CN113464345A - 一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，包括地表中枢供电单元、压缩空气储能单元、抽水蓄能单元，以及第一涡轮发电机与第二涡轮发电机；其中，压缩空气储能单元中的空气压缩机及高压气泵在地表中枢供电单元的驱动下，将高压气体储存于高压储气巷道内，实现地表中枢供电单元吸纳的可再生能源转化为压缩空气储能；抽水蓄能单元中的抽水电动机在地表中枢供电单元的驱动下，将地下储水库内的水提取至地表水库，实现地表中枢供电单元吸纳的可再生能源转化为重力势能；最后通过涡轮发电机将压缩空气储能及重力势能转化为电能输出。与现有技术相比，本发明具有较高的经济性与储能效率，并为废弃矿井的再利用提供了一种新途经。

Description

一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统
技术领域
本发明属于废弃矿井再利用、压缩空气储能、抽水蓄能技术领域，涉及一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统。
背景技术
以风能、太阳能等为代表的间歇性可再生能源迅速发展的同时也给电网的安全运营带来一定隐患，发展储能技术是提升可再生能源发电效率的有效方法。目前，能够实现大规模储能发电的只有抽水蓄能和压缩空气储能两种。无论是抽水蓄能还是压缩空气储能都需要较大规模的蓄水或储气空间，而现有的废弃矿井地下巷道加以改造能够满足这一要求，从而能够同时实现储能和废弃矿井再利用的目标。世界上只有两座建成并成功运行的压缩空气储能电站(德国Huntorf电站和美国McIntosh)，国内尚无实现商业化运行的压气储能电站。抽水蓄能相比于压缩空气储能在技术上更为成熟，国内外兴建的抽水蓄能电站数量也较多。但利用废弃矿井并且联合运行这两种储能技术在国内外还未曾报道。
压缩空气储能和抽水蓄能都存在一定程度的不足，压缩空气储能在压缩和发电过程中需要耗费较多能量，造成系统能量转换效率较低，而且需要一定规模的储气洞室。抽水蓄能电站对选址较为严格，对地形和水源都有一定要求。现有技术中“一种定压抽水压缩气体储能系统及储能方法”(CN201810737016.9)利用处于低位的高压恒压储气舱之间产生的水位差产生压力实现高压储气舱内的压力恒定，避免了节流稳压过程中的能量损失，但系统在运行过程中需要多次使用压缩机，在发电过程需要工业余热补燃发电，没有充分利用水的重力势能，降低了运行的经济性。国外有人提出过一种抽水-压气(PH-CAES)联合运行的储能系统(Energy 165(2018)630-638)，但该系统仅仅是利用高压气体驱动水推动涡轮机发电，并没有真正地实现抽水蓄能和压缩空气储能的联合运行，系统能量转化效率不高，实用价值也很有限。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，用于解决储能效率较低的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，包括地表中枢供电单元、分别与地表中枢供电单元电连接的压缩空气储能单元与抽水蓄能单元，以及用于将储能转化为电能的第一涡轮发电机与第二涡轮发电机；
所述的压缩空气储能单元包括空气压缩机、地下水气混合室、高压气泵以及地下高压储气室；所述的空气压缩机的出口端分别与高压气泵的进口端及地下水气混合室的顶部相连通，所述的地下高压储气室分别与高压气泵的出口端及地下水气混合室的顶部相连通，
所述的空气压缩机及高压气泵在地表中枢供电单元的驱动下，将高压气体储存于高压储气巷道内，使地表中枢供电单元吸纳的可再生能源转化为压缩空气储能；
所述的抽水蓄能单元包括地下储水库、抽水电动机以及地表水库；所述的地下储水库的进水端与地下水气混合室的出水端相连通，所述的抽水电动机设于地下储水库及地表水库之间，所述的地表水库的出水端与地下水气混合室顶部相连通，
所述的抽水电动机在地表中枢供电单元的驱动下，将地下储水库内的水提取至地表水库，使地表中枢供电单元吸纳的可再生能源转化为重力势能；
所述的第一涡轮发电机设于地下水气混合室的出水端与地下储水库的进水端之间，通过高压储气巷道内的高压气体将地下水气混合室内的水压至地下储水库，并通过冲击第一涡轮发电机发电；
