一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法

技术特征：
1.一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，包括：功能性蓄水罐、控制器、平衡系统、进排储气系统、沉箱；其中，功能性蓄水罐位于水体周边；沉箱浸没于水体中；水流发电机组安装在沉箱两端；抽排水发电一体机通过管道与沉箱连接，置于陆地；所述平衡系统安装在沉箱侧面上部的4个对角线位置；进排储气系统通过管道与沉箱连接，浸没与水体中；控制器与所有被控设备通过无线或有线通讯连接，置于陆地上。2.根据权利要求1所述的一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的沉箱包括密封沉箱和压缩气体无底沉箱，压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，一体化建造连接；其中压缩气体无底沉箱无底，地面为空；其中，沉箱的结构外形为长方体，密封沉箱内部采用蜂窝状结构支撑，在密封沉箱两侧面各嵌入安装一套水流发电机组；密封沉箱上通过管道分别与抽排水发电一体机和压进排储气系统连接；沉箱依据密封沉箱进或排水产生的浮力和重力，在水体下上下移动，并通过平衡系统保证沉箱水平稳定、匀速的运动，同时带动压缩气体无底沉箱吸进或压缩气体；密封沉箱上部两侧分别安装有可伸缩抽排水管道和可伸缩进排气管道，可伸缩抽排水管道经密封沉箱上部一侧贯穿安装，可伸缩抽排水管道下端置于密封沉箱近底部，与密封沉箱内部连通，可伸缩抽排水管道上端与抽排水发电一体机一端连接；抽排水发电一体机另一端与三通阀门连接，抽排水发电一体机通过三通阀门的切换，分别与水体排水管道连通或与功能用水管道连通；可伸缩进排气管道一端分别与密封沉箱进排气口阀门和双向逆止阀连接；密封沉箱进排气口阀门与密封沉箱上一侧连接，形成密封沉箱内部气体对外的流通通道；可伸缩进排气管道通过双向逆止阀、空压发电一体机、进排气管道与压缩气体无底沉箱连接；可伸缩进排气管道另一端通过进排气阀门与大气连通。3.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，水流发电机组包括水流发电机和水流发电机阀门，水流发电机与阀门同心圆轴向连接，以及和水流发电机与阀门同心圆轴向连接，水流发电机阀门、水流发电机阀门，分别安装在密封沉箱两侧的外侧，水流发电机、水流发电机安装在密封沉箱两侧面内侧；水流发电机阀门和水流发电机阀门，在控制器cpu的控制下线性开合，控制水流通过水流发电机和水流发电机的流量，实现发电输出功率的控制。4.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的进排储气系统包括可伸缩进排气管道、空压发电一体机、双向逆止阀、密封沉箱进排气口阀门和进排气阀门；其中，由于压缩气体无底沉箱与密封沉箱外底部一体化连接，在密封沉箱进排水过程中，沉箱在重力和浮力的作用下，对压缩气体无底沉箱内的气体吸进或压缩；进排气管道一端与压缩气体无底沉箱一侧上端连接；进排气管道另一端通过空压发电一体机、双向逆止阀与可伸缩进排气管道连接；可伸缩进排气管道上端安装有进排气阀门，控制气体进入和排出，可伸缩进排气管道下端安装密封沉箱进排气口阀门，控制密封沉箱气体进入和排出；其中，双向逆止阀内含有
a、b两个不同方向的逆止阀，a逆止阀气流方向定义为双向逆止阀的进出气口端；a逆止阀气流方向是由可伸缩进排气管道，通过空压发电一体机经进排气管道到压缩气体无底沉箱吸进气体；b逆止阀气流方向由压缩气体无底沉箱经进排气管道，再通过空压发电一体机到可伸缩进排气管道，压缩气体无底沉箱排出气体发电。5.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的平衡系统包括：第一～第四平衡发电一体机，分别安装在沉箱上端四个角的位置，每个平衡发电一体机独立控制，能够改变角度、发电输出功率、螺旋桨驱动；目的当沉箱上下移动时，通过控制改变发电输出功率，保障沉箱水平稳定及匀速运动，在出现沉箱波动情况下启动平衡发电一体机螺旋桨驱动模式，保障沉箱水平稳定；其中，发电输出功率通过控制变换转速比，改变螺旋桨扭力，增加或减少发电量同时改变水流流过的流量，实现沉箱水平稳定及匀速运动。6.按照权利要求1所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统，其特征在于，所述的控制器cpu安装在控制室或柜内，控制器cpu通过有线或无线与所有的阀门、水流发电机和发电机、抽排水发电一体机、空压发电一体机、第一～第四平衡发电一体机进行控制；所有的设备都具有相关的数据传感器和自适应控制系统，通过有线或无线接收和发送数据，接受控制器远程调度功能。7.一种用于权利要求1-6之一所述的气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能，具体包括：步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率p
