專利名稱：基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站及儲(chǔ)能發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大容量電力儲(chǔ)能技術(shù)，特別涉及一種壓縮氣體的勢(shì)能與電能相互轉(zhuǎn)換的虛擬抽水蓄能電站及儲(chǔ)能發(fā)電方法。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)中發(fā)電出力和負(fù)荷需求必須時(shí)時(shí)匹配。當(dāng)沒有儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，常規(guī)火電廠必須當(dāng)作備用，壓火運(yùn)行，降低了運(yùn)行效率。風(fēng)電場(chǎng)也必須通過(guò)棄風(fēng)實(shí)現(xiàn)出力調(diào)整，浪費(fèi)了能源。儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程“發(fā)-輸-配-用”四大環(huán)節(jié)中起到重要作用。系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。另外，風(fēng)電現(xiàn)今已成為公認(rèn)能夠大規(guī)模開發(fā)的清潔能源，要降低電網(wǎng)碳排量，必須大力發(fā)展風(fēng)電。但風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)是間歇性和不穩(wěn)定性，為保證風(fēng)能資源的有效利用，風(fēng)場(chǎng)中應(yīng)當(dāng)設(shè)置有大容量?jī)?chǔ)能裝置?，F(xiàn)在已經(jīng)存在多種儲(chǔ)能技術(shù)，比如抽水蓄能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)、電池儲(chǔ)能技術(shù)等，但成本低廉、具有大規(guī)模應(yīng)用條件的大容量的儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能，而且它們都有各自的局限性。抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)地理地形條件有嚴(yán)格的限制，即必須有兩個(gè)大容量的水池以及足夠高的落差才能具有可行性，并對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境有很大影響；傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的主要缺點(diǎn)是需要消耗大量燃?xì)?，產(chǎn)生碳排放，而且效率不高，導(dǎo)致其應(yīng)用推廣受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰的需求和原有儲(chǔ)能技術(shù)的缺陷，提出一種基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站及儲(chǔ)能發(fā)電方法，以滿足電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的需要。當(dāng)負(fù)荷需求大于發(fā)電出力時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)；負(fù)荷需求小于發(fā)電出力時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在儲(chǔ)能狀態(tài)，使電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。使常規(guī)電廠一直工作在最優(yōu)輸出狀態(tài)，并可減少資源浪費(fèi)；同時(shí)，本發(fā)明大幅度降低儲(chǔ)能造價(jià)，提高了儲(chǔ)能裝置能量轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)。本發(fā)明所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站采用的技術(shù)方案為:高壓儲(chǔ)氣單元作為儲(chǔ)能元件與氣水能量交換單元相連，同時(shí),氣水能量交換單元還與低壓氣體管道相連；氣水能量交換單元分別與具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的高壓水池和低壓水池連接，抽蓄發(fā)電單元也分別與高壓水池和低壓水池相連；抽蓄發(fā)電單元的輸出端與電網(wǎng)連接。所述高壓水池和低壓水池采用具有一定落差的高低位水池的方式，或采用具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的儲(chǔ)水容器的方式，或采用上述兩種方式的組合，使得高壓水池和低壓水池對(duì)外接口處的水具有穩(wěn)定的相對(duì)壓強(qiáng)差。儲(chǔ)水容器可以是密閉的金屬球罐、鋼管等高壓容器或地下工程。采用儲(chǔ)水容器方案時(shí)，高壓儲(chǔ)水容器通過(guò)內(nèi)部充入預(yù)置壓縮空氣形成預(yù)置壓力；低壓儲(chǔ)水容器通過(guò)連接至大氣的管道保持低壓。所述抽蓄發(fā)電單元采用可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，或者同時(shí)采用水輪發(fā)電機(jī)組和水泵組合，或者采用液壓馬達(dá)。氣水能量交換單元有兩種主要的實(shí)現(xiàn)方案。