TWI840179B - 抽蓄式水力儲電井 - Google Patents

Abstract

本創作係抽蓄式水力儲電井，包含一氣體儲存罐、一液體儲存罐、一膨脹機、一發電機及一壓縮機。氣體儲存罐內部填充有工作氣體。液體儲存罐內部填充有工作液體。液體儲存罐的頂端連通於氣體儲存罐的頂端。膨脹機具有一輸出軸、一液體入口及一液體出口。液體入口連通於液體儲存罐。發電機連接於該膨脹機的輸出軸。壓縮機連通於該液體儲存罐的底端。利用工作液體與工作氣體的搭配並藉由抽蓄式水力來進行儲存電能。

Description

抽蓄式水力儲電井

本創作係涉及一種裝設於一井體結構內的電力儲能系統，尤指一種利用流體的壓力變化進行儲電與發電功能的抽蓄式水力儲電井。

由於發電量固定，但用電量卻有尖峰與離峰之分，在尖峰時刻發電量常常不足以應對所需的用電量，而在離峰時刻過剩的發電能力卻不能有效地運用。因此，若能夠將離峰時刻過剩的發電量儲存起來待尖峰時刻使用，便能夠解決上述問題。

現有技術中係透過電力儲能系統達到上述目的，而較具代表性物理型式的電力儲能系統有抽蓄水力與高壓空氣儲能。

抽蓄水力儲能，係利用上蓄水庫與下蓄水庫之水位的高低所蘊含的「位能差」來進行儲能，即水的位能轉換。因此其所需的地形條件十分嚴苛，不僅需要大幅的土地也需要足夠的高低差，故取得建置用地困難。並且，抽蓄水庫的地域多處偏遠有破壞生態環保的疑慮。

高壓空氣儲能，係透過壓縮機機將空氣增壓進行儲能，具體是以壓縮機在高流量下加壓空氣，空氣處於絕熱壓縮過程，空氣也同時產生溫度陡升，導致必須額外散熱設備，不僅增加成本也同時使得佔地空間廣大。

有鑑於前述之現有技術的缺點及不足，本創作提供一種抽蓄式水力儲電井，其利用工作液體與工作氣體的搭配並藉由流體的壓力差來進行儲能，藉此解決現有技術中的電力儲能系統的問題。

為達到上述的創作目的，本創作所採用的技術手段為設計一種抽蓄式水力儲電井，其中包含： 一井體，其用以設於一地面之下；該井體具有相互獨立的一裝置空間及一室壓儲液槽； 一氣體儲存罐，其設於該井體的該裝置空間中，且內部填充有工作氣體； 一液體儲存罐，其設於該井體的該裝置空間中，且內部填充有工作液體；該液體儲存罐的頂端連通於該氣體儲存罐的頂端；該液體儲存罐內定義有一高液面位置及一低液面位置作為限制，該高液面位置高於該低液面位置；該高液面位置低於該液體儲存罐的頂端，該低液面位置高於該液體儲存罐的底端，該工作液體的液面位於該高液面位置及該低液面位置之間變化； 一膨脹機，其設於該井體的該裝置空間中，且具有一輸出軸、一液體入口及一液體出口；該液體入口連通於該液體儲存罐，且與該液體儲存罐的連通口低於該低液面位置；該液體出口位於該井體的該室壓儲液槽內； 一發電機，其設於該井體的該裝置空間中，且連接於該膨脹機的該輸出軸； 一壓縮機，其設於該井體的該室壓儲液槽內，且連通於該液體儲存罐； 至少一釋壓管，其一端開口位於該井體的該室壓儲液槽內，且另一端開口位於該地面之上； 其中： 該工作氣體及該工作液體處於高壓狀態時，當出口閥開啟，該工作氣體能推擠該工作液體，使該工作液體由該液體入口流入該膨脹機以驅動該膨脹機的該輸出軸，藉此該輸出軸驅動該發電機進行發電；該工作液體能由該膨脹機的該液體出口流出該膨脹機，並流入該井體的該室壓儲液槽內形成與大氣壓力相同的該工作液體； 該壓縮機能將該室壓儲液槽內的該工作液體補送入該液體儲存罐內，該工作液體液面上升並壓縮該工作氣體，同時回復為高壓狀態。

