提高蓄水储能电站能源转换率的方法

专利名称：提高蓄水储能电站能源转换率的方法
技术领域：
本发明属固定建筑物领域。
目前的蓄水储能电站，在工作时，由于受到水头损失、本身能耗等因素的影响。特别是只采用简单的一抽一放的形式，所以最佳的能源回收率也只在80%左右。要想再提高其能源的回收率，由于受到能的守恒定律的制约，目前还没有什么突破性的进展。
本发明的任务是提出一种《提高蓄水储能电站能源转换率的方法》，它是在目前蓄水储能电站的基础上，将蓄水池直接修建在供水池之上，并在蓄水池底开一个孔，再将一个活塞式的浮体经该孔而安放在供蓄两水池之间，当蓄水池蓄水储能和放水发电时，都整定一个始动力作用于浮体，使浮体的浮力或重力等于始动力时，才能在供蓄两水池间作上下运动。并将其运动中所具有的不属于能的守恒定律范畴的能量提取出来，就能极大地提高其能源转换率。
本发明的任务是以如下的方式完成的当开动抽水装置，水开始进入蓄水池(1)，这时，整定一个始动力作用于浮体(2)，使浮体的浮力等于该值时，才能向上运动。随着蓄水池的水位上升，浮体的浮力增大，当等于始动力时，浮体开始向上运动。蓄水池满水后，抽水装置停机。浮体停止运动。开始放水发电，这时又整定一个始动力作用于浮体，使浮体的重力等于该始动力时，浮体才能向下运动。随着水位下降，但在始动力的作用下，浮体尚未能向下运动，当蓄水池放完水后，浮体的重力已等于始动力，浮体开始向下运动。当浮体处于平稳后，已完成一个工步。又可开动抽水装置，反复上述过程。在上述过程中，除蓄水储能和放水发电在能的转变和守恒定律的范畴内守恒外，还可利用浮体上下运动的物理现象，将其在运动中所具有的能的守恒定律以外的能量提取出来加以利用，就能提高其能源的转换率。
以下结合附图
，对本发明的具体结构构成，并以浮体的直径为2米高为10米，钢材焊接结构自重2吨。蓄水池的直径为2.02米，高为10米为实施例，作进一步的描述。
附图为本发明的主视剖面示意图，其中由蓄水池(1)，浮体(2)框架柱(3，5)，供水池(4)，基础底板(6)所组成。
在附图中，供水池(4)只要求浮体(2)在其活动的区域内，有一个直径比浮体直径稍大，深略高于浮体1/2高的位置，使浮体在工作时能上下运动即可。供水池的水平面应与蓄水池(1)内的底面平面平行。供水池应取于有稳定水位的开放式的江河湖海上，使浮体作上下运动时，其水位不作变化，若取于水库等其它封闭式的系统内，则要求其库容量远远大于浮体的体积，使浮体在作上下运动时，其水位仅作微小的，以至可以忽略不计的变化。
以本发明实施例为例，供水池(4)在浮体(2)的活动区域内，只要有一个直径为2.1米，深为5.1米的位置，供浮体运动即可。供水池的深若已低于河床，需在其直径2倍以外的外围，用砖或其它材质砌一道略高于河床的拦污坝，以使污泥杂物不能流进该处。在水平面以下的5.3米处，地基应牢固，以用来建蓄水池的基础。为使蓄水池能建于地面以下，供水池的水平面应与地面平面相差10米。
