本发明一种利用虹吸效应的废弃井巷与地表联合抽水储能系统与方法，属于废弃矿井采空区再利用与新能源应用技术领域。
背景技术：
新能源发电以其燃料成本低，环境污染少等优点成为发展最快的发电形式，在能源结构中扮演着不可或缺的角色，发展可再生能源是许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国推进能源生产和消费革命、推动能源转型的重要措施。2016年全国风电装机14864万千瓦，太阳能发电7742万千瓦，分别占全国的电力装机总量的9%和5%。但是由于风能，太阳能的的间歇性、随机性，增加了新能源并网输出功率的不确定性，增加了电力系统调度的难度，很大程度上制约了新能源技术的发展，很多地区出现了大规模的弃风和弃光现象。储能技术被认为是提升电网接纳风电和太阳能发电的能力的重要手段。
电池储能、热储存、抽水蓄能等储能技术可以起到移峰填谷、提高电网运行稳定性和经济性，以及为电网提供调频、调相、事故备用等作用，可以有效解决新能源电力系统中大规模弃风、弃光的现象。
抽水蓄能技术已经成功运用了100多年，它是目前人类大规模电能储蓄中成熟度最高、可靠性和经济性最好的技术。抽水储能指将水抽到高处的蓄水池中储存，需要时再开闸放水，利用水力涡轮发电的一种蓄能方式。
随着煤炭去产能的深入推进，大批煤矿被淘汰，成为废弃矿井。在煤炭去产能、矿区转型发展的大背景下，废弃矿井利用项目顺势而生，其中废弃矿井空间利用就是一个热点研究内容。
到2020年，我国废弃矿井数量将达到约1．2万个，按每个矿井60万立方米计算，将包含72亿立方米地下空间资源。波兰、德国、美国、澳大利亚等国家在废弃矿井资源化利用方面做了大量探索，主要利用模式包括：旅游和科普教育、地下储库、特殊实验或疗养场所。2017年3月，德国煤炭巨头鲁尔集团（rag）决定与杜伊斯堡-埃森大学合作，计划将服役150年的prosper-haniel煤矿于2018年关停以后改造成一个200mw的抽水蓄能水电站，用于储存过剩的风能和太阳能，这是全世界第一个建设规划中的抽水储能电站。
废弃矿井抽水储能技术将传统的抽出储能技术与废弃矿井治理相结合，利用废弃井巷间或其与地表的势差实现抽水储能，不仅可以获得传统抽水蓄能电站移峰填谷、提高电网运行稳定性和经济性，为电网提供调频、调相、事故备用等功能，同时还具有不依赖地表地形，可以大规模节约地面土地资源等优势。
废弃矿井抽水储能是现阶段废弃矿井空间利用的重要研究领域，综合考虑矿井老空水的酸性对环境的污染和抽水储能设备、管道系统的腐蚀、矿井水地表利用以及废弃矿井中大量水体突水威胁和工程施工难度等方面因素。在此提出了一种利用虹吸效应的废弃矿井与地表联合抽水储能的系统和方法。
技术实现要素：
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种利用虹吸效应的废弃井巷与地表联合抽水储能系统与方法，解决了新能源领域发展中电力储存、废弃矿井空间利用、采空区酸性水治理、矿井水地表利用以及地下硐室和巷道系统施工难度和安全性等问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：利用虹吸效应的废弃井巷与地表联合抽水储能系统，包括多个存在落差的废弃井巷、巷道、机电硐室、井筒和地表储水池，所述巷道位于废弃井巷上方，所述巷道两端均与井筒连通，所述井筒的上端与地面连通，所述巷道内设置有机电硐室，所述机电硐室内设置可逆式抽水蓄能机组，所述可逆式抽水蓄能机组通过第二通水道与地表储水池连通，并通过阀门和管道组合控制第二通水道和第一通水道内的通断和流向，其中，所述的第二通道的一端与可逆式抽水蓄能机组连通，所述的第二通道的一端与地表储水池连通，多个所述第一通水道的一端与可逆式抽水蓄能机组连通，多个所述第一通水道的另一端分别与对应的废弃井巷连通，用于将地表储水池内的水排入废弃井巷内或将通过虹吸效应将上方废弃井巷的水排放至下方废弃井巷，并通过可逆式抽水蓄能机组发电，或用于利用可逆式抽水蓄能机组逆向通过第一通水道、第二通水道将水抽至地表储水池或上方的废弃井巷，进行抽水蓄能。
