CN114151296A - 一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统，包括竖井(1)、巷道(2)、重物存储上库(3)、重物存储下库(4)、支撑梁架(5)、电动提升机(6)、轿厢(7)、AGV叉车(8)和n个重物载体模块(9)；在储能工况，由AGV叉车(8)将n个重物载体模块(9)依次从重物存储下库(4)转移到轿厢(7)内部，然后通过电动提升机(6)提升到竖井(1)上部，由AGV叉车(8)转移到重物存储上库(3)存放；在释能工况，由AGV叉车(8)将n个重物载体模块(9)依次从重物存储上库(3)转移到轿厢(7)内部，重物载体模块(9)降落过程中带动电动提升机(6)发电，重物载体模块(9)落到底部后，由AGV叉车(8)从轿厢(7)内转移到重物存储下库(4)存放。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其是一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统。
背景技术
碳达峰碳中和“30.60”目标是中国为应对全球气候变化作出的郑重承诺，也是中国制定政策时的硬约束，对经济和市场都有深远影响。要实现碳达峰和碳中和，一方面要逐步减少化石能源的消费量，另一方面要切实提升可再生能源的消费占比。我国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、且夜间电力消耗的比值更大，这一现象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。新能源发电受气候条件的影响而波动性较大，特别是在其直接并网比例超过20％以后，可能发生严重的恶性连锁事故，对整个电网产生较大的冲击。也正因为如此，经常会产生弃风、弃光等现象，导致新能源电力的利用率低下。然而，低成本、大容量、易选址的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。
重力储能是一种古老和相对成熟的储能技术，特别是抽水储能技术，已经实现了商业运行。但是抽水储能技术对选址要求很高，需要建设上下游水库，并且水的蒸发量也比较大，在北方、特别是西北地区选址比较困难。利用斜坡轨道和竖井提升重物的重力势能储能系统得到了广泛关注，应用于干旱缺水地区具有优越性。利用斜坡轨道进行重力储能，其效率与斜坡的坡度密切相关，坡度越大、摩擦损耗越小，但大坡度斜坡及轨道的建设存在诸多难题，需考虑极端天气、地质灾害等对储能系统的影响。利用垂直提升重物进行储能，如果可以利用现有或废弃的竖井、梁架等结构，技术难度和建造成本更低，如果需要新建造竖梁或竖井，也会增加建造成本。针对垂直提升重物储能方案，瑞士Energy Vault公司提出了一种利用起重机将混凝土块堆叠成塔的结构，利用混凝土块的吊起和吊落进行储能和释能，单个混凝土砖块的重量可达35吨。采用起重机结构吊装混凝土块需要高载重和高精度抓放的机械手，制造难度大，且存在缆绳晃动难以定位、堆砌塔楼稳定性低等诸多问题，限制了其推广应用。英国Gravitricity公司利用竖井吊装单个重物进行重力储能，为增加储能量，单个重物计划扩大到500吨的重量，进一步提高单个重物的质量对支撑梁架和提升系统等机械结构的设计和建造带来挑战。为了解决竖井单重物重力储能存在的不足，中国发明专利202110714699.8提出了一种利用自动驾驶的轨道小车转移多个重物的方法，如果重物数量过多，多辆自动驾驶轨道小车都需要独立的供电和控制系统，系统整体的可靠性降低，制造和运维费用提高；中国发明专利202111173003.1提出了一种利用龙门架上多个横梁和放射状梁的多重物转移方法，该方法同样存在重物横向转移时间较长和梁架制造成本较高的问题。
发明内容
本发明针对现有垂直提升重物储能系统存在的不足，及其对长时间储能的需求，提出一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统。
