CN109665430A - 一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，包括井架天轮、钢丝绳绞盘、电动发电一体机和控制系统，井架位于井筒井口的正上方，井架天轮设置在井架上，罐笼运行在在井筒装备罐道上，并能够沿着井筒装备罐道上下移动，罐笼与钢丝绳的一端连接，钢丝绳的另一端卷绕在钢丝绳绞盘上，钢丝绳绞盘与电动发电一体机通过机械传动机构连接，且电动发电一体机通过变压器与电网连接；井口操车设备、井底操车设备用于矿车转载、运输至罐笼上，控制系统用于控制井口操车设备、井底操车设备以及电动发电一体机的工作状况。本发明特别适宜在废弃矿井立井井筒及即将退出关闭矿井的再利用。
Description
技术领域
本发明属于能量储存技术领域，具体涉及一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统。
背景技术
目前已有的电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能，电解水储能、超导磁能和超级电容等。其中抽水储能技术最为典型，抽水储能方式储能容量大，响应速度较快，因而应用较广泛。但是建设抽水储能电站需要特殊的地理条件，建设两个水库和水坝，建设周期长，初期投资巨大，并且只能建设在有水源的地方，能量转换效率一般(约70％)。
现有技术例如专利文献CN201599160U提出了一项通过提升标准化重块实现储蓄重力势能的方案。该方案需要大型支撑柱结构，并采用滑轮和拉索实现重物升降。该方案占地相对不多，理论上效率可达90％，并可用于缺水地区。然而，该方案将标准化重块安装在支撑装置上，对立柱、拉索等部件的材质和结构设计要求过高，安全系数低，存在较大的运行风险。
现有技术中的先进电力机车(例如和谐3D型电力机车)可以利用下坡进行再生发电，但是要求倾斜铁轨为平缓的直线或曲线。这是因为轮轨接触粘着系数较低，无法提供在陡坡行驶时需要的驱动力。根据现有电力机车技术，本领域熟练的技术人员可能想象出：选取坡度较小(例如小于5°)、坡距长(例如5公里)的地理环境，运行与电网相连的专用电力机车，进行大量重物的往返搬运实现储电和释能。例如，在倾斜铁轨上空架设电接触网或者在倾斜铁轨旁边铺设导电轨，并在电力机车上安装受电弓和牵引发电两用电机。本领域熟练的技术人员还可能进一步想象出：通过铺设两条平行倾斜铁轨实现循环作业，通过增加机车数量和车皮数量提高能量密度。但是该方案占用有用土地面积大，地理条件约束较多，工程量大，而且总效率不高(单程约80％，双程约60％)，维护成本高，因此实用价值有限。更熟练的技术人员还可能进一步想象出：在下滑行程前段不做制动，而仅在下滑倾斜铁轨末段直线段设置阻拦索，通过阻拦索制动将动能转换得到电能，则总效率可以获得提高至约70％，但是系统复杂程度高。
发明内容
本发明的目的是为解决公知技术中存在的技术问题，提供了一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，该系统效率较高、成本低以及安全系数较高。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，包括钢丝绳，矿车，设置在井口平台上的井口操车设备、井架、变压器和电力提升和发电装置，设置在井筒内的井筒装备罐道和罐笼，以及设置在井底车场及硐室内的井底车场平台上的井底操车设备；其中，
电力提升和发电装置包括井架天轮、钢丝绳绞盘、电动发电一体机和控制系统，井架位于井筒井口的正上方，井架天轮设置在井架上，罐笼运行在在井筒装备罐道上，并能够沿着井筒装备罐道上下移动，罐笼与钢丝绳的一端连接，钢丝绳的另一端卷绕在钢丝绳绞盘上，钢丝绳绞盘与电动发电一体机通过机械传动机构连接，且电动发电一体机通过变压器与电网连接；
井口操车设备用于将井口平台上的矿车转载、运输至罐笼上，井底操车设备用于将井底车场平台上的矿车转载、运输至罐笼上，控制系统用于控制井口操车设备、井底操车设备以及电动发电一体机的工作状况。
本发明进一步的改进在于，钢丝绳绞盘与电动发电一体机连接的机械传动机构为齿轮传动或者皮带传动。
本发明进一步的改进在于，罐笼自重为10t，其配重为60t。
本发明进一步的改进在于，在井筒装备罐道井口与井底均设有防缓冲装置。
本发明进一步的改进在于，井筒装备罐道井底的防缓冲装置为10-15m高的水。
本发明进一步的改进在于，井筒装备罐道井底还设置有抽水泵。
本发明进一步的改进在于，还包括设置在井口平台上的机修车库厂房。
本发明进一步的改进在于，还包括蓄电池机车，其用于将矿车运到井口操车设备或井底操车设备上。
本发明进一步的改进在于，电力提升和发电装置的数量为4套，且两两对称设置。
