CN105917113A - 用于布置所谓的“海洋”抽水蓄能水力发电站的方法和相应的发电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于布置称为“海洋STEP”的抽水蓄能水力发电站的方法，所述发电站包括：相比于大海的水平面(M)位于高处的蓄水池(RE)；水电站(HE)，其配置成作为泵‑马达组件运行从而将水从海水(M)泵送到所述蓄水池(RE)，或者作为涡轮发电机组件运行从而经由至少一个管(1)将水从蓄水池(RE)向大海(M)释放而发电，该管将所述蓄水池(RE)连接至所述水电站(HE)；其特征在于：所用的水电站(HE)体现为具有至少一个沉箱(2)的形式，该沉箱至少下部是水密的；所述沉箱(2)被运输到所述蓄水池(RE)的“根部”；所述沉箱(2)固定在大海(M)里；并且所述沉箱连接至所述管(1)。

Description

用于布置所谓的“海洋”抽水蓄能水力发电站的方法和相应的发电站

技术领域

本发明涉及一种用于布置称为“海洋STEP”的抽水蓄能水力发电站的方法。

本发明还涉及这样一种转换站。

背景技术

当今的能源世界正在经历深刻的变革，在诸如中国、印度或者东南亚的国家中消耗严重增加。在西欧和北美的西方国家中，也更普遍地感受到这种消耗的增加。

对于这种增长随之而来的是伴随着源于化石燃料的能源增长高峰的到来的能源生产领域的巨变。

最后，在2011年发生在福岛的事件对很多国家的能源政策产生直接影响：减少核能生产(瑞士、德国、日本)和开发间歇性能源。

间歇性可再生能源(诸如风或者光电)的需求以及开发的变化的增长需要能够更好地管理生产和消耗之间的平衡的新方案。

除了用于间歇性能源的预测技术和对消耗和生产的系统网络进行更好的管理，用于储存能源的方案可以有助于系统的平衡。

现今，由于安装所要求的尺寸，电池类型的储存站的方案仅仅稍微有所发展。此外，用压缩空气储存的效率一般。

另一方面，水力储能(水泵水轮机)目前代表大量储存的绝大多数，其似乎具有充分的空间以应对新能源的挑战。

STEP(抽水蓄能水力发电站)的操作原理包括两个阶段，一个是，当要求蓄能的时候，将水从下蓄水池泵送到上蓄水池(位于更高的高度)，另一个是，当要求发电的时候，使水从上蓄水池通过涡轮流到下蓄水池。

除了上蓄水池和下蓄水池以外，STEP包括水电站，该水电站能够作为泵/马达单元运行，从而将水从所述下蓄水池泵送到所述上蓄水池，或者作为涡轮/交流发电机单元运行，从而通过使水从所述上蓄水池释放到所述下蓄水池而发电。还包括所谓的“强制”管和所谓的“下游”管，该“强制”管将所述上蓄水池连接至水电站的所述水泵水轮机，该“下游”管将下蓄水池连接至水电站的所述水泵水轮机。

除了下蓄水池由大海或者大洋替代之外，“海洋”STEP的情况与所谓的“基于陆地”的“传统”STEP相类似。

全世界，站储能容量的99％由STEP提供(来源：“Rapport surl’industrie desénergies décarbonnées–2010”[减少含二氧化碳的能源工业的报告-2010])。

在欧洲，现在列举40GW的已安装的STEP容量(代表全世界STEP容量的30％)。四个GW容量现在处于建造中，欧洲的容量希望在2010至2020之间增加35％。STEP市场因此经受着巨大的扩张，这自从80年代以来从未经历过，这尤其与核容量的发展和优化有关。

欧洲以外，在亚洲，市场经历着其最大的扩张，因为已安装的容量将会在2005(25GW)至2020(50GW)之间翻倍。规划使得能够通过在触及间歇性可再生能源方面的发展来估计全世界在2030/2040对在500和1000GW之间的大量储存的需要，大部分间歇性可再生能源将继续由STEP提供，其余的由称为“CAES”的用于压缩空气储能的技术(正在形成)提供。