本創作運作時具有下列兩種模式：

第一，發電模式：發電初始時，工作氣體及工作液體同處於高壓狀態。當出口閥開啟，工作液體經由出口閥與膨脹機的液體入口進入膨脹機，隨後工作液體推動膨脹機的內輪驅動膨脹機的輸出軸轉動，藉此透過輸出軸驅動發電機以進行發電。而功耗的工作液體則由膨脹機的液體出口排出，並且流入井體的室壓儲液槽，此時室壓儲液槽內的空氣由釋壓管排放到地面上的大氣中。過程中，工作液體在液體儲存罐內的液面由高液面位置移動至低液面位置後停止，故工作氣體僅填充於兩儲存罐中而不會流出儲存罐，且工作氣體因充斥的體積變大使壓力降低。

第二，儲電模式：儲電初始時，壓縮機利用來自發電廠的電力將室壓儲液槽內的的工作液體補送入液體儲存罐內，此時原本處大氣壓狀態的工作液體流入液體儲存罐內。隨著液面上升，工作氣體被推擠回氣體儲存罐中。回補過程中，工作氣體的體積被壓縮，故壓力升高，而依據連通管原理，液體儲存罐與氣體儲存罐中的壓力相同，因此原本為大氣壓狀態的工作液體逐漸回復成高壓狀態的工作液體並儲存於液體儲存罐中，整體則回到發電前的狀態。過程中，工作液體在液體儲存罐內的液面由低液面位置移動至高液面位置，因此工作液體不會溢入氣體儲存罐中。

本創作的優點在於：

依據連通管原理，液體儲存罐與氣體儲存罐內的壓力相同。在儲能模式的過程中，工作液體被回補液體儲存罐中，隨著液體儲存罐內的工作液體的液面上升，工作氣體的空間被壓縮使壓力提升，依連通管原理，工作液體的壓力與工作氣體的壓力一併同步提升，藉此達到增壓工作液體以儲存能量的目的。換言之，本創作係透過工作氣體的「壓力差」進行儲能，並以工作液體作為循環的工作介質，相較於現有技術中的抽蓄水力利用的「位能差」進行儲能來說，本創作不需要龐大的土地也不需要足夠的高低差，有利於土地規劃。

此外，工作液體的物理性質屬於不可壓縮流體(Incompressible Fluid)，故在增壓過程中工作液體溫升效果輕微。並且，壓縮機將工作液體送入液體儲存罐並逐步壓縮工作氣體的過程，對於工作氣體來說是緩慢的等溫壓縮，相較於現有技術直接以壓縮機壓縮空氣的絕熱壓縮而言，可以降低工作氣體被壓縮時的升溫。並且，由於工作液體的比熱高於工作氣體，故工作液體還能夠進一步吸收掉工作氣體的升溫，如此一來最終能夠達到解決壓縮機空氣產生增溫的缺點，進而能夠省去散熱設備，降低成本並解決佔地面積問題。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該至少一釋壓管的數量為複數，且該等釋壓管垂直貫穿該井體的該裝置空間；該抽蓄式水力儲電井包含一電梯車間，該等釋壓管也可作為軌道，使電梯車間能滑動上下。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該井體的直徑為12至15公尺。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該井體的深度為36至45公尺。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該抽蓄式水力儲電井包含一出口閥，其設於該液體儲存罐與該膨脹機的該液體入口之間。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該抽蓄式水力儲電井包含一入口閥，其設於該液體儲存罐的底端與該壓縮機之間。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該壓縮機為一正排量壓縮機。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該膨脹機的內部可有一斜衝式水輪機，數個噴嘴。或為正排量膨脹機。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該液體儲存罐及該氣體儲存罐的材質包含不鏽鋼，或與高張力預力混凝土之複合材料。

