一种蓄水蓄能装置及其使用方法、介质

本发明涉及一种蓄水蓄能领域，特别涉及一种蓄水蓄能装置及其使用方法、介质。

背景技术：

1、海岛、荒漠和雨林等野外地区，人们的生产生活都离不开淡水和电力。对于淡水的需求，通常使用储水塔储蓄雨水，但由于野外经常面临大风，储水塔容易被大风吹倒倾覆。对于电力的需求，通常使用风力发电机和光伏面板发电，并配合蓄电池储存电能以供使用，这种方式设备的采购、运输和安装成本较高，野外经常出现高温、低温、盐雾、大风、暴雨、沙尘等自然现象，具有安全隐患，影响设备服役寿命，设备维护麻烦。此外，对于淡水和电力由不同的装置系统提供，需要较大场地和较高设备投资，经济性较差。

2、因此，亟待在现有公知技术的基础上，提供新的技术手段，将野外地区的蓄水蓄能装置合二为一，提供经济廉价、环境适用性好、使用维护简单的蓄水蓄能技术解决方案。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种经济廉价、环境适用性好、使用维护简单、同时具有淡水和电力提供能力的蓄水蓄能装置及其使用方法。

2、根据本发明的一个方面，提供一种蓄水蓄能装置，安放于野外用于提供淡水和电力，包括集水箱、钢支架、圆形导轨、第一管道、第二管道、水力透平、发电机、第一阀门和储水箱；

3、所述集水箱用于收集雨水并使之向下依次流经第一管道、水力透平和第二管道，并最终被储水箱存储；

4、所述集水箱固定在钢支架的顶部且集水箱底部与第一管道连通；

5、所述水力透平内设有叶轮，其进口与第一管道底部连通而其出口与第二管道顶部连通，且水力透平与发电机机械连接以用于驱动发电机旋转发电；

6、所述第二管道上设有第一阀门以调节流量，且第二管道深入储水箱内部；

7、所述储水箱固定于地面上且其侧壁设有第二阀门用于为用户供水；

8、所述位于钢支架底部设有水平的第二圆环，所述第二圆环整体嵌入固定于地面的圆形导轨以支撑钢支架并可让钢支架连同与之固定连接的集水箱旋转；

9、所述钢支架上设有水平的第三圆环，第三圆环上等距地设有若干圆环固定圈，储水箱侧壁设有与圆环固定圈数目相等的储水箱固定圈，圆环固定圈可与储水箱固定圈形成一一对应关系，进而让钢支架旋转至某个角度并通过圆环固定圈和储水箱固定圈的机械连接得到固定。

10、上述蓄水蓄能装置，还包括：设于装置顶部的风速风向计，设于第一管道且处于水力透平上方的压力表，以及信息模块；

11、所述信息模块分别与压力表、发电机和风速风向计电性连接，用于采集压力表的压力值、发电机的发电功率和风速风向计的风速风向信息，并通过无线网络与用户的智能手机和后台服务器进行通讯。

12、上述蓄水蓄能装置，所述集水箱为顶部敞口、横截面为菱形的不锈钢箱体结构，其顶部设有栅格板以防止异物落入；所述钢支架由竖直方向的若干立柱和水平方向上的若干圆环经互相焊接构成，用于为集水箱、第一管道、第二管道、水力透平和发电机提供支撑。

13、上述蓄水蓄能装置，所述风速风向计设有风向标以指示风向信息。

14、上述蓄水蓄能装置，所述的每一个储水箱固定圈上均设有方位角标识以指示其所处的方位角。

15、进一步地，所述集水箱为不锈钢材质，所述风速风向计树立在集水箱顶部的栅格板上。

16、进一步地，所述储水箱为圆柱体筒状箱体结构且通过膨胀螺栓将其底面固定于地面上，其顶部中心位置设有直径大于第二管道外径的圆孔，并让第二管道的底部穿过圆孔深入储水箱内部。

17、进一步地，所述钢支架由竖直方向的若干立柱和水平方向上的若干圆环经互相焊接构成，所述钢支架的圆环数目大于等于4个且至少包括第一圆环、第二圆环、第三圆环和第四圆环；所述第一圆环位于钢支架的顶部且设有若干连接条以通过焊接方式支撑集水箱，所述第二圆环位于钢支架的底部，所述第三圆环上等距地设有若干圆环固定圈，所述第三圆环与储水箱中截面的位置平齐，所述第四圆环位于水力透平和发电机二者基座所处平面且设有若干连接条与钢板平面以通过焊接方式支撑水力透平和发电机。