浮体(2)用钢筋混凝土结构或钢材焊接结构加工做成。采用圆柱体，圆周下面的边缘处向下对称引伸出四个0.1米的定位脚，以免使浮体全部上升到蓄水池后，由于侧面放水发电而使浮体偏位，不能返回供水池。并根据采用不同材质构成的自重，在浮体内加进水或其它物质使浮体的高度中线与蓄水池内底面平面平行时，浮体(2)所排开的水量与其重量相等。因浮体需在供蓄两水池间作上下运动，而抽水进蓄水池，是本发明的耗能部分，所以浮体与蓄水池两者直径相差宜在5至30毫米之间。只要使浮体能在蓄水池内作上下运动即可。浮体的圆周应光滑平亮，只在蓄水池内运动的中线以上的上半部份，圆周各点到圆心的偏差值，应小于浮体与蓄水池两者半径之差的1/2。中线以下的下半部份，因需在供蓄两水池间运动，而浮体本身与蓄水池的底孔配合，也是阻止蓄水池的水经蓄水池底孔流向供水池的唯一物体，所以其偏差值要小于上半部份偏差值的1/5。在浮体工作开始运动前，先整定一个使浮体能够开始运动的力作用于浮体，使浮体的浮力或重力等于该值时，浮体才能开始运动。该始动力等于浮体1/2体积的排水量。即浮体本身的重量。
以本发明的实施例为例，浮体(2)的直径取2米，高取10米，钢材焊接结构构成，用铁枝做成直径1.94米的圆圈21个，在各圆圈内，再用两铁枝摆成十字形与各圈焊接，然后将每两圈隔0.5米用12条铁枝在圆周平均分格焊接，以连接各圈。上底两面另各加一圈直径为一米的焊接进去，构成框架。以上钢材直径可取12至16毫米。框架外围均用3毫米厚铁板，圆周及底面直接焊接使之能密封。上面因需放水进浮体内，用螺栓连接。这样浮体的自重为2吨，浸水5米时的排水量为15.7吨，所以需加水13.7吨，使浮体浸水5米时，排水量与重量相等。浮体上半部份的5米，圆周各点到圆心的偏差值应控制在±5毫米以内。下半部份的直径应控制在1.998至2米之间。整定浮体上下运动的始动力均为15.7吨。
蓄水池(1)为圆柱体，其池体可用钢筋混凝土结构或钢材焊接结构构成。若建于地面以下，也可用砖、石等其它材质，并每隔3至4米加一道钢筋混凝土结构的围身梁而构成。由于该池是建在供水池(4)之上，所以该池的基础是建造在供水池内，为使供水池的水能畅通，基础最底先用钢筋混凝土加工一块直径稍大于蓄水池直径的基础底板。在该板到蓄水池底，只需用钢筋混凝土倒柱立框架，若柱高超过5米。需隔3至4米另加一道围身梁。
蓄水池(1)的高度与浮体(2)的高度相等。其直径，根据本发明的需要，浮体是需在蓄水池内作上下运动，而两者间的空间位置是需耗能抽水进去，使浮体产生浮力，所以两者的直径差宜在5至30毫米之间。在现有技术允许的范围内，也根据所建蓄水池采用不同的材质和加工方法，来确定其池内的直径，但必须使浮体能在蓄水池内作上下运动，而浮体与蓄水池之间又有水能流进。蓄水池体的内壁应光滑平亮。各点到池内圆心的偏差值应小于蓄水池与浮体两半径之差的1/2。并在蓄水池底开一个孔，该孔的孔面平面是供蓄两水池的水位分界处，浮体也是经该孔而在供蓄两水池间作上下运动。理论上，该孔与浮体应加工到缸套与活塞一样的密封程度，但考虑到所建浮体及蓄水池的体积和重量，结合现有技术，只需使其偏差值小于浮体与蓄水池两者半径偏差值的1/5，虽然多耗点能抽水进去，只要在向蓄水池抽水时，流进蓄水池的水远远大于经该孔而返回供水池的水即可。
