CN102261299A - 一种利用地下矿洞进行蓄能发电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，目前还没有一种设备投资省，能源转化率高的蓄能发电的方法。本发明包括蓄能和发电步骤，蓄能步骤先通过外部电网在平抑峰谷电过程中电网电力富裕时候的电能来驱动可逆式水泵水轮机运行，将敞口腔体里的水注入到密封腔体中，当可逆式水泵水轮机停止运行后，将密封腔体中的空气压力调节到1-30兆帕之间的设计设定值；发电步骤中，位于密封腔体中的水在密封腔体中的空气压力的作用下通过上下水管道排到敞口腔体中，排出的水带动可逆式水泵水轮机进行发电，将可逆式水泵水轮机所产生的电能并入电力匮乏的外部电网中。本发明的设备投资省，操作简单，能源转化率高，能够有效利用电网峰谷电和风电。

Description

一种利用地下矿洞进行蓄能发电的方法

技术领域

本发明涉及一种蓄能发电的方法，尤其是涉及一种利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，主要通过电动泵将水输送到地下矿洞中，通过输送进去的水来压缩地下矿洞内的空气而达到蓄能的目的，通过地下矿洞中的高压空气将水输送到水轮发电机中而达到发电机发电的目的，属于水力发电技术领域。

背景技术

电能已越来越成为人们工作和生活不可或缺的能源，但是，目前有一种全世界范围普遍存在的矛盾现象，这就是白天人们的用电量大，电网即使开足马力进行发电，电力依旧供不应求；而晚上的用电量大大下降，电网即使尽力降低发电能力，电力依旧有较大的剩余。这是因为工业生产主要是在白天进行的，人们的学习生活和社会活动也基本上是在白天进行的，当今的取暖制冷也表现为白天要比晚上的耗电大，在这种情况下，电网，包括水力发电、原子能核能发电、太阳能和风能发电、矿物原料发电，即使开足马力运行，电力也供不应求，因此不得不拉电、限电，从而给人们的工作、生活带来较大的不便。而到了晚上，人们睡觉休息了，用电量就大大下降了，电网即使尽力降低发电能力也用不了发出来的电力，例如水力发电、核电、风力发电等。于是对于电力网来说，出现了一种峰谷电现象，白天是耗电峰值期，晚上是耗电谷电期，电力部门为了平衡发电能力想了许多办法，如峰谷电不等价，对于一些高耗电单位实施晚间用电等，但这些方法不能很好的解决白天和晚上的电力分配问题，电能难以达到充分利用。

在数十年前推出了一种抽水蓄能发电技术，这对于解决峰谷电起到了很大的作用，所谓抽水蓄能发电就是在电网电能富裕时，将富裕的电力用来提水，即通过水泵把水抽到一个特意建造的位于山顶上的山顶水库之中，耗费电网中的剩余电力来驱动可逆水泵水轮机进行提水，将水提高到山顶水库中，增加了这部分水体的势能，例如浙江天荒坪抽水蓄能发电站就是在电网电力富裕时把水提高到600多米高的山顶水库中，以达到储存能量的目的，天荒坪抽水蓄能发电站是一座地处浙江安吉的大型抽水蓄能发电站，电站总装机容量180万千瓦，年发电量31.6亿千瓦时，工程总投资73.77亿人民币，经过八年建设才建成投产，为世界第二、亚洲第一，堪称世纪之作，电站上、下水库落差为607米，上水库位于海拔千米的天荒坪之巅，蓄水之后，湖面面积达28公顷，是一个昼夜水位高低变幅达29米多的动态湖泊；而当电网中的电力紧张时，再把位于山顶水库中的水从管道中放下来，并通过可逆水泵水轮机进行发电，回馈到电网中去，即将位于山顶水库中的水体的势能转化为电能。虽然抽水蓄能发电方法能够均衡电网中的电力资源，但是抽水蓄能发电站需要在山顶上建造人工水库，因此投资非常大，而且对地面环境的破坏也较大，抽水蓄能发电方法存在较大的弊端，但是目前人们还没有其它更好的办法来均衡电网中的电力资源。

风电作为清洁的可再生能源越来越被人们受到重视，但风力发电存在一个非常大的瓶颈问题，用风力机来将风能转换成电能，因为风是不断在改变风速和风向的，导致风电是极不稳定的电源，风电的这个特点给要求平稳的电网电力质量造成破坏，因此电网常常拒绝或限制风电上网，这也就是风电上网的瓶颈所在。风能通过风力发电机发出的电力由以下公式来计算：

