CN113895467B - 依托轨道和缆车运沙的重力储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于储能技术领域，旨在解决目前新能源与电网发展遇到的瓶颈，具体涉及一种依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，包括控制系统、山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、山顶沙坑、山底沙坑、倾斜轨道、索道支架、缆车、变流设备以及电机与传动机构；山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、变流设备、电机与传动机构均与控制系统信号连接；本发明充分利用斜坡地形，使用缆车和轨道结构，运送砂砾作为重力势能载体，大大降低了重力储能系统的成本，提高了缆车的承载能力，提高了储能系统的效率和连续性，功率灵活可变，运行安全可靠，可用于可再生能源消纳以及电网二次调频。

Description

依托轨道和缆车运沙的重力储能系统

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种依托轨道和缆车运沙的重力储能系统。

背景技术

风能和太阳能等新源能源主要分布在西北地区、且太阳能发电集中在白天，而电力负荷主要分布在东南沿海一带，这就造成了我国新能源电力生产和消耗存在较强的时空不匹配性。

新能源发电受天气条件的影响而波动性较大，致其缺少与传统火电机组一样的灵活调节能力和惯量支撑能力，其大规模并网将影响电网的实时功率平衡和稳定性。也正因为如此，经常会产生弃风、弃光等现象。储能技术可有效解决时空不匹配和并网稳定性问题，是可再生能源大规模高效开发利用、实现我国能源领域绿色可持续发展战略的重要保障。

目前的储能方式可大致分为化学电池储能、物理储能及电转燃料储能三种主要形式。电化学储能的应用灵活，但在电网级规模储能方面还存在许多安全隐患和环保问题；电转燃料储能还处于发展阶段，且转换效率较低。物理储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、电磁储能等，飞轮储能与电磁储能功率高响应速度快，但储能容量有限，目前最常用的抽水蓄能受地理限制较大，无法在缺水的新能源发电集中地区推广。

因此发展可在新能源发电集中地区大规模应用的储能技术仍然是一个开放课题。本发明的目的就是为缺水但可再生能源丰富地区提供一种可替代抽水储能的新方案。

发明内容

针对上述问题，即为了解决目前新能源与电网发展遇到的瓶颈，本发明提供了一种依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，包括控制系统、山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、山顶沙坑、山底沙坑、倾斜轨道、索道支架、缆车、变流设备以及电机与传动机构；所述山顶自动装卸系统、所述山底自动装卸系统、所述变流设备、所述电机与传动机构均与所述控制系统信号连接；

所述倾斜轨道为设置于所述山顶沙坑与所述山底沙坑之间的往返轨道；所述索道支架上设置有与所述缆车卡扣连接的索道缆绳；所述缆车为多辆，多辆所述缆车间隔设置；

所述电机与传动机构包括电动机、发电机和机械传动结构，所述机械传动结构与索道连接以控制所述缆车的上下行速度，并用于将所述缆车的动能转换为电能输出；所述变流设备用于为电网输出平稳电能；

在储能状态下，所述电动机控制空载的所述缆车运行至所述山底沙坑，通过所述山底自动装卸系统装载沙粒；所述控制系统控制所述缆车通过所述倾斜轨道运行至所述山顶沙坑，通过所述山顶自动装卸系统将沙粒倒入所述山顶沙坑中，所述缆车空载下坡，往复运沙直至完成额定储能容量，能量以沙粒的重力势能形式存储；

在释能模式下，所述缆车运行至所述山顶沙坑，所述山顶自动装卸系统将沙粒倒入所述缆车，所述缆车依靠自身重力下坡并带动发电机进行电能供应；载沙的所述缆车运行至所述山底沙坑通过所述山底自动装卸系统将沙粒卸入所述山底沙坑中，所述缆车空载上坡，往复向山底运沙直至完成额定发电量，能量转换为电能输出。

在一些优选实施例中，所述缆车的底部装有与往返轨道匹配的钢轮或橡胶轮等；

所述电动机通过所述索道缆绳控制所述缆车的运行；

所述缆车的顶部、底部均设有自动开合装置，所述自动开合装置与所述控制系统信号连接，以与所述山顶自动装卸系统或所述山底自动装卸系统配合进行砂砾的自动装卸。

在一些优选实施例中，所述倾斜轨道、所述山顶沙坑、所述山底沙坑的上部和周侧均设置有防风防雨罩。

在一些优选实施例中，所述索道缆绳为钢索或合成纤维缆绳。

在一些优选实施例中，相邻两辆所述缆车之间的间距为10m。

在一些优选实施例中，所述山顶自动装卸系统为转盘、铲斗、传送带中的任一种；

所述山底自动装卸系统为转盘、铲斗、传送带中的任一种。

在一些优选实施例中，所述倾斜轨道包括倾斜上行轨道段、倾斜下行轨道段、山底轨道段和山顶轨道段，所述倾斜上行轨道段、所述山顶轨道段、所述倾斜下行轨道段与所述山底轨道段构成闭合轨道；

