一种重力储能系统及储能方法与流程

1.本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种重力储能系统及储能方法。


背景技术：

2.由于风能、太阳能等新能源具有间歇性、波动性等特征，会对电力系统造成不同程度的冲击。同时，伴随着社会经济增长，对电网峰谷调节也提出了更高的要求。大规模储能技术是解决电力生产与需求波动的峰谷差问题的有效手段，还可以减少新能源并网对电网的冲击，提高电力系统供电的可靠性。
3.现有的规模化储能系统主要是抽水蓄能系统，除抽水储能外，电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、超级电容器储能等其它的储能技术虽各有优点，但尚不具备建设与抽水储能相同规模的储能系统的条件。固体重力储能具有适应地域广、建设和运营成本低、储能量大、环境友好、寿命长的特点。
4.现有的重力储能技术主要分为地面竖直提升重物储能、竖井竖直提升重物储能和斜坡拉升重物储能三大类。地面竖直提升重物储能相比竖井竖直提升重物储能和斜坡拉升重物储能，无需依赖竖井和山体，具有选址灵活、建设成本低的优势。但地面竖直提升重物储能技术储能容量调整不够灵活，且在储能阶段提升效率低，释能阶段输出不稳定。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中存在的地面竖直提升重物储能技术储能容量调整不够灵活，且在释能阶段输出不稳定的问题，从而提供一种重力势能的储能系统及储能方法。
6.为实现上述目的，在第一方面，本发明实施例提供了一种重力储能系统，该重力储能系统包括：
7.重物单元，适于在低位堆码平台和高位堆码平台之间传送，以实现储能和释能；
8.转轮提升装置，包括位于低位堆码平台和高位堆码平台之间的转轮机构，所述转轮机构上设置有适于吊挂或释放所述重物单元的吊挂机构；
9.能量转换机构，储能阶段，所述吊挂机构吊起位于低位堆码平台的重物单元，所述能量转换机构适于驱动所述转轮机构转动，以将所述重物单元传送至高位堆码平台；释能阶段，所述吊挂机构吊起位于高位堆码平台的重物单元，所述重物单元的势能驱动转轮机构转动，所述转轮机构带动所述能量转换机构转动发电。
10.可选地，所述转轮机构包括可转动的转轮主体，所述吊挂机构为多个，多个所述吊挂机构沿着所述转轮主体的周向间隔排布设置。
11.可选地，所述重物单元包括多个储能块，所述储能块的质量相同或者不同。
12.可选地，所述低位堆码平台包括设置在转轮机构下方和低位堆码区之间的低位传送单元；
13.所述低位传送单元适于将低位堆码区的重物单元传送至转轮机构底部的设定位
置，或者，将从转轮机构底部释放下来的重物单元传送至低位堆码区。
14.可选地，所述高位堆码平台包括设置在转轮机构上方和高位堆码区之间的高位传送单元；
15.所述高位传送单元适于将从转轮机构上方释放下来的重物单元传送至高位堆码区，或者，将高位堆码区的重物单元传送至转轮机构顶部设定高度位置。
16.可选地，所述转轮机构的外周设置有一圈环形避让槽；
17.所述高位传送单元的一端由所述环形避让槽伸入到所述转轮机构内，以接收吊挂机构上释放的重物单元或者向转轮机构输送重物单元。可选地，所述能量转换机构为电动发电机，所述电动发电机与蓄能装置和/或电网连接。
18.可选地，所述转轮机构包括转轮轴，所述转轮轴与所述电动发电机的驱动轴之间传动连接。
19.可选地，所述转轮机构还包括：
20.转轮支架，所述转轮支架与所述转轮轴可转动地支撑配合，适于将所述转轮机构支撑在介于低位堆码平台和高位堆码平台之间的设定高度位置。
21.为实现上述目的，在第二方面，本发明实施例提供了一种如上述任一实施例所述的储能系统的储能方法，包括以下步骤：
22.储能过程：
23.低位传送单元将位于低位堆码区的重物单元传送到转轮机构下方；
24.吊挂机构将重物单元吊挂在转轮机构上，电动发电机为电动机模式，驱动转轮机构转动，提升重物单元；
