CN105940219A - 用于在水环境中储存和产生电能的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在水介质下储存和产生电能的系统，所述系统包括：多个配重块(40)，每个配重块都与能够容纳充分密封的给定量的空气和/或水的至少一个储罐(41)，以及抓握装置(44)协作；发电机提升器(30)，所述发电机提升器被布置成与所述配重块(40)协作，并且被设置成在发电模式下使得所述配重块能够降低至底部区域(60)，并且在驱动模式下将所述配重块重新朝着水面(50)升高；能够将所述发电机提升器(30)的上部支撑在所述水面处的主浮体(10)；可逆电动机(20)，所述可逆电动机与所述发电机提升器(30)协作，并且使得可能在发电模式下，在所述配重块下降期间由于所述配重块(40)的作用产生电能，并且在驱动模式下致动所述发电机提升器(30)，以将所述配重块(40)重新升高。

Description

用于在水环境中储存和产生电能的系统
技术领域
本发明涉及一种用于在水环境中储存和产生电能的系统。
背景技术
存在从事能量储存问题工作的许多团体。虽然已经确定或者实际上实施了许多解决方案，但是当前的解决方案没有一个成为接近满足日益增长的能量需求的真正突破。
现代的挑战涉及运输，其中需要储存大量的能量，以便代替来自有污染并且是有限资源的化石燃料的能量。它们也涉及大部分源自发电厂的电的家庭和工业消耗。在这种情况下，其中一个需要解决的最重要问题涉及峰值时段，峰值时段虽然持续相对有限的时段，但是其中消耗达到非常高的水平。然而，由于当前不可能储存等于平均和峰值消耗之间的差的能量的量，所以发电厂必须被设计成满足最高消耗需求。这需要非常高的资本投资。此外，也提供许多峰值更高的发电场以在峰值时段运行。这些电场通常是燃气或者燃煤的，并且代表不可忽略的污染源。如果能够在非峰值时段期间储存峰值消耗时段所需的过剩能量，则能够避免这些峰值更高的电厂的建设。
专利申请DE10333513提出了一种适合所有深度的水，并且可以通过所需能量的量一次充电的不连续运行驱动器。被设计为处于水下，特别是在海洋中的工作机配备有电力传输装置。位于缆索的自由端处，并且具有封闭的、不可压缩的浮球的浮力体可以被充以浮力的能量。在驱动器下降期间，通过固定浮力体吸收势能，并且在驱动器定位之后，可以通过棘轮机构的受控释放而将所述能量转化为机械功。
文献US2010109329描述了一种用于从导体与载架组合上的特定数目的磁性元件的相互作用而产生电能的滑动机构。载架组合在轴上移动，并且当掉落时，由于重力而处于第二方向。这种滑动机构还包括用于减慢浮力组合的运动的减速机构，以便使载架组合的外表面在第一或者第二方向至少一部分上与流体分离。
文献JPS569671描述了包括浮体的水能量保存和储存系统，施加能量源的作用以使浮体在水下下沉，以便保存和储存能量。
这三个文献描述了使用用于当浮体处于海洋底部时积累势能的浮体的系统。这些解决方案昂贵并且实施复杂，如果期望使用需要串联附接/分离的多个浮体时特别如此。
文献WO2010051630描述了一种使用悬浮在流体中并且被绳索连接至卷轴的支撑气球的用于产生和储存能量的系统。由于浮力，所以绳索是张紧的并且保持气球的高度。马达允许卷轴以气球被抵抗浮力向下拉动的方式卷绕。可以通过允许气球升高，在绳索上拉动并且转动连接至发电机的卷轴而从系统提取能量。
这种部分在水中并且部分在陆地上的系统需要高度适合的地形，并且仅通过单个浮体运行。
文献DE 102006059233描述了一种用于临时电能产生的蓄能装置。该方法包括将蓄能装置浸没在液体中，其中主体具有低于液体的比质量。
专利申请DE4135440描述了一种用于将能量供应给电网以覆盖日常峰值能量消耗时段的岸上能量产生设施。
这些文献描述了实施复杂，具有相对有限的有效高度的笨重解决方案。
因此，存在一种对关于生态系统更高效并且经济的解决方案的需求。
