一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统及扩能方法与流程

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1.本发明涉及一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统及扩能方法，属于水库蓄能领域。

背景技术：

2.抽水蓄能电站是将系统中其他电站的低谷电能和多余电能，通过抽水将水流的机械能变为势能，存蓄于上水库中，待到电网需要时放入下水库中发电，兼有填谷、调频和调相等功能，可作为地区调峰和紧急事故备用电源，改善供电质量。抽水蓄能电站主要由上水库、引水管、水电站、下水库组成。上水库死水位线以上的水，即储能有效库容中的水，由于上、下水库的高差，其重力势能就是抽水蓄能电站的蓄能量。
3.抽水蓄能电站按水库调节方式可分为以下3种类型：
4.1)日调节抽水蓄能电站：其运行周期呈日循环规律。蓄能机组每天顶一次或两次尖峰负荷，上水库放水发电，尖峰过后上水库放空、下水库蓄满；再利用负荷低谷时系统多余的电能抽水，用电低谷后下水库中的水被抽空，蓄满上水库；纯抽水蓄能电站大多为日调节蓄能电站。
5.2)周调节抽水蓄能电站：运行周期呈周循环规律。在一周的5个工作日中，蓄能机组如同日调节蓄能电站一样工作。但每天的发电用水量大于蓄水量，在工作日结束时上水库放空，在双休日期间由于系统负荷降低，利用多余电能进行大量蓄水，至周一早上将上水库蓄满。
6.3)季调节抽水蓄能电站：每年汛期，利用水电站的季节性电能作为抽水能源，将水电站必须溢弃的多余水量，抽到上水库蓄存起来，在枯水季内放水发电，以增补天然径流的不足。这样将原来是汛期的季节性电能转化成了枯水期的保证电能。这类电站绝大多数为混合式抽水蓄能电站。
7.由于地形、泥沙淤积、引水管进出口设置等因素等的限制，一些抽水蓄能电站的上水库死水位线偏高，死库容偏大，储能有效库容有限，所蓄能量也有限，没有充分利用上、下库水位高差储能、发电。

