CN113847217A - 一种基于废弃矿坑的重力储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于储能技术领域，旨在解决废弃矿坑的循环利用问题，具体涉及一种基于废弃矿坑的重力储能系统，利用废弃的矿坑进行能量储存，包括质量模块、悬吊装置、电动发电一体机和变流器，矿坑包括底部平台、斜坡和顶部存储平台；悬吊装置包括支撑组件和设置其上的横梁，支撑组件包括设置于矿坑顶部的第一支撑组件和设置于底部平台的第二支撑组件；电动发电一体机在横梁上可移动设置；变流器在重力势能存储阶段调节电动发电一体机的转速，在重力势能释放的发电阶段把电动发电一体机的电能输送至电网；在用电低峰时，利用过剩电力驱动电动发电一体机将质量模块运送至顶部存储平台，存储重力势能；在发电时，下放质量模块实现发电。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于废弃矿坑的重力储能系统。
背景技术
大力发展可再生能源并实现清洁能源变革，是当今能源领域的大趋势。随着可再生能源越来越多地接入电网，将对大规模储能技术提出越来越迫切的需求。
近年来，各种储能技术蓬勃发展，重力势能储能是重要的物理储能技术，基于废弃矿坑的重力储能系统满足储能装置的安全性、规模化和经济性要求。
我国废弃的露天矿坑数量众多，多数矿坑的深度在300-800米之间(文献：期煤炭学报，45卷2020年，2277～2291)，主要分布在内蒙古、山西等北部和西部地区(文献：露天采矿技术，34卷2019年，1-9)。利用废弃露天矿坑的高落差和倒金字塔型结构，以提出本发明基于废弃矿坑的重力储能系统。
发明内容
针对上述问题，即为了解决废弃矿坑的循环利用问题，提出了一种基于废弃矿坑的重力储能系统，该重力储能系统除了利用废弃矿坑不占用宝贵场地外，还具有储能量大、造价低、储能效率和安全性高等优势；该重力储能系统利用废弃的矿坑进行能量储存，包括质量模块、悬吊装置、电动发电一体机和变流器，所述矿坑包括底部平台、斜坡和顶部存储平台；
所述悬吊装置包括支撑组件和横梁，所述支撑组件包括第一支撑组件和第二支撑组件，所述第一支撑组件设置于所述矿坑的顶部，所述第二支撑组件设置于所述底部平台，所述横梁设置于所述第一支撑组件、所述第二支撑组件的顶部，以承载所述电动发电一体机；所述电动发电一体机在所述横梁上可移动设置；
所述变流器与所述电动发电一体机通过线缆连接，所述变流器在重力势能存储阶段调节所述电动发电一体机的转速，在重力势能释放的发电阶段把所述电动发电一体机的电能输送至电网；
在用电低峰时，利用过剩电力驱动所述电动发电一体机将所述质量模块从所述底部平台运送至所述顶部存储平台，以进行重力势能的存储；
在发电时，通过所述电动发电一体机悬吊所述质量模块至预设高度后，平移至所述底部平台的上方，通过所述质量模块的下放驱动所述电动发电一体机发电。
在一些优选实施例中，所述顶部存储平台包括多级台阶，多级所述台阶依次设置于所述斜坡。
在一些优选实施例中，所述质量模块为多个；
当所述质量模块运输至多级所述台阶时，多个所述质量模块构成倒金字塔形。
在一些优选实施例中，所述质量模块为由岩石和混凝土预制的规格相同的正方体或长方体模块。
在一些优选实施例中，所述质量模块的体积为V，V∈[0.1m3，40m3]；
所述质量模块的质量为T，T∈[0.25t，100t]。
在一些优选实施例中，所述第一支撑组件、所述第二支撑组件竖直设置；
所述第一支撑组件、所述第二支撑组件均为液压立柱。
在一些优选实施例中，所述悬吊装置为龙门吊。
在一些优选实施例中，所述电动发电一体机为可发电的发电电动一体机，或为分离的发电机和电动机，依靠自动控制进行发电和电动功能的切换。
在一些优选实施例中，所述预设高度为h，h∈[0.1m,0.2m]。
在一些优选实施例中，所述质量模块的顶部设置有悬吊部，所述悬吊部为吊钩或吊环；所述底部平台与顶部平台的垂直落差为50米至500米，通过发电机控制实现发电功率以及在底部平台上缓冲与放置速度控制。
通过本发明公开的基于废弃矿坑的重力储能系统，可以利用废弃露天矿坑，实现废弃场地利用；依托矿坑的坡度放置重物模块，安全性更高；露天矿坑的倒金字塔地形顶部重物模块的堆积重心高，重力储能效率更高；在本发明中，重物提升采用龙门架结构，更稳定和安全。而现有技术相比，本发明除了场地优势外，还具有储能量大、造价低、储能效率和安全性高等优势；本发明不会破坏山体及绿植，环境友好，还具有造价低、储能效率高等优势。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明处于放电完毕状态时的一种具体实施例的结构示意图；
图2是本发明处于充电完毕状态时的一种具体实施例的结构示意图。
