CN108716447A - 发电蓄能调峰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发电蓄能调峰系统及方法，包括控制模块，当稳定输出电量超出需求电量设定阈值时输出蓄能信号，当需求电量超出稳定输出电量设定阈值时输出发电信号；地表水库，放水口处设置放水阀；水轮机，其进水口与地表水库的放水口连通，发电端与电站的发电端连接；放水阀的被控端接收到发电信号后开启，水轮机为电站补充电量；地下水库，其位于地表水库下方；水泵，其供电端与电站的发电端连接，其第一端与地下水库连通，其第二端与地表水库连通，其被控端接收到蓄能信号后启动，将地下水库中的水抽送至所述地表水库中。本发明中利用地表水库和地下水库的地势差采用抽水蓄能的方式实现对电站供电量调峰以保证其供电稳定性。

Description

发电蓄能调峰系统及方法

技术领域

本发明涉及电力应用技术领域，具体涉及一种发电蓄能调峰系统及方法。

背景技术

随着国内能源结构不断调整，近年来以风力和光伏发电为代表的再生能源装机量迅速增加，但由于可再生能源的间歇性和波动性特点，可能导致电力调峰存在几个问题，包括电网峰谷差扩大，系统调峰容量不足；大型火电机组的频繁启停造成资源浪费，磨损大、煤耗高等。由此带来了高比例弃风、弃光和可再生能源并网消纳困难等一系列问题，只有大力发展蓄能技术，才能克服以上问题。

目前，诸如我国西北部地区由于普遍干旱少雨，建设了较多的风力、光伏发电的新能源电站，但是这些地区地表径流少、地表平坦，无法按照常规方式设计建造蓄能电站，造成了电网供电稳定性差。因此，如何针对这类特殊地理环境设计适于其使用的发电技术是亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中部分干旱地区存在的发电的不稳定性，进而提供一种发电蓄能调峰系统及方法。

为解决上述问题，本发明提供一种发电蓄能调峰系统，包括：

控制模块，获取电站的稳定输出电量及电网的需求电量；当所述稳定输出电量超出所述需求电量设定阈值时输出蓄能信号，当所述需求电量超出所述稳定输出电量设定阈值时输出发电信号；

地表水库，底部开设有放水口，所述放水口处设置放水阀；

水轮机，其进水口与所述地表水库的放水口连通，发电端与所述电站的发电端连接；所述放水阀的被控端接收到所述发电信号后开启，所述水轮机为所述电站补充电量；

地下水库，其位于所述地表水库下方，与所述水轮机的出水口连通；

水泵，其供电端与所述电站的发电端连接，其第一端与所述地下水库连通，其第二端与所述地表水库连通，其被控端接收到所述蓄能信号后启动，将所述地下水库中的水抽送至所述地表水库中。

可选地，上述的发电蓄能调峰系统中，还包括：

净水设备，其进水口与所述地表水库的排水口连通，其出水口与用水需求端连通，其供电端通过电控开关与所述电站的发电端连接；

所述控制模块，获取电站的不稳定输出电量，当所述不稳定输出电量达到预设值时输出启动信号；

所述电控开关，其被控端接收到所述启动信号或所述蓄能信号后导通，所述净水设备启动，将所述地表水库中的水净化后输送至所述用水需求端。

可选地，上述的发电蓄能调峰系统中，所述地表水库由位于地表的塌陷区形成；

所述地下水库在基于煤炭开采后形成的地下采空区建成，位于与地表距离最近的第一开采水平上，其储存的水源包括煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水，其通过垂直钻孔与所述地表水库的放水口连通；所述水泵位于地表，其第一端通过垂直钻孔与所述地下水库连通。

可选地，上述的发电蓄能调峰系统中，所述塌陷区底部铺设有防渗层。

可选地，上述的发电蓄能调峰系统中，所述地下水库包括井下水库、地下泵和地下清水库；所述井下水库的第一进水口与所述水轮机的出水口连通，第二进水口与所述水源的出口连通；所述地下泵的第一端与所述井下水库的出水口连通，第二端与所述地下清水库的进水口连通；所述地下清水库的出水口与所述水泵的第一端连通。