所述氣水能量交換單元的第一種實(shí)現(xiàn)方案是采用兩個(gè)或多個(gè)活塞串聯(lián)成氣水傳動(dòng)活塞組的方式實(shí)現(xiàn)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換；每個(gè)活塞缸內(nèi)設(shè)置一個(gè)活塞，活塞之間通過(guò)連桿連接；一部分活塞缸內(nèi)的活塞兩側(cè)的活塞腔，每側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門及管路與高壓儲(chǔ)氣單元和低壓空氣管道連接；一部分活塞缸內(nèi)的活塞兩側(cè)的活塞腔，每側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門管路與高壓水池和低壓水池連接。所述氣水能量交換單元的第二種實(shí)現(xiàn)方案是采用液體活塞和液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組合方式實(shí)現(xiàn)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換；液體活塞包括兩個(gè)液體缸，液體缸具有上部端口及下部端口 ；每個(gè)液體缸的上部端口分別通過(guò)閥門和管道與高壓儲(chǔ)氣單元以及低壓氣體管道相連，液體缸的下部端口通過(guò)閥門和管道連接液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)或多個(gè)活塞缸串聯(lián)成的活塞組的方式構(gòu)成，每個(gè)活塞缸內(nèi)設(shè)置一個(gè)活塞，各活塞之間通過(guò)連桿連接；一部分活塞缸內(nèi)活塞兩側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門和管道與高壓水池和低壓水池連接，另一部分活塞缸內(nèi)的活塞兩側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門和管道連接到液體活塞組的兩個(gè)液體缸的下部端口。所述氣水能量交換單元中的氣水傳動(dòng)活塞組采用單組或多組，通過(guò)閥門控制獨(dú)立運(yùn)行，或采用多組氣水傳動(dòng)活塞組串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的工作方式，以增強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換速度。所述氣水能量交換單元中的液體活塞采用單組或多組，通過(guò)閥門控制獨(dú)立運(yùn)行，或多組液體活塞串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的工作方式，以增強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換速度。所述氣水能量交換單元中液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞組部分采用單組或多組獨(dú)立運(yùn)行，或多組活塞組串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的工作方式，以增強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換速度。所述氣水能量交換單元可以采用多個(gè)氣水能量交換單元通過(guò)閥門控制獨(dú)立運(yùn)行，或多組氣水能量交換單元串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)的方式組成一個(gè)大型氣水能量交換單元工作。本發(fā)明還提供了一種基于所述虛擬抽水蓄能電站的儲(chǔ)能發(fā)電方法，具體為:所述高壓儲(chǔ)氣單元中的壓縮空氣作為能量存儲(chǔ)的介質(zhì)，在具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的高壓水池和低壓水池內(nèi)循環(huán)的水作為發(fā)電循環(huán)介質(zhì)，采用抽蓄發(fā)電單元作為主要運(yùn)行設(shè)備，通過(guò)閥門控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能發(fā)電過(guò)程；所述電站具有儲(chǔ)能和發(fā)電兩種運(yùn)行方式:所述儲(chǔ)能運(yùn)行方式為:儲(chǔ)能時(shí)利用抽蓄發(fā)電單元消耗電能將水自低壓水池傳送至高壓水池處，在氣水能量交換單元中利用高壓水池和低壓水池的水壓差做功，將低壓氣體管道內(nèi)的低壓氣體壓縮后通過(guò)高壓氣體通道送入高壓儲(chǔ)氣單元，將電能轉(zhuǎn)換成水的勢(shì)能，再轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的勢(shì)能；
所述發(fā)電運(yùn)行方式為:氣水能量交換單元通過(guò)閥門控制從高壓氣體通道接入高壓氣體，利用高壓氣體膨脹做功將低壓水送入高壓水池，做功后形成的低壓氣體在下次循環(huán)中會(huì)被送入低壓空氣通道排出。同時(shí)高壓水池的水經(jīng)抽蓄發(fā)電單元做功發(fā)電后流入低壓水池，壓縮空氣勢(shì)能裝換為水的勢(shì)能，再利用水池之間的壓強(qiáng)差驅(qū)使抽蓄發(fā)電單元發(fā)電。所述儲(chǔ)能或發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)抽蓄發(fā)電單元或氣水能量交換單元的調(diào)節(jié)，使高壓水池和低壓水池的各自的水量變化在氣水能量交換單元的一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)接近為