P＝0.5·ρ·A·v³·ξ

上式中的ρ表示流体的密度，在风力发电中就是空气的密度，ξ表示风能的利用率，A表示风力机的叶片扫掠面积，v表示风速，通过该公式表明风力发电机的发电量与风速的三次方成正比，图1就是描述风力发电过程中风速和风力发电机输出功率之间的关系曲线图，图1中的纵坐标是风速与某一标准风速的比率，例如标准风速为3米/秒，现在风速是1.5米/秒，这个比率在这图中标注的倍率就是0.5，图1中使用倍率是为了可以比较，而图1中的另一条曲线是输出功率变化的倍率曲线，它是依据上述公式计算出功率后用倍率来标志的。从图1可以看出，由于风速的变化，风力发电机输出的电力变化要比风速的变化大得多，因为它与风速的三次方成正比，这也就是风电严重不稳定的原因所在。由于风力发电机发出的电力的电压与交流电的频率是有要求的，因此电力的变化其实就是电流的变化，很显然，如此幅度的电流变化必然导致电网的不稳定，这就是为什么电网对于风电上网非常反对，只是因为政策向可再生能源倾斜才不得不接收风电，同时也导致供电部门为了稳定电的质量而花费了很大的代价，这就是风电上网的瓶颈所在。由此可见，目前人们还难以充分、有效的利用风电，造成风力资源较大的浪费，资源难以合理利用。

目前也有一些相对较好的用于储存电能的方法，如公开日为2005年12月14日，公开号为CN1707095的中国专利中，公开了一种利用高压空气储能进行发电的方法，该技术方案是制作数个大型储气罐，当晚上电力富余时，往储气罐里储气，当白天的用电出现高峰，开启储气罐管道阀门，利用储气罐里的高压空气推动气轮机并带动发电机进行发电，电能以压缩空气的形式储存起来后，还用空气来驱动动力机械是很不实用的，该发明中往储气罐里储气时的效率较低，通过高压空气推动气轮机带动发电机进行发电，由于高压空气的密度较小，发电效率非常低，能源转化率低。同理，公开日为2006年05月17日，公开号为CN1773110的中国专利中，公开了一种压缩空气储能装置及其应用，该技术方案是将自然界存在的不可控的能源转变成可控的压缩空气的形式进行存储，利用储备的压缩空气释放时产生的能量，作为驱动设备运行的能源，该方法也是通过高压空气来带动发电机进行发电，发电效率低，能源转化率低。

综上所述，目前还没有一种设备投资省，操作简单，能源转化率高的蓄能发电的方法，从而导致风电难以得到有效的利用，包括电网峰谷电在内的能源难以得到充分的利用，增加了电力的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设备投资省，操作简单，能源转化率高，能够有效利用电网峰谷电和风电的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特点在于：该方法所用到的设备包括敞口腔体，能够承受1-30兆帕压力的密封腔体，安装在密封腔体内的压力与水位检测装置，带有可逆式水泵水轮机的可逆泵水轮机房，上端与可逆式水泵水轮机相连接的上下水管道，与上下水管道相通的调节装置，安装在上下水管道两端的过滤网；所述密封腔体埋设在地下，所述上下水管道的下端位于密封腔体的下部，所述可逆泵水轮机房通过线缆与外部电网相连接；

该方法依次包括蓄能步骤和发电步骤，所述蓄能步骤中，在敞口腔体里注有水，在密封腔体中盛有水和空气，先通过外部电网在平抑峰谷电过程中电网电力富裕时候的电能来驱动可逆式水泵水轮机运行，将敞口腔体里的水通过上下水管道注入到密封腔体中，当可逆式水泵水轮机停止运行后，通过调节装置将密封腔体中的空气压力调节到1-30兆帕之间的设计设定值；

所述发电步骤中，位于密封腔体中的水在密封腔体中的空气压力的作用下，密封腔体中的水通过上下水管道排到敞口腔体中，从密封腔体中排出的水经过上下水管道时带动可逆式水泵水轮机进行发电，将可逆式水泵水轮机所产生的电能并入电力匮乏的外部电网中，当密封腔体中水的液面高于上下水管道下端0.5-3m时，密封腔体中的水停止排到敞口腔体中。

本发明所涉及的外部电网包括风电系统，与风电系统相连接的高压水泵，安装在高压水泵上的风能储能管，安装在风能储能管中的进口单向阀和流量压力测定装置；所述风能储能管的出口与上下水管道相连接；所述蓄能步骤中，通过风电系统中的电能来驱动高压水泵进行运行，敞口腔体里的水依次通过风能储能管和上下水管道而注入密封腔体中。

