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“微型可逆式水泵水轮机”分析报告
作者：龚轶韬 王彪 陆星宇 马煜钧 来源：《智富时代》2017年第12期
【摘 要】本项目主要针对微型可逆式水泵水轮机的应用，充分考虑其运行模式和特点，结合对多雨山区、海岛环境等地区的实际情况调研，充分发挥微型可逆式水泵水轮机的技术特点和能量可方便转换与存储的优势，进行抽水和发电的变换运行，以满足该地区居民工农业生产和生活用电的需要。同时，在运行模式设计时，对微型可逆式水泵水轮机与风力发电、太阳能发电等其他型式的能源利用方式进行联合运行模式的初步研究。 【关键词】微型可逆式水泵水轮机；多元化市场；抽水蓄能
本项目受启发于大型水轮机，旨在将大型水轮机小型化、可携化、多用化，注重发展清洁能源，是结合理论力学、水力学以及部分地理学知识，涉及数据统计、分析等多方面知识的综合应用。将微型化的水轮机充分利用，结合正转发电，逆转抽水的理念，建立在绿色水利的基础上，呼应今年来的低碳主题。同时的，在海岛部分，通过与计算与统计，找出最适合建造微型水轮机的地方。特别是在港口地区，通过潮汐的涨落潮的发电来建立小型的全天然电动港口，在低碳的基础上完备这样的绿色思想。 项目研究内容主要在以下两个方面： （1）山区多雨地区离网式供电研究
（2）海岛地区可逆式水泵水轮机离网发电运行研究
在多能源混合利用的前提下，我们以微型可逆式水泵水轮机做为一个纽带，在一些地区寻找更加合理的电力分配与能源再生。迎合科学发展观的可持续发展原则，旨在做到最科学合理地运用地区优势来解决电力等能源问题。
近年来，随着常规化石能源的不断枯竭及环境问题的日益突出，绿色、可再生能源的开发利用成为各国能源战略发展的趋势。电力行业是能源消耗和温室气体排放大户，绿色、可再生能源发电逐步代替传统火力发电是电力行业可持续发展的方向，对缓解能源危机、减少温室气体排放有重要意义。在风电、太阳能发电、潮汐发电等众多可再生能源发电形式中，目前风力发电技术最为成熟，因此风力发电得到了许多国家的广泛重视而迅速发展起来。
我国风能资源丰富，风电产业应运蓬勃发展，截至2011年年底，我国增加风电装机容量一般八千九百兆瓦，累计风电装机容量四万四千三百兆瓦，两者均占全球第一位。到2010年底为止，我国已经存在十个省份的风电装机规模超过一千兆瓦，其中，超过四千兆瓦的省份有4个，分别是内蒙古（13858MW）、甘肃（4943MW）、河北（4921MW）、辽宁
（4066MW）。但风电输出功率的间歇性、随机性和波动性导致了大规模风电接入电网对我国
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以火电为主的电力系统产生了不可避免的消极影响。2010年底，我国风电总装机容量为3000万千瓦，占全国发电装机总容量的1.85%，但实现上网供电只有装机容量的0.75%，风电的自身特性和风能资源分布位置使得1.1%的风力发电容量难于并网而不得不选择弃风行为。针对此问题，国内外专家提出风力发电应配备一定容量的储能装置来平滑风电出力，保证电力用户的供电质量和电网的安全稳定性，而所有储能工具中，抽水蓄能电站是最经济实用的，再加上我国的抽水蓄能电站已经进入成熟期，它便自然而然的成为了解决各种清洁能源局限性的首选工具。
因此，风电-抽水蓄能联合系统研究一直受到人们的密切关注，它对清洁能源在电力系统中的发展与运用起着举足轻重的作用。
抽水蓄能电站目前以电网经营企业全资建设和管理为主，因此以大型化和集体化为主，而将来则“逐步建立引入社会资本的多元市场化投资机制”。
在新能源方面，将抽水蓄能电站运用进去的实例还不多，国际上多是利用蓄电池对清洁能源进行调节利用，比如说日本的东松岛市，便是利用蓄电池对风能、光能的联合运行进行调节。
就我们的课题而言，我们对于抽水蓄能电站的小型化以及将其与风能光能联合运行的研究是顺应时代潮流的，同时抽水蓄能电站也是“弃光”、“弃风”问题的合理解决途径。这也很好的适应了社会投资的多元市场化。
