CN114198271A - 重力储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种重力储能装置，涉及重力储能技术领域。重力储能装置包括电动机、传动组件、外套筒、内套筒、重力块和发电机；重力块和内套筒设置在外套筒的内部，重力块与外套筒滑动配合、且重力块的滑动方向为竖直方向，重力块套设在内套筒上、且与内套筒螺纹连接，电动机、传动组件和内套筒依次传动连接，电动机用于驱动传动组件带动内套筒自转，内套筒用于带动重力块沿竖直方向移动，发电机与传动组件传动连接，重力块用于自由下落时带动内套筒、传动组件，以驱动发电机发电。该重力储能装置能够改变维持重力势能的力的方向，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

Description

重力储能装置

技术领域

本发明涉及重力储能技术领域，具体而言，涉及一种重力储能装置。

背景技术

随着间歇性可再生能源装机占比的增加，电力系统发电侧存在较大的随机性，电网安全稳定运行面临巨大挑战。电力储能作为一种储存电能的装置，可以平抑电力峰谷、促进可再生能源消纳、保障本地安全用电，在未来电力系统当中将起到越来越重要的作用。

电力储能按照储能形式可以分为机械储能与化学储能等。其中，重力储能是一种机械储能，通过电力将重物提升至高处，以增加其重力势能完成储能过程，通过重物下落过程将重力势能转化为动能，进而转化为电能。重力储能与抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等机械储能，与锂电池、液流电池等化学储能相比，具有占地面积小(主要利用高度方向上的空间)、转化效率高、相对安全(没有爆炸、溃坝风险)、存储时间长(重力势能维持时间理论上无限长且不存在损耗)等优势。

但是，现有的重力储能大部分采用吊装装置来提升重物的高度，即增加和维持重力势能的力与重力的方向相反。通过运动平衡原理可知，当吊装装置失效后，重力瞬间大于提升力，重物在重力作用下急速下降，容易导致安全事故。

发明内容

本发明的目的包括提供一种重力储能装置，其能够改变维持重力势能的力的方向，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种重力储能装置，重力储能装置包括电动机、传动组件、外套筒、内套筒、重力块和发电机；

重力块和内套筒设置在外套筒的内部，重力块与外套筒滑动配合、且重力块的滑动方向为竖直方向，重力块套设在内套筒上、且与内套筒螺纹连接，电动机、传动组件和内套筒依次传动连接，电动机用于驱动传动组件带动内套筒自转，内套筒用于带动重力块沿竖直方向移动，发电机与传动组件传动连接，重力块用于自由下落时带动内套筒、传动组件，以驱动发电机发电。

本实施例提供的重力储能装置的有益效果包括：

重力块套设在内套筒上、且与内套筒螺纹连接，并利用外套筒使重力块的滑动方向为竖直方向，实现在外力作用下的重力块上升，以及重力块下降过程的重力势能转化为旋转动能，相对于传统的装置，改变了维持重力势能的力的方向，将势能的增加方向或减少的方向与势能的方向成一定夹角，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

在可选的实施方式中，外套筒的内表面上开设有滑槽，重力块的外表面上设置有滑块，滑块的宽度小于滑槽的宽度，滑块的高度小于滑槽的深度，滑块与滑槽滑动配合。

这样，通过滑块与滑槽滑动配合，避免重力块相对于外套筒转动，从而在内套筒自转过程中驱动重力块沿竖直方向移动，并在重力块在自身重力作用下竖直下落过程中驱动内套筒自转。

在可选的实施方式中，重力块为圆环状，重力块的外表面上间隔均匀设置有多个滑块，外套筒的内表面上间隔均匀开设有多个滑槽，每个滑槽至少与一个滑块配合。

这样，在外套筒与重力块上设置多个滑块与滑槽的配合，有利于提高重力块沿竖直方向移动的稳定性。

在可选的实施方式中，内套筒、重力块和外套筒的中心线共线设置。

这样，内套筒、重力块和外套筒结构形式简单，装配方便，结构稳定。

在可选的实施方式中，内套筒的外表面上螺纹槽，重力块上开设有螺纹齿，螺纹齿与螺纹槽配合。

在可选的实施方式中，传动组件包括主轴、锁止装置和离合装置，电动机、离合装置、主轴和内套筒依次连接，发电机连接在离合装置上，锁止装置安装在主轴上。

在可选的实施方式中，锁止装置用于将主轴在锁止状态和自由运动状态切换，离合装置用于将主轴在自由状态、储能状态和释能状态切换，自由状态为主轴与电动机和发电机断开的状态，储能状态为主轴与电动机相连、与发电机断开的状态，释能状态为主轴与电动机断开、与发电机相连的状态。