O,從而使高壓水池和低壓水池的出口處水相對(duì)壓強(qiáng)差和各自總水量保持穩(wěn)定。而在高壓水池和低壓水池出水壓強(qiáng)差和水量允許變化的范圍內(nèi)，高壓水池和低壓水池在一個(gè)短時(shí)期內(nèi)通過(guò)抽蓄發(fā)電單元或氣水能量交換單元的各自進(jìn)出水的總量可以不為零，以匹配其運(yùn)行策略。本發(fā)明的有益效果為:(I)本發(fā)明將電能以壓縮空氣勢(shì)能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，針對(duì)負(fù)荷需求和發(fā)電處理出現(xiàn)差異的問(wèn)題，可以起到削峰填谷、平滑負(fù)荷的作用，降低了常規(guī)電廠由于大幅調(diào)整出力帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和效率損失，從而也大幅度地提高了本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效益。而且本發(fā)明可以作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。(2)本發(fā)明可以作為風(fēng)電場(chǎng)的配套建設(shè)，避免了風(fēng)電場(chǎng)出力不穩(wěn)定導(dǎo)致的棄風(fēng)問(wèn)題，提高風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。(3)國(guó)內(nèi)外成熟的大容量的電力儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水蓄能技術(shù)和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，前者必須依附特殊地形，后者需要消耗大量燃?xì)猓实?，其他?chǔ)能技術(shù)容量太小，成本太高，雖然可以少量地配合風(fēng)電使用，但大規(guī)模地使用還不現(xiàn)實(shí)。而本發(fā)明提出的基于壓縮空氣的虛擬高差抽水蓄能裝置將壓縮空氣儲(chǔ)能與抽水蓄能技術(shù)結(jié)合在一起，取消了對(duì)地勢(shì)的要求，降低了建設(shè)難度，減少建設(shè)成本。拋棄了對(duì)天然氣燃燒的需求，降低了運(yùn)行條件。(4)本發(fā)明利用氣水能量交換單元將變壓強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能變?yōu)榉€(wěn)定壓強(qiáng)水勢(shì)能，來(lái)驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，作用在水輪發(fā)電機(jī)上的等值水頭始終恒定，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)沒有特殊的要求。(5)本發(fā)明成本低、效率高、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保、對(duì)生態(tài)無(wú)影響，可以幫助解決風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題，降低電網(wǎng)碳排放。


圖1為基于壓縮空氣的虛擬抽水蓄能電站總體結(jié)構(gòu)圖；圖2為基于壓縮空氣的虛擬抽水蓄能電站的儲(chǔ)能運(yùn)行原理圖；虛線箭頭為氣體流向，實(shí)線箭頭為水流向；圖3為基于壓縮空氣的虛擬抽水蓄能電站的發(fā)電運(yùn)行原理圖；圖4為高低壓水池的第一種實(shí)現(xiàn)方案⑶I ;圖5為高低壓水池的第二種實(shí)現(xiàn)方案⑶2 ；圖6為高低壓水池的第三種實(shí)現(xiàn)方案⑶3 ；圖7為高低壓水池的第四種實(shí)現(xiàn)方案⑶4 ；圖8為高低壓水池的第五種實(shí)現(xiàn)方案⑶5 ；圖9為高低壓水池的第六種實(shí)現(xiàn)方案⑶6 ；
圖10為高低壓水池的第七種實(shí)現(xiàn)方案⑶7 ；圖11為高壓水池增加高壓氣倉(cāng)的實(shí)現(xiàn)方案；圖12為氣水能量交換單元的第一種實(shí)現(xiàn)方案BI ；圖13為氣水能量交換單元的第二種實(shí)現(xiàn)方案B2 ；圖14為水活塞的替代方案；圖15為活塞組串聯(lián)方式的結(jié)構(gòu)圖；圖16為活塞組并聯(lián)方式的結(jié)構(gòu)圖；圖17為活塞組串并聯(lián)方式的結(jié)構(gòu)圖；圖18為基于壓縮空氣的虛擬抽水蓄能電站整體實(shí)現(xiàn)方案I ;圖19為基于壓縮空氣的虛擬抽水蓄能電站整體實(shí)現(xiàn)方案2 ；圖20為基于壓縮空氣的虛擬抽水蓄能電站整體實(shí)現(xiàn)方案3 ；圖中標(biāo)號(hào):A-高壓儲(chǔ)氣單元，B-氣水能量交換單元，C-高壓水池，D-低壓水池，E-抽蓄發(fā)電單元，F(xiàn)-低壓空氣通道，1-高壓氣體管道，2-低壓空氣管道，3-第一高壓水管道，4-第一低壓水管道，5-第二高壓水管道，6-第二低壓水管道，7-電端口；8、9_水管道，10-水活塞，11-液壓傳動(dòng)裝置，12-高壓氣倉(cāng)，14、15、35、36_活塞缸，16、37_活塞連桿，25、26_液體活塞的液體缸，46-上游水池，47-下游水池，48-壓力水管，53-地下高壓水罐，54-地下低壓水罐，55-連通空氣管道，56-地上高壓水罐，57-水塔，58-高樓，59-高壓氣倉(cāng)，60-高壓水倉(cāng)。13,17-24,27-30,31-34,38-45,49-52-閥門。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站及儲(chǔ)能發(fā)電方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。該虛擬抽水蓄能電站總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:高壓儲(chǔ)氣單元A通過(guò)高壓氣體管道I與氣水能量交換單元B連接，氣水能量交換單元B通過(guò)第一低壓水管道4與低壓水池D連接，低壓水池D通過(guò)第二低壓水管道6與抽蓄發(fā)電單元E連接；低壓空氣管道2與氣水能量交換單元B連接，氣水能量交換單元B通過(guò)第一高壓水管道3與高壓水池C連接，高壓水池C通過(guò)第二高壓水管道5與抽蓄發(fā)電單元E連接；抽蓄發(fā)電單元E通過(guò)電端口 7與電網(wǎng)連接。