据我们调查了解到，抽水蓄能电站，它根据地区用电的谷峰区来选择抽水与蓄水。在电力负荷低谷时，电力选择性的将水抽至水库，相反的，在电力负荷的高峰期，放水至下水库发电的水电站。这样的模式把它成为蓄能式水电站。
其最大的优势在于可以将电网负荷低时的多余电能，转变为高峰期间的更高价值的电能，在一些地区可以很好地达到调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，而且可以为一些突发事件做备用能源。如果周边有火电站或核电站，这样的发电模式可以更好地提高其效率。 从效益角度出发：
由于能量损耗的问题，其用电是比发电要多得多的，也就是说从能量的角度上讲抽水蓄能电站是一定亏本的。
其经济效益并不在于说靠其发电来得到收益，而是它的削峰填谷的作用，即用电高峰时发电，用电低谷时抽水蓄能，这可以避免许多火电厂的启停，因为火电厂的启停是一个有着巨大的经济损耗的过程，时间长，损耗大，而且许多火电厂的发电功率只有其额定功率附近才能发挥其最大的作用，若在用电低俗期间减少火电厂的出力，其效率会大打折扣并且对发电设备的损害也是不小的。
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在南方区域特别是广东的日负荷曲线的峰谷差是比较大的，这也是南网大力建造抽水蓄能电站的原因。
从更实际的意义出发，抽水蓄能电站是为了缓解负荷变动过大的问题，并不是为了从它的发电上取得效益，但是它却大有用处。 在抽水蓄能方面：
抽水蓄能电站用途极为广泛，可以有效地帮助补充高峰时刻用电，同时对用电低谷期的不可停止的火电核电等进行储蓄，虽然不能百分百地转化，但是也一定程度收集了过剩的电能。 对于海岛的抽水蓄能电站我们还可以结合潮汐能以及地热进行多样化多元化的发展。我们的设想在海岛地区进行模拟，海岛地区风力水资源丰富，可以在河流的上下游建两个水库蓄水，需要供电时利用水轮机工作风力等其他能量进行补充达到供电的目的。水轮机工作便于调节，火力发电以及核能发电一旦开始就很难停止，但是水力发电可以容易掌控开闭，因此作为补充发电效果显著。在用电低谷期很多电白白浪费，很多国家甚至低于使用低谷电发布了奖励措施。而有了抽水蓄能电站，我们可以利用多余的电运用我们的可逆式水轮机进行抽水蓄能将水从低处抽到高处，将电能转化为势能，在需要的时候再利用水库放水发电。
传统的抽水蓄能电站运行虽然便于控制但是对一次二次控制能源的要求也非常高，在非常低的负荷运行情况下非常不经济而且会降低机组的寿命。所以我们设想对传统电站也进行改进以更好地响应电网的要求。基于这个想法我们想将风能太阳能与抽蓄工作加以结合。我们了解了风电、太阳能光伏与光热发电相关原理，运行方式，适用性与抽水蓄能进行结合，从而更加一体化综合化。
风力发电在西方国家较早的流行，比如芬兰，荷兰等很早就使用风力发电，也越来越在全世界也越来越受到欢迎。风力发电是一种非常清洁的发电方式，利用大自然的能量无污染是一种绿色能源。 发电原理：
风力发电的原理是利用增速器加速因为风力转动的风车叶片从而来促使发电机发电。其实风力发电与水轮机与异曲同工的妙处。但是我们也发现风力存在着一些不足，风能受气流的影响较大无法人为不稳定，而且风力发电需要大量的备用容量，风力发电对电网稳定性要求也比较高所以电网升级也不可避免。通过对抽水蓄能以及风电的实用性以及不足的分析学习我们设想出一套改进的结合风电抽蓄电站。
我们可以将风电场与小型分布的蓄能机组加以连接，从而我们借鉴安德里茨水电的概念，小型、分布式抽水蓄能电站，采用标准转速水泵水轮机，同步电动发电机配全容量变频器。对于海岛的抽水蓄能电站，我们肯定会在入海口建立电站在海边建立风电场，海岛的面积本身就
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不大，所以电站与风电场也因此距离较近不会加重电网传输负担及损失。同时通过两者的想辅助可以一定程度解决输电不稳定等问题。
同时也解决了能量储存问题，风电的能量储存也是风电的重点之一，抽蓄电站一方面对低谷电进行储蓄同时也可以作为风电场的储蓄方式进行存在，可以获得较为稳定持久的电能，多方面互相补充效果显著。