由于最好的位置已经被占据这一事实以及环境背景，在接下来的几年里，在欧洲的基于陆地的STEP的发展将会受到限制。

此外，基于陆地的STEP的水力回路(在蓄水池之间的管的长度)相对较长，并且不能够获得较短的响应时间(小于10s)。海洋STEP没有该问题，并能够使得成本和环境损害最小化，同时提供在离岸风区布置的可能性。

因此，海洋STEP是一种能够实施基于陆地的STEP的技术。

然而，发现：

本来的想法是基于与实现基于陆地的STEP相同的工业计划创建海洋STEP，因此，尤其存在以下限制：

·水电站部分布置在地下、在洞穴中或者在井中；

·主要的装置(泵、涡轮机、交流发电机、变压器……)通过陆路引入到位，这需要大量的运输装置；

·成本和延期严重依赖于地质情况和位置的排布，导致计划的巨大的金融风险，这些是投资者不愿意的。

根据文献EP1930597，已知阿基米德螺杆机，其能够将液体从低水平泵送到高水平，或者在液体向下流动的时候产生能量。

该机器包括在最低的蓄水池中设置在底部的基座。基座包括管，在该管中容纳阿基米德螺杆。在该螺杆的旋转轴线的顶端安装电动马达。管道致使管的上端与高水平面连通。

这种装置不构成本发明意义下的STEP。

发明内容

本发明恰恰具有以下目的：纠正上文所列的且详细阐述的缺点。

因此，根据第一方面，其涉及一种用于通过泵送而转换能量的站(所谓的“海洋STEP”)的布置方法，所述站包括：

-相对于大海的水平面位于高处的蓄水池；

-水电站，其配置成作为泵-马达单元运行从而将水从大海泵送到所述蓄水池，或者作为涡轮发电机单元运行从而经由至少一个管将水从蓄水池向大海释放而发电，该管将所述蓄水池连接至所述水电站，

其特征在于：

-水电站用作为，具有至少一个沉箱的形式，该沉箱至少下部是水密的；

-所述沉箱被运输到所述蓄水池的“根部”；

-所述沉箱固定在大海里；

-并且所述沉箱连接至所述管。

根据该方法的其他非限制性的且有优势的特征：

-所述沉箱固定在大海里的同时被部分地浸没；

-所述沉箱的运输通过在水面使该沉箱下水并使用至少一个电动航行器拖拉该沉箱而完成；

-所述沉箱的运输通过将其放置在驳船上而完成；

-沉箱使用为至少一个管道从该沉箱突出用以连接至所述管；

-在所述沉箱固定之前，基部嵌入地布置在大海里，随后将所述沉箱放置在该基部上；

-随后设置用于保护沉箱的装置，诸如防波堤、漂浮的挡浪板、或者与所述沉箱成整体的保护系统。

本发明的另一方面涉及一种用于通过泵送而转换能量的站(所谓的“海洋STEP”)，其包括：

-相对于大海的水平面位于高处的蓄水池；

以及

-水电站，其配置成作为泵-马达单元运行从而将水从大海泵送到所述蓄水池，或者作为涡轮发电机单元运行从而经由至少一个管将水从蓄水池向大海释放而发电，该管将所述蓄水池连接至大海，