所述的第二涡轮发电机设于地表水库出水端与地下水气混合室顶部之间，通过重力势能使水冲击第二涡轮发电机发电。
进一步地，所述的地表中枢供电单元包括风能发电装置、太阳能发电装置、电网，以及分别与风能发电装置、太阳能发电装置、电网电连接的综合电站。
进一步地，所述的综合电站还分别与空气压缩机、抽水电动机、第一涡轮发电机及第二涡轮发电机电连接。
所述的综合电站一方面用于将风能发电装置、太阳能发电装置产生的可再生资源转化为电能，并吸纳电网的波谷电能，另一方面用于向空气压缩机及抽水电动机供电，并将第一涡轮发电机与第二涡轮发电机产生的稳定电能传输至电网。
进一步地，所述的空气压缩机出口端、高压气泵进口端及地下水气混合室顶部之间设有三通接头，所述的三通接头与空气压缩机出口端之间设有第三阀门，所述的三通接头与高压气泵进口端之间设有第二阀门。
进一步地，所述的第三阀门为单向阀。
进一步地，所述的地下高压储气室的出口端与地下水气混合室顶部之间设有第一阀门。
进一步地，所述的第一阀门为节流阀。
进一步地，所述的地下水气混合室与第一涡轮发电机之间设有第四阀门，所述的地下储水库与抽水电动机之间设有第五阀门，所述的地表水库出水端与第二涡轮发电机之间设有第六阀门。
进一步地，所述的第四阀门为单向阀。
进一步地，所述的压缩空气储能单元中的地下水气混合室、高压气泵、地下高压储气室，所述的抽水蓄能单元中的地下储水库、抽水电动机，以及第一涡轮发电机与第二涡轮发电机均建设在废弃矿井地下巷道之中，以实现废弃矿井的资源化再利用。
作为优选的技术方案，所述的地下高压储气室、地下水气混合室以及地下储水库采用钢筋混凝土作为内衬材料对废弃矿井地下巷道进行加固，并用丁基橡胶作为密封材料进行密封处理，以保证系统密封性与稳定性。
本发明提供一种利用废弃矿井地下巷道的压气抽水一体化储能系统，利用地表与地下巷道的落差，将地表水注入地下水气混合室的同时经过第二涡轮发电机进行第一次发电，此时地下水气混合室内的气体被初步压缩，然后，驱动空气压缩机做功将空气压缩至高压气体通过高压气泵的进一步加压后注入地下高压储气室，完成第一次储能。然后地下高压储气室中的气体进入地下水气混合室推动里面的水进入第一涡轮发电机进行发电，完成第二次发电。随后，从第一涡轮发电机出来的水进入地下储水库，再通过抽水电动机抽至地表，实现第二次蓄能。本发明做到了二次蓄能和二次发电，极大地提高了系统的运行效率，提高了电站的运行利润。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明提供一种利用废弃矿井地下巷道的压气抽水一体化储能系统，通过设置地表中枢供给电系统、压缩空气储能系统和抽水蓄能三个子系统，利用地表和废弃矿井地下巷道之间的高差，充分利用水的重力势能，在水的地上地下循环过程中实现多次发电，从而达到抽水蓄能的效果；
2)该系统具有全天候24小时不间断运行的效果，白天电价高的时候，不仅可以利用地表水库与地下巷道之间的高差进行发电，还可以通过高压气体推动水气混合室中的水进行发电，等到夜晚电价底的时候，利用波谷电能驱动压缩机压缩气体进行储能，并将地下储水库中的水抽至地表蓄水池或水库，为白天的发电做好准备；
3)该系统具有灵活的发电模式，不仅可以实现白天抽水蓄能系统和压缩空气储能系统同时发电，晚上同时蓄能的效果，还可以实现白天单独利用抽水蓄能系统或压缩空气储能系统发电，晚上单独蓄能的效果，因此，该系统具有较强的风险抵抗和故障承受能力，应对不同情况随时做出发电模式的调整；
4)本发明在发电过程中不需要外界热量的输入，这对于系统的能量转化效率有一定的提升，提高了系统的经济性；
5)本发明在储能、释能过程中水能够完全循环，水的损失量很小，提高了系统的效率；
6)本发明能够有效地利用废弃矿井地下巷道，众所周知，废弃矿井的治理是个难题，而本发明创造性的利用其作为储能洞室，这给废弃矿井的再利用提供了一种新模式。
附图说明
图1为实施例1中一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统的结构示意图；
图中标记说明：
