CN114962121A - 一种抽水蓄能电站耦合发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抽水蓄能电站耦合发电装置及方法，包括：至少一个耦合发电单元，所述耦合发电单元包括：第一水箱和第二水箱，所述第二水箱设置在第一水箱的下面，并与第一水箱连通；所述第二水箱底部分别设有容纳水轮机和发电机的封闭空间；水轮机与发电机连接，水轮机与第二水箱之间分别设有第一进水管和第一出水管；水轮机与水库之间分别设有第二进水管和第二出水管。本发明充分利用抽水蓄能电站运行过程中水库蓄水和放水时的状态，通过压力差发电和重力发电，利用水的能量带动汽轮机做功，进而带动发电机发电，不增加额外的能源消耗。

Description

一种抽水蓄能电站耦合发电装置及方法
技术领域
本发明涉及抽水蓄能电站耦合发电技术领域，尤其涉及一种抽水蓄能电站耦合发电装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
抽水蓄能电站是目前最经济的大型储能设施，它既能调峰又能填谷、启动迅速、运行灵活可靠，还适合承担调频、调相、事故备用、黑启动等任务。抽水蓄能电站是一种特殊形式的电站，它由上水库、下水库、输水***、厂房等组成。抽水蓄能电站利用其兼有水轮机和水泵功能，以水为载体，在电力负荷低谷时做水泵运行，吸收电力***多余的电能将下游水库的水抽到上水库储存起来；在电力负荷高峰时做水轮机运行，将水放至下水库，将水的重力势能转换成电能送回电网。
目前，抽水蓄能电站往往存在如下技术问题：
(1)现有的抽水蓄能电站抽水、放水引起水库水位落差30-40米左右，但是这部分落差的水的重力势能没有利用起来，白白浪费30-40米水的重力势能。
(2)现有的抽水蓄能电站水面面积较大，太阳直射导致水面蒸发量大，水面闲置，造成太阳能资源浪费。
(3)现有的抽水蓄能电站为加大上、下水库高差，上水库位置一般位于山顶，此处风资源较好，而现有的抽水蓄能电站没有与风电结合，造成风资源浪费。
(4)现有的抽水蓄能电站的效率一般为75％左右，在转换过程中产生能量损失。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种抽水蓄能电站耦合发电装置及方法，有效利用上下水库30-40米水位落差，通过利用上、下水库抽、放水时与耦合发电装置产生的压力及装置内水的重力发电，不需要额外电力输入，提高抽水蓄能电站的效率，减少在转换过程中产生能量损失。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种抽水蓄能电站耦合发电装置，包括：至少一个耦合发电单元，所述耦合发电单元包括：第一水箱和第二水箱，所述第二水箱设置在第一水箱的下面，并与第一水箱连通；所述第二水箱底部分别设有容纳水轮机和发电机的封闭空间；水轮机与发电机连接，水轮机与第二水箱之间分别设有第一进水管和第一出水管；水轮机与水库之间分别设有第二进水管和第二出水管。
作为可选的方案，所述第一水箱为水平方向设置，第一水箱底部设有支撑装置，第二水箱为竖直方向设置，第二水箱设置在第一水箱的下面。
作为可选的方案，所述第一水箱底部设有透水孔，透水孔上设有单向止水阀，第二水箱中的水能够通过透水孔进入第一水箱，但是第一水箱中的水不能够通过透水孔流出。
作为可选的方案，所述第一水箱顶部敷设太阳能光伏板。
作为可选的方案，多个耦合发电单元并排设置，至少一个耦合发电单元的水平水箱上设有风力发电装置。
作为可选的方案，所述耦合发电装置设置在抽水蓄能电站的上水库或下水库中，水轮机的位置低于水库死水位。
作为可选的方案，所述第一进水管、第一出水管、第二进水管和第二排水管上均设有阀门，根据需要控制阀门开闭。
作为可选的方案，当耦合发电装置所在水库的水位增加至设定位置时，控制水库中的水通过第二进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第二排水管进入第二水箱，直至将第一水箱充满水。
作为可选的方案，当耦合发电装置所在水库的水位减小至设定位置时，第二水箱和第一水箱中的水通过第一进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第一排水管进入水库，直至第二水箱的液位与水库的水位平齐。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种抽水蓄能电站耦合发电方法，包括：
当耦合发电装置所在水库的水位增加至设定位置时，控制水库中的水通过第二进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第二排水管进入第二水箱，直至将第一水箱充满水；
当耦合发电装置所在水库的水位减小至设定位置时，第二水箱和第一水箱中的水通过第一进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第一排水管进入水库，直至第二水箱的液位与水库的水位平齐。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明充分利用抽水蓄能电站运行过程中水库蓄水和放水时的状态，通过压力差发电和重力发电，利用水的能量带动汽轮机做功，进而带动发电机发电，不增加额外的能源消耗。