所述倾斜上行轨道段、所述倾斜下行轨道段平行设置；

所述山底轨道段、所述山顶轨道段均呈环形设置。

在一些优选实施例中，所述索道缆绳通过定滑轮组与所述索道支架连接，所述索道支架用于支撑所述索道缆绳与所述缆车；

所述索道支架为多个，多个所述索道支架间隔设置；

每个所述索道支架均配置有安全固定装置。

在一些优选实施例中，所述电动机为永磁直驱电机、永磁同步电机或励磁同步电机中的任一种；

所述发电机为永磁同步电机或励磁同步电机或双馈发电机；

所述电动机与所述发电机也可设计为电动发电一体机。

在一些优选实施例中，所述山顶沙坑、所述山底沙坑均为球形坑状。

本发明的有益效果为：

一)本发明公开的依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，其利用的轨道、索道、缆车、自动装卸系统、电机与传动系统以及变流设备均技术成熟，国内外厂商有多年的制造、运行、维修经验，成本较低，安全可靠。

二)本发明公开的依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，占地面积小，约为同容量抽水蓄能电站的一半，利用斜坡地形，运行速度低，环境影响小，使用寿命长，自放电量为0，不会出现严重的安全问题。

三)本发明公开的依托轨道和缆车运沙的重力储能系统效率高，输出功率灵活可变。调整缆车运行数量和速度可以改变储能系统的输出功率，电动机和发电机的效率可达98％以上，减去传动机构效率损失、非最佳工作点损失、铁轨与索道摩擦损失以及变流损失和其他设备耗电，整体能量循环效率可达80％以上，高于抽水蓄能电站效率。

四)储能容量及建设选址灵活。以每辆缆车承载2吨为例，运行速度5m/s，斜坡假设为500m高坡度30度，铁轨每10m运行一辆缆车，则储能系统工作状态每小时至少可载5千吨，以国家发改委储能配置4h工作时间为例，则一条轨道4h可运沙2万吨，即储能约2.5万度电。如果需要获得更大的储能量，只需要增加运量或轨道数即可。

五)本发明公开的依托轨道和缆车运沙的重力储能系统经济性很高，储能系统包括缆车索道、支架、铁轨建设费用以及电机、传动系统、装卸系统、变流设备以及控制系统、沙坑、山体开采等费用。经过核算，储能系统每度电建设成本低于抽水蓄能电站的建设成本。

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是本发明的一种实施例的结构示意图；

图2是图1的俯视示意图。

附图标记说明：1、山体；2、轨道；3、索道缆绳；4、索道支架；5、缆车；6、电机与传动机构；7、自动装卸系统；8、沙坑；9、控制系统；10、变流设备；11、电站。

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。

本发明提供了一种依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，包括控制系统、山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、山顶沙坑、山底沙坑、倾斜轨道、索道支架、缆车、变流设备以及电机与传动机构；山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、变流设备、电机与传动机构均与控制系统信号连接；倾斜轨道为设置于山顶沙坑与山底沙坑之间的往返轨道；索道支架上设置有与缆车卡扣连接的索道缆绳；缆车为多辆，多辆缆车间隔设置；电机与传动机构包括电动机、发电机和机械传动结构，机械传动结构与索道连接以控制缆车的上下行速度，并用于将缆车的动能转换为电能输出；变流设备用于为电网输出平稳电能。

在储能状态下，电动机控制空载的缆车运行至山底沙坑，通过山底自动装卸系统装载沙粒；控制系统控制缆车通过倾斜轨道运行至山顶沙坑，通过山顶自动装卸系统将沙粒倒入山顶沙坑中，缆车空载下坡，往复运沙直至完成额定储能容量，能量以沙粒的重力势能形式存储；在释能模式下，缆车运行至山顶沙坑，山顶自动装卸系统将沙粒倒入缆车，缆车依靠自身重力下坡并带动发电机进行电能供应；载沙的缆车运行至山底沙坑通过山底自动装卸系统将沙粒卸入山底沙坑中，缆车空载上坡，往复向山底运沙直至完成额定发电量。

