本發明涉及能源儲備，具體是涉及一種多級抽水蓄能系統及方法。

背景技術：

1、能源是社會發展的前進動力，隨著能源環境問題的日益突出，風能、太陽能等可再生能源受到越來越多的重視，但是由于可再生能源的波動性、隨機性以及現有電網的調峰能力不足等問題給可再生能源的發展帶來了巨大的挑戰。

2、儲能系統作為電廠和電網之間的過渡系統，能夠有效解決可再生能源的并網問題，現有的儲能系統中，抽水蓄能已經大規模進行應用，傳統的抽水蓄能利用電力負荷低谷時產生的電能轉化為機械能抽水至高位水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫進行發電，抽水時能量轉化流程為，水的重力勢能轉化為動能、動能轉化為機械能、機械能轉化為電能，再通過電能轉化為水泵的機械能用來抽水，能量轉化率較低，需要新建水泵站，成本較高；同時蓄能水庫放水釋能利用時需要配建多座發電站用來發電，進一步增加成本。

技術實現思路

1、本發明的主要目的在于克服上述背景技術存在的缺陷，提供一種多級抽水蓄能系統及方法。

2、為實現上述目的，本發明提出的多級抽水蓄能系統，包括上庫、下庫、產氣裝置、壓水裝置、和多級蓄能水庫，沿所述上庫兩旁開設有明渠，所述明渠上連通有前池，所述產氣裝置設置在所述下庫，多級所述蓄能水庫建設在所述上庫和/或所述下庫的兩岸的山上并與所述壓水裝置連通，所述明渠通過多條排水管與所述產氣裝置相連通，所述產氣裝置與所述壓水裝置連通，所述前池與所述壓水裝置連通，利用所述上庫的水頭進入所述產氣裝置產生壓縮空氣后進入所述壓水裝置，將從所述前池流入所述壓水裝置內的水分別提升至多級所述蓄能水庫進行抽水蓄能，無需配建新的抽水泵，能源利用率高，成本低。

3、進一步地，所述產氣裝置包括第一產氣罐和儲氣罐，所述第一產氣罐上分別設有第一進水口、第一補氣口、第一出氣口和第一進出水口，多條所述排水管均與所述第一進水口相連通，所述第一出氣口與所述儲氣罐連通，所述第一補氣口與外部大氣連通，所述第一進出水口與所述下庫連通，所述排水管、所述第一補氣口、所述第一出氣口和所述第一進出水口連通的管道上分別對應設有閥門。通過排水管將明渠內的水引入第一產氣罐，將第一產氣罐內的空氣壓縮，產生壓縮空氣，產生的壓縮空氣進入儲氣罐內待用。

4、進一步地，所述壓水裝置包括若干組壓水罐、輸氣柱和輸水柱，所述儲氣罐的出氣口與所述輸氣柱連通，多級所述蓄能水庫分別連通到所述輸水柱，若干組所述壓水罐縱向布置在所述輸氣柱和所述輸水柱間并與多級所述蓄能水庫相對應，所述前池與所述輸水柱和最底部的所述壓水罐的進水口連通，下級所述壓水罐的出水口分為兩路，一路與上級所述壓水罐的進水口連通，另一路與所述輸水柱連通，所述水罐的進氣口與所述輸氣柱連通，多級所述蓄能水庫與所述輸水柱連通的管道、所述壓水罐與所述輸水柱、所述壓水罐與所述輸氣柱以及下級所述壓水罐的出水口與上級所述壓水罐的進水口連通的管道上分別對應設有所述閥門，所述壓水罐上設有泄氣口，所述泄氣口處設有閥門。通過設置多組壓水罐進行接力壓水提升，使水能夠抽到較高的高度進行蓄能。