水
；步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率；步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭；步骤1.5、压缩气体排气应急发电；步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能；具体包括：步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能；步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能。8.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，初始状态下：密封沉箱置于大于等于水流发电机最小工作压力深度h
外水
的水体中，压力为：p
外水
＝ρ
水
gh
外水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)密封沉箱内水深h
内水
＝0无水体积v
t1内
气体压力p
t1内
＝p0压缩气体无底沉箱内的体积v
t1压缩
，气体压力：p
t1压缩
＝p
外水
ρ
水
gδh
气沉
＝ρ
水
g(h
外水
δh
气沉
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)所述步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率p
水
，具体如下：由于初始状态时，密封沉箱外部压力p
外水
大于密封沉箱内部压力p
t内
，即p
外水
＞p
t1内
时，由于水流发电机发电做功功率p
水
与密封沉箱内外压力差δp和水流流量q
水
有关，依据压强公式：
p＝ρgh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)通过密封沉箱内部水的深度h
内水
、外水的深度h
外水
和密封沉箱内部压力p
t内
，得到密封沉箱内外压力差δp的表达式为：δp＝ρ
水
gh
外水
p
0-ρ
水
gh
内水-p
t内
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)由于密封沉箱内外压力差δp大于水流发电机最小发电工作压力差δp
min
，即δp＞δp
min
，依据做功功率公式：p＝f
·
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)做功水的推力：f＝δp
·
s
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)流量公式：q
水
＝v
水
·
s
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)由此水流发电机发电做功功率p
水
p
水
＝f
·
v
水
＝δp
·
s
k
·
v
水
＝δp
·
q
水
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)由式(8)看出，当密封沉箱深度h
外水
一定时，水流发电机发电做功与水流发电机阀门的开度s
k
和水流流量q
水
有关，当密封沉箱内外压力差δp大于水流发电机最小发电工作压力差δp
min
，即δp＞δp
min
时，控制器通过控制水流发电机阀门开度面积s
k
，调整输出水流发电机发电功率；其中，h
外水
为密封沉箱所处水体的深度；h
内水
为密封沉箱内水的深度；v
t1内
为密封沉箱内初始体积；p
t1内
为密封沉箱内初始气体压力；p0为当地环境大气压力；p
外水
为密封沉箱外部压力；p
t内
为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；p
水
为水流发电机发电做功功率；s
k
为水流发电机阀门的开度；v
水
为通过水流发电机水流的流速；q
水
为通过水流发电机水流的流量；δp为密封沉箱内外的压力差；δh
气沉
为压缩气体无底沉箱内气体高度；h
气沉
为压缩气体无底沉箱的高度；δp
min
为水流发电机最小发电工作压力差。9.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；水体在密封沉箱内外压力差δp作用下，水经水流发电机发电进入密封沉箱内，密封沉箱内气体体积v
t2内
减小，沉箱的浮力减小，沉箱的重力同步增加，沉箱处于下沉状态；而且随着注水量的增多，势必造成密封沉箱、压缩气体无底沉箱内部气体空间快速的减小，沉箱下降速度加快；为保证沉箱匀速稳定的下降，控制器启动平衡发电一体机发电模式，调控平衡发电一体机增加沉箱下降的阻力，保证沉箱匀速度下降的同时助力发电；同时沉箱重力对压缩气体无底沉箱内的气体做功，内部水面上升压缩气体使体积v
