一种重力储能系统和储能方法

1.本发明用于储能技术领域，特别是涉及一种重力储能系统和储能方法。


背景技术：

2.可再生能源发电可以有效解决传统石燃料发电所带来的一些挑战，然而可再生能源(如太阳能和风能)发电也表现出一定的局限性，包括间接性、随机性和波动性，故其对电网的稳定性和可靠性构成挑战，合理的储能系统可以减轻这些限制并确保稳定可靠的能源供应，目前，已经开发了各种存储技术来解决间歇性问题，并使可再生能源能够无缝集成到现有电网中，在这些选择中，固体重力储能已成为一种有前途的解决方案，与其他储能技术相比具有明显的优势。
3.固体重力储能利用储存在高处(例如混凝土块或重型固体材料)中的势能来储存和释放能量，消除了对化学反应或电转换的依赖，提供了一种简单、高效和机械驱动的解决方案，但现有的固体重力储能系统存在地理适用性受限、初期建造成本较高、环境影响较大、运行效率较低、储存容量较小、可靠与安全性能较低等缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种重力储能系统和储能方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种重力储能系统，其特征在于：包括重物块、传送机构和能量转换机构，所述传送机构包括传送轮和倾斜设置的传送带，所述传送轮能够驱动所述传送带运转，所述重物块包括磁性外壳，所述传送带上设有电磁体，通过控制所述电磁体通电产生磁性能够将所述重物块与所述传送带稳固连接，所述能量转换机构与所述传送轮传动连接，所述能量转换机构与电网相连，用于将电能转换为驱动所述传送带运行的机械能，或用于将所述传送轮运转的机械能转换为电能。
7.优选的，所述重物块的顶部设有吊装部件，所述重物块的底部设有凹槽，所述传送带的外周设有与所述凹槽配合的凸台，所述电磁体设在所述凸台内部。
8.优选的，所述传送带上设有电源装置，所述电源装置与所述电磁体相连用于向所述电磁体通电，所述电磁体包括电磁线圈或电磁铁。
9.优选的，所述传送带的下方设有储能装置，所述储能装置与所述电源装置相连用于向所述电磁体供电，所述储能装置包括蓄电池。
10.优选的，所述能量转换机构与所述传送轮之间设有减速装置，所述能量转换机构与电网之间设有变压器。
11.优选的，所述传送带的近端设在低处，所述传送带的远端设在高处，所述传送带的近端设有用于盛放所述重物块的第一堆放区，所述传送带的远端设有用于盛放所述重物块的第二堆放区。
12.优选的，所述第一堆放区包括用于搬运所述重物块的第一起重系统，所述第二堆放区包括用于搬运所述重物块的第二起重系统，所述第一起重系统和所述第二起重系统均包括吊机和吊梁。
13.优选的，所述第一堆放区与所述传送带的近端之间设有第一缓冲平台，所述第二堆放区与所述传送带的远端之间设有第二缓冲平台。
14.优选的，所述第一缓冲平台和所述第二缓冲平台均包括支撑架和沿远近方向依次设置的多个辊轴，所述辊轴转动连接在所述支撑架上。
15.本发明还提供一种使用重力储能系统的储能方法，基于以上所述的重力储能系统，包括以下步骤：
16.s1:在可再生能源发电量高的时期，所述能量转换机构将电网中的电能转换为所述传送轮转动的机械能，所述电源装置向所述电磁体通电产生磁性，将所述重物块从低处带到高处，通过传送带将所述重物块从低处传送至高处；
17.s2：当电力需求增加或可再生能源发电减少时，将位于高处的所述重物块放置在所述传送带的远端，所述电源装置向所述电磁体通电产生磁性，所述重物块从高处向低处运动，带动所述传送带及所述传送轮运转，所述能量转换机构将所述传送轮转动的机械能转换为电能。
18.上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：该重力储能系统传送带上的电磁体在通电后产生磁性，与重物块的磁性外科相吸合，在可再生能源发电量高的时期，能量转换机构将电网中的电能转换为传送轮转动的机械能，此时能量转换机构充当电动机使用，电源装置向电磁体通电产生磁性，将重物块从低处带到高处，通过传送带将所述重物块从低处传送至高处，实现将电能转换为重物块的重力势能实现能量储存；当电力需求增加或可再生能源发电减少时，将位于高处的重物块放置在传送带的远端，电源装置向电磁体通电产生磁性，重物块从高处向低处运动，带动传送带及传送轮运转，此时能量转换机构充当发电机使用，转动发电，即能量转换机构将传送轮转动的机械能转换为电能，使用该重力储能系统的储能方法通过传送带上电磁体与重物块的吸合，运行效率高，储能容量大，且地理使用性好，建造成本底，对环境影响小。