其特征在于，所述水电站具有至少一个沉箱的形式，所述沉箱至少部分是水密的，并在所述蓄水池的“根部”处固定在大海里。

有利地，该站包括捆绑至彼此的数个沉箱。

附图说明

通过阅读以下详细的描述，本发明的其它特征和优点将会显现。这通过参考随附的附图实现，其中：

-图1和2是根据现有技术的抽水蓄能水力发电站的两个实施方案的竖直的纵向平面的简化截面图；

-图3是根据本发明的所谓的"海洋STEP"通过泵送来转换能量的站的一个实施方案的竖直的纵向平面的简化截面图；

-图4是在本发明的范围内使用的沉箱的下方元件的立体图，该沉箱形成水电站；

-图5也是立体图，其显示沉箱的具有不同尺寸的数个下方元件，以及设计成覆盖下方元件的上方元件；

-图6是在本发明的范围内使用的沉箱的立体图，该沉箱通过将一个或者多个上方元件和下方元件(诸如在前面的附图中的那些)组合而获得；

-图7是沉箱的沿着竖直的横向平面的截面图；

-图8是置于水中且由两个电动航行器拖拽的沉箱的立体图；

-图9是位于海边的基座的沿着竖直的纵向平面的截面图，该基座在蓄水池的"根部"处且设计成容纳诸如在图8中所示的沉箱；

-图10是站的管的"远"端的沿着竖直的纵向平面的截面图，其设计成连接至沉箱；

-最后，图11是沉箱和用于其的保护性的防波堤的俯视图。

具体实施方式

在下文的全部描述中，应当理解使用STEP作为表述“用于通过泵送转换能量的站”的简称，除非另外说明所提到的是海洋STEP。

此外，术语“蓄水池”和“上蓄水池”可互换使用。

图1和2分别显示根据现有技术的基于陆地的STEP和海洋STEP。

从而，如在图1和2中所示的，水电站HE的水泵水轮机P布置在地下、在洞穴中或者在井中，该水泵水轮机通过强制管10连接至上蓄水池RE并通过下游管12连接至下蓄水池BI或者大海M。电气设备、配电板和变压器安装在关联的水泵水轮机之上的“电气设备”建筑内。

注意到，存在井3，其安装有电梯，这尤其允许操作者接近水泵水轮机或者进入到管内，从而(如果需要的话)检查它们的状况并对它们进行维护。

通过标示，上蓄水池RE和下蓄水池BI分开的距离d大约为几千米。处于海洋STEP的范围之内的该距离大约为几百米。

如上文所述的，随附的附图3显示根据本发明的海洋STEP。

因此，如在图3中所示的，该站沿着形成悬崖的海岸A布置在海边。

蓄水池RE以已知的方式位于海岸的上部，该蓄水池是天然的或者人工的。因此，其相对于大海M的水平面NM处于高处。通过标示，相应的海拔高度差可以包含在50和300米之间。

管1连接蓄水池RE的底部与沉箱2。

该管包括竖向“支部”10和水平“支部”12，竖向“支部”的上端通向蓄水池RE，水平“支部”通向沉箱，该管根据期望产生的能量水平而定尺寸。

所述支部12(所谓“下游”)可以进行其它布置。其例如可以是有斜坡的。

上述的支部通过中间弯曲部11自然地连接。

用于挖掘并铺设该管的技术当然是本领域技术人员已知的，因此不再进一步描述。

水电站HE也在图3中可见，该水电站布置在大海里，在蓄水池RE的“根部”，这意味着该水电站连接至管1的支部12的自由端(或者远端)。该站采用上述的沉箱2的形式。

所述站的结构和其构造模式将在后面的说明中更为详细地进行阐述。

特别如在图4至7中可见的，在本发明的范围内可能使用的水电站HE采用沉箱2的形式，该沉箱优选为金属的，至少在其下部密封。该沉箱优选由预制结构的组装块制成。这特别能够简单并快速地安装构成水电站HE的大型装置(能源系统和辅助系统)，该水电站由这样的块构成，它们如在图5中所示进行组装。

在该图中以及在图4中，沉箱2至少包括一个下方元件20(在此示出三个元件)，该下方元件为平行六面体。其包括底部、竖直纵向壁和竖直横向壁。因此，其在顶部是敞开的。

该下方元件包括水电站的常用装置的一部分，特别是水泵水轮机200、配电板、变压器、通风系统、淡水生成系统、排水系统等。在图4中可见的元件201是在沉箱内的管的部段，元件230是用于连接至管1的在沉箱外的管的部段。当水电站HE分别作为泵马达单元或者涡轮发电机单元运作的时候，管道203能够将海水泵送至管1或者使水从管1释放到大海M。

