多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统

1.本技术涉及地下水抽水蓄能技术领域，尤其涉及一种多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统。


背景技术：

2.随着我国“碳达峰，碳中和”目标的提出，煤炭在一次能源消费结构中的比例逐步下降，关停矿井数量逐年增多。直接关闭或废弃矿井不仅造成巨大的资源浪费，还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题。
3.在“双碳”目标的背景下，随着能源结构调整，可再生能源占比逐年增加，尤其是风能和太阳能。但风能和太阳能具有随机性、波动性、反调峰性、间歇性、季节性和地域性等特点，能源供应的持续性和稳定性差，大规模并入电网会对电网造成严重冲击。为了减缓风能、太阳能等可再生能源大规模并网引起的对电网冲击，需要规模化的储能装置。抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调频、调相、平移功率、事故备用等多种功能,是建设以新能源为主的新型电力系统最为理想的储能方式之一。然而,常规抽水蓄能以山体落差为基础,对于建设选址的要求严格,且也有一定环保方面的考虑,因此适合建设常规抽水储能的选址也是有限的。矿井在井工开采过程中形成的巨大的、高落差地下空间，可以利用存在一定高差的两个巷道空间建立上下水库，通过太阳能、风能等可再生清洁能源发电，经水泵与水轮机将电能与水体位势能之间进行转换，实现电能的转换、储存与释放。但是废弃矿井在用于抽水蓄能时，由于矿井内部需要经受水的冲刷和长期浸泡，容易引发地质问题使得矿井内部塌陷的问题，存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统，该多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统可以利用废弃矿井资源进行抽水蓄能，同时可以有效避免矿井内部因水流冲刷和长期浸泡而引发地质灾害的情况，提高安全性。
5.为此，本技术实施例提供了一种多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统，包括：上位水库，设置于废弃矿井中；下位水库，设置于所述废弃矿井中，且所述下位水库的水平面位于所述上位水库所在水平面的下方；井下机房，设置于所述废弃矿井中且位于所述上位水库和所述下位水库之间，所述井下机房内设置有水泵水轮机及与所述水泵水轮机电连接的发电机，所述上位水库与所述下位水库通过所述水泵水轮机连通；其中，所述上位水库、下位水库和所述井下机房内分别设置有防水加固组件以及用于监测所述防水加固组件的监控组件。
6.在一种可能的实现方式中，所述防水加固组件包括封堵墙、设置于所述封堵墙内表面的防水层、以及用于固定所述防水层的支护件；所述监控组件包括设置于所述支护件上的监测模块以及与所述监测模块电连接的中控模块。
7.在一种可能的实现方式中，所述支护件包括：锚杆，贯穿所述防水层和所述封堵
墙，且所述锚杆的端部设置有安装板；连接板，两端连接设置于两个所述锚杆的安装板上；顶紧螺杆，与所述连接板通过螺纹连接，且所述顶紧螺杆的端部设置有顶紧板，所述顶紧板与所述防水层远离所述封堵墙的一侧抵接。
8.在一种可能的实现方式中，所述连接板上沿自身长度方向设置有条形孔，所述条形孔处滑动设置有滑动块，所述滑动块上设置有与所述顶紧螺杆螺纹配合的螺纹孔。
9.在一种可能的实现方式中，所述监测模块设置于所述顶紧板上且与所述防水层抵接，所述监测模块包括应力监测模块和位移监测模块。
10.在一种可能的实现方式中，所述多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统还包括：井上机房，设置于所述废弃矿井的上方，且所述井上机房内设置有逆变器及与所述逆变器电连接的控制系统，所述控制系统与所述水泵水轮机电连接；以及能源转换组件，设置于地表，且所述能源转换组件与逆变器电连接；其中，所述发电机连接外部电网。