综上所述，本发明利用了自然山体的高度差，依托轨道和缆车运沙来存储重力势能进行能量循环，属于物理储能的一种，可实现大容量、大功率、高效率、低成本的能量存储，系统本质安全，对环境无污染，适合在我国新能源集中的地区大规模推广。

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，本发明提供了一种依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，该储能系统依山坡而建，包括控制系统9、山顶自动装卸系统(即设置于山顶的自动装卸系统7)、山底自动装卸系统(即设置于山底的自动装卸系统7)、山顶沙坑(即设置于山顶的沙坑8)、山底沙坑(即设置于山底的沙坑8)、倾斜轨道(即轨道2)、索道支架4、缆车5、变流设备10以及电机与传动机构6；山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、变流设备、电机与传动机构均与控制系统信号连接；倾斜轨道为设置于山顶沙坑与山底沙坑之间的往返轨道；索道支架上设置有与缆车卡扣连接的索道缆绳3，不影响缆车的上下底部开口装沙卸沙，同时方便拆卸与维修。

电机与传动机构包括电动机、发电机和机械传动结构，机械传动结构与索道连接以控制缆车的上下行速度，并用于将缆车的动能转换为电能输出；变流设备用于为电网(即电站11)输出平稳电能。

在储能状态下(即在每日新能源发电峰值而用电低谷时段)，通过控制系统启动电动机，控制多辆空载的缆车依次运行至山底沙坑，缆车的顶部开口，通过山底自动装卸系统装载沙粒；装满后，控制系统控制缆车通过倾斜轨道运行至山顶沙坑，缆车底部开口，将沙粒倒入山顶自动装卸系统中，然后山顶自动装卸系统再将沙粒倒入山顶沙坑中，缆车空载下坡，往复运沙直至完成额定储能容量，能量以沙粒的重力势能形式存储。在此模式下，运行的缆车可为多辆，多辆缆车之间不影响彼此的运行，提高工作效率。

在释能模式下(即在每日新能源发电低谷而用电峰值时)，控制系统控制缆车运行至山顶沙坑，山顶自动装卸系统启动同时缆车顶部开口，山顶自动装卸系统将沙粒倒入缆车中，缆车依靠自身重力下坡并带动发电机进行电能供应；载沙的缆车运行至山底沙坑，缆车底部开口，将沙粒倒入山底自动装卸系统，通过山底自动装卸系统再将沙粒卸入山底沙坑中，缆车空载上坡，往复向山底运沙直至完成额定发电量。在此模式下，同时运行的缆车可为多辆，多辆缆车之间不影响彼此的运行，提高工作效率。

进一步地，缆车为多辆，多辆缆车间隔设置；缆车的数量取决于储能系统所需功率及储能量，以安全性和运载能力考虑合理的间隔。

其中，缆车的底部装有与往返轨道匹配的钢轮或橡胶轮；电动机通过索道缆绳控制缆车的运行；缆车的顶部、底部均设有自动开合装置，自动开合装置与控制系统信号连接，以与山顶自动装卸系统或山底自动装卸系统配合进行砂砾的自动装卸。

进一步地，倾斜轨道、山顶沙坑、山底沙坑的上部和周侧均设置有防风防雨罩，防止细沙结块影响流动性，沙坑的体积决定储能系统的储能容量，沙坑体积越大储能容量越大，给予对应沙坑、对应轨道以及缆车的保护，提高系统稳定性的同时增加系统的使用寿命。

索道缆绳为钢索或合成纤维缆绳，强度较大，可以拉动缆车在不同坡度的斜坡以合理速度上行，钢索与缆车连接处有卡扣，防止缆车脱钩断裂。

在本实施例中，相邻两辆缆车之间的间距可以为10m；每辆缆车均为标准化制造，每辆车的载重量可以优化(例如1-5吨)，外形可为长方体、圆柱形或多边柱形，底部装有钢轮以及紧急制动器，由索道缆绳拉动行驶在轨道上。

优选地，山顶自动装卸系统为转盘、铲斗、传送带等多种形式；山底自动装卸系统为转盘、铲斗、传送带等多种形式，控制系统指挥山顶自动装卸系统或者山底自动装卸系统工作，当缆车经过对应沙坑时，对应的自动装卸系统为缆车进行装沙或卸沙操作。

其中，倾斜轨道包括倾斜上行轨道段、倾斜下行轨道段、山底轨道段和山顶轨道段，倾斜上行轨道段、山顶轨道段、倾斜下行轨道段与山底轨道段构成闭合轨道；倾斜上行轨道段、倾斜下行轨道段平行设置；山底轨道段、山顶轨道段均呈环形设置。

