一种发电系统的制作方法

本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种发电系统。

背景技术：

为提高非化石能源消费比重，保障电力安全供应和民生用热需求，需着力提高电力系统的调节能力及运行效率，从负荷侧、电源侧、电网侧多措并举，重点增强系统灵活性、适应性，破解新能源消纳难题，推进绿色发展。随着大规模风能/光伏资源的开发，我国风电/光伏的开发保持着快速发展的强劲势头，但新能源发电的超常规发展与电网建设相对滞后的矛盾日益明显，大规模具有随机性、问歇性、反调节性及出力波动大等特点的风电/光伏能源接入电网对系统的电压稳定、暂态稳定和频率稳定都有较大的影响，风电/光伏能源并网难、并网后消纳难等问题严重制约着能源结构的变革。水电机组具有停机迅速、调节速度快、调节范围宽广等特点，在系统内发挥着调峰调频等功能，然而，常规水电厂、抽水蓄能电厂在大规模新能源存储、能量转化方面作用有限，不能吸收丰沛的风电、太阳能等大规模可再生新能源电力，且对地势、地质有一定的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种发电系统，同时具备大规模能源存储和发电功能，既具有类似于水电机组启停机迅速、调节速度快、调节范围宽广的特点，又实现能源的存储和能量转化，提高可再生能源所占的消费比重，并能循环运行。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；

所述高压气系统包括n1组并列的a侧高压气子系统和n2组并列的b侧高压气子系统，n1≥1，n2≥1；

所述气液混合系统包括a侧气液混合子系统和b侧气液混合子系统；

所述液力发电系统包括一台原动机及其发电机组；

所述控制系统包括所述原动机、发电机组的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统，以及气压控制系统；

所述通道切换系统包括系统中的阀门及管道；

每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口连通对应气液混合子系统的进气口，a侧气液混合子系统的出液口经液力发电系统与b侧气液混合子系统的进液口相连，b侧气液混合子系统的出液口与a侧气液混合子系统的进液口相连，各部件之间通过液阀或气阀控制通断。

进一步的，所述发电系统具有储能状态和发电状态，储能状态由高压气系统、通道切换系统以及控制系统共同实现；发电状态由高压气系统、气液混合系统、液力发电系统、通道切换系统以及控制系统共同实现，由液力发电系统液力发电。

进一步的，a侧气液混合子系统包括m1个a侧气液混合容器，b侧气液混合子系统包括m2个b侧气液混合容器，m1≥1，m2≥1，所述气液混合容器中气体与液体按比例共存，a侧气液混合容器通过阀门依次连接，b侧气液混合容器通过阀门依次连接，一端与高压气系统相连的气液混合容器为所属气液混合子系统的出液口所在的气液混合容器，另一端的气液混合容器为所属气液混合子系统的进液口所在的气液混合容器。

进一步的，所述a侧气液混合容器和b侧气液混合容器均与排气阀相连。

进一步的，a侧气液混合子系统包括a侧气液混合容器一和a侧低压气液混合容器，b侧气液混合子系统包括b侧气液混合容器一和b侧低压气液混合容器，低压气液混合容器的地势高于对应气液混合容器一的地势，或气液混合容器一均与排气阀相连，所述气液混合容器一与高压气系统相连，其出液口为所属气液混合子系统的出液口，所述低压气水混合容器的进液口为所属气液混合子系统的进液口。

优选地，所述高压储气容器中的气体压力不低于0.13mpa。

优选地，所述液体为水、盐水或高密度液体。

优选地，所述气液混合容器具体为地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置或水下储气容器。

优选地，所述液力发电系统的原动机具有低比转速100m·kw～200m·kw和超低比转速10m·kw～100m·kw，所述原动机为水轮机、工业透平或液力透平。

优选地，所述发电系统能在河流、湖泊、海洋、山地、内陆、海岛的不同地形下实现。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明能将风电/光伏等可再生能源转化为压缩空气储存于高压气系统，再将空气能转化为液力发电系统产生的电能，使得风电/光伏经过一系列转化后，不再因随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点造成对电网系统电压稳定、暂态稳定和频率稳定的不利影响，且具有类似于水电机组所具备的优点，有利于风电/光伏能源的并网，有利于提高可再生能源所占消费比重的提高，缓解弃风弃光弃水现象；

(2)本发明通过释放压缩空气推动气液混合容器中的液体发电，相对于常规抽水蓄能发电厂，不依赖于地势落差，使该发电系统可以在河流、湖泊、海洋、山地、内陆、海岛等不同地形下实现；