11.在一种可能的实现方式中，所述井上机房与所述井下机房之间连通设置有检修通道。
12.在一种可能的实现方式中，所述能源转换组件包括太阳能发电机组和风能发电机组。
13.在一种可能的实现方式中，所述井上机房内还设置有热泵机组，所述热泵机组与所述控制系统电连接，所述上位水库内设置有与所述热泵机组连通的泵体。
14.在一种可能的实现方式中，所述能源转换组件还包括太阳能集热机组，所述太阳能集热机组与所述热泵机组连通。
15.根据本技术实施例提供的多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统，该多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统通过水泵水轮机将下位水库中的水抽送到上位水库中，从而将电力转换为水体位势能并在上位水库中储存，切换水泵水轮机的工作模式，上位水库中的水放到下位水库中，带动水泵水轮机工作，通过发电机持续发电，将持续稳定的电力输送给电网中，可以利用废弃矿井资源进行抽水蓄能，上位水库、下位水库和井下机房均在废弃矿井的基础上修建，通过防水加固组件提高上位水库、下位水库和井下机房的稳固性和防水性能，通过监测组件实时监测防水加固组件的情况，从而可以有效避免矿井内部因水流冲刷和长期浸泡而引发地质灾害的情况，提高安全性，延长整体的使用年限。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，且附图并未按照实际的比例绘制。
17.图1示出本技术实施例提供的一种多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统的结构示意图；图2示出本技术实施例提供的储热模式时的工作原理图；图3示出本技术实施例提供的多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统的工作原理图；图4示出本技术实施例提供的防水加固组件、监控组件与上位水库或者下位水库
的结构示意图；图5示出本技术实施例提供的防水加固组件和监控组件的剖面的结构示意图；图6示出本技术实施例提供的支护件的立体结构示意图。
18.附图标记说明：1、上位水库；11、泵体；2、下位水库；3、井下机房；31、水泵水轮机；32、发电机；4、防水加固组件；41、封堵墙；42、防水层；43、支护件；431、锚杆；4311、安装板；432、连接板；4321、条形孔；4322、滑动块；4323、固定螺栓；433、顶紧螺杆；434、顶紧板；5、监控组件；51、监测模块；6、井上机房；61、逆变器；62、控制系统；63、热泵机组；7、能源转换组件；71、太阳能发电机组；72、风能发电机组；73、太阳能集热机组。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
20.图1示出本技术实施例提供的一种多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统的结构示意图；图2示出本技术实施例提供的储热模式时的工作原理图；图3示出本技术实施例提供的多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统的工作原理图；图4示出本技术实施例提供的防水加固组件、监控组件与上位水库或者下位水库的结构示意图；图5示出本技术实施例提供的防水加固组件和监控组件的剖面的结构示意图；图6示出本技术实施例提供的支护件的立体结构示意图。
21.如图1至图6所示，本技术实施例提供一种多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统，包括：上位水库1、下位水库2和井下机房3，其中：上位水库1设置于废弃矿井中。
