一种具有多扇形锚室的沉箱储能发电系统及控制方法

本发明属于储能领域，具体涉及一种具有多扇形锚室的沉箱储能发电系统及控制方法。

背景技术：

1、一种类似“抽水蓄能”的方法“水下沉箱排水储能”，通过新能源发电无法外送产生的余电将水下沉箱内的水排出，需要供电时利用水深压力驱动沉箱上的水轮发电机发电。是“抽水蓄能”的逆过程。不占陆地面积，无蒸发水体损失，容量大而且无需“抽水蓄能”的上水库等优点，而且对依托海洋环境或利用海水特性的各种产业，依据需求配置容量就近稳定供电，大大的降低线损，同时为海上风电并网提供稳定电源保证。同时带动相关行业的创新与发展，如水体治理（漂浮物清理等），海水淡化、大型冷却、海上平台、海下石油管道加热加压、水下数据中心、水下换流站等。

2、由于考虑水下沉箱排水储能百年全寿命周期，由此针对结构的防腐、生物寄生、温湿度变化对结构的影响，尤其水下沉箱长期锚定在水体底部，如何克服泥沙渗透率保证锚定的可靠性，是保证水下沉箱稳定性至关重要的问题。

3、由于水体底部沉积数米到数十米的泥沙层，水下沉箱依据吸力锚原理多采用吸力锚桩进行锚定，然而锚定的地质或泥沙透水率问题，导致吸力锚系统内低压将一定水吸出，日积月累水量增加破坏吸力锚系统内低压环境，导致吸力锚系统失效，无法保证水下沉箱全寿命周期工作。而吸力锚系统失效的速度与水域地质或泥沙透水率有关，透水率越大寿命越短。

4、同时水下沉箱采用钢筋混凝土一体预制成，置于海水中受到盐的腐蚀、生物寄生、温湿度变化，都对结构寿命影响非常大。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出一种具有多扇形锚室的沉箱储能发电系统及控制方法，依据吸力锚原理及可靠性需求，提出多吸力锚室吸力锚系统，使得当某一锚室出现问题，不会造成整个吸力锚系统崩溃；并利用沉箱储能发电进排水变化过程，依据浮力原理在多吸力锚室产生上下移动趋势，如“打气筒”或“压水井”原理抽压水过程，解决多吸力锚室系统日积月累的渗水破坏吸力锚室的低压环境问题，保证沉箱储能发电全生命周期的可靠稳定工作。利用超疏水材料即实现防腐、克服水生物寄生的同时，又实现降低水体旋转水对圆柱形沉箱底和箱壁的粘滞力。最后，利用沉箱储能发电进水过程，较低损耗压缩沉箱内气体到同一水域环境的气囊中，保证气体的温度、湿度不发生改变；在储能排水释放压缩气体，一方面助力排水减小负荷，另一方面保证沉箱内温湿度不发生变化。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有多扇形锚室的沉箱储能发电系统，包括圆柱形沉箱单元、吸力锚单元、储能发电单元、压缩气体单元；储能发电单元置于圆柱形沉箱单元内部；压缩气体单元置于圆柱形沉箱单元外部，并依据水轮机小于最小水头深度或圆柱形沉箱穹顶所处的水深，锚定在圆柱形沉箱单元上；吸力锚单元置于圆柱形沉箱单元底部外侧；所述圆柱形沉箱单元为圆柱型罐体结构，通过吸力锚单元垂直锚定在位于一定规模和深度的水体淤泥中，包括：圆柱形沉箱体、上部的沉箱穹顶和圆柱形沉箱单元底部；

4、所述的储能发电单元为圆柱形沉箱同心圆圆柱体，分为上下两部分，上部分为水泵/水轮机一体机的进排水管道，水泵/水轮机一体机的进排水管道上端进出口处嵌入安装进排水阀门，贯穿圆柱形的沉箱穹顶并与沉箱穹顶连接；下部分为水泵/水轮机控制室，安装圆柱形沉箱单元底部中心位置，水泵/水轮机控制室内安装有水泵/水轮机一体机；

