CN105556112B - 用于蓄能的系统和方法 - Google Patents

Abstract

在此披露了一种用于蓄能的系统，该系统包括：一个主体和一个竖井，该竖井具有限定用于包含一种流体的一个内部容积的壁；一个密封构件，该密封构件被布置在该主体与该竖井的这些壁之间；以及一个流体通道，该流体通道与该竖井处于流体联通。该主体被布置在该竖井的该内部容积内用于通过重力在该竖井的该内部容积内从一个第一高度位置移动到一个第二高度位置。该密封构件将该内部容积分成位于该主体下方的一个第一部分以及位于该主体上方的一个第二部分。该流体通道与该竖井的该内部容积的该第一部分传送流体。该系统进一步包括一个泵/涡轮机，该泵/涡轮机可操作地与该流体通道联接，从而在该主体从该第一高度位置移动到该第二高度位置时就驱动一个电机/发电机发电。

Description

用于蓄能的系统和方法

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2013年8月22日提交的美国临时申请61/868,927的优先权，所述申请通过引用以其全文结合在此。

技术领域

本发明的一个或多个示例性实施例涉及一种用于蓄能的系统以及一种用于构建该系统的方法。

背景技术

提供足够的能源来给社会的所有各种需要供以动力每年正变得越来越有问题。常规来源诸如煤、石油和天然气正变得更昂贵并且更难以发掘。同时，燃烧的副产品产生空气污染并且提高大气中二氧化碳，从而导致威胁全球环境的严重后果。可再生能源，特别是太阳能收集器和风力涡轮机，可在很大程度上代替碳氢化合物，如果它们能够被从间断性生产转化成可靠、可调度的电力供应。这可以通过将来自太阳能和/或风源的输出的极大部分引入大规模蓄能单元中来完成，这些大型蓄能单元接着将根据需要释放该能量。

当前用在非常大容量蓄能方面的主要技术是抽水蓄能，也被简单叫做“抽水”，如图1中所示。一个典型的设施50采用两个大型蓄水池，其中第一或低蓄水池52在比第二或高蓄水池54低的高度处。在一个发电室56中由一个电机/发电机驱动的液压涡轮泵在可获得过剩能量的任何时候将水从低蓄水池52泵送到高蓄水池54。一旦需要，水就被从该高蓄水池54释放并且流动通过这些涡轮泵进入该低蓄水池52来发电。大型设施可以具有超过1000兆瓦的峰值输出功率以及成千上万兆瓦小时的存储容量。该发电室56可包括一个单独的泵和涡轮机，这两者都通过驱动轴连接到一个电动发电机上。此安排可以与常规设计相同的形式操作来蓄能和放能，但是提供了另一种极大地增加灵活性的叫做“液压短路”的模式。

抽水已是数十年来的第一大容量存储技术，在全世界超过120千兆瓦的发电能力，但是除了增加的建设成本之外的与蓄水池设计相关联的地理、地质和环境限制使得其未来发展变得越来越没有吸引力。因此，此技术并不是一种用来提供广泛适用性、兆兆瓦发电能力、低成本以及环境适应性(这些是支持能量基础设施从碳氢化合物到可再生能源的主要转变所要求的)的实际方法。

一个替代性技术包括通过使用一种加压流体升高一个空心竖井中的一个活塞来蓄能。在具有一个大的竖井和活塞直径的系统中，一些构造技术由于它们对公差的有限控制可以在竖井和/或活塞圆周中产生巨大变化。为了在该活塞与该竖井的这些壁之间形成用来维持良好密封性能所要求的紧密接触的一个密封，此种圆周变化将要求密封圆周随着该活塞上下移动而相应动态变化。此动态变化可能通过能够处理高接触力的材料难以实现。此外，用于该密封的一个粗糙接触表面可能造成不良密封性能以及快速的密封磨损。越过该密封通过一个粗糙接触表面中的小通道的高压泄露可能导致对该表面的冲刷，从而磨掉系统的材料并且加速该系统的退化。

发明内容

本发明的一个实施例涉及一种用于蓄能的系统，该系统包括一个主体和一个空心竖井，该空心竖井具有限定一个用于包含一种流体的内部容积的壁。该主体被布置在该空心竖井的该内部容积内用于通过重力在该空心竖井的该内部容积内从一个第一高度位置移动到一个第二高度位置。该系统进一步包括一个密封构件，该密封构件布置在该主体与该空心竖井的这些壁之间。该密封构件被联接到一个安装表面上并且可滑动地接合一个接触表面，从而将该内部容积分成垂直位于该主体下方的一个第一部分以及垂直位于该主体上方的一个第二部分。该系统进一步包括一个流体通道和一个电动机/发电机，该流体通道与该空心竖井处于流体联通。该流体通道与该空心竖井的该内部容积的该第一部分传送流体。该电机/发电机可操作地与该流体通道联接，从而在该主体通过重力从该第一高度位置移动到该第二高度位置时就驱动该电动机/发电机发电。

另一个实施例涉及一种用于对蓄能的系统进行构建的方法。该方法包括将一个空心竖井挖掘到一个所希望的井深，该空心竖井由一个壁和一个底部限定；并且在该空心竖井的该底部上形成一个底板。该方法进一步包括在该空心竖井的该底板上形成一个活塞底座，并且将联接到该活塞底座上的一个活塞侧壁形成到小于该井深的一个活塞高度。该活塞底座具有小于该空心竖井的直径的一个直径。该活塞侧壁限定该活塞的一个空心内部。该方法进一步包括实质上利用一种填充材料填充该活塞的该空心内部并且形成联接到该活塞侧壁上的一个活塞顶以封闭该活塞的该内部。

另一个实施例涉及一种用于对蓄能的系统进行构建的方法。该方法包括将一个空心竖井挖掘到一个第一深度，该空心竖井由一个壁和一个底部限定并且具有一个直径。该方法进一步包括将具有等于或大于该空心竖井的直径的一个外直径的一个环挖掘到一个第二深度以限定一个柱，并且沿着该柱的该底座挖掘一个隧道。该隧道具有一个洞顶并且在任一侧朝该环敞开。该方法进一步包括在该隧道中、该隧道底部上形成一个第一竖井底板部分，并且在该隧道中、该第一竖井底板部分上形成一个第一活塞底座部分。该第一竖井底板部分具有小于该隧道的宽度的一个宽度。该第一活塞底座部分从该第一竖井底板部分延伸至该隧道的该洞顶。该方法进一步包括：加宽该隧道；在该隧道中、该隧道底部上形成一个竖井底板的邻近该第一部分的一个第二部分；在该隧道中、该第二竖井底板部分上形成邻近该第一活塞底座部分的一个第二活塞底座部分；并且继续加宽该隧道并形成竖井底板部分和活塞底座部分，直到该柱整个由这些竖井底板部分和活塞底座部分支撑。该方法进一步包括形成联接到该活塞底座上并且围绕该柱的一个活塞侧壁，并且形成联接到该活塞侧壁上的一个活塞顶以封闭该活塞的该内部。