22.下位水库2设置于废弃矿井中，且下位水库2的水平面位于上位水库1所在水平面的下方。上位水库1和下位水库2均利用废弃矿井修建而成，上位水库1和下位水库2之间具有一定的高度落差，通过将下位水库2中的水抽送至上位水库1实现电能转换成水体的势能，进行储能，通过上位水库1中对的水流入下位水库2中，带动水泵水轮机31转动，从而通过发电机32进行发电，可以持续稳定的发电。
23.井下机房3设置于废弃矿井中且位于上位水库1和下位水库2之间，井下机房3内设置有水泵水轮机31及与水泵水轮机31电连接的发电机32，上位水库1与下位水库2通过水泵水轮机31连通。
24.具体的，水泵水轮机31具有两种工作模式，当把下位水库2中的水泵送至上位水库1中时，其为水泵模式，当上位水库1中的水流到下位水库2中时，其为水轮机模式。
25.其中，上位水库1、下位水库2和井下机房3内分别设置有防水加固组件4以及用于监测防水加固组件4的监控组件5。
26.本技术中，通过水泵水轮机31将下位水库2中的水抽送到上位水库1中，从而将电力转换为水体位势能并在上位水库1中储存，切换水泵水轮机31的工作模式，上位水库1中的水放到下位水库2中，带动水泵水轮机31工作，通过发电机32持续发电，将持续稳定的电力输送给电网中，可以利用废弃矿井资源进行抽水蓄能，上位水库1、下位水库2和井下机房3均在废弃矿井的基础上修建，通过防水加固组件4提高上位水库1、下位水库2和井下机房3的稳固性和防水性能，通过监测组件实时监测防水加固组件4的情况，从而可以有效避免矿井内部因水流冲刷和长期浸泡而引发地质灾害的情况，提高安全性，延长整体的使用年限。
27.在一些实施例中，防水加固组件4包括封堵墙41、设置于封堵墙41内表面的防水层42、以及用于固定防水层42的支护件43；监控组件5包括设置于支护件43上的监测模块51以及与监测模块51电连接的中控模块。
28.具体的，封堵墙41设置于废弃矿井内作为加固层，通过防水层42起到防水的作用，防水层42采用防水卷材，避免废弃矿井内部长期浸泡而使得矿井结构发生变形的情况，支护件43用于对防水层42进行支撑，保证防水层42附着的牢固性，通过监测模块51监控矿井支护结构的受力情况以及是否发生位移，并将监测到的数据传递给中控模块，可以随时掌握上位水库1、下位水库2和井下机房3的结构情况。
29.在一些实施例中，支护件43包括：锚杆431、连接板432和顶紧螺杆433，其中：锚杆431贯穿防水层42和封堵墙41，且锚杆431的端部设置有安装板4311。
30.连接板432两端连接设置于两个锚杆431的安装板4311上。
31.顶紧螺杆433与连接板432通过螺纹连接，且顶紧螺杆433的端部设置有顶紧板434，顶紧板434与防水层42远离封堵墙41的一侧抵接。
32.本技术中，通过锚杆431贯穿防水层42和封堵墙41，连接杆的两端连接在锚杆431的安装板4311上，通过旋转顶紧螺杆433使得顶紧板434与防水层42抵接，从而对防水层42进行加固，具体的，顶紧板434与顶紧螺杆433可转动连接，而且顶紧板434与废弃矿井的内壁相匹配，可以使得顶紧板434可以充分与防水层42贴合，从而提高对防水层42的支撑效果。
33.具体的，锚杆431端部的安装板4311上设置有固定销，连接板432的两端设置有销孔，通过固定销插入销孔内，从而对连接板432的两端进行固定，进而对连接板432进行固定。
34.在一些实施例中，连接板432上沿自身长度方向设置有条形孔4321，条形孔4321处滑动设置有滑动块4322，滑动块4322上设置有与顶紧螺杆433螺纹配合的螺纹孔。
35.本技术中，通过滑动块4322沿条形孔4321滑动，从而对顶紧螺杆433的位置进行调节，进而对顶紧板434的位置进行调节，保证顶紧板434可以对防水层42进行有效支撑。
36.具体的，滑动块4322上还设置有用于固定滑动块4322的固定螺栓4323，固定螺栓4323的端部与连接板432抵接。
37.在一些实施例中，监测模块51设置于顶紧板434上且与防水层42抵接，监测模块51包括应力监测模块51和位移监测模块51。
