一种地下水蓄能储能方法与流程

[0002][0003]
本发明涉及一种地下水蓄能储能方法，具体来说是利用地下水层作为能量储存介质，通过泵水和涡轮机的配合来完成能量的储存和释放，以解决能源储存和供应方面的问题。


背景技术：

[0004][0005]
目前，随着能源消耗的增加和传统能源的日益稀缺，人们对新型能源的开发和利用越来越重视。而在可再生能源领域，风能和太阳能的利用逐渐成为主流，但由于其不稳定性和难以存储的特点，使得其在能源供应方面存在一定的局限性。为了充分利用可再生能源的优势，保证能源的稳定供应，人们开始研究各种新型储能技术。
[0006]
目前，常用的储能技术主要有电池储能、超级电容储能、压缩空气储能、水蓄能等。其中，水蓄能是一种比较传统的储能方式，其主要通过水位高差储存能量，具有储存容量大、寿命长、环保等优点。但是，传统的水蓄能技术需要占用大量的地面面积，且在实际应用中受到地形、水质等因素的限制。
[0007]
为了克服传统水蓄能技术的局限性，本方法通过将水泵入地下水层中，利用地下水层作为储能介质，储存能量；当需要释放能量时，通过涡轮机将水抽出地下水层，将能量转换为电能或其他形式的能源。相对于传统水蓄能技术，地下水蓄能技术不占用地表面积，且受到地形、水质等因素的影响较小，因此具有更广泛的应用前景和潜力。