这些和其他方面将从以下附图以及对示例性实施例的详细描述中变得显而易见。

附图说明

本发明的特征、方面和优点将从以下描述、以及图中所示的随附示例性实施例中变得显而易见，这些在下文中简要描述。

图1是常规现有技术抽水蓄能水电站的示意图。

图2是重力-液压蓄能系统在其蓄能时并且在其产生电力时的示意图。

图3是根据一个示例性实施例的大规模重力-液压蓄能系统的截面图。

图4是根据一个示例性实施例的挖掘图3的重力-液压蓄能系统的竖井的截面图。

图5是根据一个示例性实施例的布置在图4的轴中的一个制成活塞的截面图。

图6是竖井底板、井壁和图5的制成活塞的结构的详细截面图。

图7是根据另一个示例性实施例的挖掘图3的重力-液压蓄能系统的竖井以及一个焊接活塞的截面图。

图8是根据一个示例性实施例的用于挖掘图7的挖掘活塞的一个过程的顶视图。

图9是用于挖掘图8的挖掘活塞的过程的全景截面图。

图10是用于挖掘图7的挖掘活塞的一个进一步过程的截面图。

图11A是在图7的活塞下面挖掘的一条沟道的截面图。

图11B是图11A的沟道的截面图，该截面图示出形成在沟道中的竖井底板的一部分。

图11C是图11A的沟道的截面图，该截面图示出形成在沟道中的活塞底座的一部分。

图11D是图11C的活塞底座和竖井底板的部分的详细截面图。

图11E是图11A的沟道的截面图，该截面图示出安装在沟道中的一个保持形式。

图11F是图11A的沟道的截面图，该截面图示出形成在沟道中的活塞底座的一部分。

图11G是图11A的沟道的截面图，该沟道在形成竖井底板和活塞底座的一部分后变宽。

图11H是图11A的沟道的截面图，该截面图示出竖井底板和活塞底座的第二部分。

图12是图7的活塞和竖井的底座的截面图。

图13是用在图3的蓄能系统中的一个密封组件安装件和密封组件的截面图。

图14是图13的密封组件安装件和密封组件的截面图，其中该密封组件被移除用于维护。

图15是根据一个示例性实施例的用于图13的密封组件的一个密封台的截面图。

图16是图15的密封台的一部分的前正视图。

图17是用于图15的密封台的一个密封件载体的一部分的俯视图。

图18是根据另一个示例性实施例的图15的密封件载体的部分的俯视图。

图19是图15的密封台的截面图，其中该密封件载体被移动来允许接近轴承。

图20是根据一个示例性实施例的图3的蓄能系统的截面图，该截面图示出一个活塞支架。

图21是根据一个示例性实施例的图3的蓄能系统的截面图，该截面图示出活塞导承。

图22是图21的活塞导承的细节截面图。

图23是根据另一个示例性实施例的图3的蓄能系统的一个截面图，该截面图示出活塞导承。

图24是图23的活塞导承的顶视图。

图25是根据一个示例性实施例的图3的蓄能系统的截面图，该截面图示出若干颗粒捕集器。

图26是根据一个示例性实施例的用于图3的蓄能系统的动力室的细节截面图。

图27是根据另一个示例性实施例的用于图3的蓄能系统的动力室的细节截面图。

具体实施方式

以下详细说明是实现本发明的实施例的目前预期的最佳模式。本说明并不具有限制意义，但仅为了说明本发明的实施例的总则而做出。

本发明的实施例涉及用于蓄能的系统和方法，例如可用来存储在“非峰值”时段(即，期间能源需求相对于“峰值”时段是不高的时间段)产生的能量和/或从可再生能源诸如风和太阳产生的能量。在特定实施例中，用于蓄能的方法和系统被配置用于在陆地上操作。在其他特定实施例中，用于蓄能的方法和系统被配置用于在水生环境中操作，诸如但不限于在海洋中。

根据一个实施例，“峰值”时段的能源需求被认为是比非峰值时段的能源需求高约50％。根据其他实施例，“峰值”时段的能源需求可被限定在其他适合的等级，包括但不限于比非峰值时段的能源需求高约100％或200％。

本发明的一个方面涉及存储非峰值能量和/或可再生能源以便在峰值时段过程中使用。这样，根据本发明的实施例，蓄能系统可以充当可靠、可调度的电力供应，以及间断性生产供应。根据本发明的特定实施例，来自太阳能和/或风力源的输出的极大部分被引入蓄能系统中，该蓄能系统接着可例如在根据需要的基础上释放该能量。

重力-液压存储系统

参见图2，示出一种用于蓄能的蓄能系统60，该蓄能系统在提供类似或更好的蓄能性能和经济性的同时避免泵送水力的限制。该蓄能系统60在操作上可类似于属于本发明人的2012年5月1日公布的标题为“用于蓄能的系统和方法”的美国专利号8,166,760中所描述的用于蓄能的系统，该专利通过引用以其全文结合在此。该蓄能系统60可用来存储来自源诸如风或太阳能的非峰值或可再生能源。

该蓄能系统60包括一个主体，该主体被示出为悬浮在具有充满流体的内部容积的一个空心、垂直竖井64中的一个大型活塞62。该活塞62将该竖井64的内部容积分成高于该活塞62的第一腔室或上部腔室66以及低于该活塞62的第二腔室或下部腔室68。这些腔室66和68通过一个管线70(例如，连接管)所提供的一个通道彼此处于流体联通。当该活塞62在该竖井64中移动时，这些室66和68的容积增大和减小，从而迫使这些腔室66与68之间的流体通过该管线70。根据一个示例性实施例，该活塞62是被接收在以类似方式成形的一个竖井64中的一个圆柱体。在其他实施例中，该活塞62和竖井可以其他方式成形。一个密封件63被布置在该活塞62与该竖井64的壁之间。尽管图2中将该蓄能系统60示出为仅包括单个活塞62和竖井64，但在其他实施例中，该蓄能系统60可包括若干活塞和竖井的阵列并且可包括连接这些腔室66和68的多个通道。

一个涡轮泵72被布置在该管线70中，这样使得流动通过该管线70的流体使该涡轮泵72转动。该涡轮泵72诸如经由一个驱动轴76以机械方式联接到一个电动机/发电机74上。有待存储在该蓄能系统60中的能量被用来驱动该电动机/发电机74，从而通过该电机/发电机74、该驱动轴76与该涡轮泵72的互连来使该涡轮泵72旋转。该涡轮泵72迫使流体通过该管线70从该上部腔室66到达该下部室68，从而在该活塞62下面的该下部腔室68中产生更高的压力。压力差朝该竖井64的顶部向上提升该活塞62，从而以重力位能的形式蓄能。储能可通过允许该活塞62在该竖井64中下降而从该蓄能系统60输出。该活塞的重量迫使流体通过该管线70从该下部腔室68到达该上部腔室66。该流体流动通过该涡轮泵72，从而使该涡轮泵72旋转。该电机/发电机74通过该电机/发电机74、该驱动轴76与该涡轮泵72的互连来驱动以产生电力。该电力例如可被供应给电力网78。

大规模系统

参见图3，示出一种用于蓄能的大规模蓄能系统100。该蓄能系统100类似于上述蓄能系统60操作并且包括一个主体，该主体被示出为悬浮在具有充满工作流体(诸如水)的内部容积的一个纵深的垂直竖井104中的一个大型活塞102。该活塞102被配置成具有沿着其高度的一个相对恒定的圆周以及一个光滑、坚硬的外表面。该活塞102将该竖井104的内部容积分成高于该活塞102的第一腔室或上部腔室106以及低于该活塞102的第二腔室或下部腔室108。这些腔室106和108通过一个通道110彼此处于流体联通。该通道110包括一个垂直通道112(例如，压力水管)。该垂直通道112通过一个上部横通道116(例如，放水路)与该上部腔室106处于流体联通，并且通过一个下部横通道118与该下部腔室108处于流体联通。当该活塞102在该竖井104中移动时，这些腔室106和108的容积增大和减小，从而迫使这些腔室106与108之间的该流体通过该通道110。在其他实施例中，该下部通道108可不通过该通道与该上部腔室106处于流体联通。相反，该下部通道108可与另一个未加压流体源处于流体联通，诸如靠近该竖井104提供的一个蓄水池或储槽。

一个密封组件130经提供包围该活塞102并且被布置在该活塞102与该竖井104的壁之间的一个环形空间105中。该密封组件130被配置成防止流体围绕该活塞102在该上部腔室106与该下部腔室108之间流动。该活塞102的外壁和该竖井104的壁中的一个提供一个安装表面，而另一个表面提供一个接触表面。该密封组件130被联接到该安装表面上并且延伸横跨该环形空间105以滑动地接合该接触表面。该竖井104的壁、该活塞102的外壁以及该密封组件130被配置成防止流体中的高压或颗粒对该竖井104、该活塞102、或者该密封组件130造成损坏，并且被配置成最大化该蓄能系统100的使用寿命。在图3中所示的实施例中，该密封组件130被联接到该竖井104的壁上并且在垂直方向上固定，其中该活塞102被配置成上下滑过该密封组件130。在其他实施例中，该密封组件130可被安装在该活塞102上并且可被配置成沿着该竖井104的壁上下滑动。

一个涡轮泵120被布置在该上部横管道116中，这样使得流动通过该管道110的流体使该涡轮泵120转动。该涡轮泵120将该上部横通道116分成第一部分122和第二部分123，该第一部分从该涡轮泵120延伸到该上部腔室106，该第二部分从该涡轮泵120延伸到该垂直通道112。该涡轮泵120是一个旋转装置，该旋转装置被配置成当在第一方向上旋转时充当一个泵并且当在第二、相反方向上旋转时充当一个涡轮机。该涡轮泵120诸如经由一个驱动轴126以机械方式联接到一个电动机/发电机124上。该涡轮泵120可经由一个中间构件(诸如一个离合器或一个转矩变换器)来联接到该驱动轴126上以允许该涡轮泵120与该电动机/发电机124机械地断开联接。该涡轮泵120、该电动机/发电机124、以及该驱动轴126中的一个或多个可封装在一个设施中，图3中示出为从地面延伸到地下的一个动力室128。