技术实现要素：

8.本发明的目的在于，提供一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其有效地将部分死库容转化为储能有效库容，能够利用更多水的重力势能和固体重力势能进行蓄能发电。
9.为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库、引水管、水电站、与水电站连接的变压器、下水库和与变压器连接的输电线，引水管一端的上管口(上管口在发电时作为进水口，储能时作为出水口)与上水库连通，引水管另一端下管口(下管口也是在发电时作为出水口，储能时作为进水口)与水电站连接，水电站通过尾水管与下水库连通。所述上水库中设置有至少一个浮动式扩能承
装容器，所述浮动式扩能承装容器中设置有固体重力模块。
10.前述的这种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中，所述上水库中设置有两个浮动式扩能承装容器，每个浮动式扩能承装容器中设置有相同质量的固体重力模块。
11.前述的这种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中，所述上水库中设置有两个浮动式扩能承装容器，每个浮动式扩能承装容器中设置有不同质量的固体重力模块。
12.前述的这种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中，所述上水库中设置有三个浮动式扩能承装容器，每个浮动式扩能承装容器中设置有相同质量的固体重力模块。
13.前述的这种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中，所述上水库中设置有三个浮动式扩能承装容器，每个浮动式扩能承装容器中设置有不同质量的固体重力模块。
14.前述的这种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中，所述固体重力模块是由形成物构成的规则圆形状、正方形状、长方形状或者梯形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物，利用废弃矿渣、不可回收废弃旧物具有环保意义。
15.前述的这种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中，所述固体重力模块是由形成物构成的不规则形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物，利用废弃矿渣、不可回收废弃旧物具有环保意义。
16.前述任一一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中的扩大储能方法，包括在上水库中设置至少一个承载着固定重力模块的浮动容器，利用浮动容器使固体重力模块漂浮在水库中，利用固体重力模块和浮动容器排开水库中与固体重力模块和浮动容器总重量相等的水量，通过所排开水量的重力势能、浮动容器和固体重力模块的重力势能为原水库增加储能能力，从而达到为水库扩大蓄能量的目的。
17.与现有技术相比，本发明系统可以在现有抽水蓄能电站的基础上进行改造获得，通过浮动容器在上水库放置具有一定质量的固体重力模块，将传统抽水蓄能与固体重力储能相结合，提高了现有抽水蓄能电站的储能能力。
18.本发明这种扩大储能方法和本发明这种新型耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，可实施性高，通过本发明扩大储能方法能够以较低成本对现有抽水蓄能电站进行改造，可将现有抽水蓄能电站中的部分死库容转化为储能有效库容，能够利用更多水的重力势能以及固体重力模块和浮动容器的重力势能进行蓄能发电，相比传统抽水蓄电站具有更大的蓄能量。
附图说明
19.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：
20.图1是本发明耦合固体重力储能的抽水蓄能系统的结构示意图；
21.图2是承载有固体重力模块的浮动式扩能承装容器；
22.图3是无固体重力储能的上水库示意图。
23.附图标记：1-上水库，2-引水管，3-输电线，4-水电站，5-变压器，6-下水库，7-上管口，8-下管口，9-储能有效库容区，10-死库容区，11-固体重力模块，12-浮动式扩能承装容器，13-尾水管。
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
25.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
26.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.本发明的实施例1：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库1、引水管2、水电站4、与水电站4连接的变压器5、下水库6和与变压器5连接的输电线3，引水管2一端的管口7与上水库1连通，引水管2另一端的管口8与水电站4连接，水电站4通过尾水管13与下水库6连通，所述上水库1中设置有至少一个浮动式扩能承装容器12，所述浮动式扩能承装容器12中设置有固体重力模块11。
28.本发明的实施例2：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库1、引水管2、水电站4、与水电站4连接的变压器5、下水库6和与变压器5连接的输电线3，引水管2一端的管口7与上水库1连通，引水管2另一端的管口8与水电站4连接，水电站4通过尾水管13与下水库6连通，所述上水库1中设置有两个浮动式扩能承装容器12，每个浮动式扩能承装容器12中设置有相同质量的固体重力模块11。所述固体重力模块11是由形成物构成的规则圆形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。
29.本发明的实施例3：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库1、引水管2、水电站4、与水电站4连接的变压器5、下水库6和与变压器5连接的输电线3，引水管2一端的管口7与上水库1连通，引水管2另一端的管口8与水电站4连接，水电站4通过尾水管13与下水库6连通，所述上水库1中设置有两个浮动式扩能承装容器12，每个浮动式扩能承装容器12中设置有不同质量的固体重力模块11。所述固体重力模块11是由形成物构成的规则正方形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。
30.本发明的实施例4：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库1、引水管2、水电站4、与水电站4连接的变压器5、下水库6和与变压器5连接的输电线3，引水管2一端的管口7与上水库1连通，引水管2另一端的管口8与水电站4连接，水电站4通过尾水管13与下水库6连通，所述上水库1中设置有三个浮动式扩能承装容器12，每个浮动式扩能承装容器12中设置有相同质量的固体重力模块11。所述固体重力模块11是由形成物构成的规则梯形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。
31.本发明的实施例5：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库1、引水管2、水电站4、与水电站4连接的变压器5、下水库6和与变压器5连接的输电线3，引水管2一端的管口7与上水库1连通，引水管2另一端的管口8与水电站4连接，水电站4通过尾水管13与下水库6连通，所述上水库1中设置有三个浮动式扩能承装容器12，每个浮动式扩能承装容器12中设置有不同质量的固体重力模块11。所述固体重力模块11是由形成物构成的规则圆长方形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。
32.本发明的实施例6：一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库1、引水管2、水电站4、与水电站4连接的变压器5、下水库6和与变压器5连接的输电线3，引水管2一端的管口7与上水库1连通，引水管2另一端的管口8与水电站4连接，水电站4通过尾水管13与
下水库6连通，所述上水库1中设置有至少一个浮动式扩能承装容器12，所述浮动式扩能承装容器12中设置有固体重力模块11。所述固体重力模块11是由形成物构成的不规则形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。
33.本系统的工作原理：通过设置在上水库1中的浮动式扩能承装容器12来安装固体重力模块11，利用浮动式扩能承装容器12及固体重力模块11排开上水库1中与之重量相等的水，通过浮动式扩能承装容器12及固体重力模块11所排开水的重力势能为原水库增加储能量，同时通过浮动式扩能承装容器12及固体重力模块11的重力势能为原水库增加了储能量。
34.本发明的实施例7：本发明系统可以在现有原水库上进行改进设计，通过在原上水库中放置装有固体重力模块11的浮动式扩能承装容器12，由此有效转化原水库的部分死库容区10为储能有效库容区9，提升原水库的蓄能能力。
35.以某抽水蓄能电站为例，上水库1原储能有效库容100万立方米，水重g1约为100万吨，上水库和下水库的高度差h为400米，储能、发电过程中上水库1的水位变化h2＝30米，在上水库1中放置一个浮动式扩能承装容器12，在浮动式扩能承装容器12中放置固体重力模块11，总质量约为10万吨。该抽水蓄能电站将增加蓄能量约119mwh，比未改造时蓄能量增加了约11％。改造前后储能量的变化：
36.原储能量e1＝g1
×
gh＝1111mwh
37.增加的储能量e2＝g2
×
gh+g2
×
gh2＝119mwh
38.总储能量e＝e1+e2＝1230mwh
39.由于放置浮动容器及固体重力模块引起的水位高差也会增加储能，但与其它因素相比，影响较小，故可忽略不计。
40.对于风电、光伏发电等新能源，由于其间歇性强、波动大、稳定性差，为确保电力供应的可靠性，常常需要配套储能系统进行调峰。在有条件的地区，采取抽水蓄能系统作为新能源储能是不错的选择。尤其是应对昼夜波动显著的光伏电站，采用本专专利提出的固体重力储能与抽水蓄能相结合的技术，进行日调节模式储能、发电，每天都能增加客观的经济效益，全年经济效益显著。
41.本发明的实施例8：一种扩大储能方法，包括在水库的库容区中设置至少一个承载着固定重力模块的浮动容器(即实施例1～7中的浮动式扩能承装容器12)，利用浮动容器使固体重力模块漂浮在水库中，利用固体重力模块和浮动容器排开水库中与固体重力模块和浮动容器总重量相等的水，通过所排开水量的重力势能和固体重力模块的重力势能为水库增加储能量，从而达到为水库扩大蓄能量的目的。本发明方法可以应用在现有原水库，现有原水库由于库底地形、泥沙淤积、引水管进出口设置等因素的限制，水库死水位线须有一定高度，死水位线下的死库容区的水量比较大，而原水库中可用于储能的储能有效库容区有限，没有充分利用上、下库水位高差储能、发电，利用本发明方法通过在现有原水库中放置至少一个承载着一定质量的固定重力模块的浮动容器，从而使得部分死库容区转化为储能有效库容区，提升原水库的蓄能能力，助力电力系统稳定运行。