本发明采用以下两种技术方案：
方案一：一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统，包括竖井、巷道、重物存储上库、重物存储下库、支撑梁架、电动提升机、轿厢、第一AGV叉车、第二AGV叉车和n个重物载体模块；巷道在地面或竖井底部水平方向挖掘，与竖井的底部相通；重物存储下库在巷道内部建造；电动提升机安装在支撑梁架上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架上面的定滑轮提升重物；第一AGV叉车位于竖井上部的地面上，第二AGV叉车位于竖井下部的地面上；在储能工况，由第二AGV叉车将n个重物载体模块依次从竖井下部的重物存储下库转移到轿厢内部，通过电动提升机将重物载体模块提升到竖井上部，由第一AGV叉车将重物载体模块转移到重物存储上库存放；在释能工况，由第一AGV叉车将n个重物载体模块依次从重物存储上库转移到轿厢内部，重物载体模块降落过程中带动电动提升机发电，重物载体模块落到底部后，由第二AGV叉车从轿厢内转移到重物存储下库存放；自动吊具每次吊装一个重物载体模块；AGV叉车每次转移一个重物载体模块；单个竖井内部安装单个或两个轿厢；单个电动提升机通过钢丝绳牵引单个或两个轿厢；电动提升机采用独立的电动机和发电机驱动绞盘的结构，或者采用电动发电一体机驱动绞盘的结构。该技术方案适用于既有竖井，又有巷道的场景。
方案二：一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统，包括竖井、重物存储上库、支撑梁架、电动提升机、自动吊具、AGV叉车和n个重物载体模块；电动提升机安装在支撑梁架上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架上面的定滑轮提升重物；AGV叉车位于竖井上部的地面上；在储能工况，自动吊具下降到竖井下部，将n个重物载体模块依次吊起，通过电动提升机将重物载体模块吊到竖井上部，由AGV叉车将重物载体模块转移到重物存储上库存放；在释能工况，由AGV叉车将n个重物载体模块依次从重物存储上库转移到竖井上部，由自动吊具将重物载体模块吊住，重物载体模块降落过程中带动电动提升机发电，重物载体模块落到竖井下部停放；自动吊具每次吊装一个重物载体模块；AGV叉车每次转移一个重物载体模块；单个竖井内部可安装单个或两个自动吊具；单个电动提升机通过钢丝绳牵引单个或两个自动吊具；电动提升机采用独立的电动机和发电机驱动绞盘的结构，或者采用电动发电一体机驱动绞盘的结构。该技术方案适用于仅有竖井的场景。
重力储能系统可以在山体内部或地下安装；针对山体内部安装的情况，重物存储上库、支撑梁架、电动提升机均安装于山体顶部，巷道在地平面挖掘；针对地下安装的情况，重物存储上库、支撑梁架、电动提升机均安装于地平面，巷道在竖井底部挖掘。
本发明具有以下优点：
(1)本发明可有效提升重力储能系统的储能量。与现有基于竖井的重力储能系统相比，本发明采用轿厢和重物载体结构，重物载体模块可以依靠AGV叉车，由重物存储库房转移到轿厢内部，或由轿厢转移到重物存储库房，从而可以采用一套电动提升机提升多个重物载体模块，有效提高储能量。
(2)本发明可有效减轻拉升机构和支撑机构的载重量，提高系统的安全性。现有重力储能系统为提高储能量通常需要提高重物载体的重量，这对支撑机构的设计带来很大困难，本发明可利用多个重物载体进行储能，可有效降低拉升机构和支撑机构的载重量，提高系统的安全性。
(3)本发明可有效提高储能效率。与现有方案相比，本发明提出在单个竖井布置两套轿厢和拉升机构的新方案，可以降低电动发电机及拉升机构在轿厢空载上升下降过程中的功率损耗，提高储能效率。
(4)本发明可有效缩短重物转移的时间并降低重物转移的费用，采用1-2套AGV叉车实现重物的快速转移，有效提高重力储能系统的经济性。
附图说明
图1为本发明具体实施例1基于山体内竖井和巷道的重力势能储能系统示意图；
图2为本发明具体实施例2基于地下竖井和巷道的重力势能储能系统示意图；