该电机/发电机124被连接到用于电力(诸如电力网)的一个外源和目的地上。有待存储在该蓄能系统100中的能量被用来驱动该电动机/发电机124，从而通过该电机/发电机124、该驱动轴126与该涡轮泵120的互连来使该涡轮泵120旋转。该涡轮泵120迫使流体通过该通道110从该上部腔室106到达该下部室108，从而在该活塞102下面的该下部腔室108中产生更高的压力。压力差朝该竖井104的顶部向上提升该活塞102，从而以重力位能的形式蓄能。储能可通过允许该活塞102在该竖井104中下降而从该蓄能系统100输出。该活塞的重量迫使流体通过该通道110从该下部腔室108到达该上部腔室106。该流体流动通过该涡轮泵120，从而使该涡轮泵120旋转。该电机/发电机124通过该电机/发电机124、该驱动轴126与该涡轮泵120的互连来驱动以产生电力。该电力例如可被供应给该电力网。

该活塞102的相对大的尺寸和垂直移动以及由于该活塞102的相对适度的速度而导致的相对小的阻力损失允许大量能量被存储在该蓄能系统100中。根据一个示例性实施例，该竖井具有近似30米的直径以及近似500米的深度，并且该活塞具有近似250米的高度以及近似174,000立方米的体积。该活塞102大致上由混凝土形成，该混凝土在每立方米近似1500千克的水中具有一个负浮力，从而提供近似14700牛顿的一个向下力。通过将一立方米的混凝土在水中下降通过1000米的高度所释放的能量(功)是：

W＝力x距离＝14,700N x 1,000m＝14.7兆焦耳＝～4.1千瓦小时

对于具有近似174,000立方米体积的移动通过250米的高度变化的一个混凝土活塞来说，所生成的存储容量超过40兆瓦小时。

构造

该活塞102和该竖井104通过相对简化的施工技术来构建以提供用于蓄能和产能两者的一个宽的功率范围。现在参见图4，该竖井104根据一个示例性实施例被示出为形成在基岩中。该竖井104可通过首先钻探到岩石中并且利用爆炸性材料装载钻孔来形成。该爆炸性材料被引爆，从而将该岩石断裂成块。所断裂的岩石块通过一个挖掘机140被装载到一个传送机142上，该传送机将这些岩石碎块运出该竖井104。该传送机142可包括水平传送机144和垂直传送机146两者。这些岩石碎块在被装载到该传送机142上之前可通过一个岩石轧碎机来减小尺寸。该挖掘过程继续直到该竖井104到达足以满足该蓄能系统100所要求的深度。

现在参见图5和图6，示出为杆栓150的稳定装置可嵌在壁152中以使周围岩石稳定，该周围岩石可能通过挖掘而被断裂或以其他方式弱化。附加地，一个衬垫154可被联接到该壁152上以形成一个相对坚硬、光滑的表面。根据一个示例性实施例，该衬垫154包括一种丝网(例如，焊接丝网)。该衬垫154可进一步包括喷在该井壁(例如，喷浆混凝土)上的一种填充物。由防水板形成的防水层155可被提供在该衬垫154与该壁152之间以阻止水流进或流出该井壁152。在其他实施例中，一种防水材料可被添加到该衬垫154的填充材料中或者以其他方式涂覆到该井壁152。

该衬垫154可由一个滑动成形工艺来形成。该衬垫154可被从该竖井104的底部安装并且逐渐到达该竖井104的顶部，其中必要时在该衬垫154中包括强化物。在其他实施例中，该衬垫154可由一个模板工艺来形成以从该竖井104的顶部至该竖井104的底部安装该竖井衬垫154。该衬垫154可被配置成具有一个相对坚硬、光滑、垂直的外表面，以提供一个适合的滑动表面来在该密封组件130被联接到该活塞102上时促进该密封组件130的操作。当该活塞102在该竖井104内上下行进时，该密封组件130越过的该衬垫154上的每个点就体验流体压力中的大摆动。当该活塞102升高时，低于该密封组件130的高压迫使水进入该衬垫154中的任何裂缝、小孔或可渗透材料中。当该活塞102和该密封组件130随后在该竖井104内下降时，邻近该井壁152的水压下降。该衬垫154被配置成是相对坚硬的并且没有空隙(高压水可能被迫使进入其中)，从而最小化当高压水被迫使退出该衬垫154时可能发生的对该衬垫154的损害。在其他实施例中，该竖井104可不包括单独形成的衬垫，并且形成这些壁152的天然岩石材料可被制备(例如，抛光、涂布、密封等)来提供一个相对坚硬、光滑的表面。

一个底板156被提供在该竖井104的底部处。该底板156被配置成能够经受该活塞102以及包含在该竖井104内的工作流体所施加的压力。根据一个示例性实施例，该底板156由钢筋混凝土和/或钢形成。例如，该底板156可包括一个混凝土层158以及布置在该混凝土层158之上的一个钢板159。该混凝土层158可被加固，诸如利用在该混凝土层158内提供的钢筋或其他加强构件或添加物(例如，颗粒、纤维等)。根据其他示例性实施例，该底板156可以是一种钢结构，该钢结构包括一个防水层以防止工作流体的流入周围岩石中。在另一个实施例中，该底板156可结合砂砾或其他填充材料。

仍参见图5-6，该活塞102被构建在所挖掘的竖井104内。该活塞102典型地由钢筋混凝土、钢、岩石、或者一些类似稠密的、相对低成本的材料构建。该活塞102的直径比该竖井104小，其中在该活塞102与该衬垫154之间的环形空间105足够大以允许进行构造和维护活动。如果操作流体是液体诸如水，那么该活塞102的垂直移动引起该活塞102的壁上的压力循环。该活塞102被构建，其方式为使得该活塞102由于这些压力循环的退化得以最小化。

一个活塞底座160被提供在该活塞102的底部处。根据一个示例性实施例，该底座160由钢筋混凝土和/或钢形成。例如，该底座160可包括一个混凝土层162以及布置在该混凝土层162下方的一个钢板164。该钢板164的底表面可包括通道163以允许工作流体在该蓄能系统100的操作过程中的流入。这些通道163例如可由形成在该钢板164的底表面中的多个凹槽或沟道形成。这些通道163允许工作流体在该活塞下降到该底板156时从该底座160与该底板156之间流出，并且允许工作流体在该活塞102从该底板156上升时进入在该底座160与该底板156之间的空间。在其他实施例中，该钢板159可包括除该钢板164中的通道163之外或者替代该钢板164中的通道163的通道。

该活塞102的侧壁可形成在该底座160上，其中一个可移动滑模被提供在该竖井104的该底板156上。该活塞102的该侧壁包括一个外层166。根据一个示例性实施例，该外层166由一种金属或合金板例如，钢、不锈钢)或者另一种抗腐蚀材料板形成。这些片材沿着该滑模的外部部分的内部定位并且(诸如通过一个焊接操作)联接在一起，以形成防止该工作流体的流通的一个单块衬底。该外层166被配置成提供一个阻挡层以便阻止该活塞102在其浸没在该工作流体中操作延长时段的腐蚀。该外层166可包括向内延伸的锚定构件，这些锚定构件示出为焊接到该外层166的内表面167上的大头钉168，以促进该外层166与一个内层170的搭接。

该内层170形成在该外层166内，从而包围这些大头钉168并且联接到该外层166上。根据一个示例性实施例，该内层170由一种混凝土材料形成。该内层170可包括加强构件，诸如邻近该外层166安装的钢筋。

支撑形式诸如滑动钢挡板定位在该外层166内并且以该内层170的一个所希望的厚度与该外层166间隔开，以提供该滑模的内表面。在这些挡板与该外层166之间的空间由混凝土填充至一个所希望的深度以形成该内层170的起始。当该混凝土足够硬化时，该滑模升高一定距离，并且该外层166的下一个增量(例如，附加的钢板)被联接到现存结构上。在这些挡板与该外层166之间的空间再次由混凝土填充以继续形成该内层170。此过程继续直到该外层166和该内层170达到一个所希望的高度。

如上所述，以具有几乎恒定的圆周的一个移动滑模构建的该活塞102被配置成具有一个几乎恒定的外部圆周。可由该滑模的热膨胀所引起的少量变量可通过最小化滑模构造过程中的温度变化来最小化。该内层170和该外层166被形成这样使得该活塞102的这些壁是大致垂直的，以通过最小化该密封组件130必须随着该活塞102在该竖井104内垂直移动而变形来维持与该活塞102的接触的量来促进该密封组件130的操作。根据一个示例性实施例，该内层170和该外层166被形成这样使得该活塞102的该侧壁具有加或减100mm内的一个垂直度。根据一个优选实施例，该内层170和该外层166被形成这样使得该活塞102的该侧壁具有加或减50mm内的一个垂直度。根据一个特别优选的实施例，该内层170和该外层166被形成这样使得该活塞102的该侧壁具有加或减25mm内的一个垂直度。