19.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1是本发明一个实施例的结构示意图；
22.图2是本发明中传送机构的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
23.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
24.本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征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。
25.本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
27.其中，图1给出了本发明实施例的参考方向坐标系，以下结合图1所示的方向，对本发明的实施例进行说明。
28.本发明的实施例提供了一种重力储能系统，参见图1，包括重物块100、传送机构200和能量转换机构300，传送机构200包括传送轮210和倾斜设置的传送带220，传送轮210能够驱动传送带220运转，重物块100包括磁性外壳，传送带220上设有电磁体，通过控制电磁体通电产生磁性能够将重物块100与传送带220稳固连接，能量转换机构300与传送轮210传动连接，能量转换机构300与电网相连，用于将电能转换为驱动传送带220运行的机械能，或用于将传送轮210运转的机械能转换为电能，该重力储能系统传送带220上的电磁体在通电后产生磁性，与重物块100的磁性外科相吸合，在可再生能源发电量高的时期，能量转换机构300将电网中的电能转换为传送轮210转动的机械能，此时能量转换机构300充当电动机使用，电源装置向电磁体通电产生磁性，将重物块100从低处带到高处，通过传送带将所述重物块100从低处传送至高处，实现将电能转换为重物块100的重力势能实现能量储存；当电力需求增加或可再生能源发电减少时，将位于高处的重物块100放置在传送带220的远端，电源装置向电磁体通电产生磁性，重物块100从高处向低处运动，带动传送带220及传送轮210运转，此时能量转换机构300充当发电机使用，转动发电，即能量转换机构300将传送轮210转动的机械能转换为电能，该重力储能系统通过传送带上电磁体与重物块的吸合，运行效率高，储能容量大，且地理使用性好，建造成本底，对环境影响小。
29.参见图1，重物块100的顶部设有吊装部件110，便于吊机起吊重物块100进行堆放，重物块100的底部设有凹槽，传送带220的外周设有与凹槽配合的凸台221，电磁体设在凸台221内部，凸台221与凸槽相匹配，确保重物块不发生摩擦，从而确保了重物块传送过程中的安全性，优选的，重物块100为铁质外壳，且尺寸一致，形状为长方体。
30.在某些实施例中，传送带220上设有电源装置，电源装置与电磁体相连用于向电磁体通电，电磁体包括电磁线圈或电磁铁。
31.参见图1，传送带220的下方设有储能装置230，储能装置230与电源装置相连用于向电磁体供电，储能装置230包括蓄电池，可将多余发电量储存起来单独为电磁体供电。
32.在某些实施例中，能量转换机构300与传送轮210之间设有减速装置，能量转换机
构300与电网之间设有变压器，用于将电网电压变为能够与能量转换机构300适配的电压。
33.参见图1，传送带220的近端设在低处，传送带220的远端设在高处，传送带220的近端设有用于盛放重物块100的第一堆放区400，传送带220的远端设有用于盛放重物块100的第二堆放区500。
34.参见图1，第一堆放区400包括用于搬运重物块100的第一起重系统410，第二堆放区500包括用于搬运重物块100的第二起重系统510，第一起重系统410和第二起重系统510均包括吊机和吊梁，优选的，吊机能够沿横向和纵向移动，确保重物块100的准确、安全、整齐地堆放在第一堆放区400和第二堆放区500。
35.参见图1，所述第一堆放区400与传送带220的近端之间设有第一缓冲平台420，第二堆放区500与传送带220的远端之间设有第二缓冲平台520。
36.参见图1，第一缓冲平台420和第二缓冲平台520均包括支撑架和沿远近方向依次设置的多个辊轴，辊轴转动连接在支撑架上，以在重物块100传送至第一堆放区400或者第二堆放区500时起缓冲作用。