本发明所述上下水管道的下端位于密封腔体最低处的上方，该上下水管道的下端与密封腔体底面的距离在1-5m之间。

本发明所述密封腔体为密封的地下洞穴，该地下洞穴为地下矿井和/或地下矿洞和/或地下天然洞穴和/或地下人造洞穴和/或地下裂隙。

本发明所用到的设备还包括出口单向阀，该出口单向阀安装在风能储能管的出口处。

本发明所述调节装置包括设置在密封腔体内的压力水位传感器和可以改变密封腔体内的压力和水位控制装置。

本发明所述的密封腔体是在对天然或废弃的地下矿井和/或地下矿洞进行封堵所有泄漏口以后形成的。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：当外部电网在平抑峰谷电过程中电网电力富裕时候，比如晚上人们睡觉休息时，用电量就下降了，电网即使尽力降低发电能力，电网中的电力也有多余，使用这部分多余的电力来驱动可逆泵水轮机房运行，通过可逆式水泵水轮机将敞口腔体中的水注入密封腔体中，通过水压缩密封腔体中的空气而实现储存能量的目的，从而实现将外部电网中多余的电力进行储存，这就是本发明中的蓄能步骤。当外部电网中的电力匮乏时，如白天人们的用电量大，电网即使开足马力进行发电，电力依旧供不应求，此时通过本发明的发电步骤将蓄能步骤中所储存的能量释放出来，释放出来的这部分能量通过可逆式水泵水轮机转化为电能，这部分电能最后并入外部电网中，用于补给外部电网中的电力。通过本发明中的蓄能步骤和发电步骤能够均衡外部电网中的电力资源，使得外部电网中的电力得到更加充分的利用，提高了能源的利用率，给人们的工作、生活带来更大的便利。

本发明的密封腔体埋设在地下，该密封腔体主要是能够承受较高压力的位于地表以下的矿井、地下矿洞、地下天然洞穴、地下人造洞穴以及地下裂隙，从而提高了资源的利用率，大大降低了设备的制造成本，不会对环境产生破坏。

本发明是一种主要利用地表以下废弃的矿井矿洞和天然或人工形成的能够承受较高压力的密封腔体储存或释放压缩气体来储蓄或释放能量的方法，储蓄能量时是在电网或其它电源电力作用下通过可逆泵水轮机房驱动其它高密度工质进入密封腔体来压缩气体的，也可以直接压缩气体来提高密封腔体的气体压力，释放能量时是在压缩气体的压力作用下迫使其它高密度工质经过管路驱动机电发电设备进行发电，同时将其它高密度工质引出密封腔体而使密封腔体内的气体压力释放，为了使蓄能步骤和发电步骤能够长期反复的进行，在密封腔体内外可以配置必要的监视和控制密封腔体内的压力、水位和成分的辅助设备。

人类采矿的历史已经有1000多年了，先人们在地表以下制造了不计其数的废弃矿洞，它们如今大多注满着水，这些水又苦又咸，有的有强烈的腐蚀性，有的甚至有毒，它有个名字叫老苦水。这些废弃的矿洞，有的洞口已经被人工或自然造物主填满，有的只是被植被掩盖着，时不时还造成人身事故。近百年来，随着人类开发出来的矿物种类和数量的激增，也随着人们采矿技术，机械化水平的提高，地表底下规模更大，离地表距离更远的矿洞正在激增。本发明能够合理利用这些矿洞，变废为宝，大大提高资源利用率。

能够承受较高压力的地表以下废弃的矿井矿洞和天然或人工形成的腔体都能够用做本发明中的密封腔体。人们正越来越多的使用着金、银、铜、铁、锡、煤、石油、稀土元素，这些矿物质通常不是纯净的存在于自然界的，并且大多存在于地表底下和山体内部。人们为了得到这些物质，大规模的进行开矿，从而在地下留下了不计其数的矿井矿洞，此外，因为地壳的演变、冲蚀也形成了许许多多的天然洞穴。这些矿井矿洞洞穴有的上面有着很厚的地层，而矿井矿洞经过人工处理也能形成完全密封的能够承受高压力的地下腔体，这里所谓的人工处理，是指对于废弃的地下矿井、矿洞、天然洞穴、人造洞穴、地下裂隙等地下腔体经过勘察设计以后进行的处理，例如封堵探测时留下的孔洞，坑道的封堵，管道的埋设，探测用传感器的安置，维修人员进出口门洞的设置等。凡能被完全密封并且能够承受压力的地下腔体都是可以使用本方法来实现蓄能发电功能的。

本发明所用设备的投资省，不会对环境产生破坏，整个操作过程简单，能够有效提高电力的利用率，大大缓解电网中电力分布不合理的现象，便于人们的更好的工作和生活。

附图说明

图1是现有技术的风力发电过程中风速和风力发电机输出功率之间的关系示意图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例1的流程图；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明实施例2的流程图；

