CN111287918A - 一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统 - Google Patents
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Abstract
一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，提供了一种更加经济的新能源储能系统和采矿后废弃矿井井筒、矸石的二次利用系统。基于废弃矿井的具体开拓情况，利用废弃矿井井筒充当储能通道，在主、副井之间建立不同标高的地下车场，并根据相应的高差和车场数设置罐笼个数，一边通道的罐笼个数等于地下车场的个数，且各罐笼间上升下降的高差始终相等。该系统包括废弃主、副井改建的储‑放能通道，上部出地面与相应设备相连接，下部与各地下车场相连接，利用联络巷连接各个通道和车场；储能时，提升系统将低位车场中的矿车提升至上位车场；放能时，将上位车场的矿车下放至低位车场。通过中央控制室集中控制矿车矸石的装载量和罐笼间的传递量实现梯度重力储能和放能；此外，各个罐笼间设置有缓冲弹簧，减小钢丝绳意外断裂的能量冲击。该系统在综合利用废弃矿井井筒和矸石的基础上，解决了新能源的电力储能问题，为后采矿废弃矿井和即将退出产能的矿井，提供了转型参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，是一种新能源储能技术和采矿后废弃井筒、矸石再利用技术。
背景技术
世界新能源发展非常迅速，近几年风、光能迅速成为我国重要的可再生能源，在满足能源需求的同时，能改善能源结构，减少环境的污染。但是由于此类间歇性可再生能源存在随机性和波动性，随时间、季节及气候的变化影响较大，且此类能源与电力负荷需求存在不平衡问题，会引起电网波动，因此随着这些能源的发电设备容量在电网中比重的增加，会严重影响电力系统的稳定性，从而限制能直接接入电网的电量。
重力是地球最富有的能量源头，重力储能是最简单的一种储能方式，其原理是以重力造成的位能来储存能源。当电力有多余的时候，驱动马达将重物吊至高处，需要电力的时候，再利用重物下降的力量来驱动发电机发电。具有原理简单、使用寿命长、成本低等优点。但目前的重力储能系统能量密度低，建设规模过大，重力储能所需的高塔平均在百米以上，而其输出功率仅相当于一个同等高度的风力发电机。
近几年，随着我国煤炭工业的发展，在煤炭资源的开采过程中，伴随着一种固体废弃物煤矸石的产生，大约占煤年产量的15％。大量的煤矸石的堆积不但会造成水体、空气和土壤的污染而且还会侵占大量土地面积，另外，煤矸石中含有FeS2，易自燃造成森林火灾等自然灾害事故。
随着我国去产能的深入推进，到2018年底，我国煤矿数量由1.4万多处减少到5800处左右，到2030年废弃矿井数量将达到1.5万处，废弃矿井将产生大量废弃井筒。此外，许多未取得勘探成果而被封堵处理的探井，井口简易闸门、井口帽易遭受被不法分子盗窃和破坏，导致被封堵的油、气、水渗出并流出井口，极易造成环境污染等事故。
结合废弃井筒、矸石再利用和新能源储能问题，提出一种利用废弃矿井井筒和矸石实现重力储能的储能系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种更加环保经济的重力储能系统，利用废弃矿井井筒充当储能通道，解决废弃矿井井筒带来的潜在危险，使矸石得到二次利用，减少重力储能初期投入成本，实现重力储能的绿色、可持续发展。
本发明实现的过程包括：一、利用废弃矿井井筒间的地下空间建立梯度地下车场。二、将矿车装满矸石。三、在井底车场放置已装满矸石的矿车。四、根据地下车场高差安装罐笼。五、利用风能、光伏等新能源产生的多余电能，根据需存电量的多少，通过井筒提升系统将井下适量的低位装满矸石的矿车提升至合适的高位车场或地面车场。六、利用高差，将地面装满矸石的矿车或地下高位装满矸石的矿车，根据所需发电量的大小，通过井筒提升装置下落至合适高度的地下车场。
循环步骤五、六可实现存-放能循环。
本发明可根据废弃井筒的具体情况，利用主、副井建立合适的梯度地下车场，设置合适的矸石装载量，实现能量的分级转换。