(3)本发明能将液力发电后流入b侧气液混合子系统的液体通过高压空气、高压泵、自流方式，返回a侧气液混合子系统，实现液流循环，节约资源；

(4)本发明只需要ab两侧中的一侧能方便取液到气液混合容器中，只需要一侧的气液混合容器中有液体，降低了气液混合容器与液源位置的要求，发电系统更易实现；

(5)本发明与压缩空气储能发电相比，可以不依赖于大容量洞穴，依据机组容量可以确定出所需的有限储气容器体积；

(6)本发明能将多余的电能或可再生资源储存，节约资源，减少化石能源的消耗，减轻对生态环境的压力，实现可持续发展。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明所述发电系统的原理框图；

图2为本发明实施例一发电系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二发电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例三发电系统的结构示意图；

图中：1：a侧气水混合容器一；10：a侧气水混合容器二；2：b侧气水混合容器一；20：b侧气水混合容器二；3：液力透平；6：b侧低压气水混合容器；11：a侧空气压缩机一；12：a侧高压储气罐一13：气阀一；14：气阀二；15：a侧高压气总阀；21：b侧空气压缩机一；22：b侧高压储气罐一23：气阀三；24：气阀四；25：b侧高压气总阀；31：水阀一；32：水阀二；33：水阀三；51：阀门一；62：阀门二；71：排气阀一；72：排气阀二；73：排气阀三；74：排气阀四。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明公开了一种发电系统，包括高压气系统、通道切换系统、气液混合系统、液力发电系统以及控制系统，如图1所示，高压气系统、气液混合系统、液力发电系统通过通道切换系统连接，并由控制系统控制；控制系统改变发电系统的运行状态，发电系统的运行状态分为储能状态和发电状态：储能状态时，发电系统从电网吸收新能源电能和多余电能，将电能转化为压缩空气储存于高压气系统；发电状态时，在控制系统的作用下，经高压气系统、气液混合系统、液力发电系统以及通道切换系统将空气能转化为电能。

所述高压气系统包括n1组并列的a侧高压气子系统和n2组并列的b侧高压气子系统，n1≥1，n2≥1，每组高压气子系统包括对应相连的空气压缩装置和高压储气容器；a侧高压储气容器和b侧高压储气容器中的气体压力不低于0.13mpa；采用多组高压气子系统是为了更多地吸收新能源电能和多余电能。

所述气液混合系统包括a侧气液混合子系统和b侧气液混合子系统，a侧气液混合子系统包括m1个a侧气液混合容器，b侧气液混合子系统包括m2个b侧气液混合容器，m1≥1，m2≥1，a侧气液混合容器通过阀门依次连接，b侧气液混合容器通过阀门依次连接，一端与高压气系统相连的气液混合容器为所属气液混合子系统的出水口所在的气液混合容器，另一端的气液混合容器为所属气液混合子系统的进水口所在的气液混合容器。气液混合容器中的气体、液体按比例共存，所述液体为不限于水、盐水或高密度液体的任一液体介质，所述气液混合容器的实现方式不限于地下坑井、地下洞穴、废弃矿井、开发的盐井或矿井、含水层洞穴、地面储气装置、水下储气容器的形式；

液力发电系统包括一个原动机及其发电机组，所述原动机并不限于水轮机、工业透平或液力透平的形式，将液体中的能量转化为机械能，具有低比转速100m·kw～200m·kw和超低比转速10m·kw～100m·kw；

控制系统包括所述原动机、发电机的调速系统、励磁系统、监控系统、保护系统，以及气压控制系统等；所述气压控制系统具有通过控制阀门的开关实现气压调控的功能；

通道切换系统包括系统中的阀门及管道；

每组所述的高压气子系统包括依次对应相连的空气压缩装置和高压储气容器，所述空气压缩装置的进口连通外部的常压空气，所述高压储气容器的出口连通对应气液混合子系统的进气口，a侧气液混合子系统的出液口经液力发电系统与b侧气液混合子系统的进液口相连，b侧气液混合子系统的出液口与a侧气液混合子系统的进液口相连，各部件之间通过液阀或气阀控制通断。

为方便说明，在本发明列出的所有实施例中，所述高压气系统包括2组并列的a侧高压气子系统和2组并列的b侧高压气子系统，所述原动机为液力透平，所述气液混合容器中的液体以水为工作介质。

