抽水储能电站的轿厢式抽水系统

技术领域

本发明属于电力储能系统中的物理储能领域，特别涉及一种抽水储能电站的轿厢式抽水系统。

背景技术

随着新型电力系统建设的持续推进，电力系统呈现出高比例可再生能源、高比例电力电子设备的特征，然而风能和太阳能等可再生能源发电技术存在具有不稳定性、随机性、间歇性的缺点，极易产生供需错配问题。具体来说，风电、光电站分别在凌晨、中午发电最大，而用电高峰在早晨10点和晚上8点，而这些发电站的发电高峰时段分布与用电负荷高峰时段存在较大的错位矛盾。发电高峰与用电高峰不对应，导致发电高峰期用不掉的多余电能被白白浪费掉，而用电高峰期恰恰又不是发电高峰期，又会出现电网负荷大供应不足的问题。此外，季节、天气等因素也将加大系能源发电的不稳定性。随着波动性和间歇性可再生能源在电源结构中占的比持续增长，供应侧也将出现随机波动的特性，电网频率控制愈发重要，调峰调频需求日益迫切，解决这一问题的有效方法是采用电力储能系统，将发电高峰期大量富裕的低价电力储存起来，利用电力储能系统平滑电力系统发电的输出和削峰填谷，均衡电网的负荷。

电力储能包括机械储能、电化学储能、电磁储能、热储能、化学储能等多种方式。电化学储能最常见的就是使用大量的蓄电池进行充放电，机械储能则有较为常见的抽水储能、重力储能及压缩空气储能等。当然，抽水储能也是重力储能的一种，利用发电高峰期电网上富裕的低价电能将水抽到更高位置的水库（例如山顶水库），用电高峰时再将水库的水引下来至发电机组进行水力发电，利用的是水的势能。常见的山顶水库储能是将位于低洼地的水源用抽水机抽到位于高处如山顶的蓄水池内，在用电高峰时在开闸将高处的水泄放下来冲击水力发电机的叶轮进行发电。另外是直接利用自然的湖泊洞穴或者矿坑一类的，将高于这些低洼处的自然河流湖泊的水直接引到低处的矿坑进行发电。这样可以利用天然形成的有利地形或者是二次利用的原则，可以极大地降低储能电站的建造成本，进一步提高利润率。这在最近几年已被广为开发使用，因为经过勘察，我国很多地方比如福建、浙江一带都存在不少这些有利的地形。但是，与传统的人工在高处建立蓄水池进行蓄能的方式不同，传统的高处蓄水池，其发电机叶轮位于下方，且推动发电机叶轮的水进入到低洼处的河流或者自然湖泊时，以人工蓄水池的蓄水量来说对发电机叶轮下方的水位几乎不造成任何影响，但是以矿坑等低洼处的蓄水情况来说，以利用矿坑建造储能电站为例，随着蓄能电站水力发电的持续进行，由于矿坑一般库容量有限，因此矿坑内水位会逐渐上升。此时，位于最低处以最大限度利用水力势能的发电机叶轮就会逐渐沉没入水中造成运转阻力，降低了运转的效率。而在抽水时，过长的引水管也降低了水泵的扬程能力，提高了能耗。而储能电站本身是靠用电高低峰时的不同电价的价差来创造利润，因此，对于本身的运作效率非常敏感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种抽水储能电站的轿厢式抽水系统，能够根据水位的变化随时变化叶轮或机组的位置，提高运转效率。

为解决上述问题，本发明所述的抽水储能电站的轿厢式抽水系统，所述的抽水储能电站，包含有相互独立且两者之间又互相临近的第一水库及第二水库；所述的第一水库的水位高于所述的第二水库，第二水库的底部低于第一水库的水位以保证有足够的发电落差；所述的第一水库与所述第二水库之间有输水管相连；

抽水发电一体机，所述抽水发电一体机在用电波谷期为水泵工作状态，将第二水库的水输出至第一水库，以清理出所述第二水库的库容；所述抽水发电一体机上方连接有伸缩式的导水管，可变换长度；

所述抽水发电一体机的叶轮位于第二水库的导水管的末端下方，在用电高峰期时，所述抽水发电一体机工作在发电机状态，利用第一水库与第二水库之间的水位落差实现的水力发电；所述的抽水发电一体机位于一个轿厢内，所述的轿厢结构沿垂直立于所述第二水库中的所述垂直的导轨上下移动；