5、所述的吸力锚单元为倒扣的圆形分格式托盘，圆形分格式托盘分为同心圆格和若干个等分扇形分格；

6、所述的压缩气体单元包括气囊和气囊进排气管道；

7、所述气囊依据最小水头高度或圆柱形沉箱穹顶所处水的深度，利用圆柱形沉箱体作为锚桩，锚定在圆柱形的沉箱穹顶或周边水体中，气囊进排气管道附着在圆柱形的沉箱穹顶外上面；气囊通过气囊进排气管道贯穿圆柱形的沉箱穹顶接入沉箱进排气管道，依据控制策略控制进出气囊的压缩气体；一方面助力储能水泵排水，另一方面保证圆柱形沉箱体内部温湿度，保证沉箱结构寿命。

8、进一步地，所述同心圆格位置为圆柱密封集水井；扇形分格为扇形锚室；扇形分格隔断为扇形锚室壁，同时为圆柱形沉箱单元底部的结构支撑与加固部件；圆形分格式托盘边为吸力锚单元的群边；圆形分格式托盘底为吸力锚单元上部，也是圆柱形沉箱单元底,圆形分格式托盘底部朝上，吸力锚单元上部中心高，呈圆锥形结构；吸力锚单元通过圆柱形沉箱单元底部与圆柱形沉箱体内空间隔开。

9、进一步地，所述水泵/水轮机发电进水口或水泵的排水口通过管道与水泵/水轮机进排水管道下端口连接；水泵/水轮机发电出水口或水泵的进水口安装三通阀，并与三通阀公共端连通，其中三通阀一通贯穿水泵/水轮机控制室侧壁与圆柱形沉箱体内部连通，三通阀二通贯穿水泵/水轮机控制室底部和圆柱形沉箱单元底部与吸力锚单元连接；同时储能发电单元结构上与沉箱穹顶连接，下与圆柱形沉箱单元底部固定，起到对沉箱穹顶的支撑作用。

10、进一步地，每个扇形锚室的扇形顶靠近吸力锚单元上部与圆柱密封集水井圆柱壁之间嵌入安装锚室受控逆止阀；锚室受控逆止阀一端与圆柱密封集水井连通，另一端安装有多孔排泥浆管道；其中，多孔排泥浆管道位于每个扇形锚室1/2弧长与圆心的连线上，并预制安装在吸力锚单元上部，同为圆柱形沉箱单元底部的加强梁；沿多孔排泥浆管道轴向两侧不等间距排列若干个排泥浆孔。

11、进一步地，所述集水管道垂直安装在圆柱密封集水井中心，一端贯穿吸力锚单元上部和圆柱形沉箱单元底部与三通阀二通连通，另一端置于接近于圆柱密封集水井底部；每个扇形锚室吸出的水被排压到圆柱密封集水井中，由水泵/水轮机一体机中的水泵排出，保证吸力锚单元内处于无水状态。

12、进一步地，在圆柱形沉箱体就位时采用专用泥浆泵或水泵/水轮机一体机中的水泵入口通过三通阀二通将与圆柱密封集水井中集水管道连接，启动专用泥浆泵或水泵/水轮机一体机通过三通阀将对每个扇形锚室的泥浆经排泥浆孔吸进，经专用泥浆泵或水泵/水轮机一体机另一端储能发电的进排水通道排出，随着吸力锚单元内的淤泥排出，圆柱形沉箱体在重力作用下逐步下沉；当姿态传感器监测到圆柱形沉箱体状态有偏差时，关闭或打开对应的锚室受控逆止阀，调整对应扇形锚室的淤泥量，使圆柱形沉箱体平稳逐步的嵌入到水体淤泥中，实现每个扇形锚室与圆柱形的沉箱穹顶水体形成压低力差，将圆柱形沉箱体牢牢的锚定在水体的淤泥中。

13、进一步地，锚室受控逆止阀在不受控状态为单相逆止流通状态，受控时为两种状态：打开为受控逆止阀处于双向流通状态；关闭为受控逆止阀处于双向不流通状态；并在每个受控逆止阀上安装有传感器。

14、进一步地，当圆柱形沉箱和内部水的重量大于浮力时，重量驱使圆柱形沉箱有下沉的趋势，将扇形锚室内顶部的水经锚室受控逆止阀压到圆柱密封集水井中，由此保证扇形锚室内处于无水状态，避免吸力锚发生失效的风险；当圆柱密封集水井中泥水达到一定阈值时，控制三通阀使圆柱密封集水井与水泵/水轮机一体机中水泵连通，将圆柱密封集水井中泥水排出，确保吸力锚单元工作稳定，圆柱形沉箱单元可靠的运行。