38.本技术中，通过应力监测模块51监测矿井结构内部应力的变化，通过位移监测模块51监测矿井结构的变形情况，可以对矿井结构进行实时监控，以便在发生情况时及时进
行维护。
39.在一些实施例中，多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统还包括：井上机房6和能源转换组件7，其中：井上机房6设置于废弃矿井的上方，且井上机房6内设置有逆变器61及与逆变器61电连接的控制系统62，控制系统62与水泵水轮机31电连接。
40.能源转换组件7设置于地表，且能源转换组件7与逆变器61电连接。
41.其中，发电机32连接外部电网。
42.本技术中，控制系统62用于控制水泵水轮机31工作，具体的用于控制水泵水轮机31的工作模式，通过能源转换组件7产生电能，产生的电能一部分输送进电网，另一部分通过逆变器61和控制系统62启动水泵水轮机31，通过水泵水轮机31将下位水库2中的水泵送至上位水库1中，从而将电能转换成水位势能，避免能源大规模并网引起的对电网冲击，后期通过上位水库1中的水流到下位水库2中，通过水泵水轮机31和发电机32产生电能，将电能持续平缓的并入电网中。
43.在一些实施例中，井上机房6与井下机房3之间连通设置有检修通道。
44.本技术中，通过井上机房6与井下机房3之间的检修通道，方便进入井下机房3内，从而对井下机房3进行日常维护。具体的，在井上机房6的周边还可以设置备用水库，在上位水库1、下位水库2或者井下机房3产生结构变形或者渗水的情况时，可以将上位水库1和下位水库2中的水抽送进备用水库中，然后进入上位水库1或者下位水库2中进行修整。
45.在一些实施例中，能源转换组件7包括太阳能发电机组71和风能发电机组72。
46.本技术中，太阳能发电机组71和风能发电机组72为比较成熟的新能源发电形式，风能和太阳能具有随机性、波动性、反调峰性、间歇性、季节性和地域性等特点，产生的电能供应持续性和稳定性较差，能源大规模并网势必对电网造成冲击，配合本技术中的储能系统，对废弃矿井内部巨大的落差空间进行利用，通过太阳能、风能等可再生清洁能源发电，经水泵与水轮机将电能与水体位势能之间进行转换，实现电能的转换、储存与释放。
47.在一些实施例中，井上机房6内还设置有热泵机组63，热泵机组63与控制系统62电连接，上位水库1内设置有与热泵机组63连通的泵体11。
48.本技术中，利用矿井富水、恒温环境作为冷热源，通过泵体11和热泵机组63配合将地上用户供热制冷。具体的，供热模式，在上位水库1中放置泵体11与热泵机组63连接，通过控制系统62转换热泵机组63运行模式，将蒸发器与冷凝器调换即可完成供热与制冷模式的切换。在冬季，井下恒温雅尼温度高于井上环境温度，因此矿井水温度高于井上环境温度，由上位水库1汲取矿井水，通过热泵机组63提取其中的热量用于供暖、洗浴等。在夏季，井下恒温岩体温度低于井上环境温度，因此，矿井水温度低于井上环境温度，由上位矿井汲取矿井水，通过热泵机组63提取其中的冷量进行建筑空间制冷。
49.进一步的，能源转换组件7还包括太阳能集热机组73，太阳能集热机组73与热泵机组63连通。
50.本技术中，由于供暖季节对井下热量的消耗，在无需供暖的季节地下储能需要进行恢复期，以此来延长工作年限。通过太阳能集热机组73收集太阳能带来的热量，通过在太阳能板背面布置流动通路，通过水收集热量，注入地下上位水库1中，为储层恢复提供一定的帮助，而在需要供冷的夏季，也是太阳能集热最佳的时间段，在此期间日照时数、强度及
所带来的热量均处于高位，通过水收集太阳能集热/发电机32组收集到的热量，既在高温环境下对机组进行散热处理，又可以将热量供给到井下，为储层恢复提供帮助。
51.该多源耦合的废弃矿井抽水蓄能系统通过水泵水轮机31将下位水库2中的水抽送到上位水库1中，从而将电力转换为水体位势能并在上位水库1中储存，切换水泵水轮机31的工作模式，上位水库1中的水放到下位水库2中，带动水泵水轮机31工作，通过发电机32持续发电，将持续稳定的电力输送给电网中，可以利用废弃矿井资源进行抽水蓄能，上位水库1、下位水库2和井下机房3均在废弃矿井的基础上修建，通过防水加固组件4提高上位水库1、下位水库2和井下机房3的稳固性和防水性能，通过监测组件实时监测防水加固组件4的情况，从而可以有效避免矿井内部因水流冲刷和长期浸泡而引发地质灾害的情况，提高安全性，延长整体的使用年限。
