综合物理储能系统的制作方法

1.本发明属于机械储能技术领域，具体涉及一种综合物理储能系统。


背景技术：

2.大力发展可再生能源并实现清洁能源变革，是实现碳达峰、碳中和的重要途径。由于新能源发电受气候条件的影响，导致波动性大，其大规模并网将影响电网的稳定性。储能技术是有效解决新能源并网稳定性的重要技术途径，是绿色环保的新能源大规模高效开发利用、实现我国能源领域绿色可持续发展战略的重要保障。
3.抽水储能和压缩空气储能等物理储能技术具有安全可靠、可规模化、环境友好无污染以及经济性好等优势，抽水储能技术成熟，应用广泛。但传统的抽水储能也存在很多不足，首先传统抽水储能对地形和地势依赖严重，不仅要有充足的水资源还要有足够的地形落差用来修建上下游水库。我国可修建传统抽水储能的地理资源极其有限，选址困难；修建面积大的上、下游水库会对生态环境造成很大破坏，且影响当地的生态系统；以上特点导致传统抽水蓄能系统无法广泛应用。
4.新加坡、俄罗斯和日本等曾经提出建设地下抽水储能电站的设想，甚至建成示范电站(水利水电快报18卷21期、26卷8期、27卷14期)，虽然可以缓解选址困难和对地形、地势的严重依赖程度，但要修建地上水库，不仅占用大量土地，而且建设成本较高。
5.现有技术中公开的利用废弃矿井，提出了多种不同形式的抽水储能系统；但废弃矿井的选址受到限制，只能选择有废弃矿井的地方；煤矿等废弃矿井因安全等问题国家管控严格，可利用的废弃矿井数量有限，能用于抽水储能的更为有限；由于水的渗漏和浸泡等问题，废弃矿井的改造费用也较为高昂。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的抽水储能系统选址困难且对环境造成破坏等问题，本发明的第一方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、空气压缩装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的上方；所述水轮机设置于所述防水洞的内部；所述空气压缩装置设置于地面；
7.所述空气压缩装置包括空气压缩机和输气管道，所述空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压所述地下空间中的水至所述地上水库；
8.该综合物理储能系统初始状态时，地下空间为充满水的状态；
9.在用电低谷时，所述控制中心启动空气压缩机，压缩空气通过输气管道挤压地下空间的水，使水从地下空间通过输水管道逐渐被提升至地上水库中，在地下空间的水全部被提升后，关闭水阀门，电能转换为压缩空气的势能和水的重力势能；
10.在用电高峰时，所述控制中心启动膨胀机，所述地下空间的压缩空气驱动空气膨胀机并带动发电机发电，待压缩空气压力达到本地大气压力后，控制中心关闭膨胀机，同时
打开水阀门并启动所述水轮机，所述地上水库的水通过输水管道驱动水轮机带动发电机发电。
11.在一些优选实施例中，所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；
12.所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；所述地上水库与所述地下空间的底部之间设置有回水管道；所述输气管道远离所述空气压缩装置的一端与所述地下空间的顶部腔室连通；
13.初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态；
14.处于用电高峰时，所述控制中心启动所述水轮机，从所述地上水库流出的水驱动所述水轮机发电，电能经所述变流装置输送至电网；当所述地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭所述水轮机，完成供电；
15.处于用电低谷时，所述控制中心启动所述空气压缩装置将所述地下空间内部的水通过所述回水管道挤压至所述地上水库，以存储重力势能，同时在所述地下空间的腔室内部存储压缩空气的势能；当所述地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭所述空气压缩装置；
16.当再次需要用电时，从所述地上水库流下的水驱动所述水轮机发电，以把水的重力势能转换为电能；并且，从所述地上水库流下的水挤压所述地下空间内部的压缩空气通过所述输气管道驱动所述膨胀机发电，以把压缩空气的势能转换为电能。
17.本发明的第二方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、抽水装置、空气压缩装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的下方；所述地下空间设置于所述防水洞的下方；所述抽水装置与所述水轮机装设于所述防水洞的内部；