所述废弃井巷与地面之间设置有通气道，所述通气道一端与废弃井巷连通，所述通气道另一端延伸至地表，与地面设置的甲烷收集处理装置连接。
所述地表储水池与地面设置的水处理装置连接，或与水利用设备连接。
本发明一种利用虹吸效应的废弃井巷与地表联合抽水储能方法，其特征在于，按下述步骤实施：
第一步：对废弃井巷内部做防水处理；
第二步：将处于下方的废弃井巷内注满水待用；
第三步：将风力或太阳能或核能发电站供大于求时的部分电能输入机电硐室内，并驱动机电硐室内的可逆式抽水蓄能机组将上方废弃井巷内的水抽到地表储水池内，进行抽水蓄能；
第四步：当风力或太阳能或核能发电站发电量供不应求时，打开已经完成抽水蓄能的地表储水池的第二通水道，地表储水池内的水利用重力势能驱动机电硐室内的可逆式抽水蓄能机组进行发电，并将产生的电能补充到发电量不足的线路中，同时水沿第一通水道进入地表储水池上方的废弃井巷中，并利用虹吸原理将上方的废弃井巷内的水提升后排入下方废弃井巷中，同时利用水的重力势能发电；
第五步：重复第三步和第四步，实现抽水储能循环利用。
所述地表储水池利用与之连接的地面设置的水处理装置或水利用设备，实现地表储水池中水的处理和综合利用，并通过抽水储能循环，实现废弃井巷中水体环境的治理。
所述通气道利用与之连接的地面设置的甲烷收集处理装置，实现充水或排水时平衡气压及废弃矿井伴生气体综合利用。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明有效利用了煤矿废弃井巷的空间储存能力进行抽水储能，较地表抽水储能和传统废弃矿井抽水储能节约了大量地表土地资源，在矿井生产过程中即可同时利用废弃井巷进行抽水储能系统建设，提高了抽水储能系统的可控性和废弃井巷空间资源的利用效率，有助于提高可再生能源大规模利用的电力系统稳定性，推动煤炭资源枯竭型城市转型发展。通过地表储水结构可以对采空水水质进行改善和治理，同时也可以成为地面部分工业、绿化和生活用水的水源。利用虹吸效应将巷道系统布置在废弃井巷的上部，减少了巷道和硐室施工的工程量和难度，增加了系统安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中：1为废弃井巷、2为巷道、3为机电硐室、4为井筒、5为第一通水道、6为通气道、7为地表储水池、8为第三通水道。
具体实施方式
如图1所示，本发明利用虹吸效应的废弃井巷与地表联合抽水储能系统，包括多个存在落差的废弃井巷1、巷道2、机电硐室3、井筒4和地表储水池7，所述巷道2位于废弃井巷1上方，所述巷道2两端均与井筒4连通，所述井筒4的上端与地面连通，所述巷道2内设置有机电硐室3，所述机电硐室3内设置可逆式抽水蓄能机组，所述可逆式抽水蓄能机组通过第二通水道8与地表储水池7连通，并通过阀门和管道组合控制第二通水道8和第一通水道5内的通断和流向，其中，所述的第二通道8的一端与可逆式抽水蓄能机组连通，所述的第二通道8的一端与地表储水池7连通，多个所述第一通水道5的一端与可逆式抽水蓄能机组连通，多个所述第一通水道5的另一端分别与对应的废弃井巷1连通，用于将地表储水池7内的水排入废弃井巷1内或将通过虹吸效应将上方废弃井巷1的水排放至下方废弃井巷1，并通过可逆式抽水蓄能机组发电，或用于利用可逆式抽水蓄能机组逆向通过第一通水道5、第二通水道8将水抽至地表储水池7或上方的废弃井巷1，进行抽水蓄能。