15、本发明还提供一种具有多扇形锚室的沉箱储能发电系统的控制方法，包括如下步骤：

16、步骤1、半潜漂浮运输：将圆柱形沉箱单元拖至水体中，打开进排水阀门，通过水泵/水轮机一体机的进排水管道为圆柱形沉箱体内注入适当水量，使圆柱形沉箱单元自重和水的重量小于浮力，圆柱形沉箱单元半潜与水体中，使圆柱形沉箱单元重心下移，关闭进排水阀门，由此圆柱形沉箱单元依靠浮力，利用拖船拖至定位安装的水域；并通过多只拖船牵引绳与圆柱形沉箱壁上的多组牵引环连接；

17、步骤2、下沉时依据浮力打开进排水阀门，通过水泵/水轮机一体机的进排水管道为圆柱形沉箱体内注水，控制圆柱形沉箱单元自重和内部的水体重量一大于浮力时，就关闭进排水阀门，满足缓慢下沉安装需求；

18、步骤3、即将到达海床时，依据圆柱形沉箱单元的姿态传感器，利用多只拖船多组牵引绳，调整圆柱形沉箱单元的姿态，保证圆柱形沉箱单元所需要的姿态；

19、步骤4、当圆柱形沉箱单元定位安放在目标海床上时，打开进排水阀门，通过水泵/水轮机一体机的进排水管道为圆柱形沉箱体内注水增加圆柱形沉箱单元的重量，利用圆柱形沉箱单元的重量嵌入到海床上；由于圆柱形沉箱单元底部的吸力锚为多扇形锚室结构，并在每个扇形锚室安装多孔排泥浆管道及锚室受控逆止阀，将每个扇形锚室内和圆柱形沉箱单元外的淤泥隔开；

20、步骤5、利用泥浆泵或水泵/水轮机一体机中的水泵通过三通阀与圆柱密封集水井上部的锚室受控逆止阀连通，打开进排水阀门启动专用泥浆泵或水泵/水轮机一体机中的水泵，将各个扇形锚室内的淤泥经排泥浆孔、锚室受控逆止阀、圆柱密封集水井吸出，经专用泥浆泵或水泵/水轮机一体机中的水泵另一端储能发电的进排水通道排出；随着控制扇形锚室内的淤泥排出，在圆柱形沉箱单元的重力和扇形锚室内与圆柱形沉箱体外的水压差作用下，圆柱形沉箱单元平稳下沉嵌入到淤泥海床淤泥内；

21、步骤6、当圆柱形沉箱单元即将到达目标深度时，姿态传感器监测圆柱形沉箱单元姿态偏差，关闭或打开对应锚室受控逆止阀，调整对应的扇形锚室的淤泥量，使圆柱形沉箱单元平稳逐步的嵌入到水体淤泥中，实现每个扇形锚室形成低压区将圆柱形沉箱单元牢牢的锚定在水体的淤泥中；

22、其中，锚室受控逆止阀在不受控状态为单相逆止流通状态，受控时为两种状态：打开为锚室受控逆止阀处于双向流通状态；关闭为锚室受控逆止阀处于双向不流通状态；并在每个锚室受控逆止阀上安装有传感器；

23、步骤7、当圆柱形沉箱单元垂直安放达标后，所有锚室受控逆止阀处于在不受控状态；

24、圆柱形沉箱单元进入储能发电进排水周期变化过程，将扇形锚室吸出的水经锚室受控逆止阀压到圆柱密封集水井中，保证扇形锚室内无水状态，避免吸力锚发生失效的风险；

25、步骤8、当传感器监测的圆柱密封集水井中的泥水位达到一定阈值时，控制三通阀使圆柱密封集水井与水泵/水轮机一体机中的水泵连通，将圆柱密封集水井中泥水排出，确保吸力锚单元长寿命稳定工作，圆柱形沉箱单元可靠的储能发电。

