CN112780512A - 一种利用山地高度落差的重力储能系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用山地高度落差的重力储能系统及运行方法，它包括具有一定高度且结构心态稳定的山体；在山体上布置安装有用于储存和释放储能物质的收集下落系统；所述收集下落系统与用于发电的发电系统相连；所述发电系统通过与用于对储能物质进行提升的抬升系统相连；所述抬升系统与收集下落系统相连。此储能系统主要依靠将需存储的能量转化为重力势能，最终通过储能物质的自由降落释放其重力势能，使用这种储能方式，在长时间的储能过程中不会产生较大的能量损失，而且现有技术完全有能力实现此种储能方式。

Description

一种利用山地高度落差的重力储能系统及运行方法

技术领域

本发明涉及一种利用山地高度落差的重力储能系统及运行方法，属于储能技术领域。

背景技术

随着社会的不断发展，人类进行日常生活生产以及科学研究等活动必须依靠充足的电力能源，足以体现电能对人类发展具有不可或缺的重要性。目前电能的主要来源为火力能、水力能、风力能、潮汐能等，火力发电需要消耗巨大的煤炭资源以及会排放一定的大气污染物，而其他发电方式受自然因素的影响，以至会产生电能供大于求的时段，将供大于求时的多余电能储存起来在紧急时期应急就显得尤为重要。

现有储能技术有依靠电池储能，如发明专利201610164264.X所提出的一种储能系统，其利用多个采用超级电容的储能单元进行储能，此种储能方式在长时间的储能状态下会有较大的能量损失；也有依靠压缩空气进行储能，如201711157263.3所提出的一种压缩空气储能方法，其主要利用空气压缩机将能量存储为压缩热能，最终通过膨胀机膨胀做功来释放能量，但现有技术中的空气压缩储能还有一定缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用山地高度落差的重力储能系统及方法，此储能系统主要依靠将需存储的能量转化为重力势能，最终通过储能物质的自由降落释放其重力势能，使用这种储能方式，在长时间的储能过程中不会产生较大的能量损失，而且现有技术完全有能力实现此种储能方式。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种利用山地高度落差的重力储能系统，它包括具有一定高度且结构心态稳定的山体；

在山体上布置安装有用于储存和释放储能物质的收集下落系统；

所述收集下落系统与用于发电的发电系统相连；

所述发电系统通过与用于对储能物质进行提升的抬升系统相连；

所述抬升系统与收集下落系统相连。

所述收集下落系统包括固定在山体顶部的山上收集器，所述山上收集器的底部中心部位连通有坠管，所述坠管沿着山体的高程方向布置；所述坠管和山上收集器的底部出口之间设置有用于控制储能物质释放的电动阀门。

所述山上收集器通过多根支撑结构构件稳定支撑在山上收集器的顶部。

所述山上收集器为四分之一球体的金属密闭容器，所述金属密闭容器的顶部面板呈内凹的弧形结构，且在顶部面板上加工有用于注入储能物质的通孔。

所述发电系统包括发电系统外壳，在发电系统外壳的内部安装有机械发电机，机械发电机的主轴上安装有用于驱动其转动的接受扇叶，所述发电系统外壳与收集下落系统的坠管相连通，并通过储能物质对接受扇叶进行冲击转动，所述发电系统外壳的底部设置有硬质斜面，所述硬质斜面的低端与抬升系统相连通。

所述抬升系统包括山下收集器，所述山下收集器通过入球管与发电系统的发电系统外壳相连通，所述山下收集器与防漏外壳相连通，所述防漏外壳的内部设置有用于对储能物质进行提升的传输皮带，所述传输皮带上设置有均布的抬升板，抬升板与防漏外壳相接触，所述传输皮带与用于驱动其转动的动力装置相连；所述防漏外壳的顶端出口通过出球管与山上收集器相连。