所述的抽水发电一体机在轿厢中，其上方安装有可伸缩变换长度的输水管，导水管的出口位于第一水库的水面；所述抽水发电一体机的叶轮位于所述导水管在第二水库的末端；

所述的用电高峰期及用电波谷期是指外部社会公共电网的负荷状态；用电高峰期为所述抽水储能电站的发电阶段，用电波谷期为所述抽水储能电站的储能阶段。

进一步地，所述的第一水库为自然河道、河流、湖泊或其他自然的其库容量可视为无限的水资源，其水位落差波动对所述的抽水储能电站的影响可忽略不计。

进一步地，所述的第二水库低于第一水库且与所述第一水库具有足够的落差来进行水力发电；所述第二水库为位于低洼处的矿坑、水塘、洞穴或者是其他的具有一定库容量的储水地貌；所述第二水库作为抽水储能电站的储水设施。

进一步地，所述的抽水储能电站还包含控制系统，所述控制系统与所述抽水发电一体机以及轿厢连接，监控它们的工作状态并控制它们的运转。

进一步地，所述的第一水库与所述第二水库之间的输水管还设有第一电动闸阀，由所述控制系统控制其开关，以调节或切断所述第一水库与第二水库之间的水流量。

进一步地，所述的抽水发电一体机的叶轮接于所述导水管的末端，且位于所述第二水库的水面之上；将所述第一水库的水通过输水管及导水管引至发电机的叶轮上，推动叶轮旋转实现发电；在所述抽水储能电站处于发电状态时，所述第二水库的水面逐渐升高，控制系统控制所述轿厢向上运动，抬高所述抽水发电一体机及其叶轮所在的轿厢，以保证所述叶轮始终位于所述第二水库的水面之上，降低叶轮的运转阻力，实现最高的水流利用率。

进一步地，所述的轿厢内安装有传感装置，所述传感装置能感应水面，测量叶轮与所述第二水库的水面之间的相对距离，当第二水库的水位发生变化时，传感装置联动所述控制系统控制所述轿厢的升降，使所述叶轮始终保持位于最高效的水流利用率的位置，提高发电效率。

进一步地，所述的抽水发电一体机将所述第二水库的水抽送至所述第一水库，在向第一水库进行抽水的储能阶段，所述的轿厢的高度保持将所述水泵的叶轮位于所述第二水库的水面以下即可；当持续抽水导致所述第二水库的水位下降时，所述轿厢在竖井中也逐渐沿导轨下降，以保持所述叶轮与所述第二水库的水面的相对位置保持不变，以降低所述水泵的运转负荷，降低能耗。

进一步地，所述的轿厢沿导轨进行升降，是通过设置于顶部的起重卷扬系统对连接轿厢的钢缆进行收放牵引，使轿厢在所述第二水库中沿导轨上下运动，调整与所述第二水库水面的相对位置，且联动可伸缩的导水管一起伸缩。

进一步地，所述的轿厢沿导轨进行升降，是通过固定设置于轿厢上的电动机所带动的齿轮与所述导轨上的齿条发生相对运动实现轿厢的升降；所述齿条顺导轨方向延伸并固定于导轨上，所述电动机带动的齿轮与所述齿条上的齿啮合，当电动机带动齿轮旋转时，齿轮与固定的齿条发生相位位移，同步带动轿厢的升降。

进一步地，所述的可伸缩变换长度的导水管为多层套筒式结构，或者是波纹管结构。

进一步地，所述的轿厢还包含刹车系统，当轿厢不需要升降时，能锁定轿厢与导轨的连接而不发生滑动。

进一步地，所述的抽水发电一体机，能替换为独立的水泵和发电机，分别连接各自的可伸缩的导水管。

进一步地，所述的导轨是设置于所述导水管的内部，与所述导水管进行集成，节省外部安装空间。

进一步地，所述的导轨是设置于所述导水管的外部，形成单根的导轨或者是门架结构的导轨，提高负载能力及稳定性。

本发明所述的抽水储能电站的轿厢式抽水系统，通过将抽水储能电站的抽水发电一体机设置于可升降的轿厢结构内，使所述轿厢能随着水位的变化来上下运动，始终保持水泵或发电机在一个最优化的运转位置上，进一步提高运转效率，可最大化整个抽水储能电站的储能效率，经济效益更高。