本发明进一步的改进在于，工作时，将矿车顶推至对应的操车设备上，再通过操车设备将矿车推至罐笼内，罐笼及矿车利用井筒装备罐道作为重物下滑轨道，带动钢丝绳绞盘转动，再通过机械传动带动电动发电一体机发电；储能时，电动发电一体机通过变压器从电网获得电力，而发电时，将电动发电一体机生成的电力经变压器输入电网。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，充分利用废弃或要退出的矿井的立井提升系统、永久井架、天轮、井筒及装备、井底车场及硐室(井底煤仓)、井口、井底操车设备等。进而达到能量循环效率高，可实现电力均匀输出。整个过程主要包括电动机提升重物、重物下降拖动发电机发电两个动作。电机技术成熟，提升效率可以达到95％，下降发电效率可以达到92％，系统总体效率可以达到91％，扣除搬运设备耗电，也可以达到接近85％，远高于抽水电站的70％。通过多个罐道系统间歇下放重物，并对下放速度进行规划，可实现电力的均匀输出。
进一步，运营过程无污染，能量长期保存无损失，没有电池蓄电的环境污染和寿命次数问题。
综上所述，本发明利用废弃矿井立井井筒井口与井底车场水平的高差和矿车标准化重块重力势能进行储能和发电，通过机械运动方式提升标准化重块的矿车进行电力储能，可有效克服现有抽水蓄能技术和电力机车蓄能技术效率低、成本较高、占地面积大等问题。本发明特别适宜在废弃矿井立井井筒及即将退出关闭矿井的再利用。
附图说明
图1为本发明一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、井口平台，2、井底车场平台，3、井口操车设备，4、井底操车设备，5、井筒装备罐道，6、井架，7、井架天轮，8、钢丝绳，9、矿车，10、机修车库厂房，11、井底车场及硐室，12、钢丝绳绞盘，13、电动发电一体机，14、控制系统，15、变压器，16、井筒，17、水，18、罐笼，19、蓄电池机车。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，本发明提供的基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，该系统包括井口平台1、井底车场平台2、井口操车设备3、井底操车设备4、井筒装备罐道5、井架6、井架天轮7、钢丝绳8、具有配重的等重矿车(以下简称矿车9)、机修车库厂房10、井底车场及硐室11、钢丝绳绞盘12、电动发电一体机13及控制系统14、变压器15、井筒16、缓冲断绳后能量的水17、罐笼18以及蓄电池机车19。本发明利用地面机修车库厂房10等大型厂房和井底车场及硐室11作为矿车9的储存空间、通过蓄电池机车19利用地面环形车场将矿车9顶推至操车设备上，再通过操车设备将矿车9推至罐笼18内，罐笼18及矿车9利用井筒装备罐道5作为重物下滑轨道，带动钢丝绳绞盘12转动，再通过机械传动带动电动发电一体机13发电。
一般矿井立井井筒至少设置1套提升系统，对应就是2套独立的发电机组系统，现在大型立井有的甚至设置两套提升系统，对应的就是4套独立的发电机组系统。
每套电力提升和发电装置包括罐笼18、配重矿车9、钢丝绳8、井架天轮7、钢丝绳绞盘12和电动发电一体机13，罐笼18运行在井筒装备罐道5上，并与钢丝绳8的一端连接，钢丝绳8的另一端卷绕在钢丝绳绞盘12上，钢丝绳绞盘12安装在井口，钢丝绳绞盘12与电动发电一体机13通过机械传动机构连接；控制系统14控制转载、运输罐笼设备以及电动发电一体机13的工作状况。
在井筒装备罐道5井口与井底均设有防缓冲装置，井底注入10-15m高的水17，用以断绳缓冲能量用，井底配备抽水泵。
实施例1
请参阅图1，本发明提供的基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，包括井口平台1、井底车场平台2、井口操车设备3、井底操车设备4、井筒装备罐道5、井架6、井架天轮7、钢丝绳8、具有配重的等重矿车(以下简称矿车9)、机修车库厂房10、井底车场及硐室11、钢丝绳绞盘12、电动发电一体机13及控制系统14、变压器15、井筒16、水17、罐笼18及蓄电池机车19。具有同等配重的矿车9停放在井口平台1附近和井底车场平台2附近上，井口平台1和井底车场平台2上分别设有转载、运输，在井口平台1和井底车场平台2之间的利用井筒装备罐道5作为重物下滑轨道，设有一套电动发电一体机13。
在井口平台1附近安装有钢丝绳绞盘12和电动发电一体机13。钢丝绳绞盘12上卷有钢丝绳8，钢丝绳8的一端固定在罐笼18上，电动发电一体机13通过齿轮传动或者皮带传动等方式与钢丝绳绞盘12相连，驱动钢丝绳绞盘12转动，进而拖动罐笼18上行。罐笼18自重一般在10t左右、配重60t。
电动发电一体机13为可发电的发电电动一体机，依靠电子技术自动实现发电模式和电力拖动模式的切换。当罐笼18依靠重力下滑时，钢丝绳8的拉力带动电动发电一体机13的转轴转动实现发电。电动发电一体机13具有连续调速能力，可以在较大的转速范围内输出恒定力矩，也可以在较大的转速范围内发电。储能系统通过变压器15从电网获得电力，而发电时将电动发电一体机13生成的电力经变压器15或其它方式输入电网。
