1.本发明属于矿山能源开采技术领域，具体涉及一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统及其发电方法。
背景技术：2.经济社会发展主要目标中要求生态文明建设实现新进步，能源资源配置更加合理，利用效率大幅提高。同时，在经济发展新常态和供给侧改革背景下，随煤炭去产能政策的推进，资源枯竭及落后产能矿井和露天矿坑的关闭也为资源枯竭型城市留下了大量的废弃矿井与废弃矿坑。将废弃矿井与可再生能源结合进行开发利用符合国家能源发展战略，因此提高国内太阳能、风能、地热能等可再生能源的利用势在必行。发展太阳能、风能、地热能等可再生能源，一方面可以缓解我们日益紧缺的能源问题，提高能源的利用率；另一方面也符合我们国家可持续的发展理念，将废弃矿井的资源整合再利用。
3.太阳能光热发电是可持续新能源的重要组成部分，具有众多优点，是最理想的新能源之一。通过双工质循环系统耦合太阳能光热发电系统与废弃矿井地热发电系统，是一种新型的废弃矿井能源资源开发与再利用方法。
4.现有地热发电站受到季节温度变化的限制，具有一定的局限性。为有效提高地热发电系统的工作效率，实现全季节性的适用是目前该系统开发利用工作中亟需解决的技术难题，与太阳能光热发电系统的耦合可以作为一条有效的技术路径。
技术实现要素：5.为有效利用废弃矿井遗留下来的资源，以及满足资源枯竭地区用能需求，本发明提供一种废弃矿井资源再利用的系统和方法，通过地热发电的方式利用废弃矿井所遗留的大量地热资源、空间资源、水资源等使用问题。利用废弃矿井中已有的工作面采空区、巷道等空间铺设管道形成闭合式的系统进行取热发电，并利用废弃矿井普遍存在的地表塌陷区域的空间资源，在塌陷区中铺设太阳能光板，通过太阳能光板进行光能反应与地热发电系统相耦合，提升系统在不同季节等条件下的发电效率。既可以解决地热与太阳能光热因季节产生的不稳定问题，从而高效的开采地热能资源与太阳能资源；又可以进一步的缓解由于矿井关闭而形成的一系列社会问题，缓解能源紧张，增加就业，提高经济效益。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，包括地表太阳能光热板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、双工质换热器、发电机组、冷凝器、变压器、回灌管道和监控中心；其中，所述地表太阳能光热板与所述地下取水装置和所述循环泵的一端连接，所述地下取水装置和循环泵的另一端与所述双工质换热器连接；所述热交换管道系统连接于所述地表太阳能光热板与所述循环泵之间；所述回灌管道连接于所述地表太阳能光热板、地下取水装置和冷凝器之间；所述双工质换热器连接所述发电机组和冷凝器，所述冷凝器与所述发电机组相连，所述变压器连接于所述发电机组和国家电网之间；所述监控中心连接地表太
阳能光热板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、双工质换热器、发电机组、冷凝器、变压器、回灌管道等实时监控工作状态，确保系统实现远程无人化智能化运行，必要情况下进行人工远程操控；所述发电系统对废弃矿井再利用，所述的地表太阳能光热板利用废弃矿井的塌陷区土地资源建造而成；所述的地下取水装置利用废弃矿井的取水水泵改造而成；所述的热交换管道系统包括由布置在副井、车场、轨道大巷、运输大巷、轨道上山、运输上山的可供利用的巷道、硐室内螺旋盘管组成的地下部分，还包括布置在地表以上的循环管道组成的地上部分；所述的回灌管道是由主井、车场、轨道大巷、运输大巷、轨道上山、运输上山或预留空巷道改造而成。
8.进一步地，所述的循环泵是由建造于地表的工质泵组成。
9.进一步地，所述的双工质换热器由间壁式换热器组成，为所述发电机组提供动能。
10.进一步地，所述的发电机组是由汽轮机和发电机组成，所述双工质换热器所产生的饱和汽工质进入所述汽轮机，带动所述发电机发电。
11.进一步地，所述的变压器是由高效配电装置组成，易于接入国家电网。
12.进一步地，所述的监控中心位于地表，实时发电系统的运行状态，便于发电系统的检修与维护；所述发电系统在必要时进行人工远程操作。
13.本发明还公开了一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统的发电方法，其中，所述的地表太阳能光热板与地下取水装置利用所述循环泵通过所述热交换管道系统将发电系统中的工质传输到所述双工质换热器中进行能量转换；所述的发电机组与所述双工质换热器相连接从而将热蒸汽输送至所述发电机组中完成发电，通过所述热交换管道系统将工质输送到所述冷凝器中，完成冷凝，然后输送回所述地表太阳能光热板和地下取水装置所在的矿井中；所述的变压器将所述发电机组中所产生的电能输送至国家电网中；所述的监控中心位于地表，实时监控所述地表太阳能板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、回灌管道的工作状态，确保发电系统实现远程无人化智能化运行。