25.当重物单元转到转轮机构顶部设定位置时，吊挂机构释放所述重物单元，并由高位传送单元传送至高位堆码区，储能阶段完成；
26.释能过程：
27.高位传送单元将高位堆码区的重物单元传送至转轮机构顶部设定位置；
28.吊挂机构将所述重物单元吊挂在转轮机构上，重物单元的势能驱动转轮机构转动，电动发电机为发电机模式，转轮机构带动电动发电机发电；
29.当重物单元转到转轮机构底部设定位置后，吊挂机构释放所述重物单元，重物单元由低位传送单元传送至低位堆码区，释能阶段完成。
30.本发明技术方案与现有技术相比，具有如下优点：
31.1.本发明实施例提供了一种重力储能系统，该重力储能系统包括：重物单元，适于在低位堆码平台和高位堆码平台之间传送，以实现储能和释能；转轮提升装置，包括位于低位堆码平台和高位堆码平台之间的转轮机构，所述转轮机构上设置有适于吊挂或释放所述重物单元的吊挂机构；能量转换机构，储能阶段，吊挂机构吊起位于低位堆码平台的重物单元，能量转换机构适于驱动所述转轮机构转动，以将所述重物单元传送至高位堆码平台；释能阶段，吊挂机构吊起位于高位堆码平台的重物单元，所述重物单元的势能驱动转轮机构转动，所述转轮机构带动所述能量转换机构转动发电。如此设置，使得本发明提供的储能系统相比于现有的地面竖直提升重物储能技术，不仅结构稳定性好，安全系数高，且能够连续释能，输出功率稳定。
32.2.本发明实施例提供的重力储能系统，所述重物单元包括多个储能块，所述储能
块的质量相同或者不同，本发明通过配置多种不同重量的储能块，在储能或者释能过程中，可通过调整吊挂的重物单元的重量，来灵活调整储能系统的储能或释能功率。
33.3.本发明实施例提供的重力储能系统，通过设置的转轮提升装置来提升重物单元，可以省去结构复杂且承重要求高的滑轮组，降低了重力储能系统的复杂程度，提高了系统的可靠性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通工人来讲，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。
35.图1为本发明实施例重力储能系统原理示意图；
36.图2为本发明实施例重力储能系统储能阶段的原理示意图；
37.图3为本发明实施例重力储能系统释能阶段的原理示意图；
38.图4为本发明实施例转轮提升装置底端和顶端均吊挂重物单元的侧视示意图；
39.图5为本发明实施例转轮提升装置底端吊挂重物单元、顶端未吊挂重物单元的侧视示意图。
40.附图标记：
41.1、低位传送单元；
42.2、重物单元；21、勾挂部；
43.3、高位传送单元；
44.4、能量转换机构；41、传送带；
45.5、转轮机构；51、转轮主体；511、第一支撑侧壁；512、第二支撑侧壁；513、内支撑轮；514、环形避让槽；52、转轮轴；53、转轮支架；
46.6、吊挂机构；61、驱动部件；62、吊挂杆。
具体实施方式
47.下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通工人在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通工人而
言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
51.实施例1
52.如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种重力储能系统，该重力储能系统包括重物单元2、转轮提升装置和能量转换机构4。
53.具体地，所述重物单元2适于在低位堆码平台和高位堆码平台之间传送，以实现储能和释能。所述转轮提升装置包括位于低位堆码平台和高位堆码平台之间的转轮机构5，所述转轮机构5上设置有适于吊挂或释放所述重物单元2的吊挂机构6。储能阶段，所述吊挂机构6吊起位于低位堆码平台的重物单元2，所述能量转换机构4适于驱动所述转轮机构5转动，以将所述重物单元2传送至高位堆码平台，进行储能。释能阶段，所述吊挂机构6吊起位于高位堆码平台的重物单元2，所述重物单元2的势能驱动转轮机构5转动，所述转轮机构5带动所述能量转换机构4转动发电。