该系统还包括一个控制系统14，包括主控计算机和安装在电动发电一体机上的传感器，用以实现储能系统的调度和自动化运行。系统通过有线或者无线通信方式获取电网供电需求量、罐笼和井口、井下平台中各个设备的位置和速度等状态等信息，根据上述信息规划和控制罐笼18与搬运设备的速度和目标位置。
本实施例的工作流程为：在夜间电力波谷时段，井底车场及硐室11里的具有配重的矿车9通过蓄电池机车19运到井底操车设备4，矿车9再由井底操车设备4装载至罐笼18上，电动发电一体机13拖动罐笼18上行至井口，由井口操车设备3将矿车运至井口轨道上。通过蓄电池机车19，将其运至地面机修车库厂房10内。在白天电力波峰时段，上述作业按照反方向运行。
例如在800m深的立井井筒，四套提升发电机组，每次两两进行交替发电，设置1000个15吨标准化矿车作为配重块。为了避免对电网产生冲击，需要合理地规划罐笼的速度曲线，实现较平滑的电力输入输出。假设储能系统在用电波谷时段储电8个小时，用电高峰时段对外供电8小时。即8小时提升或下放全部配重体矿车，每个罐笼各需125次往返，一次往返的时间为3分钟50秒，即四个罐笼两两进行交替储能。对应的，在发电阶段，两个罐笼进行交替发电，以保证持续发电。根据现有技术水平，上述时间指标具有可行性，此外根据需要可以配备超级电容等设备实现电力输入输出的平滑。
Claims (10)
1.一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，包括钢丝绳(8)，矿车(9)，设置在井口平台(1)上的井口操车设备(3)、井架(6)、变压器(15)和电力提升和发电装置，设置在井筒(16)内的井筒装备罐道(5)和罐笼(18)，以及设置在井底车场及硐室(11)内的井底车场平台(2)上的井底操车设备(4)；其中，
电力提升和发电装置包括井架天轮(7)、钢丝绳绞盘(12)、电动发电一体机(13)和控制系统(14)，井架(6)位于井筒(16)井口的正上方，井架天轮(7)设置在井架(6)上，罐笼(18)运行在在井筒装备罐道(5)上，并能够沿着井筒装备罐道(5)上下移动，罐笼(18)与钢丝绳(8)的一端连接，钢丝绳(8)的另一端卷绕在钢丝绳绞盘(12)上，钢丝绳绞盘(12)与电动发电一体机(13)通过机械传动机构连接，且电动发电一体机(13)通过变压器(15)与电网连接；
井口操车设备(3)用于将井口平台(1)上的矿车(9)转载、运输至罐笼(18)上，井底操车设备(4)用于将井底车场平台(2)上的矿车(9)转载、运输至罐笼(18)上，控制系统(14)用于控制井口操车设备(3)、井底操车设备(4)以及电动发电一体机(13)的工作状况。
2.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，钢丝绳绞盘(12)与电动发电一体机(13)连接的机械传动机构为齿轮传动或者皮带传动。
3.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，罐笼(18)自重为10t，其配重为60t。
4.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，在井筒装备罐道(5)井口与井底均设有防缓冲装置。
5.根据权利要求4所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，井筒装备罐道(5)井底的防缓冲装置为10-15m高的水(17)。
6.根据权利要求5所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，井筒装备罐道(5)井底还设置有抽水泵。
7.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，还包括设置在井口平台(1)上的机修车库厂房(10)。
8.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，还包括蓄电池机车(19)，其用于将矿车(9)运到井口操车设备(3)或井底操车设备(4)上。
9.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，电力提升和发电装置的数量为4套，且两两对称设置。
10.根据权利要求1所述的一种基于矿井立井筒、提升、运输系统的重力储能系统，其特征在于，工作时，将矿车(9)顶推至对应的操车设备上，再通过操车设备将矿车(9)推至罐笼(18)内，罐笼(18)及矿车(9)利用井筒装备罐道(5)作为重物下滑轨道，带动钢丝绳绞盘(12)转动，再通过机械传动带动电动发电一体机(13)发电；储能时，电动发电一体机(13)通过变压器(15)从电网获得电力，而发电时，将电动发电一体机(13)生成的电力经变压器(15)输入电网。
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