可选地，上述的发电蓄能调峰系统中，还包括N级扩展水库，不同扩展水库分别位于所述第一开采水平下方的不同开采水平上；其中：

n级扩展水库包括n级水轮机、n级井下水库、n级泵和n级地下清水库，n级井下水库中储存的水源包括煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水，n级泵的被控端接收到所述蓄能信号后启动，n为整数且1≤n≤N；

当n为1时，n级水轮机的进水口与所述水轮机的附加出水口连通，n级水轮机的出水口与n级井下水库连通，n级泵的第一端与n级井下水库连通，n级泵的第二端与n级地下清水库连通，n级地下清水库与所述地下泵的附加进水口连通；

当n不为1时，n级水轮机的进水口与(n-1)级水轮机的附加出水口连通，n级水轮机的出水口与n级井下水库连通，n级泵的第一端与n级井下水库连通，n级泵的第二端与n级地下清水库连通，n级地下清水库与所述(n-1)泵的附加进水口连通。

可选地，上述的发电蓄能调峰系统中，还包括：

计量模块，用于测量所述地下水库中的储水量，并输出与所述储水量对应的计量信号；

所述控制模块，接收所述计量模块输出的所述计量信号，当所述计量信号大于预设计量信号阈值时输出蓄能信号。

本发明还提供一种利用以上任一项所述发电蓄能调峰系统执行的发电蓄能调峰方法，包括：

蓄能步骤：控制模块在电站的稳定输出电量超出电网的需求电量设定阈值时输出蓄能信号启动水泵，同时利用电网弃用的稳定输出电量驱动所述水泵将地下水库中的水提升至地表水库中；

发电步骤：控制模块在电网的需求电量超出稳定输出电量设定阈值时输出发电信号开启地表水库放水口处的防水阀，地表水库中的水排至水轮机的进水口带动水轮机转动发电补给电网使用，之后水经水轮机的出水口与进入地下水库中储存。

可选地，上述的发电蓄能调峰方法中，还包括：

水处理步骤：控制模块在电站的不稳定输出电量达到预设值时输出启动信号；

电控开关在接收到控制模块输出的蓄能信号后导通，利用电网弃用的稳定输出电量驱动净水设备对地表水库中的水处理，将处理后的水输送至用水需求端；或者，

电控开关在接收到控制模块输出的启动信号后导通，利用电站的不稳定输出电量驱动净水设备对地表水库中的水处理，将处理后的水输送至用水需求端。

可选地，上述的发电蓄能调峰方法中，还包括：

地下水处理步骤：在开采煤炭过程中，在与地表距离最近的第一开采水平上建造井下水库和地下清水库；煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水进入井下水库，经井下水库内的岩体和矸石的过滤、吸附与离子交换作用后去除水中杂质，地下泵将井下水库中去除杂质的水源抽送至地下清水库。

本发明提供的以上技术方案，与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

(1)本发明提供的发电蓄能调峰系统及方法，利用地表水库和地下水库的地势差采用抽水蓄能的方式实现对电站供电量调峰以保证其供电稳定性。在诸如西北部地区基本上都是煤炭主产区、金属矿主要分布区，由于其气候的特殊性以及煤炭开采的影响，在地表会形成多种能够储水的凹坑例如尾矿库、蒸发塘、天然或人工水体设施，由于降雨及汇流原因可以在其中形成积水区便可作为地表水库使用。而且在地下存在大量的金属矿井、废弃矿井、地下洞穴等形式的人工地下空间，这类地下空间具有一定的存储容量，可作为地下水库使用。因此，采用本发明提供的系统非常适用于这类地区，能够克服现有技术中蓄水调峰对于地势的严格要求。具有投资小、实现简便、电力输出稳定、能源转化率高、处理成本低的优势。

(2)本发明提供的发电蓄能调峰系统及方法，适用于煤炭开采区域，在煤炭开采区域会产生具有大容量的地表塌陷区，能够直接用作地表水库，而且能够收集煤炭开采过程中涌出的矿井水以及开采过程中使用的人工降尘用水和液压乳化液用水等作为水源存储于地下水库中，将这类矿井水用于蓄能发电，既能够解决现有电网供电不稳定的问题，同时还节约了大量水源，有利于水资源保护与利用的，能够高效利用煤矿地下水与矿井水。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述发电蓄能调峰系统的结构框图；

