起吊和下落操作调试，输电和送电设备调试。

S7：水库蓄水及水下井筒式重力储能系统运行。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述系统安装于水库内，包括井筒部、升降发电部和重物块，

所述井筒部为立式筒体，上端开口，底部固定于水库底部，所述井筒部顶部高出或齐平于水库坝体顶部，所述井筒部侧壁设有进水口，所述井筒部侧壁或底部还设有出水口，出水口与水库向下游排水的管道连通，所述井筒部的中心设置有支撑立柱，支撑立柱的顶部高于或齐平于水库坝体顶部，

所述重物块沿支撑立柱周向存放于所述井筒部底部或顶部，

所述升降发电部，安装于支撑立柱顶部用于将所述井筒部底部的所述重物块提升至所述井筒部顶部，以及在将所述井筒部顶部的所述重物块下降至所述井筒部底部进行储存过程中，将所述重物块的重力势能转换为电能后传输给外部的电网。

2.根据权利要求1中所述的水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述井筒部还包括支撑横梁，所述支撑横梁的一端与所述井筒部内壁固定连接，另一端与支撑立柱固定连接。

3.根据权利要求2中所述的水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述支撑横梁为多个，其中至少一个所述支撑横梁与支撑立柱的顶部位于同一水平面上，用于架设交通桥。

4.根据权利要求1中所述的水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述井筒部顶部或靠近顶部的外壁面或靠近顶部的内壁面设有用于存放所述重物块的环状存放平台。

5.根据权利要求1中所述的水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述重物块为混凝土块或其他在水环境中具有抗腐蚀性能且可循环再利用的材料。

6.根据权利要求1中所述的水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述升降发电部包括重物拾取组件，重物拾取组件设有第一定位芯片，便于定位重物拾取组件位于水下部分的位置。

7.根据权利要求1中所述的水下井筒式重力储能系统，其特征在于，所述重物块内部埋设有第二定位芯片，便于所述重物块的拾取、转运及储存过程中的定位。

8.一种水下井筒式重力储能系统的施工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1：根据储能规模，结合水库正常水位和死水位的高度差，确定所述井筒部的内径及多个进水口的不同安装高度、所述升降发电部的起吊高度、所述重物块的尺寸和数量；

S2：基础处理，在水库库区具备干地施工的条件下场内基坑道路、基础固结灌浆施工；

S3：混凝土浇筑，包括所述井筒部的浇筑施工和所述重物块的预制；所述井筒部侧壁预留进水口、出水口的安装位置；

S4：金属结构制作和安装，包括所述升降发电部的制作和安装，进水口、出水口安装调试，出水口通向下游的管道敷设；

S5：输电和送电设备及相应电气设备的安装；

S6：系统调试，包括所述重物块的起吊和下落操作调试，输电和送电设备调试；

S7：水库蓄水及水下井筒式重力储能系统运行。