18.所述变流装置、所述地上水库、所述地下空间、所述防水洞、所述抽水装置、所述空气压缩装置、所述水轮机均与所述控制中心信号连接；所述变流装置的一端与所述空气压缩机、所述水轮机、所述抽水装置通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节所述空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；
19.所述空气压缩装置包括空气压缩机和膨胀机，所述空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压所述地下空间中的水至所述地上水库，以存储水的重力势能以及压缩空气的势能；
20.所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；
21.所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；所述抽水装置通过吸水管与所述地下空间的底部连通；所述输气管道远离所述空气压缩装置的一端与所述地下空间的顶部腔室连通；
22.初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态且腔室内充满压缩空气；
23.处于用电高峰时，所述控制中心启动所述膨胀机，压缩空气通过所述输气管道驱动所述膨胀机发电，电能通过所述变流装置回馈至电网；当压缩空气的压力降至大气压时，启动所述水轮机，从所述地上水库流出的水驱动所述水轮机发电，电能经所述变流装置输送至电网；当所述地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当所述地上水库内的水位到
达预设下限高度时，关闭所述水轮机，完成供电；
24.处于用电低谷时，所述控制中心启动所述抽水装置，将所述地下空间内部的水抽取至所述地上水库，以存储重力势能；当所述地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭所述抽水装置；所述控制中心启动所述空气压缩装置，向所述地下空间内压缩空气，当所述地下空间内的压力达到预设压力时关闭所述空气压缩装置，完成系统充电。
25.在一些优选实施例中，所述地下空间为隧洞，所述隧洞的埋深为h，h∈100m，1500m。
26.在一些优选实施例中，所述抽水装置包括一台或多台水泵；
27.当所述水泵为多台时，多台所述水泵协同工作。
28.在一些优选实施例中，所述水轮机为一台或多台；
29.当所述水轮机为多台时，多台所述水轮机协同工作。
30.在一些优选实施例中，所述防水洞为一个或多个；
31.当所述防水洞为多个时，多个所述防水洞并联设置。
32.在一些优选实施例中，所述地上水库为自然水域；所述自然水域为城市或城市周边的江、河、湖、海；所述地下空间的容量与所述自然水域的水量相匹配；
33.或者，地上水库为城市景观水系，所述地下空间的容量与所述城市景观水系的水量相匹配；
34.或者，所述地上水库为人工湖，所述地下空间的容量与所述人工湖的水量相匹配；
35.或者，所述地上水库为护城河；所述地下空间的容量与所述护城河的水量相匹配；当所述防水洞为多个时，多个所述防水洞沿着所述护城河的纵向依次设置。
36.在一些优选实施例中，所述地上水库为池塘或游泳池中的任一种；所述池塘或所述游泳池内部的预设高度处设置有水平防护网。
37.本发明的第三方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、抽水装置和水轮机；所述防水洞设置于所述地下空间的下方；所述水轮机设置于所述防水洞的内部；所述空气压缩装置设置于地面；所述变流装置、所述地上水库、所述地下空间、所述防水洞、所述抽水装置、所述水轮机均与所述控制中心信号连接；
38.所述变流装置的一端与所述空气压缩机、所述水轮机通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节所述空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；所述地上水库通过输水管道与所述防水洞连接，所述控制中心通过对所述输水管道的控制以调控所述防水洞与所述地上水库的通断；所述水轮机的出水端与所述地下空间的上方连通；
39.初始状态下，所述地下空间内部处于无水状态且所述地下空间的腔室内部充满压缩空气；
40.处于用电高峰时，启动所述水轮机，从所述地上水库流出的水驱动所述水轮机发电，电能经所述变流装置输送至电网；当所述地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭所述水轮机，完成供电；