图2为本发明另一个实施例所述发电蓄能调峰系统的结构框图；

图3为本发明一个实施例所述发电蓄能调峰方法的示意图；

图4为本发明一个实施例所述净水设备的净水流程示意图；

图5为本发明一个实施例所述发电蓄能调峰系统应用于煤炭开采区域内的结构示意图；

图6为本发明一个实施例所述在两个水平的煤炭开采区域建造的发电蓄能调峰系统的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种发电蓄能调峰系统，如图1所示，包括地表水库100，水轮机200，地下水库300，水泵400，控制模块500。其中，控制模块500与电站600和电网700连接，其中的电站600可以是新能源发电的电站，也可以是其他发电形式或者多种发电形式组合的电站。

所述控制模块500，获取电站600的稳定输出电量及电网700的需求电量；当所述稳定输出电量超出所述需求电量设定阈值时输出蓄能信号，当所述需求电量超出所述稳定输出电量设定阈值时输出发电信号。所述控制模块500，其能够与电站600和电网700进行数据通信，在电站600中会设置有统计实时发电量的设备单元，在电网700中亦会有统计实时用电需求的设备单元，保证电站600和电网700的时间同步，控制模块500可同时获取到任意时刻电站的稳定发电量和电网的用电需求量。在控制模块500内部，可以通过预设程序或者预设硬件比较电路对电站的稳定发电量和电网的用电需求量进行比较。其中的设定阈值可以根据电站及电网的实际运行情况进行选择，例如选择为稳定输出电量的5％-10％。

所述地表水库100，其设置于地表上，在其底部开设有放水口，所述放水口处设置放水阀101；放水阀101的被控端与控制模块500的输出端通信连接，能够接收到控制模块500输出的信号。

所述水轮机200，其可以选定适当的位置进行设置，因为地表水库100和地下水库300在空间位置上是属于上下位置关系的，二者之间必然也会存在用于水流动的管路，管路可以为人工修建的管路。水轮机200可以设置在于地下水库300位于同一水平面的位置处，亦可以设置于管路中的任意位置处。水轮机200中有水流通过时带动其转动即可发电。水轮机200的进水口与所述地表水库100的放水口连通，发电端与所述电站600的发电端连接；所述放水阀101的被控端接收到所述发电信号后开启，地表水库100中的水释放，水经过所述水轮机200时带动水轮机200转动发电，进而为所述电站600补充电量；而地下水库300与所述水轮机200的出水口连通，可以承接水轮机200中释放的水。显然，当电站600发电量不足以支撑电网700的用电需求时，能够通过从地表水库100向地下水库300放水的方式驱动水轮机200发电以补充该用电缺口，从而保证电网用电高峰时的稳定性。

所述水泵400，其供电端与所述电站600的发电端连接，其第一端与所述地下水库300连通，其第二端与所述地表水库100连通，其被控端接收到所述蓄能信号后启动，将所述地下水库中的水抽送至所述地表水库中。具体地，所述水泵400其设置位置也可以根据实际地形来进行选择。优选水泵400设置于与地表水库100位于同一平面上即地表处，这样地下水库300只需要和水泵400之间设置一通路即可，水泵400选择大功率水泵，其启动后能够将地下水库300中的水抽至地表处，之后其出水口即可直接将水排至地表水库100中，如此能够简化地下水库300和地表水库100之间的联通管路的布置难度。显然，当电站600发电量超过支撑电网700的用电需求一定程度时，能够采用多余出来的发电量来驱动水泵400工作，将地下水库300中的水抽至地表水库100中进行蓄能，之后待电网700到达用电高峰且电站600的发电量不满足需求时在释放地表水库100中的水驱动水轮机200发电。

本实施例提供的上述方案，利用地表水库100和地下水库300的地势差采用抽水蓄能的方式实现对电站600供电量调峰以保证其供电稳定性。在诸如西北部地区基本上都是煤炭主产区、金属矿主要分布区，由于其气候的特殊性以及煤炭开采的影响，在地表会形成多种能够储水的凹坑例如尾矿库、蒸发塘、天然或人工水体设施，由于降雨及汇流原因可以在其中形成积水区便可作为地表水库100使用。而且在地下存在大量的金属矿井、废弃矿井、地下洞穴等形式的人工地下空间，这类地下空间具有一定的存储容量，可作为地下水库300使用。因此，采用本发明提供的系统非常适用于这类地区，能够克服现有技术中蓄水调峰对于地势的严格要求。具有投资小、实现简便、电力输出稳定、能源转化率高、处理成本低的优势。

