阅读说明：本技术 一种气水沙蓄能电站 (Air-water-sand energy storage power station ) 是由 王一波 王哲 赵勇 郭立东 杨子龙 黄欣科 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：一种气水沙蓄能电站,由上蓄沙库(14)、下蓄沙库(15)、上蓄水池(20)、下蓄水池(21)、发电机(26)、传送机组和泄沙管道(27)组成。上蓄沙库(14)位于气水沙蓄能电站的上部,下蓄沙库(15)、下蓄水池(21)和水泵(29)位于气水沙蓄能电站的下部；发电机(26)安装在上蓄沙库(14)和下蓄沙库(15)之间。上蓄沙库(14)由库体(16)、储气系统、供气给水系统和控沙阀门(23)组成。库体(16)上部为半圆柱体,下部为半圆锥体,轴向剖面为漏斗形状。本发明利用沙子重力势能和对沙子供气或给水,降低沙子粘滞阻力,形成气沙流或水沙流,通过气沙流或水沙流做功驱动发电机(26)发电,有余电时提沙、储气或蓄水。(An air-water-sand energy storage power station comprises an upper sand storage warehouse (14), a lower sand storage warehouse (15), an upper reservoir (20), a lower reservoir (21), a generator (26), a conveyor set and a sand discharge pipeline (27). The upper sand storage warehouse (14) is positioned at the upper part of the gas-water-sand energy storage power station, and the lower sand storage warehouse (15), the lower reservoir (21) and the water pump (29) are positioned at the lower part of the gas-water-sand energy storage power station; the generator (26) is installed between the upper sand storage (14) and the lower sand storage (15). The upper sand storage reservoir (14) consists of a reservoir body (16), a gas storage system, a gas and water supply system and a sand control valve (23). The upper part of the storehouse body (16) is a semi-cylinder, the lower part is a semi-cone, and the axial section is in a funnel shape. The invention utilizes the gravity potential energy of sand and supplies air or water to the sand to reduce the viscous resistance of the sand to form air-sand flow or water-sand flow, and the air-sand flow or the water-sand flow applies work to drive a generator (26) to generate electricity, and the sand is extracted, stored or stored when surplus electricity exists.)

一种气水沙蓄能电站

技术领域

本发明涉及一种蓄能电站。

背景技术

众所周知光伏、风力发电的不确定性和不稳定性，造成电网的波动，由此带来的是大面积的弃风和弃光，对于大规模电站损失巨大，西北地区尤为严重。抽水蓄能、压缩空气储能、化学储能是很好的解决方法。抽水蓄能拥有功率大、放电时间长的特点，效率在60％～70％之间，当前全球最大的处于运行中的抽水蓄能电站是位于美国佛吉尼亚州的巴斯康蒂抽水蓄能电站，容量达到3吉瓦，发电最大时长为10小时18分钟。抽水蓄能电站是电力系统重要的调节工具，具有启动灵活、调节速度快的优势，是技术成熟、运行可靠且较为经济的调峰电源与储能电源，主要承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故的备用任务，一是改善特高压电网的运行特性，更好地促进清洁能源消纳能力。二是提高电力系统安全可靠性，在特高压电网中充分发挥“稳定器”、“调节器”、“平衡器”的作用。由此国家加大、加快抽水蓄能电站的设计建设力度。由于中国南北气候特征明显，南方温度高水源充沛抽水蓄能电站集中兴建地区，然而急需要储能电站支撑的却是贫水、高海拔、环境温度低的地区，而抽水蓄能、压缩空气、化学储能受温度的影响很大，这类地区的建设成本、地质条件、环境因素、下游生态等都制约着压缩空气、化学、抽水蓄能电站发展。

由暴雨、冰雪融化等水源激发的泥石流含有大量泥沙石块，介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流，在自身重力势能转换成动能的作用下发生运动。它与一般洪水的区别是洪流中含有泥沙石等固体碎屑物，固体碎屑物的体积含量最高可达80％左右。当泥石流从山上冲下的过程中既有动能又有势能，势能减少动能增加，势能转化成动能，来势凶猛，因其高速前进，具有强大的能量。

