CN114704445B - 一种重力储能模块以及模块化重力储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重力储能模块以及模块化重力储能系统，包含多层质量块层、两侧电梯装置和发电机，多层质量块层沿竖直方向层叠设置并且每层质量块层沿横向设置有多个质量块存放位，每层质量块层下侧均设置有一个用于水平运载质量块的水平小车，两侧电梯装置设置在多层质量层的两侧将质量块上下运载，电梯装置与发电机连接带动发电机发电。多个重力储能模块沿前后方向堆叠构成模块化重力储能系统。本发明对于地形没有特别的要求，占地面积利用率高，控制方便，且系统运行安全稳定，还可以实现电网储能和放电功率的动态调整。

Description

一种重力储能模块以及模块化重力储能系统

技术领域

本发明涉及一种储能模块和系统，特别是一种重力储能模块以及模块化重力储能系统，属于电网储能技术领域。

背景技术

可再生能源如风能、光伏等发电不稳定，对电网配电造成了很大的压力，而储能系统可以为可再生能源进行调峰、调频，因此为可再生能源配套储能系统已经成为了必然趋势。目前，现有技术中较为成熟的储能技术有电池储能、抽水储能以及压缩空气储能等。

重力储能技术是一种新型储能技术，其因具有度电成本低、选址灵活等优势，逐步在储能技术领域中受到关注并已得到一定程度的应用。现有重力储能技术可分为悬挂式、新型抽水储能和斜体式。以活塞水泵系统Gravity Power为代表的新型抽水蓄能响应速度快、占地面积小，然而该方式在功率和容量方面远不及抽水蓄能，且投资成本相对较高、能量损失相对较大。斜体式及悬挂式重力储能系统由于无需水泵、水轮机等组件，理论上可以实现比抽水蓄能更高的储能效率和更短的响应时间，因此国内外对此类重力储能技术的研究最为深入。

中国专利CN113653612A与CN214674543U均提供了一种斜体式重力储能系统，其效率与斜坡轨道坡度以及外部环境密切相关。由于大坡度斜坡及轨道的建造成本普遍较高，且此类无围护结构的储能系统需考虑极端天气、地质灾害等环境因素，因此不适用于商业应用。

中国专利CN111287918A提供了一种更经济、更环保的悬挂式重力储能系统，其将废弃矿井的井筒和矸石分别作为储能通道、质量块来使用，可实现初期成本的大幅降低，然而矸石质量的不一致极大程度上影响了电力输出的稳定性，且废弃井筒的数量及规模进一步限制了其全国范围的推广应用。

中国专利CN111692055A提供了一种悬挂式重力储能系统，其利用梁架结构为重物的垂直提升创造条件，该系统对地理条件要求较低且占地面积相对较小，然而复杂的质量块运行模式、不稳定的吊装机构均对其往返效率和功率造成了挑战，因而仍有较大改进空间。

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，其利用块体的吊起下落进行储能和释能。然而起重机吊装块体需高载重、高精度抓放的机械抓手，制造难度较大，且存在缆绳晃动难以定位、塔楼稳定性低等问题，这限制了其推广应用。

可见，现有技术的重力储能系统大多受限于地形，其建造使用受限极大。而且现有技术的重力储能系统运行复杂，控制不稳定，而且最终的结构稳定性也不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种重力储能模块以及模块化重力储能系统，不受地形限制且占地面积小，结构紧凑空间利用率高，控制简单，系统运行稳定安全。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种重力储能模块，其特征在于：包含多层质量块层、两侧电梯装置和发电机，多层质量块层沿竖直方向层叠设置并且每层质量块层沿横向设置有多个质量块存放位，每层质量块层下侧均设置有一个用于水平运载质量块的水平小车，两侧电梯装置设置在多层质量层的两侧将质量块上下运载，电梯装置与发电机连接带动发电机发电。

进一步地，所述多层质量块层分成上侧质量块层和下侧质量块层两组，上侧质量块层和下侧质量块层的层数相等。

进一步地，所述上侧质量块层与下侧质量块层之间设置有空置区。

进一步地，所述质量块为长方体质量块。

进一步地，所述质量块采用含有渣土、废气材料的混凝土压制而成。

进一步地，所述每层质量块层包含框架结构、小车轨道和质量块承重梁，两根小车轨道平行设置在框架结构上，水平小车行走设置在两根小车轨道上，两根质量块承重梁设置在两根小车轨道上方框架结构上，质量块的底部两侧架设在两根质量块承重梁上。

