CN219083439U - 地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，包括抽水蓄能单元和热泵供热（冷）单元，抽水蓄能单元通过水泵和水轮机的运作分别将水抽到地上水箱或从地上水箱释放至地下水库，从而实现电能的存储和释放。热泵供热（冷）单元通过制冷剂在蒸发/冷凝器、压缩机、冷凝/蒸发器和节流阀之间的循环流动，将抽水蓄能单元地上水箱水源中的低位热（冷）能转移至制冷剂中的高位热（冷）能再进行释放，满足用户供热（冷）需求。本实用新型占地面积小，选址灵活，且清洁无污染，可有效降低用户供暖（冷）费用，提高可再生能源利用率，实现节能减排，是可靠的清洁能源利用技术。

Description

地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统

技术领域

本实用新型涉及储能技术领域，具体为一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统。

背景技术

减少对石化能源资源的需求与消费，降低对石油的依赖，降低煤电的比重，大力发展新能源和可再生能源，是当前能源结构调整的主要方向。

但现有的可再生能源分布和用电负荷之间存在较强的时空不匹配性，诸如风能和太阳能等可再生能源通常具有间隙性和随机性等特点，直接并网比例较大时会对电网平衡运行造成较大的影响。这导致可再生能源的利用率较低，弃风和弃光等现象严重。大容量、高效率和低成本的电力储能技术是实现可再生能源大规模并网，实现能源领域绿色可持续发展的重要保障。

目前已有的电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能，电解水储能、超导磁能和超级电容等。其中抽水储能技术最为典型，抽水储能容量大，响应速度较快，因而应用较广泛。但是建设抽水储能电站需要特殊的地理条件，建设两个水库或水坝，建设周期长，初期投资巨大，并且只能建设在有水源的地方，能量循环效率一般（约70％）。

地表以下的岩土体以及地下水的温度，基本不受地表大气温度变化的影响，其昼夜和四季的温度变化很小，可以看作是一个硕大无比的“恒温箱”，非常适合冬季供暖时期的热源和夏季供冷时期的冷源。现有技术公开了多种不同形式利用废弃矿井的地下抽水储能系统，但都存在未充分利用地下低温热源（即地热资源）的问题。同时传统地源热泵投资成本高、施工难度大且维护不便。中国专利申请号202210108444.1于2022年5月17日公开了一种废弃煤矿的光伏-抽水蓄能-地热联合开发利用系统及建造方法，该方法通过抽水取热井连通换热设备，将地热水降温后输入地面塌陷区水库，以达到对地下水热能利用的目的。其不足之处在于，首先，地下水热能的释放只能在抽水储能工况既水泵运行的时候进行；其次，直接将宝贵的地下水资源抽到地面塌陷区露天存放，容易蒸发，不利于地下水资源保护；另外，该方法热能利用主要是给用户供热，不涉及用户制冷需求。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述问题而提供一种占地面积小，选址灵活，且清洁无污染，可有效降低用户供暖（冷）费用，提高可再生能源利用率，实现节能减排的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统。

本实用新型的技术解决方案是：

本实用新型的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，包括抽水蓄能单元和热泵供热（冷）单元，抽水蓄能单元包括地上水箱、地下水库、深井、抽水管、释水管、电动机、水泵、发电机、水轮机、隔水层、隔热层、逆变系统、电网，其中：地下水库位于深井底部，两者之间设有水平放置的隔水层，隔热层竖直放置于地下水库中；抽水管下端穿过隔水层伸入到地下水库底部，上端接地上水箱上部，抽水管上设有水泵，水泵与电动机连接；释水管下端穿过隔水层伸入到地下水库上部，上端接地上水箱下部，释水管上设有水轮机，水轮机与发电机连接；电动机和发电机通过电缆与逆变系统连接，逆变系统的变压器通过电缆与电网连接；热泵供热（冷）单元包括压缩机、冷凝/蒸发器、蒸发/冷凝器和四通阀，其中，蒸发/冷凝器置于地上水箱底部，一端接四通阀第一接口，另一端与冷凝/蒸发器第一侧和四通阀第三接口依次连接，压缩机进出口分别与四通阀第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器第二侧接冷/热用户。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的逆变系统包含机侧变流器、网侧变流器和变压器，电动机和发电机通过电缆与逆变系统的机侧变流器连接，逆变系统的变压器通过电缆与电网连接，逆变系统容量和等级等相关参数需和电动机和发电机相匹配。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的隔热层将地下水库划分为抽水区和释水区，抽水区和释水区均设有温度传感器，隔热层在中间一定高度的位置有通道实现互联，降低抽水区和释水区水源混合的速度，从而增大二者间的温差，提高热泵供热（冷）单元系统效率。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的地上水箱和地下水库内均设有温度传感器，实时监测水温。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的地上水箱1箱体设置保温层。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的深井可以是竖井，也可以是斜井。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的抽水管上设有抽水阀，释水管上设有释水阀。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述的冷凝/蒸发器与蒸发/冷凝器连接的管道上设有节流阀。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述抽水蓄能单元包括一台或多台水泵，当水泵为多台时，多台水泵协同工作。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述抽水蓄能单元包括一台或多台水轮机，当水轮机为多台时，多台水轮机协同工作。