进一步地，索道缆绳通过定滑轮组与索道支架连接，索道支架用于支撑索道缆绳与缆车；索道支架为多个，多个索道支架间隔设置；每个索道支架均配置有安全固定装置与电机与传动系统，提高储能系统的运载能力。

进一步地，索道根据山坡坡度和储能系统功率调整索道支架数量、承重能力和运行缆车密度，索道支架的间隔可以合理优化。

进一步地，电动机为永磁直驱电机、永磁同步电机或励磁同步电机中的任一种；发电机为永磁同步电机或励磁同步电机或双馈电机；或者，电动机与发电机也可设计为电动发电一体机，可以控制缆车的上下行速度，将缆车动能转换为电能输出，经过变流设备连接至电网。

优选地，山顶沙坑、山底沙坑均为球形坑状，方便对应的自动装卸系统工作，可以减少对应沙坑中残存的沙粒，提高储能和释能深度。

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 (1)

1.一种依托轨道和缆车运沙的重力储能系统，其特征在于，包括控制系统、山顶自动装卸系统、山底自动装卸系统、山顶沙坑、山底沙坑、倾斜轨道、索道支架、缆车、变流设备以及电机与传动机构；所述山顶自动装卸系统、所述山底自动装卸系统、所述变流设备、所述电机与传动机构均与所述控制系统信号连接；

所述倾斜轨道为设置于所述山顶沙坑与所述山底沙坑之间的往返轨道；所述索道支架上设置有与所述缆车卡扣连接的索道缆绳；所述缆车为多辆，多辆所述缆车间隔设置；

所述电机与传动机构包括电动机、发电机和机械传动结构，所述机械传动结构与索道连接以控制所述缆车的上下行速度，并用于将所述缆车的动能转换为电能输出；所述变流设备用于为电网输出平稳电能；

在储能状态下，所述电动机控制空载的所述缆车运行至所述山底沙坑，通过所述山底自动装卸系统装载沙粒；所述控制系统控制所述缆车通过所述倾斜轨道运行至所述山顶沙坑，通过所述山顶自动装卸系统将沙粒倒入所述山顶沙坑中，所述缆车空载下坡，往复运沙直至完成额定储能容量，能量以沙粒的重力势能形式存储；

在释能模式下，所述缆车运行至所述山顶沙坑，所述山顶自动装卸系统将沙粒倒入所述缆车，所述缆车依靠自身重力下坡并带动发电机进行电能供应；载沙的所述缆车运行至所述山底沙坑通过所述山底自动装卸系统将沙粒卸入所述山底沙坑中，所述缆车空载上坡，往复向山底运沙直至完成额定发电量；

所述缆车的底部装有与往返轨道匹配的钢轮或橡胶轮；

所述电动机通过所述索道缆绳控制所述缆车的运行；

所述缆车的顶部、底部均设有自动开合装置，所述自动开合装置与所述控制系统信号连接，以与所述山顶自动装卸系统或所述山底自动装卸系统配合进行砂砾的自动装卸；

所述倾斜轨道、所述山顶沙坑、所述山底沙坑的上部和周侧均设置有防风防雨罩；

所述索道缆绳为钢索或合成纤维缆绳；

相邻两辆所述缆车之间的间距为10m；

所述山顶自动装卸系统为转盘、铲斗、传送带中的任一种；

所述山底自动装卸系统为转盘、铲斗、传送带中的任一种；

所述倾斜轨道包括倾斜上行轨道段、倾斜下行轨道段、山底轨道段和山顶轨道段，所述倾斜上行轨道段、所述山顶轨道段、所述倾斜下行轨道段与所述山底轨道段构成闭合轨道；

所述倾斜上行轨道段、所述倾斜下行轨道段平行设置；

所述山底轨道段、所述山顶轨道段均呈环形设置；

所述索道缆绳通过定滑轮组与所述索道支架连接，所述索道支架用于支撑所述索道缆绳与所述缆车；

所述索道支架为多个，多个所述索道支架间隔设置；

每个所述索道支架均配置有安全固定装置；

所述电动机为永磁直驱电机、永磁同步电机或励磁同步电机中的任一种；

所述发电机为永磁同步电机或励磁同步电机或双馈电机，

所述电动机与所述发电机也可设计为电动发电一体机；

所述山顶沙坑、所述山底沙坑均为球形坑状。

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