41.处于用电低谷时，所述控制中心启动所述抽水装置，将所述地下空间内部的水抽
取至所述地上水库，以存储重力势能；当所述地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当所述地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭所述抽水装置。
42.1)本发明提出了一种综合物理储能系统，该系统依托地下空间的压缩空气与抽水储能，以自然水源或城市护城河、城市景观水或游泳池等现有水体为地上水库，在地上水库的地下人工挖掘隧洞等地下空间作为下水库；还可以与城市景观水、游泳池等人工水域或渔光互补水域有机结合，实现水资源的综合利用。
43.2)本发明提供的综合物理储能系统不仅具有抽水储能的功能，还可以利用压缩空气原理与地下空间腔体，省掉了水泵，实现压缩空气储能。所以本发明不需要修建地上水库，不额外占用土地，具有储能量大、储能密度高、可规模化实施等特点，可以大幅降低建设成本；本发明属于综合性物理储能，具有环境友好、系统本质安全、无任何污染、选址灵活等优势。本发明适合在人口密集、用地紧张的城市建设集中或分布式应用，也可以在可再生能源密集、渔光互补等区域应用，还可以在大型企业厂区建设此类地下综合物理储能系统。
附图说明
44.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
45.图1是本发明的第一种实施例的原理结构示意图；
46.图2是本发明的第二种实施例的原理结构示意图；
47.图3是本发明的第三种实施例的原理结构示意图；
48.图4是本发明的第四种实施例的横截面结构示意图。
49.附图标记说明：1、地上水库；2、地下空间；3、防水洞；4、水泵；5、水轮机；6、输水管道；7、出水口；8、吸水管；9、电缆；10、控制中心；11、变流装置；12、电网；13、回水管道；17、光伏板；18、养殖鱼类；19、渔光互补水域；20、空气压缩机；21、膨胀机；22、输气管道。
具体实施方式
50.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
51.以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。
52.实施例一
53.参照附图1，本发明的第一方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心10、变流装置11、地上水库1、地下空间2、防水洞3、空气压缩装置和水轮机5；防水洞设置于地下空间的下方；地下空间设置于防水洞的下方；水轮机设置于防水洞的内部；空气压缩装置设置于地面；变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、空气压缩装置、水轮机均与控制中心信号连接；空气压缩装置包括空气压缩机20和膨胀机21，空气压缩机通过输气管道22输送气体以通过压缩空气挤压地下空间中的水至地上水库，以存储水的重力势能以及压缩空气的势能；
54.在需要发电时，地下空间腔体内的压缩空气通过输气管道驱动所述膨胀机发电，以把压缩空气的势能转换为电能；通过输水管道从地上水库内流下的水驱动水轮机发电，以把水的重力势能转换为电能；变流装置的一端与空气压缩机、水轮机通过电缆9连接，另
一端与电网连接；在压水储能阶段调节空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网12。
55.其中，地上水库通过输水管道6与防水洞连接，控制中心通过对输水管道的控制以调控防水洞与地上水库的通断；水轮机的出水端(在本实施例中为出水口7)与地下空间的上方连通；地上水库与地下空间的底部之间设置有回水管道13；输气管道远离空气压缩装置的一端与地下空间的顶部腔室连通。
56.初始状态下，地下空间内部处于无水状态；
57.处于用电高峰时，控制中心启动水轮机，从地上水库流出的水驱动水轮机发电，电能经变流装置输送至电网；当地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭水轮机，完成供电；
58.处于用电低谷时，控制中心启动空气压缩装置将地下空间内部的水通过回水管道挤压至地上水库，以存储重力势能，同时在地下空间的腔室内部存储压缩空气的势能；当地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭空气压缩装置；