进一步地，所述水平小车上侧设置有四个托举液压缸，四个托举液压缸呈矩形分布在水平小车上侧。

进一步地，所述两侧电梯装置内设置有两个承重支承台，两个承重支撑台与质量块承重梁匹配。

进一步地，所述两侧电梯装置包含电梯井、电梯箱、牵引带、副动力轴和主动力轴，副动力轴和主动力轴分别转动设置在重力储能模块下方基座上，副动力轴上设置有绞盘结构且牵引带的一端卷绕在副动力轴绞盘结构上，牵引带另一端通过定滑轮与电梯箱连接，副动力轴的一端通过减速机构与主动力轴连接，主动力轴与发电机连接。

进一步地，所述减速机构包含副动力轴滚轮、主动力轴滚轮和滚轮履带，副动力轴滚轮固定在副动力轴上，主动力轴滚轮固定在主动力轴上，滚轮履带设置在副动力轴滚轮和主动力轴滚轮上。

进一步地，所述副动力轴的一端与减速机构之间设置有第一离合器。

进一步地，所述副动力轴的另一端通过第二离合器与空载驱动电机连接。

进一步地，所述副动力轴上设置有刹车。

一种模块化重力储能系统，其特征在于：包含多个重力储能模块，多个重力储能模块沿前后方向堆叠并且多个重力储能模块的两侧电梯装置连接同一发电机。

进一步地，所述多个重力储能模块的外侧设置有围护结构。

进一步地，所述相邻的两个重力储能模块的主动力轴之间通过第三离合器连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明的重力储能模块以及模块化重力储能系统，对于地形没有特别的要求，在任意可构建建筑物的地形上均可以建造安装本发明的重力储能系统，便于系统的推广和实际使用；

2、本发明采用模块化结构，整体呈矩形堆叠结构，可以进行平面上的任意组合，形成规模化的重力储能系统，占地面积利用率高，基本没有地面面积的浪费，节约土地资源；

3、本发明通过水平小车实现质量块的水平运输，在通过电梯装置完成质量块的升降操作，通过质量块下降带动发电机发电，质量块在运输过程中不存在晃动和转动变化，运输过程中的定位逻辑仅仅是水平位移和竖直位移的定位，控制方便，且系统运行安全稳定，质量块无掉落危险；

4、本发明通过称重横梁和轨道上下结构的设置，整体结构简单紧凑，整体上采用建筑上的框架结构，构建方便，节约材料，而且建筑强度高，高度可达到140以上，增加了重力储能的势能容量；

5、本发明通过离合式的主副轴结构，电梯满载升降与发电机连接，空载上升则通过空载电机驱动，节约能量，而且多个重力储能模块可以随意切换与发电机的连接，从而调节发电机的输出功率，实现电网储能和放电功率的动态调整。

附图说明

图1是本发明的一种重力储能模块的示意图。

图2是本发明的每层质量块层的侧视图。

图3是本发明的电梯装置的原理示意图。

图4是本发明的主副轴结构的示意图。

图5是本发明的一种模块化重力储能系统的示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一种重力储能模块，包含多层质量块层1、两侧电梯装置2和发电机，多层质量块层1沿竖直方向层叠设置并且每层质量块层1沿横向设置有多个质量块存放位，质量块沿着质量块层1的横向码放在质量块层的质量块存放位上。每层质量块层1下侧均设置有一个用于水平运载质量块的水平小车3，两侧电梯装置2设置在多层质量层1的两侧将质量块上下运载，电梯装置2与发电机连接带动发电机发电。发电机采用发电和电机二合一的电机，在电网发电量较大时，发电机作为电机驱动电梯装置2上升，从而将下层的质量块转移到上层，提高质量块的势能从而进行电能的存储。当电网电力不足时，水平小车3将上层质量块运送到电梯装置2中，电梯装置2利用质量块的重力势能下降带动发电机进行发电，从而对电网进行功率补偿。通过上述工作方式，本发明的重力储能模块实现了对电网的储能和功率补偿。本发明采用小车加电梯的运送结构，相比于传统的悬臂吊装结构，质量块运动过程中稳定、不会晃动，而且最终质量块堆叠定位只需要横向位置的定位，无需考虑质量块转动角度的修正问题，控制更加简单，提高了质量块堆叠转移的效率。而且相比于吊装结构需要在质量块打孔，本发明的抬升结构，无需在质量块打孔，同体积下本发明的质量块的质量更大，增加了质量块获得的重力势能，且本申请的质量块运输稳定，无掉落风险。