52.前期改造：通过设计的发电量及供热制冷量选择合适高度差的巷道作为上位水库和下位水库，选择位置合适的硐室作为井下机房，将巷道及硐室中的杂物清除干净，防止运行期间杂物影响系统安全运行。为保证井下机房及水库的围岩稳定性，在硐室/巷道改造过程中通过新的支护结构对硐室/巷道进行加固，并构建防水封堵墙防止系统运行期间水体流失。为了预防围岩失稳、破坏硐室及围岩，实时监测围岩及封堵墙受力及变形，在封堵墙内及封堵墙与围岩间预先放置应力/位移监测装置，并与井上机房的监测系统连接。为了有效调控发电量及供热制冷量，有效监测井下水库环境变化，在上下水库相应位置布置温度/流量/水质检测系统，并与井上厂房的监测系统连接。
53.供电模式：井上太阳能及风能发电机组提供清洁电力，通过逆变器将直流电转换为交流电，为热泵机组和井下水泵\水轮机供电。通过控制系统调控水泵\水轮机工作模式，在向上位水库抽水时调整为水泵模式，将下位水库中的水输送到上位水库当中，将电力转换为水体位势能并在上位水库中储存；通过控制系统调控水泵\水轮机工作模式为水轮机模式，上水库向下水库放水，同时水轮机工作，通过发电机持续发电，将持续稳定的电力输送给井上负荷和电网。
54.供热制冷模式：在上位水库中放置水泵并与井上热泵机组连接，通过调控系统转换热泵机组运行模式，将蒸发器和冷凝器调换即可完成供热制冷模式的改变。在冬季，井下恒温岩土体温度高于井上环境温度，因此矿井水温度也高于井上环境温度，由上位水库汲取矿井水，通过热泵机组提取其中的热量用于供暖、洗浴等；在夏季，井下恒温岩土体温度低于井上环境温度，因此矿井水温度也低于井上环境温度，由上位水库汲取矿井水，通过热泵机组提取其中的冷量进行建筑空间制冷。
55.储热模式：由于供暖季节对于井下热量的消耗，在无需供暖的季节地下储层需要进入恢复期，以此来延长工作年限。可以将太阳能发电机组改为太阳能集热/发电机组，既通过太阳能发电，又可以收集太阳能带来的热量，通过在太阳能板背面布置流动通道，通过水收集热量，注入地下上水库中，为储层恢复提供一定帮助。而在需要供冷的夏季，也是太阳能集热最佳的时间段，在此期间日照时数、强度及所带来的的热量均处于高位，通过水收集太阳能集热/发电机组收集到的热量，既在高温环境下对机组进行散热处理，又可以将热量供给到井下，为储层恢复提供帮助。
56.应急处置及检修模式：当监测系统报警，水库/硐室发生破坏的可能或井下水质被污染（不达标）时，应立即停止系统的运行，将水库中的水抽送到地上备用水库放置，进行水
质检测及去污工作；并派遣专业人员通过井上井下联通检修通道进入井下进行检修作业。待所有警报解除后方可重新启动运行系统。
57.应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
58.应当容易地理解，应当按照最宽的方式解释本公开中的“在
……
上”、“在
……
以上”和“在
……
之上”，以使得“在
……
上”不仅意味着“直接处于某物上”，还包括“在某物上”且其间具有中间特征或层的含义，并且“在
……
以上”或者“在
……
之上”不仅包括“在某物以上”或“之上”的含义，还可以包括“在某物以上”或“之上”且其间没有中间特征或层（即，直接处于某物上）的含义。
59.此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向（旋转90度或者处于其他取向上），并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。
60.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
61.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。