26、本发明的原理为：

27、1、吸力锚原理，包括：

28、（1）沉桩原理：吸力锚沉入水中后，利用其自重产生初始入泥的贯入深度，形成一个封闭系统。这个封闭系统包括吸力锚本身以及其周围的水体。

29、（2）排水原理：当吸力锚沉入水中后，通过泵系统抽出吸锚筒内的水，使锚筒内产生低于锚筒外的水压。利用锚筒顶内、外的负压差，将锚筒压入泥中，从而固定在海底。

30、（3）吸力锚的结构：深海吸力锚通常是一个顶端封闭、下端敞开的钢筒，顶端留有抽吸孔。在海上作业时，吸力锚在自重作用下沉入淤泥层一定深度，并通过泵系统产生的压差将吸力锚压入更深的淤泥层，直至其顶盖下部与泥面接触，从而牢牢吸附在泥面上。

31、2、疏水材料防腐原理，包括：

32、如疏水材料硅烷表面的微柱子结构可以形成高度符合空气-水表面张力匹配的“莲花叶面”，水滴在表面上的接触角高达170度以上。这种接触角高的原因是水滴与表面之间存在水气-表面之间的气体隔离层，使水滴无法直接与硅烷表面发生接触，这种气体隔离层被称为卡西米尔效应。由此盐水无法接触到沉箱表面，同样海洋生物无法寄生。

33、3、压水井工作原理，包括：

34、压水井上面有一个活塞，下面有一个阀门，这个活塞和阀门都是一个单向阀，使水往上涌而不能回流，活塞上行时，阀门开启，将下面管子里的水抽到上面空腔里，活塞下行时，阀门关闭，水从活塞边上涌出，如此循环将下面管子里的水抽出。

35、4、多扇形锚室提高沉箱储能发电系统结构稳定性原理，包括：

36、将圆柱形沉箱依据吸力锚原理锚定在海床上或嵌入海床内，利用水域水头势能通过水泵/水轮机进水到圆柱形沉箱内驱动水轮机发电，以及利用余电启动水泵排空圆柱形沉箱内水体的过程储能。

37、由于在进水发电的同时，沉箱内水量的增加气体近乎零损耗被压缩到同一水域的气囊中，在排水储能过程释放压缩气体即助力水泵排水，同时又为圆柱形沉箱内提供恒温、恒湿的气体，保证了沉箱结构的长寿命。

38、基于疏水材料原理，涂敷在沉箱内外表面，即防止海水的腐蚀，又避免了水生物的寄生。

39、考虑圆柱形沉箱置于水底，浮力、水流等对圆柱形沉箱结构稳定性的影响很大，由此基于吸力锚原理将圆柱形沉箱底部建造吸力锚，考虑吸力锚的可靠性，将吸力锚划分为若干扇形锚室，并在中心位置安装集水井，每个扇形锚室通过逆止阀与集水井连通，组成吸力锚系统，嵌入在水底的淤泥中。当某个扇形锚室内有水吸出压力改变时，不会影响整个吸力锚系统的稳定性。

40、考虑海床泥沙地质的渗水率，吸力锚系统在日积月累导致吸力锚桩内部有水吸出，当水量增加到一定阈值时，将破坏吸力锚桩原有的内外压力差，导致吸力锚失效。由此本发明利用圆柱形沉箱在储能发电进排水过程中，圆柱形沉箱包括水的重量发生改变，在浮力的作用下圆柱形沉箱上下移动趋势，如“打气筒”和“压水井”原理抽压水过程，圆柱形沉箱上移动趋势逆止阀关闭，在扇形锚室内上端形成低压区水被吸出，圆柱形沉箱下移动趋势逆止阀打开，扇形锚室内的水通过逆止阀压到集水井中。当集水井中水达到一定阈值时，启动水泵将水抽出，保证圆柱形沉箱长寿命工作周期。

41、有益效果：

42、1）相比抽水蓄能电站解决地质要求高问题。

43、2）不占陆地面积。

44、3）压缩气体助力排水储能，同时气囊释放的气体与圆柱形沉箱内温湿相同，防止温湿度变化造成结构的特性发生改变。

45、4）吸力锚单元提供圆柱形沉箱的稳定性和可靠性。

46、5）疏水材料既降低水与沉箱壁的粘滞力，又提高沉箱防腐性能。

47、6）利用圆柱形沉箱在储能发电进排水过程中周期性的重量变化，圆柱形沉箱上下移动趋势，如“打气筒”和“压水井”原理，抽压水过程将锚室中排出，保证吸力锚的可靠性和长寿命。

48、7）不受丰、枯水变化的影响。

49、8）不受风吹日晒和季节变化、昼夜温差、干湿度的影响。

50、9）没有水量蒸发的能量损失。