所述动力装置包括安装在防漏外壳内部的主动轴和从动轴，所述传输皮带同时与主动轴和从动轴上的带轮啮合传动，并驱动其转动。

所述坠管由两段不锈钢圆管组成，两段管采用平滑连接；所述坠管内部储能物质接触部分涂有固体润滑涂层。

所述储能物质采用钢球与一种低黏度润滑油的混合物，储能物质在各系统间传输，其直径比坠管直径小1/3至1/2。

利用山地高度落差的重力储能系统的运行方法，包括以下步骤：

Step1，空转检查：检查装置是否完好，开启转载检查是否正常运行；

Step2，打开电动阀门：通过无线信号打开电动阀门，储能物质从山上收集器底部，由坠管起始位置开始下落；

Step3，储能物质下落：打开电动阀门使储能物质沿坠管下落，由接受扇叶；

Step4，能量转化：接受扇叶在储能物质冲击下旋转，并带动机械发电机，机械发电机将机械能转化成持续稳定输送的电能；

Step5，收集储存：所有储能物质沿硬质斜面进入山下收集器中，待外部电能过剩时抬升；

Step6，打开阀门：当外界电能剩余时，打开山下收集器末端电动阀门，使储能物质进入抬升系统中；

Step7，储能抬升：利用外界电能使抬升系统运行，抬升板将储能物质抬升；

Step8，储能物质收集：抬升板将储能物质抬升至顶部，储能物质经出球管进入山上收集器中，待外界电能不足时使用。

本发明有如下有益效果：

1、本发明采用机械装置实现升降操作，技术成熟、安全可靠、系统工作年限长。通过所述传输皮带的重复使用可以大幅度减少高强度钢材成本。系统中防漏外壳可以保护抬升系统，即使传输皮带意外断裂使储能物质坠落，也不会造成山体破坏。抬升系统安装在山体表面而非内部，维护方便，其工作寿命可以到达数十年。发电系统置于山体内部，不易遭受破坏，通过电线将电能稳定输出。

2、能量循环效率高，可实现电力均匀输出。整个过程主要包括电动机提升重物、重物下落带动机械发电机两个动作，系统效率远高于水电站。通过储能物质的抬升与下落，可实现电力的储存和稳定输出。

3、可以实现超大容量储能，能量密度高。虽然单个储能物质重量不大，但可以根据实际增加储能物质数量提高储能总量。

4、运营过程无污染，储能储存安全且长期保存无损失，也没有电池蓄电的环境污染和寿命次数问题。储能物质为静态物质，没有突然破损和释放危险。

5、适用地理范围广，减少宝贵平原资源的使用，例如我国西南部横断山脉等位置，可为电能储存提供最佳的储能方式。

6、综上所述，本发明利用山地高度落差，通过机械运动方式提升储能物质实现电力储能，可有效克服现有技术存在系统安全系数不高、成本较高，过于占用陆地面积的问题，特别适宜在高度上千米且较稳定的山体区域实施。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为发电系统结构示意图。

图3为山上收集器结构示意图。

图4为抬升系统结构示意图。

图中：山体1、储能物质2、支撑结构构件3、山上收集器4、坠管5、电动阀门6、山下收集器7、接受扇叶8、机械发电机9、发电系统外壳10、硬质斜面11、入球管12、出球管13、抬升板14、传输皮带15、主动轴16、从动轴17、防漏外壳18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种利用山地高度落差的重力储能系统，它包括具有一定高度且结构心态稳定的山体1；在山体1上布置安装有用于储存和释放储能物质2的收集下落系统；所述收集下落系统与用于发电的发电系统相连；所述发电系统通过与用于对储能物质2进行提升的抬升系统相连；所述抬升系统与收集下落系统相连。通过采用上述的重力储能系统，其能够在电能富裕时，通过电能带动抬升系统将储能物质2进行提升，并将其储存在山体1顶部，当用电高峰期时，通过释放储能物质2，驱动发电系统进行发电，进而产生电能，保证电能的重新供应，最终达到储能的目的。

进一步的，所述收集下落系统包括固定在山体1顶部的山上收集器4，所述山上收集器4的底部中心部位连通有坠管5，所述坠管5沿着山体1的高程方向布置；所述坠管5和山上收集器4的底部出口之间设置有用于控制储能物质2释放的电动阀门6。所述电动阀门6为无线信号接收装置，通过无线信号终端控制电动阀门6，所述电动阀门6及无线信号终端通过蓄电池供电。通过上述的收集下落系统主要用于对储能物质2进行储存，并保证其储存一定量之后能够进行释放，进而将重力势能转化为动能。

进一步的，所述山上收集器4通过多根支撑结构构件3稳定支撑在山上收集器4的顶部。通过上述的结构保证了山上收集器4支撑的稳定性和可靠性。

进一步的，所述山上收集器4为四分之一球体的金属密闭容器，所述金属密闭容器的顶部面板呈内凹的弧形结构，且在顶部面板上加工有用于注入储能物质2的通孔。通过上述的山上收集器4保证了收集过程的顺畅性。