图3为单个竖井布置双轿厢的重力储能系统示意图；
图4为本发明具体实施例3基于地下竖井的重力势能储能系统示意图；
图5为单个竖井布置双吊具的重力储能系统示意图。
图中，1竖井；2巷道；3重物存储上库；4重物存储下库；5支撑梁架；6电动提升机；7轿厢；8AGV叉车；9重物载体模块；10自动吊具；8-1第一AGV叉车；8-2第二AGV叉车。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1所示为本发明实施例1基于山体内竖井和巷道的重力势能储能系统。包括竖井1、巷道2、重物存储上库3、重物存储下库4、支撑梁架5、电动提升机6、轿厢7、第一AGV叉车8-1、第二AGV叉车8-2和n个重物载体模块9；电动提升机6安装在支撑梁架5上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架5上面的定滑轮提升重物；第一AGV叉车8-1位于竖井1上部的地面上，第二AGV叉车8-2位于竖井1下部的地面上；在储能工况，由第二AGV叉车8-2将n个重物载体模块9从竖井下部的重物存储下库4转移到轿厢7内部，通过电动提升机6将重物载体模块9提升到竖井1上部，由第一AGV叉车8-1将重物载体模块9转移到重物存储上库3存放；在释能工况，由第一AGV叉车8-1将n个重物载体模块9依次从重物存储上库3转移到轿厢7内部，重物载体模块9降落过程中带动电动提升机6发电，重物载体模块9落到底部后，由第二AGV叉车8-2从轿厢7内转移到重物存储下库4存放；重物存储上库3、支撑梁架4、电动提升机6均安装于山体顶部，巷道2在地面水平方向挖掘，与竖井1的底部相通；重物存储下库4在巷道2内部建造。
图2所示为本发明实施例2基于地下竖井和巷道的重力势能储能系统。包括竖井1、巷道2、重物存储上库3、重物存储下库4、支撑梁架5、电动提升机6、轿厢7、第一AGV叉车8-1、第二AGV叉车8-2和n个重物载体模块9；电动提升机6安装在支撑梁架5上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架5上面的定滑轮提升重物；第一AGV叉车8-1位于竖井1上部的地面上，第二AGV叉车8-2位于竖井1下部的地面上；在储能工况，由第二AGV叉车8-2将n个重物载体模块9依次从竖井下部的重物存储下库4转移到轿厢7内部，通过电动提升机6将重物载体模块9提升到竖井1上部，由第一AGV叉车8-1将重物载体模块9转移到重物存储上库3存放；在释能工况，由第一AGV叉车8-1将n个重物载体模块9依次从重物存储上库3转移到轿厢7内部，重物载体模块9降落过程中带动电动提升机6发电，重物载体模块9落到底部后，由第二AGV叉车8-2从轿厢7内转移到重物存储下库4存放；重物存储上库3、支撑梁架5、电动提升机6均安装于地平面，巷道2在竖井1底部水平方向挖掘，与竖井1的底部相通；重物存储下库4在巷道2内部建造。
实施例1和2中，轿厢7每次吊装一个重物载体模块9；第一AGV叉车8-1和第二AGV叉车8-2每次转移一个重物载体模块9；电动提升机6可采用独立的电动机和发电机驱动绞盘的结构，或者采用电动发电一体机驱动绞盘的结构；单个电动提升机6通过钢丝绳牵引单个或两个轿厢7；单个电动提升机通过钢丝绳牵引两个轿厢7的结构如图3所示。
图4所示为本发明实施例3基于地下竖井的重力势能储能系统。包括竖井1、重物存储上库3、支撑梁架5、电动提升机6、AGV叉车8、n个重物载体模块9和自动吊具10；电动提升机6安装在支撑梁架5上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架5上面的定滑轮提升重物；AGV叉车8位于竖井1上部的地面上；在储能工况，自动吊具7下降到竖井1下部，将n个重物载体模块9依次吊起，通过电动提升机6吊到竖井上部，由AGV叉车8将n个重物载体模块9转移到重物存储上库3存放；在释能工况，由AGV叉车8将n个重物载体模块9依次从重物存储上库3转移到竖井1上部，由自动吊具7将重物载体模块9吊住，重物载体模块9降落过程中带动电动提升机6发电，重物载体模块9-落到竖井1下部停放。
