CN115434752A - 一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，包括：压缩模块，用于空气的压缩；地下巷硐储能区，用于控制压缩气体的存储与释放；燃料供给模块，用于控制气体释放期间的燃料输送；增压模块，用于增加进入发电模块的空气流量；发电模块，将压缩气体释放过程中的能量转化为电能。本发明利用废弃的地下矿井，在实现与传统抽水蓄能系统具有相同功能与性能的前提下，降低了设计储能系统的成本，通过控制器的设置对气体的排出量进行控制，结合约束条件与惩罚函数精确控制燃料输送量，实现了资源的合理配置。

Description

一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统
技术领域
本发明属于储能领域，特别是涉及一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统。
背景技术
电力行业是国民经济发展过程中能源产业中最重要的组成部分，关系国计民生，是实现国家碳达峰碳中和目标的有力保障。随着双碳下可持续绿色生态发展的推进，对电力行业的要求也由过去的简单产、输、变、配电，向资源的优化配置过渡。现代电力系统的发展方向是智能电网，电力系统的基本要求是安全、优质、经济。但随着电力需求的增长和智能电网的发展，现有的电力系统也暴露出了许多问题，例如系统装机容量难以达到峰值负荷需求、电网的输电能力难以满足用户需求、电网存在易受日益增长的新能源装机影响与稳定性不足等。国家对于推进大型风光电基地及其配套调节性电源规划建设，提升电网对可再生能源发电的消纳能力等也提出了更高的要求。在此情况下，为在风电、光电等清洁能源占比提升的电力结构中保障电力系统的稳定性，亟需一种优质高效，节约成本，可在风光资源禀赋集中地区大规模投入使用，并能够满足供电峰谷调节需求的压缩空气储能系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，包括：
压缩模块、地下巷硐储能区、燃料供给模块、增压模块、发电模块；
所述压缩模块用于将空气压缩至所述地下巷硐储能区；
所述地下巷硐储能区用于控制压缩气体的存储与释放；
所述燃料供给模块用于控制气体释放期间的燃料输送与控制所述发电模块的输出功率；
所述增压模块用于增加进入所述发电模块的空气流量；
所述发电模块用于将压缩气体释放过程中的能量转化为电能。
可选地，所述压缩模块包括若干个空气压缩机，所述压缩模块基于若干个所述空气压缩机对空气进行压缩。
可选地，所述地下巷硐储能区包括一条空气排出口与若干条分支储能巷道；
所述分支储能巷道之间基于压裂的方式呈直线形与所述空气排出口相连接；
若干条所述分支储能巷道之间设置有隔离阀门；
所述隔离阀门用于基于电网的用电需求调节若干条所述分支储能巷道之间的连通性，对所述分支储能巷道储存的空气总体积进行控制。
可选地，所述储能巷道包括温度传感器、控制器、泄压阀；
所述温度传感器用于检测所述储能巷道中气体的温度；
所述控制器用于基于气体的温度控制所述泄压阀排出气体；
所述泄压阀用于所述储能巷道中气体的排出。
可选地，所述控制器根据温度传感器检测到的气体温度值Tg，计算储能巷道中的高压气体因受地热加温作用膨胀的气体体积
Figure BDA0003849733500000031
若
Figure BDA0003849733500000032
时则打开泄压阀泄压，直至
Figure BDA0003849733500000033
其中，n为理想气体物质的量，R为理想气体状态常数，γ为大于1的安全系数。
可选地，所述燃料供给模块包括燃料存储区与燃料供给区；
所述燃料存储区用于存储系统运行期间需要的燃料；
所述燃料供给区用于采集所述地下巷硐储能区释放的气体数据与所述发电模块的电流电压数据，并基于所述气体数据对输送的燃料进行控制，基于所述电流电压数据对所述发电模块的输出功率进行控制。
可选地，所述燃料供给区采集气体数据与电流电压数据后，对所述电流电压数据引入约束条件进行计算，基于计算后的数据对所述发电模块的输出功率进行控制；同时对所述气体数据引入惩罚函数进行计算，基于计算后的数据得出燃料的输送控制方案。
可选地，所述约束条件包括：
Figure BDA0003849733500000034
上式分别表示在t时刻，发电模块的频率、电压及可调功率比一致；
式中
Figure BDA0003849733500000035
为发电模块的额定功率，
Figure BDA0003849733500000036
为额定情况下的输出角频率，It i和ut i分别为实时电流和电压；
所述惩罚函数包括：对气体以及燃料的不平衡度和是否按比例分配进行惩罚，偏差越大惩罚力度越大，若偏差在10％以内，则惩罚为零；
RR1＝αMt+βPt+kVt
式中α、β、k为>0的惩罚系数,Mt为实时气体密度，Pt为实时气体压强，Vt为实时气体体积。