本发明使用各种技术措施以弥补这些各种缺点。
发明内容
首先，本发明的目标包括提供一种用于储存和产生电能的系统，这种系统使得可能应对与低消耗交替的电能消耗中的峰值。
本发明的另一目标包括提供一种用于大量地储存和产生电能的系统。
本发明的又另一目标包括提供一种根据消耗峰值按需求运行的用于储存和产生电能的自主系统。
本发明的另一目标包括提供一种以尽可能最环境友好的方式使用可用空间，并且免受恶劣天气影响的解决方案。
为了实现这种目标，本发明提供一种用于在水环境下储存和产生电能的系统，包括：
-多个配重块，每个配重块都与能够容纳充分密封的给定量的空气和/或水的至少一个储罐，以及抓握装置协作；
-发电机提升器，其被布置成与配重块协作，并且在发电模式下允许所述配重块降低至底部区域，并且在驱动模式下将所述配重块重新朝着水面升高；
-能够将发电机提升器的上部支撑在水面处的主浮体；
-可逆电动机，其与发电机提升器协作，并且在发电模式下允许随着配重块下降而由于配重块的作用产生电能，并且在驱动模式下致动发电机提升器，以将配重块重新升高。
通过这种构造，本发明提出一种对使得可能应对电消耗峰值和更多非峰值时段两者的需求的解决方案。储罐能够在配重块内部或在配重块外部。
根据一个有利实施例，系统包括由主浮体承载的，与发电机提升器的上部协作的可逆电动机。
根据另一有利实施例，发电机提升器由致动主浮体和底部之间的皮带的一组滑轮组成。
根据另一有利实施例，该组滑轮包括由主浮体和底部滑轮承载的水面滑轮。
根据另一有利实施例，水面滑轮通过传动装置与可逆电动机机械地协作。
根据另一有利实施例，发电机提升器由主浮体承载的绞盘、绞盘缆索和至少一个钩子组成。
有利地，绞盘通过传动装置与可逆电动机机械地协作。
同样有利地，配重块基本为细长的，储罐主要朝着一端布置，浮体与该同一端协作。
同样有利地，每个配重块都包括与储罐内部和配重块外部流体协作地管理储罐内的空气和水的流体流速的控制系统。
本发明也提供一种用于在水环境下储存和产生电能的方法，包括下列步骤：
-在发电模式下，通过使用将基本处于水面的主浮体连接至底部区域的发电机提升器而实现将多个配重块降低至底部区域，以便配重块施加的力允许发电机提升器在电能产生模式下致动可逆电动机；和
-在驱动模式下，使用发电机提升器将所述配重块重新朝着水面升高，然后，可逆电动机处于驱动模式，并且确保对发电机提升器的驱动。
附图说明
在仅作为非限制性示例提供的图1至5的补充下，在下文说明中给出实施例的所有细节，并且其中：
-图1是通过滑轮系统实施的根据本发明的用于在水环境下储存和产生能量的系统的第一例证性实施例的示意性表示图；
-图2是通过绞盘实施的根据本发明的用于在水环境下储存和产生能量的系统的第二例证性实施例的示意性表示图；
-图3示出根据本发明的用于在水环境下储存和产生能量的系统的配重块示例的垂直截面图；
-图4示出图1的用于储存和产生能量的系统的另一实施例；
-图5示出图4的用于储存和产生能量的系统的配重块-储罐组合。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于在水环境下储存电能的系统的第一实施例，其中通过多个配重块40储存势能，随着配重块40朝着水的底部60下降，它们致动发电机，以产生电能。有利地在连接至本发明的系统的主电网峰值消耗期间产生这种能量，以便帮助主能量产生电网。
系统有利地包括大量的配重块40，由此使得可能长期重复地(或者连续地)产生能量。
所示系统包括能够容纳基本处于所讨论的水环境的水面处的一个或者更多可逆电动机20的主浮体10。主浮体10也用作支撑，以保持下文所述的发电机提升器30的上部基本处于水面处，或者在水面之下。
发电机提升器30由用于将一个或者更多配重块40朝着底部或者朝着水面移动的装置组成。传动装置21使得可能将发电机提升器30连接至可逆电动机20。每个配重块40都具有用于容纳能够平衡或者至少部分地增大配重块40的重量的一定量的空气和/或水的储罐41，以便确保在基本处于水面处的位置蓄能，或者相反促进朝着底部下降。