图6是本发明实施例2实施时的必要程序框图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

参见图2和图3，本实施例中利用地下矿洞进行蓄能发电的方法依次包括蓄能步骤和发电步骤，该方法所用到的设备包括敞口腔体1，能够承受3兆帕压力的密封腔体2，安装在密封腔体2内的压力和水位检测装置，带有可逆式水泵水轮机的可逆泵水轮机房3，安装在可逆式水泵水轮机上的上下水管道4，安装在上下水管道4下端的过滤网5，通过线缆和调节装置、水位检测装置、可逆泵水轮机房3相连接的总监控室。

本实施例中的密封腔体2是一个体积为150万立方米的地下矿洞，这相当于被开采掉300万吨煤后所留下的空间，据统计，我国平均一个矿区年产煤是60万吨，本实施例中的密封腔体2相当于采了5年的煤矿，而本实施例中的敞口腔体1为一个水库。本实施例中的密封腔体2是埋设在地下的，该密封腔体2位于敞口腔体1的下方，上下水管道4的上端与可逆式水泵水轮机相连，而可逆式水泵水轮机的尾水管位于敞口腔体1的下部，当敞口腔体1中注有水时，上下水管道4的上端就位于敞口腔体1的水面下，上下水管道4的下端位于密封腔体2的下部，且上下水管道4的下端与密封腔体2底面之间的距离为0.8m，当密封腔体2中注有水时，上下水管道4的下端就位于密封腔体2内的水面下，可逆泵水轮机房3通过线缆与外部电网相连接。本发明中的密封腔体2只要位于地下且是密闭并能承受足够的压力的腔体都是可以的，无论是天然的洞穴还是人工的洞穴，本发明中敞口腔体1和密封腔体2对本领域技术人员来说为公知常识，本发明中所用的调节装置、水位检测装置、可逆式水泵水轮机、可逆泵水轮机房3、上下水管道4和过滤网5均与现有技术相同或者相近似，此处均不再详述。

本发明首先进行的是蓄能步骤，在敞口腔体1里注有水，在密封腔体2中盛有空气和水，在首次蓄能时这里的空气可以是大气压力或高于大气压力，在正常运行时它应当为某一设定的压力气体。在密封腔体2的水面上添加有一层气体隔离层，本实施例中采用液态石蜡作为气体隔离层，液态石蜡能够隔断空气与水之间的接触，从而大大降低空气在水中的溶解速度。本发明也可以采用其他物质来作为气体隔离层，比如油等，当然，本发明在密封腔体2的水面上也可以没有添加气体隔离层，因为空气在水中的溶解度本来就较小，即使当少量空气溶解到水中而导致密封腔体2内的空气减少时，可以通过调节装置来对密封腔体2内的空气进行补给。

通过线缆与可逆泵水轮机房3相连接的外部电网如水力电网、核电系统、风力电网等，一旦到了非用电高峰期时，外部电网即使尽力降低发电能力也用不了发出来的电力，从而造成整个外部电网中的电力多余。本实施例在蓄能步骤中先通过外部电网中多余的电能来驱动可逆式水泵水轮机进行运行，因为上下水管道4安装在可逆式水泵水轮机上，当可逆式水泵水轮机运行后，敞口腔体1里的水通过可逆式水泵水轮机的泵运作状态将上下水管道4注入到密封腔体2中，随着敞口腔体1中的水不断注到密封腔体2中，密封腔体2中的水位不断升高，当密封腔体2中水的体积达到80万立方米时，可逆式水泵水轮机停止运行，此时位于密封腔体2中的空气的体积为70万立方米，然后通过调节装置将密封腔体2中的空气压力调节到2.6兆帕，使得密封腔体2中空气的压力远远高于外界的大气压，即在密封腔体2中形成一个高压，至此，蓄能步骤结束。

经过本实施例中的蓄能步骤后，将外部电网在平抑峰谷电过程中电网电力富裕时候的电能通过其他形式储存在密封腔体2中，能够有效防止能源的浪费，提高了资源的利用率。当遇到用电量大的时候，外部电网中的电力出现匮乏，即使外部电网开足马力进行发电，电力依旧供不应求，此时可以启动本实施例中的发电步骤。在本实施例的发电步骤中，由于密封腔体2中的空气为高压空气，位于密封腔体2中的水在密封腔体2中的空气的作用下，密封腔体2中的水通过可逆式水泵水轮机及上下水管道4而排到敞口腔体1中，从密封腔体2中排出的水经过上下水管道4时带动可逆式水泵水轮机进行转动，从而实现可逆式水泵水轮机进行发电的功能，并将可逆式水泵水轮机所产生的电能并入电力匮乏的外部电网中，从而能够有效减轻外部电网的压力，随着密封腔体2中的水不断排向敞口腔体1，密封腔体2中水的液位不断下降，密封腔体2中空气的体积不断增大，该空气的压力不断下降，其间密封腔体2中的空气绝对不允许通过旋涡形式进入上下水管道4，当密封腔体2中水的液面高于上下水管道4下端为某一设定值时，密封腔体2中的水停止排到敞口腔体1中，至此，本实施例中的发电步骤结束。本发明可以在密封腔体2中水的液面高于上下水管道4下端0.5-3m时，密封腔体2中的水停止排到敞口腔体1中，例如在最大限度利用储存的能量时。本发明的密封腔体2中水的液面高于上下水管道4下端是指上下水管道4下端始终处于水中的情况，该密封腔体2中水的液面是位于上下水管道4周边的水的液面。

