一种地下硐室及具有其的储能系统的制作方法

1.本发明涉及地下能源存储技术领域，具体涉及一种储能地下硐室及具有其的储能系统。


背景技术：

2.压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。
3.相较于传统的化石能源，风电、光伏发电等绿色可再生能源更加环保，但却有着间歇性、波动性特性，存在着稳定性和持续性不足的问题。硐室是一种未直通地表出口的、横断面较大而长度较短的水平坑道，硐室的四周是围岩。为了解决上述问题，需要利于大规模储能技术，而压缩空气储能是一种常用的大规模储能技术，被压缩后的空气存储于硐室内。根据气体定律，空气被压缩后，空气分子之间的距离减小，分子之间的碰撞会增多，从而产生热量使温度上升；空气被释放后，空气分子之间的距离增大，分子之间的碰撞会减小，从而吸收热量使温度降低。根据上述分析，在空气被压缩和释放过程中，存储压缩空气的硐室的温度会出现一定的温度差，对于硐室的围岩而言，温度的变化会影响到岩体的性质，温度升高导致围岩的延性增大，使得屈服点降低、强度降低，影响到围岩的稳定性。此外，长时间的温度高与温度低之间的往复变化，会导致围岩出现裂缝，从而减少硐室的使用寿命。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的地下硐室在存储压缩空气过程中，因温度变化影响围岩稳定性、降低使用寿命的缺陷，从而提供一种地下硐室及具有其的储能系统。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种地下硐室，包括：
6.围岩结构，设有开口的容纳空间；
7.储气结构，与所述容纳空间的内壁贴合，包括密封层和隔热层，所述密封层内适于容纳压缩空气，所述隔热层设于所述密封层和容纳空间的内壁之间，所述隔热层以隔绝密封层内的压缩空气与围岩结构之间的热量的流动。
8.可选地，所述隔热层为铝箔隔热卷材。
9.可选地，所述储气结构还包括储能层，所述储能层设于所述密封层和隔热层之间。
10.可选地，还包括设于隔热层和储能层之间的混凝土结构。
11.可选地，所述混凝土结构包括回填混凝土层，所述回填混凝土层内设有钢筋网，所述钢筋网与容纳空间的内壁之间固定设有至少三根锚杆。
12.可选地，所述混凝土结构还包括设于混凝土砌块层，所述混凝土砌块层包括至少两块混凝土衬砌，所述混凝土砌块层设于所述隔热层与回填混凝土层之间，相邻的混凝土衬砌间设有衬砌固定块。
13.可选地，所述混凝土砌块层与所述回填混凝土层之间设有润滑层。
14.可选地，所述衬砌固定块的槽口与隔热层通过密封胶粘接固定，所述衬砌固定块与回填混凝土层间固定设有紧固件。
15.可选地，所述衬砌固定块与混凝土衬砌间设有橡胶止水条。
16.一种储能系统，包括上述的地下硐室，还包括控制器，空气压缩机组、发电机组、以及设于所述围岩结构开口处的阀门，所述控制器分别与空气压缩机组、发电机组和阀门信号连接。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.1.本发明提供的地下硐室，包括：围岩结构，设有开口的容纳空间；储气结构，与容纳空间的内壁贴合，包括密封层和隔热层，密封层内适于容纳压缩空气，隔热层设于密封层和容纳空间的内壁之间，隔热层起到了隔绝密封层内的压缩空气与围岩结构之间的热量的流动的作用，密封层内压缩空气在储气(压缩空气)和放气(释放空气)过程中出现温度变化，隔热层实现了避免温度变化中热量到达围岩结构的技术效果，降低围岩温度的变化，从而使围岩结构保持性质，提升围岩结构的稳定性，进而延长硐室使用寿命。
19.2.本发明提供的地下硐室，储气结构还包括储能层，储能层设于密封层和隔热层之间，储能层在储气时吸收热量，放气时释放热量，从而调节密封层内的压缩空气温度，以降低容纳空间在储气、放气过程中的温度波动，减少温度波动的范围，还可与隔热层共同作用，以减少到达隔热层的热量。
20.3.本发明提供的地下硐室，还包括设于隔热层和储能层之间的混凝土结构，混凝土结构包括回填混凝土层，回填混凝土层内设有钢筋网，钢筋网与容纳空间的内壁之间固定设有至少三根锚杆，锚杆以起到提升围岩强度和刚度固定作用，以减小围岩在受到压力作用下的变形。同时，钢筋网一方面增强了硐室的整体强度，进而可以承担硐室内的部分空气压力，另一方面回填混凝土内部设置钢筋网避免钢筋网与空气接触氧化产生锈蚀。
