抽水塔

1.一种发电系统，包括：
风能系统，所述风能系统包括风塔；和
抽液蓄能系统，所述抽液蓄能系统配置用以将液体储存在所述风塔的内部容积中，其中所述内部容积由所述风塔的多个塔体段中的至少一个塔体段限定，所述多个塔体段中的所述至少一个塔体段被配置成容纳所述液体，所述至少一个塔体段包括暴露于所述内部容积的内表面和暴露于所述风塔周围的环境的外表面，并且所述至少一个塔体段包括从所述至少一个塔体段的第一轴端至第二轴端的截头圆锥形状，
其中所述抽液蓄能系统包括储液器和泵，所述储液器被配置用以收集从所述风塔的所述内部容积流经涡轮发电机的液体，并且所述泵配置用以将液体从所述储液器泵送入所述风塔的所述内部容积中。
2.如权利要求1所述的发电系统，所述发电系统还包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为测量一个或多个运行参数，所述一个或多个运行参数包括风的速度、所述风能系统的涡轮发电机的功率输出、所述抽液蓄能系统的涡轮发电机的功率输出和供应至电网的电量；以及
控制器，所述控制器基于与来自所述发电系统的一个或多个传感器的所述一个或多个运行参数相关的反馈，来控制所述风能系统和所述抽液蓄能系统的运行。
3.如权利要求2所述的发电系统，其中所述一个或多个运行参数包括水的状况。
4.如权利要求2所述的发电系统，其中响应于所述传感器中的一个检测到所述风能系统处的风的速度低于预定阈值时，所述控制器使所述抽液蓄能系统运行以发电。
5.如权利要求2所述的发电系统，其中当所述传感器中的一个检测到所述风能系统的所述涡轮发电机的功率输出低于一定阈值时，所述控制器使所述抽液蓄能系统运行以发电。
6.如权利要求2所述的发电系统，其中所述控制器配置成在基于用户输入、网络连接监测到能量消耗升高或较高时，使所述抽液蓄能系统的所述涡轮发电机运行以产生电力。
7.如权利要求1所述的发电系统，其中所述抽液蓄能系统配置成：当能量消耗较低时、当所述风能系统能够向电网提供足够或期望的电力时，和/或当所述发电系统已经产生能量盈余时，将所述液体泵送至所述风塔。
8.如权利要求1所述的发电系统，其中所述抽液蓄能系统配置为将所述液体沿着所述风塔的高度的不同点导入所述风塔的内部容积中。
9.如权利要求1所述的发电系统，其中所述风塔包括至少150米的高度。
10.如权利要求1所述的发电系统，其中所述抽液蓄能系统是闭环系统。
11.如权利要求1所述的发电系统，其中所述多个塔体段包括多个彼此焊接的截头圆锥形塔体段。
12.如权利要求2所述的发电系统，其中所述风能系统的所述涡轮发电机和所述抽液蓄能系统的所述涡轮发电机具有基本上相同的发电能力。
13.如权利要求12所述的发电系统，其中所述风能系统的所述涡轮发电机和所述抽液蓄能系统的所述涡轮发电机各自都与电网耦连，所述控制器进一步配置为调节所述风能系统的所述涡轮发电机和所述抽液蓄能系统的所述涡轮发电机中的每一个的输出。
14.如权利要求2所述的发电系统，其中所述控制器配置成在基于用户输入、网络连接监测到能量消耗减少或降低时，使所述泵运行以将所述液体从所述储液器泵返入所述风塔中。
15.如权利要求1所述的发电系统，其中所述抽液蓄能系统的所述涡轮发电机向所述泵供应动力。
16.一种闭环抽液蓄能系统，包括：
风塔，所述风塔包括配置用以储存液体的内部容积，其中所述内部容积由所述风塔的多个塔段中的至少一个塔段限定，所述多个塔段中的所述至少一个塔段包括液体储存部分，所述液体储存部分被配置成容纳所述液体，所述至少一个塔段包括暴露于所述内部容积的内表面和暴露于所述风塔周围的环境的外表面，并且所述至少一个塔段包括从所述至少一个塔段的第一轴端至第二轴端的截头圆锥形状；