该外层166被配置成提供一个坚硬、光滑、防水的外表面。通过形成薄板钢的该外层166，有可能实现低粗糙度，这最小化该密封组件130的泄露并且最大化该密封组件130的寿命。根据一个示例性实施例，该外层166由一种具有小于0.5μm的平均粗糙度Ra的材料形成。根据一个优选实施例，该外层166由一种具有小于0.1μm的平均粗糙度Ra的材料形成。在其他实施例中，该活塞102可不包括该外层166。相反，该活塞102可与硬化(例如，化学硬化)并抛光来产生一个坚硬、光滑的外表面的该内层170一起形成。在其他实施例中，该外层166可以是另一种材料(例如，一种聚合材料、陶瓷材料、复合材料等)，该另一种材料被喷涂、粘附、或以其他方式联接到该内层170上，这样使得其提供一个相对坚硬、光滑、防水的外表面。这样一个相对坚硬、光滑、防水的外表面提供一个适合的滑动表面来在该密封组件130是联接到该竖井104的这些壁上的固定构件时促进该密封组件130的操作。

该底座160、该外层166以及该内层170一起形成限定一个空腔172的一个空心壳体。该空腔172由稠密、廉价的填充材料174递增地填充，该填充材料诸如岩石(例如，当挖掘该竖井104时所移除的岩石碎块)、水泥等。在一些实施例中，该填充材料174可包括具有比岩石碎块更大密度的材料，诸如铁矿石，以增加该活塞102的密度并且增加该蓄能系统100的蓄能容量。

一个活塞顶176在该空腔172已充满该填充材料174之后被联接到该活塞的与该底座160相反的端部上。该顶部176提供一个防水密封层。该顶部176可包括由混凝土覆盖的一个防水板。在一些实施例中，该顶部176可包括由一个钢板(例如，类似于该外层166的一个钢板)形成的一个外层。在其他实施例中，该顶部可包括由另一种材料(例如，一种聚合材料、陶瓷材料、复合材料等)形成的一个外层，该另一种材料被喷涂、粘附、或以其他方式联接到该活塞102的该顶部上，这样使得其提供一个相对坚硬、光滑、防水的外表面。

该活塞102被构建这样使得该活塞102均匀地保持平衡以最小化致使该竖井104中的该活塞102从垂直定向上倾斜的横向力。测量装置诸如压力传感器或应变仪可在该构造过程中利用来最小化该填充材料对该空腔172的不平衡填充。例如，测量装置可被安装在各个位置中(例如，在该底板156下面、在该底板156上方、在该活塞底座160的底部上、在该活塞底座160的顶部上等)。这些测量装置可被连接到一个网络，以向中心位置处的一个分析装置(例如，一个计算机)提供测量信息。通过将来自该测量装置的数据(例如，压力读数、应变读数等)与该分析装置比较，该活塞102的质量分布可以被确定并且可以做出调整来平衡该活塞102的质量，诸如通过选择性增加或减少较密集材料(例如，铁矿石、铁)以及不太密集材料(例如，岩石碎块等)或开口(例如，形成在活塞102中的轴或空腔)的添加。例如，如果该活塞102的质心朝一侧偏置，那么可以在该活塞102的另一侧上的顶部上钻一个孔并且填充比所移除的岩石更密集的材料，诸如铁矿石或铁。可替代地，可以在该活塞102的与质量偏置同一侧上的顶部中钻一个孔，并且重新填充没有所移除的岩石密集的材料或者不进行填充。

替代性构造

参见图7-9，该活塞102被示出为根据另一个示例性实施例利用一个挖掘过程来构建。如下所述，该挖掘过程类似于上述制造过程产生一个活塞102和竖井104，但是其中该活塞102具有由天然岩石形成的一个核芯而不是由填充材料(诸如岩石碎块和混凝土)形成的一个核芯。

如上所述，该竖井104通过在地面中挖掘一个开口来形成。然而，该挖掘过程继续到该竖井104的所希望的深度的仅一部分并且接着停止。例如，该竖井104可被挖掘到近似等于该竖井104的该所希望的深度与该活塞102的该所希望的高度之间的差值的一个深度。根据一个示例性实施例，该活塞102具有近似该竖井104的深度的1/2的一个高度，并且该竖井104通过上述过程被挖掘到近似所希望的最终深度的1/2的一个深度。

一个第二过程接着被用来围绕一个中心岩石柱182切开一个环180以形成该活塞102。该环180利用一个或多个挖掘机器184来形成，图8-9中示意性示出。这些挖掘机器184例如可以是在一个铰接式臂上具有一个旋转切削头的巷道掘进机(例如，连续采掘机)。在其他实施例中，该环180可利用另一个装置来形成，诸如挖沟机或钻机和爆炸物。该环180被形成来在该活塞与该井壁之间产生足够大以允许进行检验和维护的一个间隙。

如图8-9中所示，该环180使用包围该竖井104的外部圆周定位的三个挖掘机184来形成。挖掘机184中的每一个沿着一个连续圆形轨迹切开一个沟槽，从而逐渐使得该沟槽更深。所移除的材料被馈送到该挖掘机184的后部。该材料被装载到一个传送机185上，该传送机将该材料运出该竖井104。该传送机185可包括水平传送机186和垂直传送机188两者。在一个示例性实施例中，该传送机185包括包围该环180的周边悬浮的一个圆形水平传送机186以及在该环180的边缘处提供在一个竖井189中的一个垂直传送机188。该竖井189可与该竖井104和该环180同时挖掘。所移除的材料通过挖掘机184中的每一个被沉积到该水平传送机186上并且被运输到该垂直传送机188以便从该环180和该竖井104移除。形成该环180的该挖掘过程继续直到该环180到达该岩石柱182足以具有该活塞102的一个所希望的高度的一个深度。

如先前所述，随着该环180被形成，该井壁152可通过杆栓150和该衬垫154来递增地稳定化。该衬垫154可通过一个滑动成形工艺来形成或者可通过一个喷浆混凝土喷涂工艺来形成。同样地，该岩石柱182可递增地稳定化。

现在参见图10、图11A-11G，该岩石柱182与周围岩石183分开以通过形成穿过该岩石柱182的该底座的一个空腔190来形成该活塞102，该空腔190向外延伸至该环180。参见图11A，该空腔190通过首先形成横跨该岩石柱182的宽度的一个水平隧道192并且在任一侧上从该环180延伸来形成。该隧道192可以使用巷道挖掘机、钻头和爆炸或者任何其他常规采掘技术来挖掘，其中所移除的材料被该传送机系统142从该隧道192移除，如上所述。根据一个示例性实施例，该隧道192具有近似3-4米或者小于该岩石柱182的总直径的近似15％的宽度。该岩石柱182因此保持大致上由天然岩石支撑。该隧道192具有允许该竖井104的该底板156以及该活塞102的该底座160的制造的高度。

参见图11B，该隧道192的一个洞顶194可以通过稳定装置来稳定化，诸如被推入该洞顶194中的杆栓196。沿着该隧道192的一侧，安装了形成该混凝土层162的一部分的一个混凝土带198。该混凝土带198具有小于该隧道192的宽度的宽度，从而为工人提供足够的间隙来在该隧道192内操作。该混凝土带198可被加固，诸如利用提供在该混凝土带198内的钢筋或其他加强构件或添加物(例如，颗粒、纤维等)。形成该钢板159的一部分的一个钢板199被布置在该混凝土带198的顶表面上。该钢板199可被联接到该混凝土带198上，诸如通过螺栓、插销、黏合剂、等等。该混凝土带198和该钢板199一起沿着该隧道192的长度延伸并且形成该竖井104的该底板156的一部分。该混凝土198和该钢板199可成段安装，其中每段具有为该隧道192的总长度的一部分的长度。

参见图11C-11D，另一个钢板200被布置在该钢板199的顶部上，从而形成该钢板164的一部分。该钢板200的底表面可包括通道163以允许工作流体在该蓄能系统100的操作过程中的流入。钢筋204被安装在该钢板200与该隧道192的该洞顶194之间。