实施例2

本实施例提供的发电蓄能调峰系统，如图2和图3所示，在前述方案的基础上还包括净水设备800，其进水口与所述地表水库100的排水口连通，其出水口与用水需求端连通，其供电端通过电控开关801与所述电站600的发电端连接；

所述控制模块500，获取电站600的不稳定输出电量，当所述不稳定输出电量达到预设值时输出启动信号；所述电控开关801，其被控端接收到所述启动信号或所述蓄能信号后导通，所述净水设备800启动，将所述地表水库100中的水净化后输送至所述用水需求端。其中，所述用水需求端可以为生活用水设备或者电厂用水设备或者电厂用水设备等。其中的净水设备800可以在地表处设置水处理站，将净水设备800放置于水处理站内。以上的预设值可以为净水设备800正常工作时所需要的电量值，为了保证稳定性，可以在该电量值的基础上乘以大于1的冗余系数。净水设备800可以为电化学水处理设备，其对于水的处理流程可以如图4所示。

上述方案中，净水设备800全部由发电不稳定时的不稳定电能和电网负荷低时弃掉的电能为水处理设施供能，极大的提高了能量的利用率。首先可以通过水泵抽取地表100中的水进入电凝聚反应池，在外加直流电压作用下利用可溶性阳极(铁或铝)生成Fe²⁺、Fe³⁺或A1³⁺等大量阳离子，这些离子与水中OH^-作用生成Fe(OH)₂、Fe(OH)₃、Al(OH)₃等沉淀物，这些沉淀物吸附、絮凝水中的污染物。同时，阴极上产生大量的氢气微气泡和阳极上产生大量的氧气微气泡，携带水中的胶体微粒、油污等共同上浮，在随后的沉淀池与过滤池中，将这些污染物从水中分离出来。过滤后的水进入电氧化装置，利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，和阳极反应产物(Cl₂、ClO^-、O₂等)间接的氧化作用，去除水中的有机物及还原性无机物氧化为无害物质，随后排入中间水池。中间水池出水经过精密过滤器进一步滤除水中的微小悬浮物及胶体后，再通过电吸附或电渗析技术降低水中溶解盐类及其它带电物质从而实现降低矿化度及实现净化的目的。处理后获得的水质优异的净水进入成品水池，最终供给矿区居民生活用水、电厂冷却水或者煤化工工艺用水等。

上述方案中，有效利用电站输出的不稳定电量和电网用电低峰时弃用的电量驱动净水设备800对地表水库100中的水进行净化处理，净化处理后的水能够供生活、发电、煤化工等不同领域内的用水需求端使用，不但提高了电能的利用率，也避免了水源的浪费。

实施例3

本实施例提供的发电蓄能调峰系统，其可应用于煤炭开采较为集中的地区，我国西北干旱区既是风能与太阳能丰富区，也是我国煤炭主产区。煤炭开采会破坏地下含水层，产生大量矿井水，大部分都是抽出地表外排，不但浪费了珍贵的水资源，还造成了一定的环境污染。近年来，随着西北矿区配套的电厂、煤化工项目逐年增加，对水资源的需求日益增加，而水资源紧缺问题严重制约了矿区社会与工农业的发展。矿井水作为矿区重要的水资源，处理后完全可以供给矿区生活、煤化工、电厂等使用。但由于矿井水含有悬浮物、COD、石油类、重金属、矿化度等污染物，造成处理成本较高，制约了矿井水的利用。

本实施例中的发电蓄能调峰系统，可以结合上述特殊地形进行设计，其中所述地表水库100由位于地表的塌陷区形成；煤矿开采会引起几平方公里至几十平方公里大面积的地面塌陷，塌陷深度在几米至数十米之间，很多塌陷区由于降雨及汇流等原因会自然形成积水区。很多塌陷区由于降雨及汇流等原因会自然形成积水区，这种情况下无需进行底部防渗处理，在未积水的塌陷区，则需进行底部铺设黄泥等防渗处理即可作为地表水库使用。在神东矿区的哈拉沟矿、石圪台矿和乌兰木伦矿，都利用垂直钻孔大量抽取井下采空区积水至地表供给生产生活使用，因此垂直钻孔技术是十分成熟的。