该系统利用重力实现能量的转换，相比于其他储能系统，更加环保，原理更加简单，容易实现。同时，由于该系统采用物理介质储存能量，所以其储能效率更高，使用寿命更长，且不需要像抽水蓄能电站那样对选址有较高要求，所以其建设成本和度电成本较低。
与传统重力储能系统相比，该系统减少了重力储能系统的初期投资，扩大了重力储能系统的适用范围。且该系统在解决新能源储能问题的同时，综合利用了废弃矿井的井筒和矸石。既降低了新能源储能的初期成本，又实现了废弃矿井井筒和矸石的二次利用。
附图说明
图1是一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统示意图。
图1中各数字分别表示：1-井架；2-地面车场及中央控制室；3-发电电动一体机；4-通道1；5-通道2；6-罐笼；7-缓冲弹簧；8-缓冲水；9-联络巷1；10-地下车场1；11-装载矸石的矿车；12-地下车场2；13-井底车场；14-联络巷2；15-井底联络巷；16-钢丝绳。
具体实施方式
工程实例：根据相应地质条件和矿井开拓情况，如图1所示建立该系统。
第一步：根据需、用电量大小设置不同矸石装载量的矿车。
第二步：当风能、光能产生多余电能时，将多余的电能经过变压器启动井筒提升系统，将井底车场中的矿车提升至2号地下车场，2号地下车场的矿车提升至1号地下车场，1号地下车场的矿车提升至地面车场；可根据多余能量的多少选择适当重量的矿车和罐笼的转运量。
第三步：当风能、光能发电不能满足用电需求时，通过井筒提升系统，将地面车场的矿车下放至1号地下车场，1号地下车场的矿车下放至2号地下车场，2号地下车场的矿车下放至井底车场，利用高差使矿车产生的重力势能带动发电机发电，同样可根据需要电量的多少选择适合重量的矿车和罐笼的转运量。
第四步：重复循环二、三步即可实现重力储能。
可根据具体情况，通过中央控制室选择一边储能、放能，两边同时储能或放能。
该系统的储放能大小取决于地下和地面车场的大小、矿车的数量和矿车的重量；储放能速度主要取决于井筒的提升系统。
若钢丝绳意外断裂，该系统井底设置有15～20m缓冲水，且各罐笼之间设置有缓冲弹簧，用以缓冲能量冲击。
Claims (5)
1.一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，其特征在于：根据废弃矿井开拓情况，利用废弃矿井井筒(4、5)充当储能通道，在主、副井之间建立不同标高的地下车场(10、12、13)，并根据相应的高差和车场数设置罐笼个数，一边通道的罐笼个数等于地下车场的个数。所述通道(1)上部出地面与相应设备相连接，下部与各地下车场相连接；所述通道(1)与通道(2)之间通过联络巷(9、14、15)相连接，且可共用车场(2、10、12、13)；储能时，提升系统将井底车场(13)中的矿车提升至2号地下车场(12)，2号地下车场(12)的矿车提升至1号地下车场(10)，1号地下车场的矿车提升至地面车场(2)；放能时，将地面车场(2)的矿车下放至1号地下车场(10)，1号地下车场(10)的矿车下放至2号地下车场(12)，2号地下车场(12)的矿车下放至井底车场(13)。通过中央控制室控制矿车(11)矸石的装载量和罐笼(6)间的传递量实现梯度重力储能和放能，由此实现整个系统的运行。
2.根据权利要求1所述的一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，其特征是：充分利用废弃矿井的开拓情况可选择增加或减少通道(4、5)和车场(10、12、13)的数量和高差。
3.根据权利要求1所述的一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，其特征是：各罐笼间上升下降的高差始终相等。
4.根据权利要求1所述的一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，其特征是：各个罐笼间设置有缓冲弹簧，减小钢丝绳意外断裂的能量冲击。
5.根据权利要求1所述的一种后采矿废弃井筒矸石梯度重力储能系统，其特征是：矿车重量利用矸石量调控，由此达到矸石的循环利用。
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