CN207977831U - 惯性力储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种惯性力储能系统，包括管状钢筋混凝土隧道，隧道内安装有管状车厢式飞轮，管状车厢式飞轮的下方设有轨道，管状车厢式飞轮和轨道形成一体转动设置在托轮上，托轮由轴承及轴承套安装在液压缸上，液压缸固定在隧道底部；所述的车厢式飞轮的下方设有发电机构；车厢式飞轮的上部和下部分别设有若干进气口和排气口，每个进气口与相应的离心机连接，车厢式飞轮的侧面设有风道，风道连通于进气口和排气口。本实用新型无污染、无排放、免维护、使用寿命长、工程建设周期短，无需升压、降压及远距离输送，没有输变电成本又避免电力损耗，充放电转换反应为秒级，可根据需要对两种储能方式进行选择性储能。

Description

惯性力储能系统

技术领域

本实用新型涉及一种电力储存方法，特别是一种依靠物质惯性力来储存电能的方法，属于物理储能法。

背景技术

中国即是能源的生产大国也是能源的消费大国，既有节能减排的需求，也有通过能源增长用以支持经济发展的需求，特别是高铁和将来超高速运载交通工具这种超大功率轨道交通工具的出现，都会影响电能质量，那就必须要大力发展储能产业，研究表明，若要使电力波动率控制在百分之10以内，至少配备百分之10的储能系统，如果缺少电力储能能力，过多的新能源和大功率用电设备的接入，将会对电网造成严重影响。由于缺少储能，中国每天弃水、弃风、弃光、弃核甚至弃煤，每天所弃电量加上维护费、损耗、折旧，每天损失近百亿人民币。储能技术主要分为物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）三大类。

为应对城市尖峰负荷，电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建设，但利用率却非常低。同样是为了应对尖峰负荷，转而采用大容量储能项目，不仅投资会成倍减少，而且由于储能设施占地少、无排放，其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法相比的。

抽水储能，根据国际可再生能源署发布的电力储存与可再生能源的市场报告，到2017年全球储能装机容量为176吉瓦，其中抽水储能169吉瓦，占百分之96；热储能3.3吉瓦占百分之1.9；电池储能1.9吉瓦占百分之1.1；机械储能1.6吉瓦占百分之0.9；尽管我国抽水蓄能装机规模已位居世界首位，约占全球发电装机容量的百分之3，但是目前装机容量占我国发电总装机比例仅为百分之1.7，不是每座山都可以建抽水电站，选址苛刻，建设时间长，灵活性差,远离用电侧，投资成本高，抽水蓄能每千瓦投资为7000元左右。

压缩空气储能效率低、选址困难，需要消耗化石能源。

化学储能，化学电池成本每千瓦4000至28000元，单位容积造价2800至4000元，虽然未来成本将下降百分之50至60，但从上述数据来看，要想从百分之1.9上升至主导地位有很长的路要走，化学储能体量小，目前最大储能容量200mw,且寿命短、报废后污染环境。

飞轮储能，近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。

飞轮储能具有寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护，转换快，适用于电网调频和电能质量保障。飞轮蓄能的缺点是能量密度比较低,目前主要应用于为蓄电池系统作补充，飞轮储能研发的方向是细分市场，跟据不同的产品需求设计专业的靶向产品，研发的着力点主要集中在能提高飞轮储能密度的复合材料，和减小摩擦阻力的轴系支撑结构，大容量储能可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资,但超大容量的飞轮，目前技术尚不成熟。飞轮储能中最有害的是离心力，但作为飞轮储能法离心力和惯性力又是并存的,采用同样的材料,增大飞轮直径可以提高储能容量，可以降低飞轮转速却不能降低离心力，也不能降低线速度，降低线速度后储能密度随之下降，增大飞轮直径后还会消耗大量优质钢材或昂贵的复合材料，成本过高，由于飞轮由一根轴支撑，承受力有限，又由于装载大型飞轮的大尺寸真空室的技术难度，所以不可能做的过大，所以无法研制大容量飞轮。