59.当再次需要用电时，从地上水库流下的水驱动水轮机发电，以把水的重力势能转换为电能；并且，从地上水库流下的水挤压地下空间内部的压缩空气通过输气管道驱动膨胀机发电，以把压缩空气的势能转换为电能。
60.实施例二
61.本发明的第二方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心、变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、空气压缩装置和水轮机；防水洞设置于地下空间的下方；地下空间设置于防水洞的下方；水轮机设置于防水洞的内部；空气压缩装置设置于地面；变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、空气压缩装置、水轮机均与控制中心信号连接；空气压缩装置包括空气压缩机和膨胀机，空气压缩机通过输气管道输送气体以通过压缩空气挤压地下空间中的水至地上水库，以存储水的重力势能以及压缩空气的势能；变流装置的一端与空气压缩机、水轮机通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；地上水库通过输水管道与防水洞连接，控制中心通过对输水管道的控制以调控防水洞与地上水库的通断；水轮机的出水端与地下空间的上方连通；地上水库与地下空间的底部之间设置有回水管道；输气管道远离空气压缩装置的一端与地下空间的顶部腔室连通；
62.在本实施例中，初始状态下，地下空间内部处于无水状态且地下空间的腔室内部充满压缩空气。处于用电高峰时，控制中心启动膨胀机，压缩空气通过输气管道驱动膨胀机发电，电能通过变流装置回馈至电网；当压缩空气的压力降至大气压时，启动水轮机，从地上水库流出的水驱动水轮机发电，电能经变流装置输送至电网；当地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭水轮机，完成供电。处于用电低谷时，控制中心启动空气压缩装置将地下空间内部的水通过回水管道挤压至所述地上水库，以存储重力势能，同时在地下空间的腔室内部存储压缩空气的势能；当地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭空气压缩装置。
63.实施例三
64.参照附图2，本发明的第三方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心10、变流装置11、地上水库1、地下空间2、防水洞3、抽水装置、空气压缩装置和水轮机5；防水洞设置于地下空间的下方；地下空间设置于防水洞的下方；抽水装置与水轮机装设于防水洞的内部；
65.变流装置、地上水库、地下空间、防水洞、抽水装置、空气压缩装置、水轮机均与控制中心信号连接；变流装置的一端与空气压缩机、水轮机、抽水装置通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；
66.空气压缩装置包括空气压缩机20和膨胀机21，空气压缩机通过输气管道22输送气体以通过压缩空气挤压地下空间中的水至地上水库，以存储水的重力势能以及压缩空气的势能；地上水库通过输水管道与防水洞连接，控制中心通过对输水管道的控制以调控防水洞与地上水库的通断；水泵通过吸水管8与地下空间的底部连通；
67.水轮机的出水端与地下空间的上方连通；抽水装置通过吸水管与地下空间的底部连通；输气管道远离空气压缩装置的一端与地下空间的顶部腔室连通；
68.初始状态下，地下空间内部处于无水状态且腔室内充满压缩空气，本发明处于充满电状态；
69.处于用电高峰时(即当电网或用户需要本发明放电时)，控制中心启动膨胀机，压缩空气通过输气管道驱动膨胀机发电，电能通过变流装置回馈至电网；当压缩空气的压力降至大气压时，启动水轮机，从地上水库流出的水驱动水轮机发电，电能经变流装置输送至电网；当地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭水轮机，完成供电；
70.处于用电低谷时(即当电网或新能源发电站等需要储能系统充电时)，控制中心启动抽水装置，将地下空间内部的水抽取至地上水库，以存储重力势能；当地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭抽水装置；控制中心启动空气压缩装置，向地下空间内压缩空气，当地下空间内的压力达到预设压力时关闭空气压缩装置，完成系统充电。
71.在本实施例中，抽水装置包括一台或多台水泵4；当水泵为多台时，多台水泵协同工作。
72.在本实施例中，地上水库为自然水域；自然水域为城市或城市周边的江、河、湖、海；地下空间的容量与自然水域的水量相匹配，地下空间的埋深根据系统储能量和功率优选；在地下空间的上方建设防水洞，水泵和水轮机安装在防水洞内，水泵和水轮机的功率和数量根据储能系统功率、容量以及防水洞的造价等综合优选；控制中心和变流设备也可以安装在防水洞内(也可以安装在地面上)。