受高含沙水的黄河启发，黄河高含沙水具记载，1953～1971年，黄河支流皇甫川河口断面日平均含沙量超过500kg/m³达109天，超过800kg/m³达33天，超过1000kg/m³达6天，最大日平均含沙量为1310kg/m³，属高含沙水流：含沙量达到每立方米数百千克以至一千千克以上的水流。由沙子堆积密度一般取1300–1600kg/m³(与含水率有关)，取高含水值为1600kg/m³，则每立方米沙水占比为：1310/1600*100％＝82％，也就是说利用20％的水克服沙子的粘滞阻力，使高沙水流动，形成“水沙流”。

风沙是一种大自然现象，气流将沙粒吹起形成了风沙，使沙子具有了一定的能量，而且温度对沙子没有影响。一般意义上认为的颗粒固体如沙粒其实是一种处在流固边界的临界相，在非常小的外部微扰下会流化，在很多时候表现得其实更像流体。在颗粒流中还存在另一种颗粒相互作用,即颗粒之间的半持续性接触,颗粒之间有相对滑动及相互挤压作用,相对滑动可以传递剪切应力,相互挤压则可传递正压力。持续接触,即静态支撑接触.靠接触传递压力,靠内摩擦承受剪切应力。人类巧妙地利用这个自然现象，如利用压缩空气克服气体在管路内推动砂粒流动的摩擦损失和阻力，推动砂粒向前运动搬运沙子。又如压入式干喷砂机是以压缩空气作为磨流的加速动力，通过压缩空气将沙粒经喷嘴射出，喷射到被加工表面达到预期的加工目。在压入式干喷沙机中，压缩空气既是供料动力又是射流的加速动力。又如流化床，是利用固体流态化原理，利用压缩空气将大量沙粒悬浮于运动的气流之中，此时沙粒呈现为悬浮和脉动两种状态，从而使沙粒具有流体的特征，形成气沙流。而沙粒重量、气体流量和气压决定沙粒流动的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提出一种气水沙蓄能电站，通过跨时间跨季节储能，以解决贫水、寒冷、偏远极昼极夜地区波动性大、负荷特性不匹配的问题，同时避免由于大量兴修抽水蓄能电站带来下游生态破坏、化学储能后处理的污染等问题。

本发明利用山势建造气水沙蓄能电站，充分利用余电，在供气或给水的控制模式下，分别通过传送机、水泵将沙子和水分别回传送到上蓄沙库和上蓄水池中，或通过空压机将气体压缩存储到空气罐中。发电时依据供气或给水的控制模式分别利用供气或给水，对沙子分层、分时优化给水或供气驱动振捣棒，避免“粮仓效应”造成沙子重力势能向下传导受阻，通过控制流化沙供气给水管道供气或给水，将沙子流化形成气沙流或水沙流，保证发电的连续性。同样通过控制对沙子分层、分时优化给水或供气驱动振捣棒，又利用“粮仓效应”将沙子重力分解，解决气水沙蓄能电站底部承重问题。

本发明利用上蓄沙库的锥形底部，创建水沙流或气沙流条件，使沙水或气沙势能转换动能做功，驱动发电机发电，下落的沙水利用地势进行沙水分离。气水沙蓄能电站相同高度的重力势能是水的近1.5倍，可依山坡或废弃矿山、矿井兴建，并且地质要求低，用水量小，无污染，不破坏生态环境，特别适用于贫水、高寒地区及沙子资源丰富的地区。

所述的水沙流为沙子含水量大于20％时沙子被流化流动而形成。取饱和水沙子的比重ρ_沙＝1600kg/m³，水的比重ρ_水＝1000kg/m³，取沙80％取水20％的比例关系，沙水总的比重为：

