CN117267072A - 一种重力储能模块及模块化重力储能系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种重力储能模块及模块化重力储能系统，涉及电网储能技术领域。本模块化重力储能系统在轨道井和转运单元之间设置直线电机，并将多个重力储能模块沿横向和/或纵向并排设置，以使沿横向排列的每一行轨道井或沿纵向排列的每一列轨道井的至少一侧设有一排储能仓井，本申请提供的模块化重力储能系统，解决了相关技术中储能效率偏低、建设成本高、且对环境有要求而导致不适合大规模推广使用的问题，本模块化重力储能系统的结构设计在运载储能单元时力转换的中间环节，提升了系统效率和储能效率，同时，对于地形没有特殊要求，只要可以修建建筑的地方均可以修建该系统，且结构简单，建造成本低，难度小，有利于系统的大规模应用。

Description

一种重力储能模块及模块化重力储能系统

技术领域

本申请涉及电网储能技术领域，特别涉及一种重力储能模块及模块化重力储能系统。

背景技术

随着新型电力系统的构建逐步深入，以风能和太阳能为代表的新能源在电网中的比例不断增加，但其随机性和波动性的问题给电网安全稳定运行带来了挑战。储能技术作为一种解决新能源随机波动的有力手段，目前主要有化学储能和物理储能两种方式，化学储能凭借其响应迅速、效率高、可深度放电等优点逐渐被广泛运用，但其安全性仍然是一个问题；物理储能原理简单、无环境污染、储能容量大的优点，其中重力储能技术作为一种经典的物理储能方案。目前，物理储能较为成熟的方式有抽水蓄能、压缩空气储能、电磁储能和重力储能等，重力储能相较于其他储能形式，具有环境影响小、安全度高、易于维护、储能容量大、出力时间长、单位能量成本低、储能介质易于获得等显著优点，是目前较为适合大规模推广的长时大容量储能技术。

目前常见的重力储能一般使用塔吊将重物块拉起并堆叠成塔状，利用重物块的垂直运动实现储能与发电；但该结构要求塔吊拥有高精度的抓手和定位系统，建造和系统调试难度大，且在重物块上下运动的过程中极易受到大风、降雨等天气因素影响，定位难度大、结构稳定性差，不利于大规模推广使用。

相关技术中，提出了基于斜坡轨道的重力储能的方法，尽管其建造和系统调试难度降低，且受天气因素影响较小，但是该方法的由于轨道摩擦力的存在相较于其他储能方法效率偏低，且建设专用轨道需要花费较大的成本，大坡度斜坡又不利于轨道上机车的安全运行，另外其对于地形有特殊要求，因此也不适合大规模推广使用。

发明内容

本申请实施例提供一种重力储能模块及模块化重力储能系统，可以解决相关技术中储能效率偏低、建设成本高、且对环境有要求而导致不适合大规模推广使用的问题。

第一方面，提供了一种重力储能模块，其包括：

至少一轨道井，所述轨道井内沿竖直方向设有多个转运单元，所述轨道井和转运单元之间设有驱动单元；

至少一储能仓井，其设于所述轨道井的一侧，所述储能仓井包括多个沿竖直方向层叠设置的储能隔间，所述储能隔间与轨道井连通，且部分所述储能隔间内设有储能单元；其中，

所述转运单元用于收容所述储能单元，所述储能单元可以在位置对应的所述储能隔间和转运单元间转运，所述驱动单元用于驱动所述转运单元沿所述轨道井移动，以将所述储能单元转运至位于不同高度的所述储能隔间。

结合第一方面，在一种实施方式中，所述驱动单元包括多个直线电机，所述直线电机的定子设于所述轨道井的内侧壁，所述直线电机的动子设于所述转运单元的外侧壁。

第二方面，提供了一种模块化重力储能系统，其包括：多个上述的重力储能模块，多个所述重力储能模块沿横向和/或纵向并排设置，以使沿横向排列的每一行轨道井或沿纵向排列的每一列轨道井的至少一侧设有一排储能仓井。

结合第二方面，在一种实施方式中，当每一所述重力储能模块的轨道井的数量与储能仓井的数量相同时，每一所述重力储能模块的所有所述轨道井沿横向或纵向并排设置，且所有所述储能仓井设于所述轨道井的同一侧。

结合第二方面，在一种实施方式中，当每一所述重力储能模块的所述重力储能模块的轨道井的数量大于所述储能仓井的数量时，每一所述重力储能模块的所述轨道井的数量是所述储能仓井的数量的两倍，所有所述储能仓井沿横向或纵向并排设置，且所有所述轨道井对称设于所述储能仓井的两侧。