储液器，所述储液器配置用以收集从所述风塔流出的液体；
涡轮发电机，所述涡轮发电机安置于所述风塔和所述储液器之间并配置用以利用从所述风塔流向所述储液器的所述液体产生动力；和
泵，所述泵配置用以将所述液体从所述储液器泵送至所述风塔的所述内部容积。
17.如权利要求16所述的闭环抽液蓄能系统，其中所述风塔高至少150米。
18.如权利要求16所述的闭环抽液蓄能系统，其中所述内部容积包括：低于所述液体储存部分的下部干燥段，高于所述液体储存部分的上部干燥段，以及从所述下部干燥段通过所述液体储存部分延伸至所述上部干燥段的干燥井，其中所述干燥井包括用于在所述下部干燥段和所述上部干燥段之间供人员接近的机构。
19.如权利要求18所述的闭环抽液蓄能系统，其中所述下部干燥段从所述风塔的基座延伸至所述风塔的所述液体储存部分，并且所述下部干燥段包括至少15米的高度。
20.如权利要求16所述的闭环抽液蓄能系统，其中所述泵由所述涡轮发电机提供动力。
21.如权利要求20所述的闭环抽液蓄能系统，包括安置于所述泵和所述风塔之间的逆止阀，其中所述逆止阀配置用以阻止液体从所述泵流向所述风塔。
22.一种发电系统，包括：
风能系统，所述风能系统包括：
风塔，所述风塔配置用以将液体储存在所述风塔的内部容积中，其中所述内部容积由所述风塔的多个塔段中的至少一个塔段限定，所述多个塔段中的所述至少一个塔段被配置成容纳所述液体，所述至少一个塔段包括暴露于所述内部容积的内表面和暴露于所述风塔周围的环境的外表面，并且所述多个塔段中的每一个塔段包括从相应塔段的第一轴端至第二轴端的截头圆锥形状；和
风力涡轮，所述风力涡轮由所述风塔支撑并且配置用以由风力产生第一功率输出；和抽液蓄能系统，所述抽液蓄能系统包括：
储液器，所述储液器配置用以收集从所述风塔的所述内部容积流出的液体；
涡轮发电机，所述涡轮发电机安置于所述风塔和所述储液器之间，并配置用以利用从所述风塔流向所述储液器的所述液体产生第二功率输出；和
泵，所述泵配置用以将所述液体从所述储液器泵送至所述风塔的所述内部容积。
23.如权利要求22所述的发电系统，所述发电系统还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器配置为测量所述发电系统的一个或多个运行参数，所述一个或多个运行参数包括风的速度、所述风能系统的所述风力涡轮的第一功率输出、所述抽液蓄能系统的所述涡轮发电机的第二功率输出和供应至电网的电量，其中响应于所述一个或多个传感器测量到所述第一功率输出低于阈值功率输出水平，所述发电系统激活所述涡轮发电机以产生所述第二功率输出。
24.如权利要求23所述的发电系统，其中所述多个塔段包括多个管形塔段，并且其中所述多个管形塔段彼此焊接。
25.如权利要求22所述的发电系统，其中所述风塔包括至少150米的高度。
26.如权利要求22所述的发电系统，其中所述第一功率输出和所述第二功率输出被供应至电网。
27.如权利要求22所述的发电系统，其中所述抽液蓄能系统包括安置于所述风塔和所述泵之间的逆止阀。
28.如权利要求22所述的发电系统，其中所述第二功率输出用来向所述风能系统的外部系统提供动力。