所述地下水库300基于煤炭开采后形成的地下采空区建成，位于与地表距离最近的第一开采水平上，其储存的水源包括煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水，其通过垂直钻孔与所述地表水库100的放水口连通；所述水泵400位于地表，其第一端通过垂直钻孔与所述地下水库300连通。其中地下水库的实现方式可采用分布式煤矿地下水库技术实现，该技术是神华集团的重要发明并已取得多项专利权，该技术对开采形成的采空区加以改建形成地下储水空间，将同一水平、不同水平，甚至矿区的多个煤矿地下储水空间通过人工通道连通，根据采煤生产接续计划，对矿井水进行分时分地储存，形成分布式的地下水库。在此基础上，构建了煤矿分布式地下水库建设和运行的技术体系，包括水库选址、设计、建设、安全、水质、调水及储水等技术。目前此技术已在神东矿区大规模应用，建成目前神东集团已建成30多座煤矿地下水库，储水总量超过3千万m³。

煤炭开采过程中，由于对含水层的破坏，会不断的有地下水从工作面、采空区、巷道等处的顶底板涌出，这些水再加上井下采煤过程中使用的降尘用水、液压乳化液用水等，一起构成了矿井水主要来源。矿井水经过简单收集后，通过管道全部从地下水库300的进水端注入，通过水库内破碎岩体和矸石的过滤、吸附与离子交换作用，矿井水中的悬浮物、COD(化学需氧量)等污染物能够有效去除。在地下水库300出水端，通过管路将出水口与水泵400连接。

上述方案克服了传统抽水蓄能发电的选址局限，使新能源丰富的西北干旱区也能利用煤矿矿井水资源及井下采空区建成抽水蓄能电站进行电网调峰。由于充分利用了现有条件，将地表采煤塌陷区、煤矿井下采空区改造成地表与地下水库，因此建设投资成本较低。

进一步地，所述地下水库300包括井下水库、地下泵和地下清水库；所述井下水库的第一进水口与所述水轮机200的出水口连通，第二进水口与所述水源(水源可以为被收集后的矿井水)的出口连通；所述地下泵的第一端与所述井下水库的出水口连通，第二端与所述地下清水库的进水口连通；所述地下清水库的出水口与所述水泵400的第一端连通。

上述方案中，在地下水处理时选择至少两个合适的采空区建设水库，一个建成普通的煤矿地下水库即井下水库，一个建成地下清水库。煤炭开采过程中，矿井水经过简单收集后通过管道全部从煤矿井下水库的进水端注入，通过水库内破碎岩体和矸石的过滤、吸附与离子交换作用，矿井水中的悬浮物、COD(化学需氧量)等污染物能够有效去除。在井下水库出水端，通过管路将出水口与井下泵连接，之后通过井下泵将洁净矿井水注入地下清水库中储存。最终，小部分地下清水库中的水在井下直接用于井下降尘洒水、消防用水等；而大部分地下清水库中的水在蓄能阶段被水泵提升至地表水库中，多余部分可用于工业与生态用水。如地下清水库净化效果达不到要求，还可通过在井下增加水处理设备，对矿井水进一步处理。

需要说明的是，在煤炭开采过程中，会形成多个开采水平，在每一开采水平上均可以建造水库、清水库，具体地可以根据地表塌陷区的存储容量、每一开采水平上水库的存储容量进行设计建造，使得塌陷区的存水容量与地下各个水库的存水容量相匹配。因此，在上述方案的基础上，所述系统还可以包括N级扩展水库，不同扩展水库分别位于所述第一开采水平下方的不同开采水平上；其中：n级扩展水库包括n级水轮机、n级井下水库、n级泵和n级地下清水库，n级井下水库中储存的水源包括煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水，n级泵的被控端接收到所述蓄能信号后启动，n为整数且1≤n≤N；当n为1时，n级水轮机的进水口与所述水轮机的附加出水口连通，n级水轮机的出水口与n级井下水库连通，n级泵的第一端与n级井下水库连通，n级泵的第二端与n级地下清水库连通，n级地下清水库与所述地下泵的附加进水口连通；当n不为1时，n级水轮机的进水口与(n-1)级水轮机的附加出水口连通，n级水轮机的出水口与n级井下水库连通，n级泵的第一端与n级井下水库连通，n级泵的第二端与n级地下清水库连通，n级地下清水库与所述(n-1)泵的附加进水口连通。