当然，如在图5中所示的，每个下方元件20都设计成适配覆盖其的上方元件21，该组件则形成沉箱。

元件20和21之间的连接通过任何已知的方式(特别是通过焊接)提供，该方式能够确保沉箱的密封。

沉箱2的立体图在图6中可见。应当注意，板23沿着沉箱的一个横向面延伸，该板平行于沉箱的上表面和下表面。该板作为沉箱2的用于操作者的或者用于装载/卸载装置的进取平台。该板还作为用于一对连接管道230的支撑装置，连接管道的功能将随后阐述。

之前提到过，沉箱的至少下部是密封(水密)的。实际上，如将在下文中所示的，该下部设计成在大海M的表面NM之下延伸。然而，优选地，沉箱的全部表面设计成密封(水密)的。

在根据本发明的方法的一个STEP基于这样一个事实，沉箱2被带到蓄水池的“根部”。

这能够通过任何适当的方式实现。

然而，以特别优选的方式，能够通过在水面使沉箱下水并使用至少一个电动航行器拖拉该沉箱而完成运输。这是在图8中所显示的，在图8中显现出两只船6。

在另一个优选的但未示出的变体中，使用驳船实现运输，在该驳船上预先装载该沉箱。

还应当注意，在船厂里“预制”的沉箱2是特别合适的，因为其具有合适的起升装置和用于下水的船坞。

因此实现到蓄水池RE的“根部”的运输。

接下来的STEP包括使沉箱在大海中固定不动。

这能够通过任何已知的方式实现。

然而，优选使用嵌入在海底部的基部，沉箱随后放置在该基部上。

这种基部7的一个示例在图9和11中可见。该基部嵌入到具有石块的海底R。该基部包括回填72、混凝土桩73、金属的调节结构或者增强的混凝土板74。

应当清楚，该基部的构建先于沉箱的到位而进行。

沉箱的安装通过压载物和/或增加重量而完成。

有利地且如图9中所示的，管1的远自由端120通过穿过由混凝土制成的接头(plot)121而固定。

之后进行沉箱与管的连接。

之后，能够如现有文献介绍的那样使用所述站。

远端120的不同的实施方案在图10中示出，该远端直接支撑在由混凝土制成的基部75上，并确保其稳定性。

最后，用于保护沉箱2的系统显示在图11中，该系统包括防波堤8。该系统可以例如由漂浮的挡浪板或者与沉箱成整体的保护系统构成。

当然，根据水电站RE的功率，可以想到使用彼此捆绑的串联布置或者平行布置的数个沉箱。

考虑到沉箱的预制相对于在原地建造(特别是在隔绝环境下)带来诸多工业上的好处，考虑到海洋STEP的地理位置提供了通过大海进行运输任何“包装件”的可能性，所述“包装件”并不受限于尺寸或重量(仅受限于“包装件”的稳定性)，并且考虑到水电站在海岸附近的陆地上布置受制于很强的环境约束(法国的滨海法律)，则根据本发明的方法能够在工业化的船厂里设计并预制金属沉箱形式的水电站，然后通过大海将其运输到悬崖的根部，将其布置在那，除了将其与蓄水池连接之外无需做其它工作，这种方法相对于建造传统的基于陆地(在井中或者在洞穴中)的站显现出诸多好处。

这特别能够排除下列困难：

-随着建造位置的开发，将不同装置运输到接近必然困难的位置(隔绝区域、难以到达的海边等)；

-市政工程型作业(井、洞穴)或者海洋工程作业(引入水)处于艰难环境下(特别是如果地理特征不利，如瓜德罗普岛的情况)；

-当地工业网络不适于重型作业；

-站的正常运行、启动的延迟和风险的验证；

-没有整体工业化的可能。

水电站以金属沉箱形式的预制保证获得优质的产品，实现控制生产延误，并实现最优化的成本以及发展工业区的可能。

根据本发明的方法的实施使用本身已知且经过验证的技术，该技术对这种特定情况进行重新适应。它们要求对海洋建筑工程、材料的结构计算和强度、海洋工程、物流和其它具体的研究(抗腐蚀、防污染...)的组合研究。