t2压缩
减小；由于压缩气体无底沉箱置于密封沉箱底部，密封沉箱内部气体压力p
t内
小于压缩气体无底沉箱内的气体压力p
t压缩
，即p
t内
＜p
t压缩
，双向逆止阀a打开，根据水流发电机位于水体深度的压力和玻意耳定律：一定质量的空气，在温度保持不变时，它的压强和体积成反比；即p
1v1
＝p
2v2
；由此得到密封沉箱和压缩气体无底沉箱内气体压力的变化表达式：p
t1内
·vt1内
＝p
t2内
·vt2内
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)依据基于玻意耳定律和由于初始状态由式(2)可知p
t1压缩
，压缩气体无底沉箱气体压力
p
t2压缩
表达式为：由此可以看出随着水流通过水流发电机发电，注入密封沉箱内水的体积增加，密封沉箱气体体积v
t2内
减小，沉箱浮力降低，沉箱重力对压缩气体无底沉箱内气体体积v
t2压缩
减小，密封沉箱气体压力p
t2内
和压缩气体无底沉箱内气体压力p
t2压缩
同步增加；其中，v
t2内
为t2时刻的密封沉箱内气体体积；p
t2内
为t2时刻的密封沉箱内气体压力；p
t2压缩
为t2时刻的压缩气体无底沉箱内气体压力；v
t2压缩
为t2时刻的压缩气体无底沉箱气体体积。10.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率，具体如下：随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内部气体压力p
t内
、密度和密封沉箱的重量同步增加，当控制器检测沉箱接近终点时，控制器控制平衡发电一体机启动螺旋桨模式，反向驱动螺旋桨控制沉箱软着陆；在此期间密封沉箱内外压力差δp减小，在通过水流发电机发电水流流量q
水
一定时，由公式(8)可知水流发电机做功功率p
水
减小；当密封沉箱内外压力差δp趋近于水流发电机最小发电工作压力差δp
min
，即时，控制器启动空压发电一体机压缩气体工作模式，依据最佳水流发电机发电工作压力差，将密封沉箱内的气体快速压入到压缩气体无底沉箱内，提高密封沉箱内外压力差δp；与此同时，为防止压缩气体压力p
t压缩
＝ρ
水
g(h
外水
δh
气沉
)大于当前水深的最大压力ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)时气体外泄，控制器通过空压发电一体机，控制压缩气体压力p
t压缩
小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)即，ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)≥p
t压缩
，由此通过控制空压发电一体机压缩气体的速度，控制密封沉箱内的压力p
t内
达到最佳发电功率输出；由此控制空压发电一体机的压力保证范围在，密封沉箱内外压力差δp大于水流发电机最小发电工作压力差δp
min
，即δp＞δp
min
；压缩气体无底沉箱压缩气体压力p
t压缩
小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)即，ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)≥p
t压缩
；当控制器检测沉箱着陆时，控制器控制平衡发电一体机停止工作；压缩气体储能：压缩气体无底沉箱内得到较高压力p
t压缩
的压缩气体储能，而且压缩气体无底沉箱气体压力p
t压缩
大于扬程压力p
扬程
；所诉述的扬程压力p
扬程
是指：密封沉箱达到某一预定水体深度位置时的抽排水发电一体机扬程压力。11.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭过程如下：随着注水量和发电量的增加，密封沉箱内水即将充满，当控制器分别检测到水流发电机最小工作压力差δp
min
等于密封沉箱内外压力差δp，即δp
min
＝δp，以及水流发电机注入水流速量q
水
小于等于最小流量q
水min
即q
水
≤q
水min
时，控制器分别控制水流发电机阀门关闭。12.按照权利要求7所述的及控制方法，其特征在于，所述步骤1.5、压缩气体排气应急发电过程如下：气流发电响应速度高于水流发电机响应速度，当水流发电机处于关闭状态或水流发电
机启动发电过程时，由于电网需要应急电网支撑时，控制器分别关闭密封沉箱进排气口阀门、打开进排气阀门、关闭双向逆止阀a打开b，控制空压发电一体机进入发电工作模式；此时压缩气体无底沉箱中的压缩气体，经控制空压发电一体机发电后排出到大气中；其中，s
k
为水流发电机阀门开度面积；q
水
为水流流过水流发电机阀门开度面积s
k
的流量；q
水min