电磁储能技术现在仍很昂贵，还没有商业化。

目前还没有能满足易于选址、对环境友好、储能容量大这三点要求的储能方案。

实用新型内容

本实用新型依据多种储能方式的优缺点，提供了一种惯性力储能系统，解决了现有技术中储能方式难以同时满足选址、对环境友好、储能容量大的问题。

本实用新型的技术方案如下：

惯性力储能系统，包括管状钢筋混凝土隧道，隧道内安装有管状车厢式飞轮，管状车厢式飞轮的下方设有轨道，管状车厢式飞轮和轨道形成一体转动设置在托轮上，托轮由轴承及轴承套安装在液压缸上，液压缸固定在隧道底部；所述的车厢式飞轮的下方设有发电机构；车厢式飞轮的上部和下部分别设有若干进气口和排气口，每个进气口与相应的离心机连接，车厢式飞轮的侧面设有风道，风道上有止回阀，风道连通于进气口和排气口。

所述的发电机构为，永磁体设置在车厢式飞轮的底部，永磁体的下方设有定子，定子固定安装在定子安装板上，定子安装板通过立桩安装在隧道底部，线圈缠绕在定子的外表面；定子的上部设有限流板。

所述的定子设有多个，多个定子构成环形，每个定子与各自的限流板相对应，多个限流板构成环形。

所述的发电机构为，两个托轮之间设置轮轴，形成轮对，每一个轮轴上设有一个增减速齿轮，增减速齿轮通过发电机/电机齿轮与第一电机/发电机连接。

所述的车厢式飞轮内侧缠绕有内钢索，外侧缠绕有外钢索。

所述的车厢式飞轮的外壁上设有动密封条，动密封条的下方设有静密封条，静密封条固定在隧道的内壁上，动静密封条和静密封条为非接触式迷宫密封。

所述的隧道的底部设有集油槽、油泵、油管，油泵与集油槽连接，油管的两端通过油泵分别与轴承、托轮外辕、增减速齿轮、发电机/电机齿轮连接。

所述的车厢式飞轮由若干节单体管道通过法兰连接而成，车厢式飞轮上设有若干个舱门。

所述的隧道还包括内侧水流式储能结构，内侧水流式储能结构为，管状钢筋混凝土隧道的每一定间隔留有遂口，遂口中设有第二电机/发电机，第二电机/发电机通过轴或伞齿连接有蜗轮，第二电机/发电机通过挂梁悬挂安装于遂口的横梁上。

所述的隧道内壁喷涂防腐光滑材料，隧道内充满液体。

本实用新型的优点效果如下：

由于建在城市郊区地下，不涉及拆迁补偿、益于选址，它可以在任何一个城市周边建设，不占天不占地、无污染、无排放、免维护、使用寿命长、工程建设周期短，无需升压、降压及远距离输送，没有输变电成本又避免电力损耗，充放电转换反应为秒级，可根据需要对两种储能方式进行选择性储能，是短期内节能减排的最佳选择。本实用新型属于超大容量惯性力储能方式，材料百分之70以上为廉价的混凝土和水，虽然线速度低，但通过增加容量、容积和降低单位材料投资成本来作为补偿。

本实用新型如果采用磁悬浮，只需要增加永磁体的面积和线圈匝数以及相应的系统即可，车厢式飞轮外辕以每秒120至200米的速度做圆周性旋转，由于圆周长、线速度低离心力小，所以车厢式飞轮不需要优质钢材和昂贵的复合材料来应对离心力，由于抽真空后空气阻力小，重力和惯性力又大，车厢式飞轮有较高的效率及功率，可以长时间高速旋转储存能量，由于车厢式飞轮质量大，重达几万至几十万吨，所以容量大，功率等级仅次于抽水储能，高于压缩空气储能，抽水储能装机容量100至5000mw,压缩空气储能5至300mw，本实用新型虽然只有100至2000mw，但设计安装的数量、地址随意，投资成本约为抽水储能的百分之80。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例3的结构示意图。