在可选的实施方式中，重力储能装置还包括止动装置和应急制动装置，止动装置安装在内套筒的顶部，应急制动装置安装在传动组件上，止动装置用于在触碰到重力块时发出止动信号，应急制动装置用于在接收到止动信号时制动传动组件。

这样，通过止动装置与应急制动装置的配合，避免重力块向上移动脱离内套筒。

在可选的实施方式中，重力储能装置还包括支架和上盖板，外套筒安装在支架的内部，上盖板安装在支架的顶部，止动装置安装在上盖板的内表面上。

在可选的实施方式中，重力储能装置还包括下底板和滑动轴承，下底板安装在支架的底部，下底板上开设有通孔，主轴贯穿通孔、且通过滑动轴承与通孔的内表面连接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的重力储能装置的结构示意图。

图标：100-重力储能装置；110-支架；120-上盖板；130-下底板；140-外套筒；141-滑槽；150-内套筒；151-螺纹槽；160-重力块；161-滑块；162-螺纹齿；170-电动机；180-传动组件；181-主轴；182-锁止装置；183-离合装置；184-滑动轴承；190-发电机；200-止动装置；210-应急制动装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

众所周知，现有的重力储能的吊装装置失效后，重力瞬间大于提升力，重物在重力作用下高度急速下降，容易导致安全事故。

本实施例提供的重力储能装置为解决上述技术问题，提供一种技术思路是：改变增加和维持重力势能的力的大小和方向，使其更易于控制。具体的技术手段是：模拟螺栓和螺母的原理，改变维持重力势能的力的方向，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

请参考图1，本实施例提供的重力储能装置100包括支架110、上盖板120、下底板130、外套筒140、电动机170、传动组件180、滑动轴承184、内套筒150、重力块160、发电机190、止动装置200和应急制动装置210。

外套筒140安装在支架110的内部，上盖板120安装在支架110的顶部，下底板130安装在支架110的底部，下底板130用于支撑外套筒140。

重力块160和内套筒150设置在外套筒140的内部，内套筒150、重力块160和外套筒140的中心线共线设置。重力块160与外套筒140滑动配合、且重力块160的滑动方向为竖直方向，具体的，外套筒140的内表面上开设有滑槽141，重力块160的外表面上设置有滑块161，滑块161的宽度小于滑槽141的宽度，滑块161的高度小于滑槽141的深度，滑块161与滑槽141滑动配合。

其中，重力块160为圆环状，重力块160的外表面上间隔均匀设置有多个滑块161，外套筒140的内表面上间隔均匀开设有多个滑槽141，每个滑槽141至少与一个滑块161配合。这样，通过滑块161与滑槽141滑动配合，避免重力块160相对于外套筒140转动，从而在内套筒150自转过程中驱动重力块160沿竖直方向移动，并在重力块160在自身重力作用下竖直下落过程中驱动内套筒150自转，在外套筒140与重力块160上设置多个滑块161与滑槽141的配合，有利于提高重力块160沿竖直方向移动的稳定性。

重力块160套设在内套筒150上、且与内套筒150螺纹连接，具体的，内套筒150的外表面上螺纹槽151，重力块160上开设有螺纹齿162，螺纹齿162与螺纹槽151配合。

电动机170、传动组件180和内套筒150依次传动连接，电动机170用于驱动传动组件180带动内套筒150自转，内套筒150用于带动重力块160沿竖直方向移动，发电机190与传动组件180传动连接，重力块160用于自由下落时带动内套筒150、传动组件180，以驱动发电机190发电。

这样，重力块160套设在内套筒150上、且与内套筒150螺纹连接，并利用外套筒140使重力块160的滑动方向为竖直方向，实现在外力作用下的重力块160上升，以及重力块160下降过程的重力势能转化为旋转动能，相对于传统的装置，改变了维持重力势能的力的方向，将势能的增加方向或减少的方向与势能的方向成一定夹角，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

