一种利用露天矿矿坑的储能装置和方法

1.本发明属于储能技术领域，具体地说是一种利用露天矿矿坑的储能装置和方法。


背景技术：

2.人类在采掘各类矿产(如煤炭、重金属等)的活动中，经常会形成面积广阔、深度可观的露天的矿坑，因地形、水文地质等原因，这些露天的矿坑往往会汇集大气降水、地下水、采掘活动产生的废水等各类水源后形成特定种类的人工湖，即露天的矿坑积水。
3.位于矿区的露天的矿坑积水水体中通常富含矿渣、重金属以及砷、镉、铜、锌、黄铁矿、硫酸等化学物质，表现为具有较强酸性的污水，水生物无法在该类水体存活，人类生活和工农业生产用水亦不能由此类水体获取。同时，露天的矿坑积水还占用了大量土地，却无法产生任何效益。可见，露天的矿坑积水已成为当前亟需解决的重大环境污染及土地占用问题。
4.同时，在电网存在用电高峰和波谷情况下，会产生电网负荷过大或产生多余的电力。而对于多余电力储存而言，目前存在抽水储能、飞轮储能、电化学电池储能、压缩空气储能、制氢储能、低温储能或电容器储能等储存方式。储存电力的一个关键问题是，这些已知方法中的大多数涉及较差的循环效率，并且在许多情况下，在储存电能时会由于内部放电而损失能量。