14.有益效果：
15.本发明可以有效的解决关于废弃矿井的地热资源开发问题，使废弃矿井所遗留的大量资源得以充分的利用，本发明结合了太阳能光热系统与地热发电中的双工质循环系统，从工艺上与现阶段的工艺相比，可以解决大部分应地热资源温度不足而无法实施地热发电的矿井问题，减少了地热温度的要求，同时使用双工质循环系统，可以有效的避免因发电而产生的污水排放问题。太阳能与地热能都是可持续的清洁能源，通过本系统可形成可持续的开采，具有低能耗，可协调，经济效益高，可大量缓解矿井所在地区的电力问题，能够提供较多的工作岗位，以缓解经济问题。通过光热系统与地热发电系统耦合，可减少发电系统因季节的变化所造成的发电效率不稳定性，大大的降低了地热发电所需要的自然环境的需求量。
附图说明
16.图1为本发明的一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统示意图。
17.其中：1-地表太阳能光热板；2-地下取水装置；3-循环泵；4-热交换管道系统；5
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双工质换热器；6-发电机组；7-冷凝器；8-变压器；9-监控中心；10-回灌管道。
具体实施方式
18.下面将结合本发明中附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的内容仅仅是本发明中的一部分，而不是全部的内容。通常在此处附图中描述和示出的本发明的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。
19.下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.如图1所示，本发明的废弃矿井地热-光热耦合发电系统，包括地表太阳能光热板1、地下取水装置2、循环泵3、热交换管道系统4、双工质换热器5、发电机组6、冷凝器7、变压器8、监控中心9、回灌管道10。所述地表太阳能光热板1与所述地下取水装置 2利用所述循环泵3通过所述热交换管道系统4将发电系统中的工质传输到所述双工质换热器5中进行能量转换。所述发电机组6通过管道与所述双工质换热器5相连接，将热蒸汽输送至所述发电机组6中完成发电，通过所述热交换管道系统4将工质输送到所述冷凝器7中，完成冷凝，输送回所述地表太阳能光热板1和所述地下取水装置2所在的矿井中。所述变压器8将所述发电机组6中所产生的电能输送至国家电网中。所述监控中心9位于地表，实时监控所述地表太阳能光热板1、地下取水装置2、循环泵3、地下热交换管道系统4、回灌管道10的工作状态，确保发电系统实现远程无人化智能化运行，必要情况下进行人工远程操控。
21.通过所述热交换管道系统4将所述地表太阳能光热板1与地下取水装置2利用循环泵3将工质传输至所述双工质换热器5，所述双工质换热器5通过其具有的间壁式换热器将所述热交换管道系统4中的工质的热能提取出来，使所述间壁式换热器中的低沸点工质汽化，利用所述热交换管道系统4将汽化的工质传输至所述发电机组6中推动汽轮发电机发电。所述双工质换热器5与发电机组6中完成作功的汽态工质通过所述冷凝器 7冷凝变回液态，利用所述循环泵3经过所述热交换管道系统4回灌至所述地表太阳能光热板1、地下含水层和间壁式换热器中，完成发电系统的封闭式循环。所述发电机组 6发电产生的电能通过所述变压器8升压提供到国家电网中。
22.本发明对废弃矿井进行改造和再利用，其中所述地表太阳能光热板1是由废弃矿井的塌陷区土地资源建造而成，使用多晶硅太阳能电池板，生产成本低，可大量发展。太阳能电池板板中加热的工质可利用比热容较大的工质，也可使用废弃矿井中无污染的地下水进行加热。
23.所述地下取水装置2为位于地下的取水水泵。所述地下的取水水泵，可由废弃矿井的水泵改造而成，需要较大的功率与扬程，可将管道中的水提升至所述双工质换热器5 中。
24.所述循环泵3是位于地表的工质泵，需要具有耐腐蚀、抗酸性较强的材料组成。
25.所述热交换管道系统4包括布置在副井、车场、轨道大巷、运输大巷、轨道上山、运输上山等各类可供利用的巷道、硐室内的螺旋盘管等组成的地下部分，还包括布置在地表以上的循环管道组成地上部分。管道材料应具有耐腐蚀、耐高温、耐高压的性质。
26.所述回灌管道10是由主井、车场、轨道大巷、运输大巷、轨道上山、运输上山、预留空巷道改造而成。所述回灌管道的材料应具有耐腐蚀、耐高温的性质。
27.优选的，所述双工质换热器5由位于地表的间壁式换热器所组成，利用双工质循环发电的原理为所述发电机组6提供动能。所述双工质换热器5中的工质可利用低沸点的特殊工质如：60％的氨水、乙醇等等。
28.优选的，所述的发电机组6是由汽轮机和发电机组成，通过所述双工质换热器5所产生的饱和汽工质进入汽轮机，带动发电机发电。
29.优选的，所述变压器8由高效配电装置组成，易于接入国家电网。