進一步而言，所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該液體儲存罐及該氣體儲存罐的材質包含克維拉，或與高張力預力混凝土之複合材料。

以下配合圖式及本創作之較佳實施例，進一步闡述本創作為達成預定創作目的所採取的技術手段。

請參考圖1，本創作之抽蓄式水力儲電井包含一井體10、一氣體儲存罐21、一液體儲存罐22、一出口閥221、一入口閥222、一膨脹機30、一發電機40、一壓縮機50、至少一釋壓管60及一電梯車間70。

井體10用以設於一地面之下。井體10具有相互獨立的一裝置空間11及一室壓儲液槽12。具體來說，在本實施例中，井體10系以垂直掘井工法建造，且井體10的直徑為12至15公尺，而深度為36至45公尺。垂直掘井(Vertical Shaft Sinking Machining, VSM)又稱盾井機工法，利用此種工法所完成的結構建物佔用地面面積小且具有較佳的掩體結構，有利於防治災害與抑制噪音。

氣體儲存罐21設於井體10的裝置空間11中，且內部填充有工作氣體。液體儲存罐22設於井體10的裝置空間11中，且內部填充有工作液體。液體儲存罐22的頂端連通於氣體儲存罐21的頂端。液體儲存罐22內定義有一高液面位置H及一低液面位置L。高液面位置H高於低液面位置L。高液面位置H低於液體儲存罐22的頂端，低液面位置L高於液體儲存罐22的底端，工作液體的液面位於高液面位置H及低液面位置L之間。

具體來說，在本實施例中，氣體儲存罐21與液體儲存罐22皆為圓管形，並且氣體儲存罐21以星狀排列的方式沿著井體10的內環壁環繞排列豎立，而液體儲存罐22以星狀排列的方式環繞於氣體儲存罐21的內側。氣體儲存罐21內的工作氣體，在系統的充放周期運轉中是屬於封閉系統，一旦系統安裝完備後，工作氣體充填完成即不必再需要額外耗電增壓工作氣體的儲備。氣體儲存罐21與工作氣體的作用僅在於提供高壓源，賦予工作流體具備高壓的狀態。液體儲存罐22內的工作液體，在系統的充放周期運轉中屬於開放迴路的工作介質。在離峰電力周期時，由壓縮機50將底池的室壓儲液槽12內的工作液體送回液體儲存罐22中。

氣體儲存罐21與液體儲存罐22的材料可選用合金鋼質或非合金鋼質製造，若以合金鋼質製造，可用不銹鋼作為耐久材的選擇，或與高張力預力混凝土之複合材料。若以非合金鋼質製造，可選用高張力耐衝擊的纖維織布，如克維拉(Kevlar)，或與高張力預力混凝土之複合材料。但氣體儲存罐21與液體儲存罐22的材質不以上述為限。

出口閥221設於液體儲存罐22與膨脹機30的液體入口32之間。入口閥222設於液體儲存罐22的底端與壓縮機50之間。

膨脹機30設於井體10的裝置空間11中，且具有一輸出軸31、一液體入口32及一液體出口33。液體入口32連通於液體儲存罐22，且與液體儲存罐22的連通口低於低液面位置L。液體出口33位於井體10的室壓儲液槽12內。在本實施例中，膨脹機30可具有噴嘴且內部設有一水輪機，水輪機可以是膨脹機30佩爾頓式水輪機(PeltonTurbine)、法蘭西斯式水輪機(Francis turbine)、卡布蘭式水輪機(Kaplan turbine)或斜衝式水輪機(Turgo turbine)，且在設備容量的集積化考量下，以佩爾頓式改良版之斜衝式水輪機較佳。膨脹機30亦可為 具有正排量膨脹機，以螺桿式膨脹機較佳。

發電機40設於井體10的裝置空間11中，且連接於膨脹機30的輸出軸31。具體來說，在本實施例中發電機40可為永磁式發電機40或感應式發電，且發電機40所產出的電將送至井體10頂端的機電/倂網控制室13，由此送出的電力與發電廠倂網。機電/倂網控制室13可以與發電廠中央管控系統相聯，並可額外配置瞬時備用電力80，達到更具備智能管理的調配。