5、進一步地，所述產氣裝置還包括第二產氣罐，所述第二產氣罐上分別設有第二進水口、第二補氣口、第二出氣口和第二進出水口，所述輸水柱的底端與所述第二進水口連通，所述第二出氣口與所述儲氣罐連通，所述第二補氣口與外部大氣連通，所述第二進出水口與所述下庫連通，所述輸水柱、所述第二補氣口、所述第二出氣口和所述第二進出水口連通的管道上分別對應設有閥門，利用多級所述蓄能水庫的水頭進入所述第二產氣罐產生壓縮空氣后經由所述儲氣罐進入所述第一產氣罐，將所述下庫經由從所述第一進出水口流入所述第一產氣罐內的水壓出，沿所述排水管返回所述明渠內并最終流回所述上庫。在多級蓄能水庫放水釋能時，通過第二產氣罐產生壓縮空氣，產生的壓縮空氣用來將下庫的水抽至上庫，利用上庫原有的發電機組進行發電。

6、進一步地，多級所述蓄能水庫至少設有六級，每一級所述蓄能水庫之間的落差高度標記為hn,所述上庫與所述產氣裝置之間的落差高度標記為h，則h大于hn。確保壓水罐內的水的提升高度能夠進入對應的蓄能水庫，同時確保蓄能水庫釋能時產生的壓縮空氣能夠將下庫的水抽至上庫進行利用。

7、本發明還提出一種利用上述的多級抽水蓄能系統進行抽水蓄能的方法，包括如下步驟：s1、選擇現有水電站水壩的上游作為上庫，下游河道作為下庫，在上庫和/或下庫兩岸開設有明渠，明渠的起始端與上庫連通，明渠的末端與前池連通。s2、在下庫設置產氣裝置，并根據上庫和/或下庫兩岸的地形建設高于上庫水位的多級蓄能水庫，多級蓄能水庫呈梯級升高布置，多級蓄能水庫之間布置位置的落差高度小于明渠至產氣裝置落差高度；在明渠流至前池的沿程上設有多條排水管，排水管向設置在下庫的產氣裝置內進行放水，利用從明渠沖下的水頭進入產氣裝置內轉化為壓縮空氣。s3、在多級蓄能水庫的山體設有輸水柱和輸氣柱，每級蓄能水庫均連通到輸水柱，并在輸水柱和輸氣柱之間設置壓水裝置，最底端的壓水裝置與前池連通，壓水裝置的出水端均與輸水柱連通，壓水裝置的進氣端與輸氣柱連通。s4、利用步驟s2中產生的壓縮空氣進入壓水裝置內進行釋能，將從前池進入壓水裝置內的水上壓至對應的多級蓄能水庫內進行抽水蓄能；產氣裝置包括第一產氣罐和儲氣罐，第一產氣罐和與儲氣罐連通，多條排水管均與第一產氣罐連通，明渠內的水沿排水管下沖進入第一產氣罐內，將第一產氣罐內原有的空氣壓縮，產生的壓縮空氣進入儲氣罐儲存，當第一產氣罐內充滿水后，關閉排水管上的閥門，釋放部分入儲氣罐內儲存的壓縮空氣返回第一產氣罐內，將第一產氣罐內的水沿第一進出水口排放到下庫，然后再打開排水管上的閥門放水進行下一次的壓縮，進行連續生產壓縮空氣，產生的壓縮空氣用于步驟s4中進行抽水蓄能；產氣裝置還包括第二產氣罐，第二產氣罐和與儲氣罐連通，輸水柱的底端與第二產氣罐連通；多級蓄能水庫釋能時，從最高級的蓄能水庫逐個放水釋能，水流沿著輸水柱下沖進入第二產氣罐內將第二產氣罐內原有的空氣壓縮，產生的壓縮空氣進入儲氣罐儲存，然后利用產生的壓縮空氣將從下庫進入第一產氣罐內的水沿著排水管向上壓回到明渠內，并最終回到上庫，利用上庫原有的發電站進行發電；壓水裝置包括若干組壓水罐，壓水罐的布設高度與多級蓄能水庫的布設高度相對應，最低處的壓水罐的進水口與前池連通，壓水罐的出水口分為兩路，一路與上級壓水罐的進水口連通，另一路與輸水柱連通，當壓水罐對應的蓄能水庫抽水蓄能滿后或需要抽至對應高度蓄水庫蓄水時，壓水罐內向上壓的水進入上一級的壓水罐內進行接力提水，把水抽至對應高度的蓄能水庫內進行蓄能。

