CN102124210A - 蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于储蓄大量能量的蓄能系统。所述蓄能系统补偿电网中电力消耗的波动，并且例如可以与各种可再生能源结合使用。所述系统包括容器；载荷和能量转化结构。所述载荷在所述容器上提供偏压力，由此向着具备较小容积的配置偏压所述容器。当存在过剩电力时，通过将水泵送到所述容器中，涡轮机或者类似能量转化结构可以抵抗所述载荷工作。在以后的某时点，当流体在所述载荷的偏压力的压力下从所述容器释放时，所述转化结构可以根据流动能量重新产生电力。

Description

蓄能系统

技术领域

本发明涉及用于蓄能的蓄能系统。具体来说，本发明涉及能在固定位置储蓄大量能量的系统。本发明进一步涉及补偿电力供应波动的方法以及防止地下区域被淹没的方法。

背景技术

需要储蓄大量能量的能力并不仅仅是因为可再生能源例如太阳能、水或风能的使用增加，或者因为使用最有效地操作且具备恒定输出的电厂或者提供无法非常快速地调节的电力输出的电厂。在这种供电系统或者电网中，电力需求波动导致急切需要储蓄过剩能量以便以后使用。

电池以及其他化学蓄能系统通常面临的困境是相对于可以储蓄的能量来说过于昂贵和占用空间。此外，有毒或者有害环境的元素诸如酸、重金属或者氢等，通常限制了这些系统在大规模系统中的应用。而且，特定材料诸如用于电池的铅或者其他金属的受限可用性，可能阻碍构建大规模系统。

在所谓的“泵送蓄能”中，US2005/0034452是这种类型的系统的例子，通常在位于不同高度的两个容器之间泵送水。较低的容器通常是湖泊或大海。但是，这种方案要求特别配置的地域，优选靠近湖泊或海滨，并且所需的高度差并不总是可以实现。此外，从较高位置泄漏的水，并不仅仅是咸水或其他被污染的水，可能对地下水造成严重的破坏。此外，已知的泵送蓄能通常设计用于最大可能的蓄能能力，原因是后续扩容成本相当高昂。一个原因是，例如在不让所述蓄能系统长期停止操作的情况下，无法更换盆槽和管道。因此，涡轮机、泵、管道、马达和发电机通常针对具体蓄能位置进行确定，这通常要求对每个蓄能电厂进行昂贵的定制设计。已知的泵送蓄能系统因此成本太过高昂而无法实施为非常大规模电力系统的电力备用系统。

一般来说，已知系统具有有限的规模并且迄今仅用于储蓄非常少量的能量，尤其是较之补偿例如全国范围内的电网波动所需的蓄能容量而言。在足够用于这种目的大规模层面，根据已知技术构造系统，通常要求比可以获得的情况——至少在经济上合理的框架内，更多的空间或材料量。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以储蓄大量能量而不使用环境有害化学物的系统。

本发明进一步的目的是提供一种蓄能系统，这种系统污染地下水的风险较小。

本发明进一步的目的是提供一种蓄能系统，该蓄能系统可以安置在靠近大海的平坦海滨区域中。

本发明进一步的目的是提供一种模块化的、经济上具备吸引力的并且容易缩放规模的蓄能系统，这种蓄能系统可以利用标准设备构建，与此同时，构建规模足够大，以补偿大型电网波动。

根据第一方面，本发明提供一种蓄能系统，所述蓄能系统包括容器、载荷以及能量转化结构。

所述载荷和所述容器设置地使得所述容器的容积可以通过背离起始点位移所述载荷而增大，并且使得所述载荷在需要减小容积时，在重力的影响下，可以向所述起始点返回。

所述能量转化结构适配地通过消耗能量将流体介质泵送到所述空间中而增大所述容积，并且通过从所述空间释放流体介质而减小所述空间，同时将流体介质中的流动能量转化为机械能。

