本發(fā)明涉及一種基于臨退礦井井筒的壓縮空氣及廢熱混合儲能系統(tǒng)和方法，屬于深地儲能。

背景技術(shù)：

1、隨著可再生能源在電力生產(chǎn)中占比的增加，能源存儲的需求也日益凸顯。由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源的時空間歇性和不穩(wěn)定性，能源供需之間的平衡成為了相關(guān)領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)需要依賴儲能技術(shù)來補償可再生能源的波動，確保電力系統(tǒng)供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。在這一背景下，各種大規(guī)模儲能技術(shù)，包括壓縮空氣儲能（compressed?air?energy?storage-caes）和熱能儲存（thermalenergystorage-tes），成為了目前研究的熱點。

2、近年來，隨著煤炭去產(chǎn)能政策的實施和雙碳目標環(huán)境保護的壓力，大量資源枯竭及低產(chǎn)能煤礦被迫關(guān)閉并臨退。這些臨退礦井遺留地下空間及設(shè)施具有巨大的資源化再生利用潛力，可以被改造用于新的用途，如前述儲能系統(tǒng)。利用臨退礦井遺留地下空間及設(shè)施作為caes的儲存結(jié)構(gòu)，不僅可以解決傳統(tǒng)caes需要大型儲氣設(shè)施的問題，還可以為資源枯竭礦區(qū)、城市的振興提供新的就業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展機會。caes作為一種有效的大規(guī)模長時儲能方式，通過在電力需求低谷時壓縮空氣并儲存，在電力需求高峰時釋放壓縮空氣推動渦輪機發(fā)電，確保電力系統(tǒng)供應(yīng)的穩(wěn)定性。在上述過程中，caes在壓縮空氣過程中會產(chǎn)生大量的熱能，這些由電能、機械能轉(zhuǎn)化而來的熱量通常白白浪費。為了提高系統(tǒng)的整體效率，可存儲這部分熱量，并在需要時將其用于加熱釋放階段的空氣，實現(xiàn)壓縮空氣儲能及釋能過程中伴隨的廢熱儲用，協(xié)同作用提高發(fā)電效率。這一技術(shù)稱之為無熱源能量回收式絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，目前這一改進技術(shù)仍未有實際示范項目投入運行，其面臨的最大挑戰(zhàn)是如何保證壓縮空氣儲能及廢熱儲用的協(xié)同設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于臨退礦井井筒的壓縮空氣及廢熱混合儲能系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)及方法能夠?qū)嚎s空氣儲能系統(tǒng)和熱能儲存系統(tǒng)相結(jié)合，形成高效的混合儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)壓縮空氣和廢熱的同時儲用，充分利用臨退礦井的資源潛力。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于臨退礦井井筒的壓縮空氣及廢熱混合儲能系統(tǒng)，包括臨退礦井井筒，所述臨退礦井井筒內(nèi)部安裝有熱能儲存機構(gòu)，所述的熱能儲存機構(gòu)包括多個中空圓柱筒，多個圓柱筒從上至下沿臨退礦井井筒軸向布置，且與臨退礦井井筒同軸；相鄰的圓柱筒之間通過法蘭連接，且在法蘭盤內(nèi)部連接有篩孔托盤；各圓柱筒內(nèi)部均填充有固體熱儲存材料，外壁設(shè)有保溫層；所述保溫層與臨退礦井井筒內(nèi)部之間有間隙；

3、在多個中空圓柱筒形成的熱能儲存機構(gòu)外圓周上設(shè)有多組支撐單元，每組支撐單元包括多個支撐桿和一個環(huán)形井筒壁座，井筒壁座沿臨退礦井井筒內(nèi)壁圓周環(huán)向布置，各組支撐桿沿其所在高度處的熱能儲存機構(gòu)外圓周等間距布置，各支撐桿的一端與圓柱筒外壁連接，另一端向下傾斜連接至井筒壁座上；

4、所述臨退礦井井筒的頂部設(shè)有密封蓋板，密封蓋板上開設(shè)有用于連接進氣管道和出氣管道的通孔，進氣管道和出氣管道上均設(shè)有閥門；進氣管道和出氣管道的一端均與臨退礦井井筒內(nèi)部連通，進氣管道的另一端與壓縮機一端連接，壓縮機的另一端連接電動機；出氣管道的另一端與渦輪機一端連接，渦輪機的另一端連接發(fā)電機。

5、進一步地，所述的密封蓋板上設(shè)有透明檢查艙口。

6、進一步地，所述的支撐單元等間距沿臨退礦井井筒軸向布置，其數(shù)量不小于圓柱筒的個數(shù)；所述支撐桿為工字鋼。

7、進一步地，所述各圓柱筒內(nèi)部均填充的固體熱儲存材料為高熔點固體花崗巖巖石顆粒，所述巖石顆粒的粒徑大于篩孔托盤的篩孔孔徑；所述各圓柱筒外壁所設(shè)保溫層為低導(dǎo)熱系數(shù)保溫材料礦物巖棉。