预制的站同时发挥泵送、涡轮机操作和发电的作用，并因而构成海洋STEP的核心。这能够在实践中实现“已建成即可使用”(已经对正常运行进行了测试)。

下文叙述其它的好处：

-该站直接安置在下蓄水池(大海)内，省去下游管道；

-功率是可调的，并能够根据可附加至其他沉箱的沉箱的数量而变化。

更具体地，该站具有以下好处：

1.由于预制的特性而成为紧凑的站；

2.站是可运输的，以用于安装和其停运。由于影响停运操作的更为严格的约束，这是十分重要的；

3.“插入”型站(快速连接至不同的基于陆地的网络：流体、电力……)

4.浸在海水中的金属沉箱被设计为用于50年的最短寿命(不用“进干船坞”)。

最后，还可以想到，站本身在悬崖底部的布置具有这几方面的好处：

1.通过重力将沉箱附接至底面；

2.在无遮蔽区，防波堤的设计能够抵抗飓风型的环境条件；

3.在十分短暂的气象时机(少于6个月)内完成所有的作业。

Claims (11)

1.用于布置称为“海洋STEP”的能量转换站的方法，所述能量转换站包括：

-相对于大海(M)的水平面位于高处的蓄水池(RE)；

-水电站(HE)，其配置成作为泵-马达单元运行从而将水从大海(M)泵送到所述蓄水池(RE)，或者作为涡轮发电机单元运行从而经由至少一个管(1)将水从蓄水池(RE)向大海(M)释放而发电，所述管将所述蓄水池(RE)连接至所述水电站(HE)；

其特征在于：

-使用具有至少一个沉箱(2)形式的水电站(HE)，所述沉箱至少下部是水密的；

-所述沉箱(2)被运输到所述蓄水池(RE)的“根部”；

-所述沉箱(2)固定在大海(M)里；

-并且所述沉箱连接至所述管(1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉箱(2)固定在大海(M)里的同时被局部浸没。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述沉箱(2)的运输通过在水面使该沉箱下水并使用至少一个电动航行器(6)拖拉该沉箱而完成。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述沉箱(2)的运输通过将其置于驳船上而完成。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述沉箱整体预制而成，并且对所述沉箱的正常运行进行测试。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，沉箱(2)使用为，至少一个管道(230)从所述沉箱(2)突出用以连接至所述管(1)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在固定所述沉箱(2)之前，基部(7)嵌入地安装在海底，之后将所述沉箱(2)放置在该基部(7)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，随后设置用于保护沉箱(2)的装置，诸如防波堤(8)、漂浮的挡浪板或者与沉箱成整体的保护系统。

9.抽水蓄能水力发电站，其称为“海洋STEP”且包括：

-相对于大海(M)的水平面位于高处的蓄水池(RE)；

以及

-水电站(HE)，其配置成作为泵-马达单元运行从而将水从大海(M)泵送到所述蓄水池(RE)，或者作为涡轮发电机单元运行从而经由至少一个管(1)将水从蓄水池(RE)向大海(M)释放而发电，所述管将所述蓄水池(RE)连接至大海(M)，

其特征在于，所述水电站(HE)具有至少一个沉箱(2)的形式，所述沉箱至少部分是水密的，并在所述蓄水池(RE)的“根部”处固定在大海(M)里。

10.根据权利要求9所述的发电站，其特征在于，所述发电站包括捆绑至彼此的数个沉箱(2)。

11.根据权利要求9所述的发电站，其特征在于，至少一个沉箱(2)是经预制的。