30.优选的，发电系统适用于废弃矿井中的挖深较浅、地热资源较为充足且水质较好的一类矿井。
31.优选的，发电系统为闭环式的系统，发电系统中的水一直处于流动状态，防止了水的污染，形成了资源的循环利用。
32.以上所述，仅为本发明基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
技术特征：1.一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，其特征在于：包括地表太阳能光热板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、双工质换热器、发电机组、冷凝器、变压器、回灌管道和监控中心；所述地表太阳能光热板与所述地下取水装置和所述循环泵的一端连接，所述地下取水装置和循环泵的另一端与所述双工质换热器连接；所述热交换管道系统连接于所述地表太阳能光热板与所述循环泵之间；所述回灌管道连接于所述地表太阳能光热板、地下取水装置和冷凝器之间；所述双工质换热器连接所述发电机组和冷凝器，所述冷凝器与所述发电机组相连，所述变压器连接于所述发电机组和国家电网之间；所述监控中心连接地表太阳能板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、双工质换热器、发电机组、冷凝器、变压器、回灌管道的实时监控工作状态，确保系统实现远程无人化智能化运行，并能进行人工远程操控；所述发电系统对废弃矿井再利用，所述的地表太阳能光热板利用废弃矿井的塌陷区土地资源建造而成；所述的地下取水装置利用废弃矿井的取水水泵改造而成；所述的热交换管道系统包括由布置在副井、车场、轨道大巷、运输大巷、轨道上山、运输上山的可供利用的巷道、硐室内螺旋盘管组成的地下部分，还包括布置在地表以上的循环管道组成的地上部分；所述回灌管道由主井、车场、轨道大巷、运输大巷、轨道上山、运输上山或预留空巷道改造而成。2.根据权利要求1所述一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，其特征在于：所述的循环泵为建造于地表的工质泵组成。3.根据权利要求1所述一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，其特征在于：所述的双工质换热器由间壁式换热器组成，为所述发电机组提供动能。4.根据权利要求1所述一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，其特征在于：所述的发电机组是由汽轮机和发电机组成，所述双工质换热器所产生的饱和汽工质进入所述汽轮机，带动所述发电机发电。5.根据权利要求1所述一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，其特征在于：所述的变压器是由高效配电装置组成，易于接入国家电网。6.根据权利要求1所述一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统，其特征在于：所述的监控中心位于地表，实时发电系统的运行状态，便于发电系统的检修与维护；所述发电系统在必要时进行人工远程操作。7.根据权利要求1-6之一所述的一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统的发电方法，其特征在于：所述的地表太阳能光热板与地下取水装置利用所述循环泵通过所述热交换管道系统将发电系统中的工质传输到所述双工质换热器中进行能量转换；所述的发电机组与所述双工质换热器相连接从而将热蒸汽输送至所述发电机组中完成发电，通过所述热交换管道系统将工质输送到所述冷凝器中，完成冷凝，然后输送回所述地表太阳能光热板和地下取水装置所在的矿井中；所述的变压器将所述发电机组中所产生的电能输送至国家电网中；所述的监控中心位于地表，实时监控所述地表太阳能光热板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、回灌管道的工作状态，确保发电系统实现远程无人化智能化运行。
技术总结本发明提供一种废弃矿井地热-光热耦合发电系统及其发电方法，其对废弃矿井进行再利用，包括地表太阳能光热板、地下取水装置、循环泵、热交换管道系统、双工质换热器、发电机组、冷凝器、回灌管道、变压器、监控中心。所述的地表太阳能光热板与地下取水装置利用管道将工质传输至双工质换热器；双工质换热器产生的蒸汽输送至发电机组进行发电；完成发电的工质输送至冷凝器，完成冷凝并输送回地表太阳能光热板、废弃矿井中；所述的变压器是将发电机组中所产生的能量输送至国家电网中；所述的监控中心实时监控系统运行状态。本发明可有效的解决关于废弃矿井的地热资源开发问题，促进可再生能源的开发利用。能源的开发利用。能源的开发利用。
技术研发人员：刘钦节 杨卿干 韩运 章曼 陈强
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5