参见图11E，一个保持形式206被安装在该钢筋204旁边这样使得其邻接该混凝土198和该钢板199并且在该隧道192的该洞顶194与一个底板195之间延伸。该保持形式206可沿着该隧道192的整个长度延伸，或者可仅沿着该隧道192的一部分延伸，在这种情况下，该保持形式206可包括横跨该隧道192在该钢板200与该洞顶194之间延伸的一个端部。

参见图11F，混凝土被倾倒来完全填充在该钢板200、该洞顶194、该保持形式206、以及该隧道192的一个壁197之间的空间。该混凝土带202和该钢板200一起沿着该隧道192的长度延伸并且形成该活塞102的该底座160的一部分。该混凝土带202和该钢板200可被成段安装，其中每段具有为该隧道192的总长度的一部分的长度。如果成段形成，那么该钢筋204可被配置成延伸超过该保持形式206，这样使得该钢筋204延伸穿过该混凝土带202的多个段。

在这些混凝土带198和202以及这些钢板199和200的形成过程中，测量装置诸如压力传感器或应变仪可被安装在各个位置中(例如，在该钢板199下方、在该钢板199上方、在该钢板200的底部上、在该钢板200的顶部上、等等)。

参见图11G-11H，在这些混凝土带198和202以及这些钢板199和200被安装在该隧道192中之后，该隧道192被加宽。重复以上过程来邻接已经安装的结构安装另一组混凝土带198和202以及钢板199和200。邻近的钢板199和/或邻近的钢板200可诸如通过一个焊接操作或者通过机械紧固件被联接在一起。在原始隧道192的两侧上都重复该过程直到该岩石柱182的该底座已完全与周围岩石分离，从而形成该活塞102的核芯。这些混凝土带198和202以及这些钢板199和200形成从该隧道192的该底板195延伸至该洞顶194的一个结构。因此，该岩石柱182在该过程中被从下面连续支撑(除了敞开的隧道192的相对狭窄的宽度之外)，从而最小化该隧道192中的塌方或者该活塞102中裂缝的形成的可能性。

现在参见图12，在该岩石柱182与该周围岩石分离并且稳定下来、并且该竖井底板156以及该活塞底座160被构建之后，该外层166被形成在该环180中的该岩石柱182的圆柱形侧表面上。稳定层171例如可以是被喷涂到该岩石柱182上的喷浆混凝土。示出为钢筋207的一段的一个加强构件被安装在包围该岩石柱182的该底座的该环180中。该外层166可被成段形成，这些段具有小于该活塞102的总高度的高度以及小于该活塞102的整个圆周的宽度。根据一个示例性实施例，该外层166被成段形成，这些段具有近似2-4米的高度。具有背衬大头钉168的形成该外层166的钢板定位在钢筋207的外部，与该岩石柱182间隔该内层170的所希望的厚度。一个支撑形式208包围该外层166组装以定位该外层166，这样使得该活塞102具有一个所希望的圆周和轮廓。在该稳定层171与该外层166之间的空间接着由混凝土填充，该混凝土围绕该钢筋204以形成该内层170的一段。接着重复该过程以产生该内层170和该外层166邻近该第一段的下一段，直到该内层170和该外层166被形成到一个所希望的高度(例如，该岩石柱182的顶部)。如上所述，在其他实施例中，该活塞102可不包括该外层166，并且该内层170的该外表面可被硬化和抛光来提供该活塞102的一个足够坚硬、光滑的外表面，或者该内层170可利用另一种材料来涂布。通过针对该内层170和该外层166的每一段使用同一加强形式，该活塞102被形成为具有一个沿着其高度恒定的圆周和轮廓。

在该内层170与该外层166已被形成到所希望的高度之后，该活塞顶176被联接到该岩石柱182的与该底座160相反的末端上。该顶部176提供一个防水密封层。

密封组件

现在参见图13-17，示出根据一个示例性实施例的用于该蓄能系统100的该密封组件130。该密封组件130被配置成防止在该上部腔室106与该下部腔室108之间的过度流体泄露流过该竖井104内的该活塞102。该密封组件130被布置在该活塞102与联接到该竖井104的该壁152上的该衬垫154之间的空隙中。根据一个示例性实施例，该密封组件130通过固定到该衬垫154上的一个密封组件安装件210来联接到该衬垫154上。该密封组件130包括可滑动地接合该活塞102的该外表面214的多个密封件212。该外表面214被配置成一个光滑、坚硬的表面(例如，该外层166或者该内层170的该硬化外表面)以减小对这些密封件212的磨损并且减少流体流过该密封组件130的泄露。

根据一个示例性实施例，该蓄能系统100可被配置成存储等于数十到数千兆瓦小时电力或更多的能量并且容纳高达数百兆瓦或更多的功率电平。该蓄能系统100可包括一个产生高流体压力的大型活塞102。例如，如果该蓄能系统100包括一个具有250米高以及2500千克每立方米的密度的活塞102、并且该工作流体是水，那么工作压力是3.7MPa(-540psi)(即，正好低于该密封组件130的压力比正好高于该密封组件130的水压高3.7MPa)。在其他实施例中，该工作压力可取决于该活塞102的尺寸和密度从小于1MPa(145psi)至大于10MPa(1450psi)变化。

当该活塞102在其最低位置时(即，搁置在该竖井104的该底板156上)，该密封组件安装件210以近似等于该活塞102的顶部的高度被提供在该衬垫154上。该密封组件安装件210被构建这样使得其能够经受在该安装件210下方的高压工作流体与该安装件210上方的低压流体之间的一个大压差。该密封组件安装件210例如可被构建为一个钢结构或者为具有一个钢盖或钢壳的一个钢筋混凝土结构。在一个实施例中，该密封组件安装件210是一个环形构件，该环形构件具有一个大体梯形的横截面、联接到该竖井104的该壁上的一个外表面216、一个截头锥形上表面217、一个内表面218以及一个截头锥形下表面219。在其他实施例中，该密封构件安装件210可以其他方式成形。例如，该上表面217和/或该下表面219可以是大体平行于该竖井底板156的水平表面或者可以是弯曲表面。根据一个示例性实施例，该密封组件安装件210被形成这样使得其诸如通过杆栓来永久锚定到该壁152和/或该衬垫154中。在其他实施例中，该密封构件安装件210可以是一种可移除结构。

该密封组件安装件210向内延伸这样使得该活塞102的该内表面218通过一个相对狭窄的间隙215与该外表面214间隔开。根据一个示例性实施例，该间隙215具有包围该活塞102的整个圆周的近似20厘米(8英寸)的一致宽度。

参见图13，该密封组件130在该空隙215中被联接到该密封组件安装件210的该内表面218上。该密封组件130包括一个安装环，这些密封件212被安装到该安装环上。根据一个示例性实施例，该安装环通过联接到一个后板225上的密封台226来构建。根据一个示例性实施例，该密封组件130被配置成包括垂直安排的三个密封台226。在其他实施例中，该密封组件130可包括小于三个密封台226或者可包括多于三个台226。

该密封组件130由一个向内延伸的托架228支撑，该托架被联接到该密封组件安装件210的该下表面219上。该密封组件130由一个锁定板222和锁销224锁定在相对于该密封组件安装件210的适当位置中。该锁定板222接合该密封组件安装件210中的一个狭槽227，从而防止该密封组件130相对于该密封组件安装件210的向上移动并且倚靠该托架228设陷该密封组件130。该锁定板222被分成多个弧形段。

参见图14，该密封组件130可通过移除这些锁销224来从该密封组件安装件210移除。在这些锁销224被移除的情况下，该锁定板222的这些段可以向内滑出该狭槽227。该密封组件130接着可以被向上移动(例如，由一个高架起重机机构吊起)。以此方式，如果该工作流体是一种液体，那么该密封组件130可以被接近并且这些密封件212在不将该工作流体泵送出该竖井104的情况下被检查和更换，并且极大地降低了该蓄能系统100的维护难度和维护费用。

参见图15-18，一个单密封台226被示出组装在一个被设计来经受该工作流体的高压的钢沟道230内。该钢沟道230具有由一个垂直腹板232、一个上部环形凸缘234以及一个下部环形凸缘236形成的一个C形横截面。加强构件238(例如，翅片、角撑板、拉条、等等)可被提供来增加该沟道230的强度和刚度。