上述的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其中：所述水泵和水轮机可整合为水泵水轮机，所述发电机和电动机可整合为发电电动机，这样所述抽水蓄能单元由四机式变为两机可逆式。

本实用新型与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本实用新型采用热泵供热（冷）单元以深井下部地下水库里的水作为热（冷）源，通过制冷剂的循环将低位热（冷）能转换为高位热（冷）能，用于用户供暖（冷），且清洁无污染，可有效降低用户供暖（冷）费用，减少相应化石能源消耗和碳排放；将传统地源热泵中的“地源”搬到了地面，降低了地源热泵投资成本、施工难度，且维护方便。本实用新型利用废弃矿井、溶洞等作为深井和地下水库，降低系统的建设成本，占地面积小，选址灵活，即适合在新能源集中的地区大规模推广，也适合在人口密集、用地紧张的城市区域分布式应用。本实用新型提高了可再生能源利用率，减少资源浪费，实现节能减排，是可靠的清洁能源利用技术。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为逆变系统示意图。

图3为供热工况时的使用状态图。

图4为供冷工况时的使用状态图，

图中标记：

1、地上水箱，2、地下水库，3、深井，4、抽水管，5、释水管，6、电动机，7、水泵，8、发电机，9、水轮机，10、隔水层，11、隔热层，12、逆变系统，13、电网，14、抽水阀，15、释水阀，16、压缩机，17、冷凝/蒸发器，18、节流阀，19、蒸发/冷凝器，20、四通阀，1201、机侧变流器，1202、网侧变流器，1203、变压器。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参见图1和图2，本实用新型的一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，包括抽水蓄能单元和热泵供热（冷）单元，抽水蓄能单元包括地上水箱1、地下水库2、深井3、抽水管4、释水管5、电动机6、水泵7、发电机8、水轮机9、隔水层10、隔热层11、逆变系统12、电网13，其中：地下水库2位于深井3底部，两者之间设有水平放置的隔水层10，隔热层11竖直放置于地下水库2中；抽水管4下端穿过隔水层10伸入到地下水库2底部，上端接地上水箱1上部，抽水管4上设有水泵7，水泵7与电动机6连接；释水管5下端穿过隔水层10伸入到地下水库2上部，上端接地上水箱1下部，释水管5上设有水轮机9，水轮机9与发电机8连接；电动机6和发电机8通过电缆与逆变系统12连接，逆变系统12的变压器1203通过电缆与电网13连接；热泵供热（冷）单元包括压缩机16、冷凝/蒸发器17、蒸发/冷凝器19和四通阀20，其中，蒸发/冷凝器19置于地上水箱1底部，一端接四通阀20第一接口，另一端与冷凝/蒸发器17第一侧和四通阀20第三接口依次连接，压缩机16进出口分别与四通阀20第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器17第二侧接冷/热用户。

所述的逆变系统12包含机侧变流器1201、网侧变流器1202和变压器1203，电动机6和发电机8通过电缆与逆变系统12的机侧变流器1201连接，逆变系统12的变压器1203通过电缆与电网13连接，逆变系统12容量和等级等相关参数需和电动机6和发电机8相匹配。

所述的隔热层11将地下水库2划分为抽水区和释水区，抽水区和释水区均设有温度传感器，隔热层11在中间一定高度的位置有通道实现互联，降低抽水区和释水区水源混合的速度，从而增大二者间的温差，提高热泵供热（冷）单元系统效率。