多层质量块层1分成上侧质量块层和下侧质量块层两组，上侧质量块层和下侧质量块层的层数相等。上侧质量块层与下侧质量块层之间设置有空置区4，空置区4中并不存放质量块，而是用来抬高上侧质量块层与下侧质量块层之间的高度差，从而使下侧质量块层提升到上侧质量块层时，每块质量块所保存的重力势能更加的高，提升了整个系统的容量。上侧质量块层和下侧质量块层的层数相等并且上侧质量块层和下侧质量块层由上之下每层分别一一对应，即上侧质量块层第一层的质量块只转移到下侧质量块层第一层中，反之亦然。这样每个质量块的上升和下降高度差均相等，保证了每个质量块在上升和下降过程中存储和释放的势能均相同，从而使每个质量块的发电功率相同，系统的发电功率更加平稳，而且在控制逻辑上更加简单。更进一步地，上侧质量块层和下侧质量块层中质量块层按照奇偶层数进行分组，奇数层质量块从左侧电梯装置中升降，偶数层质量块从右侧电梯装置中升降，两侧电梯交替进行下降，从而保证整个重力储能模块能够不间断进行供电。

质量块为长方体质量块。质量块采用含有渣土、废气材料的混凝土压制而成。废气材料包含工业生产产出与报废能源组件，如建筑材料、燃煤残余物、废料尾矿等。为增加质量块的强度，还可以在质量块的底部增加厚钢板，使其整体强度高于10兆帕以上，质量块在拉升、下落等工作状态下无质量损失。

每层质量块层1包含框架结构5、小车轨道6和质量块承重梁7，两根小车轨道6平行设置在框架结构5上，水平小车3行走设置在两根小车轨道6上，两根质量块承重梁7设置在两根小车轨道6上方框架结构5上，质量块8的底部两侧架设在两根质量块承重梁7上。质量块8的底部的宽度大于两根质量块承重梁7之间的间距，这样小车将质量块抬升离开质量块承重梁7时即可将质量块进行横向的运输，运输到位，将质量块下降支承在质量块承重梁7上侧即可。水平小车3的车架整体的宽度大于两根小车轨道6之间的间距，可以有效避免小车掉落，上下层之间的质量块层之间不需要通过底板分隔，而是通过这种竖直主梁和横梁结构即可实现空间上的分离，整体采用预制件和现浇相结合的钢筋混凝土结构进行框架结构5以及小车轨道6和质量块承重梁7的构筑，结构简单紧凑且建筑强度高。

水平小车3上侧设置有四个托举液压缸9，四个托举液压缸9呈矩形分布在水平小车3上侧，四个托举液压缸9构成的矩形略小于质量块8的底面矩形，通过四个托举液压缸9可以将质量块8竖直向上举升，使其离开质量块承重梁7方便质量块8的运输。两侧电梯装置2内设置有两个承重支承台，两个承重支撑台与质量块承重梁7匹配。水平小车3将质量块运送到电梯装置2内将质量块下降放置到称重支撑台上侧，水平小车3离开电梯装置2回到下一块质量块下侧。

两侧电梯装置2包含电梯井、电梯箱10、牵引带11、副动力轴12和主动力轴13，副动力轴12和主动力轴13分别转动设置在重力储能模块下方基座上，副动力轴12上设置有绞盘结构14且牵引带11的一端卷绕在副动力轴绞盘结构14上，牵引带11另一端通过定滑轮15与电梯箱10连接，副动力轴12的一端通过减速机构16与主动力轴13连接，主动力轴13与发电机17连接。

减速机构16包含副动力轴滚轮18、主动力轴滚轮19和滚轮履带20，副动力轴滚轮18固定在副动力轴12上，主动力轴滚轮19固定在主动力轴13上，滚轮履带20设置在副动力轴滚轮18和主动力轴滚轮19上。通过副动力轴滚轮18和主动力轴滚轮19的轮径比实现主动力轴13和副动力轴12的传动比的改变。

副动力轴12的一端与减速机构16之间设置有第一离合器21。副动力轴12的另一端通过第二离合器22与空载驱动电机23连接。副动力轴12上设置有刹车24。

本发明的重力储能模块的工作原理为：

当质量块需要下降时，质量块被水平小车3移动到电梯装置2中，此时，第二离合器22松开，使空载电动机23脱离与副动力轴14的连接，第一离合器21闭合，使副动力轴12与副动力轴滚轮18连接。处于闭合状态的刹车24松动使得电梯装置2可以以合适的速度下落，电梯箱10下落拉动牵引带11，牵引带11拉动副动力轴12旋转，由于第一离合器21闭合，副动力轴12带动副动力轴滚轮18转动，副动力轴滚轮18通过滚轮履带20带动主动力轴滚轮19转动，主动力轴滚轮19带动主动力轴13转动，主动力轴13带动发电机17中的装置转动，从而产生电力。