结合第二方面，在一种实施方式中，转运单元包括转运框，所述转运框的外侧壁设有直线电机的动子，所述转运框上设有电力电子变流器，所述电力电子变流器用于与所述直线电机和电网相连。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述转运框的外侧壁对称设有两组所述直线电机的动子。

结合第二方面，在一种实施方式中，储能隔间上设有至少一位置传感器；

当所述位置传感器的数量大于一个时，所述储能隔间的顶部或底部设有一所述位置传感器。

结合第二方面，在一种实施方式中，所述位置传感器为光栅传感器或磁栅传感器。

结合第二方面，在一种实施方式中，储能单元包括储能块和转运小车，所述储能块设于所述转运小车上，所述转运小车的底部设有至少一刹止件。

本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例提供了一种模块化重力储能系统，通过在轨道井和转运单元之间设置直线电机，并将多个重力储能模块沿横向和/或纵向并排设置，以使沿横向排列的每一行轨道井或沿纵向排列的每一列轨道井的至少一侧设有一排储能仓井，解决了相关技术中储能效率偏低、建设成本高、且对环境有要求而导致不适合大规模推广使用的问题，本模块化重力储能系统的结构设计在运载储能单元时力转换的中间环节，提升了系统效率和储能效率，同时，对于地形没有特殊要求，只要可以修建建筑的地方均可以修建该系统，，且结构简单，建造成本低，难度小，有利于系统的大规模应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例提供的重力储能模块的轨道井的内部部分结构示意图；

图2为本申请实施例提供的模块化重力储能系统的储能仓井的内部部分结构示意图；

图3为本申请实施例提供的模块化重力储能系统的整体俯视图。

图中：1、轨道井；2、转运单元；20、转运框；21、电力电子变流器；3、储能仓井；30、储能隔间；31、储能单元；310、储能块；311、转运小车；4、驱动单元；40、定子；41、动子。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种重力储能模块，其能解决相关技术中储能效率偏低、建设成本高、且对环境有要求而导致不适合大规模推广使用的问题。

参见图1和图2所示，本重力储能模块主要包括至少一轨道井1和至少一储能仓井3，轨道井1和储能仓井3均呈竖直设置的竖长型，轨道井1内沿竖直方向设有多个转运单元2，轨道井1和转运单元2之间设有驱动单元4，储能仓井3设于轨道井1的一侧，与轨道井1紧贴设置，储能仓井3包括多个沿竖直方向层叠设置的储能隔间30，储能隔间30与轨道井1连通，且部分储能隔间30内设有储能单元31，也即储能隔间30的数量大于储能单元31，至少部分储能隔间30是处于空置的状态，以方便储能单元31转运时的过渡；其中，储能单元31可以在位置对应的储能隔间30和转运单元2之间转运，转运单元2用于收容储能单元31，驱动单元4则用于驱动转运单元2沿轨道井1移动，以使转运单元2与需要转运的储能单元31的储能隔间30位置对齐，并在储能单元31移动至转运单元2后，通过转运单元2将储能单元31转运至位于不同高度的储能隔间30。本重力储能模块的驱动单元4直接设于轨道井1和转运单元2之间，使得整体结构简单，建造方便且成本相对较低，需要大规模建造时，根据实际的需求按照规律可以方便地进行扩展，有效地提升储能的规模。

进一步的，驱动单元4主要包括多个直线电机，多个直线电机分别设于轨道井1和设于其内的多个转运单元2之间，其中，直线电机的定子40设于轨道井1的内侧壁，直线电机的动子41设于转运单元2的外侧壁，两者相互配合即可实现驱动，在储能单元31需要上下移动时，相比通过缆绳或皮带等传动机构进行力的传递，系统效率明显提升，且结构简化后不需要经常检修维护，减少了后期成本。

本申请还提供了一种模块化重力储能系统，参见图1-图3所示，其主要包括多个上述的重力储能模块，其中，多个重力储能模块沿横向和/或纵向并排设置，以使沿横向排列的每一行轨道井1或沿纵向排列的每一列轨道井1的至少一侧设有一排储能仓井3。具体的，多个重力储能模块沿横向和/或纵向并排设置，也即多个重力储能模块可以单沿横向成行排列，也可以单沿纵向成列排列，也可以同时沿横向和纵向两个方向同时排列以形成阵列的形式，但是无论以上述那种方式进行组合排列，沿横向排列的每一行轨道井1或沿纵向排列的每一列轨道井1的至少一侧均设有一排储能仓井3。解决了相关技术中储能效率偏低、建设成本高、且对环境有要求而导致不适合大规模推广使用的问题，本模块化重力储能系统的结构设计在运载储能单元31时力转换的中间环节，提升了系统效率和储能效率，同时，对于地形没有特殊要求，只要可以修建建筑的地方均可以修建该系统，，且结构简单，建造成本低，难度小，有利于系统的大规模应用，且整个系统处于一个大建筑物中，外界环境变化对系统影响小，系统内部部件不易因为外界原因发生损坏。