所述的地上水箱1和地下水库2内均设有温度传感器，实时监测水温。

所述的地上水箱1箱体设置保温层。

所述的深井3可以是竖井，也可以是斜井。

所述的抽水管4上设有抽水阀14，释水管5上设有释水阀15。

所述的冷凝/蒸发器17与蒸发/冷凝器19连接的管道上设有节流阀18。

所述抽水蓄能单元包括一台或多台水泵7，当水泵7为多台时，多台水泵协同工作。

所述抽水蓄能单元包括一台或多台水轮机9，当水轮机9为多台时，多台水轮机协同工作。

所述水泵7和水轮机9可整合为水泵水轮机，所述发电机8和电动机6可整合为发电电动机，这样所述抽水蓄能单元由四机式变为两机可逆式。

工作原理：当遇到用电低谷，需要储能时，打开抽水阀14，启动电动机6和水泵7，抽取地下水库2内部的水至地上水箱1，进行重力势能的存储。当地上水箱1的水位上升到第一设定值时，关闭抽水阀14，电动机6和水泵7，储能完成。

当遇到用电高峰，需要释能时，打开释水阀15，启动水轮机9和发电机8，从地上水箱1流向地下水库2的水驱动水轮机9带动发电机8发电，电能经逆变系统12输送至电网13。当地上水箱1内部的水位下降至第二设定高度时关闭释水阀15，水轮机9和发电机8，释能完成。

如图3所示，当需要供热时，热泵供热（冷）单元中的制冷剂流经蒸发/冷凝器19时蒸发吸收地上水箱1中水源的热量，然后经过四通阀20后到达压缩机16进行升温升压，之后再经过四通阀20到达冷凝/蒸发器17，冷凝放热，从而给用户进行供热，制冷剂冷凝液化后通过节流阀18降温降压，再回到蒸发/冷凝器19继续上述循环。

如图4所示，当需要供冷时，制冷剂循环方向相反，热泵供热（冷）单元中的制冷剂流经蒸发/冷凝器19时冷凝，将热量释放至地上水箱1的水源中，制冷剂冷凝液化后通过节流阀18降温降压，然后到达冷凝/蒸发器17蒸发吸热，从而给用户进行供冷，之后经过四通阀20后到达压缩机16进行升温升压，再经过四通阀20，再次回到蒸发/冷凝器19继续上述循环。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：包括抽水蓄能单元和热泵供热/冷单元，抽水蓄能单元包括地上水箱（1）、地下水库（2）、深井（3）、抽水管（4）、释水管（5）、电动机（6）、水泵（7）、发电机（8）、水轮机（9）、隔水层（10）、隔热层（11）、逆变系统（12）、电网（13），其中：地下水库（2）位于深井（3）底部，两者之间设有水平放置的隔水层（10），隔热层（11）竖直放置于地下水库（2）中；抽水管（4）下端穿过隔水层（10）伸入到地下水库（2）底部，上端接地上水箱（1）上部，抽水管（4）上设有水泵（7），水泵（7）与电动机（6）连接；释水管（5）下端穿过隔水层（10）伸入到地下水库（2）上部，上端接地上水箱（1）下部，释水管（5）上设有水轮机（9），水轮机（9）与发电机（8）连接；电动机（6）和发电机（8）通过电缆与逆变系统（12）连接，逆变系统（12）的变压器（1203）通过电缆与电网（13）连接；热泵供热/冷单元包括压缩机（16）、冷凝/蒸发器（17）、蒸发/冷凝器（19）和四通阀（20），其中，蒸发/冷凝器（19）置于地上水箱（1）底部，一端接四通阀（20）第一接口，另一端与冷凝/蒸发器（17）第一侧和四通阀（20）第三接口依次连接，压缩机（16）进出口分别与四通阀（20）第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器（17）第二侧接冷/热用户。

2.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的逆变系统（12）包含机侧变流器（1201）、网侧变流器（1202）和变压器（1203），电动机（6）和发电机（8）通过电缆与逆变系统（12）的机侧变流器（1201）连接，逆变系统（12）的变压器（1203）通过电缆与电网（13）连接，逆变系统（12）容量和等级等相关参数需和电动机（6）和发电机（8）相匹配。

3.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的隔热层（11）将地下水库（2）划分为抽水区和释水区，抽水区和释水区均设有温度传感器，隔热层（11）在中间一定高度的位置有通道实现互联，降低抽水区和释水区水源混合的速度，从而增大二者间的温差，提高热泵供热/冷单元系统效率。

4.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的地上水箱（1）和地下水库（2）内均设有温度传感器，实时监测水温。

5.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的地上水箱（1）箱体设置保温层。

6.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的深井（3）是竖井或斜井。

7.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的抽水管（4）上设有抽水阀（14），释水管（5）上设有释水阀（15）。

8.如权利要求1所述的地下抽水蓄能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：所述的冷凝/蒸发器（17）与蒸发/冷凝器（19）连接的管道上设有节流阀（18）。

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