图3为本实用新型实施例1的侧面局部结构示意图。

图4为本实用新型实施例1中另一种发电结构的结构示意图。

图5为本实用新型实施例2的结构示意图。

图6为本实用新型实施例1中托轮的浮动安装示意图。

图7为本实用新型实施例1中托轮的浮动变速安装示意图。

图中；1A、隧道I，1B、隧道II，2、车厢式飞轮，3、金属外壳，4、进气口，5、上真空室，6、离心机，7、风道，8、动密封条，9、静密封条，10、外钢缆，11、排气口，12、永磁体，13、限流板，14、液压缸，15、油管，16、油泵，17、集油槽，18、立桩，19、定子，20、线圈，21、托轮，22、轴承，23、轨道，24、内钢缆，25、隧口，26、第二电机/发电机，27、挂梁，28、涡轮，29、横梁，30、增减速齿轮，31、发电机/电机齿轮，32、轮轴，33、止回阀，34、定子安装板，35、第一电机/发电机，36、轴瓦，37、保持架，38、托轮I。

具体实施方式

实施例1

如图1、3、4所示，本实施例中惯性力储能系统，采用明挖法在地下用钢筋混凝土水泥管建一座长几公里至几十公里的环形钢筋混凝土隧道，管状钢筋混凝土隧道1B建于地下，可防止隧道、车厢式飞轮、轨道受气温影响造成伸缩，隧道直径4米以上，隧道内抽真空，约0.1个大气压，并装有用钢筋混凝土制作的环形管状车厢式飞轮2，车厢式飞轮外壁为金属外壳3，方便建造、坚固、防止表皮脱落，内壁为钢筋混凝土结构，车厢式飞轮内侧内壁有数条高强度内钢缆24，车厢式飞轮外侧外壁也有数条高强度外钢缆10，用来抵制车厢式飞轮由于离心力所产生的扩散力，以提高车厢式飞轮线速度，从而尽量减小隧道和车厢式飞轮圆周半径，降低成本，提高车厢式飞轮的功率密度和经济价值。轨道23安装在车厢式飞轮下部，可单轨可双轨，管状车厢式飞轮和轨道形成一体转动设置在托轮上，托轮21由轴承22及轴承套安装在液压缸14上，液压缸固定在隧道1B底部；车厢式飞轮底部设有永磁体12，永磁体12的下方设有定子19，定子19固定安装在定子安装板34上，定子安装板34通过立桩18安装在隧道1b底部，线圈20缠绕在定子的外表面；定子19的上部设有限流板13，所述的定子设有多个，多个定子构成环形，每个定子与各自的限流板相对应，多个限流板构成环形，形成一个巨大的环形永磁电机/发电机结构。液压缸控制永磁体与定子间的气隙，托轮固定安装的这种结构可减轻风阻还方便润滑。车厢式飞轮2的上部和下部分别设有若干进气口4和排气口11，每个进气口与相应的离心机6连接，车厢式飞轮2的侧面设有风道7，风道上有止回阀33，风道7连通于进气口4和排气口。上吸下推来减轻车厢式飞轮重量，减轻托轮负载和摩擦力，还延长了养护时间，排气口向后下方以一定角度倾斜，即产生升力又产生推力。