进一步的，当每一重力储能模块的轨道井1的数量与储能仓井3的数量相同时，每一重力储能模块的所有轨道井1沿横向或纵向并排设置，且所有储能仓井3设于轨道井1的同一侧。具体的，每一重力储能模块的所有轨道井1可以沿横向或纵向并排设置，当轨道井1的数量与储能仓井3的数量相同时，所有储能仓井3设于轨道井1的同一侧，也即储能仓井3也与轨道井1同向，沿横向或纵向并排设置；这种结构排列的多个重力储能模块在形成模块化重力储能系统时，形成的结构为每相邻两行或每相邻两列轨道井1之间均设有一行或者一列储能仓井3。

进一步的，当每一重力储能模块的重力储能模块的轨道井1的数量大于储能仓井3的数量时，每一重力储能模块的轨道井1的数量是储能仓井3的数量的两倍，所有储能仓井3沿横向或纵向并排设置，且所有轨道井1对称设于储能仓井3的两侧。具体的，每一重力储能模块的所有储能仓井3可以沿横向或纵向并排设置，轨道井1的数量大于储能仓井3的数量时，储能仓井3沿横向或纵向并排设置，所有轨道井1对称设于储能仓井3的两侧，使得每一重力储能模块的轨道井1的数量是储能仓井3的数量的两倍；这种结构排列的多个重力储能模块在形成模块化重力储能系统时，形成的结构为每相邻两行或每两列储能仓井3之间均设有两行或者两列轨道井1，也即相邻的轨道井1可以公用一个储能仓井3，以便增加土地利用效率。

进一步的，参见图1所示，转运单元2主要包括转运框20，转运框20的外侧壁设有直线电机的动子41，转运框20上设有电力电子变流器21，电力电子变流器21用于与直线电机和电网相连。具体的，直线电机的动子41与转运框20之间固定连接为一个整体，电力电子变流器21也一并固定设于转运框20的顶部，起到控制电机运动和连接电网与储能系统的作用，电机发出的电经过电力电子变流器21整流再逆变到50Hz送给电网，电网的电经过电力电子变流21整流再逆变驱动转运框20运动。

进一步的，参见图1所示，转运框20的外侧壁对称设有两组直线电机的动子41。具体的，由于总体质量较大，为了保证运行时的平稳，每个转运框20上均含有一对直线电机相对放置，用于抵消水平方向的不平衡推力；其中，转运框20上含有一对面对面的、结构完全相同的直线电机，其为安装直线电机的其中一个侧面为开口，可以让储能单元31进出。

进一步的，储能隔间30上设有至少一位置传感器，且当位置传感器的数量大于一个时，储能隔间30的顶部或底部设有一位置传感器。具体的，储能隔间30上设置位置传感器用于定位和位置的识别，储能隔间30上的位置传感器的数量最少可以为一个，当数量为一个时，优选的，位置传感器设于储能隔间30的顶部与底部之间；当数量为两个时，优选的，其中一个设于储能隔间30的顶部或底部，主要用于识别是否穿过该层，与电梯的原理相似，另一个则设于储能隔间30的顶部与底部之间，主要用于对准后再移动储能单元31；当数量为三个时，优选的，其中两个分别设于储能隔间30的顶部和底部处，共同用于精准判别是否穿过该层，另一个则设于储能隔间30的顶部与底部之间。其中，转运框20上也安装有与储能隔间30上的位置传感器对标的传感器，保证在装卸储能单元31时可以精准对齐。

进一步的，位置传感器可以为光栅传感器或磁栅传感器。

进一步的，参见图2所示，储能单元31主要包括储能块310和转运小车311，储能块310设于转运小车311上，优选的，储能块310和转运小车311固定连接为整体结构，保证结构的稳定性；其中，转运小车311的底部设有至少一刹止件，当储能块310转运至转运框20上后，则启动刹止件，避免转运小车311在转运框20运行过程中出现移动，保证转运安全。

本模块化重力储能系统的运行原理为：

当电网中存在富裕电能时，调度发出储能指令，储能系统迅速响应，转运小车311将停在低处的储能隔间30中的储能块310水平运送至对应位置的转运框20上，随后电力电子变流器21驱动转运框20开始上升，这个过程中将电能转化为重力势能。其中，上升高度和上升的储能块310的数量根据电网实际需求决定，在储能块310上升到合适高度后，待转运框20彻底停稳后，转运小车311带着储能块310进入新的储能隔间30，储能完成。