ρ_沙/水＝0.8ρ_沙+0.2ρ_水＝1280kg/m³+200kg/m³＝1480kg/m³

所述的气沙流为压缩空气流量使沙子被流化流动而形成。

所述的“粮仓效应”是指当粮仓底部的压力在粮仓高度大于底部直径的2倍后不再增加，即当容器内颗粒的高度超过一定值后，底部压力基本保持常数，不再随高度增高而增加。

本发明气水沙蓄能电站由上蓄沙库、下蓄沙库、上蓄水池、下蓄水池、发电机、传送机组和泄沙管道组成。所述的上蓄沙库和上蓄水池位于气水沙蓄能电站的上部，上蓄水池依地质条件建在上蓄沙库的一侧，上蓄水池的底部高于上蓄沙库的顶部。下蓄沙库、下蓄水池和水泵位于气水沙蓄能电站的下部，下蓄水池依地质条件建在下蓄沙库的一侧，并低于下蓄沙库底部水平面。下蓄水池上安装有水泵。泄沙管道安装在上蓄沙库的底部，与发电机连接；发电机安装在上蓄沙库和下蓄沙库之间，发电机出口接入下蓄沙库，下蓄沙库位于发电机的下部。传送机组位于气水沙蓄能电站的一侧，传送机组的上端与上蓄沙库连接，传送机组的下端与下蓄沙库连接。有余电时将下蓄沙库的沙子回传送到上蓄沙库中。所述的上蓄沙库由库体、储气系统、供气给水系统和控沙阀门组成。库体的上部为半圆柱体，下部为半圆锥体，库体的轴向剖面为漏斗形状。储气系统安装在上蓄沙库中并与供气给水系统连接。控沙阀门位于库体半圆锥体底部，并与泄沙管道上部连接，泄沙管道的下部与发电机入口连接。供气给水系统上下垂直安装在上蓄沙库内，所述的储气系统由空压机和储气罐组成。空压机安装在储气系统的顶部，空压机出气管道与安装在储气罐上部的压缩空气进气阀连接。储气罐的排气阀门安装在柱状供气给水管道上，与储气罐连通。当有余电时，在供气控制模式下启动空压机，压缩空气经压缩空气出气管道、储气罐进气阀将空气压缩到储气罐中。

供气给水系统的柱状供气给水管道置于储气罐中，储气罐的排气阀门安装在供气给水系统中的柱状供气管道上，储气罐中的气体通过储气罐的排气阀门排出；柱状供气管道上端安装有柱状给水阀门，柱状给水阀门通过给水管道与上蓄水池连接。

所述的供气给水系统还包括N个环形供气给水管道、N个梯级阀门、流化沙供气给水阀门、流化沙供气给水管道和强供气给水阀门组成，N为正整数。其中，柱状供气给水管道置于储气罐中，储气罐的排气阀门安装在柱状供气给水管道上，储气罐中的气体通过储气罐的排气阀门排出。柱状给水阀门还与上蓄水池给水管道连接，上蓄水池给水管道的另一端连接在上蓄水池的底部，向柱状供气给水管道给水。k₁梯级阀门至k_N梯级阀门由下至上按照1～N的顺序等距离排列，安装在柱状供气给水管道上；N个环形供气给水管道由下至上按照1～N的顺序等距离排列，通过连接管道穿过储气罐与N个梯级阀门k₁k_N对应连接。第一环形供气给水管道上垂直安装多个注气给水管，注气给水管上装有多个喷气给水头，其余的每个环形供气给水管道上均匀环形排列安装有多个排水阀门和多个气动振捣棒，其中每个气动振捣棒和排水阀门均内嵌阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线与监控管理系统连接。监控管理系统通过阀门控制器控制气动振捣棒或排水阀门对周边的沙子进行震动或给水，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。

所述的上蓄沙库连接有流化沙供气给水管道，流化沙供气给水管道位于上蓄沙库半圆锥体接近底部处、控沙阀门的上部，流化沙供气给水管道通过流化沙供气给水阀门与柱状供气给水管道连接，流化沙供气给水管道上排列有多个朝向控沙阀门方向的排气给水孔，通过此排气给水孔排气或注水，使控沙阀门与流化沙供气给水管道之间的沙子形成气沙流或水沙流，使沙子连续经控沙阀门流出。柱状供气给水管道的底部连接强供气给水阀门，强供气给水阀门位于第一环形供气给水管道的水平中心位置，用于在控沙阀门处，沙子未形成气沙流或水沙流时的应急排气或给水。

供气给水系统分时、分层对沙子排气或给水扰动，降低沙子与沙子之间的摩擦力。沙子在重力的作用下向上蓄沙库库体半圆锥体底部移动，当沙子移动到第一环形供气给水管道处，第一环形供气给水管道上的注气给水管向沙子注入气体或给水，进一步减少沙子与沙子之间的粘滞阻力，使沙子流化。当沙子流动到流化沙供气给水管道时，控制流化沙供气给水阀门对流化沙供气给水管道排气或给水，使沙子流动形成的气沙流或水沙流满足连续发电要求，提供稳定连续的重力势能。

当沙子通过控沙阀门时，通过对控沙阀门的控制，控制沙子下泄流量。当供气给水系统强供气给水阀门打开时，沙子在气或水流的冲击作用下加速下行，加快发电的响应时间。一定流量的气沙流或水沙流经泄沙管道到达发电机时，驱动发电机旋转发电，气沙流或沙水流由发电机出口排放到下蓄沙库中。