18、进一步地，所述圆形导轨固定于地面且内部设有润滑油，用于让第二圆环整体嵌入圆形导轨以支撑钢支架；所述储水箱水平中截面位置的侧壁上等距地设有若干储水箱固定圈，所述圆环固定圈与储水箱固定圈的数目相等且二者之间可通过固定螺栓依次一一机械连接。

19、优选地，上述蓄水蓄能装置，所述集水箱的水平横截面为菱形且菱形中的一个角处于10°至45°之间。

20、优选地，储水箱的容积为集水箱容积的2至5倍。

21、根据本发明的另一个方面，提供一种应用于上述蓄水蓄能装置的使用方法，蓄水蓄能装置投入使用前对其平均发电效率值和不同液位高度下的最大发电功率值进行测试标定；

22、装置的平均发电效率值η的测试和获取按以下步骤进行：

23、步骤a1、打开第二阀门，将储水箱内的水排空，然后关闭第一阀门和第二阀门；

24、步骤a2、将集水箱装满水，记录集水箱内水的容积值v0、集水箱水平中截面相对地面的标高h0和水力透平内叶轮中心相对地面的标高h1；

25、步骤a3、打开第二阀门并保持其开度恒定为k0，将集水箱内的水逐渐排至储水箱并推动水力透平旋转以带动发电机发电，其中k0处于40％至80％之间；优选地，本步骤第二阀门开度k0的选择，以用户使用过程的平均供电功率的需求而定；

26、步骤a4、记录集水箱排水全过程发电机的总发电量w0；

27、步骤a5、按下式计算装置的平均发电效率值η：

28、

29、式中，η为装置的平均发电效率值，v0为集水箱装满水的容积，w0为集水箱排水全过程发电机的总发电量，ρ为水的密度，g为重力加速度，h0为集水箱水平中截面相对地面的标高，h1为水力透平内叶轮中心相对地面的标高；本式等号右边项的分母为以水力透平内叶轮中心为基准面所计算出来的集水箱内水的重力势能，则总发电量除以集水箱内水的重力势能即为平均发电效率；

30、装置不同液位高度下的最大发电功率值的测试按以下步骤进行：

31、步骤b1、打开第二阀门，将储水箱内的水排空，然后关闭第一阀门和第二阀门；

32、步骤b2、将集水箱装满水，记录集水箱底面中心相对地面的标高h2和压力表取压口相对地面的标高h3；

33、步骤b3、读取压力表的当前值pi并由下式计算集水箱的当前液位高度hi：

34、hi＝pi/ρg-(h2-h3) (2)

35、式中，hi为集水箱内相对其底面的当前液位高度，ρ为水的密度，g为重力加速度，h2为集水箱底面中心相对地面的标高，h3为压力表取压口相对地面的标高；

36、步骤b3中读取压力表的测量值时，第一阀门为关闭状态，故测出的是静压值，可通过公式将静压值转化为水柱高度并进一步计算得到集水箱的当前液位高度；

37、步骤b4、打开第一阀门并保持其开度为全开状态，维持一段固定的时间后关闭第一阀门，其中维持的固定时长处于1分钟至30分钟之间，第一阀门维持全开状态期间按照δt的时间间隔不断测量发电机的发电功率并计算得到全开状态期间测量结果的平均值，并将该平均值作为集水箱的液位高度为hi时所对应的发电机的最大发电功率值qi，其中时间间隔δt处于10秒至1分钟之间；

38、步骤b4中发电机发电时对应的第二阀门为全开状态，故保证当前液位高度下发电机能以最大功率发电；

39、步骤b5、重复步骤b3至b4，直至集水箱内的水排空；

40、步骤b6、结束测试，获得一系列集水箱的液位高度hi值以及与之一一对应的发电机的最大发电功率qi值所构成的数据表格；

41、将第一阀门置于一定开度使装置运行供电时，以第一阀门打开的前一时刻为时间t＝0时刻，信息模块按照δt的时间间隔不断采集压力表的压力值、发电机的发电功率值并将采集信息传输至后台服务器，其中时间间隔δt处于10秒至1分钟之间，运行过程后台服务器对装置的剩余总发电量和当前最大发电功率值进行实时预测并将预测结果传递至用户的智能手机，具体预测方法分为以下步骤：

42、步骤c1、对运行过程的任意一个时刻，记该时刻为t＝nδt时刻，其中n为自然数，获得t＝0时刻至t＝nδt时刻之间采集获得的数据矩阵dt＝nδt为：

43、

44、式中数据矩阵dt＝nδt中的第一列为运行时刻，第二列为压力表的压力值采集信息，第三列为发电机的发电功率值采集信息，其中最后一行表示当运行至t＝nδt时刻时采集得到该时刻对应的压力值和发电功率值分别为pt＝nδt和qt＝nδt；