当电网电能不足，需要释放电能填补电力短缺时，与储能过程相似，停在较高处储能隔间30中的储能块310被转运小车311水平运送至转运框20上，转运框20带动储能块310下降时将重力势能重新转化为电能回馈给电网，并在储能块310到达低处合适位置时，转运小车311带着储能块310进入新的储能隔间30，释放能量完成。

另外，本模块化重力储能系统含有一个统一的控制中心，位于整个系统的最下方；另外，在整个储能系统中，由于模块化设计，所有相同的部件均被设计为相同的尺寸，因此对于确定的上升高度来说，每一个储能块310所储存或释放的能量是相同的，储能隔间30的高度间距也是相等的；在某些情况下，可能会出现某一储能块310需要停泊在其中一储能隔间30，但是该储能隔间30已存在有另一个储能块310的情况，此时需要将储能块310改送至另一储能隔间30，为了保证储存或释放的能量仍然为原先的值，同时需要将额外一个储能隔间30里的储能块310也移送至新的储能隔间30。该过程在整个系统响应调度指令的时候均已完成，不会出现临时改变目标储能隔间30的情况。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种重力储能模块，其特征在于，其包括：

至少一轨道井(1)，所述轨道井(1)内沿竖直方向设有多个转运单元(2)，所述轨道井(1)和转运单元(2)之间设有驱动单元(4)；

至少一储能仓井(3)，其设于所述轨道井(1)的一侧，所述储能仓井(3)包括多个沿竖直方向层叠设置的储能隔间(30)，所述储能隔间(30)与轨道井(1)连通，且部分所述储能隔间(30)内设有储能单元(31)；其中，

所述转运单元(2)用于收容所述储能单元(31)，所述储能单元(31)可以在位置对应的所述储能隔间(30)和转运单元(2)间转运，所述驱动单元(4)用于驱动所述转运单元(2)沿所述轨道井(1)移动，以将所述储能单元(31)转运至位于不同高度的所述储能隔间(30)。

2.如权利要求1所述的一种重力储能模块，其特征在于：

所述驱动单元(4)包括多个直线电机，所述直线电机的定子(40)设于所述轨道井(1)的内侧壁，所述直线电机的动子(41)设于所述转运单元(2)的外侧壁。

3.一种模块化重力储能系统，其特征在于，其包括：多个如权利要求2所述的重力储能模块，多个所述重力储能模块沿横向和/或纵向并排设置，以使沿横向排列的每一行轨道井(1)或沿纵向排列的每一列轨道井(1)的至少一侧设有一排储能仓井(3)。

4.如权利要求3所述的一种模块化重力储能系统，其特征在于：

当每一所述重力储能模块的轨道井(1)的数量与储能仓井(3)的数量相同时，每一所述重力储能模块的所有所述轨道井(1)沿横向或纵向并排设置，且所有所述储能仓井(3)设于所述轨道井(1)的同一侧。

5.如权利要求3所述的一种模块化重力储能系统，其特征在于：

当每一所述重力储能模块的所述重力储能模块的轨道井(1)的数量大于所述储能仓井(3)的数量时，每一所述重力储能模块的所述轨道井(1)的数量是所述储能仓井(3)的数量的两倍，所有所述储能仓井(3)沿横向或纵向并排设置，且所有所述轨道井(1)对称设于所述储能仓井(3)的两侧。

6.如权利要求3所述的一种重力储能模块，其特征在于：

转运单元(2)包括转运框(20)，所述转运框(20)的外侧壁设有直线电机的动子(41)，所述转运框(20)上设有电力电子变流器(21)，所述电力电子变流器(21)用于与所述直线电机和电网相连。

7.如权利要求6所述的一种重力储能模块，其特征在于：

所述转运框(20)的外侧壁对称设有两组所述直线电机的动子(41)。

8.如权利要求3所述的一种重力储能模块，其特征在于：

储能隔间(30)上设有至少一位置传感器；

当所述位置传感器的数量大于一个时，所述储能隔间(30)的顶部或底部设有一所述位置传感器。

9.如权利要求8所述的一种重力储能模块，其特征在于：

所述位置传感器为光栅传感器或磁栅传感器。

10.如权利要求3所述的一种重力储能模块，其特征在于：

储能单元(31)包括储能块(310)和转运小车(311)，所述储能块(310)设于所述转运小车(311)上，所述转运小车(311)的底部设有至少一刹止件。