抽水塔\n背景技术\n[0001] 本发明概括地涉及抽水蓄能，更具体地涉及一种用于抽水蓄能改进的系统和方法。\n[0002] 水力发电是起源于流动水的可再生的能量形式。例如，可以引导运动的水经由涡轮、发电机和/或其它涡轮机以产生动力(例如，电力)。随着水流经涡轮机，水可以推动涡轮机中的叶片旋转，继而可以使与涡轮机的轴耦联的发电机旋转。以此方式，可以将水的动能转换成电能。其后，可以将电能输送至电网、蓄能设施或其它场所。在某些实施方案中，可以将水储存在高层的容器(vessel)例如塔、容器(container)、坝后，或其它储液器中。当期望发电时，重力可以用来迫使储存的水流向涡轮机和/或发电机。换言之，将水的势能转换成动能，然后以上述方式将其转换成电能。随后，可以将水泵返入高层的容器或储液器中以便将来用于发电。遗憾地，抽水蓄能系统可能受限于某些地理区域。\n发明内容\n[0003] 在第一实施方案中，发电系统包括风能系统和抽水蓄能系统，该风能系统包括风塔，该抽水蓄能系统配置用以将水储存在该风塔的内部容积中，其中该抽水蓄能系统是闭环系统。\n[0004] 在另一实施方案中，闭环抽水蓄能系统包括：具有配置以储存水的内部容积的风塔、配置用以收集从该风塔流出的水的储液器、安置于风塔和储液器之间并配置用以利用从风塔流向储液器的水发电的涡轮发电机、以及配置用以将水从储液器泵送至风塔的内部容积的泵。\n[0005] 在又一实施方案中，系统包括风能系统和闭环抽水蓄能系统。该风能系统包括：配置用以将水储存在风塔的内部容积的风塔，以及由风塔支撑并配置用以由风产生第一电力的风力涡轮。该闭环抽水蓄能系统包括：配置用以收集从风塔的内部容积流出的水的储液器、安置于风塔和储液器之间并配置用以利用从风塔流向储液器的水产生第二电力的涡轮发电机、以及配置用以将水从储液器泵送至风塔的内部容积的泵。\n[0006] 附图简述\n[0007] 当参考附图阅读以下具体实施方式时，可更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，在整个附图中相同的标记表示相同的部件，其中：\n[0008] 图1是一种具有抽水蓄能系统的发电系统的实施方案的图解表示；\n[0009] 图2是一种具有抽水蓄能系统的发电系统的实施方案的图解表示；和[0010] 图3是一种具有抽水蓄能系统的发电系统的实施方案的图解表示。\n具体实施方式\n[0011] 本公开描述一种具有风能塔的抽水蓄能系统和方法。例如，该风能塔可以具有大约150至400米的高度，因此可以具有足够的空余、高度和空间用于储存水。可以理解，在能量消耗较低或者存在过剩能量的非高峰时段，可以将水泵入风能塔中。当期望动力或发电时，储于风能塔中的水可以凭借例如重力流经涡轮发电机，由此产生电力。在某些实施方案中，可以使由抽水蓄能系统产生动力与由风能塔的风力涡轮产生动力同步进行。例如，抽水蓄能系统可以用作风力涡轮的备用发电系统。即，当风力涡轮不能够产生期望量的动力(例如，由于风力不足)时，抽水蓄能系统可以用来产生额外的动力。在其它实施方案中，风力涡轮和抽水蓄能系统可以同时产生动力，由此提高系统的峰值功率输出。\n[0012] 如以下详述，该抽水蓄能系统可以是闭环系统。即该抽水蓄能系统可以包括风能塔以及水经由其可以在闭环中循环的储液器。因此，该抽水蓄能系统可以不使用天然水道或其它开放的水源。所以该抽水蓄能系统可以适合用于各种地理区域中，包括不具有邻近的天然水源的地理场所。此外，由于该抽水蓄能系统可以是闭环系统，所以可以使用除水之外的液体或环境上差的水。例如，比水重的液体可以用来储蓄每单位体积更多的能量和/或可以对水进行处理以增强防腐性、减少发霉，或者在该抽水蓄能系统是开放系统情况中环境上不可接受的其它处理。