就本发明的实施例而言，蓄水池(1)的直径取2.02米，高取10米，半径偏差值小于±5毫米，池体底孔直径为2.001米，直径最大偏差值为2毫米，使直径控制在2.001至2.003米之间。当浮体(2)全部处于蓄水池(1)时，两者之间的空间为(1.012π-12π)×10＝0.63114立方米蓄水池体的基础用直径为16毫米的钢材按150×150毫米分格排列加工成直径为3米，高为0.2米的钢筋混凝土基础底板(6)。在该板面，对称地加工4根用直径16毫米的钢材6条加工成直径为0.3米，高为4.9米的钢筋混凝土框架柱(3，5)。(附图只绘两根)。其中，各柱的钢材均应插入基础底板和蓄水池体的底面。蓄水池底用6条直径16毫米的钢材加工成内径为2.001米，外径为2.42米，高为0.2米的钢筋混凝土结构的圆环。然后在该环面用砖加工砌成外径为2.42米，内径为2.02米，高为10米的池体，并在池体高度的1/3和2/3处加工两道用6条16毫米钢材加工成0.3米高的钢筋混凝土结构的围身梁。为提高蓄水池底孔的精确度，也可将上述的圆环内径改为2.02米，再用一块直径为2.2至2.4米，厚为10毫米的钢板，在其中心加工一个直径为2.001米的圆孔，然后将之安放在上述圆环之上或与圆环的钢材一起倒制在钢筋混凝土内，作为池体的底孔。
本发明的浮体(2)，蓄水池(1)若体积较小时，也可用铁、铜、铝等其它材质一次铸成或冲压加工而成。除采用圆柱体外，也可采用长方体等其它形状。为增加浮力，供蓄两水池的液体除用水外，也可采用其它比重大于水的液体。
以下结合附图，对本发明实施例的具体实施，作进一步的描述。
附图为本发明的起始状态，浮体(2)所排开的水量与重量相等，高度的中线与蓄水池底平面平行，处于平稳状态。这时开动抽水装置(蓄水储能和放水发电两系统的各种设备，附图均未绘出)，水开始进入蓄水池(1)，这时整定一个15.7吨的始动力作用于浮体，使浮体的浮力等于该值时，才能向上运动。随着蓄水池的水位增高，浮体的浮力增大，但在始动力的作用下，浮体尚未能向上运动，当蓄水池水深5米时，浮体的浮力已达31.4吨，比其重量多了15.7吨，已等于整定的始动力，浮体(2)在15.7吨的始动力下向上运动，当蓄水池满水后，停止抽水，这时浮体(2)上升了5米。开始放水发电，同时也整定一个15.7吨的始动力作用于浮体，使浮体的重力等于该值时才能向下运动，随着水位的下降，浮体的浮力减少，向上的压力也相应减少，当蓄水池的水位下降5米后，浮体所排开的水量与重量相等，也处于平稳状态。随着水位的继续下降，浮体的重力已大于浮力，但在整定的始动力作用下，浮体尚未能下降，当蓄水池放完水后，浮体的重力已等于15.7吨，等于整定的始动力，浮体(2)开始向下运动，当下降5米后，浮体已回到起始位置，处于平稳状态。这样就完成了本发明的一个工步，又可开动抽水装置，如此反复地进行。
在每一工步的过程中，浮体处在蓄水池中的空间位置始终是由浮体本身占据着，水是不能进入其位置而损失水头。浮体向上运动是靠蓄水池的水对它产生浮力而运动的，向下运动则靠自己的重力。都不是以损失蓄水池的水位(即能量)而运动。它在运动中所具有的能量，则是靠整定的始动力而得到。所以蓄水池有没有浮体，蓄水储能和放水发电其能的转变是守恒的。而浮体运动中所具有的能量，显然不属于上述能的转变和守恒定律范畴之内，是一种新的浮力能源。这样，浮体在上升的过程中所具有的能量为15.7吨×5米＝78500公斤米，在下降的过程中，起始重力为15.7吨，但随着浮体进入供水池(4)后，供水池对其产生浮力，所以在下降的过程中，浮体的重力与下降的距离成反比，当下降5米后，重力已等于0。所以在这个过程中，浮体向下运动所具有的能量为(15.7吨+0)÷2×5米＝39250公斤米，这样浮体在蓄水储能和放水发电一工步中上下运动时所具有的能量为117750公斤米。若有70%能提取转化为有用功输出，也大于8万公斤米。由于蓄水池与浮体平行时两者中的体积为0.63114立方米，高为10米，所以每一工步中抽水所耗的能量为6311.4公斤米，即使不回收发电，并按抽水的机械效率为80%计算，其所耗的功也不到8000公斤米。(忽略不计由蓄水池底孔返回供水池的水所耗的能量)。