所述机械能可以仅构成初步转化步骤，因为所述机械能通常将再次转化成电能。

当电网中存在过剩电力时，可以消耗所述过剩电力，同时抵抗重力背离起始点位移所述载荷。当在以后某时点需要电力时，可以将过程反转并且将升高的载荷的势能重新生成电力。因此，提供了一种能储蓄大量能量的蓄能系统，并且由于能量利用重力来储蓄，所以这一过程中不需要涉及有害或者潜在污染或者高成本的化学物。当载荷从起始点升高时，由于通过转化储蓄在载荷中的势能来提供流动能量，所以所述系统也可以在地形不存在任何自然高度差的平坦位置实施。

所述载荷可以是天然存在的材料诸如土壤、沙子、粘土、砾石、卵石等，优选包括构建所述系统的地方天然存在的材料。

所述容器例如可以由布置在地面以下的挠性膜料构成。在这种情况下，所述地面可以构成所述载荷。通常，所述容器可以制作成储蓄常见的水，例如来自湖泊或大海的淡水或咸水。在这种情况下，所述容器还可以构成淡水供应件、消防紧急水库或者形成其一部分，或者可以用于防止较低的地面被淹没，例如在紧急情况下。

在一种实施方式中，所述容器包括形成闭合空间的膜料，并且所述载荷作用在所述膜料的上层上。所述上层膜料可以接合到下层，以便在所述膜料层之间形成空间，所述膜料层可以在膜料层的边缘部分的接头区域中接合，并且所述接头区域位于所述容器的剩余部分下方。

在一种实施方式中，所述上膜料层和所述下膜料层以不同材料制成。

在进一步的实施方式中，上膜料层以密度小于流体介质的材料制成，而下膜料以密度大于流体介质的材料制成。通过选择不同材料，可以避免在周围泥土浸水饱和的情况下，膜料层发生下降和上升。

所述膜料可以用聚合物材料制成，并且一般可以使用用于游泳池的那种材料。适当的材料可以是高密度聚乙烯(HDPE)。所述容器可以具有实体底部，例如以水泥制成，或者所述膜料可以包括沿着其边缘接合的上下挠性层。所述膜料例如可以用金属或高岭土制成，或者通过以柏油或者具有类似属性的其他材料浸渍饱和的沙层来制作。

膜料的边缘可以埋入低于容器剩余部分的深度。这样将补偿容器内侧的流体压力并且支撑上下挠性膜料层的接头。所述边缘通常可以在容器剩余部分的底部以下深达两米以上。

为了保护所述膜料防止损坏，可以在所述容器以下布置沙层。

所述载荷优选包括安置所述系统的地方天然存在的材料，比如土壤、沙子、粘土、砾石、卵石等。

通常，所述容器的尺寸可以介于400x400x8米到500x500x12米之间，即表面尺寸为160000-250000平方米和高度8-12米。所述载荷可以由20-25米厚的土壤、卵石、砾石、沙子、粘土或安置所述系统的地方地面中天然存在的类似材料层构成。通过这种方式，在上述区域中可以去除160000-250000平方米、层厚为20-25米的现有地面，形成闭合空间的膜料可以布置在地面材料被去除的地方。接下来，所述闭合空间利用导管系统连接到能量转化结构，并且去除的地面材料重新布置在所述膜料顶部上。在土壤密度为2500kg每立方米的情况下，蓄能系统可以获得大约200MWh的容量，并且在所述容器以水填充时，水压大约为5巴。所述系统可以优选设计地用于介于2巴到10巴的操作水压，这样允许使用高效涡轮机和使用标准管道材料。

本文中，所述起始点定义为所述容器空置时所述膜料的位置。所述起始点例如可以是所述上层和所述下层彼此接触的位置。

流体的流动能量在文中指的是在流体流出所述容器时可以获得的动能或势能。

在一种实施方式中，所述转化结构包括涡轮机，所述涡轮机可以通过向所述容器位移流体而利用机械能操作并利用所述流体的流动能量操作来提供机械能。

此外，所述转化结构可以包括可以利用机械能操作来提供电能的发电机。

所述能量转化结构例如可以是标准泵送涡轮机，诸如费朗西斯式(Francis)涡轮机；双控斜流涡轮机诸如德立亚式(Deriaz)涡轮机或者垂直卡普兰式(Kaplan)涡轮机。所述转换结构还可以包括作为单独部件的泵和涡轮机，其中泵用于将流体填充到所述容器中，而涡轮机用于将流体的流动能量转化为机械能。所述转化结构可以进一步包括相组合的驱动和发电装置，该装置可以利用电力来驱动涡轮机并且可以在被涡轮机驱动时提供电力。所述转化结构还可以包括作为两个独立部件的马达和发电机。