21.4.本发明提供的地下硐室，混凝土结构还包括混凝土砌块层，混凝土砌块层包括至少两块混凝土衬砌，混凝土砌块层设于隔热层与回填混凝土层之间，相邻的混凝土衬砌间设有衬砌固定块。分块式混凝土衬砌放置防止混凝土砌块在放气过程中变形过大而失稳，衬砌固定块以对相邻的混凝土衬砌进行固定，还可有效避免混凝土衬砌在受到压力时出现裂缝。
22.5.本发明提供的地下硐室，混凝土砌块层与回填混凝土层之间设有润滑层，润滑层起到降低混凝土衬砌受到压缩空气压力作用而变形移动在界面产生摩擦力的作用，降低混凝土衬砌产生裂缝的风险。
23.6.本发明提供的地下硐室，衬砌的槽口与隔热层通过密封胶粘接，以使隔热层与混凝土砌块层贴合，还可防止储气结构在压力作用下因槽口的出现发生破坏。砌块固定块与回填混凝土层间固定设有紧固件，紧固件以使砌块固定块与回填混凝土层固定连接。
24.7.本发明提供的地下硐室，衬砌固定块与混凝土衬砌间设有橡胶止水条，通过利用橡胶止水条遇水膨胀的特性，充分填充混凝土衬砌和衬砌固定块之间的缝隙，提升地下硐室的密封性。
25.8.本发明提供的储能系统，由于采用了上述任一项所述的地下硐室，因此具有上述任一项所述的优点。还包括控制器，空气压缩机组、发电机组、以及设于围岩结构开口处
的阀门，控制器分别与空气压缩机组、发电机组和阀门信号连接。当电量富裕时，控制器打开阀门控制空气压缩机组压缩空气，使地下硐室的密封层内充满压缩空气；当电量匮乏时，控制器打开阀门，压缩空气驱动发电机组发电，发出的电力经电网到达用户的设备。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
27.图1为本发明的实施方式中提供的地下硐室的截面图；
28.图2为本发明的实施方式中提供的相邻混凝土衬砌间的结构示意图；
29.图3为本发明的实施方式中提供的混凝土衬砌、润滑层和回填混凝土层的结构示意图；
30.图4为本发明的实施方式中提供的钢筋网的展开示意图；
31.图5为本发明的实施方式中提供的钢筋网与锚杆连接的结构示意图。
32.附图标记说明：1、密封层；2、储能层；3、隔热层；4、衬砌固定块；5、混凝土衬砌；6、紧固件；7、回填混凝土层；8、钢筋网；9、锚杆；10、围岩结构；11、排水管；12、橡胶止水条；13、密封胶；14、润滑层；15、压缩空气。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
37.本发明提供的地下硐室，包括：围岩结构10，设有开口的容纳空间；储气结构，与容纳空间的内壁贴合，包括密封层1和隔热层3，密封层1内适于容纳压缩空气15，隔热层3设于密封层1和容纳空间的内壁之间，隔热层3起到了隔绝密封层1内的压缩空气15与围岩结构10之间的热量流动的作用，从而阻断了密封层1内的压缩空气15的热量传递至围岩结构10，
提升了围岩在循环载荷作用下的长期强度。
38.具体的，在储气和放气过程中，由于空气分子间距的变化而导致密封层1内压缩空气15出现温度变化，隔热层3实现了避免温度变化中热量到达围岩结构10的技术效果，降低围岩温度的变化，从而使围岩结构10保持性质，提升围岩结构10的稳定性，进而延长硐室使用寿命。
39.如图1－图5所示的地下硐室的一种具体实施方式，包括：围岩结构10、设有开口的容纳空间，容纳空间内设有储气结构和混凝土结构，其中，储气结构和围岩结构10之间设有混凝土结构。
40.如图1所示，储气结构包括依次由内向外设置的密封层1、储能层2和隔热层3，其中，密封层1内容纳有压缩空气15，隔热层3的两侧分别与储能层2和混凝土结构连接，密封层1、储能层2和隔热层3间相互紧紧贴合，三者之间通过耐高温强力胶黏剂进行连接，以防止施工和应用过程中出现脱落。具体的，密封层1的材质为丁基橡胶，储能层2的材质为聚乙二醇，隔热层3为铝箔隔热卷材。
41.如图1、图2、图3所示，混凝土结构包括依次由内向外设置的混凝土砌块层和回填混凝土层7，其中，混凝土砌块层由十二块混凝土衬砌5围合而成，相邻的混凝土衬砌5间设有一块衬砌固定块4。具体的，混凝土衬砌5为由工厂提前预制的钢筋混凝土砌块，厚度为300mm。如图2所示，为使混凝土砌块层与回填混凝土层7固定连接，每一衬砌固定块4与回填混凝土层7间通过紧固件6固定连接，紧固件6与回填混凝土层7固定后会在衬砌固定块4上形成有槽口。具体的，紧固件6为高强度膨胀螺栓。为避免密封层1、储能层2和隔热层3由于槽口的出现在受到压缩空气15压力时而发生破坏，衬砌固定块4的槽口内填充有密封胶13，且密封胶13与隔热层3胶接设置。为填充混凝土衬砌5和衬砌固定块4之间的缝隙，如图2所示，混凝土衬砌5和衬砌固定块4之间设有橡胶止水条12。