本发明的实施例，若完成一工步的时间为20秒，浮体上下运动所具有的能量功率约为58瓩。若将浮体和供水池都分别向下加深5米，不增加任何能耗也可使浮体的上下运动行程都增加5米。使浮体运动中所具有的能量增加78500公斤米，总共达到196250公斤米。
本发明中浮体在运动中所具有的能量，可用来压缩空气、抽水、或每两套组合而错开供放水时间，由浮体通过连杆曲轴带动飞轮经变速而带动发电机。也可由浮体带动一齿轴，通过飞轮经变速带动发电机发电等上述或其它的现有技术直接或间接将能量提取出来。给予浮体的整定始动力可由上述各种能量转变设备直接提供，也可通过在浮体和蓄水池体两者相应的位置中分别设置对称的扣片和弹簧扣舌，并整定各弹簧的合力等于浮体的始动力，使浮体上下运动前先由扣片压缩弹簧扣舌后才能作相应的上下运动。
本发明与现有技术相比，有如下优点一、彻底改变了蓄水储能电站自问世以来就一直停留在一抽一放的简单形式。使蓄水池在蓄放水时能对设置在其中的浮体产生浮力而得到在能的守恒定律以外的浮力和重力能源。
二、本发明无污染、无三废、无易损件，与同功率的柴油动力机相比，造价不相上下。
三、本发明的投入(不回收)与产出比，理论值大于1比18，最佳时大于1比30。
权利要求
1.一个由蓄水池(1)，浮体(2)，供水池(4)所组成的提高蓄水储能电站能源转换率的方法，其特征在于蓄水池(1)在蓄水储能和放水发电时，都整定一个始动力作用于浮体(2)，使浮体(2)的浮力或重力等于该始动力时，浮体(2)才能通过蓄水池(1)的底孔而在供水池(4)和蓄水池(1)之间作相应的上下运动，并利用其运动的物理现象，将其运动中所具有的能量提取出来加以利用，
2.按照权利要求1所述的装置，蓄水池(1)建造在供水池(4)之上，底面开有一个孔，浮体(2)则通过该孔而安放在供水池(4)和蓄水池(1)之间。
3.按照权利要求1所述的装置，蓄水池(1)内的底面平面与供水池(4)的水平面平行，在蓄水储能的起始时，也与浮体(2)高度中线平行。
4.按照权利要求1所述的装置，浮体(2)开始向上和向下运动的始动力都等于浮体(2)1/2体积所排开的水量时而受到的浮力，也等于浮体(2)重量的重力。
全文摘要
本发明的任务是公开一种“提高蓄水储能电站能源转换率的方法”，它是在目前蓄水储能电站的基础上，将蓄水池直接修建在供水池之上，并在蓄水池底开一个孔，再将一个活塞式的浮体经该孔而安放在供蓄两水池之间，当蓄水池蓄水储能和放水发电时，都整定一个始动力作用于浮体，使浮体的浮力或重力等于始动力时，才能在供蓄两水池间作上下运动，并将其运动中所具有的不属于能的守恒定律范畴的能量提取出来，就能极大地提高其能源转换率。
文档编号F03G7/00GK1077250SQ9210238
公开日1993年10月13日 申请日期1992年4月11日 优先权日1992年4月11日
发明者林泽松 申请人:林泽松