高壓儲(chǔ)氣裝置A中的壓縮空氣作為能量存儲(chǔ)的介質(zhì)，在具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的高壓水池C和低壓水池D內(nèi)循環(huán)的水作為發(fā)電循環(huán)介質(zhì)，采用抽蓄發(fā)電單元E作為主要運(yùn)行設(shè)備，通過(guò)閥門控制和水輪發(fā)電機(jī)組控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能發(fā)電過(guò)程。所述虛擬抽水蓄能電站具有儲(chǔ)能和發(fā)電兩種運(yùn)行方式:儲(chǔ)能運(yùn)行方式如圖2所示:儲(chǔ)能時(shí)利用抽蓄發(fā)電單元E將低壓水自低壓水池D傳送至高壓水池C處，在氣水能量交換單元B中利用高壓水和低壓水的水壓差做功來(lái)壓縮空氣，將電能轉(zhuǎn)換成水的勢(shì)能，再轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的勢(shì)能，存儲(chǔ)到高壓儲(chǔ)氣單元A中；在此過(guò)程中，電能首先轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能，最后轉(zhuǎn)換為壓縮空氣的勢(shì)能。發(fā)電運(yùn)行方式如圖3所示:將高壓儲(chǔ)氣單元A中的壓縮空氣通入到氣水能量交換單元B中，高壓氣體在氣水能量交換單元B中膨脹做功，將低壓水池D中的水輸送到高壓水池C中，同時(shí)高壓水池C中的水驅(qū)動(dòng)抽蓄發(fā)電單元E中的水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電后流入到低壓水池D中，壓縮空氣勢(shì)能裝換為水的勢(shì)能，再利用水池之間的壓強(qiáng)差使抽蓄發(fā)電單元E發(fā)電。在運(yùn)行過(guò)程中，本虛擬抽水蓄能電站中高壓水池C和低壓水池D的各自水量基本不變，高壓水池C和低壓水池D中水的相對(duì)壓強(qiáng)差基本不變。運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)行控制使高壓水池C和低壓水池D的進(jìn)出水的水流均速且保持近似相等，兩個(gè)水池各自水量變化在一個(gè)大的時(shí)間尺度上基本為零。本虛擬抽水蓄能電站中的高低壓水池可以使用傳統(tǒng)抽水蓄能電站中的上下游水池實(shí)現(xiàn)，上下游水池之間要有一定的高度差。由于本虛擬抽水蓄能電站的儲(chǔ)能容量由高壓儲(chǔ)氣倉(cāng)決定，與高低壓水池的庫(kù)容無(wú)關(guān)，因此此方案對(duì)上下游水池的庫(kù)容要求較低。本虛擬抽水蓄能電站中的高低壓水池可以使用傳統(tǒng)抽水蓄能電站中的上下游水池實(shí)現(xiàn)，上下游水池之間有一定的高度差，如圖4所示的CDl方案，上游水池46以及相連的壓力水管48共同構(gòu)成高壓水池，其高壓水池的水出口處為壓力水管48的末端。由于本虛擬抽水蓄能電站的儲(chǔ)能容量由高壓儲(chǔ)氣單元A決定，與高低壓水池的庫(kù)容無(wú)關(guān)，因此此方案對(duì)上下游水池的庫(kù)容要求較低。第一高壓水管道3和第一低壓水管道4與氣水能量交換單元B相連。發(fā)電時(shí)高壓水通過(guò)第二高壓水管道5驅(qū)動(dòng)抽蓄發(fā)電單元E中的水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后通過(guò)第二低壓水管道6流入低壓水池D (即下游水池47)中；同時(shí)下游水池47中的水通過(guò)第一低壓水管道4被抽出，在氣水能量交換單元B中被傳送入第一高壓水管道3，進(jìn)而進(jìn)入高壓水池C的出水口(壓力水管48的末端)處。儲(chǔ)能時(shí)抽蓄發(fā)電單元E中的水泵將下游水池47中的水抽到第二高壓管道5中，進(jìn)入高壓水池，將電能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能；同時(shí)高壓水池中的水通過(guò)第一高壓水管道3流入氣水能量交換單元B做功后，再通過(guò)第一低壓水管道4流回下游水池47中。當(dāng)兩種流向的水的流量相同時(shí)，高低壓水池中的水量會(huì)保持不變。本虛擬抽水蓄能電站中的高低壓水池也可以通過(guò)兩個(gè)置于地表或地下的氣水混合高壓容器實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)容器中的氣體壓強(qiáng)較高，作為高壓水池C使用；另一個(gè)容器中的氣體壓強(qiáng)較低，做為低壓水池D使用。高壓容器可以用使用鋼架、混凝土構(gòu)筑的地下儲(chǔ)氣工程實(shí)現(xiàn)，也可以用高壓金屬球罐實(shí)現(xiàn)，還可以用儲(chǔ)氣鋼管實(shí)現(xiàn)。低壓水池也可以利用地表的蓄水池實(shí)現(xiàn)。圖5所示為高低壓水池采用氣水混合高壓容器，都深埋于地下的方案，高壓水池C(即地下高壓水罐53)密封，內(nèi)部氣壓為P1 (如3Mpa，等效為方案⑶I中的300m高度的上游水池46)，低壓水池D (即地下低壓水罐54)，氣壓為P2 (連通外界大氣時(shí)，P2=0.1Mpa，等效為方案CDl中處于地表的下游水池47)。發(fā)電時(shí)地下高壓水罐53中的高壓水會(huì)通過(guò)第二高壓水管道5驅(qū)動(dòng)抽蓄發(fā)電單元E中的水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后通過(guò)第二低壓水管道6流入地下低壓水罐54中；同時(shí)地下低壓水罐54中的水會(huì)通過(guò)第一低壓水管道4被抽出，在氣水能量交換單元B中轉(zhuǎn)換并通過(guò)第一高壓水管道3流入地下高壓水罐53。儲(chǔ)能時(shí)抽蓄發(fā)電單元E中的水泵將地下低壓水罐54中的水抽到地下高壓水罐53中，將電能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能；同時(shí)地下高壓水罐53中的高壓水會(huì)通過(guò)第一高壓水管道3流入氣水能量交換單元B中做功后，再通過(guò)第一低壓水管道4流回地下低壓水罐54中。當(dāng)兩種流向的水的流量相同時(shí)，高低壓水池中的水量會(huì)保持不變，氣壓也保持不變，即高壓水池中的受壓水勢(shì)能保持不變，相當(dāng)于方案CDl中恒定高度的上游水池，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電。