所述废弃井巷1与地面之间设置有通气道6，所述通气道6一端与废弃井巷1连通，所述通气道6另一端延伸至地表，与地面设置的甲烷收集处理装置连接。
所述地表储水池7与地面设置的水处理装置连接，或与水利用设备连接。
本发明一种利用虹吸效应的废弃井巷与地表联合抽水储能方法，其特征在于，按下述步骤实施：
第一步：对废弃井巷1内部做防水处理；
第二步：将处于下方的废弃井巷1内注满水待用；
第三步：将风力或太阳能或核能发电站供大于求时的部分电能输入机电硐室3内，并驱动机电硐室3内的可逆式抽水蓄能机组将上方废弃井巷1内的水抽到地表储水池7内，进行抽水蓄能；
第四步：当风力或太阳能或核能发电站发电量供不应求时，打开已经完成抽水蓄能的地表储水池7的第二通水道8，地表储水池7内的水利用重力势能驱动机电硐室3内的可逆式抽水蓄能机组进行发电，并将产生的电能补充到发电量不足的线路中，同时水沿第一通水道5进入地表储水池7上方的废弃井巷1中，并利用虹吸原理将上方的废弃井巷1内的水提升后排入下方废弃井巷1中，同时利用水的重力势能发电；
第五步：重复第三步和第四步，实现抽水储能循环利用。
所述地表储水池7利用与之连接的地面设置的水处理装置或水利用设备，实现地表储水池7中水的处理和综合利用，并通过抽水储能循环，实现废弃井巷1中水体环境的治理。
所述通气道6利用与之连接的地面设置的甲烷收集处理装置，实现充水或排水时平衡气压及废弃矿井伴生气体综合利用。
本发明在每个井筒4上端的地面上建有井口房。
本发明包括地表储水结构、废弃井巷、井筒、巷道、机电硐室、抽水及发电机组、通水道、通气道及井口房，其中包括不少于两个独立的废弃井巷，不少于一个地表储水结构；因废弃井巷和地表储水结构个数变化，系统中包含不少于一个机电硐室；抽水及发电机组可以实现电动抽水和水力发电两个功能。
本发明由井口房、井筒、巷道、机电硐室组成井下的通风、行人系统，布置有矿井提升、通风、运输、供电、通信联络、监测监控相关设备，同时提供电力和通水道的铺设空间；由废弃井巷、通水道、抽水及发电机组构成矿井的水循环系统，一部分通水道铺设在上述井筒和巷道或因通水道需要开掘的巷道、钻孔等专用通道中；所述的通水道一端连接抽水及发电机组，一端连接废弃井巷或地表储水结构；所述的通气道中即布置有风管；与同一个废弃井巷连接的通水道按废弃井巷中煤柱分割产生的结构不同和通水吸水、充水的作用不同，可以布置多趟通水道及通气道，所述的通水道及通风道中水管和风管各自不少于两套，用于检修或故障时备用；所述的每个机电硐室中抽水及发电机组不少于两套，用于检修或故障时备用；所述的通气道中布置的气管在废弃矿井补水和放水过程中起平衡气压的作用。
本发明在电含可再生能源的电力系统中，由于可再生能源的随机和波动性，当可再生能源出力增大，无法被完全有效的消耗时，如出现弃风、弃光时，将电能通过电网传输到抽水机组，利用抽水机组中电动抽水功能，将水从低处的废弃井巷抽到位于高处的废弃井巷，将电能转化为重力势能储存；
在含可再生能源的电力系统中，由于可再生能源的随机和波动性，当可再生能源出力减少，电网需要其它形式电能补给时，利用密闭管道系统的虹吸效应，将储存在高处的废弃井巷中的水流经位于上方的发电机组放入下方的废弃井巷，将重力势能转化为电能，供给电网需求；通过地表储水结构，可以利用生物或化学方法对采空区水质进行改善，通过抽水储能系统水循环对地下废弃矿井水环境进行改善、治理，废弃井巷中不断涌出的地下水通过水处理以后也可以作为地面部分工业、绿化和生活用水水源，利用虹吸效应将巷道系统布置在废弃井巷的上部，减少了巷道和硐室施工的工程量和难度，增加了系统安全性。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。