73.这样，本发明在不额外占用土地的情况下，实现了地下抽水储能功能，对城市水资源进行了综合利用，还不用建设地上水库，有效降低建设成本。
74.实施例四
75.参照附图3，本发明的第四方面提供了一种综合物理储能系统，该系统包括控制中心10、变流装置11、地上水库1、地下空间2、防水洞3、抽水装置和水轮机5；防水洞设置于地下空间的下方；地下空间设置于防水洞的下方；抽水装置与水轮机装设于防水洞的内部；变
流装置、地上水库、地下空间、防水洞、抽水装置、水轮机均与控制中心信号连接；变流装置的一端与水轮机、抽水装置通过线缆连接，另一端与电网连接；在压水储能阶段调节空气压缩机的转速，在水头驱动水轮机发电阶段把电能回馈电网；水轮机的出水端与地下空间的上方连通；抽水装置通过吸水管与地下空间的底部连通。
76.初始状态下，地下空间内部处于无水状态且腔室内充满压缩空气，本发明处于充满电状态；
77.处于用电高峰时(即当电网或用户需要本发明放电时)，启动水轮机，从地上水库流出的水驱动水轮机发电，电能经变流装置输送至电网；当地下空间内的水位达到预设上限高度时或者当地上水库内的水位到达预设下限高度时，关闭水轮机，完成供电；
78.处于用电低谷时(即当电网或新能源发电站等需要储能系统充电时)，控制中心启动抽水装置，将地下空间内部的水抽取至地上水库，以存储重力势能；当地下空间内的水位达到预设下限高度时或者当地上水库内的水位到达预设上限高度时，关闭抽水装置。
79.实施例五
80.在本实施四的基础上，地上水库为护城河；在护城河地下沿着护城河挖掘地下空间，地下空间的口径与护城河的可用水量匹配。在地下空间的上方建设防水洞用于安装水泵和水轮机等设备，防水洞及水泵等可以沿着护城河布置一套或多套，布置数量根据护城河的周长、总的可用水量以及储能系统总功率和储能量优选。控制中心和变流装置也可以安装在防水洞内(也可以安装在地面上)。水泵与水轮机用输水管道与护城河联通，水轮机的出水端与地下空间上方联通，水泵的吸水管与地下空间的底部联通，水泵和水轮机通过电缆与变流装置连接，变流装置与电网连接。
81.储能系统充放电原理和过程与实施例四相同。
82.实施例六
83.在本实施四的基础上，地上水库为城市景观水或游泳池等人工水域，在人工水域下方挖掘垂直深井作为下水库，深井深度与口径与可用人工水域的水量相匹配。在深井底部建设防水洞用于安装水泵和水轮机等设备。为了安全，可以在城市景观水或游泳池等人工水域的1.8米深处安装防护网。控制中心和变流装置也可以安装在防水洞内(也可以安装在地面上)。水泵与水轮机用输水管道与人工水域联通，水泵和水轮机通过电缆与变流装置连接，变流装置与电网连接。
84.实施例七
85.参照附图4，以渔光互补水域19作为地上水库，在人工水域内养殖鱼类18，同时在渔光互补水域的上方架设光伏设备17用于太阳能发电。在渔光互补水域下方挖掘地下空间作为下水库，地下空间口径和长度与渔光互补水域的可用水量相匹配。在地下空间的顶部建设防水洞用于安装水泵和水轮机等设备。控制中心和变流装置也可以安装在防水洞内(也可以安装在地面上)。水泵与水轮机用输水管道与渔光互补水域联通，水轮机的出水端与地下空间上方联通，水泵的吸水管与地下空间的底部联通，水泵和水轮机通过电缆与变流装置连接，变流装置与电网连接。
86.储能系统充放电原理和过程与实施例一相同。
87.优选地，地下空间为隧洞，隧洞的埋深的埋深为h，h∈100m，1500m，其体积与地上水库容量匹配，也可以根据储能量和功率等需求设定埋深，并根据系统储能量和功率优选。
88.优选地，水轮机为一台或多台；当水轮机为多台时，多台水轮机协同工作。
89.进一步地，防水洞为一个或多个；当防水洞为多个时，多个防水洞并联设置。
90.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
91.在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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发明的限制。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。
92.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
93.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
94.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。