进一步的，所述发电系统包括发电系统外壳10，在发电系统外壳10的内部安装有机械发电机9，机械发电机9的主轴上安装有用于驱动其转动的接受扇叶8，所述发电系统外壳10与收集下落系统的坠管5相连通，并通过储能物质2对接受扇叶8进行冲击转动，所述发电系统外壳10的底部设置有硬质斜面11，所述硬质斜面11的低端与抬升系统相连通。优选的，所述接收扇叶8外形采用流线型结构，由钛合金材料制作。所述钛合金材质扇叶质量集中于风扇末端。所述机械发电机9为装有稳压变换器的双馈式感应发电机。所述硬质斜面11为与水平地面呈约十五度角的金属斜面，所述硬质斜面11应随面的下降而宽度缩小。所述抬升板14外形采用圆形结构，由所述传输皮带15等距连接，通过与所述主动轴16、从动轴17贴合实现传动。所述从动轴17安装在所述主动轴16斜上方。所述出球管13起始段底部开有一直径等同抬升板直径的圆形孔，起始段上部同所述防漏外壳18连接。通过上述的发电系统能够用于将动能转化为电能。

进一步的，所述抬升系统包括山下收集器7，所述山下收集器7通过入球管12与发电系统的发电系统外壳10相连通，所述山下收集器7与防漏外壳18相连通，所述防漏外壳18的内部设置有用于对储能物质2进行提升的传输皮带15，所述传输皮带15上设置有均布的抬升板14，抬升板14与防漏外壳18相接触，所述传输皮带15与用于驱动其转动的动力装置相连；所述防漏外壳18的顶端出口通过出球管13与山上收集器4相连。通过上述的抬升系统能够保证在电能富裕时，通过电能驱动上述的抬升系统，最终，将电能转化为重力势能，以便于后续发电使用。

进一步的，所述动力装置包括安装在防漏外壳18内部的主动轴16和从动轴17，所述传输皮带15同时与主动轴16和从动轴17上的带轮啮合传动，并驱动其转动。所述主动轴16电机相连，并驱动其转动。工作过程中，通过电机驱动主动轴16，通过主动轴16驱动从动轴17，通过从动轴17驱动带轮，进而带动传输皮带15。

进一步的，所述坠管5由两段不锈钢圆管组成，两段管采用平滑连接；所述坠管5内部储能物质接触部分涂有固体润滑涂层。通过采用上述结构的坠管5保证了储能物质2能够顺利的落下，并将重力势能转化为动能。

进一步的，所述储能物质2采用钢球与一种低黏度润滑油的混合物，储能物质2在各系统间传输，其直径比坠管5直径小1/3至1/2。通过采用上述的储能物质2，在保证其具有一定流动性的同时，实现高效储能，进而提高了其储能密度，保证储能效果。

实施例2：

利用山地高度落差的重力储能系统的运行方法，包括以下步骤：

Step1，空转检查：检查装置是否完好，开启转载检查是否正常运行；

Step2，打开电动阀门6：通过无线信号打开电动阀门6，储能物质2从山上收集器4底部，由坠管5起始位置开始下落；

Step3，储能物质2下落：打开电动阀门6使储能物质沿坠管下落，由接受扇叶8；

Step4，能量转化：接受扇叶8在储能物质2冲击下旋转，并带动机械发电机9，机械发电机9将机械能转化成持续稳定输送的电能；

Step5，收集储存：所有储能物质2沿硬质斜面11进入山下收集器7中，待外部电能过剩时抬升；

Step6，打开阀门：当外界电能剩余时，打开山下收集器末端电动阀门，使储能物质进入抬升系统中；

Step7，储能抬升：利用外界电能使抬升系统运行，抬升板14将储能物质2抬升；

Step8，储能物质2收集：抬升板14将储能物质抬升至顶部，储能物质经出球管13进入山上收集器4中，待外界电能不足时使用。

实施例3：

本发明可通过电缆连接附近的风力发电机等，实现电能的存储。本发明还可以通过电缆连接电网，参与电网电能的削峰填谷。

所述系统的工作流程为：检查装置是否完好，开启转载检查是否正常运行。通过无线信号打开阀门，储能物质从山上收集器底部，由坠管起始位置开始下落。打开电动阀门使储能物质沿坠管下落，由接收扇叶接收。接收扇叶旋转带动机械发电机，机械发电机将机械能转化成持续稳定输送的电能。所有储能物质沿硬质斜面进入山下收集器中，待外部电能过剩时抬升。当外界电能剩余时，打开山下收集器末端电动阀门，使储能物质进入抬升系统中。利用外界电能使抬升系统运行，抬升板将储能物质抬升。物质收集：抬升板将储能物质抬升至顶部，储能物质经出球管进入山上收集器中，待外界电能不足时使用。