技术实现要素：

[0008][0009]
本发明针对背景技术中的不足，提供了一种地下水蓄能储能方法，其基本原理是利用地下水层作为能量储存介质，通过泵水和涡轮机的配合来完成能量的储存和释放，以克服克服传统水蓄能技术的局限性。
[0010]
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：
[0011]
本发明的地下水蓄能储能系统由泵水系统、地下水层、涡轮机系统、发电系统、控制系统和监测系统等组成。
[0012]
优选的，泵水系统主要由水泵、输水管道、阀门、液压控制系统等组成。水泵将地表或地下的水抽送到地下水层中，储存能量。
[0013]
优选的，地下水层作为储存能量的介质，其选取应考虑地下水资源的丰富程度、地下水层的稳定性、透水性等因素。
[0014]
优选的，涡轮机系统主要由涡轮机、输水管道、阀门、发电机等组成。当需要释放储存的能量时，通过开启液压控制系统，将地下水抽出地下水层，推动涡轮机旋转，将能量转化为机械能；机械能通过涡轮机的转动，驱动发电机发电，最终将能量转化为电能。
[0015]
优选的，发电系统主要由发电机、变压器、开关等组成，将机械能转换为电能。
[0016]
优选的，控制系统主要对泵水系统、涡轮机系统进行控制，实现储能和释能的过程，并保证整个系统的安全和稳定运行。
[0017]
优选的，监测系统主要对地下水层的水位、压力、水质等参数进行实时监测，保证地下水层的稳定性和可靠性。
[0018]
本发明还提供了上述地下水蓄能储能系统的运行过程，包括以下步骤：
[0019]
步骤1：储能过程。地下水蓄能储能系统的储能过程主要包括水泵的抽水和储存。首先，在水库水位较低的情况下，利用电力或太阳能发电机组将水泵抽取到地下水库中储存。在储存过程中，需要注意地下水库的渗漏问题。一些防渗措施，如采用聚合物和混凝土等材料对地下水库进行封闭，可以帮助解决渗漏问题。
[0020]
步骤2：释能过程。当需要释放储能时，将储存在地下水库中的水泵出到发电机组中，产生电能。释放储能的过程需要通过控制系统进行，保证储能和释能过程的稳定。
[0021]
步骤3.操作流程
[0022]
地下水蓄能储能系统的操作流程如下：
[0023]
（1）水库充满水后，将泵站开启，把水从水库中抽出。
[0024]
（2）当水从水库中抽出并经过进水管道进入地下水蓄能储能井时，泵站的自动控制系统开始运行。自动控制系统会监测水位高度并控制水流的流量和速度，以确保系统的运行稳定。
[0025]
（3）当水进入地下水蓄能储能井时，它会通过阀门进入储水井，这个过程中需要保持压力平衡。当水流入储水井时，监测水位高度，以确保水位不超过储水井的最大容量。
[0026]
（4）当需要释放储存的能量时，储水井中的水会通过管道进入水轮发电机，转动水轮发电机产生电能。同时，水流会进入水力涡轮，进一步增加水的压力和速度。
[0027]
（5）当水经过水轮发电机和水力涡轮后，水流会重新回到地下水蓄能储能井中，供下一次储能使用。
[0028]
（6）在整个操作流程中，需要通过监测和控制系统实现对水位、水流速度、水量和压力的监测和控制。同时，也需要进行定期维护和检修，以确保设备的正常运行。
[0029]
总而言之，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
[0030]
1.环保可持续。地下水蓄能储能方法是一种环保可持续的能源储存方法，其主要原因是其基于水资源的可再生特性。由于其所需的基础设施相对较小，因此这种储能方法对环境的影响也相对较小。另外，由于储能系统的运作不会产生任何污染物，这种方法对环境的负面影响也几乎为零。
[0031]
2.高效利用水资源。由于地下水蓄能储能方法利用水资源来存储能量，因此该方法的水资源利用效率也很高。在储能系统中，水可以被重复利用，因此可以在多个季节和年份中使用。此外，与传统的水电站相比，该方法使用的水量更少，因为它并不需要大量的水流来转动涡轮发电机。
[0032]
3.储能容量大。地下水蓄能储能方法的储能容量通常比传统的电池等其他能源储存方法大得多。由于其使用的是水，可以利用地下水库或水源储存大量的水，这使得该方法可以存储大量的能量。因此，这种储能方法可以为城市和工业区域提供持续稳定的电力供应。
[0033]
4. 可调性强。由于地下水蓄能储能方法使用的是水，因此它的调度能力也很强。
因为水可以被快速注入或排放，所以可以根据需求在很短的时间内对储能系统进行调节。这种能力使得该方法成为电力系统中的重要调节措施，可以帮助稳定电网并解决电网波动问题。
[0034]
5.维护成本低。相比于其他能源储存方法，地下水蓄能储能方法的维护成本非常低。由于其基础设施较小，因此维护成本相对较低。此外，由于水资源本身是免费的，因此其运营成本也很低。
[0035]
综上所述，地下水蓄能储能方法是一种高效、可持续、环保、可调性强、储能容量大和维护成本低的能源储存方法。这些优点使得该方法成为一种非常有前景的能源储存技术。
具体实施方式
[0036][0037]
为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，结合以下实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038]
实施例1
[0039]
在本实施例中，储能系统包括一个地下水储层、一台水泵、一台水轮机和一台电动机。储层通过一条水管与水泵相连，水泵通过另一条水管与水轮机相连，水轮机又通过一条电缆与电动机相连。
[0040]
具体操作流程如下：
[0041]
1.开始时，水泵关闭，储层内的水静止不动。电动机启动，启动水轮机，水轮机开始带动发电机转动，并输出电能。
[0042]
2.当需要储能时，电动机停止运转，水泵启动，将水从地下储层抽出，压缩至高压水箱中。
[0043]
3.当需要释放储能时，水泵关闭，高压水箱中的压缩空气驱动水流返回储层，通过水轮机转动发电机并输出电能。
[0044]
在实施例1中，储层的深度为200米，容积为10000立方米；水泵的流量为200立方米/小时，功率为50千瓦；水轮机的转速为300转/分，转矩为200牛
·
米；电动机的额定功率为50千瓦，额定电压为380伏特。
[0045]
实施例2
[0046]
在本实施例中，储能系统包括两个地下水储层、一台水泵、一台水轮机和一台电动机。储层之间通过一条水管相连，水泵通过另一条水管与两个储层相连，水轮机又通过一条电缆与电动机相连。
[0047]
具体操作流程如下：
[0048]
1.开始时，水泵关闭，两个储层内的水静止不动。电动机启动，启动水轮机，水轮机开始带动发电机转动，并输出电能。
[0049]
2.当需要储能时，电动机停止运转，水泵启动，将水从一个储层抽出，压缩至高压水箱中。压缩后的水从高压水箱中流回另一个储层，实现了储能过程。
[0050]
3.当需要释放储能时，水泵关闭，另一个储层中的水流回高压水箱，通过水轮机转动发电机并输出电能。
[0051]
在实施例2中，每个储层的深度为150米，容积均为5000立方米；水泵的流量为150立方米/小时，功率为22千瓦；发电机的额定功率为2兆瓦，运行效率为90%；压缩机的额定功率为2兆瓦，运行效率为85%。在储能过程中，水的初始压力为0.8兆帕，最终压力为2.5兆帕，温度变化不超过5摄氏度。在储能过程中，首先将压缩机启动，将空气压缩至2.5兆帕，然后将压缩空气经过冷却器冷却至与地下水温度相同的温度。随后，将冷却后的压缩空气通过水密封的井管注入地下水储层中。在注入的过程中，由于地下水的压力大于压缩空气的压力，因此压缩空气会被压缩到水中，形成一定的水柱压力，使得地下水储层的压力逐渐增加。储层中的水和空气混合物密度增加，水位逐渐升高。
[0052]
当地下水储层的压力达到一定值时，将开启水泵，将混合物抽出并输送至地表的发电机组。在发电机组中，将混合物通过分离器进行分离，将水和空气分离开来。空气进入压缩机再次压缩，形成高压空气，进行下一轮的储能过程。而水则进入涡轮机组发电。发电后的水被输送回地下水储层，进行再次的储能过程。
[0053]
实施例3
[0054]
地下水蓄能储能系统的储水井和放水井的深度分别为150米和120米，其有效体积分别为2000立方米和1500立方米。储水井和放水井的间距为1.5公里。系统中使用的水泵和涡轮发电机的效率均为90%。假设系统在一天内完成10次循环，每次循环时间为6小时。
[0055]
首先，将储水井注满水，并将其与放水井之间的通道打开，以便水能够从储水井流入放水井。此时，由于储水井和放水井的水位差较大，水能够通过通道自由地流动。在水流进入放水井的同时，水泵开始运行，将水从放水井抽到地面。当系统完成10次循环后，放水井中的水被完全抽干。
[0056]
接下来，系统开始进入发电模式。水从储水井流入放水井时驱动涡轮发电机发电。假设在每次循环中，储水井中的水下降了50米，而放水井中的水上升了30米。在这个过程中，每个循环中储水井和放水井中的水量分别为1500立方米和2000立方米。
[0057]
根据以上参数，我们可以计算出在每次循环中，水从储水井向放水井释放的潜能为：
[0058]
pe = mgh = 1000kg/m^3 x (2000m^3
ꢀ‑ꢀ
1500m^3) x 9.8m/s^2 x (150m
ꢀ‑ꢀ
120m) = 29400000 j
[0059]
因此，系统在每次循环中能够释放的总潜能为：
[0060]
e = 29400000 j x 90% = 26460000 j
[0061]
在每个循环中，系统从放水井中抽出的水的能量为：w = mgh = 1000kg/m^3 x (2000m^3
ꢀ‑ꢀ
1500m^3) x 9.8m/s^2 x (150m
ꢀ‑ꢀ
120m) x 90% = 23514000 j
[0062]
因此，在每个循环中系统能够获得的净能量为：
[0063]
e_net = e
ꢀ‑ꢀ
w = 29400000 j x 90%
ꢀ‑ꢀ
23514000 j = 2508600 j
[0064]
在完成10次循环后，系统能够获得的总净能量为：
[0065]
e_total = 2508600 j/cycle x 10 cycles = 25086000 j
[0066]
通过以上计算，我们可以看出，地下水蓄能储能系统具有较高的能量转换效率和能量储存密度。这种方法还具有良好的环境适应性和安全性，适用于多种地形和气候条件
下的能量储存需求。