45、步骤c2、计算装置从t＝0时刻运行至t＝nδt时刻之间的总发电量wt＝nδt：

46、

47、式中j为整数，从0开始依次递增1直至n；wt＝nδt为装置从t＝0时刻运行至t＝nδt时刻时的总发电量；qt＝jδt为从步骤c1的数据矩阵dt＝nδt中获得的t＝jδt时刻时发电机的发电功率值，δt为信息采集时间间隔；

48、步骤c3、计算装置t＝0时刻的集水箱的液位高度ht＝0：

49、ht＝0＝pt＝0/ρg-(h2-h3) (5)

50、式中，ht＝0为t＝0时刻集水箱内相对其底面的液位高度，pt＝0为t＝0时刻压力表的压力值，ρ为水的密度，g为重力加速度，h2为集水箱底面中心相对地面的标高，h3为压力表取压口相对地面的标高；

51、只有t＝0时刻第一阀门为关闭状态，集水箱内的水未流出，从而保证该时刻压力表的压力值为静压值，可通过公式(5)将静压值转化为水柱高度并进一步计算得到集水箱的在t＝0时刻的液位高度；

52、步骤c4、计算并获得装置t＝nδt时刻的剩余总发电量rwt＝nδt：

53、rwt＝nδt＝ρgs0ht＝0(0.5ht＝0+h2-h1)η-wt＝nδt (6)

54、式中，ρ为水的密度，g为重力加速度，s0为集水箱内水平中截面的面积，ht＝0为t＝0时刻集水箱内相对其底面的液位高度，h2为集水箱底面中心相对地面的标高，h1为水力透平内叶轮中心相对地面的标高，η为装置的平均发电效率值，wt＝nδt为装置从t＝0时刻运行至t＝nδt时刻时的总发电量；

55、公式(6)等号右边的被减数为装置t＝0时刻的剩余总发电量，其中ρgs0ht＝0为t＝0时刻集水箱水的容积，(0.5ht＝0+h2-h1)为t＝0时刻集水箱水的重心相对水力透平内叶轮中心的高度，则ρgs0ht＝0(0.5ht＝0+h2-h1)为以水力透平内叶轮中心为基准面所计算出来的t＝0时刻集水箱内水的重力势能；

56、步骤c5、建立t＝nδt时刻，剩余总发电量rwt＝nδt和集水箱的液位高度ht＝nδt之间的关系方程式：

57、rwt＝nδt＝ρgs0ht＝nδt(0.5ht＝nδt+h2-h1)η (7)

58、式中，rwt＝nδt为装置t＝nδt时刻的剩余总发电量，ρ为水的密度，g为重力加速度，s0为集水箱内水平中截面的面积，ht＝nδt为t＝nδt时刻集水箱内相对其底面的液位高度，h2为集水箱底面中心相对地面的标高，h1为水力透平内叶轮中心相对地面的标高，η为装置的平均发电效率值；

59、步骤c6、对步骤c5中的方程式求解得到未知量ht＝nδt的正根，由此得到装置t＝nδt时刻的液位高度ht＝nδt：

60、

61、式中，rwt＝nδt为步骤c5求得的装置t＝nδt时刻的剩余总发电量，ρ为水的密度，g为重力加速度，s0为集水箱内水平中截面的面积，ht＝nδt为t＝nδt时刻集水箱内相对其底面的液位高度，h2为集水箱底面中心相对地面的标高，h1为水力透平内叶轮中心相对地面的标高，η为装置的平均发电效率值；

62、步骤c6中t＝nδt时刻的液位高度值通过求解一元二次方程并取正根得出，而不是通过该时刻压力表的压力采集值换算得到，这是由于t＝0之后的时刻集水箱内的水持续流出，一部分静压能转化为动压能，无法准确地压力表的压力采集值转化为水柱高度并进一步计算得到集水箱的在t＝nδt时刻的液位高度；

63、步骤c7、对于步骤c6获得的装置t＝nδt时刻的液位高度值ht＝nδt，寻找步骤b6获得的数据表格中与之最为接近的两个液位高度值及二者各自对应的最大发电功率值，最后通过线性插值计算得到装置t＝nδt时刻所对应的发电机的最大发电功率值qt＝nδt：