圖6所示的方案⑶3中，高壓水池C采用置于地下的地下高壓水罐53，低壓水池D用地表的低壓水池47實(shí)現(xiàn)；圖7所示的方案⑶4中，高壓水池C采用置于地表的地上高壓水罐56實(shí)現(xiàn)；發(fā)電與儲(chǔ)能的實(shí)現(xiàn)方式與方案CD2相同，優(yōu)點(diǎn)是抽蓄發(fā)電單元E可以置于地表，方便了安裝和維護(hù)。高壓水池也可以采用將實(shí)現(xiàn)方案⑶I和⑶4相結(jié)合的方案。將用高壓金屬球罐或儲(chǔ)氣鋼管實(shí)現(xiàn)的高壓水池C (地上高壓水罐56)置于有一定地勢(shì)差的高處，可以疊加兩者的水勢(shì)能，如圖8所示。這種方案可以降低對(duì)地勢(shì)高度的要求，同時(shí)可以降低高壓氣罐的耐壓值。另外，高壓水池C也可以通過(guò)水塔57來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。高壓水池C也可以通過(guò)高樓58來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖10所示。高壓水池C也可以在使用高壓水倉(cāng)60的基礎(chǔ)上增加一個(gè)高壓氣倉(cāng)59部分作為輔助，如圖11所示。高壓氣倉(cāng)59通過(guò)管道與高壓水倉(cāng)60的上部連接。輔助的高壓氣倉(cāng)可以置于任意位置，增加了配置的靈活性。圖11顯示了輔助高壓氣倉(cāng)配置在地下的方案。氣水能量交換單元B在發(fā)電狀態(tài)時(shí)的作用是利用壓縮氣體的勢(shì)能將水從低壓水池D中抽出，并將這些水傳送到高壓水池C中，將壓縮氣體的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能；在儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)的作用是利用高低壓水池中水的壓強(qiáng)差做功來(lái)壓縮空氣，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為高壓氣體的勢(shì)能。氣水能量交換單元B可以直接通過(guò)活塞組實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)液體活塞與液壓傳動(dòng)裝置的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)。圖12所示為氣水能量交換單元的實(shí)現(xiàn)方案BI，直接通過(guò)活塞組實(shí)現(xiàn)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換。高壓氣體管道I與高壓儲(chǔ)氣單元A相連，低壓氣體管道2保持相對(duì)低壓，第一高壓水管道3和第一低壓水管道4分別接至高壓水池C和低壓水池D。該活塞組包括連接空氣的活塞缸14和連接水的活塞缸15，每個(gè)活塞缸內(nèi)設(shè)置一個(gè)活塞，兩個(gè)活塞之間通過(guò)活塞連桿16連接；活塞缸14內(nèi)的活塞兩側(cè)，每側(cè)空間分別通過(guò)閥門17-20及管路與高壓儲(chǔ)氣單元A和低壓空氣管道2連接；活塞缸15內(nèi)的活塞兩側(cè)，每側(cè)空間分別通過(guò)閥門21-24及管路與高壓水池C和低壓水池D連接。通過(guò)閥門狀態(tài)的正確設(shè)置，在任何時(shí)刻，活塞缸14內(nèi)的活塞的一側(cè)密封有高壓氣體，另一側(cè)連通低壓管道；活塞缸15內(nèi)的活塞的一側(cè)為高壓水，與高壓水池C相連，另一側(cè)為低壓水，與低壓水池D相連。當(dāng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，空氣活塞缸14內(nèi)的活塞兩側(cè)高低壓氣體的壓強(qiáng)差會(huì)驅(qū)動(dòng)活塞連桿16運(yùn)動(dòng)，活塞連桿16的運(yùn)動(dòng)會(huì)使活塞缸15中的高壓水流出，流入到高壓水池C中；同時(shí)使低壓水從低壓水池D中流入到活塞缸15中，從而實(shí)現(xiàn)了水從低壓水池流向高壓水池。當(dāng)處于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，活塞缸15中兩側(cè)高低壓水的壓強(qiáng)差會(huì)驅(qū)動(dòng)活塞連桿16運(yùn)動(dòng)，活塞連桿16的運(yùn)動(dòng)使空氣活塞缸14壓縮密閉空間內(nèi)的氣體，當(dāng)壓縮的空氣達(dá)到一定壓強(qiáng)值時(shí)，打開閥門，將高壓氣體輸入到高壓儲(chǔ)氣單元A中，從而實(shí)現(xiàn)了水的勢(shì)能向壓縮氣體勢(shì)能的轉(zhuǎn)換。整個(gè)過(guò)程需要閥門開關(guān)狀態(tài)的正確配合。氣水能量交換單元B的另一種實(shí)現(xiàn)方案B2如圖13所示，是利用液體活塞10和液壓傳動(dòng)裝置11實(shí)現(xiàn)的。