根据该第一实施例，储罐41被布置在配重块40内部。关于图3更详细地描述了该特定布置。
在图1中所示的第一实施例中，发电机提升器30包括确保能够与滑轮协作的皮带33或者缆索的转动运动的一组滑轮。在该示例中，水面滑轮31承载发电机提升器30的顶部部分，并且底部滑轮32保持皮带朝着底部60或者处于水的底部。传动装置21确保水面滑轮31和可逆电动机20之间的机械连接。
在电能产生模式下，配重块40被发电机提升器30引导一个接一个地朝着底部60下降，然后，发电机提升器30以发电模式运行。可逆发电机20产生的能量被电缆传输至例如位于相邻岸边(图中未示出)的消耗点。当所有配重块40都处于底部60时，则系统停止产生能量。当出现电消耗不足时段时，在驱动模式下使用发电机提升器30，以使配重块40重新朝着水面50升高至蓄能位置。所需能量来自电连接至系统的发电点。已升高的配重块40可以视需要尽可能长地保持在蓄能位置，直到所连接的主电网的新的大消耗时段，以便帮助该电网中的发电厂应对峰值消耗时段。
图2示出图1的系统的变体实施例，其中发电机提升器30包括设置在主浮体10的水平处，并且通过传动装置21连接至电动机-发电机20的绞盘34。绞盘34用于致动具有钩子(该示例中为两个钩子36)的绞盘缆索35。
钩子浮体37可以位于钩子36附近，以促进其关于配重块40的抓握装置44的良好定位，并且因而促进配重块40的附接和分离操作。优选地，等容配重块浮体46通过配重块缆索45连接至配重块40，并且这些配重块缆索45也用于将配重块40连接至抓握装置44(在该示例中为环的形式)。
图3示出根据所述第一实施例的配重块40的示例的截面图。配重块40有利地采取在上部具有内部储罐41的细长圆柱体或者长方体的形式。流体流量控制系统42管理流体对储罐41的流入和/或流出，以控制配重块40的运动。控制系统42允许特定量的水进入，以触发配重块40朝着底部下降。再次上升时，控制系统42允许水流出，以促进配重块40上浮，并且使其在水面区域中蓄能。控制系统42由储存和发电系统自动地和/或被位于远处的手动或者自动操作器遥控控制。在变体中，也可通过配重块40朝着底部的移动触发下降。
储罐41的进口/出口通道43允许流体在储罐41和外部之间交换。在所示示例中，配重块40另外还包括用于保持空气的翼片47，允许如果储罐41意外地处于倾斜位置则防止空气泄漏。
图4和5示出本发明的第二实施例。根据该第二实施例，配重块40为实心的，并且连接至外部可充气储罐41。上部浮体46(类似于图1至3中的浮体)完成该组合。图5示出连接至外部储罐41的配重块40。外部储罐41包括被填充有空气的柔性包络。可以使用几种类型的柔性材料以产生储罐包络。优选地使用聚合材料。当被充气时，储罐41的尺寸为引起配重块40漂浮在水面50上。当被放气时，则储罐41失去其漂浮效果，并且配重块40处于底部60。图4示出这两种模式，以及放气并且朝着底部下降的过渡阶段。
与上述实施例中相同，配重块40朝着底部60下降驱动发电机提升器30，然后，发电机提升器30以发电模式运行，由此允许产生能量。
上文给出的本发明的附图和说明例示了本发明而非限制本发明。特别地，上文已经结合包括具有单个储罐的配重块的特定示例描述了本发明及其不同变体。
上部浮体可以由一组浮体组成，以便促进运输和装配，以便具有一定程度的尺寸灵活性(工业放大)，并且以便具有更大的灵活性，以遵循暴风雨情况下的海面形状。
存在具有两个滑轮的至少一根皮带33或者链条，以便确保两个滑轮之间的永久性张力，但是也可以存在多个链条或者皮带以及多个滑轮。
取决于运行模式，电动机可以起发电机作用，反之亦然。也可能提供两个独立元件。
可以通过改变链条/皮带的速度或者通过改变附接配重块40的数目和质量而调制能量调节装置的功率。
权利要求中的标识符本质上不是限制性的。动词“包括…”不排除存在与权利要求中所列的那些不同的其它元件。