该密封件212被联接到一个密封件载体240上。参见图17中的顶视图，该密封件载体240可被形成为由一种结实、弹性材料诸如钢形成的一个连续环。参见图18中的一个替代性实施例的顶视图，密封件载体244可以是一个连续环，该连续环具有波纹以提高其膨胀和收缩来适应活塞120的圆周的变化的能力。该密封件载体240包括接收该密封件212和接触垫246的空间。该密封件212由一种弹性材料形成，诸如一种合成聚合物(例如，聚氨酯、聚丁二烯、等等)，该弹性材料能够被抵靠该活塞102压缩并且符合该外表面214以产生对工作流体在密封组件与活塞102之间的通道的密封。根据一个示例性实施例，该密封件212可被形成(例如，机加工、模制、挤压成形)段，这些段可被焊接或黏结到直径为数十或甚至数百的一个连续环中。这些接触垫246由一种结实、低摩擦材料形成，诸如抗压的超高分子量聚乙烯或威高尔轴承材料。这些接触垫246被高于和/或低于该密封件212布置、在247处用螺栓固定或以其他方式附接到该密封件载体240上、并且被配置成防止在该密封件载体240与该活塞102之间的接触。该密封件212和这些接触垫246被配置成当在一个钢表面(诸如该活塞102的该外层166)上滑动时或者当在一个光滑混凝土表面(诸如该活塞102的该内层170)上滑动时具有一个低摩擦系数。如果该密封组件130遭遇该活塞102的表面中的一个凸起的不连续性(例如，脊、肿块、隆起、等等)，这些相对坚硬的接触垫246置换在不连续区域中局部向外的该密封件载体240，从而保护相对柔软的密封件212免于一个剪切动作。

一个支撑表面250被沿着该密封件载体240的顶侧提供。在该蓄能系统100的操作过程中，该下部腔室108中的高压流体在该密封件载体240的底部上施加一个向上力，并且在该密封件载体240的外表面上施加一个向内力，从而迫使该密封件载体240向上抵靠该支撑表面250并且向内抵靠该活塞102。该支撑表面250接触安装在上部凸缘234的下侧上的支撑密封件252以及一个支撑结构254。这些支撑密封件252和该支撑结构254可在材料和构造上分别类似于该密封件212和该钢沟道230。该支撑表面250允许该密封件载体240在径向方向上相对于该上部凸缘234滑动，同时防止流体在该沟道230与该密封件载体240之间的流通。该支撑表面250允许该密封件载体240在不折衷该密封组件130所提供的该密封件的完整性的情况下符合该活塞表面214的垂直度的任何变化。根据一个示例性实施例，该密封件载体240被配置成能够在一个径向方向上移动+/-25mm。

在操作中，该密封件212由于在该密封组件130下方的该下部腔室108中的该工作流体的压力而在一个径向方向上向内扩张，从而紧密填充在该密封件载体240与该活塞102之间的间隙以防止流体泄露过去。该密封件载体240被作用在沿着该密封件载体240的一个区258上的压力朝该活塞102压迫。该区258粗略地从该密封件212的中心延伸到该上部接触垫246的底部。作用在该区258上的大部分压力由这些接触垫246吸收。因为这些接触垫246和该密封件212当在一个钢表面上滑动时具有一个低摩擦系数，该密封组件130为该密封件212提供低摩擦、卓越的密封、以及长寿命。

钢模数允许该密封件载体240伸展或压缩一个足够大的百分比，以符合该活塞102由如上所述的该活塞的构造(例如，该制造过程或该挖掘过程)引起的圆周的变化。例如，对于具有500兆帕斯卡的屈服强度以及180吉帕斯卡的弹性模数的不锈钢来说，最大应变是：

应变＝500MPa/180GPa＝2.8x 10^-3＝0.28％

对于由不锈钢形成并且具有96英尺(30米)直径的一个密封件载体240来说，该密封件载体240的圆周的最大应变是：

0.0028xπx 96＝0.84英尺(26厘米)

对于具有1200兆帕斯卡的屈服强度以及210吉帕斯卡的弹性模数的高强度钢来说，最大应变是：

应变＝1200MPa/210GPa＝0.57％

对于由这种高强度钢形成并且具有30米直径的一个密封件载体240来说，密封圆周中的最大拉伸是54厘米。使用上述活塞构造过程，0.28％的密封件载体拉伸将总体上是足够的。但是在其中甚至0.57％的拉伸是够的系统中，具有波纹244的该密封件载体的构造可以增加该密封件载体240可以扩张或收缩的量。在该径向方向上的附加的扩张或收缩由该密封件212提供，该密封件由于具有比一种钢材料低的弹性模数以及高得多的弹性极限而能够多次进行该密封件载体240的周向扩张。

由于其承受该工作流体的高压，如果该活塞102的圆周小于该密封件载体240的松弛的圆周，那么该密封件载体240还能够压缩。为了避免该密封件载体240压弯的可能性，该密封件载体240被配置成具有至少与该活塞102的最小圆周一样小的松弛的圆周。

在维护过程中，在该密封组件130已被从该密封组件安装件210向上吊起并且离开该工作流体到达该表面后，该密封件载体240可以被移动来改善对这些支撑密封件252的接近。该密封件载体240的垂直移动由构件限制，这些构件在图15和图19中示出为接合沟道230的该垂直腹板232的固定销钉256。通过移除这些固定销钉256，该密封件载体240可以被下降到该沟道230的底部，如图19中所示。在该密封件载体240被下降到该沟道230的底部的情况下，该支撑表面250和这些支撑密封件252可以被接近用于检查和修理。

在一个替代性实施例中，该密封组件安装件210可被安装在该活塞102上，向外延伸这样使得该密封组件安装件210的该外表面216通过一个间隙与该衬垫154间隔开。该密封组件130被联接到该外表面216上，延伸到该间隙中这样使得这些密封件212被迫使抵靠该衬垫154。在此实施例中，该衬垫154被配置成提供一个光滑、坚硬、防水表面，以允许一个有效密封件的形成并且防止来自压力波动的损害。

该密封组件130如上所述减小该蓄能系统100的一个灾难性故障的可能性，其中流体在该活塞102与该竖井104的这些壁之间的无阻碍流动允许该活塞102以一种不受控制的方式掉落，在这种情况下其速度仅受流体动力阻力限制。该密封组件130可以被配置成这样使得这些密封台226中的每一个能够处理该蓄能系统100的全部操作压力。如果个别密封台226中的一个发生故障，那么该密封组件130将继续操作，只要这些密封台226中的至少一个是未受损伤的。如果所有这些密封台226发生故障，那么该密封组件130的坚固结构以及在该活塞102与该密封组件安装件210之间的相对狭窄的间隙215限制流体流动并且限制下降活塞102的速度。

活塞支架

现在参见图20，一个活塞支架260被示出布置在该竖井104的下部部分中。该活塞支架260逐渐缩小在该活塞与该井壁之间的间隙以限制流体的流动。随着该活塞102趋近该竖井104的底板156，在该活塞102与该竖井104的这些壁之间的间隙减小，从而降低包围该活塞102的该工作流体从该下部腔室108到该上部腔室106的流速。该流速的降低增加了在该活塞102下方的该下部腔室108中的压力，从而提供用来减缓该活塞102的下降的一个缓冲垫。如果该密封组件130在该活塞102升高的情况下发生故障，那么该活塞支架260因此提供用来减缓该活塞102的下降的一个机构。

在一个示例性实施例中，该活塞支架260是一个钢筋混凝土和钢结构。该活塞支架260的该外表面是一种耐久材料，诸如不锈钢，以避免由于长时间暴露于该工作流体而导致的变质或者来自高压流动的侵蚀。该活塞支架260包括限定一个中央插口263的一个内表面261，该中央插口被配置成接收该活塞102的下部部分并且具有最低限度地大于该活塞102的直径的直径。该活塞支架260进一步包括一个截头锥形上表面262，该截头锥形上表面将接收该活塞的空间的直径从该竖井104的标称内直径(例如，该衬垫154的内径)减小到该插口263的直径。

该活塞支架260还提供防止该通道110中的故障的保护(例如，一个阀或机构诸如该涡轮泵120)，该故障突然允许不受限制的流体流动通过该通道110。随着该活塞102趋近该竖井底板156，该活塞将开始阻塞流入该下部横通道118，从而有效地充当一个闸门阀。该活塞支架260被配置成这样使得一个小的空间264保留在至该下部横通道118的该孔266与该活塞102之间，以允许即使当该活塞102已完全下降时流进和流出该下部横通道118的一个小的流体流速，从而允许在正常操作过程中该活塞102的上升和降落。