液體活塞是液體在兩側(cè)氣壓差作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的裝置，可以實(shí)現(xiàn)氣體勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換；并可以通過(guò)額外裝置輔助實(shí)現(xiàn)氣體的絕熱變化過(guò)程或等溫變化過(guò)程。液體可以是包括水、油等在內(nèi)的任何一種液態(tài)物質(zhì)。液體活塞輸出的液體的勢(shì)能變化很大。液體活塞中至少應(yīng)有兩個(gè)液體缸(25和26)，如圖13所示；液體缸相當(dāng)于高壓容器，可以用使用鋼架、混凝土構(gòu)筑的地下儲(chǔ)氣工程實(shí)現(xiàn)，也可以用高壓金屬球罐實(shí)現(xiàn)，還可以用儲(chǔ)氣鋼管實(shí)現(xiàn)；可以用單一容器實(shí)現(xiàn)，也可以用多級(jí)容器組合實(shí)現(xiàn)。低壓氣體管道2保持低壓，高壓氣體管道I的另一端接高壓儲(chǔ)氣單元A，低壓氣體管道2和高壓氣體管道I分別通過(guò)閥門27-30與兩個(gè)液體缸連接。液壓傳動(dòng)裝置可以使壓強(qiáng)變化的水流與壓強(qiáng)穩(wěn)定的水流之間相互驅(qū)動(dòng)，由若干個(gè)活塞組成。液體管道8和9分別通過(guò)閥門38-41連接液體活塞中的兩個(gè)液體缸以及活塞缸35，第一高壓水管道3和第一低壓水管道4分別通過(guò)閥門42-45連接高壓水池C和低壓水池D。通過(guò)閥門狀態(tài)的正確設(shè)置，活塞缸35和活塞缸36可以實(shí)現(xiàn)不同的壓強(qiáng)控制。假定初始狀態(tài)時(shí)液體缸25中完全充滿水，液體缸26中只有少量水。當(dāng)本系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，控制閥門狀態(tài)，使液體缸25密閉，液體缸26接通低壓空氣管道保持低壓。工作時(shí)首先從高壓儲(chǔ)氣單元A中經(jīng)高壓氣體管道I向液體缸25中輸入一定體積的高壓氣體，液體缸25中的水會(huì)經(jīng)水管道9流向活塞缸35的某一側(cè)，高壓強(qiáng)作用會(huì)驅(qū)動(dòng)活塞缸35的活塞運(yùn)動(dòng)，使活塞缸35另一側(cè)的水經(jīng)水管道8流入液體缸26中；同時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)活塞連桿37和活塞缸36中的活塞運(yùn)動(dòng)。通過(guò)恰當(dāng)設(shè)置活塞缸36中各閥門的開關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)活塞缸36某一側(cè)的水經(jīng)過(guò)第一高壓水管道3流出到高壓水池C，低壓水池的水經(jīng)過(guò)第一低壓水管道4從低壓水池流入到活塞缸36另一側(cè)中。通過(guò)閥門狀態(tài)的切換，在液體缸25中氣體膨脹過(guò)程中，活塞連桿37可以做若干次的左右移動(dòng)，此過(guò)程中，低壓水持續(xù)流入活塞缸36，并持續(xù)有水從活塞缸36中流出到高壓水池C中。當(dāng)液體缸25中氣體壓強(qiáng)達(dá)到較小的值，不足以驅(qū)動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將剩余的低壓氣體送入低壓空氣管道，再利用其他發(fā)電裝置(如直線電機(jī))進(jìn)行發(fā)電，以提高能源利用率。當(dāng)液體缸25中氣體膨脹做功完畢后，液體缸25中剩余水量很少，液體缸26中幾乎充滿水，原有的低壓氣體被送入低壓氣體管道。將液體缸26封裝，并將液體缸25與低壓空氣管道連通，然后再?gòu)母邏簝?chǔ)氣單元A中輸入一定體積的高壓氣體到液體缸26中，高壓氣體膨脹做功，將水從低壓水池送入活塞缸36中，同時(shí)驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，將活塞缸36中的水壓入高壓水池。高壓氣體膨脹后形成低壓氣體會(huì)被送入低壓氣體管道?；钊?5成為在液體活塞的兩個(gè)液體缸中流動(dòng)水的中轉(zhuǎn)。當(dāng)本系統(tǒng)處于儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，仍假定初始狀態(tài)時(shí)液體缸25中充滿水，液體缸26中只有少量水，充滿了低壓空氣管道進(jìn)入的低壓氣體?？刂崎y門狀態(tài)，使液體缸26密閉，液體缸25接通低壓空氣管道。工作時(shí)活塞缸36內(nèi)活塞兩側(cè)水的水壓差驅(qū)動(dòng)活塞連桿37和活塞缸35內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)，配合閥門的開關(guān)狀態(tài)，可以使液體缸25中的水經(jīng)水管道9流向活塞缸35的某一側(cè)，活塞缸35另一側(cè)的水經(jīng)水管道8流向液體缸26，壓縮液體缸26中的密閉空氣。通過(guò)閥門狀態(tài)的切換，活塞連桿37左右運(yùn)動(dòng)都可以使液體缸25中的水流向活塞缸35，同時(shí)活塞缸35中的水流向液體缸26。當(dāng)液體缸26中的氣體被壓縮到一定壓強(qiáng)值時(shí)，打開閥門30將其與高壓氣體管道連通，繼續(xù)工作直到所有液體缸26的氣體送入高壓氣體管道，最終存儲(chǔ)到高壓儲(chǔ)氣單元A中。此時(shí)液體缸25中只有少量水，充滿了低壓氣體管道的低壓氣體；液體缸26中幾乎充滿水，切換閥門狀態(tài)，使液體缸25密閉，液體缸26接通低壓氣體管道。第一高壓水管道3和第一低壓水管道4中的水的壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)水活塞中水的流動(dòng)，壓縮密閉空間中的空氣，形成高壓氣體存儲(chǔ)起來(lái)。在氣水能量交換單元實(shí)現(xiàn)方案B2中，水活塞的實(shí)現(xiàn)可以有如圖14所示的替代方案。