在实施例一中，如图2所示，a侧气液混合子系统包括a侧气水混合容器一1，b侧气液混合子系统包括b侧气水混合容器一2；a侧高压储气容器的出口分别连接气阀一13、气阀二14的一端，气阀一13、气阀二14的另一端相连并连接a侧高压气总阀15的一端，b侧高压储气容器的出口分别连接气阀三23、气阀四24的一端，气阀三23、气阀四24的另一端相连并连接b侧高压气总阀25的一端，a侧高压气总阀15和b侧高压气总阀25的另一端分别连接对应的气水混合容器的进气口；a侧气水混合容器一1的出水口经水阀一31、液力透平3、水阀二32连接b侧气水混合容器一2的进水口，b侧气水混合容器一2的出水口经水阀三33连接a侧气水混合容器一1的进水口；a侧气水混合容器一1和b侧气水混合容器一2的出气口分别连接排气阀一71、排气阀二72的一端，排气阀一71、排气阀二72的另一端与外部空气连通。

储能状态运行时，气阀一13关闭，常压空气经a侧空气压缩机一11压缩后，存储于a侧高压储气罐一12中，a侧高压气子系统以此类推；气阀三23关闭，常压空气经b侧空气压缩机一21压缩后，存储于b侧高压储气罐一22中，b侧高压气子系统以此类推；

发电状态运行时，当a侧气水混合容器一1中有水时，，水阀一31、水阀二32打开，水阀三33关闭，a侧气水混合容器一1含有高压气体，以及通过排气阀二72调节a侧气水混合容器一1与b侧气水混合容器一2的压力或压差，使高压液流流经液力透平3到b侧气水混合容器一2中，驱动液力透平3对应的发电机组发电，实现单向发电；

此时，a侧气水混合容器一1中的水全部进入b侧气水混合容器一2中，至少一个b侧高压气子系统的气阀打开，b侧高压气总阀25打开，a侧高压气总阀15关闭，水阀一31、水阀二32关闭，水阀三33打开，高压气体自b侧高压储气容器中释放到b侧气水混合容器一2中，使b侧气水混合容器一2的气压高于a侧气水混合容器一1的气压，以及通过排气阀二71调节a侧气水混合容器一1与b侧气水混合容器一2的压差，使高压液流自b侧气水混合容器一2，经水阀三33回流至a侧气水混合容器一1中，实现水循环，以备发电。

在实施例二中，如图3所示，a侧气液混合子系统包括a侧气水混合容器一1，b侧气液混合子系统包括b侧气水混合容器一2和b侧低压气水混合容器6，b侧低压气水混合容器6比b侧气水混合容器一2所处的地势高；高压气系统内、高压气系统与气液混合系统之间的连接方式与实施例一相同，a侧气水混合容器一1的出水口经水阀一31、液力透平3、水阀二32连接b侧低压气水混合容器6的进水口，b侧低压气水混合容器6与b侧气水混合容器一2通过阀门二62相连，b侧气水混合容器一2的出水口经水阀三33连接a侧气水混合容器一1的进水口。

储能状态运行时，与实施例一相同；

发电状态运行时，当a侧气水混合容器一1中有水时，水阀一31、水阀二32打开，水阀三33关闭，a侧气水混合容器一1中含有高压气体，高压液流流经液力透平3到b侧低压气水混合容器6中，驱动液力透平3对应的发电机组发电，实现单向发电；阀门二62在发电状态时打开，或在结束发电状态后打开，b侧低压气水混合容器6中的水因地势差流入b侧气水混合容器一2中；

此时，a侧气水混合容器一1中的水全部进入b侧气水混合容器一2中，阀门二62关闭，同实施例一一样，b侧高压气子系统的高压气使高压液流自b侧气水混合容器一2，经水阀三33回流至a侧气水混合容器一1中，从而实现水循环，以备发电。

在实施例三中，如图4所示，a侧气液混合子系统包括a侧气水混合容器一1和a侧气水混合容器二10，b侧气液混合子系统包括b侧气水混合容器一2和b侧气水混合容器二20；高压气系统内、高压气系统与气液混合系统之间的连接方式与实施例一相同，a侧气水混合容器一1的出水口经水阀一31、液力透平3、水阀二32连接b侧气水混合容器二20的进水口，b侧气水混合容器二20与b侧气水混合容器一2通过阀门二62相连，b侧气水混合容器一2的出水口经水阀三33连接a侧气水混合容器二10的进水口，a侧气水混合容器二10与a侧气水混合容器一1通过阀门一51相连，a侧气水混合容器一1、b侧气水混合容器一2、a侧气水混合容器二10和b侧气水混合容器二20的出气口分别连接排气阀一71、排气阀二72、排气阀三73和排气阀四74的一端，排气阀的另一端与外部空气连通。