8、本發明的有益效果包括：本發明通過從上庫的明渠內放水進入產氣裝置，產生壓縮空氣，放水時，水的重力勢能轉化為動能，沖入產氣裝置內將原本在產氣裝置內的空氣壓縮，水頭轉化為壓縮空氣，產生壓縮空氣后進入壓水裝置內，壓縮空氣釋放膨脹，將從前池流入壓水裝置內的水壓出，提升至對應高度的多級蓄能水庫進行蓄能，與傳統抽水蓄能相比，本發明能夠減少能量損耗，能源利用率更高，且無需新建抽水泵站，成本較低。

技術特征：

1.一種多級抽水蓄能系統，其特征在于：包括上庫、下庫、產氣裝置、壓水裝置、和多級蓄能水庫，沿所述上庫兩旁開設有明渠，所述明渠上連通有前池，所述產氣裝置設置在所述下庫，多級所述蓄能水庫建設在所述上庫和/或所述下庫的兩岸的山上并與所述壓水裝置連通，所述明渠通過多條排水管與所述產氣裝置相連通，所述產氣裝置與所述壓水裝置連通，所述前池與所述壓水裝置連通，利用所述上庫的水頭進入所述產氣裝置產生壓縮空氣后進入所述壓水裝置，將從所述前池流入所述壓水裝置內的水分別提升至多級所述蓄能水庫進行蓄能。

2.如權利要求1所述的多級抽水蓄能系統，其特征在于：所述產氣裝置包括第一產氣罐和儲氣罐，所述第一產氣罐上分別設有第一進水口、第一補氣口、第一出氣口和第一進出水口，多條所述排水管均與所述第一進水口相連通，所述第一出氣口與所述儲氣罐連通，所述第一補氣口與外部大氣連通，所述第一進出水口與所述下庫連通，所述排水管、所述第一補氣口、所述第一出氣口和所述第一進出水口連通的管道上分別對應設有閥門。

3.如權利要求2所述的多級抽水蓄能系統，其特征在于：所述壓水裝置包括若干組壓水罐、輸氣柱和輸水柱，所述儲氣罐的出氣口與所述輸氣柱連通，多級所述蓄能水庫分別連通到所述輸水柱，若干組所述壓水罐縱向布置在所述輸氣柱和所述輸水柱間并與多級所述蓄能水庫相對應，所述前池與所述輸水柱和最底部的所述壓水罐的進水口連通，下級所述壓水罐的出水口分為兩路，一路與上級所述壓水罐的進水口連通，另一路與所述輸水柱連通，所述水罐的進氣口與所述輸氣柱連通，多級所述蓄能水庫與所述輸水柱連通的管道、所述壓水罐與所述輸水柱、所述壓水罐與所述輸氣柱以及下級所述壓水罐的出水口與上級所述壓水罐的進水口連通的管道上分別對應設有所述閥門，所述壓水罐上設有泄氣口，所述泄氣口處設有閥門。

4.如權利要求3所述的多級抽水蓄能系統，其特征在于：所述產氣裝置還包括第二產氣罐，所述第二產氣罐上分別設有第二進水口、第二補氣口、第二出氣口和第二進出水口，所述輸水柱的底端與所述第二進水口連通，所述第二出氣口與所述儲氣罐連通，所述第二補氣口與外部大氣連通，所述第二進出水口與所述下庫連通，所述輸水柱、所述第二補氣口、所述第二出氣口和所述第二進出水口連通的管道上分別對應設有閥門，利用多級所述蓄能水庫的水頭進入所述第二產氣罐產生壓縮空氣后經由所述儲氣罐進入所述第一產氣罐，將所述下庫經由從所述第一進出水口流入所述第一產氣罐內的水壓出，沿所述排水管返回所述明渠內并最終流回所述上庫。