8、進一步地，所述密封蓋板上開設(shè)的用于連接進氣管道和出氣管道的通孔貫通一體，所述通孔所在位置的密封蓋板上方設(shè)有熱能儲存機構(gòu)密封板，所述熱能儲存機構(gòu)密封板下端面貼合于密封蓋板上端面設(shè)置，開設(shè)有供進氣管道和出氣管道穿入熱能儲存機構(gòu)內(nèi)部的通孔。

9、一種基于臨退礦井井筒的壓縮空氣及廢熱混合儲能系統(tǒng)的儲能方法，包括如下步驟：

10、步驟一、對臨退礦井井筒在壓縮空氣充放氣循環(huán)階段的受力性能進行分析；

11、步驟二、初步確定臨退礦井井筒內(nèi)的壓縮空氣儲能模型；

12、步驟三、對步驟二中初步確定的壓縮空氣儲能模型進行數(shù)值模擬優(yōu)化；

13、步驟四、對步驟三中優(yōu)化后的壓縮空氣儲能模型進行網(wǎng)格獨立性驗證。

14、進一步地，所述步驟一的具體過程如下：

15、（1-1）通過各組支撐桿及井筒壁座將熱能儲存機構(gòu)的重量傳遞至臨退礦井井筒及巖體上，所述井筒壁座受力情況為：井筒壁座及所支撐單個圓柱筒的自身重力，取全部重力計算值，重力形成合力 n 1；井筒壁座承壓面法向壓應(yīng)力形成的合力，為井筒壁座承壓面和水平面夾角；井筒壁座承壓面法向壓應(yīng)力產(chǎn)生水平向分力，井筒對井壁產(chǎn)生反作用力；井筒壁座承壓面與基巖間的切向應(yīng)力形成的合力；在 x和 y方向建立平衡方程：

16、（1）；

17、整理得：（2）；

18、以井筒壁座承壓面為基準，在井筒圓周內(nèi)單位弧長井筒壁座的承壓面積a為：（3）；

19、井筒壁座承壓面所受應(yīng)力必須小于臨退礦井井筒圍巖的允許強度?，大小受圍巖類型影響，堅硬致密巖石mpa，中硬巖石mpa，軟巖mpa；由式（2）和（3）確定井筒壁座承壓面上的法向壓應(yīng)力為：（4）；

20、得到井筒壁座寬度 b的計算式為：（5）；

21、（1-2）當井筒壁座承壓面與基巖間相互滑動小，近似為承壓面與壁座間的切向應(yīng)力=0時，根據(jù)式（2）有：?（6）；

22、將式（6）帶入式（5）有：（7）；

23、（1-3）當井筒壁座與井筒間作用力小，近似為=0?時，式（5）退化為：（8）；

24、 b設(shè)計臨界值折中采用下式計算：（9）；

25、式中，合力 n 1的確定，沿臨退礦井井筒外周長取單位弧長受到的豎向壓力荷載為計算標準，忽略井筒壁座自重采用下式計算：（10）；

26、式中，?為井筒壁座支撐垂向自重，單位為mn；為熱能儲存機構(gòu)中單個圓柱筒的容重，單位為mn/m3；為熱能儲存機構(gòu)中單個圓柱筒的高度，單位為m；為熱能儲存機構(gòu)中圓柱筒的外半徑；為臨退礦井井筒外半徑，單位為m；（1-4）井筒壁座高度參數(shù) h采用下式計算：（11）；

27、式中，為壁座混凝土的抗剪強度，單位為mpa。

28、進一步地，所述步驟二的具體過程如下：

29、（2-1）根據(jù)裝機容量壓縮空氣儲能電站所需的儲氣工作壓力及運行壓力差，確定臨退礦井井筒外徑、內(nèi)徑、深度以及井筒內(nèi)體積；采用中溫蓄熱式壓縮空氣儲能技術(shù)，確定進入臨退礦井井筒中熱能儲存機構(gòu)第一個中空圓柱筒的壓縮空氣溫度，確定在24小時系統(tǒng)運行的一個完整循環(huán)過程中充氣時間、質(zhì)量流量、儲氣時間、壓縮空氣儲存溫度、膨脹釋放時間和質(zhì)量流量；

30、（2-2）根據(jù)熱能儲存機構(gòu)將壓縮機出口壓縮空氣溫度逐級降低至適合壓縮空氣儲能安全運行的水平，同時將壓縮廢熱以高溫度儲存，并在排氣階段將壓縮空氣再次加熱溫度升高，實現(xiàn)降低壓縮溫度、提高膨脹溫度的要求，?確定熱能儲存機構(gòu)中多個中空圓柱筒的長度、直徑、材質(zhì)、外部保溫材料和內(nèi)部儲熱材料；定義圓柱筒長徑比參數(shù)：（12）。