所述的车厢式飞轮的外壁上设有动密封条8，动密封条8的下方设有静密封条9，静密封条9固定在隧道的内壁上，动静密封条8和静密封条9为非接触迷宫式密封。

所述的隧道的底部设有集油槽17、油泵16、油管15，油泵与集油槽连接，油管的两端通过油泵分别与轴承22、托轮21外辕、增减速齿轮30、发电机/电机齿轮31连接。在需要储能时线圈20为电动模式并供电产生磁场推动车厢式飞轮旋转储能，当车厢式飞轮旋转速度超过每小时100公里时，启动离心机6，由上真空室5内抽取空气，经风道7由相对应的排气口11排入永磁体12和定子19的气隙中，定子上周有限流板13，尽量减少气体溢出，提高压力，又由于有动密封条8、静密封条9的阻隔，使得上真空室5为高真空，动密封条8、静密封条9为非接触式，永磁体12与定子间为高压区，上吸下推减轻车厢飞轮百分之40重量，减少摩擦阻力并便于延长维修间隔，当需要放电时线圈20为发电模式，向电网供电，当车厢式飞轮旋转速度低于每小时100公里时，关闭离心机6，减小能耗，隧道内充入一定量真空油，通过油泵加压对轴承22和托轮21外辕、增减速齿轮29、发电机/电机齿轮30、冷却、润滑，也可以不使用轴承，采用油液悬浮，安装数个传感器，当传感器感测到轨道23、托轮22磨损，永磁体与定子气隙变小时，控制液压缸进行调整,并确保每个液压缸均匀受力，车厢式飞轮由若干节单体管道由法兰连接而成，为防止车厢式飞轮由于离心力向外扩散变形，对轨道23、托轮21、造成横向磨损，车厢式飞轮内侧内壁有数条高强度内钢缆24，车厢式飞轮外侧外壁也有数条高强度外钢缆10，用来抵制车厢式飞轮由于离心力所产生的扩散力，以提高车厢式飞轮线速度，从而尽量减小隧道和车厢式飞轮圆周半径，降低成本，提高车厢式飞轮的功率密度和经济价值。车厢式飞轮上有若干个舱门，便于出入维修，隧道的某一侧有地下维修车间，可以对经过的车厢式飞轮检测维修。

本实施例中的发电机构也可通过另一种形式，如图4所示，两个托轮之间设置轮轴，每一个轮轴32上设有一个增减速齿轮30，增减速齿轮30通过发电机/电机齿轮31与第一电机/发电机35连接。

本实施例中的托轮安装形式也可以是另两种形式，如图6、图7、所示，图6中托轮21上下均有轨道，托轮21随车厢式飞轮2及车厢式飞轮下的轨道23一同同步滚动，每一个轮轴32上都有轴瓦36，所有的轴瓦都由保持架37连接，从而保证每一个托轮的轮距，隧道、车厢式飞轮、托轮、保持架的组合，类式一个巨大的平面轴承，优点是承重载荷大，但托轮承受的转速不能提升。图7中在轮轴32上增加了托轮I38，车厢式飞轮2下的轨道23压在托轮21上，托轮I38压在隧道1b上的轨道上，假设托轮I38的直径为托轮21的一半，那么托轮21的线速度就是车厢式飞轮线速度的一半，这样托轮21的线速度保持不变的前提下，车厢式飞轮2的线速度就可以提升一倍，通过图6图7的安装形式可增加隧道、发电机/电机的利用率，并增加储能系统的储能密度。

实施例2

本实用新型也可采用内侧水流式储能系统结构，管状钢筋混凝土隧道1A的每一定间隔留有遂口25，遂口中设有第二电机/发电机26，第二电机/发电机26通过轴或伞齿连接有蜗轮28，第二电机/发电机26通过挂梁27悬挂安装于遂口的横梁29上，当需要储能时，转换为电动模式，由蜗轮推动水流高速旋转储能，当需要电力时，转换为发电模式进行放电。

此种隧道设计直径应尽量大，如6至12米以上，以提高水流速并减少与管壁摩擦力，周长由所需容量设定，安装几十至几百台涡轮发电机，设计为快充快放时，涡轮机台数多一些，设计为慢充慢放时涡轮机台数少一些，慢充快放最经济，可以设计为一半或全部为可升降型，在长周期充放电模式时，充电模式时升起一半，充电结束等待放电时，全部升起，减小阻力也就是降低自放电率，放电模式时全部放下，尽可能短时间内将电放掉并网，可提高充放电效率，蜗轮机桨叶翼型接近风力发电机涡轮桨叶翼型，为提高效率同样采用变桨机型，短周期性充放电待机时，可采用顺桨的方式减阻，每台蜗轮机对应的上方留有涵口，便于将蜗轮机吊起维修，单台功率在2至6兆瓦左右，在电力富余时，蜗轮发电机转换成电动蜗轮机，将水加速至每秒8至15米储存电力，虽然可以更快，但水流越快水与隧道管壁摩擦力越大，电力消耗也越大，产出比不经济，适合频繁充放电来调整电力波动，用于提高电能质量，在特定情况下，如电网电压过高必须削峰储能，否则就需要拉闸限电，或提前为某一大型高耗能设备预约储能，在这种不计成本的情况下，可以将水流速提高到每秒40至80米，可以在几分钟内提供4千至6千兆瓦的电力；水流式储能结构如果停止供电，水流几小时就会停止流动，且放电时间只有几分到几十分钟，比较适合频繁的充放电，可用于港口大型起重设备的储能，也可用于万吨级升船机的储能，或为陆基电磁炮、大功率激光提供电力，优点是寿命长、简单、成本低、极少的保养以及可瞬间大功率放电，尤其适合单独建于缺少陆地的海岛的水下，并充入海水，即利用岛内的各种剩余电力推动水流储存电力，又利用海浪和洋流推动管内的水流动储存能量，在需要电力时随时发电，这样可削减电站发电机组容量，减小投资，但要定期清理附着在隧道内壁的海洋生物，建在河边、江边，利用水能推动管内水流动储存能量，并为农业灌溉蓄水，在城市周边建造时，管壁外加上保温材料，在电网进入用电谷电时将水加热至75度，以为城市供暖为主，还可以减小水的运动粘度降低损耗。利用管道散发的热量，在地上种殖可提高农作物产量，发展养殖及旅游业，搞综合开发那就更有应用价值了。