结合图5和图6，以两个水平中建立水库为示例进行详细说明。如图6所示，地表水库100采用塌陷区形成的水库即可，本实施例中塌陷区水库储水库容为300万m³。煤炭资源开采后，会形成体积庞大的地下采空区，采空区上覆岩层的原始应力平衡状态受到破坏，依次发生冒落、断裂、弯曲等移动变形，最终在地表形成一个比采空区面积大得多的近似椭圆形的下沉盆地，称为采煤塌陷区，一般面积都在几平方公里至几十平方公里，塌陷深度多在几米至十几米之间。很多塌陷区由于降雨及汇流等原因会自然形成积水区，这种情况下无需进行底部防渗处理，在未积水的塌陷区，则需进行底部铺设黄泥等防渗处理。在计算塌陷区水库库容时，由于塌陷区为近似椭圆形的下沉盆地，在塌陷中心区塌陷深度为5m时，约需1.2km²的塌陷区可形成300m³的库容，而当塌陷中心区塌陷深度为10m时，则仅需约0.6km²的塌陷区即可。

在塌陷区的边缘分别建造泵房和水处理站，水泵400设置于泵房内部，净水设备800设置于水处理站之内。水泵400其可以配置一个出水口用于为工业用水、生态用水等设备提供水源。所述净水设备800其可以为生活用水、煤化工用水、电厂用水等提供水源。在煤炭开采区域，新能源如光能、风能比较丰富，因此电站600可以包括光伏电站601和风力发电站602，电网700通过这两个发电站获得电能。由于地质与成煤过程的因素，煤矿一般都具有多个煤层，煤层之间一般都有几米至几百米的垂直距离，为了将尽可能多的煤层开采出来，一般都需要在不同地下深度设置多个开采水平。煤矿地下水库相关技术属于中国神华能源股份有限公司的专利技术。该技术将同一水平、不同水平，甚至矿区的多个煤矿采空区改造成地下储水空间，并通过人工通道连通，形成分布式的地下水库，可以存储大量的矿井水。目前神东矿区已建成30多座煤矿地下水库，储水总量超过3千万m³，平均每个地下水库储水约100万m³。本实施例中地下清水库位于地下-400m的开采一水平，可储水库容为120万m³。地下清水库的实现技术与煤矿地下水库基本一致，但清水库最好选择底板防渗水性好、受地表渗漏及其他含水层补给影响较小采空区。因此扩展水库可以包括一级，位于第二开采水平上，如上所述，其还可以在第三水平面、第四水平面上建立扩展水库，其原理与本实施例中实现原理相同。

另外，对于每一水库来说，其容量都有上限，如果超过水库的容量上限(尤其是地下水库的水超过容量上限时)可能会带来安全隐患。在此基础上，需要对每一水库的容量进行监控并根据每一水库的容量对其内部的水的流动方向进行调节。因此，上述系统中还可以包括计量模块，用于测量所述地下水库中的储水量，并输出与所述储水量对应的计量信号；所述控制模块，接收所述计量模块输出的所述计量信号，当所述计量信号大于预设计量信号阈值时输出蓄能信号。也就是说，即便是当前正在处于发电状态，地表水库的水正在向地下水库中转移进而驱动水轮机发电，但是如果此时地下水库中的水容量过大，还需要同时将地下水库中的水向地表水库中转移以保证地下水库中的水容量在安全范围内，由此形成了一个循环，既能够保证电网获得电量的稳定性，又能够保证地下水库的安全性。

实施例2

本实施例提供一种利用实施例1中的发电蓄能调峰系统执行的发电蓄能调峰方法，包括如下步骤：

蓄能步骤：控制模块在电站的稳定输出电量超出电网的需求电量设定阈值时输出蓄能信号启动水泵，同时利用电网弃用的稳定输出电量驱动所述水泵将地下水库中的水提升至地表水库中；

发电步骤：控制模块在电网的需求电量超出稳定输出电量设定阈值时输出发电信号开启地表水库放水口处的防水阀，地表水库中的水排至水轮机的进水口带动水轮机转动发电补给电网使用，之后水经水轮机的出水口与进入地下水库中储存。