技术特征：

1.一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，包括上水库(1)、引水管(2)、水电站(4)、与水电站(4)连接的变压器(5)、下水库(6)和与变压器(5)连接的输电线(3)，引水管(2)一端的上管口(7)与上水库(1)连通，引水管(2)另一端的下管口(8)与水电站(4)连接，水电站(4)通过尾水管(13)与下水库(6)连通，所述上水库(1)中设置有至少一个浮动式扩能承装容器(12)，所述浮动式扩能承装容器(12)中设置有固体重力模块(11)。2.根据权利要求1所述的一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，所述上水库(1)中设置有两个浮动式扩能承装容器(12)，每个浮动式扩能承装容器(12)中设置有相同质量的固体重力模块(11)。3.根据权利要求1所述的一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，所述上水库(1)中设置有两个浮动式扩能承装容器(12)，每个浮动式扩能承装容器(12)中设置有不同质量的固体重力模块(11)。4.根据权利要求1所述的一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，所述上水库(1)中设置有三个浮动式扩能承装容器(12)，每个浮动式扩能承装容器(12)中设置有相同质量的固体重力模块(11)。5.根据权利要求1所述的一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，所述上水库(1)中设置有三个浮动式扩能承装容器(12)，每个浮动式扩能承装容器(12)中设置有不同质量的固体重力模块(11)。6.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，所述固体重力模块(11)是由形成物构成的规则圆形状、正方形状、长方形状或者梯形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。7.根据权利要求1～5中任一权利要求所述的一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，其特征在于，所述固体重力模块(11)是由形成物构成的不规则形状结构体，所述形成物包括砂石、矿渣和/或不可回收的固体废旧物。8.如权利要求1～7中任一权利要求所述耦合固体重力储能的抽水蓄能系统中的扩能方法，其特征在于，包括在上水库中设置至少一个承载着固定重力模块的浮动容器，利用浮动容器使固体重力模块漂浮在上水库中，利用固体重力模块和浮动容器排开水库中与固体重力模块和浮动容器总重量相等的水，通过所排开水量的重力势能、固体重力模块和浮动容器的重力势能为水库增加储能能力，从而达到为水库扩大蓄能量的目的。

技术总结

本发明公开一种耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，包括上水库、引水管、水电站、与水电站连接的变压器、下水库和与变压器连接的输电线，引水管一端的上管口与上水库连通，引水管另一端下管口与水电站连接，水电站通过尾水管与下水库连通。上水库中设置有至少一个浮动式扩能承装容器，浮动式扩能承装容器中设置有固体重力模块。还公开了一种扩大储能方法。本发明这种扩大储能方法和本发明这种新型耦合固体重力储能的抽水蓄能系统，可实施性高，通过本发明扩大储能方法能够以较低成本对现有抽水蓄能站进行改造。水蓄能站进行改造。水蓄能站进行改造。