1-地下高压储气室、2-地下水气混合室、3-地下储水库、4-地表水库、5-综合电站、6-空气压缩机、7-高压气泵、8-第一阀门、9-第二阀门、10-第三阀门、11-第四阀门、12-第一涡轮发电机、13-第二涡轮发电机、14-第五阀门、15-抽水电动机、16-第六阀门、17-风能发电装置、18-太阳能发电装置、19-电网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，包括地表中枢供电单元、压缩空气储能单元、抽水蓄能单元，以及第一涡轮发电机12与第二涡轮发电机13；其中，
压缩空气储能单元包括空气压缩机6、地下水气混合室2、高压气泵7、地下高压储气室1、三通接头、第一阀门8、第二阀门9以及第三阀门10；空气压缩机6的出口端通过三通接头分别与高压气泵7的进口端及地下水气混合室2的顶部相连通，三通接头与空气压缩机6出口端之间设有第三阀门10，三通接头与高压气泵7进口端之间设有第二阀门9，地下高压储气室1分别与高压气泵7的出口端及地下水气混合室2的顶部相连通，地下高压储气室1的出口端与地下水气混合室2顶部之间设有第一阀门8。
抽水蓄能单元包括地下储水库3、抽水电动机15以及地表水库4；地下储水库3的进水端与地下水气混合室2的出水端相连通，抽水电动机15设于地下储水库3及地表水库4之间，地表水库4的出水端与地下水气混合室2顶部相连通，地下水气混合室2与第一涡轮发电机12之间设有第四阀门11，地下储水库3与抽水电动机15之间设有第五阀门14，地表水库4出水端与第二涡轮发电机13之间设有第六阀门16。其中，第一阀门8为节流阀，第三阀门10及第四阀门11均为单向阀。
第一涡轮发电机12设于地下水气混合室2的出水端与地下储水库3的进水端之间；第二涡轮发电机13设于地表水库4出水端与地下水气混合室2顶部之间。
地表中枢供电单元包括风能发电装置17、太阳能发电装置18、电网19，以及分别与风能发电装置17、太阳能发电装置18、电网19、空气压缩机6、抽水电动机15、第一涡轮发电机12及第二涡轮发电机13电连接的综合电站5。
综合电站5一方面用于将风能发电装置17、太阳能发电装置18产生的可再生资源转化为电能，并吸纳电网19的波谷电能，另一方面用于向空气压缩机6及抽水电动机15供电，并将第一涡轮发电机12与第二涡轮发电机13产生的稳定电能传输至电网19。
并且，压缩空气储能单元中的地下水气混合室2、高压气泵7、地下高压储气室1，抽水蓄能单元中的地下储水库3、抽水电动机15，以及第一涡轮发电机12与第二涡轮发电机13均建设在废弃矿井地下巷道之中，以实现废弃矿井的资源化再利用。
此外，地下高压储气室1、地下水气混合室2以及地下储水库3采用钢筋混凝土作为内衬材料对废弃矿井地下巷道进行加固，并用丁基橡胶作为密封材料进行密封处理，以保证系统密封性与稳定性。
工作原理：
1、水能发电阶段：打开第六阀门16使地表水库4中的水从管道中流入地下，由于重力的作用，水会获得一定速度并冲击第二涡轮发电机13发电，从第二涡轮发电机13流出的水流进入地下水气混合室2中，并对室内气体进行预压缩，待到地下水气混合室2中的气体与水头差平衡后关闭第六阀门16，结束第一阶段发电；
2、压缩空气储能阶段：通过综合电站5吸纳来自风能发电装置17和太阳能发电装置18以及电网19的波谷电能，并驱动空气压缩机6压缩气体，打开第三阀门10和第二阀门9，压缩后的气体进入高压气泵7中进行进一步增压，随后进入地下高压储气室1内，并关闭第三阀门10和第二阀门9，结束压缩空气储能阶段；
3、压缩空气释能阶段：打开第一阀门8，地下高压储气室1中的高压气体沿着管道流入地下水气混合室2中，打开第四阀门11，此时，高压气体推动地下水气混合室2中的水冲击第一涡轮发电机12进行发电，流出第一涡轮发电机12的水进入地下储水库3中，随后，关闭第一阀门8和第四阀门11；
4、抽水蓄能阶段：打开阀门14，同样利用综合电站5所吸纳的来自风能发电装置17和太阳能发电装置18以及电网19的波谷电能，并开启抽水电动机15，地下储水库3中的水被吸入地表水库4中，完成水的蓄能过程，随后，关闭第五阀门14和抽水电动机15，至此该系统完成了一次完整的循环。
实施例2：
本实施例采用实施例1中的抽水压气一体化储能系统进行昼夜循环工作，其工作过程如下：
1、白天电价高的时候，开启第六阀门16使地表水库4(蓄水池)中的水通过自身重力产生的动能驱动第二涡轮发电机13发电，流过第二涡轮发电机13的水缓慢的流入地下水气混合室2，开始对室内已有气体加压；