附图说明

图1 是本发明抽水储能电站的轿厢式抽水系统的实施例一示意图，为套筒式的无导轨结构。

图2 是本发明抽水储能电站的轿厢式抽水系统的实施例二示意图，包含导轨系统。

图3 是本发明轿厢式抽水系统的轿厢内结构放大图，包含导水管末端、叶轮、抽水发电一体机及相关承载平台等。

1是第二水库（废弃矿坑、溶洞等），2是坑体，3是伸缩式导水管（套筒），4是第一水库（河道、湖泊等），5是输水管或引渠，6是储能电站建筑，7是卷扬机，8是（电动）阀门，9是轿厢驱动钢丝绳，10是密封圈，11是传动锥形齿轮，12是连轴器，13是抽水发电一体机，14是传感装置（水面感应器），15是轿厢，16是叶轮，17是导轨。

实施方式

以下结合附图给出本发明的具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于以下的实施方式。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明公开一种抽水储能电站的轿厢式抽水系统，所述的抽水储能电站，是基本利用自然环境或废弃的人造环境来建造的储能系统。如图1所示，包含有相互独立且两者之间又互相临近的第一水库4及第二水库1；所述的第一水库4的水位高于所述的第二水库1，第二水库1的底部远远低于第一水库的水位以保证有足够的发电落差；所述的第一水库4可以是自然河道、河流、湖泊或其他自然的水资源，其水资源库容量对于本储能电站系统来说可视为无限的水资源，其水位落差波动对本发明所述的抽水储能电站的影响可忽略不计。

所述的第二水库1的位置低于第一水库4且与所述第一水库具有足够的水位落差来进行水力发电。所述第二水库1为位于低洼处的废弃矿坑、水塘、自然深坑、洞穴或者是其他的具有一定库容量的储水地貌；所述第二水库1作为抽水储能电站的储水设施。

所述的第一水库与所述第二水库之间有输水管道或者是引渠相连，其连接形式不限，所述输水管道上还具有阀门或电动阀门，受控制系统控制，必要时可调节或切断第一水库与第二水库之间的水流量。

所述的轿厢中，包含抽水发电一体机以及相应配套结构，可图1结合附图3所示，所述抽水发电一体机在用电波谷期，即电价较便宜时，将第二水库的水抽出至第一水库，以清理出所述第二水库的库容，此时为储能阶段；所述抽水发电一体机上方连接有伸缩式的导水管（套筒形式）3。在用电高峰期，即电价较高时，所述抽水发电一体机工作在发电机状态，利用第一水库与第二水库之间的水位落差实现在用电高峰期时的水力发电。

当然，所述的抽水发电一体机13，是目前使用面比较广的一种集成化设计，其结构更加紧凑。在一些应用情况下，也可以采用独立的水泵+发电机的传统设计方式，分别独立完成抽水和发电的功能。当采用水泵、发电机各自独立的设计方式时，需要分别给水泵和发电机接上各自的同样可伸缩的导水管，本领域技术人员应当能够理解并实现其设计及工作方式，在此本发明不做详细展开，本发明实施例依然采用集成化的设计来进行说明。

所述的抽水发电一体机在轿厢中，其上方安装有可伸缩变换长度的导水管3，导水管的一端与输水管或者引渠相连，导水管的出口位于第一水库的水面的叶轮位置；所述抽水发电一体机的叶轮16位于所述导水管在第二水库水面位置的末端。

所述的可伸缩的导水管，可以采用套筒式设计，也可以采用波纹管。在无导轨的设计中，可采用套筒式的连接结构，这样既可以保证伸缩性，同时套筒结构的导水管还能有足够的支撑强度来支撑整个轿厢重量包括水流的冲击，如图1所示。

另外，本发明还提供一种额外的实施例二，如图2所示，是包含导轨结构的升降系统，整个轿厢结构沿导轨进行上下运动，由于导轨的存在，可协助支撑整个轿厢以及水流冲击。因此，此时的导水管可以采用套筒结构，也可以采用波纹管结构，具有更大的自由度。此时，轿厢结构的升降由起重卷扬系统7及钢丝绳9来完成。

导轨可设置为单导轨的结构，集成于所述套筒式的导水管内部，也可以采用双导轨形成门架系统位于导水管外部，具有最高的结构强度，可依实际情况自由选取合适的方案。图2中所示的单导轨结构位于导水管3的外部，整个轿厢平台沿导轨升降。