所述的控沙阀门位于库体的半圆锥体底部，并与泄沙管道上部连接，泄沙管道的下部与发电机入口连接，发电机出口接入下蓄沙库，下蓄沙库位于发电机的下部。

所述的传送机组分别由上传送机、下传送机、上逆止进沙门和下逆止进沙门组成。其中，上逆止进沙门和下逆止进沙门由上至下安装在上蓄沙库体的一侧，并分别与上传送机出料口、下传送机出料口对应连接。其中，下传送机出料口还与上传送机进料口连接，下传送机进料口安装在下蓄沙库底部；所述出料口和进料口分别为传送机的进沙端和出沙端。

当沙子动能经发电机做功后下泄到所述下蓄沙库中，在给水控制模式下沙子中的大部分水通过沙子间隙与沙子分离，水流入到下蓄水池中。当有余电时，启动传送机组，沙子经下传送机进料口传送到下逆止进沙门，沙子进入上蓄沙库中。当沙子容量即将超过下逆止进沙门时，下逆止进沙门自动关闭，上传送机启动，中传送机传送的沙子由上传送机接力传送到上逆止进沙门，进入上蓄沙库中。多级输送沙子可降低传输能耗和提高传送高度。在上蓄沙库中沙子容量低于逆止进沙门时，逆止进沙门处于打开状态，当上蓄沙库中沙子容量接近逆止进沙门时，逆止进沙门关闭，阻止沙子外泄。

所述的上蓄水池位于上蓄沙库的一侧，上蓄水池的底部高于上蓄沙库的顶部。上蓄水池底部出水口与上蓄水池给水管道连接，上蓄水池给水管道的另一端与供气给水系统中柱状给水管道阀门连接。抽水管道的一端接入上蓄水池位上端，抽水管道的另一端与水泵出水口连接。

所述的下蓄水池位于下蓄沙库的一侧，低于下蓄沙库的底部水平面，当沙水下泄到下蓄沙库时，沙子中大部分水经沙子间隙与沙子分离，水向低处流入下蓄水池中。位于下蓄水池上的水泵进水口经管道连接于下蓄水池的底部，水泵出水口与抽水管道连接，抽水管道另一端与上蓄水池顶部连接。

当有余电时，在给水控制模式下启动水泵，将沙与水分离后流入下蓄水池中的水，经水泵、抽水管道回送到上蓄水池中，循环利用。

本发明气水沙蓄能电站在供气或给水控制模式下的工作过程如下：

依据泥石流形成机制、沙子流化机制和抽水蓄能原理，本发明气水沙蓄能电站通过上蓄沙库与发电机的相对高度差，由沙体的重量产生的重力势能，利用上蓄沙库库底的斜坡结构，依据供气控制模式，通过控制上蓄沙库每层的气动振捣棒和向沙子注入气体，降低沙子粘滞阻力，创建气沙流，或依据给水控制模式，通过向沙子注入水降低沙子粘滞阻力，创建“泥石流”条件的水沙流，将气沙流或水沙流的势能转换为驱动发电机发电的动能。

如上蓄沙库容器容积为半圆柱容积V_柱与半圆锥体容积V_锥之和V_上蓄沙库，则：

V_上蓄沙库＝V_柱+V_锥

其中，V_上蓄沙库为上蓄沙库的总容量；V_柱为上蓄沙库圆柱体的容量，h_柱为上蓄沙库圆柱体的高；V_锥为上蓄沙库圆锥体的容量，h_锥为上蓄沙库圆锥体的高，r_沙为上蓄沙库圆柱体和圆锥体的半径。

1、气水沙蓄能电站未发电时

供气给水系统中所有供气给水阀门和控沙阀门处于关闭状态，上蓄沙库沙子的重量为：

W_上蓄沙库＝ρ_沙(V_柱+V_锥)

其中，W_上蓄沙库为上蓄沙库沙子的重量、ρ_沙为沙子的密度；由于沙子之间的粘滞阻力，使上蓄沙库中的沙子产生“粮仓效应”，沙子的重量分散作用到山体和库体上，使库底的承重大大降低。