储能状态运行时，与实施例一相同；

其中一种发电状态运行时，当a侧气水混合容器一1中有水时，类似于实施例二，a侧高压气子系统的高压气体，以及通过排气阀四74调节a侧气水混合容器一1与b侧气水混合容器二20的压差，使高压液流自a侧气水混合容器一1，经水阀一31、液力透平3、水阀二32流至b侧气水混合容器二20中，液力透平3对应的发电机组发电，实现单向发电；阀门二62在发电状态时打开，或在结束发电状态后打开，通过排气阀二72调节b侧气水混合容器二20与b侧气水混合容器一2的压差，使b侧气水混合容器二20中的水因压差流入b侧气水混合容器一2中；

此时，a侧气水混合容器一1中的水全部进入b侧气水混合容器一2中，阀门二62关闭，b侧高压气子系统的高压气，以及通过排气阀三73调节a侧气水混合容器二10与b侧气水混合容器一2的压差，使高压液流自b侧气水混合容器一2，经水阀三33回流至a侧气水混合容器二10中，阀门一51在此过程结束后打开，通过排气阀一71调节a侧气水混合容器二10与a侧气水混合容器一1的压差，使a侧气水混合容器二10中的水因压差流入a侧气水混合容器一1中，从而实现水循环，以备发电。

由实施例一、三可得，a侧气液混合子系统和b侧气液混合子系统包含的气液混合容器分别与排气阀相连，或如实施例二，低压气液混合容器的地势比气液混合容器一的地势高，不过气液混合容器一连接排气阀也可以达到同样的运行效果。

实施例一、实施例三均通过气压控制系统控制排气阀，调节压力或维持压力差，压力差的给定曲线可能是恒定值，也可能是计划曲线，根据发电机组在电网中发挥的作用、运行和调度方式来决定，一般有ab侧气液混合容器压差恒定运行方式、ab侧气液混合容器变压差运行方式，其中ab侧气液混合容器压差恒定运行方式又分为a侧气液混合容器气压恒定方式、b侧气液混合容器气压恒定方式、ab侧气液混合容器气压均恒定方式和ab侧气液混合容器气压差恒定方式，ab侧气液混合容器变压差运行方式又分为a侧气液混合容器气压可变方式、b侧气液混合容器气压可变方式和ab侧气液混合容器气压均可变方式。

总之，发电运行状态时，通过压力和压力差调节，a侧气液混合系统中的高压液流流经液力发电系统到b侧气液混合系统中，液力发电系统发电；b侧气液混合系统中的高压液流回到a侧气液混合系统中，实现液流循环。

综上可知，通过上述的一种发电系统，所述系统具备以下优点：

(1)本发明能将风电/光伏等可再生能源转化为压缩空气储存于高压气系统，再将空气能转化为液力发电系统产生的电能，使得风电/光伏经过一系列转化后，不再因随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点造成对电网系统电压稳定、暂态稳定和频率稳定的不利影响，且具有类似于水电机组所具备的优点，有利于风电/光伏能源的并网，有利于提高可再生能源所占消费比重的提高，缓解弃风弃光弃水现象；

(2)本发明通过释放压缩空气推动气液混合容器中的液体发电，相对于常规抽水蓄能发电厂，不依赖于地势落差，使该发电系统可以在河流、湖泊、海洋、山地、内陆、海岛等不同地形下实现；

(3)本发明能将液力发电后流入b侧气液混合子系统的液体通过高压空气、高压泵、自流方式，返回a侧气液混合子系统，实现液流循环，节约资源；

(4)本发明只需要ab两侧中的一侧能方便取液到气液混合容器中，只需要一侧的气液混合容器中有液体，降低了气液混合容器与液源位置的要求，发电系统更易实现；

(5)本发明与压缩空气储能发电相比，可以不依赖于大容量洞穴，依据机组容量可以确定出所需的有限储气容器体积；

(6)本发明能将多余的电能或可再生资源储存，节约资源，减少化石能源的消耗，减轻对生态环境的压力，实现可持续发展；

(7)本发明的气液混合容器的实现方式多样化、液体可以为任一介质，使用范围广，实用性强。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。