附图标记说明：1、矿坑；2、底部平台；3、顶部存储平台；4、斜坡；5、质量模块；6、龙门吊；7、液压立柱；8、横梁；9、电动发电一体机；10、变流器；11为电网。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于废弃矿坑的重力储能系统，利用废弃的矿坑进行能量储存，该重力储能系统包括质量模块、悬吊装置、电动发电一体机和变流器，矿坑包括底部平台、斜坡和顶部存储平台；悬吊装置包括支撑组件和横梁，支撑组件包括第一支撑组件和第二支撑组件，第一支撑组件设置于矿坑的顶部，第二支撑组件设置于底部平台，横梁设置于第一支撑组件、第二支撑组件的顶部，以承载电动发电一体机；电动发电一体机在所述横梁上可移动设置；变流器与电动发电一体机通过线缆连接，变流器在重力势能存储阶段调节电动发电一体机的转速，在重力势能释放的发电阶段把电动发电一体机的电能输送至电网；在用电低峰时，利用过剩电力驱动电动发电一体机将质量模块从所述底部平台运送至顶部存储平台，以进行重力势能的存储；在发电时，通过电动发电一体机悬吊质量模块至预设高度后，平移至底部平台的上方，通过质量模块的下放驱动电动发电一体机发电。通过本发明可以利用废弃露天矿坑，实现废弃场地利用；依托矿坑的坡度放置重物模块，安全性更高；露天矿坑的倒金字塔地形顶部重物模块的堆积重心高，重力储能效率更高；在本发明中，重物提升采用龙门架结构，更稳定和安全。而现有技术相比，本发明除了场地优势外，还具有储能量大、造价低、储能效率和安全性高等优势；本发明不会破坏山体及绿植，环境友好，还具有造价低、储能效率高等优势。
以下参照附图结合实施例进一步说明本发明。
参照附图1和附图2，本发明提供了一种基于废弃矿坑的重力储能系统，利用废弃的矿坑进行能量储存，该重力储能系统包括质量模块5、悬吊装置、电动发电一体机9和变流器10，矿坑1包括底部平台2、斜坡4和顶部存储平台3；悬吊装置包括支撑组件和横梁8；
其中，支撑组件包括第一支撑组件和第二支撑组件，第一支撑组件设置于矿坑的顶部，第二支撑组件设置于底部平台，横梁设置于第一支撑组件、第二支撑组件的顶部，以承载电动发电一体机；通过本发明中的支撑组件的设置，可以充分利用矿坑的天然环境，减少施工作业时间，安全性高，稳定性强。
电动发电一体机在横梁上可移动设置；变流器与电动发电一体机通过线缆连接，变流器在重力势能存储阶段调节电动发电一体机的转速，在重力势能释放的发电阶段把电动发电一体机的电能输送至电网11；变流器是连接电动发电一体机与电网的电力装置。
其中，质量模块是本发明重力储能的载体，重量和数量根据矿坑的参数、储能量和储能功率来确定。
在用电低峰时，利用过剩电力驱动电动发电一体机将质量模块从所述底部平台运送至顶部存储平台，以进行重力势能的存储；在发电时，通过电动发电一体机悬吊质量模块至预设高度后，平移至底部平台的上方，通过质量模块的下放驱动电动发电一体机发电。
优选地，悬吊装置为龙门吊6；此外，悬吊装置还可以是钢架结构也可以是钢筋水泥预制而成，垂直高度高于顶部多级台阶，便于质量模块的起吊、平移和放置。
进一步地，顶部存储平台包括多级台阶，多级台阶依次设置于所述斜坡。
进一步地，质量模块为多个；当质量模块运输至多级台阶时，多个质量模块构成倒金字塔形。
优选地，质量模块为由岩石和混凝土预制的规格相同的正方体或长方体模块。
优选地，质量模块的体积为V，V∈[0.1m3，40m3]；质量模块的质量为T，T∈[0.25t，100t]。
进一步地，第一支撑组件、所述第二支撑组件竖直设置；所述第一支撑组件、所述第二支撑组件均为液压立柱7。
优选地，电动发电一体机为可发电的发电电动一体机，或为分离的发电机和电动机，依靠自动控制进行发电和电动功能的切换；即该电动发电一体机可以是由电动机、发电机以及动力转换器组成，也可以是具有发电和电动双功能的电动发电机；电动发电机安装在龙门吊的横梁上，可以实现质量模块垂直起吊和下降，起吊和空载下降过程电动机工作，重载下降过程发电机工作；发电电动机可以沿着龙门吊的横梁平移。
其中，预设高度为h，h∈[0.1m,0.2m]。
进一步地，质量模块的顶部设置有悬吊部，悬吊部为吊钩或吊环；矿坑的底部平台与顶部平台的垂直落差为50米至500米，通过发电机控制实现发电功率以及在底部平台上缓冲与放置速度控制。
进一步地，对于本发明，在起始状态，质量模块全部堆叠在矿坑底部平台上，通过变流器和龙门吊上的电动发电一体机，把质量模块提升到预定高度后平移到矿坑顶部多级台阶处，然后逐一堆叠在顶部多级台阶上，质量模块呈倒金字塔形堆叠，该过程实现电能到重力势能的转变，进行能量存储，完成重力储能系统充电。