(2)本发明在抽水蓄能电站的上水库或下水库均可以安装，布置灵活。
(3)本发明第一水箱顶盖处敷设太阳能光伏板，可充分利用水平水箱顶部空间，增加发电量；同时，太阳能光伏板能够有效减少水库蒸发量，减少水库补给水量。
(4)本发明利用上游水库风资源较好的条件，在水平水箱上设置风电发电机，能有效利用风资源，增加发电量。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的第一水箱结构示意图；
图2为本发明实施例中的抽水蓄能电站耦合发电单元结构示意图；
其中，1.第一水箱，2.第二水箱，3.水箱支柱，4.水轮机层，5.发电机层，6.送出线缆，7.水库，8.光伏板，9.透水孔，10.风力发电机，11.水位计，12.第一进水管，13.第二进水管，14.第一排水管，15.第二排水管，16.进出水口，17.设备检修层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种抽水蓄能电站耦合发电装置，包括：至少一个耦合发电单元，结合图2，耦合发电单元包括：第一水箱1和第二水箱2，所述第二水箱2设置在第一水箱1的下面，并与第一水箱1连通；所述第二水箱2底部分别设有容纳水轮机和发电机的封闭空间；水轮机与发电机连接，水轮机与第二水箱2之间分别设有第一进水管12和第一排水管14；水轮机与水库7之间分别设有第二进水管13和第二排水管15。
本实施例中，结合图1，第一水箱1为水平方向设置的水箱，可以为圆形或矩形钢筋混凝土结构(或其他轻型材质)；第一水箱1四周设有水箱支柱3，水箱支柱3与水库7底部连接固定；第一水箱1的顶部可以铺设太阳能光伏板8，以实现光伏发电；为了使第一水箱1不受水库7水体浮力影响，第一水箱1底部设置若干透水孔9，内置止水阀，止水阀具有单向流通特性，第二水箱2中的水可以通过透水孔9和止水阀进入第一水箱1，但是，第一水箱1中的水不能通过透水孔9和止水阀流出。
第二水箱2设置在第一水箱1的下面，并与第一水箱1连通；第二水箱2为竖直方向设置的水箱，可以为中空圆柱形的钢筋混凝土结构；第二水箱2的底部通过基础与水库7底部连接固定。
结合图2，第二水箱2内分别控制层、设备检修层17、发电机层5和水轮机层4；控制层、设备检修层17、发电机层5和水轮机层4分别设置在封闭隔水的空间内；其中，设备检修层17位于第二水箱2顶部，同层布置，并高于第一水箱1的水面；控制层主要控制整个装置设备，设备检修层17主要为发电机和水轮机检修使用；发电机层5和水轮机层4位于第二水箱2底部，发电机层5位于水轮机层4上部，发电机层5主要布置发电机设备，用于发电及电力送出，水轮机层4主要布置水轮机设备；水轮机位于水库7死水位以下，第二水箱2上设有进出水口16，通过进出水口16与第一水箱1连通。
本实施例中，水轮机与第二水箱2之间连接第一进水管12，水轮机与水库7之间连接第一排水管14；当水库7中的水位低于第二水箱2中的设定水位时，第二水箱2中的水通过第一进水管12进入汽轮机内部做功，从而使得汽轮机带动发电机发电，然后通过第一排水管14排入水库7。
水轮机与水库7之间连接第二进水管13，水轮机与第二水箱2之间连接第二排水管15；当水库7中的水位达到第二水箱2的设定高水位时，控制水库7中的水通过第二进水管13进入汽轮机内部做功，从而使得汽轮机带动发电机发电，然后通过第二排水管15排入第二水箱2。
第一进水管12、第一排水管14、第二进水管13和第二排水管15上均设置有阀门，可以根据需要控制阀门的开闭。
本实施例中，第二水箱2上部设置水位计11，当水库7内的水位达到第二水箱2上水位计11的位置时，可以控制第二进水管13和第二排水管15上的阀门打开。
本实施例中，在第一水箱1的顶盖处敷设太阳能光伏板8，可充分利用第一水箱1顶部的空间，通过光伏发电增加发电量；还能有效减少水库7蒸发量，减少水库7补给水量。
在另一些实施方式中，在第一水箱1上设置风电发电机，能有效利用风资源，增加发电量。
本实施例中，第一水箱1和第二水箱2的体积根据实际需要进行设置，当然，多个耦合发电单元还可以根据实际情况并排设置，形成一个耦合发电单元集群，特别是将该集群设置在上游水库7时，可以充分利用上游水库7的风力资源，在该集群内至少设有一个风力发电装置，以增大发电量。
需要说明的是，发电机、光伏发电装置、风力发电机10所产生的的电能，均通过输电线路连接至抽水蓄能电站，为其提供电能。
本实施例中，耦合发电装置可以根据需要设置在抽水蓄能电站的上水库7或下水库7中，水轮机的位置低于水库7死水位。
本实施例以耦合发电装置设置在下游水库7为例进行说明，包括如下过程：
第一阶段压力差发电：当抽水蓄能电站上水库7开始向下水库7放水发电时，位于下水库7的第二进水管13和第二进水管13上的阀门均关闭，装置内无水。随着上水库7向下水库7完成一个放水发电的过程，下水库7水位由死水位升至正常蓄水位，下水库7水体与第二水箱2之间形成压力差；当水库7内水位升至第二水箱2上部液位计所在的位置时，第二进水管13上的阀门打开，由于压力差的作用，下水库7中的水由第二进水管13进入水轮机，推动水轮机做功，水轮机带动发电机发电；发电机的发电通过送出线缆6接至抽水蓄能电站开关站。