以图6中所示的系统为例进行说明。蓄能步骤中，电网700用电负荷低时，电力需求降低，但光伏电站601、风力发电站602发电并不停止，电网700就会弃用这部分电能。此时，利用这部分电能驱动地面水泵房内的水泵400，利用联通地表与井下清水库303的垂直钻孔从井下清水库303内抽水排入地表水库100内，达到蓄能的目的。同时，电网700弃用的电力也驱动位于井下一水平泵房内的大功率的井下泵302运行，将二水平煤矿井下水库802中的水抽出，通过垂直钻孔将水提升并送入一水平地下清水库303内，达到蓄能并补充地下清水库库存的目的。

发电步骤中，电网700用电负荷高时，新能源发电无法满足电网电力需求，此时将地表水库100底部的阀门打开，通过垂直钻孔放水至井下一水平水轮机房中，带动水轮机200运行发电补给电网700使用，发电后的水一半排入一水平井下水库301中，另一半通过连接一水平与二水平水轮机房的垂直钻孔放水至二水平水轮机房，带动一级水轮机301运行发电补给电网使用。随后这部分水排入二水平井下水库802中。至此，发电步骤完成。图6中所示的情况，在一级扩展水库中未将清水库区分开来，在实际应用时其可以如同地下水库一样，设置一级清水库并且一级清水库一级井下水库之间通过一级井下泵了连接。

本实施例中塌陷区水库库容300万m³，两个地下水库分别位于井下-400m和-500m，理论上可蓄存1.35×10⁷MJ的能量，相当于一个常规的30MW的光伏电站按照日照时间12小时满负荷发电10天产生的能量，完全可以满足新能源蓄能调峰的需要。

在以上方案的基础上，发电蓄能调峰方法还包括：水处理步骤：控制模块在电站的不稳定输出电量达到预设值时输出启动信号；电控开关在接收到控制模块输出的蓄能信号后导通，利用电网弃用的稳定输出电量驱动净水设备对地表水库中的水处理，将处理后的水输送至用水需求端；或者，电控开关在接收到控制模块输出的启动信号后导通，利用电站的不稳定输出电量驱动净水设备对地表水库中的水处理，将处理后的水输送至用水需求端。

在地面，水处理站工艺流程见图4。本实施例的水处理站处理能力为2000m³/h，满负荷运行时每小时耗电量40MW，主要采用新能源发电不稳定时和电网负荷低时弃用的新能源电力供能。首先通过水泵抽取塌陷区水库中的水进入电凝聚反应池处理，随后依次经过沉淀与过滤工艺后进入电氧化装置处理。随后，电氧化处理后的水排入中间水池暂存。中间水池出水经过精密过滤器过滤后，再利用电吸附或电渗析工艺进一步净化水质及降低矿化度。最终获得水质优异的净水供给矿区居民生活用水、电厂冷却水或者煤化工工艺用水等。

进一步地，上述方法中还包括地下水处理步骤：在开采煤炭过程中，在与地表距离最近的第一开采水平上建造井下水库和地下清水库；煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水进入井下水库，经井下水库内的岩体和矸石的过滤、吸附与离子交换作用后去除水中杂质，地下泵将井下水库中去除杂质的水源抽送至地下清水库。在井下，矿井水经过简单收集后，通过管路全部注入一水平煤矿地下水库和二水平煤矿地下水库中，通过地下水库内破碎岩体的过滤、吸附与离子交换作用，矿井水中的悬浮物、COD(化学需氧量)等污染物能够有效去除。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种发电蓄能调峰系统，其特征在于，包括：

控制模块，获取电站的稳定输出电量及电网的需求电量；当所述稳定输出电量超出所述需求电量设定阈值时输出蓄能信号，当所述需求电量超出所述稳定输出电量设定阈值时输出发电信号；

地表水库，底部开设有放水口，所述放水口处设置放水阀；

水轮机，其进水口与所述地表水库的放水口连通，发电端与所述电站的发电端连接；所述放水阀的被控端接收到所述发电信号后开启，所述水轮机为所述电站补充电量；

地下水库，其位于所述地表水库下方，与所述水轮机的出水口连通；

水泵，其供电端与所述电站的发电端连接，其第一端与所述地下水库连通，其第二端与所述地表水库连通，其被控端接收到所述蓄能信号后启动，将所述地下水库中的水抽送至所述地表水库中。