可选地，所述增压模块包括若干个气体增压机，所述增压模块基于若干个所述气体增压机增加空气流量。
可选地，所述发电模块包括水轮机、空气发电机；
所述水轮机用于基于地上水库所储存的水能进行发电；
所述空气发电机用于基于所述地下巷硐储能区气体的释放与所述燃料供给模块的燃料进行发电。
本发明的技术效果为：
本发明利用废弃的地下矿井，在实现与传统抽水蓄能系统具有相同功能与性能的前提下，降低了设计储能系统的成本。同时设计水地下巷硐储能区之间多条分支巷道的连接方式与阀门设置，可实现根据电网用电需求控制空气存储体积。并且根据电网不同时段的用电需求控制压缩机的运转功率，在保证为电网提供稳定电力的同时，提高了系统的稳定性；通过控制器的设置对气体的排出量进行控制，结合约束条件与惩罚函数精确控制燃料输送量，实现了资源的合理配置。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，包括：压缩模块、地下巷硐储能区、燃料供给模块、增压模块、发电模块；
压缩模块将空气压缩至所述地下巷硐储能区；地下巷硐储能区控制压缩气体的存储与释放；燃料供给模块控制气体释放期间的输送；增压模块可增加进入发电模块的空气流量，提高释放效率；发电模块可将压缩气体释放过程中的能量转化为电能。
压缩模块包括若干个空气压缩机，空气压缩机将气体压缩后存入地下巷硐储能区进行能量的存储；
压缩机机组可根据电网的峰谷变化情况设置阈值，根据设置的阈值进行做功调节，当电网用电处于低谷期时，空气压缩机机组进行满负荷运转，实现压缩空气能量的快速存储；当电网用电处于平稳期时，空气压缩机机组进行50％功率的运转，当电网用电处于高峰期时，空气压缩机机组进行30％功率的运转。通过设置阈值控制空气压缩机的运转功率，可为电网高峰期提供用电保障的同时，实现资源的合理配置，保证系统的稳定性。
首先根据地质勘探结果，选取合适位置且质地紧密的浅层岩石体，依据所需换热量、地热梯度计算出的井径、井深和井距在此处施工所需的5-8个多口井；在呈直线性形状相连接的4-7个分支多口井的末端与一口井的末端通过压裂的方式连通，并在连通处形成热交换压裂井孔；在若干相连接分支的多口井其内部安装注入管，并进行水泥加固，注入管外填充隔传导型材料一，形成注入系统；在位于末端的一口井内部安装排出管，将其设置为空气排出口，并进行水泥加固，排出口外填充隔传导型材料二，形成排出系统；将根据所需换热量计算出的工质一和工质二所需的工质量一次性注入注入管、排出管、热交换压裂多分支井孔中，在分支的多口井之间设置隔离阀门，通过隔离阀门可改变若干条分支多口井之间的连通性，以此可根据电网的用电需求控制若干条分支多口井的空气存储总体积，至此完成地下巷硐储能区的构建。
控制器根据温度传感器检测到的气体温度值Tg，计算储能巷道中的高压气体因受地热加温作用膨胀的气体体积
Figure BDA0003849733500000061
若
Figure BDA0003849733500000062
则打开泄压阀泄压，直至
Figure BDA0003849733500000063
其中，n为理想气体物质的量，R为理想气体状态常数，γ为大于1的安全系数，可取1.1。
传统的抽水蓄能系统的设计成本较高，并且会破坏生态环境；本实施例利用废弃的地下矿井，在实现与传统抽水蓄能系统具有相同功能与性能的前提下，降低了设计地下巷硐储能区的投资成本。同时设计水能发电与空气发电相结合的方式，提高了系统的发电功率。
燃料供给模块包括燃料存储区与燃料供给区；燃料存储区用来存储系统在释放气体进行发电时需要的燃料；
燃料供给区用于采集地下巷硐储能区释放的气体数据与发电模块的电流电压数据，并基于气体数据对输送的燃料进行控制，基于电流电压数据对发电模块的输出功率进行控制；
燃料供给区采集气体数据与电流电压数据后，对电流电压数据引入约束条件进行计算，基于计算后的数据对发电模块的输出功率进行控制；同时对气体数据引入惩罚函数进行计算，基于计算后的数据得出燃料的输送控制方案；
引入的约束条件包括：
Figure BDA0003849733500000071
上式分别表示在t时刻，发电模块的频率、电压及可调功率比一致；
式中
Figure BDA0003849733500000072
为发电模块的额定功率，
Figure BDA0003849733500000073
为额定情况下的输出角频率，It i和ut i分别为实时电流和电压；
所述惩罚函数包括：对气体以及燃料的不平衡度和是否按比例分配进行惩罚，偏差越大惩罚力度越大，若偏差在10％以内，则惩罚为零；
RR1＝αMt+βPt+kVt
式中α、β、k为>0的惩罚系数,Mt为实时气体密度，Pt为实时气体压强，Vt为实时气体体积。
通过以上计算过程后获得引入惩罚函数的气体数据，并由该数据得出燃料的输送方案。
本实施例通过控制器的设置对气体的排出量进行控制，结合约束条件与惩罚函数精确控制燃料输送量，实现了资源的合理配置。