42.如图1所示，回填混凝土层7由现场浇筑的方式制作，厚度为300mm。为保证回填混凝土层7的强度，如图1、图4所示，回填混凝土层7内设有钢筋网8，钢筋网8内的钢筋与钢筋之间形成有三角形结构，以通过三角形结构提升钢筋网8抵抗变形的能力，以使钢筋网8承受一部分压缩空气15的压力。为使回填混凝土层7与围岩结构10固定，如图1、图4、图5所示，钢筋网8的三角形结构的每一个交点上均连接有锚杆9，锚杆9露出容纳空间内壁的部分与钢筋网8连接，即，锚杆9的钢绞线露出的部分与钢筋网8固定连接，多根锚杆9的设置以增强围岩的模量和强度，提升围岩抵抗压缩空气15压力而产生的变形的能力。为排出围岩结构10和回填混凝土层7间的积水，还包括设于回填混凝土层7内靠近容纳空间处设置的排水管11。为避免回填混凝土层7与混凝土砌块层间的刚性摩擦，如图3所示，还包括设于回填混凝土层7与混凝土砌块层之间润滑层14，润滑层14起到降低混凝土衬砌5受到压缩空气15压力作用而变形移动在界面产生摩擦力的作用，降低混凝土衬砌5产生裂缝的风险。具体的，润滑层14的材质为聚四氟乙烯。
43.一种地下硐室的施工方法，包括以下步骤：
44.根据相关硐室设计参数开挖硐室，待硐室围岩变形稳定后，按照设计长度、间距在围岩内钻孔，进行锚杆9施工作业；
45.对锚杆9露出容纳空间内壁的钢绞线进行折弯，与钢筋网8进行连接；
46.安装模具，在硐室底部埋设排水管11，在模具和围岩间浇筑回填混凝土，待浇筑完
成12小时后，进行浇水养护14天，待已浇筑的混凝土龄期达到14天后，拆除回填混凝土表面的模板，在拆除模板的区域进行润滑材料施工，循环往复，直至回填混凝土层7浇筑完毕和润滑材料安装完成；
47.在硐室内进行衬砌固定块4施工作业，钻孔并采用紧固件6进行固定；
48.在衬砌固定块4内的槽口内填充密封胶13封闭，保证衬砌固定块4表面平整，在衬砌固定块4两侧设置橡胶止水条12，吊装混凝土衬砌5，循环往复，直至混凝土砌块层施工完毕；
49.进行整个硐室施工，自硐室底部向顶部进行分区域施工，先将整个硐室分为若干个区域，同一个区域内在衬砌固定块4表面用胶粘结铺设隔热层3，再铺设储能层2，最后铺设密封层1，其中，隔热层3、储能层2和密封层1间通过耐高温强力胶粘结设置。当上一个区域全部铺设完成后，再进行下一个区域的铺设工作，直至铺满整个地下硐室。
50.一种储能系统，包括上述地下硐室及施工方法，还包括控制器，空气压缩机组、发电机组、以及设于围岩结构10开口处的阀门，控制器分别与空气压缩机组、发电机组和阀门信号连接。
51.具体使用过程中，当电量富裕时，控制器打开阀门控制空气压缩机组压缩空气15，使地下硐室的密封层1内充满压缩空气15；当电量匮乏时，控制器打开阀门，压缩空气15驱动发电机组发电，发出的电力经电网到达用户的设备。
52.本发明提供的地下硐室，通过隔热层3切断了硐室内部与围岩间的热量传递，有效降低了围岩结构10的温度变化，大幅降低围岩结构10产生疲劳破坏的风险，分块式的混凝土衬砌5有效控制裂缝发生的数量和位置，润滑层14减小了混凝土衬砌5因变形移动在界面产生的作用力，提升了衬砌的使用寿命。通过上述储气结构和混凝土结构的综合作用，本发明提供的地下硐室可大幅提升硐室运行中稳定性、密封性和使用寿命，可保证储能系统长期的安全、稳定运行。
53.作为替代的实施方式，混凝土衬砌5数量还可为2块、3块甚至更多块。
54.作为替代的实施方式，混凝土衬砌5的厚度还可为350mm、400mm、500mm等其它厚度。
55.作为替代的实施方式，回填混凝土层7的厚度还可为350mm、400mm、500mm等其它厚度。
56.作为替代的实施方式，密封层1的材质还可为钢板、三元乙丙橡胶、天然橡胶、玻璃钢等其他材料。
57.作为替代的实施方式，储能层2的材质还可为生物质晶形蜡、冰晶化合物等其他材料。
58.作为替代的实施方式，隔热层3的材质还可为超细玻璃棉、高硅氧棉、氨脂泡沫塑料等其他材料。
59.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。