CN116007211B - 一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统，包括地下含水层、上覆地层、地面供水装置、水泵、地面注水管道、控制装置、逆变器、滤波器、地面缆线、光伏发电装置、整流器、风力发电装置、井下注水管道和井筒。该地下含水层储能系统能够与其他可再生能源系统耦合，将地面过剩能量在短时间内转换成热能储存在地下含水层中；采用光纤监测技术对井筒内部温度可进行实时监测，地面控制装置可根据井筒内部温度分布情况实时调控地面供水装置与地面可再生能源供电系统的运行状态，确保整个系统安全运行。
Description
技术领域
本发明属于含水层储能技术领域，具体涉及一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统。
背景技术
2021年，我国可再生能源装机容量占全国发电装机总量44.8％，但由于风能和太阳能等可再生能源具有不稳定性，为了避免能源浪费，需要将风和光等不稳定可再生能源转化成一种稳定的且可大量储存的能源。
地热能是一种“零碳”的可再生能源，其稳定性要强于其他可再生能源。在地下储能系统模式中，将地球看做一个巨型“电池”，将地面剩余能量转化为稳定的热能从储存在“电池”中，实现以地球为载体的多能互补储能/供能的目的。
含水层储能系统是地下储能模式中应用最广泛的一种，可以解决能源供需在时间/空间分布的不平衡问题。补充含水层水、热资源，可以实现地热资源的灵活及可持续利用。与其他储能技术相比，含水层储能系统每年可节省40％至70％的能源，并可减少排放多达数千万吨的二氧化碳。
目前，市面上的补充含水层水、热资源主要依靠将地面余热注入地下含水层中储存备用；或者利用井下电阻加热方法提升储层温度。前者受时限性约束较为明显，且无法显著提升含水层品位；后者耗能过大，能量转换效率不高，无法达成节约能源的目的。还没有一种受限少并且可短时间内实现能量转换的地下含水层储能系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决能源浪费问题以及现有地下含水层储能系统的不足，提出了一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统。
本发明的技术方案是：一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统包括地下含水层、上覆地层、地面供水装置、水泵、地面注水管道、控制装置、逆变器、滤波器、地面缆线、光伏发电装置、整流器、风力发电装置、井下注水管道和井筒；
上覆地层设置在地下含水层上；地面供水装置设置在上覆地层上；地面注水管道的一端和地面供水装置连接，其另一端和井下注水管道连接；水泵设置在地面注水管道上；井筒设置于上覆地层内；井下注水管道设置于井筒内；风力发电装置、整流器和滤波器依次连接；滤波器还通过地面缆线与光伏发电装置连接；滤波器、逆变器和控制装置依次连接；控制装置和水泵通信连接。
进一步地，地面供水装置用于提供常温水；
水泵用于控制常温水的注入流量；
地面注水管道用于向井下注水管道注入常温水；
控制装置用于监测地下含水层储能系统的运行状态；
光伏发电装置和风力发电装置用于提供电能；
地面线缆用于将光伏发电装置提供的电能传输至滤波器；
整流器用于将风力发电装置提供的交流电转换为直流电；
滤波器用于消除光伏发电装置输出的直流电以及整流器输出的直流电中的脉动成分；
逆变器用于将滤波器输出的直流电转换为不同频率的交流电；
井下注水管道用于将加热后的热水向地下含水层注入。
进一步地，井下注水管道的外壁上设置有若干匝电磁感应线圈；
电磁感应线圈用于将井下注水管道的常温水加热。
进一步地，电磁感应线圈的外部设置有绝热层；绝热层用于减少上覆地层的温度散失。
进一步地，井筒设置有井下电缆；井下电缆用于为电磁感应线圈提供电能。
进一步地，井筒内壁设置有光纤监测装置；光纤监测装置用于监测井底温度。
进一步地，地下含水层和井筒之间设置有固井层。
进一步地，井下注水管道的底部设置有井下注水管道出口。
本发明的有益效果是：
(1)该地下含水层储能系统能够与其他可再生能源系统耦合，将地面过剩能量在短时间内转换成热能储存在地下含水层中；
(2)该地下含水层储能系统采用电磁感应加热技术，对注入井下管道内的常温水加热，能够在短时间内将注入管道内的常温水加热到所需目标温度；
(3)该地下含水层储能系统可以同时且分别控制地面供水装置与地面可再生能源供电系统的运行状态，确保整个系统稳定运行；
(4)该地下含水层储能系统采用光纤监测技术对井筒内部温度可进行实时监测，地面控制装置可根据井筒内部温度分布情况实时调控地面供水装置与地面可再生能源供电系统的运行状态，确保整个系统安全运行。
附图说明
图1为地下含水层储能系统的结构图；