37.优选的，第一堆放区400设有用于控制第二起重系统510运行的第一控制装置430，第二堆放区500设有用于控制第一起重系统410运行的第二控制装置530，优选的，第一控制装置430和第二控制装置530还包含手动紧急停止系统与消防系统的功能，便于控制。
38.本发明还提供一种使用重力储能系统的储能方法，以上实施例中的重力储能系统，包括以下步骤：
39.s1:在可再生能源发电量高的时期，能量转换机构300将电网中的电能转换为传送轮210转动的机械能，电源装置向电磁体通电产生磁性，将重物块100从低处带到高处，通过传送带将重物块100从低处传送至高处；
40.s2：当电力需求增加或可再生能源发电减少时，将位于高处的重物块100放置在传送带220的远端，电源装置向电磁体通电产生磁性，重物块100从高处向低处运动，带动传送带220及传送轮210运转，能量转换机构300将传送轮210转动的机械能转换为电能。
41.作为本发明优选的实施方式，
42.目前，固体重力储能系统可分为斜坡式和垂直式两种形式，斜坡式又可细分为斜坡轨道式和斜坡缆车式，垂直式又可细分为废弃竖井式和塔式，其中：
43.1.废弃竖井式的缺点如下
44.①
地理适用性有限：需要选择适合储能系统的废弃矿井，并且合适的地点还需要与能源需求中心和可再生能源发电地点接近。
②
改造挑战：将废弃矿井或地下巷道改造成储能设施通常需要进行大量改造和改造。这些修改可能涉及加强结构、确保稳定性以及解决潜在的环境和安全问题。改造废弃矿山在技术上很复杂、耗时且成本高昂。
③
环境影响：废弃矿山重力储能必须解决与地下水、矿山尾矿或其他污染物的存在相关的潜在环境风险。
④
可扩展性有限：废弃矿山重力储能系统的储能规模可能受到可用地下空间的限制。虽然废弃的矿山可以提供巨大的存储潜力，但它们可能不适合大型储能项目。存储系统的大小和容量受到地下矿井的尺寸和体积的限制。
45.2.直塔式的缺点如下
46.①
高昂的建设成本：垂直塔式固体重力储能系统的建设成本高。建造高塔需要坚固的工程、材料和专用设备，显着增加整体项目成本。
②
操作限制：由于风荷载、塔摇摆或塔
共振等因素，垂直塔系统可能存在操作限制。高层结构更容易受到风致振动的影响，需要额外的稳定措施，会增加复杂性和成本。
47.3.坡轨道式又称斜坡机车式，其缺点如下
48.①
基础设施成本高：斜坡机车储能系统的实施需要大量的基础设施投资。建造倾斜轨道、整合电力机车以及确保必要的控制和监控系统成本高昂。
②
效率考虑：与其他一些储能技术相比，斜坡机车系统的能量转换效率可能较低。势能到电能的转换涉及多个机械阶段，包括机车运动和发电机运行。
49.4、斜坡缆车式
50.①
存储容量有限：与其他储能技术相比，斜坡缆车系统的存储容量可能有限。可以存储的势能的大小取决于斜坡的长度和倾斜度，以及缆车的质量。某些情况下，存储容量可能不足以满足长期存储需求或处理电网中的大规模能量不平衡。
②
基础设施要求：实施斜坡缆车系统需要建造斜坡轨道并安装必要的缆车基础设施。这可能涉及大量的前期投资和基础设施成本。
③
可靠与安全性：斜坡缆车系统的可靠性受到缆车沿斜坡运动所涉及的机械部件的影响，这些组件容易磨损，产生安全问题。
④
运行效率：与其他一些储能技术相比，斜坡缆车系统的能量转换效率可能较低。与缆车运动和制动器或其他控制机制的使用相关的机械损失会影响整体系统效率。
51.本方案中的重力储能系统具有如下优点：
52.1.地理适用性好：坡度系统可以依托山体建设，利用自然坡度或创建人造坡度。与通常需要特定地质构造或深挖的垂直系统相比，且不需要水资源。在选址方面提供了更大的灵活性。
53.2.建造成本较低：可选择自然地形，土建费用较低。基础设施简单，主要涉及倾斜轨道的建设以及滚动体或缆车等储能部件的安装，可降低施工期间的材料和人工成本。所述重物块由铁质外壳组成，其内可放置砂石、固废等固态介质，可随选址就地取材，减少成本。
54.3.环境影响较小：利用现有自然斜坡和地形，减少对土地的干扰和改造。重物块内可放置砂石、固废等固态介质，可随选址就地取材，减少成本。具有较低的噪音和视觉影响，可以将其设计为与自然环境和谐融合。
55.4.可扩展性较好：斜坡式系统采用模块化和模块化方法设计，可实现系统容量的灵活性，可以通过延长倾斜轨道的长度或增加更多的重物块来增加储能能力。斜坡式系统由于依赖于自然坡度，因此在场地选择方面具有灵活性。当确定了基本的设计和施工方法，复制斜坡类型系统就变得相对简单。斜坡式系统可以与其他储能技术集成，以增强可扩展性。