如上所述，所涉及的流体介质通常是水或者在前述2-10巴的压力下基本上不可压缩的类似流体。使用密度显著大于空气的不可压缩流体提高了系统的效率和安全性。还保证了容器顶板以受控的和稳定的方式向上和向下移动。

为了确定所述系统中的能量容量，可以布置高度测量结构来确定所述容器的高度。在一种示例中，高度测量结构简单地确定所述系统中不存在能量时所述容器上的地面升高地高出零值高度的距离。在另一种示例中，所述容器中上层和下层之间的距离例如利用光学或声学进行测量，即基于声纳的测量设备。可以使用若干设备来确定所述容器顶板更为详细的高度轮廓。所述能量容量还可以通过测量流体介质泵送到所述容器中或从所述容器排泄时的流体介质流来确定。

为了能检测流体介质从所述容器泄漏，所述系统可以包括泄漏检测结构，所述泄漏检测结构可以是包括适配成声学感知的传感器的结构。用于声学感知的传感器可以检测例如所述容器内的流体流或者通过容器壁上的孔的流体流，或者可以检测所述载荷的运动。作为替代或者另外，所述系统可以包括流体传感器，例如布置成经由排水导管与所述容器连通，所述排水导管设置在所述容器下方和/或上方，以便将可能泄露的流体排放到所述流体传感器。在本文中，流体传感器指的是适配成检测流体出现的传感器和/或适配成测量流体属性诸如盐度的传感器。

具有优势的是，所述系统包括多个容器，每个容器布置在载荷下方，所述载荷作用在所述容器上，使得所述容器的容积可以通过背离起始点位移所述载荷而增大，并使得在减小容积时，所述载荷可以向所述起始点返回，其中所述能量转化结构经由包括用于每个容器的阀的连接结构而连接到每个容器。

为了提高灵活性和性能，所述系统可以包括多个上述容器。在这种情况下，所述能量转化结构可以经由连接结构连接到每个容器，所述连接结构包括用于每个容器的阀，以使它们可以被各个激活或去活。所述系统可以进一步包括若干能量转化结构，每个能量转化结构连接到其各自一组容器。因此，所述系统可以容易地缩放，因为它可以包括一定数量的标准部件来匹配具体情况的需求。如果蓄能容量的需求增加，则可以增加额外的容器和能量转化结构而不需要让系统现有的元件去活。

所述系统可以包括多个容器，例如完全分开的容器和/或具备不同载荷的容器，例如每个容器顶部的土壤或沙子量分别适配的容器。在不同的容器上使用不同的载荷有利于有效地使用所述系统，有利于更为灵活地适配具体的蓄能需求，并且有利于使用尺寸基本上相等的能量转化结构，即使所述容器相对于能量转化结构置于不同高度，例如置于斜坡地形上的情况下。在远离天然水源的地方，所述系统可以在位于不同高度的容器和/或具备不同载荷的容器之间泵送水。作为示例，太阳能电厂可以电连接到包括两个容器的系统，其中一个容器可以安置在土壤或沙子表面以下较深处，而另一个容器安置地较浅，以使两个容器之间的水压存在压力差。使用闭合低压容器可以防止水蒸发，比如从敞开的容器蒸发。通过这种方式，例如可以在沙漠地区实现恒定电力的太阳能电厂。

为了维护和检查目的，所述容器可以包括锁止件，所述锁止件允许维护人员和/或机器人进入。

在第二方面，本发明提供一种补偿供电系统中需求和生产波动的方法。根据这种方法，提供了如上所述的系统。通过将流体介质泵送到所述容器中，从供电件消耗过剩电力，至少一个容器的容积增大。在以后某时间点，在需要电力时，通过从所述空间释放流体介质，所述空间再次减小，同时将流体介质中的流动能量转化为电能。