\n[0013] 现谈及附图，图1是一种包括风能系统12和抽水蓄能系统14的发电系统10的实施方案的图解表示。如上所述，风能系统12包括风塔16，该风塔支撑风力涡轮18，该风力涡轮配置用以将风能转换成电能。在图示的实施方案中，风力涡轮18是水平轴风力涡轮，但是，在其它实施方案中，风力涡轮18可以是垂直轴风力涡轮。可以理解，风力涡轮18可以包括与容置发电机的机舱耦联的转子。风力涡轮18还包括将风能转换成低速旋转能的轮轴20和叶片22。具体地，当风24吹过叶片22时，叶片22乃至轮毂20被驱动而旋转。轮毂20与涡轮18的转子耦联，所述轮毂20进一步与涡轮18的发电机耦联。可以理解，涡轮18的发电机将旋转能(例如机械能)转换成电能。在某些实施方案中，涡轮18可以包括其它组件，例如轴、齿轮箱、额外的发电机、直接传动、变频器等，从而有利于机械能向电能转换。\n[0014] 如所示，可以将涡轮18进一步与电网26耦联，因此可以将产生的电能输送至电力网26以便分配。例如，电网26可以将电能(例如，电力)输送至蓄能设施、家庭、商业建筑或电力的其他用户。电网26还可以与其它系统耦联，该系统配置用以产生、供应和/或接收电力，例如太阳能发电站、核电站或其它类型的电站。在图示的实施方案中，涡轮18通过电缆27与电网26耦联，该电缆的路线经过安置于风塔16内的管道29。可以理解，管道29可以配置为耐受风塔16内的流体静压。\n[0015] 在图示的实施方案中，风塔16具有高度28。此外，风塔16由多个塔段30构建，其可以进行现场制造和自动装配。例如，风塔16可以利用美国专利申请号13/720,535中所述的系统和方法进行构建，在此将其通过引用并入。在某些实施方案中，每个塔段30具有截头圆锥形、多边形、圆锥形、波纹形或管形。例如，风塔16可以包括大约3至40个塔段30。另外，塔段30的每一个都具有高度32，其可以是大约10至30米或更高。因此，风塔16的高度28可以是大约45至500米或更高。另外，随着风塔16的高度28增高，塔段30的直径可以增大，由此增大风塔16的负载容量。例如，塔段30可以具有大约20至50米或更大的直径。此外，随着塔段30的直径和高度32增大，风塔16内部的容积34增大。因此，风塔16内部的容积34可以适合用于储存足够的水用于抽水蓄能系统14中(例如，125米或更多米的水头)。虽然以上讨论描述由多个塔段30(例如，钢塔段)形成的风塔16，风塔16的其它实施方案可以由混凝土或其它材料形成。此外，其它结构可以用于储存用于抽水蓄能系统14的水，例如谷物升运机。\n[0016] 由于风塔16可以用来储存用于抽水蓄能系统14的水，所以风塔16可以包括使风塔\n16内的容积34适合于储存水的特征件。例如，可以将塔段30彼此焊接以减少塔段30之间的漏隙。此外，每个塔段30可以由耐腐蚀性材料形成并且可以具有适当的厚度以耐受储存于风塔16内的水的流体静压。在某些实施方案中，风塔16可以包括衬里，该衬里由耐腐蚀性材料例如橡胶或其它聚合物制成，安置于风塔16的内部内以容纳和储存水。可以将风塔16竖立在基座35上，该基座可以由混凝土或其它非渗透性材料形成。另外，风塔16可以包括通风口36以有利于风塔16内的容积34与周围环境(例如，风塔16外部)之间的压力平衡。\n[0017] 如上所述，抽水蓄能系统14可以是闭环系统，其将水储存于风塔16的容积34内以用于产生电力。在图示的实施方案中，抽水蓄能系统14中的水被储存于风塔16的容积34内。