图2为井筒的结构图；
图3为控制装置的结构图；
图中，1、地下含水层；2、上覆地层；3、地面供水装置；4、水泵；5、地面注水管道；6、控制装置；7、逆变器；8、滤波器；9、地面缆线；10、光伏发电装置；11、整流器；12、风力发电装置；13、井下注水管道；14、井下缆线；15、光纤监测装置；16、固井层；17、电磁感应线圈；18、井筒；19、绝热层；3-1、井下注水管道出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，包括地下含水层1、上覆地层2、地面供水装置3、水泵4、地面注水管道5、控制装置6、逆变器7、滤波器8、地面缆线9、光伏发电装置10、整流器11、风力发电装置12、井下注水管道13和井筒18；密封性强、导热性差的上覆地层2能够防止注入地下含水层1中的热能散失。
上覆地层2设置在地下含水层1上；地面供水装置3设置在上覆地层2上；地面注水管道5的一端和地面供水装置3连接，其另一端和井下注水管道13连接；水泵4设置在地面注水管道5上；井筒18设置于上覆地层2内；井下注水管道13设置于井筒18内；风力发电装置12、整流器11和滤波器8依次连接；滤波器8还通过地面缆线9与光伏发电装置10连接；滤波器8、逆变器7和控制装置6依次连接；控制装置6和水泵4通信连接。
在本发明实施例中，如图1所示，地面供水装置3用于提供常温水；
水泵4用于控制常温水的注入流量；水泵4能实现以恒定流量向地下含水层1中注水，流量大小会影响井下注水管道13与注入水的热传导效果，也会影响电转热的效率，需根据实际储能需求调整流量大小。
地面注水管道5用于向井下注水管道13注入常温水；
控制装置6用于监测地下含水层储能系统的运行状态；
光伏发电装置10和风力发电装置12用于提供电能；光伏发电装置10和风力发电装置12运行发电时，地面供水装置3和泵4才会向地下含水层1中注水。
地面线缆9用于将光伏发电装置10提供的电能传输至滤波器8；
整流器11用于将风力发电装置12提供的交流电转换为直流电；
滤波器8用于消除光伏发电装置10输出的直流电以及整流器11输出的直流电中的脉动成分；
逆变器7用于将滤波器8输出的直流电转换为不同频率的交流电；不同频率的交流电可供电磁感应线圈17利用；
井下注水管道13用于将加热后的热水向地下含水层1注入。
井下注水管道应采用导热效果较好、熔点较高且耐腐蚀的材料，如不锈钢、碳钢和钨钢等合金材料。
在本发明实施例中，如图1所示，井下注水管道13的外壁上设置有若干匝电磁感应线圈17；
电磁感应线圈17用于将井下注水管道13的常温水加热。
电磁感应线圈17采用电磁感应加热技术，能够在短时间内将注入管道内的常温水加热至所需目标温度。电磁感应线圈17的运行电流与频率不易过高，避免井下注水管道13的温度达到材料熔点，引发安全问题，需根据井下注水管道13材料性质与实际运行情况调整电磁感应线圈17运行时输入电流与频率大小。
在本发明实施例中，如图1所示，电磁感应线圈17的外部设置有绝热层19；绝热层19用于减少上覆地层2的温度散失。绝热层19设置在电磁感应线圈17的加热段周围，用于保证感应加热温度不会在上覆地层2发生散失。
在本发明实施例中，如图1所示，井筒18设置有井下电缆14；井下电缆14用于为电磁感应线圈17提供电能。
在本发明实施例中，如图1所示，井筒18内壁设置有光纤监测装置15；光纤监测装置15用于监测井底温度。光纤监测装置15收集井下实时数据，能够同时控制地面可再生能源供电系统与地面供水装置运行状态，可确保整个系统能够稳定运行。
在本发明实施例中，如图1所示，地下含水层1和井筒18之间设置有固井层16。
在本发明实施例中，如图1所示，井下注水管道13的底部设置有井下注水管道出口3-1。
在本系统中，控制装置6包含控制终端和监测终端两个模块，监测终端将光纤监测装置15收集的井下温度数据收集处理后，传输给控制终端，根据井下监测数据，由控制终端控制水泵4和电磁感应线圈17运行状态。
控制装置6进行温度监测的具体方法为：设定温度阈值，监测终端内设置温度传感器，用于采集实时温度，并传输至控制终端。设定水泵4和电磁感应线圈17的运行温度阈值，并将温度传感器采集的实施温度输入至控制装置的温度控制模型，得到基准温度。若基准温度大于或等于水泵4的运行温度阈值，则水泵4开启；若基准温度大于或等于电磁感应线圈17的运行温度阈值，则电磁感应线圈17开启。
其中，温度控制模型的损失函数Loss表达式为：
式中，N表示采集实时温度的总时刻，tn表示第n个时刻的实时温度，avet表示N个时刻的温度平均值，stdt表示N个时刻的温度标准差。
基于感应加热技术的地下含水层储能系统对应的储能方法为：
步骤S1：将风能和太阳能转换为电能。