具体流程为：在夜间波谷时段，首先使主动轴开始转动，传输皮带与抬升板在主动带动下开始运动。接着将山下收集器末端的电动阀门打开，储能物质通过入球管进入主动轴处，并悉数由抬升板向上抬升。抬升至顶部后，在重力作用下，储能物质沿抬升板、出球管进入山上收集器中。反复执行上述作业，直到山下收集器中全部储能物质都被传输至山上收集器中。在白天电力波峰时段，通过无线信号打开山上收集器末端的电动阀门。储能物质由坠管依次下落，不断击打接收扇叶，带动扇叶旋转。接收风扇轴处所连接的机械发电机将重力势能转化为电能。为了避免对电网产生冲击，可以合理规划下落储能物质数量，实现较平滑的电力输入输出。落下的储能物质沿硬质斜面进入山下收集器中供下次电力波谷时段使用。

Claims (10)

1.一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：它包括具有一定高度且结构心态稳定的山体（1）；

在山体（1）上布置安装有用于储存和释放储能物质（2）的收集下落系统；

所述收集下落系统与用于发电的发电系统相连；

所述发电系统通过与用于对储能物质（2）进行提升的抬升系统相连；

所述抬升系统与收集下落系统相连。

2.根据权利要求1所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述收集下落系统包括固定在山体（1）顶部的山上收集器（4），所述山上收集器（4）的底部中心部位连通有坠管（5），所述坠管（5）沿着山体（1）的高程方向布置；所述坠管（5）和山上收集器（4）的底部出口之间设置有用于控制储能物质（2）释放的电动阀门（6）。

3.根据权利要求2所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述山上收集器（4）通过多根支撑结构构件（3）稳定支撑在山上收集器（4）的顶部。

4.根据权利要求1或2所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述山上收集器（4）为四分之一球体的金属密闭容器，所述金属密闭容器的顶部面板呈内凹的弧形结构，且在顶部面板上加工有用于注入储能物质（2）的通孔。

5.根据权利要求1所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述发电系统包括发电系统外壳（10），在发电系统外壳（10）的内部安装有机械发电机（9），机械发电机（9）的主轴上安装有用于驱动其转动的接受扇叶（8），所述发电系统外壳（10）与收集下落系统的坠管（5）相连通，并通过储能物质（2）对接受扇叶（8）进行冲击转动，所述发电系统外壳（10）的底部设置有硬质斜面（11），所述硬质斜面（11）的低端与抬升系统相连通。

6.根据权利要求1或5所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述抬升系统包括山下收集器（7），所述山下收集器（7）通过入球管（12）与发电系统的发电系统外壳（10）相连通，所述山下收集器（7）与防漏外壳（18）相连通，所述防漏外壳（18）的内部设置有用于对储能物质（2）进行提升的传输皮带（15），所述传输皮带（15）上设置有均布的抬升板（14），抬升板（14）与防漏外壳（18）相接触，所述传输皮带（15）与用于驱动其转动的动力装置相连；所述防漏外壳（18）的顶端出口通过出球管（13）与山上收集器（4）相连。

7.根据权利要求6所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述动力装置包括安装在防漏外壳（18）内部的主动轴（16）和从动轴（17），所述传输皮带（15）同时与主动轴（16）和从动轴（17）上的带轮啮合传动，并驱动其转动。

8.根据权利要求5所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述坠管（5）由两段不锈钢圆管组成，两段管采用平滑连接；所述坠管（5）内部储能物质接触部分涂有固体润滑涂层。

9.根据权利要求1所述一种利用山地高度落差的重力储能系统，其特征在于：所述储能物质（2）采用钢球与一种低黏度润滑油的混合物，储能物质（2）在各系统间传输，其直径比坠管（5）直径小1/3至1/2。

10.权利要求1-9任意一项所述利用山地高度落差的重力储能系统的运行方法，其特征在于包括以下步骤：

Step1，空转检查：检查装置是否完好，开启转载检查是否正常运行；

Step2，打开电动阀门（6）：通过无线信号打开电动阀门（6），储能物质（2）从山上收集器（4）底部，由坠管（5）起始位置开始下落；

Step3，储能物质（2）下落：打开电动阀门（6）使储能物质沿坠管下落，由接受扇叶（8）；

Step4，能量转化：接受扇叶（8）在储能物质（2）冲击下旋转，并带动机械发电机（9），机械发电机（9）将机械能转化成持续稳定输送的电能；

Step5，收集储存：所有储能物质（2）沿硬质斜面（11）进入山下收集器（7）中，待外部电能过剩时抬升；

Step6，打开阀门：当外界电能剩余时，打开山下收集器末端电动阀门，使储能物质进入抬升系统中；

Step7，储能抬升：利用外界电能使抬升系统运行，抬升板（14）将储能物质（2）抬升；

Step8，储能物质（2）收集：抬升板（14）将储能物质抬升至顶部，储能物质经出球管（13）进入山上收集器（4）中，待外界电能不足时使用。

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