至该下部横通道118的该孔266的形状可被配置成这样使得流进该通道110中的流速将随着该活塞102下降而平稳减小，从而以一种受控方式降低该活塞102的加速度并且最小化在该活塞102与该竖井底板156之间的冲击力。例如，代替圆形，该孔266可被配置为一个垂直槽或一个V形。该孔266的表面被配置成一种耐久材料，诸如不锈钢，以避免由于长时间暴露于该工作流体而导致的变质或者来自高压流动的侵蚀。该下部横通道118和该活塞支架260的结构足够结实来经受随着该活塞下降而发生的任何压力的增加。在其他实施例中，该下部横通道118可被定位成这样使得该孔266被布置在该活塞支架260上方。

活塞引导件

现在参见图21-22，示出为活塞引导件270的对准构件被成高度间隔提供在该活塞102与该竖井104的这些壁之间的空间中。这些活塞引导件270约束该活塞102的倾斜或横向移动以将该活塞102维持在一个垂直定向上并且居于该竖井104的中心。通过使该活塞102在该竖井104内对准，这些活塞引导件270防止对该密封组件130、该衬垫154或者该活塞102的损害以及防止由于在该活塞102与该竖井104的这些壁之间的不对准或接触而造成的摩擦的系统效率的降低。这些活塞引导件270被配置成保持该活塞102居于该竖井104的中心并且即使在该密封组件130发生故障的情况下防止不受控制的掉落，从而降低潜在故障的可能性并且提高该蓄能系统100的操作灵活性。

根据一个示例性实施例，该活塞引导件270包括一个挠曲支柱272。该支柱272的一个端部被接收在提供在该衬垫154上的一个插口274中。该活塞引导件270可包括包围该活塞102的圆周彼此靠近安排的多个支柱272。该支柱272可由结实、弹性材料制造，诸如碳纤维复合材料或者当浸没在该工作流体中时防腐蚀的一种金属或金属合金(例如，不锈钢)。

该支柱272横过在该竖井104的该壁与该活塞102之间的间隙向内延伸，自由内端被联接到支持一个接触垫278的一个支撑板276上。该支柱272抵靠该活塞102的侧边按压该支撑板276以及该接触垫278，从而沿着该活塞102的该外表面214滑动。该支撑板276和该接触垫278两者都被弯曲来符合该活塞102的曲率(参见图24)。该接触垫278由一种低摩擦材料制造，该低摩擦材料具有足够高的抗压强度以承受任何预期的压力等级，诸如超高分子量聚乙烯或威高尔轴承材料。该支撑板276由一种刚性材料形成，诸如一种金属或合金(例如，不锈钢)。

该支柱272抵靠该活塞102的侧边按压该支撑板276以及该接触垫278，这样使得只要该活塞102维持居于该竖井104的中心就施加最小的力。如果该活塞102在该引导件270的方向上从该中心位置偏离，那么该支柱272挠曲并且该接触垫278施加给该活塞102的接触压力增加，从而迫使该活塞102回到该竖井104的中心。

该接触垫278具有一个足够大的表面积来提供以低压实现高迫力的能力。例如，在一个实施例中，该接触垫可具有100英寸的宽度以及100英寸的高度，并且因此能够以仅10磅每平方英寸的一个施加的接触压力提供100,000磅(>45,000千克力)的一个对中心力。如果在活塞倾斜之前所施加的力变得太大，那么这一力不仅仅足以使甚至一个非常大的活塞保持接近垂直，并且因此避免了对甚至更大的横向力的需要。在一些实施例中，该活塞引导件270可包括一个或多个测量装置279(例如，压力传感器、应变仪、等等)。这些测量装置279可被布置在该支撑板276上或者在该支柱272上以检测该活塞102的横向移动。这些测量装置279可以远程监控来验证该蓄能系统100的正确操作并且允许在任何结构故障造成严重后果前的校正动作。

该支架272、该支撑板276、以及该接触垫278可以被从该插口274移除作为用于维护或更换的一个单元(例如，由一个高架起重机机构吊起)并且消除在该活塞102与该竖井104的壁之间的间隙，以允许该密封组件130被移除，如上所述。该活塞引导件270可以在不从该蓄能系统100移除该工作流体的情况下被移除。

现在参见图23-24，该活塞引导件270根据另一个示例性实施例示出。代替该支柱272，该活塞引导件270包括一个液压活塞271。该液压活塞271被联接到布置在该衬垫154上的一个板273上，并且横过在该竖井104的该壁与该活塞102之间的间隙向内延伸。该自由内端通过一个枢转连接件275联接到该支撑板276上。该液压活塞271抵靠该活塞102的侧边按压该支撑板276和该接触垫278。该枢转连接件275允许该支撑板276和该接触垫278在该活塞从中心位置偏离时维持与该活塞102的接触。如果该活塞102在该引导件270的方向上从该中心位置偏离，那么该液压活塞271压缩并且该接触垫278施加给该活塞102的接触压力增加，从而迫使该活塞102回到该竖井104的中心。在其他实施例中，该液压活塞271可利用另一种适合的机构来更换，诸如一个气动缸活塞或一个弹簧装置(例如，一个螺旋弹簧)。参见图24，该活塞引导件270可包括围绕该活塞102的圆周的一部分径向安排的多个液压活塞271。该液压活塞的压力可以通过一个泵(未示出)的手段来增加，以迫使该活塞朝该竖井的中心返回，或者减小来最小化在该活塞102与该接触垫278之间的摩擦。

颗粒捕集器

现在参见图25，该蓄能系统100被示出包括一个或多个颗粒捕集器280。该蓄能系统100的构造所遗留的或者由于该活塞102或者该竖井104的壁的退化而产生的颗粒可以流动通过该蓄能系统100并且对部件(诸如该涡轮泵72和该密封组件130)造成磨损损伤。前述构造方法被配置成最小化来自该竖井104的壁或者该活塞102的此类颗粒的释放。然而，磨损颗粒仍可由该活塞102和该竖井104的构造生成或者可被从其他源引入该蓄能系统100，诸如通过用来填充该蓄能系统的该工作流体。这些颗粒捕集器280被配置成防止磨损颗粒自由流动通过该蓄能系统100并且损伤部件。

这些颗粒捕集器280由结构诸如垂直通道来提供，这些垂直通道允许颗粒进入收集区，同时防止该工作流体中的涡流将这些颗粒从这些颗粒捕集器280携带到该蓄能系统100的其他区域。这些颗粒捕集器例如可被提供在该活塞102的顶部上、该密封组件安装件210的顶部上、该竖井底板156上、以及该垂直通道112的底端上。在该蓄能系统100的操作过程中，该工作流体中的磨损颗粒往往将进入这些颗粒捕集器280中的一个中，并且保留在这些颗粒捕集器280中直到在该蓄能系统100的维护过程中被移除。

发电

现在参见图26，更详细地示出了动力室128。一个主阀282被布置在该上部横通道116在该涡轮泵120与该垂直通道112之间的第二部分123中。根据一个示例性实施例，该主阀282是一个类似于常用于液压系统中的一个阀的球阀。一个第二阀284被布置在该垂直通道112中低于该上部横通道116的孔。根据一个示例性实施例，该第二阀284是一个闸门阀。该第二阀284可以关闭该垂直通道112以防止来自该竖井104的流体流动，从而允许例如对该垂直通道112或者对该动力室128的维护，或者以防止工作流体通过该垂直通道112的该上部部分中的一个漏洞流出。该垂直通道高于至该上部横通道116的连接的顶端可包含空气并且形成一个调压室286。该调压室286中的空气响应于该工作流体的压力的迅速变化而提供一个缓冲区以缓解水锤现象。在该主阀282或者该涡轮泵120损坏或故障的情况下，可提供从该垂直通道112至该竖井104的一个附加的流体通道(未示出)。该附加的流体通道允许工作流体绕开该动力室128，从而降低该活塞102并且释放该工作流体的压力。

现在参见图27，在另一个实施例中，该蓄能系统100可包括一个液压短路功率系统290。代替一个涡轮泵，该液压短路功率系统290包括分开的泵292以及一个涡轮机294(例如，一个培尔顿水轮机)。该泵292和该涡轮294分别通过驱动轴293和295连接到一个公共电机/发电机296上。该泵292被布置在该上部横通道112中。该涡轮机294被布置在一个第三通道297中，该第三通道与该垂直通道112处于流体联通并且具有排空到该竖井104中的一个出口299。该涡轮机294被定位在该竖井104中的该工作流体液位上方。一个阀298(例如，一个球阀)被布置在该第三通道297中、处于该涡轮294与该垂直通道112之间。

该泵292可具有一个高功率要求(例如，近似300兆瓦)并且可仅能够将在此功率水平下的电力存储在该蓄能系统100中。相比之下，该涡轮机294可能够提供来自该蓄能系统100的在几乎从零至全功率的整个范围内的输出。该液压短路功率系统290可以通过同时操作该泵292和该涡轮机294来克服该泵送功率限制。该泵292可在全功率下操作，同时该泵292所输出的高压水中的一些通过部分打开该阀298以产生该泵292所要求的一些功率而被引导穿过该涡轮机294。