本实施例中的密封腔体2是一个体积为150万立方米的地下矿洞，无论是矿井矿洞还是天然洞穴，地下腔体的形状通常都是不规范的，因此，首先需要对地下矿洞进行一定的处理以达到密封的要求，例如进行封堵处理，采用封堵块将地下矿洞进行密封。位于地下的密封腔体2内有两种状态的物质，上部分是气体，是具有很高压力的压缩气体，下部分是水，水的密度要比气体高出800多倍，因此水相对于气体来说是一种高密度流体，或称其为高密度工质。在储能状态下，密封腔体2内保持着高压力并处于静止状态，当可逆式水泵水轮机接到指令开始工作后，由于密封腔体2内的压力远高于可逆式水泵水轮机出口的压力，因此密封腔体2中的水将通过上下水管道4从可逆式水泵水轮机的出口排出，这部分水驱动水泵水轮机进行发电。

地下废弃的矿井矿洞通常是在原先天然生长在这里的矿物被开采掉以后所形成的，因此水、气在密封腔体2内变化压力或进出流动都会造成残余矿物或洞壁物质在水中的溶解或掺杂，事实上矿洞内最初的水是十分混浊，并具有严重的酸性或碱性，有着强烈的腐蚀性，对于管道有着破坏作用，因此作为高密度工质的水也是需要进行处理的，这主要是通过化学物理手段来进行处理，例如对于酸碱度可以用化学的中和反应方法加入碱或酸来调节，通常应当调整酸碱度的Ph值大于7，呈弱碱性，因为弱碱性可保护金属管道不受腐蚀。此外，水中难免有粉尘颗粒，有的呈悬浮状态而导致水变的混浊，这可以用物理或化学手段进行处理，例如在上下水管道4的出水口设置过滤网5，也可以在水中加入絮凝物质，如明矾，使悬浮物被凝聚到水底去，采用向水中加入絮凝物质对水进行处理不是一劳永逸的，而是需要定时对水进行检测并经常调整的。虽然地下矿洞蓄能发电技术用的水是循环用水，并且经过处理看起来应当是清净透彻的，但仍然是不能食用的，其水源应当与生活用水完全分开。

在地下密封腔体2中的气水界面上，也和大自然所有江、河、湖、海一样存在着气体溶入水中的现象。物理学告诉我们，气体中的各种成分都会溶解于水，但溶解度很低，并且随着压力的增加，溶解度会提高些，但影响很小，例如0摄氏度时1升的水中最多可以溶解0.024升的氮气。由于存在于自然界中的水里已经溶解有饱和气体，因此常温下，气体中的气体成分一般并不再溶解于水。气体的溶解度是承随着压力的增加而增加的，随着温度的升高而降低的，在高压力状态下，密封腔体2内的气体是会增加溶解度的，但数量很小，在发电步骤中溶于水中的空气也会随着水通过水轮机流出密封腔体导致密封腔体2内的气体总量有所减少。而当发电步骤结束后，密封腔体2内的水的压力降低了，位于密封腔体2内的水中的气体也会逸出水体。总体上说，随着蓄能步骤和发电步骤的反复进行，密封腔体2内的气体会逐渐减少，因此，地下矿洞蓄能发电方法还必须及时补充密封腔体2中的气体，例如补充氮气等，以保证密封腔体的工作参数稳定不变。

地下洞穴蓄能发电为了保证正常运行，密封腔体2中需要许多测定仪器，例如压力表、水位测定器等，这些测定仪器的安装对本领域技术人员来说为公知常识。为了降低气体溶解速度，也可以考虑密封腔体2内的水表面注入一些比重介于水与气体之间的物质，例如矿物油、液态石蜡等，因为油总是浮在水面上的，因此这实际上构成了一层隔绝气体与水的隔离层。当然，因为本方法包括有补充高压气体的手段在内，为了保证水的质量，也可以不用这样的隔离层。