实施例3

如图2所示，可将实施例1和实施例2的结构相结合，采用明挖法在地下用钢筋混凝土水泥管建一座周长几公里至几十公里的双管环形钢筋混凝土隧道，由内外两条隧道组成，两条隧道可相邻也可间隔数米，其具体结构同实施例1和实施例2。

Claims (10)

1.惯性力储能系统，其特征在于包括管状钢筋混凝土隧道，隧道（1B）内安装有管状车厢式飞轮（2），管状车厢式飞轮的下方设有轨道（23），管状车厢式飞轮和轨道形成一体转动设置在托轮上，托轮（21）由轴承（22）及轴承套安装在液压缸（14）上，液压缸固定在隧道（1B）底部；所述的车厢式飞轮的下方设有发电机构；车厢式飞轮（2）的上部和下部分别设有若干进气口（4）和排气口（11），每个进气口与相应的离心机（6）连接，车厢式飞轮（2）的侧面设有风道（7），风道上有止回阀（33），风道（7）连通于进气口（4）和排气口。

2.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的发电机构为，永磁体（12）设置在车厢式飞轮的底部，永磁体（12）的下方设有定子（19），定子（19）固定安装在定子安装板（34）上，定子安装板（34）通过立桩（18）安装在隧道（1B）底部，线圈（20）缠绕在定子的外表面；定子（19）的上部设有限流板（13）。

3.根据权利要求2所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的定子设有多个，多个定子构成环形，每个定子与各自的限流板相对应，多个限流板构成环形。

4.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的发电机构为，两个托轮之间设置轮轴，形成轮对，每一个轮轴（32）上设有一个增减速齿轮（30），增减速齿轮（30）通过发电机/电机齿轮（31）与第一电机/发电机（35）连接。

5.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的车厢式飞轮内侧缠绕有内钢索（24），外侧缠绕有外钢索（10）。

6.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的车厢式飞轮的外壁上设有动密封条（8），动密封条（8）的下方设有静密封条（9），静密封条（9）固定在隧道的内壁上，动静密封条（8）和静密封条（9）为非接触式迷宫密封。

7.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的隧道的底部设有集油槽（17）、油泵（16）、油管（15），油泵与集油槽连接，油管的两端通过油泵分别与轴承（22）、托轮（21）外辕、增减速齿轮（30）、发电机/电机齿轮（31）连接。

8.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的车厢式飞轮由若干节单体管道通过法兰连接而成，车厢式飞轮上设有若干个舱门。

9.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的隧道还包括内侧水流式储能结构，内侧水流式储能结构为，管状钢筋混凝土隧道的每一定间隔留有遂口（25），遂口中设有第二电机/发电机（26），第二电机/发电机（26）通过轴或伞齿连接有蜗轮（28），第二电机/发电机（26）通过挂梁（27）悬挂安装于遂口的横梁（29）上。

10.根据权利要求1所述的惯性力储能系统，其特征在于所述的隧道内壁喷涂防腐光滑材料，隧道内充满液体。