当质量块需要抬升高度时，质量块被水平小车3移动到电梯装置2中，此时，第二离合器22松开，使空载电动机23脱离与副动力轴14的连接，第一离合器21闭合，使副动力轴12与副动力轴滚轮18连接。处于闭合状态的刹车24完全松开使得副动力轴12能够转动。发电机17转动，带动主动力轴13，主动力轴13带动主动力轴滚轮19转动，主动力轴滚轮19通过滚轮履带20带动副动力轴滚轮18转动，由于第一离合器21处于闭合状态，副动力轴滚轮18的转动可以带动副动力轴12转动，副动力轴12拉动牵引带11，牵引带11拉动电梯箱10将装载质量块的电梯箱11提升到指定位置，由水平小车运送到指定地点，质量块在该过程中获得重力势能。

当电梯卸下质量块时，由空载电动机23将空载电梯提升至下一块准备下落的质量块处，此时，第二离合器23闭合，使空载电动机23与副动力轴12连接，第一离合器21松开，断开副动力轴12的转动对主动力轴13的影响，由空载电动机机23带动副动力轴12转动，副动力轴12拉动牵引带11将电梯拉升到目标位置。

一种模块化重力储能系统，包含多个重力储能模块25，多个重力储能模块25沿前后方向堆叠并且多个重力储能模块25的两侧电梯装置连接同一发电机。多个重力储能模块25的外侧设置有围护结构，围护结构将重力储能模块25保护在内，可以防风防雨，对质量块形成良好的保护，且不会像现有技术吊装结构的晃动和难以定位堆叠。本发明的模块化重力储能系统采用模块化设计，需要容量扩充的时候，直接在系统后侧继续增加重力储能模块25即可实现系统的扩容，相比于现有技术的悬臂结构的储能系统，不仅占地面积小，无面积浪费，而且扩容简单，成本较低。

相邻的两个重力储能模块25的主动力轴13之间通过第三离合器26连接。

本发明提供的重力储能系统为单元模块化储能设施，其储能规模可小型化至1MWh以满足分布式能源、微电网及用户侧的储能需求，也可大型化至100MWh以上以满足大规模电力储能需求。同时，所提供的重力储能系统可在更短（2小时）和更长的持续时间（12小时以上）内满足高功率需求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种重力储能模块，其特征在于：包含多层质量块层、两侧电梯装置和发电机，多层质量块层沿竖直方向层叠设置并且每层质量块层沿横向设置有多个质量块存放位，每层质量块层下侧均设置有一个用于水平运载质量块的水平小车，两侧电梯装置设置在多层质量层的两侧将质量块上下运载，电梯装置与发电机连接带动发电机发电；所述多层质量块层分成上侧质量块层和下侧质量块层两组，上侧质量块层和下侧质量块层的层数相等并且上侧质量块层和下侧质量块层由上之下每层分别一一对应；所述两侧电梯装置包含电梯井、电梯箱、牵引带、副动力轴和主动力轴，副动力轴和主动力轴分别转动设置在重力储能模块下方基座上，副动力轴上设置有绞盘结构且牵引带的一端卷绕在副动力轴绞盘结构上，牵引带另一端通过定滑轮与电梯箱连接，副动力轴的一端通过减速机构与主动力轴连接，主动力轴与发电机连接；所述减速机构包含副动力轴滚轮、主动力轴滚轮和滚轮履带，副动力轴滚轮固定在副动力轴上，主动力轴滚轮固定在主动力轴上，滚轮履带设置在副动力轴滚轮和主动力轴滚轮上；所述副动力轴的一端与减速机构之间设置有第一离合；所述副动力轴的另一端通过第二离合器与空载驱动电机连接。

2.根据权利要求1所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述上侧质量块层与下侧质量块层之间设置有空置区。

3.根据权利要求1所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述质量块为长方体质量块。

4.根据权利要求1所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述质量块采用含有渣土、废气材料的混凝土压制而成。

5.根据权利要求1所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述每层质量块层包含框架结构、小车轨道和质量块承重梁，两根小车轨道平行设置在框架结构上，水平小车行走设置在两根小车轨道上，两根质量块承重梁设置在两根小车轨道上方框架结构上，质量块的底部两侧架设在两根质量块承重梁上。

6.根据权利要求5所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述水平小车上侧设置有四个托举液压缸，四个托举液压缸呈矩形分布在水平小车上侧。

7.根据权利要求5所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述两侧电梯装置内设置有两个承重支承台，两个承重支撑台与质量块承重梁匹配。

8.根据权利要求1所述的一种重力储能模块，其特征在于：所述副动力轴上设置有刹车。

9.一种模块化重力储能系统，其特征在于：包含多个权利要求1-8任一项所述的重力储能模块，多个重力储能模块沿前后方向堆叠并且多个重力储能模块的两侧电梯装置连接同一发电机。

10.根据权利要求9所述的一种模块化重力储能系统，其特征在于：所述多个重力储能模块的外侧设置有围护结构。

11.根据权利要求10所述的一种模块化重力储能系统，其特征在于：相邻的两个重力储能模块的主动力轴之间通过第三离合器连接。

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