在本发明的蓄能步骤中，电网耗费电能将地面或地下的敞口腔体1中的水通过可逆式水泵水轮机经过上下水管道4打到地下高压密封腔体2中去，地下高压密封腔体2的水位升高并挤压了地下高压密封腔体2中的空气容积，同时使空气的压力提高了，地下高压密封腔体2的压力、水位、水质是不停被监测和监控中的，埋设在地下高压密封腔体2内的各种传感器把测到的参数送到了总监控室，总监控室把测得的数据进行分析，以决定是不是要向地下高压密封腔体2补充空气或调整水质，直到地下高压密封腔体2中的水位和压力达到指定的指标，也就是达到以储能指标为止，储能过程结束。

在本发明的发电步骤中，开启可逆式水泵水轮机至地面或地下的敞口腔体1的阀门，地下高压密封腔体2中压缩空气的压力压迫地下高压密封腔体2中的水体通过上下水管道4及可逆式水泵水轮机回到地面或地下的敞口腔体1中，与此同时，水轮机驱动发电机发电，所产生的电力向电网供电。

下面结合数据我们来看一下地下矿洞蓄能发电技术，例如，一地下矿洞有150万立方米的容积，这相当于被开采掉300万吨的煤留下的空间，现在我们设定它储能状态时气体体积为70万立方米，这时的空气压力为2.6兆帕，那么，根据气体定律，当压力降至1.6兆帕时，气体体积将扩大至113.75万立方米，113.75-70＝43.75万立方米，这43.75万立方米将以平均压力大于1.7兆帕(从2.6兆帕降至1.6兆帕，平均值为2.1兆帕)压迫水体流过可逆泵水轮机，即相当于1小时内平均有437500/3600＝121.52立方米/秒的流量流过可逆泵水轮机。而型号为SF1250-12的轴流式水轮机，在水头为17.9米即1.79兆帕，流量为9.096立方米/秒时，发电功率为1374千瓦。因此可以知道121.52立方米/秒的流量除以9.096等于13.36台水轮机在同时工作，总功率为18.36兆瓦，因为发电时间这里是1小时，因此总发电量为18.36兆瓦-时，即1.835万度电，当然实际情况也需要加入效率因素。到此时，矿井内还有36.25万立方米的水，水面压力为1.6兆帕。

需要指出的是气体体积为70万立方米，空气压力为2.6兆帕的储能状态远不是这个矿洞的极限状态，在1.6兆帕时还有36.25万立方米的水也不是最终的极限状况，换句话说这个矿洞的潜力还大可提高，只要水轮机的工作参数范围能更宽些。还需要指出的是，地下矿洞多在地面以下数十米，甚至数百米，理论上水深100米将损耗1兆帕的静压力，这是要从蓄存的压缩空气的压力上减去的，但是理论上能量是不灭的，这部分减去的压力也正是储能时增加的。太深的矿洞不适宜将水提到地表面来释放，原因是过长的管道会有过多的沿程压力损失，这时，如果地下另有矿洞，可以将水提到这些通大气或气压较低的矿洞储存，这就是所谓的地下水库，而发电站此时也将设在地下。

本发明的高密度工质进入密封腔体来压缩气体是指密封腔体2内有两种工质，其一为任何配比的在其它高密度工质中溶解度很低的、工作状态下呈气态的气体，例如含有氮气、二氧化碳、氧气等各种比例的气体，其二为其它高密度工质，即工作状态下呈液态的密度远高于气体的液体，例如水、水溶液、悬浊液，无论是气体还是液体，都必须是对管路、机电设备和辅助装置不能产生腐蚀破坏的作用，因此运行中需要随时监控气体和液体的化学成分并通过化学或物理手段进行调节。

本发明的机电增压泵、机电发电设备可以是电动水泵、水轮发电机组，通常是现在广泛应用在抽水蓄能发电站的可逆式水泵水轮机和可逆式电动机发电机，可逆式水泵水轮机与可逆式电动机发电机相结合，在储能时起电动机加水泵的作用，在发电时起水轮机加发电机的作用。

需要说明的是，本发明中所说的敞口腔体1并非必须是严格意义上呈敞口结构的腔体，那些内部压力远远低于密封腔体2内部压力的低压密封腔体也属于本发明所说的敞口腔体1的范畴以内。