在一些应用情况下，所述轿厢的升降，还可以采用在轿厢中固定一台电动机，同时在整个导轨上安装有齿条，通过电动机带动齿轮，所述齿轮与齿条啮合，齿轮转动时会沿齿条上下运动实现带动整个轿厢平台的升降。可以实现对前述卷扬系统的替换，省略掉钢丝绳及滑轮组等结构。

所述轿厢中还具有传感器，所述传感器能感应水面位置，或者是监控所述轿厢与所述第二水库的水面的相对位置；将响应的位置信息传输给控制系统。所述控制系统根据所述传感器感应的水位信息，控制所述轿厢平台的升降，以保证所述叶轮与水面的相对位置符合设计预期。

所述的抽水储能电站的控制系统，所述控制系统与所述抽水发电一体机以及轿厢连接，监控它们的工作状态并控制它们的运转。

所述的用电高峰期及用电波谷期是指外部社会公共电网的负荷状态；用电高峰期为所述抽水储能电站的发电阶段，用电波谷期为所述抽水储能电站的储能阶段。用电高峰期具有较高的市电价格，而用电波谷期具有较便宜的市电价格。所述抽水发电一体机在用电波谷期利用便宜的市电进行抽水储能，而在用电高峰期利用水力进行发电，所发的电力销售给社会公共电网，利用此时较高的市电价格实现盈利。

在发电阶段：

此时所述第二水库的水位处于基本清空库容的低水位，所述的抽水发电一体机工作在发电状态，的叶轮接于所述导水管的末端，且位于所述第二水库的水面之上；将所述第一水库的水通过输水管及导水管引至抽水发电一体机的叶轮上，推动叶轮旋转实现发电；在所述抽水储能电站处于发电状态时，所述第二水库的水面逐渐升高，所述的轿厢中安装有水位传感器，所述水位传感器能感测水位的位置，测量出叶轮与所述第二水库的水面之间的相对距离，并向所述控制系统发送水位信息。

所述控制系统接收到水位控制信号并控制所述轿厢向上运动，抬高所述抽水发电一体机及其叶轮，以保证所述叶轮始终位于所述第二水库的水面之上，降低叶轮的运转阻力，实现最高的水流利用率。

在储能阶段：

所述的抽水发电一体机此时工作在抽水状态，且所述第二水库位于基本满水的高水位。将所述第二水库的水抽送至所述第一水库，在向第一水库进行抽水的储能阶段，所述的轿厢的高度保持将所述抽水发电一体机的叶轮位于所述第二水库的水面以下即可，而不是完全浸没到所述第二水库较深的底部，实现导水管尽量短的工作长度降低运转阻力；当持续抽水导致所述第二水库的水位下降时，所述轿厢也逐渐沿导轨或者是直接由套筒结构下降，以保持所述叶轮与所述第二水库的水面的相对位置保持不变。实现了减轻所述抽水发电一体机的运转负荷，降低能耗。

所述的轿厢沿导轨进行升降，是通过设置于竖井顶部的起重卷扬系统对连接轿厢的钢缆进行收放牵引，使轿厢在所述第二水库中上下运动，调整与所述第二水库水面的相对位置。也可以通过固定设置于轿厢上的电动机所带动的齿轮与所述竖井中的导轨上的齿条发生相对运动实现轿厢的升降；所述齿条顺导轨方向延伸并固定于导轨上，所述电动机带动的齿轮与所述齿条上的齿啮合，当电动机带动齿轮旋转时，齿轮与固定的齿条发生相位位移，同步带动轿厢的升降。

当所述轿厢因为水位的变换而上下运动时，此时需要所述的导水管同步伸缩变换其长度以与轿厢的位置来匹配，导水管可以采用套筒式结构或者波纹管的结构，配合相应的导引装置即可实现。

所述的轿厢还包含刹车系统，当轿厢不需要升降时，能锁定轿厢与导轨的连接而不发生滑动。

本发明所述的抽水储能电站的轿厢式抽水系统，通过将抽水储能电站的抽水发电一体机设置于可升降的轿厢结构内，使所述轿厢能随着水位的变化来上下运动，始终保持抽水发电一体机的叶轮在一个最优化的运转位置上，进一步提高运转效率，可最大化整个抽水储能电站的储能效率，经济效益更高。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。