技术特征：
1.一种地下水蓄能储能方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在地下水层选取适宜的储存层，进行勘探和评估，确定地下水蓄能的可行性和安全性；步骤二、在储存层设立水井或井群，通过泵送水将电能转化为水能进行储存；步骤三、在需要释放能量时，通过涡轮机将储存的水抽出，将水能转化为电能输出。2.根据权利要求1所述的地下水蓄能储能方法，其特征在于，其储存层为含水层或渗透层，其孔隙度和渗透率适宜水的储存和抽取。3.根据权利要求1所述的地下水蓄能储能方法，其特征在于，其水井或井群的深度和数量适宜储存的水量和储存层的特征，其泵和涡轮机的参数适宜储存和释放的能量需求。4.根据权利要求1所述的地下水蓄能储能方法，其特征在于，其在水的泵送和抽取过程中，使用能效高的泵和涡轮机，并采用节能措施，降低能量损失。5.根据权利要求1所述的地下水蓄能储能方法，其特征在于，其在水的泵送和抽取过程中，采用环保材料和技术，在水的泵送和抽取过程中减少环境污染。例如，在水井或井群的设计中，采用不污染地下水的材料和工艺；在水的输送过程中，采用水的回收和再利用技术，减少水资源的浪费和污染。6.根据权利要求1所述的地下水蓄能储能方法，其特征在于，其还包括以下步骤：步骤一、监测储存层和水井或井群的状态，及时发现和解决问题；步骤二、设立安全措施和应急预案，保障地下水蓄能储能系统的安全运行。

技术总结
本发明涉及一种地下水蓄能储能方法。地下水蓄能储能方法是一种将电能转化为水能，通过泵送水进入地下水层储存能量，在能量需求时将储存的水抽出，通过涡轮机将水能转换为电能输出的技术方法。这种储能方法主要应用于峰谷负荷调节和备用电力供应等领域。地下水蓄能储能方法是一种可行的能源储存技术，具有可控性、灵活性、稳定性等优点，能够满足峰谷负荷调节和备用电力供应等需求。随着能源转型和可持续发展的推进，该技术有望得到更广泛的应用和推广。广。


技术研发人员：唐华华 李桂全
受保护的技术使用者：山东瑞地环评科技有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/9/22