在第三方面，本发明提供一种防止地下区域被淹没的方法。根据该方法，在地下的地下区域和水体之间提供了上述这种系统，并且所述容器用作动态堤坝。术语“水体”指的是大型的蓄水部，诸如大洋、大海和湖泊，但是还可以包括小型水池诸如池塘、水坑或者湿地、河流、小溪、运河以及水可能对相邻地下区域造成破坏的其他地理特征，或者希望受控淹没地下区域例如用于灌溉的地方。

根据相邻的湖泊、海洋或河流的水位和/或根据储蓄过剩能量或释放储蓄的能量的需求，至少一个容器的容积增大或减小。通过这种方式，所述地面可以抬高，以防止地下区域被淹没。类似地，根据所述区域灌溉需求，所述地面可以降低，以便淹没所述地下区域，所述区域例如可以是农业区。

附图说明

在以下内容中，将参照附图进一步详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了根据本发明的蓄能系统的横截面图；

图2更为详细地示出了图1所示系统的容器；

图3以透视图示出了图1中的系统；

图4-8示出了具备若干容器的所述系统的各种实施方式；和

图9示出了带有排水导管的图1所示系统的容器。

具体实施方式

图1示出了蓄能系统1的横截面，该蓄能系统包括在地面3下形成空间的容器2。由沙子或土壤层构成的载荷4作用在容器2上，使得所述空间的容积可以通过向由箭头5所示的上方背离起始点位移土壤而增大，并使得土壤在所述容积减小时，在重力影响下返回所述起始点。因此，土壤的重力在容器2上提供了向较小容积的偏压力。

蓄能系统1进一步包括能量转化结构6，该能量转化结构可以将水泵送到所述空间中并由此通过抵抗所述载荷4的重量位移所述载荷而增大所述容积。能量转化结构6还可以以相反的模式操作，此时水被载荷4提供的偏压力移出所述容器2。在这种模式下，流动能量被转化结构6转化成机械能。在公开的实施方式中，转化结构6包括位于地面下的涡轮舱7中的涡轮机。涡轮舱7通过上游导管8连接到容器2，通过下游导管9连接到供水件10，在本例中，供水件为湖泊。

在地面上，能量转化结构6包括组合的电动机和发电机11。在存在过剩的电力时，转化结构6经由连接部13从供电件12接收电力。电力被电动机11消耗，并且水从供水件10泵送到容器2中。当需要电力时，水从容器2释放并且流动能量使得涡轮机转动。由此涡轮机驱动发电机11，而发电机将电力输送到供电件12。

蓄能系统1包括带有舱盖的锁止件14，所述锁止件提供通入容器2的可密封的通路，用于由例如潜水员或机器人进行检查和维护。

容器2在图2中进一步详细示出。容器2包括形成朝向载荷4的上层15和朝向容器2下方地面的下层16的膜料。上层15可以用密度小于容器中流体的材料制成，并且所述下膜料层可以用密度大于容器中流体的材料制成。两个层位于地面17下大约10-30米处，并且它们沿着边缘18周边接合，以使它们形成密封空间19。为了加强层15、16之间的结合并补偿容器2内的流体压力，边缘18埋入低于容器2剩余部分的深度。容器顶部土壤或沙子的高度可以各自适配每个具体位置的土壤/沙子的密度。这样允许使用针对具体流动和压力进行过优化的标准化的涡轮机、发电机等，由此使得实施过程成本较低，与此同时提高了系统的能量效率。

图3以透视图示出了图1中的系统。

图4-8示出了所述系统的各种实施方式，2、3、4和更多个容器经由连接结构连接到相同的转化结构，所述连接结构包括用于每个容器的阀，以使所述容器根据蓄能或耗能的实际需要而独立使用。根据容器的尺寸和数量，例示系统可以提供例如30MW和120MW之间的产能，以及200MWh和2400MWh之间的蓄能容量。尺寸相同的若干系统可以连接在一起，由此可以针对具体蓄能容量确定总体系统的尺寸。