增压模块包括若干个气体增压机，储存区中的气体释放后，气体增压机将气体利用大面积活塞端的低压气体驱动而产生小面积活塞端的高压气体。
发电模块包括水轮机、空气发电机；水轮机将地上水库所储存的水能进行发电；空气发电机将释放出的气体与燃料转化成电能。
本发明中，由于巷道中的静水压力，能维持巷道的恒定压力，同时利用矿井中水的温度与恒压区的设计，可保持排气发电过程中气体恒压。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，包括：压缩模块、地下巷硐储能区、燃料供给模块、增压模块、发电模块；
所述压缩模块用于将空气压缩至所述地下巷硐储能区；
所述地下巷硐储能区用于控制压缩气体的存储与释放；
所述燃料供给模块用于控制气体释放期间的燃料输送与控制所述发电模块的输出功率；
所述增压模块用于增加进入所述发电模块的空气流量；
所述发电模块用于将压缩气体释放过程中的能量转化为电能。
2.根据权利要求1所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩模块包括若干个空气压缩机，所述压缩模块基于若干个所述空气压缩机对空气进行压缩。
3.根据权利要求1所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述地下巷硐储能区包括一条空气排出口与若干条分支储能巷道；
所述分支储能巷道之间基于压裂的方式呈直线形与所述空气排出口相连接；
若干条所述分支储能巷道之间设置有隔离阀门；
所述隔离阀门用于基于电网的用电需求调节若干条所述分支储能巷道之间的连通性，对所述分支储能巷道储存的空气总体积进行控制。
4.根据权利要求1所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能巷道包括温度传感器、控制器、泄压阀；
所述温度传感器用于检测所述储能巷道中气体的温度；
所述控制器用于基于气体的温度控制所述泄压阀排出气体；
所述泄压阀用于所述储能巷道中气体的排出。
5.根据权利要求4所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述控制器根据温度传感器检测到的气体温度值Tg，计算储能巷道中的高压气体因受地热加温作用膨胀的气体体积
Figure FDA0003849733490000021
若
Figure FDA0003849733490000022
时则打开泄压阀泄压，直至
Figure FDA0003849733490000023
其中，n为理想气体物质的量，R为理想气体状态常数，γ为大于1的安全系数。
6.根据权利要求1所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述燃料供给模块包括燃料存储区与燃料供给区；
所述燃料存储区用于存储系统运行期间需要的燃料；
所述燃料供给区用于采集所述地下巷硐储能区释放的气体数据与所述发电模块的电流电压数据，并基于所述气体数据对输送的燃料进行控制，基于所述电流电压数据对所述发电模块的输出功率进行控制。
7.根据权利要求6所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述燃料供给区采集气体数据与电流电压数据后，对所述电流电压数据引入约束条件进行计算，基于计算后的数据对所述发电模块的输出功率进行控制；同时对所述气体数据引入惩罚函数进行计算，基于计算后的数据得出燃料的输送控制方案。
8.根据权利要求7所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述约束条件包括：
Figure FDA0003849733490000024
上式分别表示在t时刻，发电模块的频率、电压及可调功率比一致；
式中
Figure FDA0003849733490000031
为发电模块的额定功率，
Figure FDA0003849733490000032
为额定情况下的输出角频率，It i和ut i分别为实时电流和电压；
所述惩罚函数包括：对气体以及燃料的不平衡度和是否按比例分配进行惩罚，偏差越大惩罚力度越大，若偏差在10％以内，则惩罚为零；
RR1＝αMt+βPt+kVt
式中α、β、k为>0的惩罚系数,Mt为实时气体密度，Pt为实时气体压强，Vt为实时气体体积。
9.根据权利要求1所述的利用废弃矿井巷道的压缩空气储能系统，其特征在于，所述增压模块包括若干个气体增压机，所述增压模块基于若干个所述气体增压机增加空气流量。
10.根据权利要求1所述的基于关闭矿井地下巷硐空间的压缩空气储能系统，其特征在于，所述发电模块包括水轮机、空气发电机；
所述水轮机用于基于地上水库所储存的水能进行发电；
所述空气发电机用于基于所述地下巷硐储能区气体的释放与所述燃料供给模块的燃料进行发电。
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