同时，第二排水管15上的阀门打开，水轮机排出的水经过第二排水管15进入第二水箱2；当第二水箱2中的水位上升至第一水箱1的底部时，水通过底部的透水孔9进入到第一水箱1中，当第一水箱1储满水时，第二进水管13和第二排水管15上的阀门关闭。
第二阶段重力发电：当抽水蓄能电站下水库7开始向上水库7抽水时，位于下水库7第一进水管12和第一排水管14上的阀门关闭；第一水箱1和第二水箱2内充满水。随着上、下水库7完成一个抽水蓄能的过程，下水库7水位由正常蓄水位降至死水位，第一水箱1及第二水箱2内水体与下水库7水体之间形成高度差。
当电力负荷高峰时，控制第一进水管12和第一排水管14上的阀门打开，由于压力差的作用，第一水箱1和第二水箱2内的水由第一进水管12进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电，所发的电通过送出线缆6接至抽水蓄能电站开关站。水轮机排出的水再通过第一排水管14进入下水库7，当第二水箱2内的水位与水库7中的水位平齐时，第一进水管12和第一排水管14上的阀门关闭。
当耦合发电装置设置在上水库7时，工作原理与此相似。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种抽水蓄能电站耦合发电方法，包括如下过程：
当耦合发电装置所在水库7的水位增加至设定位置时，控制水库7中的水通过第二进水管13进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第二排水管15进入第二水箱2，直至将第一水箱1和第二水箱2充满水；
当耦合发电装置所在水库7的水位减小至设定位置时，第二水箱2和第一水箱1中的水通过第一进水管12进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第一排水管14进入水库7，直至第二水箱2的液位与水库7的水位平齐。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，包括：至少一个耦合发电单元，所述耦合发电单元包括：第一水箱和第二水箱，所述第二水箱设置在第一水箱的下面，并与第一水箱连通；所述第二水箱底部分别设有容纳水轮机和发电机的封闭空间；水轮机与发电机连接，水轮机与第二水箱之间分别设有第一进水管和第一出水管；水轮机与水库之间分别设有第二进水管和第二出水管。
2.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，所述第一水箱为水平方向设置，第一水箱底部设有支撑装置，第二水箱为竖直方向设置，第二水箱设置在第一水箱的下面。
3.如权利要求2所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，所述第一水箱底部设有透水孔，透水孔上设有单向止水阀，第二水箱中的水能够通过透水孔进入第一水箱，但是第一水箱中的水不能够通过透水孔流出。
4.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，所述第一水箱顶部敷设太阳能光伏板。
5.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，多个耦合发电单元并排设置，至少一个耦合发电单元的水平水箱上设有风力发电装置。
6.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，所述耦合发电装置设置在抽水蓄能电站的上水库或下水库中，水轮机的位置低于水库死水位。
7.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，所述第一进水管、第一出水管、第二进水管和第二排水管上均设有阀门，根据需要控制阀门开闭。
8.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，当耦合发电装置所在水库的水位增加至设定位置时，控制水库中的水通过第二进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第二排水管进入第二水箱，直至将第一水箱充满水。
9.如权利要求1所述的一种抽水蓄能电站耦合发电装置，其特征在于，当耦合发电装置所在水库的水位减小至设定位置时，第二水箱和第一水箱中的水通过第一进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第一排水管进入水库，直至第二水箱的液位与水库的水位平齐。
10.一种抽水蓄能电站耦合发电方法，其特征在于，包括：
当耦合发电装置所在水库的水位增加至设定位置时，控制水库中的水通过第二进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第二排水管进入第二水箱，直至将第一水箱充满水；
当耦合发电装置所在水库的水位减小至设定位置时，第二水箱和第一水箱中的水通过第一进水管进入水轮机，推动水轮机做功，进而带动发电机发电；水轮机中的水通过第一排水管进入水库，直至第二水箱的液位与水库的水位平齐。
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