\n当期望利用抽水蓄能系统14发电(例如，在由风能系统12发电的间歇期间)时，储存于风塔\n16中的水流经抽水蓄能系统14的涡轮38。例如，抽水蓄能系统14的涡轮38可以具有与风能系统12的涡轮18基本上相同或相似的发电容量(例如，在彼此的0至20％、1％至15％、2％至\n10％，或3％至5％内)。因此，抽水蓄能系统14可以在需要时能够完全替代风能系统12。故此，还可以将涡轮38耦联(例如，电耦联)至电网26。然而，在某些实施方案中，风塔16可以不包括涡轮38和/或涡轮18。在这种实施方案中，风塔16可以用于储存水。\n[0018] 在水流经涡轮38后，可以将水收集在储液器40中。例如，储液器40可以是容器(tank)(例如，在地上或地下)、人工池或湖，或者其它容纳储液器。当抽水蓄能系统14不可以使用天然水源时，可以将用于抽水蓄能系统14的水运输至发电系统10位置。若期望，随后可以通过泵42将储液器40中的水泵返入风塔16的容积34中。例如，当能量消耗较低时、当风能系统12能够向电网26提供足够或期望的电力时，和/或当发电系统10已产生能量盈余时，将水从储液器40泵送至风塔16可以是适宜的。在某些实施方案中，泵42可以由涡轮38和/或涡轮18提供动力。另外，如所示，可以将由泵42泵入风塔16中的水在沿着风塔16的高度28的不同点(例如，邻近风塔16的基底或邻近风塔16的顶部)导入容积34中。\n[0019] 图2是包括风能系统12和抽水蓄能系统14的发电系统10的一种实施方案的图解表示。在图示的实施方案中，在风塔16内的体积34包括下部干燥段100和上部干燥段102。即在风塔34内的容积34的下部干燥段100和上部干燥段102可以与容积34的储水部分104分离并且可以不储存任何水。因此，下部和上部干燥段100和102可以是用户和/或运行人员可接近的，以便维护或其它用途。在某些实施方案中，可以通过平台、密封件和/或其它阻挡件将下部和上部干燥段100和102与容积34的蓄水部分104分开。\n[0020] 在某些实施方案中，抽水蓄能系统14的涡轮38可能需要一定量的水“头”以运行。\n例如，涡轮38可以需要大约15米的水头以运转。故此，可以选择下部干燥段100的高度106从而提供最低水头(例如，15米)以使涡轮38运行。为了维护、修理、替换等，可以通过门、舱口或其它开口从风塔16的外部接近下部干燥段100。以此方式，运行人员或其他工作者可以在需要时接近下部干燥段100。同理，可以通过舱口、门或其它开口接近上部干燥段102，由此得以接近风能系统18的涡轮18及其它组件以便维护、修理、替换等。例如，可以通过容积34外部的梯子接近上部干燥段102。在其它实施方案中，风塔16的容积34可以包括干燥井(dry shaft)108，该井从下部干燥段100经由蓄水部分104延伸至上部干燥段102。可以将梯子、阶梯或其它机构安置在干燥井108内从而得以接近上部干燥部分102。\n[0021] 在图示的实施方案中，抽水蓄能系统14还包括安置于涡轮38或泵42和风塔16之间的逆止阀110。可以理解，逆止阀110可以配置用以阻止水从涡轮38返流向风塔16的容积34。\n因此，逆止阀110可以保护涡轮38免受可能由不适当或不期望的水流(例如，逆向水流)造成的损害。在某些实施方案中，逆止阀110可以是开关阀。此外，在一些实施方案中，可以将止回阀安置于泵42和风塔16之间。\n[0022] 图3是一种包括风能系统12和抽水蓄能系统14的发电系统10的实施方案的图解表示。