2、夜晚电价底的时候，综合电站5通过吸纳波谷电能驱动空气压缩机6对空气做功，产生的高压气体通过第三阀门10和地下水气混合室2内已有的高压气体一起进入高压气泵7，由高压气泵7进一步增压后流入地下高压储气室1；
3、打开第一阀门8，使高压气体流入地下水气混合室2，打开第四阀门11，使高压气体将地下水气混合室2内的水压出，产生一定的速度并推动第一涡轮发电机12发电，发电后的水缓慢流入地下储水库3；
4、在夜晚电价较低的时候，同样利用综合电站5吸纳的波谷电能驱动抽水电动机15做功，将水从地下储水库3中抽入地表水库4，至此完成一个昼夜循环。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，该储能系统包括地表中枢供电单元、分别与地表中枢供电单元电连接的压缩空气储能单元与抽水蓄能单元，以及第一涡轮发电机(12)与第二涡轮发电机(13)；
所述的压缩空气储能单元包括空气压缩机(6)、地下水气混合室(2)、高压气泵(7)以及地下高压储气室(1)；所述的空气压缩机(6)的出口端分别与高压气泵(7)的进口端及地下水气混合室(2)的顶部相连通，所述的地下高压储气室(1)分别与高压气泵(7)的出口端及地下水气混合室(2)的顶部相连通，
所述的抽水蓄能单元包括地下储水库(3)、抽水电动机(15)以及地表水库(4)；所述的地下储水库(3)的进水端与地下水气混合室(2)的出水端相连通，所述的抽水电动机(15)设于地下储水库(3)及地表水库(4)之间，所述的地表水库(4)的出水端与地下水气混合室(2)顶部相连通，
所述的第一涡轮发电机(12)设于地下水气混合室(2)的出水端与地下储水库(3)的进水端之间；所述的第二涡轮发电机(13)设于地表水库(4)出水端与地下水气混合室(2)顶部之间。
2.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的地表中枢供电单元包括风能发电装置(17)、太阳能发电装置(18)、电网(19)，以及分别与风能发电装置(17)、太阳能发电装置(18)、电网(19)电连接的综合电站(5)。
3.根据权利要求2所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的综合电站(5)还分别与空气压缩机(6)、抽水电动机(15)、第一涡轮发电机(12)及第二涡轮发电机(13)电连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的空气压缩机(6)出口端、高压气泵(7)进口端及地下水气混合室(2)顶部之间设有三通接头，所述的三通接头与空气压缩机(6)出口端之间设有第三阀门(10)，所述的三通接头与高压气泵(7)进口端之间设有第二阀门(9)。
5.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的第三阀门(10)为单向阀。
6.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的地下高压储气室(1)的出口端与地下水气混合室(2)顶部之间设有第一阀门(8)。
7.根据权利要求6所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的第一阀门(8)为节流阀。
8.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的地下水气混合室(2)与第一涡轮发电机(12)之间设有第四阀门(11)，所述的地下储水库(3)与抽水电动机(15)之间设有第五阀门(14)，所述的地表水库(4)出水端与第二涡轮发电机(13)之间设有第六阀门(16)。
9.根据权利要求8所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的第四阀门(11)为单向阀。
10.根据权利要求1所述的一种利用废弃矿井地下巷道的抽水压气一体化储能系统，其特征在于，所述的压缩空气储能单元中的地下水气混合室(2)、高压气泵(7)、地下高压储气室(1)，所述的抽水蓄能单元中的地下储水库(3)、抽水电动机(15)，以及第一涡轮发电机(12)与第二涡轮发电机(13)均建设在废弃矿井地下巷道之中。
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