通过变流器和龙门吊上的电动发电一体机，把质量模块提升0.1-0.2米然后平移到矿坑底部平台上方，然后利用龙门吊上的电动发电一体机的发电机功能，把质量模块降落在矿坑的底部平台上，然后逐一堆叠在底部平台上，该过程电动发电一体机发电，实现重力势能到电能的转变，进行能量释放回馈电网，完成重力储能系统放电。
在电网需要重力储能系统充电时，逐一把质量模块由矿坑底部平台提升到顶部多级台阶上；在电网需要重力储能系统放电时，再逐一把质量模块由矿坑顶部多级台阶上降落到矿坑底部平台上。
与文献2020Fourth World Conference on Smart Trends in Systems,Securityand Sustainability(WorldS4)p412-416相比，本发明具有如下优点：①可以利用废弃露天矿坑，实现废弃场地利用；②依托矿坑的坡度放置重物模块，安全性更高；③露天矿坑的倒金字塔地形顶部重物模块的堆积重心高，重力储能效率更高；④重物提升采用龙门架结构，更稳定和安全。而与专利“一种重力储能系统及其使用方法”(申请号为202010634490.6)相比，本发明除了场地优势外，还具有储能量大、造价低、储能效率和安全性高等优势；与专利“依托山体的重力储能系统”(申请号为201410110886.5)相比，本发明不会破坏山体及绿植，环境友好，还具有造价低、储能效率高等优势。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于废弃矿坑的重力储能系统，利用废弃的矿坑进行能量储存，其特征在于，该重力储能系统包括质量模块、悬吊装置、电动发电一体机和变流器，所述矿坑包括底部平台、斜坡和顶部存储平台；
所述悬吊装置包括支撑组件和横梁，所述支撑组件包括第一支撑组件和第二支撑组件，所述第一支撑组件设置于所述矿坑的顶部，所述第二支撑组件设置于所述底部平台，所述横梁设置于所述第一支撑组件、所述第二支撑组件的顶部，以承载所述电动发电一体机；所述电动发电一体机在所述横梁上可移动设置；
所述变流器与所述电动发电一体机通过线缆连接，所述变流器在重力势能存储阶段调节所述电动发电一体机的转速，在重力势能释放的发电阶段把所述电动发电一体机的电能输送至电网；
在用电低峰时，利用过剩电力驱动所述电动发电一体机将所述质量模块从所述底部平台运送至所述顶部存储平台，以进行重力势能的存储；
在发电时，通过所述电动发电一体机悬吊所述质量模块至预设高度后，平移至所述底部平台的上方，通过所述质量模块的下放驱动所述电动发电一体机发电。
2.根据权利要求1所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述顶部存储平台包括多级台阶，多级所述台阶依次设置于所述斜坡。
3.根据权利要求2所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述质量模块为多个；
当所述质量模块运输至多级所述台阶时，多个所述质量模块构成倒金字塔形。
4.根据权利要求3所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述质量模块为由岩石和混凝土预制的规格相同的正方体或长方体模块。
5.根据权利要求4所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述质量模块的体积为V，V∈[0.1m3，40m3]；
所述质量模块的质量为T，T∈[0.25t，100t]。
6.根据权利要求1所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述第一支撑组件、所述第二支撑组件竖直设置；
所述第一支撑组件、所述第二支撑组件均为液压立柱。
7.根据权利要求1所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述悬吊装置为龙门吊。
8.根据权利要求1所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述电动发电一体机为可发电的发电电动一体机，或为分离的发电机和电动机，依靠自动控制进行发电和电动功能的切换。
9.根据权利要求1所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述预设高度为h，h∈[0.1m,0.2m]。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于废弃矿坑的重力储能系统，其特征在于，所述质量模块的顶部设置有悬吊部，所述悬吊部为吊钩或吊环；
所述底部平台与顶部平台的垂直落差为50米至500米，通过发电机控制实现发电功率以及在底部平台上缓冲与放置速度控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211228 |