壓縮機50設於井體10的室壓儲液槽12內，且連通於液體儲存罐22的底端。在本實施例中，壓縮機50為正排量壓縮機，如活塞式壓縮機，螺桿式壓縮機，但不以此為限。

釋壓管60一端開口位於井體10的室壓儲液槽12內，且另一端開口位於地面之上。具體來說，在本實施例中釋壓管60的數量為複數，且該等釋壓管60垂直貫穿井體10的裝置空間11。電梯車間70能移動地設於該等釋壓管60上。換言之，在本實施例中釋壓管60同時作為維修用途的電梯軌，以提供電梯車間70提供維修檢測人員的升降方便與安全性，其電梯機電設備71亦設置於井體10頂端之天井14內。

請參考圖1、圖2及圖3，本創作運作時具有下列兩種模式：

第一，發電模式：請參考圖2及圖2A，發電初始時，工作氣體及工作液體處於高壓狀態，工作氣體由氣體儲存罐21的頂端流入液體儲存罐22的頂端並且推擠工作液體，使工作液體由膨脹機30的液體入口32進入膨脹機30，隨後工作液體作動膨脹機30驅動膨脹機30的輸出軸31轉動，藉此透過輸出軸31驅動發電機40以進行發電。而功耗後的工作液體則由膨脹機30的液體出口33排出，並且流入井體10的室壓儲液槽12，此時室壓儲液槽12內的空氣由釋壓管60排放到地面上的大氣中，而工作液體則由高壓狀態轉換為大氣壓狀態。過程中，工作液體在液體儲存罐22內的液面由高液面位置H移動至低液面位置L，因此工作氣體僅留存於液體儲存罐22中而不會流入膨脹機30，且工作氣體的體積膨脹而壓力降低。

第二，儲能模式：請參考圖3及圖3A，儲能初始時，壓縮機50利用來自發電廠的電力將室壓儲液槽12內的室壓狀態的工作液體送入液體儲存罐22內，此時原本的室壓狀態的工作液體推擠壓縮機發電時流入液體儲存罐22內的工作氣體，並將其推回氣體儲存罐21中。過程中工作氣體的體積被壓縮故壓力升高，而依據連通管原理，液體儲存罐22與氣體儲存罐21中的壓力相同，因此原本的室壓狀態的工作液體回復成高壓狀態的工作液體並儲存於液體儲存罐22中，整體則回復至發電前的狀態。過程中，工作液體在液體儲存罐22內的液面由低液面位置L移動至高液面位置H，因此工作液體不會流入氣體儲存罐21中。

依據連通管原理，液體儲存罐22與氣體儲存罐21內的壓力相同。在儲能模式的過程中，工作液體被送入液體儲存罐22中，隨著液體儲存罐22內的工作液體的液面上升，工作空氣的體積被壓縮而壓力提升，依連通管原理，工作液體的壓力與工作空氣的壓力一併同步提升，藉此達到增壓工作液體以儲存能量的目的。換言之，本創作係透過工作氣體的「壓力差」進行儲能，並以工作液體作為循環的工作介質，不需要龐大的土地也不需要足夠的高低差，有利於土地規劃。

此外，工作液體的物理性質屬於不可壓縮機流體(Incompressible Fluid)，故在增壓過程中流體溫升效果輕微。並且，壓縮機50將工作液體送入液體儲存罐22並逐步壓縮機工作氣體的過程，對於工作氣體來說是緩慢的等溫壓縮機，可以降低工作氣體被壓縮機時的升溫。並且，由於工作液體的比熱高於工作氣體，故工作液體還能夠進一步吸收掉工作氣體的升溫，如此一來能夠省去散熱設備，降低成本並解決佔地面積問題。

