CN115751773A - 地下重力储能结合热泵的综合能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下重力储能结合热泵的综合能源系统，上部轨道安装在地面上，其直段延伸至竖井井口；下部轨道安装在巷道内，结构与上部轨道相同，直段延伸至竖井井底；支撑梁架装于竖井井口，支撑梁与支撑梁架呈活动连接；电动发电机和绞盘安装在支撑梁上；热泵供热（冷）单元设于地上轨道旁，换热盘管位于重物载体内，一端接四通阀第一接口，另一端与节流阀、冷凝/蒸发器第一侧和四通阀第三接口依次连接，压缩机进出口分别与四通阀第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器第二侧接冷/热用户。本发明能提高可再生能源渗透率，实现节能减排，降低系统的建设成本，占地面积小，选址灵活。

Description

地下重力储能结合热泵的综合能源系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体为一种地下重力储能结合热泵的综合能源系统。

背景技术

能源结构调整作为实现“双碳”目标的主要路径，是能源发展面临的重要任务，也是保证能源安全的重要组成部分。调整能源结构就是要减少对石化能源资源的需求与消费，降低对石油的依赖，降低煤电的比重，大力发展新能源和可再生能源。

可再生能源分布和用电负荷之间存在较强的时空不匹配性，且诸如风能和太阳能等可再生能源通常具有间隙性和随机性等特点，直接并网比例较大时会对电网稳定运行造成较大的影响。这导致可再生能源的利用率较低，弃风和弃光等现象严重。大容量、高效率和低成本的电力储能技术是实现可再生能源大规模并网，实现能源领域绿色可持续发展的重要保障。

重力储能是一种古老和相对成熟的储能技术，特别是抽水蓄能技术，已经实现了商业运行。但是抽水蓄能对选址要求很高，需要建设上下游水库，并且水的蒸发量也比较大，在干旱缺水地区选址比较困难。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。

现有的地下重力储能系统，存在未充分利用地下低温热源（即地热资源）的问题。地表以下的岩土体以及地下水的温度，基本不受地表大气温度变化的影响，其昼夜和四季的温度变化很小，可以看作是一个硕大无比的“恒温箱”，非常适合冬季供暖时期的热源和夏季供冷时期的冷源。但传统地源热泵投资成本高、施工难度大且维护不便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种减少化石能源消耗和碳排放，提高可再生能源渗透率，减少资源浪费，实现节能减排，降低系统的建设成本，占地面积小，选址灵活的地下重力储能结合热泵的综合能源系统。

本发明的技术解决方案是：

本发明的一种地下重力储能结合热泵的综合能源系统，包括地下重力储能单元和热泵供热（冷）单元，地下重力储能单元包括竖井、巷道、上部轨道、下部轨道、支撑梁架、支撑梁、电动发电机、绞盘和重物载体，其中，上部轨道安装在地面上，轨道呈圆形，设有直段，首尾共用同一直段，该直段延伸至竖井井口；下部轨道安装在巷道内，轨道呈圆形，设有直段，首尾共用同一直段，该直段延伸至竖井井底；支撑梁架装于竖井井口，支撑梁与支撑梁架呈活动连接并位于竖井井口上方；电动发电机和绞盘安装在支撑梁上；支撑梁架和支撑梁的高度高于重物载体的高度；热泵供热（冷）单元设于地上轨道旁，包括压缩机、冷凝/蒸发器、换热盘管，其中，换热盘管位于重物载体内，一端接四通阀第一接口，另一端与节流阀、冷凝/蒸发器第一侧和四通阀第三接口依次连接，压缩机进出口分别与四通阀第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器第二侧接冷/热用户。

上述的地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其中：重物载体内部充满水，设有温度传感器。

上述的地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其中：重物载体设置有吊挂装置。

上述的地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其中：重物载体为多个。

本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明中的重物载体被吊上地面时，不但具有重力势能，还具有低温热能，热泵供热（冷）单元以重物载体中的水作为热（冷）源，通过制冷剂的循环将低位热（冷）能转换为高位热（冷）能，用于用户供暖（冷），且清洁无污染，可有效降低用户供暖（冷）费用，减少相应化石能源消耗和碳排放；本发明将传统地源热泵中的“地源”搬到了地面，解决了传统地源热泵投资成本高、施工难度大且维护不便的问题。提高了可再生能源渗透率，减少资源浪费，实现节能减排，是可靠的清洁能源利用技术。本发明可以利用废弃矿井、溶洞等作为深井和巷道，降低系统的建设成本，占地面积小，选址灵活，即适合在我国新能源集中的地区大规模推广，也适合在人口密集、用地紧张的城市区域分布式应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为竖井在轨道外部示意图。

图3为热泵供热（冷）单元供热工况示意图。

图4为热泵供热（冷）单元供冷工况示意图。

图5为竖井在轨道内部示意图。

图中：1、竖井，2、巷道，3、地上轨道，4、地下轨道，5、支撑梁架，6、支撑梁，7、电动发电机，8、绞盘，9、重物载体，10、压缩机，11、冷凝/蒸发器，12、节流阀，13、四通阀，91、换热盘管，92、温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种地下重力储能结合热泵的综合能源系统的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参见图1和图2，本发明的一种地下重力储能结合热泵的综合能源系统，包括地下重力储能单元和热泵供热（冷）单元，地下重力储能单元包括竖井1、巷道2、上部轨道3、下部轨道4、支撑梁架5、支撑梁6、电动发电机7、绞盘8和重物载体9，其中，上部轨道3安装在地面上，轨道呈圆形，设有直段，首尾共用同一直段，该直段延伸至竖井1井口（竖井1和巷道2可以是天然溶洞，废弃矿井巷道或由人工开挖建设）；下部轨道4安装在巷道2内（其结构和尺寸和上部轨道3相同），轨道呈圆形，设有直段，首尾共用同一直段，该直段延伸至竖井1井底；支撑梁架5装于竖井1井口，支撑梁6与支撑梁架5呈活动连接（支撑梁6可沿着支撑梁架5移动）并位于竖井1井口上方；电动发电机7和绞盘8安装在支撑梁6上；支撑梁架5和支撑梁6的高度高于重物载体9的高度。