64、

65、式中，ht＝nδt为步骤c6获得的装置t＝nδt时刻的液位高度值，ha和hb分别为步骤b6获得的数据表格中与ht＝nδt最为接近的两个液位高度值且有ha<hb，qa为步骤b6获得的数据表格中与液位高度ha对应的最大发电功率值，qb为步骤b6获得的数据表格中与液位高度hb对应的最大发电功率值。

66、上述蓄水蓄能装置的使用方法，根据天气预报或现场对风速风向计的观察，当风速即将大于或正大于风速预警值时，记录预报或观察得到的风向角，按以下步骤进行装置的保护设置：

67、步骤d1、停止发电机的工作；

68、步骤d2、打开第一阀门并关闭第二阀门，将集水箱中的水全部排放至储水箱；

69、步骤d3、解除圆环固定圈与储水箱固定圈之间的机械连接关系；

70、步骤d4、推动钢支架使其第二圆环在圆形导轨中滑动旋转一定的角度，使集水箱水平菱形横截面中较长的对角线尽量与所记录的风向角方向平行以使得集水箱在迎风方向上的投影面积尽可能小，并恢复圆环固定圈与储水箱固定圈之间的机械连接关系。

71、具体地，松开圆环固定圈与储水箱固定圈之间的全部固定螺栓，从而解除圆环固定圈与储水箱固定圈之间的关系；而当圆环固定圈旋转至某个角度后，使之与储水箱固定圈再次对准并重新安装二者之间固定螺栓，即可所有圆环固定圈与储水箱固定圈之间的固定连接关系。

72、钢支架旋转过程中，同时带动了与之机械连接的集水箱、第一管道、第二管道、压力表、水力透平、发电机、第一阀门、栅格板和风速风向计旋转；由于第二管道的底部穿过圆孔深入储水箱内部，故第二管道与储水箱之间没有刚性连接关系，钢支架和储水箱通过圆环固定圈与储水箱固定圈之间的固定螺栓构成刚性连接。

73、上述蓄水蓄能装置的使用方法，保护设置过程借助储水箱固定圈上的方位角标识和风速风向计的风向标来进行步骤d4中钢支架推动角度的定位：

74、(i)、若根据天气预报信息进行装置的保护设置，由天气预报得到的风向信息得到下风方向的方位角，并通过观察储水箱固定圈上的方位角标识来确定步骤d4中第二圆环旋转过程所需达到的方位角；

75、(ii)、若根据现场对风速风向计的观察来进行装置的保护设置，通过观察风速风向计的风向标指向来确定步骤d4中第二圆环旋转过程所需达到的方位角。

76、根据本发明的第三个方面，提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条程序代码，，所述程序代码适用于由处理器加载并运行上述蓄水蓄能装置的使用方法。

77、本发明的有益效果在于：

78、1、本发明的装置将蓄水蓄能合二为一，占地面积小，成本低，除了信息模块用于数据采集和传输外，不包含精密复杂电气元件，也不含蓄电池之类电化学器件，整体以机械设备为主，具有较强的抗高低温和抗盐雾腐蚀能力，可靠性高，环境适应性好。

79、2、本发明智能化程度高，基于事先数据测试和标定信息，仅通过简单的测量元件和数据采集分析，运行过程后台服务器对装置的剩余总发电量和当前最大发电功率值进行实时预测并将预测结果传递至用户的智能手机，这能够很好地满足用户需要，方便用户使用。相关计算过程科学合理、巧妙可靠，当水流静止时才借助压力表读数进行液位换算，并通过重力势能转化为发电量的平均效率来估算剩余总发电量；而水流运动发电过程，通过重力势能和发电量之间的转化关系列方程来计算储水箱内液位动态变化情况，并借助实现标定的数据通过线性差值来预测当前最大发电功率值。

80、3、本发明装置具有较好的抗风能力，上部的集水箱横截面为菱形形状，当发生可能会储水箱吹倒的大风时，将集水箱内的水全部排至底部储水箱，由此整个装置重心大大下移，抗风弯矩能力大大提高；解除储水箱和钢架之间的固定关系，旋转钢架，使集水箱水平菱形横截面中较长的对角线尽量与所记录的风向角方向平行以使得集水箱在迎风方向上的投影面积尽可能小，由此尽可能地减少作用在集水箱上的风力，而旋转完成后又可以安装螺栓使得储水箱和钢支架之间重新建立固定关系，使用充有水的、较重的储水箱来约束钢支架以增强其抗风能力；钢支架通过底部带有润滑油的圆环导轨来旋转，故旋转方便，旋转过程还可以借助储水箱固定圈上的方位角标识以及风速风向计的风向标来定位。