圖14所示的水活塞方案相比于圖13，增加了 4個(gè)閥門31-34，利用這4個(gè)閥門可以使管道8與管道9的輸出恒定為高壓水或低壓水，這樣可以簡(jiǎn)化液壓傳動(dòng)裝置11中的閥門切換。在氣水能量交換單元實(shí)現(xiàn)方案BI和B2中的液壓傳動(dòng)裝置中，都使用了活塞。上述只描述了活塞單體的工作原理，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，可以使用多個(gè)具有相同或不同面積的活塞通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，分別如圖15-17所示。可以通過(guò)控制閥門的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)活塞與不同機(jī)構(gòu)的連接，從而可以控制整組活塞的運(yùn)動(dòng)速度。也可以使用多組不同實(shí)現(xiàn)方法的活塞組，根據(jù)實(shí)際情況選用其中一組和幾組工作。組合各個(gè)模塊單元的不同的實(shí)現(xiàn)方案，可以得到多種整體實(shí)現(xiàn)方案。圖18所示的整體實(shí)現(xiàn)方案I中，利用了氣水能量轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)方案B2、高低壓水池實(shí)現(xiàn)方案CD2，圖19所示的整體實(shí)現(xiàn)方案2中，利用了氣水能量轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)方案B2、高低壓水池實(shí)現(xiàn)方案CD3，圖20所示的整體實(shí)現(xiàn)方案3中，利用了氣水能量轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)方案B1、高低壓水池實(shí)現(xiàn)方案CD4。
權(quán)利要求
1.基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，高壓儲(chǔ)氣單元(A)作為儲(chǔ)能元件與氣水能量交換單元(B)相連，同時(shí),氣水能量交換單元(B)還與低壓氣體管道相連；氣水能量交換單元(B)分別與具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的高壓水池(C)和低壓水池(D)連接，抽蓄發(fā)電單元(E)也分別與高壓水池(C)和低壓水池(D)相連；抽蓄發(fā)電單元(E)也與電網(wǎng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述高壓水池(C)和低壓水池(D)采用具有一定落差的高低位水池的方式，或采用具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的儲(chǔ)水容器的方式，或采用上述兩種方式的組合，使得高壓水池(C)和低壓水池(D)對(duì)外接口處的液體具有穩(wěn)定的相對(duì)壓強(qiáng)差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述抽蓄發(fā)電單元(E)采用可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，或者同時(shí)采用水輪發(fā)電機(jī)組和水泵，或者采用液壓馬達(dá)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述氣水能量交換單元(B)采用兩個(gè)或多個(gè)活塞串聯(lián)成氣水傳動(dòng)活塞組的方式實(shí)現(xiàn)壓縮空氣勢(shì)能與液體勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換；每個(gè)活塞缸內(nèi)設(shè)置一個(gè)活塞，活塞之間通過(guò)連桿連接；一部分活塞缸內(nèi)的活塞兩側(cè)的活塞腔，每側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門及管路與高壓儲(chǔ)氣單元(A)和低壓空氣管道連接；另一部分活塞缸內(nèi)的活塞兩側(cè)活塞腔，每側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門及管路與高壓水池(C)和低壓水池(D)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述氣水能量交換單元(B)采用液體活塞和液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組合方式實(shí)現(xiàn)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換；液體活塞包括兩個(gè)液體缸，液體缸具有上部端口及下部端口 ；每個(gè)液體缸的上部端口分別通過(guò)閥門和管道與高壓儲(chǔ)氣單元(A)以及低壓氣體管道相連；液體缸的下部端口通過(guò)閥門和管道連接液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)或多個(gè)活塞串聯(lián)成的活塞組的方式構(gòu)成，每個(gè)活塞缸內(nèi)設(shè)置一個(gè)活塞，各活塞之間通過(guò)連桿連接；一部分活塞缸內(nèi)活塞兩側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門和管道與高壓水池(C)和低壓水池(D)連接，另一部分活塞缸內(nèi)的活塞兩側(cè)活塞腔分別通過(guò)閥門和管道連接到液體活塞的兩個(gè)液體缸的下部端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述氣水能量交換單元(B)中的氣水傳動(dòng)活塞組采用單組或多組，通過(guò)閥門控制獨(dú)立運(yùn)行，或采用多組氣水傳動(dòng)活塞組串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的工作方式，以增強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換效率。