更具体地，图示的实施方案中的发电系统10包括控制器150，该控制器被配置用以调节发电系统的各种组件的运行。如上所述，当风能系统12用于发电时以及当抽水蓄能系统14用于发电时，控制器150可以进行调节。为此目的，控制器150可以调节风能系统12的涡轮18的运行。此外，控制器150可以调节抽水蓄能系统14的阀152(其可以是与阀110相同或不同的阀)(例如，允许和/或阻断水从风塔16流至涡轮38)、涡轮38、以及抽水蓄能系统14的泵42的运行。\n[0023] 此外，控制器150可以基于来自发电系统10的反馈以控制发电系统10的各种组件的运转。更具体地，发电系统10可以包括一个或多个传感器154，该传感器配置用以测量发电系统10的一个或多个运行参数。例如，传感器154可以配置用以测量风24的速度、风能系统12的涡轮18的功率输出、抽水蓄能系统14的涡轮38的功率输出、供应至电网26的电量、及水的具体状况等。以此方式，控制器150可以优化和/或协调风能系统12和抽水蓄能系统14的运行以提高发电系统10的效率和成本效率。例如，控制器150可以在传感器154之一检测到风24的速度低于预定阈值时使抽水蓄能系统14运行以发电。相似地，若传感器154之一检测到风能系统12的涡轮18的功率输出低于一定阈值，控制器可以打开阀152使得能够利用抽水蓄能系统14发电。另外，在可由控制器150基于用户输入、网络连接等监测到的能量消耗减少或降低的时期，控制器150可以使泵42运行从而将水从储液器40泵返入风塔16中。以此方式，控制器150可以调节发电系统10的运行以提高向电网26的总功率输出，提高发电系统10的成本效率和效率等。另外，在可由控制器150基于用户输入、网络连接等监测到的能量消耗升高或较高的时期，控制器150可以使涡轮38运行从而产生向电网供应的电力以优化产生的能量的价值。\n[0024] 在其它实施方案中，由涡轮38产生的电力可以用来向其它外部系统提供电力。例如，由涡轮38产生的动力可以用来向现场机械提供电力，例如用于生产商品的机械、能量加工(例如，由二氧化碳和氢气生成甲醇)的机械、运行运输系统的机械例如电动轨道或电感耦合电动汽车、运营农场或牧场的机械例如电动牵引车或动物饲养系统，或者其它系统、用途或目的提供电力。\n[0025] 如以上详述，本实施方案涉及发电系统10，该发电系统10包括风能系统12和抽水蓄能系统14。更具体地，抽水蓄能系统14是闭环抽水系统，其将水储存在风能系统12的风塔\n16的内部容积34中。换言之，抽水蓄能系统14可以不包括水的任何外部输入或输出。因此，抽水蓄能系统14可以不包括天然水源的使用，由此使发电系统10能够用于广泛范围的地理场所。例如，闭环系统可以由储液器40、风塔16的内部容积34、涡轮38、泵42，以及任何导管、管道，或者安置于它们之间的其它组件形成。在期望时，可以引导储存于风塔16的内部容积\n34中的水经过抽水蓄能系统14的涡轮38以产生电力。其后，可以将水导入储液器40中直至通过泵42将水泵返入风塔16中。例如，当风能系统12不能够生产期望水平的电力(例如，由于低风力水平)时，可以使抽水蓄能系统14运行以产生电力。此外，当能量价格较低和/或当发电系统10已产生能量盈余时，可以使泵42运行以将水从储液器40泵返入风塔16的容积34中。\n[0026] 虽然在此仅对本发明的某些特征进行说明和描述，但是本领域技术人员可以想到许多修改和变型。因此，应理解，随附权利要求书旨在覆盖落在本发明的真正精神内的所有这种修改和变型。