5.如權利要求1至4任一所述的多級抽水蓄能系統，其特征在于：多級所述蓄能水庫至少設有六級，每一級所述蓄能水庫之間的落差高度標記為hn,所述上庫與所述產氣裝置之間的落差高度標記為h，則h大于hn。

6.一種多級抽水蓄能方法，其特征在于：利用權利要求1至5任一所述的多級抽水蓄能系統進行抽水蓄能，包括如下步驟：

7.如權利要求6所述的多級抽水蓄能方法，其特征在于：產氣裝置包括第一產氣罐和儲氣罐，第一產氣罐和與儲氣罐連通，多條排水管均與第一產氣罐連通，明渠內的水沿排水管下沖進入第一產氣罐內，將第一產氣罐內原有的空氣壓縮，產生的壓縮空氣進入儲氣罐儲存，當第一產氣罐內充滿水后，關閉排水管上的閥門，釋放部分入儲氣罐內儲存的壓縮空氣返回第一產氣罐內，將第一產氣罐內的水沿第一進出水口排放到下庫，然后再打開排水管上的閥門放水進行下一次的壓縮，進行連續生產壓縮空氣，產生的壓縮空氣用于步驟s4中進行抽水蓄能。

8.如權利要求7所述的多級抽水蓄能方法，其特征在于：產氣裝置還包括第二產氣罐，第二產氣罐和與儲氣罐連通，輸水柱的底端與第二產氣罐連通；多級蓄能水庫釋能時，從最高級的蓄能水庫逐個放水釋能，水流沿著輸水柱下沖進入第二產氣罐內將第二產氣罐內原有的空氣壓縮，產生的壓縮空氣進入儲氣罐儲存，然后利用產生的壓縮空氣將從下庫進入第一產氣罐內的水沿著排水管向上壓回到明渠內，并最終回到上庫，利用上庫原有的發電站進行發電。

9.如權利要求8所述的多級抽水蓄能方法，其特征在于：壓水裝置包括若干組壓水罐，壓水罐的布設高度與多級蓄能水庫的布設高度相對應，最低處的壓水罐的進水口與前池連通，壓水罐的出水口分為兩路，一路與上級壓水罐的進水口連通，另一路與輸水柱連通，當壓水罐對應的蓄能水庫抽水蓄能滿后或需要抽至對應高度蓄水庫蓄水時，壓水罐內向上壓的水進入上一級的壓水罐內進行接力提水，把水抽至對應高度的蓄能水庫內進行蓄能。

10.如權利要求9所述的多級抽水蓄能方法，其特征在于：多級蓄能水庫之間布置位置的落差高度小于明渠至產氣裝置落差高度。

技術總結
本發明公開了一種多級抽水蓄能系統及方法，多級抽水蓄能系統包括上庫、下庫、產氣裝置、壓水裝置、和多級蓄能水庫，沿上庫兩旁開設有明渠，明渠上連通有前池，產氣裝置設置在下庫，多級蓄能水庫建設在上庫和/或下庫的兩岸的山上并與壓水裝置連通，明渠通過多條排水管與產氣裝置相連通，產氣裝置與壓水裝置連通，前池與壓水裝置連通。本發明通過從上庫明渠內放水進入產氣裝置產生壓縮空氣，產生壓縮空氣后進入壓水裝置內，壓縮空氣釋放膨脹，將從前池流入壓水裝置內的水壓出，提升至對應高度的多級蓄能水庫進行抽水蓄能，與傳統抽水蓄能相比，本發明能夠減少能量損耗，能源利用率更高，成本更低。

技術研發人員：黃祖華,甘萬發,李強,韋鵬,黃海榮,張沅臻,藍維鑫,王林楓,李伯青,李飛,歐俊濤
受保護的技術使用者：武漢能立科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28