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述氣水能量交換單元(B)中的液體活塞采用單組或多組，通過(guò)閥門控制獨(dú)立運(yùn)行，或多組液體活塞串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的工作方式，以增強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換效率。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述氣水能量交換單元(B)中液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的活塞組部分采用單組或多組獨(dú)立運(yùn)行，或多組活塞組串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的工作 方式，以增強(qiáng)壓縮空氣勢(shì)能與水勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換效率。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站，其特征在于，所述氣水能量交換單元(B)采用多個(gè)氣水能量交換單元通過(guò)閥門控制獨(dú)立運(yùn)行，或多組氣水能量交換單元串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)的方式組成一個(gè)大型氣水能量交換單元工作。
10.一種基于權(quán)利要求1所述基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站的儲(chǔ)能發(fā)電方法，其特征在于，所述高壓儲(chǔ)氣單元(A)中的壓縮氣體作為能量存儲(chǔ)的介質(zhì)，在具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的高壓水池(C)和低壓水池(D)內(nèi)循環(huán)的水作為發(fā)電循環(huán)介質(zhì)，采用抽蓄發(fā)電單元(E)作為主要運(yùn)行設(shè)備，通過(guò)閥門控制實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能發(fā)電過(guò)程； 所述電站具有儲(chǔ)能和發(fā)電兩種運(yùn)行方式: 所述儲(chǔ)能運(yùn)行方式為:儲(chǔ)能時(shí)利用抽蓄發(fā)電單元(E)消耗電能將水自低壓水池(D)傳送至高壓水池(C)處，在氣水能量交換單元(B)中利用高壓水池和低壓水池的水壓差做功，將低壓氣體管道內(nèi)的低壓氣體壓縮后通過(guò)高壓氣體通道送入高壓儲(chǔ)氣單元，將電能轉(zhuǎn)換成水的勢(shì)能，再轉(zhuǎn)換為高壓氣體的勢(shì)能； 所述發(fā)電運(yùn)行方式為:氣水能量交換單元(B)通過(guò)閥門控制從高壓氣體通道接入高壓氣體，利用高壓氣體膨脹做功將低壓水送入高壓水池(C)，做功后形成的低壓氣體在下次循環(huán)中會(huì)被送入低壓空氣通道排出。同時(shí)高壓水池的水經(jīng)抽蓄發(fā)電單元(E)做功發(fā)電后流入低壓水池(D)，壓縮空氣勢(shì)能裝換為水的勢(shì)能，再利用水池之間的壓強(qiáng)差使抽蓄發(fā)電單元(E)發(fā)電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的儲(chǔ)能發(fā)電方法，其特征在于，所述儲(chǔ)能或發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)抽蓄發(fā)電單元(E)或氣水能量交換單元(B)的調(diào)節(jié)，使高壓水池(C)和低壓水池(D)的各自的水量變化在氣水能量交換單元(B)的一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)接近為0，從而使高壓水池(C)和低壓水池(D)的出口處水相對(duì)壓強(qiáng)差和各自總水量保持穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及大容量電力儲(chǔ)能技術(shù)，特別涉及一種基于壓縮空氣儲(chǔ)能的虛擬抽水蓄能電站及儲(chǔ)能發(fā)電方法。高壓儲(chǔ)氣單元作為儲(chǔ)能元件與氣水能量交換單元相連；氣水能量交換單元分別與具有穩(wěn)定壓強(qiáng)差的高壓水池和低壓水池連接，抽蓄發(fā)電單元也分別與高壓水池和低壓水池相連；抽蓄發(fā)電單元與電網(wǎng)連接。發(fā)電時(shí)氣水能量交換單元利用高壓氣體膨脹做功將水從低壓水池送入高壓水池，再利用兩個(gè)水池的水壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)抽蓄發(fā)電單元發(fā)電；儲(chǔ)能時(shí)抽蓄發(fā)電單元利用電網(wǎng)電力將水從低壓水池送入高壓水池，氣水能量交換單元再利用兩個(gè)水池的水壓差做功來(lái)壓縮空氣，形成高壓氣體后送入高壓儲(chǔ)氣單元。本發(fā)明采用成熟的抽水蓄能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了壓縮空氣儲(chǔ)能和發(fā)電控制。
文檔編號(hào)E02B9/06GK103114564SQ20131004243
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者姜彤, 畢經(jīng)天, 陳偉麗, 馬嫻, 王靜然 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)