实施例2：

参见图4至图6，本实施例中利用地下矿洞进行蓄能发电的方法依次包括蓄能步骤和发电步骤，该方法所用到的设备包括敞口腔体1，能够承受1.2兆帕压力的密封腔体2，安装在密封腔体2内的压力与水位检测装置，带有可逆式水泵水轮机的可逆泵水轮机房3，安装在可逆式水泵水轮机上的上下水管道4，安装在上下水管道4下端的过滤网5，风电系统8，与风电系统8相连接的高压水泵7，安装在高压水泵7上的风能储能管6，安装在风能储能管6中的进口单向阀和流量压力测定装置，安装在风能储能管6出口处的出口单向阀，通过线缆和调节装置、水位检测装置、可逆泵水轮机房3、流量压力测定装置、高压水泵7、风电系统8相连接的总监控室。其中风能储能管6的出口与上下水管道4相连接，外部的水能够通过风能储能管6而进入上下水管道4中，最后通过上下水管道4而进入密封腔体2中。本发明中所用的调节装置、水位检测装置、可逆式水泵水轮机、可逆泵水轮机房3、上下水管道4、过滤网5、风能储能管6、流量压力测定装置、高压水泵7、进口单向阀、出口单向阀和风电系统8均与现有技术相同或者相近似，此处均不再详述。

本实施例中的密封腔体2是一个体积为3250立方米的地下矿洞，而敞口腔体1为一个水库。本实施例中的密封腔体2是埋设在地下的，该密封腔体2位于敞口腔体1的下方，当敞口腔体1中注有水时，上下水管道4的上端就位于敞口腔体1的水面下，上下水管道4的下端位于密封腔体2的下部，且上下水管道4的下端与密封腔体2底面之间的距离为1m，当密封腔体2中注有水时，上下水管道4的下端就位于密封腔体2内的水面下，可逆泵水轮机房3通过线缆与外部电网相连接。本发明中敞口腔体1的下部和密封腔体2的下部对本领域技术人员来说为公知常识。

本发明首先进行的是蓄能步骤，在敞口腔体1里注有水，在密封腔体2中盛有空气和水，通过风电系统8中的电能来驱动高压水泵7进行运行，敞口腔体1里的水依次通过风能储能管6和上下水管道4而注入密封腔体2中，当密封腔体2中水的体积达到2444立方米时，可逆式水泵水轮机停止运行，然后通过调节装置将密封腔体2中的空气压力调节到1.16兆帕，使得密封腔体2中空气的压力远远高于外界的大气压，即在密封腔体2中形成一个高压，至此，蓄能步骤结束。

经过本实施例中的蓄能步骤后，将风电系统8中的电能通过其他形式储存在密封腔体2中，能够充分利用风电系统8中的电能，提高了资源的利用率。当遇到用电量大的时候，可以启动本实施例中的发电步骤。在本实施例的发电步骤中，由于密封腔体2中的空气为高压空气，位于密封腔体2中的水在密封腔体2中的空气的作用下，密封腔体2中的水通过上下水管道4而排到敞口腔体1中，从密封腔体2中排出的水经过上下水管道4时带动可逆式水泵水轮机进行转动，从而实现可逆式水泵水轮机进行发电的功能，并将可逆式水泵水轮机所产生的电能并入电力匮乏的外部电网中，从而能够有效减轻外部电网的压力，随着密封腔体2中的水不断排向敞口腔体1，密封腔体2中水的液位不断下降，密封腔体2中空气的体积不断增大，该空气的压力不断下降，当密封腔体2中水的液面高于上下水管道4下端为某一设定值时，密封腔体2中的水停止排到敞口腔体1中，至此，本实施例中的发电步骤结束。本发明可以在密封腔体2中水的液面高于上下水管道4下端0.5-3m时，密封腔体2中的水停止排到敞口腔体1中，本发明的密封腔体2中水的液面高于上下水管道4下端是指上下水管道4下端始终处于水中的情况，该密封腔体2中水的液面是位于上下水管道4周边的水的液面。本实施例是一个适用于20兆瓦风电场要求的地下矿洞蓄能发电站。

地下矿洞蓄能发电方法与抽水蓄能发电方法进行比较，具有较大的优点，具体参见表1，建造抽水蓄能发电站需要在山顶上建造人工水库，因此投资大，对地面环境破坏较大；而地下矿洞蓄能发电方法利用历史上留有废弃矿洞，投资小，几乎没有破坏环境。