为水流发电机最小流速；δp为密封沉箱内外压力差值；δp
min
为水流发电机最小工作压力差；p
水
为水流发电机发电做功功率；δh
内水
为密封沉箱内增加水的深度；h
内水
为密封沉箱内水的深度；δh
外水
为密封沉箱在所处水体中增加的深度；ρ
水
为水的密度；h
外水
为密封沉箱所处水体的深度；g为重力加速度；δh
气沉
为压缩气体无底沉箱压缩气体的高度；h
气沉
为压缩气体无底沉箱箱体的高度；δp为密封沉箱内外压力差；p0为陆地环境气体压力；p
t压缩
为压缩气体无底沉箱中某一时刻的气体压力；p
扬程
为抽排水发电一体机扬程压力；p
t内
为密封沉箱内部某一时刻的气体压力；p
外
为密封沉箱外部的水体压力。13.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能过程如下：当向水体排水时，由于压缩气体无底沉箱气体压力p
t压缩
大于扬程压力p
扬程
，即p
扬程
＜p
压缩
，控制器分别控制关闭进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、控制关闭双向逆止阀a打开b；压缩气体无底沉箱内气体通过空压发电一体机发电，将气体压力作用在密封沉箱内，密封沉箱水通过可伸缩抽排水管道、抽排水发电一体机发电排放到水体中，同时随着密封沉箱排水量增多，气体空间同步增加产生浮力；沉箱在浮力作用下上升的趋势增加，为防止沉箱快速上升，控制器采用平衡发电一体机发电模式，控制沉箱匀速度上升，同时助力发电。14.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能当向功能性蓄水罐内排水时，压缩气体无底沉箱内气体压力p
t压缩
小于等于抽排水发电一体机排水扬程出口压力p
扬程
，即p
t压缩
≤p
扬程
时，且压缩气体无底沉箱内的气体空间高度δh
气沉
大于零，即δh
气沉
＞0，同时新能源输出余电电量p
余电
大于零即p
余电
＞0时，抽排水发电一体机进入抽排水模式，压缩气体无底沉箱内的压缩气体，通过空压发电一体机发电，进入密封沉箱内，抽排水发电一体机与压缩气体无底沉箱内的压缩气体共同作用下，将密封沉箱中的水排到功能性蓄水罐中。15.按照权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能过程如下：随着压缩气体无底沉箱内气体对密封沉箱内排出水做功，压缩气体无底沉箱内气体体积减小，压缩气体无底沉箱内水面上升，当压缩气体无底沉箱内水即将充满时，即压缩气体无底沉箱内的压缩气体无法对水体做功，同时新能源输出余电电量p
余电
大于零，即p
余电
＞0时，启动抽排水发电一体机进入抽排水模式，控制器控制打开进排气阀门、打开密封沉箱进排气口阀门、关闭双向逆止阀a和b；将密封沉箱内气体与环境大气连通，环境大气经可伸缩进排气管道进入密封沉箱中；控制抽排水发电一体机利用余电排水，将密封沉箱内的水排空放到功能性蓄水罐或水体中，密封沉箱得到排水蓄能的空间；当控制器监测到密封沉箱内的水排空时，控制打开双向逆止阀a关闭b，将压缩气体无底沉箱内气体与环境大气连通，启动空压发电一体机压缩气体；利用余电将环境大气经可伸缩进排气管道，在空压发电一体机压缩气体的作用下，压缩气体进入压缩气体无底沉箱，回到初始状态；其中，压缩到压缩气体无底沉箱压缩气体压
力p
t压缩
小于等于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)即，ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)≥p
t压缩
实现压缩空气储能；当压缩到压缩气体无底沉箱压缩气体压力p
t压缩
大于压缩气体无底沉箱当前水深的最大压力ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)即，ρ
水
g(h
外水
h
气沉
)＞p
t压缩
，控制器控制空压发电一体机停止工作。

技术总结
本发明涉及一种气、水沉箱连动多物理量排水蓄能系统及控制方法，所述控制方法：包括步骤1、密封沉箱内注水发电和压缩气体储能，具体包括：步骤1.1、控制水流发电机发电做功功率；步骤1.2、计算沉箱匀速下沉时密封沉箱和压缩气体无底沉箱内压力；步骤1.3、控制密封沉箱内气体压力保证水流发电机最佳发电功率；步骤1.4、控制水流发电机阀门关闭；步骤1.5、压缩气体排气应急发电；步骤2、释放压缩气体无底沉箱中的气体，助力余电排空密封沉箱的水量蓄能；具体包括：步骤2.1、压缩气体压力排水蓄能；步骤2.2、压缩气体助力抽排水发电一体机排水蓄能；步骤2.3、利用余电排水、压缩空气蓄能。压缩空气蓄能。压缩空气蓄能。


技术研发人员：杨子龙 王哲 赵勇 曹国恩 陈伟伟 秦凡 王一波
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2022.01.14
技术公布日：2022/4/22