其中，传动组件180包括主轴181、锁止装置182和离合装置183，电动机170、离合装置183、主轴181和内套筒150依次连接，下底板130上开设有通孔，主轴181贯穿通孔、且通过滑动轴承184与通孔的内表面连接，发电机190连接在离合装置183上，锁止装置182安装在主轴181上。

具体的，锁止装置182用于将主轴181在锁止状态和自由运动状态切换，离合装置183用于将主轴181在自由状态、储能状态和释能状态切换，自由状态为主轴181与电动机170和发电机190断开的状态，储能状态为主轴181与电动机170相连、与发电机190断开的状态，释能状态为主轴181与电动机170断开、与发电机190相连的状态。

止动装置200安装在内套筒150的顶部，优选的，止动装置200安装在上盖板120的内表面上。应急制动装置210安装在传动组件180上，止动装置200用于在触碰到重力块160时发出止动信号，应急制动装置210用于在接收到止动信号时制动传动组件180。这样，通过止动装置200与应急制动装置210的配合，避免重力块160向上移动脱离内套筒150。

而且，应急制动装置210能够在主轴181的旋转速度超过阈值或旋转速度变化超过阈值时，自动锁死主轴181，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

支架110和重物块的安装方式：

首先，移开支架110的上盖板120，然后，将重物块从上部竖直地放入外套筒140，使得重物块内侧的螺纹齿162与内套筒150的螺纹啮合，同时，将重物块外侧的滑齿置入外套筒140的滑槽141当中。

可见，当内套筒150旋转时，可以带动重物块在竖直方向上移动，而不发生转动；反之，当重物块位于高处，且内套筒150处于轴向自由运动状态时，重物块将在外套筒140的滑槽141的约束下竖直下落，并带动内套筒150沿轴线旋转。

本实施例提供的重力储能装置100能够实现以下工作模式：储能模式、释能模式和应急保护模式。

储能模式的运行方式：首先，将重物块置于内套筒150的底部，离合装置183置于储能状态，锁止装置182置于自由运动状态；然后，电动机170旋转，带动主轴181转动，进而带动内套筒150转动，进一步带动重物块沿内套筒150向上滑动；最后，当重物块接触上盖板120上的止动装置200时，止动装置200发出止动信号，使电动机170停止转动，随后锁止装置182切换至锁止状态，离合装置183切换至自由状态，至此完成储能过程。

释能模式的运行方式：当重物块位于内套筒150的顶部，首先，将离合装置183置于释能状态，然后，将锁止装置182置于自由状态，此时重物块将在重力作用、并在外套筒140上滑槽141的旋转约束作用下沿竖直方向下落，下落的过程中带动内套筒150旋转，进而带动主轴181旋转，进而带动发电机190旋转实现发电。当重物块下落至内套筒150的底部时，锁止装置182切换至锁止状态，离合装置183切换至自由状态，至此完成释能过程，可进行下一次储能过程。

应急保护模式的运动方式：在储能或释能过程中，若电动机170、发电机190或离合装置183发生故障，导致主轴181脱离传动状态，继而导致主轴181的转动速度急剧加快，则应急制动装置210自动开启，将主轴181抱死，然后，将锁止装置182切换至锁止状态。待故障排除后，将离合装置183切换至释能状态，解除应急制动装置210的制动状态，将锁止装置182切换至自由运动状态，使重物块下落至内套筒150的底部，至此恢复到正常状态。

本实施例中，重物块是通过内螺纹与内套筒150的外螺纹实现配合转动，在其它实施例中，还可以通过重物块的外螺纹与外套筒140的内螺纹实现配合转动，而内套筒150起到支撑和防止重物块转动的作用。

本实施例中，电动机170、传动组件180和发电机190都是置于装置的底部，在其它实施例中，电动机170、传动组件180和发电机190置于装置的顶部，也是可以实现本实施例的目的。

本实施例提供的重力储能装置100的有益效果包括：

1.重力块160套设在内套筒150上、且与内套筒150螺纹连接，并利用外套筒140使重力块160的滑动方向为竖直方向，实现在外力作用下的重力块160上升，以及重力块160下降过程的重力势能转化为旋转动能，相对于传统的装置，改变了维持重力势能的力的方向，将势能的增加方向或减少的方向与势能的方向成一定夹角，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险；

2.通过滑块161与滑槽141滑动配合，避免重力块160相对于外套筒140转动，从而在内套筒150自转过程中驱动重力块160沿竖直方向移动，并在重力块160在自身重力作用下竖直下落过程中驱动内套筒150自转；