实施例3中，电动提升机6可采用独立的电动机和发电机驱动绞盘的结构，或者采用电动发电一体机驱动绞盘的结构；自动吊具10每次吊装一个重物载体模块9；AGV叉车8每次转移一个重物载体模块9；单个电动提升机6通过钢丝绳牵引单个或两个自动吊具10；单个电动提升机通过钢丝绳牵引两个自动吊具10的结构如图5所示。
虽然本发明参照某些优选实施方案进行了详述，但本领域技术人员将会认识到在权利要求书的范畴内还有其它实施方案。
Claims (3)
1.一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统，其特征在于：包括竖井(1)、巷道(2)、重物存储上库(3)、重物存储下库(4)、支撑梁架(5)、电动提升机(6)、轿厢(7-1)、第一AGV叉车(8-1)、第二AGV叉车(8-2)和n个重物载体模块(9)；巷道(2)在竖井(1)底部水平方向挖掘，与竖井(1)的底部相通；重物存储下库(4)在巷道(2)内部建造；电动提升机(6)安装在支撑梁架(5)上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架(5)上面的定滑轮提升重物；第一AGV叉车(8-1)位于竖井(1)上部的地面上，第二AGV叉车(8-2)位于竖井(1)下部的地面上；在储能工况，由第二AGV叉车(8-2)将n个重物载体模块(9)依次从重物存储下库(4)转移到轿厢(7)内部，通过电动提升机(6)将重物载体模块(9)提升到竖井(1)上部，由第一AGV叉车(8-1)将重物载体模块(9)转移到重物存储上库(3)存放；在释能工况，由第一AGV叉车(8-1)将n个重物载体模块(9)依次从重物存储上库(3)转移到轿厢(7)内部，重物载体模块(9)降落过程中带动电动提升机(6)发电，重物载体模块(9)落到底部后，由第二AGV叉车(8-2)从轿厢(7)内转移到重物存储下库(4)停放；轿厢(7)每次吊装一个重物载体模块(9)；AGV叉车(8)每次转移一个重物载体模块(9)；单个竖井(1)内部安装单个或两个轿厢(7)；单个电动提升机(6)通过钢丝绳牵引单个或两个轿厢(7)；电动提升机(6)采用独立的电动机和发电机驱动绞盘的结构，或者采用电动发电一体机驱动绞盘的结构。
2.一种基于多重物高效提升和转移的重力储能系统，其特征在于：包括竖井(1)、重物存储上库(3)、支撑梁架(5)、电动提升机(6)、AGV叉车(8)、n个重物载体模块(9)和自动吊具(10)；电动提升机(6)安装在支撑梁架(5)上方直接提升重物或安装在地面上通过支撑梁架(5)上面的定滑轮提升重物；AGV叉车(8)位于竖井(1)上部的地面上；在储能工况，自动吊具(10)下降到竖井(1)下部，将n个重物载体模块(9)依次吊起，通过电动提升机(6)将重物载体模块(9)吊到竖井上部，由AGV叉车(8)将重物载体模块(9)转移到重物存储上库(3)存放；在释能工况，由AGV叉车(8)将n个重物载体模块(9)依次从重物存储上库(3)转移到竖井(1)上部，由自动吊具(10)将重物载体模块(9)吊住，重物载体模块(9)降落过程中带动电动提升机(6)发电，重物载体模块(9)落到竖井(1)下部停放；自动吊具(10)每次吊装一个重物载体模块(9)；AGV叉车(8)每次转移一个重物载体模块(9)；单个竖井(1)内部安装单个或两个自动吊具(10)；单个电动提升机(6)通过钢丝绳牵引单个或两个自动吊具(10)；电动提升机(6)采用独立的电动机和发电机驱动绞盘的结构，或者采用电动发电一体机驱动绞盘的结构。
3.根据权利要求1或2所述的重力储能系统，其特征在于：重力储能系统在山体内部或地下安装；针对山体内部安装的情况，重物存储上库(3)、支撑梁架(5)、电动提升机(6)均安装于山体顶部；针对地下安装的情况，重物存储上库(3)、支撑梁架(5)、电动提升机(6)均安装于地平面。
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