图中使用的标识符
10 主浮体
20 可逆电动机
21 传动装置
30 发电机提升器
31 水面滑轮
32 底部滑轮
33 皮带
34 绞盘
35 绞盘缆索
36 钩子
37 钩子浮体
40 配重块
41 储罐
42 流体流量控制系统
43 进口/出口通道
44 抓握装置
45 配重块缆索
46 浮体
47 空气保持翼片
50 水面
60 水的底部区域

Claims (10)

1.一种用于在水环境下储存和产生电能的系统，包括：
-多个配重块(40)，每个配重块都与能够容纳充分密封的给定量的空气和/或水的至少一个储罐(41)，以及抓握装置(44)协作；
-发电机提升器(30)，所述发电机提升器被布置成与所述配重块(40)协作，并且在发电模式下允许所述配重块降低至底部区域(60)，并且在驱动模式下将所述配重块重新朝着水面(50)升高；
-能够将所述发电机提升器(30)的上部支撑在所述水面处的主浮体(10)；
-可逆电动机(20)，所述可逆电动机与所述发电机提升器(30)协作，并且在发电模式下允许随着所述配重块下降而由于所述配重块(40)的作用产生电能，并且在驱动模式下致动所述发电机提升器(30)，以将所述配重块(40)重新升高。
2.根据权利要求1所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述可逆电动机由主浮体(10)承载，并且与所述发电机提升器(30)的上部协作。
3.根据权利要求1或2所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述发电机提升器(30)由致动所述主浮体(10)和所述底部(60)之间的皮带(33)的一组滑轮(31、32)组成。
4.根据权利要求3所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述一组滑轮包括由所述主浮体(10)和底部滑轮(32)承载的水面滑轮(31)。
5.根据权利要求4所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述水面滑轮(31)通过传动装置(21)与所述可逆电动机(20)机械地协作。
6.根据权利要求1或2所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述发电机提升器(30)由所述主浮体(10)承载的绞盘(34)、绞盘缆索(35)和至少一个钩子(36)组成。
7.根据权利要求6所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述绞盘(34)通过传动装置(21)与所述可逆电动机(20)机械地协作。
8.根据上述权利要求任一项所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中所述配重块(40)基本为细长的，所述储罐(41)主要朝着一端布置，浮体(46)与所述同一端协作。
9.根据上述权利要求任一项所述的用于在水环境下储存和产生电能的系统，其中每个配重块都包括与所述储罐内部和所述配重块外部流体协作地管理所述储罐(41)内的空气和水的流体流速的控制系统(42)。
10.一种用于在水环境下储存和产生电能的方法，包括下列步骤：
-在发电模式下，通过使用将基本处于水面(50)的主浮体(10)连接至底部区域(60)的发电机提升器(30)而实现将多个配重块(40)降低至底部区域(60)，以便所述配重块(40)施加的力允许所述发电机提升器(30)在电能产生模式下致动可逆电动机(20)；和
-在驱动模式下，使用所述发电机提升器(30)将所述配重块重新朝着水面(50)升高，然后，所述可逆电动机(20)处于驱动模式，并且确保对所述发电机提升器(30)的驱动。
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