3.设置应急制动装置210，能够在主轴181的旋转速度超过阈值或旋转速度变化超过阈值时，自动锁死主轴181，避免出现故障情况下由于重力引起的自由落体运行，降低安全风险。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种重力储能装置，其特征在于，所述重力储能装置包括电动机(170)、传动组件(180)、外套筒(140)、内套筒(150)、重力块(160)和发电机(190)；

所述重力块(160)和所述内套筒(150)设置在所述外套筒(140)的内部，所述重力块(160)与所述外套筒(140)滑动配合、且所述重力块(160)的滑动方向为竖直方向，所述重力块(160)套设在所述内套筒(150)上、且与所述内套筒(150)螺纹连接，所述电动机(170)、所述传动组件(180)和所述内套筒(150)依次传动连接，所述电动机(170)用于驱动所述传动组件(180)带动所述内套筒(150)自转，所述内套筒(150)用于带动所述重力块(160)沿竖直方向移动，所述发电机(190)与所述传动组件(180)传动连接，所述重力块(160)用于自由下落时带动所述内套筒(150)、所述传动组件(180)，以驱动所述发电机(190)发电。

2.根据权利要求1所述的重力储能装置，其特征在于，所述外套筒(140)的内表面上开设有滑槽(141)，所述重力块(160)的外表面上设置有滑块(161)，所述滑块(161)的宽度小于所述滑槽(141)的宽度，所述滑块(161)的高度小于所述滑槽(141)的深度，所述滑块(161)与所述滑槽(141)滑动配合。

3.根据权利要求2所述的重力储能装置，其特征在于，所述重力块(160)为圆环状，所述重力块(160)的外表面上间隔均匀设置有多个所述滑块(161)，所述外套筒(140)的内表面上间隔均匀开设有多个所述滑槽(141)，每个所述滑槽(141)至少与一个所述滑块(161)配合。

4.根据权利要求3所述的重力储能装置，其特征在于，所述内套筒(150)、所述重力块(160)和所述外套筒(140)的中心线共线设置。

5.根据权利要求1所述的重力储能装置，其特征在于，所述内套筒(150)的外表面上螺纹槽(151)，所述重力块(160)上开设有螺纹齿(162)，所述螺纹齿(162)与所述螺纹槽(151)配合。

6.根据权利要求1所述的重力储能装置，其特征在于，所述传动组件(180)包括主轴(181)、锁止装置(182)和离合装置(183)，所述电动机(170)、所述离合装置(183)、所述主轴(181)和所述内套筒(150)依次连接，所述发电机(190)连接在所述离合装置(183)上，所述锁止装置(182)安装在所述主轴(181)上。

7.根据权利要求6所述的重力储能装置，其特征在于，所述锁止装置(182)用于将所述主轴(181)在锁止状态和所述自由运动状态切换，所述离合装置(183)用于将所述主轴(181)在自由状态、储能状态和释能状态切换，所述自由状态为所述主轴(181)与所述电动机(170)和所述发电机(190)断开的状态，所述储能状态为所述主轴(181)与所述电动机(170)相连、与所述发电机(190)断开的状态，所述释能状态为所述主轴(181)与所述电动机(170)断开、与所述发电机(190)相连的状态。

8.根据权利要求6所述的重力储能装置，其特征在于，所述重力储能装置还包括止动装置(200)和应急制动装置(210)，所述止动装置(200)安装在所述内套筒(150)的顶部，所述应急制动装置(210)安装在所述传动组件(180)上，所述止动装置(200)用于在触碰到所述重力块(160)时发出止动信号，所述应急制动装置(210)用于在接收到所述止动信号时制动所述传动组件(180)。

9.根据权利要求8所述的重力储能装置，其特征在于，所述重力储能装置还包括支架(110)和上盖板(120)，所述外套筒(140)安装在所述支架(110)的内部，所述上盖板(120)安装在所述支架(110)的顶部，所述止动装置(200)安装在所述上盖板(120)的内表面上。

10.根据权利要求9所述的重力储能装置，其特征在于，所述重力储能装置还包括下底板(130)和滑动轴承(184)，所述下底板(130)安装在所述支架(110)的底部，所述下底板(130)上开设有通孔，所述主轴(181)贯穿所述通孔、且通过所述滑动轴承(184)与所述通孔的内表面连接。

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