在图6-8中，能量转化结构通过共用通道连接到例如大海，以便节省铺设大型管道的的成本。

如图9所示，排水导管20网格可以布置在容器2下方，用于将可能泄漏的流体排放到用于检测容器2流体泄漏的流体传感器。如图所示，所述网格在导管之间形成多个接头，并且每条导管20形成有开口，以使可能泄漏的流体可以排放到导管网格20中。另外的排水导管可以布置在容器2上方，以允许检测上膜料层15中的泄漏。排水导管20可以布置成矩阵状构造，以使具体位置的泄漏将导致泄漏的流体出现在特定的一对导管的出口21处，或者导管中的流体传感器处，由此允许确定泄漏位置。咸水泄漏例如可以通过测量或监控排水导管20中的水的传导性来检测。

Claims (18)

1.一种蓄能系统(1)，包括：容器(2)；载荷(4)；和能量转化结构(6)，所述载荷(4)作用在所述容器(2)上，以便能通过背离起始点位移所述载荷(4)而增大所述容器的容积，并且使得在减小所述容积时，所述载荷(4)能向所述起始点返回，所述能量转化结构(6)适配地通过向所述空间中泵送流体介质以消耗能量，由此增大所述容积，并且通过从所述空间释放所述流体介质而减小所述空间，同时将所述流体介质中的流动能量转化为机械能。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述载荷(4)包括天然存在的材料，诸如土壤、沙子、粘土、砾石、卵石等。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述容器(2)包括形成闭合空间的膜料(15、16)，并且所述载荷(4)作用在所述膜料的上层(15)上。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述上层(15)接合到下层(16)，以使在所述层(15、16)之间形成空间，并且所述层在所述层的边缘部分(18)处的接头区域中接合，并且所述接头区域位于所述容器(2)的剩余部分以下。

5.如权利要求3至4任一项所述的系统，其特征在于，所述上膜料层(15)以密度小于所述流体介质的材料制成，而所述下膜料层(16)以密度大于所述流体介质的材料制成。

6.如前述权利要求任一项所述的系统，其特征在于，

所述转化结构(6)包括涡轮机，所述涡轮机能利用机械能操作，从而将流体位移到所述容器(2)中，并且能利用所述流体的流动能量操作，以提供机械能。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述转化结构(6)包括发电机(11)，所述发电机能利用机械能操作以产生电能。

8.如前述权利要求任一项所述的系统，其特征在于，所述容器(2)布置在地面下。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，包括布置成确定所述容器(2)的高度的至少一个高度测量结构。

10.如权利要求8至9任一项所述的系统，其特征在于，包括布置在所述容器(2)以下的沙层。

11.如前述权利要求任一项所述的系统，其特征在于，包括泄漏检测结构，用于检测所述容器(2)的流体介质泄漏。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述泄漏检测结构包括适配成进行声学检测的传感器。

13.如权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述泄漏检测结构包括布置在所述容器(2)下方和/或上方的排水导管(20)和流体传感器，从而将可能的泄漏流体排放到所述流体传感器。

14.如前述权利要求任一项所述的系统，包括多个容器(2)，每个容器布置在载荷(4)下方，由此所述载荷作用在所述容器(2)上，以使能通过背离起始点位移所述载荷(4)而增大所述容器的容积，并且在减小所述容积时，所述载荷能向所述起始点返回，其中所述能量转化结构(6)经由连接结构(8)连接到每个容器(2)，所述连接结构包括用于每个容器(2)的阀。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，包括用于每个容器(2)的各个载荷(4)。

16.如前述权利要求任一项所述的系统，其特征在于，包括锁止件(14)，以允许进入所述容器(2)进行检查和维护。

17.一种补偿供电系统中需求和生产波动的方法，所述方法包括：

-提供如权利要求1至16任一项所述的系统(1)；

-通过向所述容器(2)泵送流体介质，从供电件消耗过剩电力，从而增大至少一个容器(2)的容积；和

-通过从所述空间释放流体介质而减小所述空间，同时将所述流体介质中的流动能量转化为电能。

18.一种防止地下区域被淹没的方法，所述方法包括：

-提供如权利要求1至16任一项所述的系统(1)，所述系统的容器(2)设置在地下，位于所述地下区域和水体之间；和

-根据所述水体的水位或者根据向所述系统储蓄过剩能量或者从所述系统释放过剩能量的需求来增大或减小至少一个容器(2)的容积。

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