2.根据权利要求1所述的发电蓄能调峰系统，其特征在于，还包括：

净水设备，其进水口与所述地表水库的排水口连通，其出水口与用水需求端连通，其供电端通过电控开关与所述电站的发电端连接；

所述控制模块，获取电站的不稳定输出电量，当所述不稳定输出电量达到预设值时输出启动信号；

所述电控开关，其被控端接收到所述启动信号或所述蓄能信号后导通，所述净水设备启动，将所述地表水库中的水净化后输送至所述用水需求端。

3.根据权利要求1所述的发电蓄能调峰系统，其特征在于：

所述地表水库由位于地表的塌陷区形成；

所述地下水库基于煤炭开采后形成的地下采空区建成，位于与地表距离最近的第一开采水平上，其储存的水源包括煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水，其通过垂直钻孔与所述地表水库的放水口连通；所述水泵位于地表，其第一端通过垂直钻孔与所述地下水库连通。

4.根据权利要求3所述的发电蓄能调峰系统，其特征在于：

所述塌陷区底部铺设有防渗层。

5.根据权利要求4所述的发电蓄能调峰系统，其特征在于：

所述地下水库包括井下水库、地下泵和地下清水库；所述井下水库的第一进水口与所述水轮机的出水口连通，第二进水口与所述水源的出口连通；所述地下泵的第一端与所述井下水库的出水口连通，第二端与所述地下清水库的进水口连通；所述地下清水库的出水口与所述水泵的第一端连通。

6.根据权利要求4所述的发电蓄能调峰系统，其特征在于，还包括N级扩展水库，不同扩展水库分别位于所述第一开采水平下方的不同开采水平上；其中：

n级扩展水库包括n级水轮机、n级井下水库、n级泵和n级地下清水库，n级井下水库中储存的水源包括煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水，n级泵的被控端接收到所述蓄能信号后启动，n为整数且1≤n≤N；

当n为1时，n级水轮机的进水口与所述水轮机的附加出水口连通，n级水轮机的出水口与n级井下水库连通，n级泵的第一端与n级井下水库连通，n级泵的第二端与n级地下清水库连通，n级地下清水库与所述地下泵的附加进水口连通；

当n不为1时，n级水轮机的进水口与(n-1)级水轮机的附加出水口连通，n级水轮机的出水口与n级井下水库连通，n级泵的第一端与n级井下水库连通，n级泵的第二端与n级地下清水库连通，n级地下清水库与所述(n-1)泵的附加进水口连通。

7.根据权利要求1-6任一项所述的发电蓄能调峰系统，其特征在于，还包括：

计量模块，用于测量所述地下水库中的储水量，并输出与所述储水量对应的计量信号；

所述控制模块，接收所述计量模块输出的所述计量信号，当所述计量信号大于预设计量信号阈值时输出蓄能信号。

8.一种利用权利要求1-7中任一项所述发电蓄能调峰系统执行的发电蓄能调峰方法，其特征在于，包括：

蓄能步骤：控制模块在电站的稳定输出电量超出电网的需求电量设定阈值时输出蓄能信号启动水泵，同时利用电网弃用的稳定输出电量驱动所述水泵将地下水库中的水提升至地表水库中；

发电步骤：控制模块在电网的需求电量超出稳定输出电量设定阈值时输出发电信号开启地表水库放水口处的防水阀，地表水库中的水排至水轮机的进水口带动水轮机转动发电补给电网使用，之后水经水轮机的出水口与进入地下水库中储存。

9.根据权利要求8所述的发电蓄能调峰方法，其特征在于，还包括：

水处理步骤：控制模块在电站的不稳定输出电量达到预设值时输出启动信号；

电控开关在接收到控制模块输出的蓄能信号后导通，利用电网弃用的稳定输出电量驱动净水设备对地表水库中的水处理，将处理后的水输送至用水需求端；或者，

电控开关在接收到控制模块输出的启动信号后导通，利用电站的不稳定输出电量驱动净水设备对地表水库中的水处理，将处理后的水输送至用水需求端。

10.根据权利要求8或9所述的发电蓄能调峰方法，其特征在于，还包括：

地下水处理步骤：在开采煤炭过程中，在与地表距离最近的第一开采水平上建造井下水库和地下清水库；煤炭开采过程中涌出的地下水和煤炭开采过程中的使用水进入井下水库，经井下水库内的岩体和矸石的过滤、吸附与离子交换作用后去除水中杂质，地下泵将井下水库中去除杂质的水源抽送至地下清水库。