2、气水沙蓄能电站发电时：

在供气控制模式下，储气罐通过供气给水系统向上蓄沙库供气；在给水控制模式下，上蓄水池通过给水系统向上蓄沙库给水；当控沙阀门、强供气给水阀门和流化沙供气给水阀门同时打开时，由于在控沙阀门内的气沙流或水沙流的压力F_s远远大于控沙阀门外的压力，即F_s＞＞1大气压，此时在强供气给水阀门打开的瞬间，在控沙阀门处的气沙流或水沙流在控沙阀门内的压力及气或水流冲击力下快速作用在发电机上，使发电快速响应，同时释放上蓄沙库底部的承重力。

此时的强供气给水阀门起到微调供气或给水量和应急供气或给水的作用。

由于上蓄沙库的库体轴向截面为漏斗形状，沙子在重力的作用下向下移动，由于沙子之间的摩擦造成力向下行传导受阻，尤其当流速慢时，极易发生“粮仓效应”，此时供气给水系统在k₁梯级阀门～k_N梯级阀门控制下，供气给水系统分时、由下至上分层，通过气动振捣棒对沙子扰动，或通过排水阀门排水与沙子混合，打破由沙子静态支撑接触的内摩擦力，由此避免该层的“粮仓效应”发生。

沙子在重力的作用下向上蓄沙库库体的半圆锥体底部移动，当沙子移动到第一环形供气给水管道处，第一环形供气给水管道上的注气给水管道向沙子注入气体或水，进一步克服沙子之间的粘滞阻力，使沙子流化。当沙子流动到流化沙供气给水管道时，流化沙供气给水管道，控制器控制流化沙供气给水阀门排气或给水量，使沙子流动达到满足连续发电要求的气沙流或水沙流，提供稳定连续的重力势能。

当上蓄沙库高度h＞4r_沙，“粮仓效应”向下传导力为常数F_ε，作用在控沙阀门截面积S的压力F_s为：F_s≤ρ_沙gh₁·S+F_ε，

由于Q_沙＝S·v_沙

所以驱动发电机做功功率为：

P_沙＝μ·F_s·v_沙

由此通过控制控沙阀门的截面积S，可调整驱动发电机做功功率P_沙。

其中，F_s为气沙流或水沙流流过的控制阀门的截面积S的压力；S为气沙流或水沙流流过的控制阀门的截面积、Q_沙为气沙流或水沙流流过控制阀门的流量，v_沙为气沙流或水沙流流过控制阀门的流速；r_沙为上蓄沙库库体的上部半圆柱体和下部半圆锥体的半径；P_沙发电功率；ρ_沙为沙的密度或沙水密度；h₁为第一环形供气管道与控沙阀门之间的高度；μ为发电效率。

3、当气沙流或水沙流通过控沙阀门时，在控沙阀门的控制下，气沙流或水沙流下泄流量得到控制，一定流量的气沙流或水沙流经泄沙管道时，重力势能转换成动能做功驱动发电机旋转发电，气沙流或水沙流在发电机出口被排放到下蓄沙库中。当进入给水控制模式时，由于下蓄水池位于下蓄沙库一侧，并且低于下蓄沙库的底部平面，下泄到下蓄沙库的沙水由于沙子间隙和水的重力作用，大部分水从沙子间隙中自动分离出，向低处流入下蓄水池中。

4、当停止发电时，

关闭所有供气给水阀门及控沙阀门，此时上蓄沙库中沙子处于静止状态，由于沙子之间摩擦阻力增加产生“粮仓效应”，沙子的重量分散作用在山体、库体上，使库底的承重大大降低。

5、当有余电时

启动空压机或水泵和传送机组。当给水控制模式时，水泵工作将已流入下蓄水池中的水经抽水管道回送到上蓄水池中，得到循环利用。当供气控制模式时，控制器打开储气罐上进气阀，空压机压缩空气储存到储气罐中。

当传送机组工作时，下蓄沙库中的沙子经下传送机进料口传送到下逆止进沙门，由此沙子进入上蓄沙库中。当沙子容量即将超过下逆止进沙门时，下逆止进沙门自动关闭，阻止沙子外泄，与此同时上传送机启动，下传送机传送的沙子由上传送机接力传送到上逆止进沙门，进入上蓄沙库中。由于采用多级输送沙子一方面降低传输能耗，另一方面提高传送高度，分级数量越多能耗越低。