技术实现要素：

5.为解决矿坑的改造困难及降低储能装置建设成本的问题，本发明提供一种利用露天矿矿坑的储能装置和方法。
6.本发明一方面是通过下述技术方案实现的。
7.一种利用露天矿矿坑的储能装置，包括设置于矿坑内的储能装置，储能装置包括漂浮于矿坑水中的平台，所述平台上设有配电站、起重装置和电动发电一体机，所述起重装置的作业端设有提升装置，所述起重装置的卷筒上缠绕有经提升装置并向下延伸进水中的钢丝绳，所述钢丝绳一端连接有重物，另一端与电动发电一体机的卷筒连接；
8.所述电动发电一体机分别与配电站、起重装置和提升装置电连接；所述配电站连接电网。
9.通过重物被提升至高位后的释放，钢丝绳带动电动发电一体机上的卷筒转动，驱动电动发电一体机发电后并入到电网中。
10.本发明的进一步改进还有，上述平台为波浪能电站。波浪能电站与配电站电连接，以将电能并入到电网。
11.本发明的进一步改进还有，上述电动发电一体机、起重装置、提升装置及重物设有至少两组。多个起重装置和提升装置共同使用个电动发电一体机，保证储存大量的能量。
12.本发明的进一步改进还有，上述储能装置还包括控制器，所述控制器连接于配电站和电动发电一体机之间；在电网用电谷期，电动发电一体机获得电力并驱动起重装置和
提升装置将重物向上提升储存能量；当电网用电高峰期，起重装置和提升装置降落重物，带动电动发电一体机发电并将电能通过配电站并入电网。通过控制器调整起重装置与提升装置配合对重物的升降。
13.本发明的进一步改进还有，上述提升装置设有两个，且两个提升装置安装在平台上。
14.本发明的进一步改进还有，上述所述提升装置并向下延伸的钢丝绳绕过导向辊与平台连接，所述导向辊安装在重物上。节省对重物提升的耗能。
15.本发明另一方面是通过下述技术方案实现的。
16.一种利用露天矿矿坑的储能装置的储能方法，包括以下步骤：
17.s1、电网用电谷期，电动发电一体机获得电力由提升装置提升重物至平台高度储存能量；
18.s2、电网用电高峰期，提升装置降落重物至最低点，带动电动发电一体机的卷筒转动发电接入电网。
19.本发明的进一步改进还有，在s1后，起重装置带动作业端的提升装置增幅。增幅后，提升装置的高度进一步得到提高。
20.本发明所述的一种利用露天矿矿坑的储能装置和方法，解决了矿坑积水环境中面临的下述问题：1、有效利用开发难度极大的矿坑积水水面，解决发电或储能占用土地资源的问题。2、有效解决了矿坑后续陆续塌陷区复杂地质环境带来的电站安装和使用寿命问题。3、有效解决储能站建设中的集约化高效实施问题、后期维护的复杂技术及矿区塌陷不确定性问题。4、本发明露天积水矿坑储能发电装置的经济性也很显著：土地使用零成本。5、本发明的储能效果更好。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
22.图1为本发明具体实施方式的储能装置实施例一的结构示意图；
23.图2为本发明具体实施方式的储能装置实施例二的结构示意图。
24.附图中：1、矿坑，2、平台，3、配电站，4、控制器，5、电动发电一体机，6、起重装置，7、提升装置，8、钢丝绳，9、重物，10、导向辊。
具体实施方式
25.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
26.已知重物9的升高和降低与能源的使用和产生有关。为了提升物体，需要利用能源进行做功，产生一个势能epot＝m
·g·
h。(m＝质量，单位为kg，g＝重力加速度9.81m/sec2，h＝垂直升力，单位为m)。
27.如果重1kg的重物9升高1m左右，则重力势能为9.81nm。在下面的示例计算中，1kg重物9势能设置为行程约1m，简化为10nm和/或10wg。
28.因此使用坚固的重物9的重力来存储电力是可行的。
29.本发明为了解决矿坑1的利用和电力调节问题，提出了一种储能装置和储能方法。
30.实施例一，如图1所示，一种利用露天矿矿坑1的储能装置，所述储能装置设置在矿坑1中，所述矿坑1中具有深水，所述储能装置包括平台2，所述平台2漂浮在矿坑1的水中；平台2为波浪能电站。波浪能电站与配电站3电连接，以将电能并入到电网。所述平台2上设有配电站3、起重装置6和电动发电一体机5，所述起重装置6的作业端设有提升装置7，所述起重装置6的卷筒上缠绕有经提升装置7并向下延伸进水中的钢丝绳8，所述钢丝绳8一端连接有重物9，另一端与电动发电一体机5的卷筒连接；
31.所述电动发电一体机5分别与配电站3、起重装置6和提升装置7电连接；所述配电站3连接电网。
32.所述电动发电一体机5、起重装置6和提升装置7均包括两个，各悬挂一个重物9，所述提升装置75利用所述电动机/电动发电一体机5提升和降低自由悬挂在水中的重物9。
33.所述储能装置还包括控制器4，所述控制器4连接于配电站3和电动发电一体机5之间；在电网用电谷期，电动发电一体机5获得电力并驱动起重装置6和提升装置7将重物9向上提升储存能量；当电网用电高峰期，起重装置6和提升装置7降落重物9，带动电动发电一体机5发电并将电能通过配电站3并入电网。通过控制器4调整起重装置6与提升装置7配合对重物9的升降。可再生能源(如风能和/或太阳能)的生产与突然波动有关，这种波动必须达到平衡。此外，当前平衡这种波动的成本会随时间和季节而变化。因此也需要合适的储能装置来调节这种波动使其达到平衡。
34.具体的，电网用电谷期，电动发电一体机5获得电力由提升装置7提升重物9至平台2高度储存能量；然后，起重装置6带动作业端的提升装置7增幅。增幅后，提升装置7的高度进一步得到提高。电网用电高峰期，提升装置7降落重物9至最低点，带动电动发电一体机5的卷筒转动发电接入电网。
35.当使用一个提升装置7时，每个提升装置7的需要的提升重量为超过3600t。
36.当所述矿坑1深达400m时，至少有300m的下沉深度，设其下沉深度为300m。因此，随着重物9的下降，势能值为：3600000kg
×
300m
×
10ws/kg
·
m＝10.800.000.000wg＝3000kw/h＝3mwh。
37.如果提升装置7具有1mw的输出，则重物9的行程或下沉过程需要3小时。
38.实施例二，如图2所示，其他不变，两个提升装置7安装在平台2上，提升装置7的卷筒延伸至平台2的外沿，且两个提升装置7共同提升一个重物9。穿过提升装置7并向下延伸的钢丝绳8绕过导向辊10与平台2连接，所述导向辊10安装在重物9上。这种布置使钢丝绳8的必要牵引力减半。在导向辊10的作用下，可以进一步降低必要的牵引力。节省对重物9提升的耗能。
39.具体的，电网用电谷期，电动发电一体机5获得电力由提升装置7提升重物9至平台2高度储存能量；然后，起重装置6带动作业端的提升装置7增幅。电网用电高峰期，提升装置7降落重物9至最低点，带动电动发电一体机5的卷筒转动发电接入电网。
40.实施例二中对于占地面积的估算方法：设重物9具有10
×
100
×
500m尺寸，其排水
量为500000m3的排水量。根据示例计算，平台2具有足够的承载能力，平台2的面积为50000m2，总输出量可达100mw，存储容量为300mwh。
41.而对于一般的露天开采矿坑1，其矿坑1坑口面积通常均超几个平方公里或几十平方公里，因此可以在其表面建设多个储能站，例如约50平方公里的矿坑1坑口，可以至少设置100个储能站，总电力输出量为可达10gw。这样的规模对于电网的调节能力就相当可观。
42.将储能装置设置浮动平台2上具有以下优点：存储电站可以建立在深水中。由于重物9的运动使水域的水位保持不变，因此对自然界的干扰很小。
43.该储能电站不需要混凝土坝来调节水的自然排放或周围的其他干扰。
44.该储能电站选择利用废弃的矿坑1，实现了废物的充分利用。
45.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同、相似部分互相参见即可。
46.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”“内侧”等如果存在是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
47.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。