风力发电装置12将风能转换成交流电，转换的交流电经过整流器11，将不稳定的交流电转换成稳定的直流电，后经过滤波器8消除脉动，经逆变器7将经过整流和滤波的直流电转换成可供电磁感应线圈17利用的交流电。光伏发电装置10将太阳能转换成直流电，无需整流，可直接进行滤波，经过滤波后的直流电通过逆变器7转换成可供电磁感应线圈17利用的交流电。通过控制装置6监测和控制电磁感应线圈17和水泵4的开启和关闭。
步骤S2：将电能转换热能。
当光伏发电装置10和风力发电装置12供电时，利用控制装置6，开启水泵4向地下含水层1中注水，开启电磁感应线圈17对井下注水管道13进行加热，开启光纤监测装置15实时监测井下温度变化。井下注水管道13通过热传导方式将电磁感应加热发出的热量传递给注入水。
步骤S3：热能储存。
注入水经过加热后，通过井下注水管道13注入进地下含水层1中，达成储能目的。
步骤S4：当光伏发电装置10和风力发电装置12停止供电时或光纤监测装置15监测到井底温度过高时，利用控制装置6停止电磁感应线圈17运行，泵4可继续运行一段时间，当光纤监测装置15监测井下温度恢复正常后再停止注水。目的是可以将井下注水管道13中剩余的热能储存在地下含水层1中，同时也可对井下注水管道13进行降温，保证系统运行安全，延长系统运行寿命。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，包括地下含水层(1)、上覆地层(2)、地面供水装置(3)、水泵(4)、地面注水管道(5)、控制装置(6)、逆变器(7)、滤波器(8)、地面缆线(9)、光伏发电装置(10)、整流器(11)、风力发电装置(12)、井下注水管道(13)和井筒(18)；
所述上覆地层(2)设置在地下含水层(1)上；所述地面供水装置(3)设置在上覆地层(2)上；所述地面注水管道(5)的一端和地面供水装置(3)连接，其另一端和井下注水管道(13)连接；所述水泵(4)设置在地面注水管道(5)上；所述井筒(18)设置于上覆地层(2)内；所述井下注水管道(13)设置于井筒(18)内；所述风力发电装置(12)、整流器(11)和滤波器(8)依次连接；所述滤波器(8)还通过地面缆线(9)与光伏发电装置(10)连接；所述滤波器(8)、逆变器(7)和控制装置(6)依次连接；所述控制装置(6)和水泵(4)通信连接；所述井下注水管道(13)的外壁上设置有若干匝电磁感应线圈(17) ，所述电磁感应线圈(17)用于将井下注水管道(13)的常温水加热，所述井筒(18)内壁设置有光纤监测装置(15)；
所述光纤监测装置(15)用于监测井底温度；
所述控制装置（6）包含控制终端和监测终端，所述监测终端用于处理所述光纤监测装置（15）收集的井下温度数据，所述控制终端用于接收所述监测终端处理后的数据，且所述控制终端控制所述水泵（4）和所述电磁感应线圈（17）的运行状态。
2.根据权利要求1所述的基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，所述地面供水装置(3)用于提供常温水；
所述水泵(4)用于控制常温水的注入流量；
所述地面注水管道(5)用于向井下注水管道(13)注入常温水；
所述控制装置(6)用于监测地下含水层储能系统的运行状态；
所述光伏发电装置(10)和风力发电装置(12)用于提供电能；
所述地面缆线(9)用于将光伏发电装置(10)提供的电能传输至滤波器(8)；
所述整流器(11)用于将风力发电装置(12)提供的交流电转换为直流电；
所述滤波器(8)用于消除光伏发电装置(10)输出的直流电以及整流器(11)输出的直流电中的脉动成分；
所述逆变器(7)用于将滤波器(8)输出的直流电转换为不同频率的交流电；
所述井下注水管道(13)用于将加热后的热水向地下含水层(1)注入。
3.根据权利要求1所述的基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，所述电磁感应线圈(17)的外部设置有绝热层(19)；所述绝热层(19)用于减少上覆地层(2)的温度散失。
4.根据权利要求1所述的基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，所述井筒(18)设置有井下电缆(14)；所述井下电缆(14)用于为电磁感应线圈(17)提供电能。
5.根据权利要求1所述的基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，所述地下含水层(1)和井筒(18)之间设置有固井层(16)。
6.根据权利要求1所述的基于感应加热技术的地下含水层储能系统，其特征在于，所述井下注水管道(13)的底部设置有井下注水管道出口(3-1)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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