附图说明

图1本发明气水沙蓄能电站结构图；

图2本发明气水沙蓄能电站上蓄沙库结构示意图；

图3本发明气水沙蓄能电站储气系统、供气给水系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明气水沙蓄能电站由上蓄沙库14、下蓄沙库15、上蓄水池20、下蓄水池21、发电机26、传送机组和泄沙管道27组成。所述的上蓄沙库14和上蓄水池20位于气水沙蓄能电站的上部，上蓄水池20依地质条件建在上蓄沙库14的一侧，上蓄水池20的底部高于上蓄沙库14的顶部。下蓄沙库15、下蓄水池21和水泵29位于气水沙蓄能电站的下部，下蓄水池21依地质条件建在下蓄沙库15的一侧，并低于下蓄沙库15底部水平面，下蓄水池21上安装有水泵29。泄沙管道27安装在上蓄沙库14的底部，与发电机26连接；发电机26安装在上蓄沙库14和下蓄沙库15之间，发电机26出口接入下蓄沙库15，下蓄沙库15位于发电机26的下部。传送机组位于气水沙蓄能电站一侧，传送机组上端与上蓄沙库14连接，传送机组下端与下蓄沙库15连接，在有余电时将下蓄沙库15的沙子回传送到上蓄沙库14中。

所述的上蓄沙库14由库体16、储气系统、供气给水系统和控沙阀门23组成。库体16的上部为半圆柱体，下部为半圆锥体，轴向剖面为漏斗形状。储气系统安装在上蓄沙库14中并与供气给水系统连接。控沙阀门23位于库体半圆锥体底部，并与泄沙管道27上部连接，泄沙管道27的下部与发电机26入口连接。

所述的供气给水系统上下垂直安装在上蓄沙库14内，所述的储气系统由空压机24和储气罐10组成。空压机24安装在储气系统的顶部，空压机24的出气管道7与安装在储气罐10上部的压缩空气进气阀7’连接。储气罐10的排气阀门13安装在柱状供气给水管道8上与储气罐10连通，当有余电时，在供气控制模式下启动空压机24，压缩空气经压缩空气出气管道7、储气罐进气阀7’将空气压缩到储气罐10中。

供气给水系统的柱状供气给水管道8置于储气罐10中，储气罐10的排气阀门13安装在供气给水系统中的柱状供气管道8上与储气罐10连通，柱状供气管道8上端安装有柱状给水阀门9’并通过给水管道9与上蓄水池20连接。

所述的供气给水系统还包括第一环形供气给水管道1、第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第N-1环形供气给水管道4、第N环形供气给水管道5、k₁梯级阀门1’、k₂梯级阀门2’、k₃梯级阀门3’、k_N-1梯级阀门4’、k_N梯级阀门5’、流化沙供气给水阀门6’、流化沙供气给水管道6和强供气给水阀门22组成，N为正整数。其中，供气给水系统的柱状供气给水管道8置于储气罐10中，储气罐10的排气阀门13安装在柱状供气给水管道8上，储气罐10中的气体通过储气罐10的排气阀门13排出。柱状给水阀门9’还与上蓄水池给水管道9连接，上蓄水池给水管道9的另一端连接在上蓄水池20的底部，向柱状供气给水管道9给水。k₁梯级阀门1’、k₂梯级阀门2’、k₃梯级阀门3’、k_N-1梯级阀门4’、k_N梯级阀门5’由下至上按照1～N的顺序等距离排列，安装在柱状供气给水管道8上；第一环形供气给水管道1、第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第N-1环形供气给水管道4、第N环形供气给水管道5、由下至上按照1～N等距离排列，通过连接管道穿过储气罐10与k₁梯级阀门1’、k₂梯级阀门2’、k₃梯级阀门3’、k_N-1梯级阀门4’、k_N梯级阀门5’对应连接。第一环形供气给水管道1上垂直安装多个注气给水管18，注气给水管18上装有多个喷气给水头，在第二环形供气给水管道2、第三环形供气给水管道3、第N-1环形供气给水管道4、第N环形供气给水管道5上均匀环形排列安装有多个排水阀门12和气动振捣棒11，其中每个气动振捣棒11和排水阀门12均内嵌阀门控制器，阀门控制器通过无线或有线与监控管理系统连接。监控管理系统通过阀门控制器控制气动振捣棒11或排水阀门12，对周边的沙子进行震动或给水，打破由沙子横向静态支撑接触的内摩擦力，加速沙子的压力传递。