表1地下矿洞蓄能发电方法与抽水蓄能发电方法比较表

名称

储能方法

储能能源

总效率

投资额度

发电方式

换能设备

占用地理

功用

其它功效

抽水蓄能发电技术

水体具有的势能不同之势能

电网电力

水体势能决定效率不能提高

高些

驱动水轮机发电

可逆泵-水轮机

需要具备条件的整座山体

平抑电网峰谷电

新辟浏览景区

地下矿洞蓄能发电技术

压缩空气形成气弹簧之压能

电网电力和风电电力

因为引水管路短些而效率高

低些

同上

同上

地下废弃矿洞、洞穴

同上和克服风电瓶颈

同上

电网在克服峰谷电的同时吸收风电的能量，让风电一起压迫水库中的水进入密封腔体2，也就是说风电生成的电能不再直接并入电网，而是通过地下矿洞蓄能发电方法储存、缓冲后再并入电网，以往风电的瓶颈便不再存在了。为了便于计量，在与风力机相连接的电动水泵出口设有流量压力测定装置，以便计算风力机输入蓄能空间的能量，而水在进入通往蓄能空间主管道以前还应当加设单向阀，并且风能储能管6的终端也要加设单向阀，目的是为了避免附加设备损坏导致蓄能空间的压力丧失。

并不是所有的地下矿井都能够应用地下矿洞蓄能发电方法来储能发电的，只有能够被密封并能够承受需要的压力的矿洞才能用于地下矿洞蓄能发电方法储能发电，一般来说，地下矿洞的耐压能力至少在1兆帕-30兆帕。例如与天荒坪抽水蓄能发电站相当的地下矿洞蓄能发电站是按位于地下200米最高压力10兆帕计算的，对于一个风力发电场，几十台风力机的编组，或者包括太阳能发电站，并不需要建造象天荒坪抽水蓄能发电站那样规模的地下矿洞蓄能发电站，因而使用的地下矿洞可以小得多。

由于依据国家法律，地下矿井矿洞都是属于国家资产，因此利用地下矿井矿洞必需征得政府的批准。作为政府，因为建设地下矿洞蓄能发电站并不破坏自然环境，相反还有可能建造一个地面蓄水池的风景游览点，地面蓄水池的水位白天升高，晚间下降，还可以附带建造人工瀑布或喷泉，因此是一举两得的事，能够改善环境，减轻峰谷电负荷，解决风电场的上网矛盾。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：该方法所用到的设备包括敞口腔体，能够承受1-30兆帕压力的密封腔体，安装在密封腔体内的压力与水位检测装置，带有可逆式水泵水轮机的可逆泵水轮机房，上端与可逆式水泵水轮机相连接的上下水管道，与上下水管道相通的调节装置，安装在上下水管道两端的过滤网；所述密封腔体埋设在地下，所述上下水管道的下端位于密封腔体的下部，所述可逆泵水轮机房通过线缆与外部电网相连接；

该方法依次包括蓄能步骤和发电步骤，所述蓄能步骤中，在敞口腔体里注有水，在密封腔体中盛有水和空气，先通过外部电网在平抑峰谷电过程中电网电力富裕时候的电能来驱动可逆式水泵水轮机运行，将敞口腔体里的水通过上下水管道注入到密封腔体中，当可逆式水泵水轮机停止运行后，通过调节装置将密封腔体中的空气压力调节到1-30兆帕之间的设计设定值；

所述发电步骤中，位于密封腔体中的水在密封腔体中的空气压力的作用下，密封腔体中的水通过上下水管道排到敞口腔体中，从密封腔体中排出的水经过上下水管道时带动可逆式水泵水轮机进行发电，将可逆式水泵水轮机所产生的电能并入电力匮乏的外部电网中，当密封腔体中水的液面高于上下水管道下端0.5-3m时，密封腔体中的水停止排到敞口腔体中。

2.根据权利要求1所述的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：该方法所涉及的外部电网包括风电系统，与风电系统相连接的高压水泵，安装在高压水泵上的风能储能管，安装在风能储能管中的进口单向阀和流量压力测定装置；所述风能储能管的出口与上下水管道相连接；所述蓄能步骤中，通过风电系统中的电能来驱动高压水泵进行运行，敞口腔体里的水依次通过风能储能管和上下水管道而注入密封腔体中。

3.根据权利要求1或2所述的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：所述上下水管道的下端位于密封腔体最低处的上方，该上下水管道的下端与密封腔体底面的距离在1-5m之间。

4.根据权利要求1或2所述的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：所述密封腔体为密封的地下洞穴，该地下洞穴为地下矿井和/或地下矿洞和/或地下天然洞穴和/或地下人造洞穴和/或地下裂隙。

5.根据权利要求2所述的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：该方法所用到的设备还包括出口单向阀，该出口单向阀安装在风能储能管的出口处。

6.根据权利要求1或2所述的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：所述调节装置包括设置在密封腔体内的压力水位传感器和可以改变密封腔体内的压力和水位控制装置。

7.根据权利要求4所述的利用地下矿洞进行蓄能发电的方法，其特征在于：所述的密封腔体是在对天然或废弃的地下矿井和/或地下矿洞进行封堵所有泄漏口以后形成的。

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