参见图3和图4，热泵供热（冷）单元设于地上轨道3旁，包括压缩机10、冷凝/蒸发器11、换热盘管91，其中，换热盘管91位于重物载体9内，一端接四通阀13第一接口，另一端与节流阀12、冷凝/蒸发器11第一侧和四通阀13第三接口依次连接，压缩机10进出口分别与四通阀13第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器11第二侧接冷/热用户。

重物载体9内部充满水，设有温度传感器92，用于监测和记录重物载体9内水温。重物载体9设置有吊挂装置，方便绞盘8吊起和放下，重物载体9为多个。

工作原理：当遇到用电低谷，需要储能时，重物载体9自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式依次沿着下部轨道4移动到竖井1正下方，通过电动发电机7带动绞盘8将重物载体9吊到顶部，然后通过移动支撑梁6使重物载体9落放到上部轨道3上，再通过自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式沿着轨道移动，最后依次停放在上部轨道3尾部，储能完成。

当遇到用电高峰，需要释能时，重物载体9通过自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式依次沿着上部轨道3尾部移动到绞盘8正下方，绞盘8将重物载体9吊起，然后通过移动支撑梁6使重物载体9移动到竖井1井口，再下放重物载体，重物载体降落过程中，通过绞盘带动电动发电机发电，重物载体9下落到下部轨道4后，再通过自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式沿着轨道移动，最后依次停放在下部轨道4尾部，释能完成。

当需要供热时，热泵供热（冷）单元中的制冷剂通过换热盘管91蒸发吸收重物载体9中水的热量，然后经过四通阀13后到达压缩机10进行升温升压，之后再经过四通阀13到达冷凝/蒸发器11，冷凝放热，从而给用户进行供热，制冷剂冷凝液化后通过节流阀12降温降压，再回到换热盘管91继续上述循环。当重物载体9中的水温降低到第一设定值，或该重物载体9需要进行重力释能时，重物载体9中换热盘管91两端活接断开，热泵供热（冷）单元换下一个重物载体9进行活动连接，再进行供热。

当需要供冷时，制冷剂循环方向相反，热泵供热（冷）单元中的制冷剂流通过热盘管91将热量释放至重物载体9的水源中，制冷剂冷凝液化后通过节流阀12降温降压，然后到达冷凝/蒸发器11蒸发吸热，从而给用户进行供冷，之后经过四通阀13后到达压缩机10进行升温升压，再经过四通阀13，再次回到换热盘管91继续上述循环。当重物载体91中的水温升高到第二设定值，或该重物载体9需要进行重力释能时，重物载体9中换热盘管两端活接断开，热泵供热（冷）单元换下一个重物载体9进行活动连接，再进行供冷。

可根据需要选择重力储能优先或供热（冷）优先，重力储能优先时，整个系统保证重力储能系统高效运作，热泵供热（冷）单元与重物载体9中换热盘管91活动连接处在重物载体9有重力释能需要的时候断开；当供热（冷）优先时，整个系统需保证热泵供热（冷）单元高效运作，重物载体9在地下巷道2中充分吸取地下低温热能后再进行重力储能，并在地上轨道3上充分释放低温热能后再进行重力释能。

竖井1与上部轨道3的相对位置有两种布置方式，第一种，参见图2，竖井1在上部轨道3所圈出的圆形外部；第二种，参见图5，竖井1在上部轨道3所圈出的圆形内部。同样，下部轨道4与竖井1的相对位置也有如前两种布置方式。

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，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：包括地下重力储能单元和热泵供热（冷）单元，地下重力储能单元包括竖井（1）、巷道（2）、上部轨道（3）、下部轨道（4）、支撑梁架（5）、支撑梁（6）、电动发电机（7）、绞盘（8）和重物载体（9），其中，上部轨道（3）安装在地面上，轨道呈圆形，设有直段，首尾共用同一直段，该直段延伸至竖井（1）井口；下部轨道（4）安装在巷道（2）内，轨道呈圆形，设有直段，首尾共用同一直段，该直段延伸至竖井（1）井底；支撑梁架（5）装于竖井（1）井口，支撑梁（6）与支撑梁架（5）呈活动连接并位于竖井（1）井口上方；电动发电机（7）和绞盘（8）安装在支撑梁（6）上；热泵供热（冷）单元设于地上轨道（3）旁，包括压缩机（10）、冷凝/蒸发器（11）、换热盘管（91），其中，换热盘管（91）位于重物载体（9）内，一端接四通阀（13）第一接口，另一端与节流阀（12）、冷凝/蒸发器（11）第一侧和四通阀（13）第三接口依次连接，压缩机（10）进出口分别与四通阀（13）第二和第四接口连接，冷凝/蒸发器（11）第二侧接冷/热用户。

2.如权利要求1所述的地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：重物载体（9）内部充满水，设有温度传感器（92）。

3.如权利要求1或2所述的地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：重物载体（9）设置有吊挂装置。

4.如权利要求3所述的地下重力储能结合热泵的综合能源系统，其特征在于：重物载体（9）为多个。

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