56.5.储能容量大：堆放区采用起重系统，将重物块码放堆叠，减少用地的同时可增大储能系统的容量。
57.6.运行效率高：通过磁性吸合与卡位凸台的机械配合，减少了摩擦。采用电机带动传送轮从而拖动传送带搬运重物块，进行重力势能和电能的转换，减少了能量变换的中间环节，提高了重力储能系统的效率。
58.7.可靠与安全性能高：倾斜的传送带可设计用于承受能量存储中重物块的负载，可采用坚固的材料建造，并由适当的地基或支撑结构支撑，确保其可靠性并将轨道故障或
倒塌的风险降至最低。通过电磁斜坡的磁性吸合与卡位凸台的机械配合，保证了重物块移动过程中的安全性。
59.在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种重力储能系统，其特征在于：包括重物块、传送机构和能量转换机构，所述传送机构包括传送轮和倾斜设置的传送带，所述传送轮能够驱动所述传送带运转，所述重物块包括磁性外壳，所述传送带上设有电磁体，通过控制所述电磁体通电产生磁性能够将所述重物块与所述传送带稳固连接，所述能量转换机构与所述传送轮传动连接，所述能量转换机构与电网相连，用于将电能转换为驱动所述传送带运行的机械能，或用于将所述传送轮运转的机械能转换为电能。2.根据权利要求1所述的重力储能系统，其特征在于：所述重物块的顶部设有吊装部件，所述重物块的底部设有凹槽，所述传送带的外周设有与所述凹槽配合的凸台，所述电磁体设在所述凸台内部。3.根据权利要求1所述的重力储能系统，其特征在于：所述传送带上设有电源装置，所述电源装置与所述电磁体相连用于向所述电磁体通电，所述电磁体包括电磁线圈或电磁铁。4.根据权利要求1所述的重力储能系统，其特征在于：所述传送带的下方设有储能装置，所述储能装置与所述电源装置相连用于向所述电磁体供电，所述储能装置包括蓄电池。5.根据权利要求1所述的重力储能系统，其特征在于：所述能量转换机构与所述传送轮之间设有减速装置，所述能量转换机构与电网之间设有变压器。6.根据权利要求1所述的重力储能系统，其特征在于：所述传送带的近端设在低处，所述传送带的远端设在高处，所述传送带的近端设有用于盛放所述重物块的第一堆放区，所述传送带的远端设有用于盛放所述重物块的第二堆放区。7.根据权利要求6所述的重力储能系统，其特征在于：所述第一堆放区包括用于搬运所述重物块的第一起重系统，所述第二堆放区包括用于搬运所述重物块的第二起重系统，所述第一起重系统和所述第二起重系统均包括吊机和吊梁。8.根据权利要求7所述的重力储能系统，其特征在于：所述第一堆放区与所述传送带的近端之间设有第一缓冲平台，所述第二堆放区与所述传送带的远端之间设有第二缓冲平台。9.根据权利要求8所述的重力储能系统，其特征在于：所述第一缓冲平台和所述第二缓冲平台均包括支撑架和沿远近方向依次设置的多个辊轴，所述辊轴转动连接在所述支撑架上。10.一种使用重力储能系统的储能方法，包括权利要求1～9任一项所述的重力储能系统，其特征在于包括以下步骤：s1:在可再生能源发电量高的时期，所述能量转换机构将电网中的电能转换为所述传送轮转动的机械能，所述电源装置向所述电磁体通电产生磁性，将所述重物块从低处带到高处，通过传送带将所述重物块从低处传送至高处；s2：当电力需求增加或可再生能源发电减少时，将位于高处的所述重物块放置在所述传送带的远端，所述电源装置向所述电磁体通电产生磁性，所述重物块从高处向低处运动，带动所述传送带及所述传送轮运转，所述能量转换机构将所述传送轮转动的机械能转换为电能。

技术总结
本发明公开了一种重力储能系统和储能方法，其中，重力储能系统包括重物块、传送机构和能量转换机构，所述传送机构包括传送轮和倾斜设置的传送带，所述传送轮能够驱动所述传送带运转，所述重物块包括磁性外壳，所述传送带上设有电磁体，通过控制所述电磁体通电产生磁性能够将所述重物块与所述传送带稳固连接，所述能量转换机构与所述传送轮传动连接，所述能量转换机构与电网相连，用于将电能转换为驱动所述传送带运行的机械能，或用于将所述传送轮运转的机械能转换为电能，其通过传送带上电磁体与重物块的吸合，提高了运行效率，储能容量大，且地理使用性好，建造成本低，对环境影响小。对环境影响小。对环境影响小。


技术研发人员：张尊华 贾文林 林旺 周梦妮
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/9/9