31、進一步地，所述步驟三的具體過程如下：

32、（3-1）采用ansys?fluent仿真軟件，對熱能儲存機構(gòu)運行過程進行傳熱數(shù)值模擬并分析傳熱過程，基于模擬結(jié)果通過調(diào)整固體儲熱材料充填床孔隙率、流道結(jié)構(gòu)、保溫層厚度和圓柱筒長徑比參數(shù)優(yōu)化模型；

33、（3-2）臨退礦井井筒熱能儲存機構(gòu)內(nèi)壓縮空氣流體在冷卻和加熱過程中，對流傳熱遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程，根據(jù)ansys?fluent軟件的userguide給出基本控制方程表達如下：

34、質(zhì)量守恒方程在流體力學(xué)中也可表述為連續(xù)性方程，即流體微元體在單位時間內(nèi)質(zhì)量的增加，等于同樣間隔時間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。質(zhì)量守恒方程其微分表達式如下式：（13）；

35、式中， t為時間項；為拉普拉斯算子，表示點積；為壓縮空氣密度；為壓縮空氣速度矢量；為圓柱筒（3）內(nèi)固體儲熱材料填充床的孔隙率；

36、動量守恒即微元體中流體的動量隨時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種外力之和。動量守恒方程采用非穩(wěn)態(tài)雷諾平均n-s方程求解，其表達形式如下：（14）；

37、式中， p為空氣壓力；為壓縮空氣微元體切向應(yīng)力張量；為壓縮空氣微元體外部體力；為壓縮空氣的動力粘度；和為與填充床參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，計算式如下：（15）；

38、式中，為圓柱筒（3）內(nèi)填充床固體儲熱材料的平均粒徑；

39、根據(jù)能量守恒方程，傳熱過程能量方程基于局部熱平衡假設(shè)，采用多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論分析，對圓柱筒內(nèi)填充床固體儲熱材料計算域滿足：（16）；

40、對壓縮空氣流體計算域滿足：（17）；

41、式中，為圓柱筒（3）內(nèi)填充床固體儲熱材料密度；為圓柱筒（3）內(nèi)填充床固體儲熱材料總能量；和分別為圓柱筒（3）內(nèi)填充床固體儲熱材料導(dǎo)熱系數(shù)和對應(yīng)溫度；和分別為壓縮空氣導(dǎo)熱系數(shù)和對應(yīng)溫度；為壓縮空氣流體相總能量；和分別為流固對流傳熱系數(shù)和傳熱面積；其中，固體填充床多孔介質(zhì)傳熱面積采用下式計算：（18）；

42、對流換熱系數(shù)通過其定義式和對流換熱系數(shù)影響因素特征數(shù)關(guān)聯(lián)式計算如下：（19）；

43、采用ergun公式計算壓縮空氣經(jīng)過圓柱筒內(nèi)填充床的壓力降：（20）；

44、（3-3）熱能儲存機構(gòu)中的圓柱筒外壁為絕熱面，內(nèi)部為多孔介質(zhì)，即：（21）。

45、進一步地，所述步驟四的具體過程如下：

46、（4-1）在ansys?fluent軟件中通過多層材料的鏈接設(shè)置薄層結(jié)構(gòu)，壓縮空氣、儲熱材料采取自定義函數(shù)udf設(shè)置其溫度依賴性，壓縮空氣的導(dǎo)熱系數(shù)取恒定壓力下的參數(shù)；以5mpa壓縮空氣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的自定義以來函數(shù)關(guān)系為：y=0.0629x+26.717，x為溫度，單位為℃；y為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為m?w·(m·k)–1；

47、（4-2）數(shù)值模型仿真計算過程中，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證以找到合適的網(wǎng)格數(shù)量。

48、本發(fā)明利用臨退礦井井筒作為壓縮空氣和熱能儲存場所，通過在臨退礦井井筒內(nèi)部嵌套熱能儲存機構(gòu)，形成一個封閉的、高壓的儲氣罐，使得壓縮空氣儲能系統(tǒng)和熱能儲存系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了壓縮空氣和廢熱的同時儲用。熱能儲存機構(gòu)集成取代傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的冷卻器、儲熱器、再熱器。本發(fā)明有效儲存壓縮空氣及其壓縮過程中產(chǎn)生的廢熱，提高了系統(tǒng)的整體效率，為電網(wǎng)提供了穩(wěn)定和可靠的能源供應(yīng)，促進了臨退礦井資源枯竭地區(qū)的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，同時減少了對化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，實現(xiàn)了經(jīng)濟和環(huán)境的雙重效益。