因为该涡轮机294定位在该竖井104的该工作流体液位上方，来自该出口299的该工作流体可以自由流入该竖井104中，而无需一个压力壳或一个加压涡轮室，如果该涡轮机294定位在该竖井104的该工作流体液位的下方就需要一个压力壳或一个加压涡轮室。将该涡轮机294定位在该竖井104的该工作流体液位的上方可导致该涡轮机294高出地面，从而促进该对该涡轮机294的安装和维护。

因此，该液压短路功率系统290可仅通过改变涡轮功率来从全泵送功率到零泵送功率缓慢和迅速变化。这极大地提高了该蓄能系统100在电网系统中的利用，其中可变电源诸如风能和太阳能可以迅速改变必须存储或产生的电量。

尽管上述蓄能系统总体上被描述为使用水作为一种工作流体，但在其他实施例中，可使用另一种流体。例如，该流体可以是另一种液体或可以是空气，或者可使用某一其他气体代替水。如果一种气体被用作该工作流体，该涡轮泵可通过一种涡轮压缩机来更换。如果压缩气体代替水用作该工作流体，那么在一个给定竖井和活塞的情况下可以存储的能量的数量会更大，因为能量通过提升该活塞并且通过压缩该气体两者来存储。

本发明的实施例涉及可以充当可靠、可调度的电源的蓄能系统。在特定实施例中，这些系统可利用可再生能源所产生的诸如太阳能收集器和风力涡轮机所收集的能量。根据本发明的实施例，来自太阳能和/或风力源的输出的极大部分被引入大型蓄能单元中，该大型蓄能单元接着可在以后(例如，在根据需要的基础上)释放该能量。

尽管上述已描述的某些实施例涉及“非峰值”能量可由其存储用于随后的“峰值”使用的系统，但本发明的实施例还涉及用于能量产生的频率调整(或调整)的系统。在此类系统中，在所产生的能量的水平与所需能量的水平之间的差异被平衡来减小或最小化此差异根据此类实施例，一个活塞(例如，一个类似于图3的活塞102的活塞)可沿着其前进的路径可具有一个适合的垂直长度，诸如但不限于约200米或更长的长度。在一个特定实施例中，该路径的该垂直长度是在近似200米与400米之间。

为了说明和描述的目的已经呈现了本发明的某些实施例的以上描述。上述描述并不旨在是穷尽的或将本发明限制于所披露的精确形式。鉴于以上传授内容，许多修改和变化都是可能的。因此，意图的是本发明的范围不受此详细说明书的限制，而是受其所附的权利要求书的限制。

Claims (19)

1.一种用于蓄能的系统，该系统包括：

一个主体；

一个空心竖井，该空心竖井具有限定用于包含一种流体的一个内部容积的壁，该主体被布置在该空心竖井的该内部容积内用于通过重力在该空心竖井的该内部容积内从一个第一高度位置移动到一个第二高度位置；

一个密封构件，该密封构件被布置在该主体与该空心竖井的壁之间，该密封构件被联接到一个安装表面上并且可滑动地接合一个接触表面，从而将该内部容积分成垂直位于该主体下方的一个第一部分以及垂直位于该主体上方的一个第二部分；

一个流体通道，该流体通道与该空心竖井处于流体联通，用于与该空心竖井的该内部容积的该第一部分传送流体；

以及一个电动机/发电机，该电动机/发电机可操作地与该流体通道联接，从而在该主体通过重力从该第一高度位置移动到该第二高度位置时就驱动该电动机/发电机发电，

其中该密封构件被安装到一个密封件载体上，该密封件载体被联接到该安装表面上这样使得其可以在与该主体的运动横向的方向上在该第一高度位置与该第二高度位置之间移动，并且该密封件载体具有能够扩张或收缩的一个圆周。

2.如权利要求1所述的系统，其中该接触表面包括一个光滑且垂直的表面。

3.如权利要求2所述的系统，其中该接触表面具有在±100mm内的一个垂直度。

4.如权利要求2所述的系统，其中该接触表面具有小于0.5μm的一个平均粗糙度。

5.如权利要求1所述的系统，其中该空心竖井的该壁包括该安装表面，并且该主体的一个外部圆周表面包括该接触表面，该密封构件在该主体在该第一高度位置与该第二高度位置之间移动时连续接合该主体。

6.如权利要求1所述的系统，其中密封件载体包括一个垂直表面，该内部容积的该第一部分中的该流体在该垂直表面上施加一个向内的力以迫使该密封构件抵靠该接触表面。

7.如权利要求1所述的系统，其中该密封构件被配置成可从在该主体与该空心竖井的该壁之间移除，而无需从该空心竖井的该内部容积移除该流体。

8.如权利要求1所述的系统，进一步包括布置在该空心竖井的该内部容积中的一个支架，该支架包括限定一个插口的一个内表面，该插口被配置成接收该主体的一个下部部分；其中在该主体与该内表面之间的一个空间的截面面积小于在该主体与该空心竖井的该壁之间的一个空间的截面面积。

9.如权利要求1所述的系统，进一步包括围绕该主体的周边布置的多个对准构件；该多个对准构件被联接到该空心竖井的该壁上并且可滑动地接合该主体的外部圆周表面；其中该多个对准构件在朝该空心竖井的中心的一个方向上对该主体施加一个力以维持在该主体的该外部圆周表面与该空心竖井的该壁之间的一个间隙，从而约束该主体在与该主体的该运动横向的方向上在该第一高度位置与该第二高度位置之间的移动。

10.如权利要求9所述的系统，其中该多个对准构件被配置成可从在该主体与该空心竖井的该壁之间移除，而无需从该空心竖井的该内部容积移除该流体。

11.如权利要求9所述的系统，进一步包括布置在该多个对准构件中的一个上的一个测量装置，该测量装置被配置成检测该主体在与该主体的该运动横向的一个方向上在该第一高度位置与该第二高度位置之间的移动。

12.如权利要求9所述的系统，其中由该多个对准构件施加给该主体的该力可以被控制地增加或减小。

13.如权利要求1所述的系统，进一步包括一个涡轮机，该涡轮机与该流体通道处于流体联通并且机械地联接到该电动机/发电机上，该涡轮机从该流体通道接收流体压力并且在该主体由于重力从该第一高度位置移动到该第二高度位置时就驱动该电动机/发电机来发电。

14.如权利要求13所述的系统，进一步包括一个流体泵，该流体泵与该流体通道处于流体联通并且机械地联接到该电动机/发电机上，该流体泵由该电动机/发电机驱动并且向该流体通道增加流体压力以通过将该主体从该第二高度位置移动到该第一高度位置来蓄能。

15.如权利要求14所述的系统，其中该涡轮机定位在包含在该空心竖井内的该流体的流体液位上方。

16.如权利要求15所述的系统，进一步包括一个截流阀，该截流阀被布置在所述流体通道的第一通道中介于该流体泵与垂直通道之间，该垂直通道通过该第一通道与该第二部分处于流体联通。

17.如权利要求16所述的系统，进一步包括一个第二阀，该第二阀被布置在该涡轮机与该垂直通道之间的另一通道中。

18.如权利要求1所述的系统，其中该主体与该空心竖井的该壁不可由包含在该内部体积内的该流体渗透。

19.一种用于蓄能的方法，该方法包括：

将一个主体布置在一个空心竖井的内部容积内用于通过重力在该空心竖井的该内部容积内从一个第一高度位置移动到一个第二高度位置，该空心竖井具有限定用于包含一种流体的该内部容积的壁；

将一个密封构件布置在该主体与该空心竖井的壁之间，该密封构件被联接到一个安装表面上并且可滑动地接合一个接触表面，从而将该内部容积分成垂直位于该主体下方的一个第一部分以及垂直位于该主体上方的一个第二部分；

设置一个流体通道，该流体通道与该空心竖井处于流体联通，用于与该空心竖井的该内部容积的该第一部分传送流体；以及

在该主体通过重力从该第一高度位置移动到该第二高度位置时驱动一个电动机/发电机发电，该电动机/发电机可操作地与该流体通道联接，

其中该密封构件被安装到一个密封件载体上，该密封件载体被联接到该安装表面上这样使得其可以在与该主体的运动横向的方向上在该第一高度位置与该第二高度位置之间移动，并且该密封件载体具有能够扩张或收缩的一个圆周。