所述的上蓄沙库14连接有流化沙供气给水管道6，流化沙供气给水管道6位于上蓄沙库14半圆锥体接近底部处，控沙阀门23的上部，流化沙供气给水管道6通过流化沙供气给水阀门6’与柱状供气给水管道8连接，流化沙供气给水管道6上排列有多个朝向控沙阀门23方向的排气给水孔，通过此排气给水孔排气或注水，使控沙阀门23与流化沙供气给水管道6之间的沙子形成气沙流或水沙流，使沙子连续经控沙阀门23流出。柱状供气管道8的底部为强供气给水阀门22，强供气给水阀门位于第一环形供气给水管道1的水平中心位置，用于在控沙阀门23处，沙子未形成气沙流或水沙流时的应急排气。

供气给水系统分时、分层对沙子排气或给水扰动，降低沙子与沙子之间的摩擦力。沙子在重力的作用下向上蓄沙库14库体16半圆锥体底部流动，当沙子流动到第一环形供气给水管道1处，第一环形供气给水管道1上的注气给水管道18向沙子注入气体或给水，进一步减少沙子与沙子之间的粘滞阻力，当沙子流动到流化沙供气给水管道6时，控制流化沙供气给水阀门6’对流化沙供气给水管道6排气或给水，使沙子流动形成的气沙流或水沙流满足连续发电要求，提供稳定连续的重力势能。

当沙子通过控沙阀门23时，通过对控沙阀门23的控制，控制沙下泄流量。当供气给水系统强供气给水阀门22打开时，沙子在气流或水流的冲击作用下加速下行，加快发电响应时间。一定流量的气沙流或水沙流经泄沙管道27到达发电机26时，驱动发电机26发电，气沙流或水沙流由发电机26出口被排放到下蓄沙库15中。

所述的控沙阀门23位于库体16的半圆锥体底部，并与泄沙管道27上部连接，泄沙管道27的下部与发电机26入口连接，发电机26出口接入下蓄沙库15，下蓄沙库15位于发电机26的下部。如图1所示，所述的传送机组分别由上传送机31、下传送机30、上逆止进沙门31’和下逆止进沙门30’组成。其中，上逆止进沙门31’和下逆止进沙门30’由上至下安装在上蓄沙库体16的一侧，并分别与上传送机31出料口和下传送机30出料口对应连接。其中，下传送机30出料口还与上传送机31进料口连接，下传送机30进料口安装在下蓄沙库15底部；所述出料口和进料口分别为传送机两端的进沙和出沙端。

当沙子动能经发电机26做功后下泄到所述下蓄沙库15中。在给水控制模式下沙子中的大部分水通过沙子间隙与沙子分离，水流入到下蓄水池21中。当有余电时，启动传送机组，沙子经下传送机30进料口传送到下逆止进沙门30’，沙子进入上蓄沙库14中。当沙子容量即将超过下逆止进沙门30’时，下逆止进沙门30’自动关闭，上传送机31启动，下传送机30传送的沙子由上传送机31接力传送到上逆止进沙门31’，进入上蓄沙库14中；多级输送沙子可降低传输能耗和提高传送高度。在上蓄沙库中沙子容量低于逆止进沙门时，逆止进沙门处于打开状态，当上蓄沙库14中沙子容量接近逆止进沙门时，逆止进沙门关闭，阻止沙子外泄。

在上蓄沙库中沙子容量低于逆止进沙门时，逆止进沙门处于打开状态，当上蓄沙库中沙子容量接近逆止进沙门时，逆止进沙门关闭，阻止沙子外泄。

所述的上蓄水池20依地质条件建在上蓄沙库14一侧，上蓄水池20的底部高于上蓄沙库14的顶部。上蓄水池20底部出水口与上蓄水池给水管道9连接，上蓄水池给水管道9的另一端与供气给水系统中柱状给水管道阀门9’连接。抽水管道19的一端接入上蓄水池位20上端，抽水管道19的另一端与水泵29出水口连接。

所述的下蓄水池21位于下蓄沙库15的一侧，低于下蓄沙库15的底部水平面，当沙水下泄到下蓄沙库15时，沙子中大部分水经沙子间隙与沙子分离，水向低处流入下蓄水池21中。位于下蓄水池21上的水泵29进水口经管道连接于下蓄水池21的底部，水泵29出水口与抽水管道19连接，抽水管道19另一端与上蓄水池20顶部连接。

当有余电时，在给水控制模式下启动水泵29，将沙与水分离后流入下蓄水池21中的水，经水泵29、抽水管道19回送到上蓄水池20中，循环利用。