以上所述僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。

H:高液面位置 L:低液面位置 10:井體 11:裝置空間 12:室壓儲液槽 13:機電/倂網控制室 14:天井 21:氣體儲存罐 22:液體儲存罐 221:出口閥 222:入口閥 30:膨脹機 31:輸出軸 32:液體入口 33:液體出口 40:發電機 50:壓縮機 60:釋壓管 70:電梯車間 71:電梯機電設備 80:備用電力

圖1係本創作的側視示意圖。 圖2係本創作的發電流程圖。 圖2A係本創作的發電流程的液體流向圖。 圖3係本創作的儲能流程圖。 圖3A係本創作的儲能流程的液體流向圖。

H:高液面位置

L:低液面位置

10:井體

11:裝置空間

12:室壓儲液槽

13:機電/併網控制室

14:天井

21:氣體儲存罐

22:液體儲存罐

221:出口閥

222:入口閥

30:膨脹機

31:輸出軸

32:液體入口

33:液體出口

40:發電機

50:壓縮機

60:釋壓管

70:電梯車間

71:電梯機電設備

80:備用電力

Claims (10)

1. 一種抽蓄式水力儲電井，其中包含 一井體，其用以設於一地面之下；該井體具有相互獨立的一裝置空間及一室壓儲液槽； 一氣體儲存罐，其設於該井體的該裝置空間中，且內部填充有工作氣體； 一液體儲存罐，其設於該井體的該裝置空間中，且內部填充有工作液體；該液體儲存罐的頂端連通於該氣體儲存罐的頂端；該液體儲存罐內定義有一高液面位置及一低液面位置，該高液面位置高於該低液面位置；該高液面位置低於該液體儲存罐的頂端，該低液面位置高於該液體儲存罐的底端，該工作液體的液面位於該高液面位置及該低液面位置之間； 一膨脹機，其設於該井體的該裝置空間中，且具有一輸出軸、一液體入口及一液體出口；該液體入口連通於該液體儲存罐，且與該液體儲存罐的連通口低於該低液面位置；該液體出口位於該井體的該室壓儲液槽內； 一發電機，其設於該井體的該裝置空間中，且連接於該膨脹機的該輸出軸； 一壓縮機，其設於該井體的該室壓儲液槽內，且連通於該液體儲存罐； 至少一釋壓管，其一端開口位於該井體的該室壓儲液槽內，且另一端開口位於該地面之上； 其中： 該工作氣體及該工作液體處於高壓狀態時，該工作氣體能推擠該工作液體，使該工作液體由該液體入口流入該膨脹機以驅動該膨脹機的該輸出軸，藉此該輸出軸驅動該發電機進行發電；該工作液體能由該膨脹機的該液體出口流出該膨脹機，並流入該井體的該室壓儲液槽內形成與大氣壓力相同的該工作液體； 該壓縮機能將該室壓儲液槽內的該工作液體送入該液體儲存罐內，該工作液體液面上升並壓縮該工作氣體，同時回復為高壓狀態。
2. 如請求項1所述之抽蓄式水力儲電井，其中， 該至少一釋壓管的數量為複數，且該等釋壓管垂直貫穿該井體的該裝置空間； 該抽蓄式水力儲電井包含 一電梯車間，其能移動地設於該等釋壓管上。
3. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該井體的直徑為12至15公尺。
4. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該井體的深度為36至45公尺。
5. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，抽蓄式水力儲電井包含 一出口閥，其設於該液體儲存罐與該膨脹機的該液體入口之間。
6. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該抽蓄式水力儲電井包含 一入口閥，其設於該液體儲存罐的底端與該壓縮機之間。
7. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該壓縮機為一正排量壓縮機。
8. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該膨脹機的內部設有一斜衝式水輪機，該斜衝式水輪機包含複數噴嘴；或該膨脹機為一正排量膨脹機。
9. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該液體儲存罐及該氣體儲存罐的材質包含不鏽鋼，或與高張力預力混凝土之複合材料。
10. 如請求項1或2所述之抽蓄式水力儲電井，其中，該液體儲存罐及該氣體儲存罐的材質包含克維拉，或與高張力預力混凝土之複合材料。