54.本发明实施例提供的重力储能系统，通过设置的转轮提升装置来提升重物单元2，可以省去结构复杂且承重要求高的滑轮组，降低了重力储能系统的复杂程度，提高了系统的可靠性。
55.此外，本发明提供的储能系统相比于现有的地面竖直提升重物储能技术，不仅结构稳定性好，安全系数高，且能够连续释能，输出功率稳定。
56.可选地，所述转轮机构5包括可转动的转轮主体51。可选地，所述的转轮主体51的外轮廓为圆形或多边形结构，优选地，所述的转轮主体51的外轮廓为圆形结构。
57.可选地，所述的转轮主体51为刚性、柔性结构或两种结构的组合，例如，可在转轮主体51内部添加可形变的骨架结构，在提升转轮主体51强度的同时，还可以使得转轮主体51的形状可根据需要进行适应性的调整，具有更高的灵活性和实用性。
58.优选地，本实施例中，所述的转轮主体51为刚性结构。
59.可选地，所述吊挂机构6为多个，多个所述吊挂机构6沿着所述转轮主体51的周向间隔排布设置。
60.可选地，多个所述吊挂机构6均匀分布，如此设置可以使得所述储能系统在释能过程中，能够连续稳定的输出能量。
61.在储能系统的启停阶段若能量输出发生波动时，则可以通过吊挂在转轮机构5上的重物单元2的非均匀分布来调节上述波动。例如，可以控制转轮机构5在刚开始启动时，重物单元2挂的密集一些，在收停的时候重物单元2挂的间隔大一些。
62.可选地，在本发明的一种实施方式中，所述吊挂机构6包括多个，多个所述吊挂机构6沿所述转轮主体51的周向间隔设置，所述储能块上设置有与所述吊挂机构6配合的勾挂部21，可以通过自动吊挂机构、或者机器人、或者机械手完成储能块的悬挂和脱钩操作，以实现吊挂机构6吊挂或释放所述重物单元2。
63.可选地，在本实施例中，所述重力储能系统还包括定位系统，所述定位系统用于检测转轮机构5的转动位置、和/或用于检测低位堆码平台和高位堆码平台上的重物单元2的传送位置。所述定位系统包括第一位置检测单元，所述第一位置检测单元设置在转轮机构5的顶端，适于检测吊挂机构6是否转动到转轮机构5的最高点，当所述吊挂机构6转到转轮机
构5的最高点时，吊挂机构6吊挂或者释放重物单元2。所述定位系统还包括设置在所述转轮机构5底端的第二位置检测单元，所述第二位置检测单元适于检测吊挂机构6是否转动到转轮机构5的最低点，当所述吊挂机构6转到转轮机构5的最低点时，吊挂机构6吊挂或者释放重物单元2。
64.可选地，在本实施例的第一种实施方式中，所述吊挂机构6为可以自动吊挂或者释放所述重物单元2的自动吊挂机构。
65.具体地，在一种方案中，所述自动吊挂机构6包括驱动部件61和可伸缩的吊挂杆62，所述重物单元2上设置有与所述吊挂杆62配合的勾挂部21，所述吊挂杆62在所述驱动部件61的驱动下可伸入或者脱离所述勾挂部21，从而实现将所述重物单元2吊挂在所述吊挂杆62上或者释放所述重物单元2。
66.可选地，当所述定位系统检测到所述吊挂机构6转动到转轮机构5的最高点或者最低点时，控制吊挂杆62伸出或者缩回，以实现吊挂或者释放所述重物单元2。
67.可选地，所述勾挂部21为固定设置在所述重物单元2上的吊环结构，所述吊环结构可以为半圆形或者弧形杆状结构，所述驱动部件61结合定位系统来控制吊挂杆62的伸缩，在吊挂时，控制吊挂杆62伸出穿过重物单元上2的吊环结构，完成重物单元2的吊挂，在释放时，控制所述吊挂杆62缩回。
68.本实施例还提供了上述方案的一种变形方案，所述吊挂机构6包括设置在转轮主体51外周的电磁铁吸附结构，所述重物单元2采用铁制或者在重物单元2的外设置一铁制的外壳，通过控制所述电磁铁吸附结构通电或者断电实现吸附吊挂所述重物单元2或者释放所述重物单元2。
69.上述两种方案的控制原理具体如下：
70.在释能阶段，当所述第一位置检测单元检测到吊挂机构6转动到转轮机构5最高点时，向重力储能系统的控制单元反馈吊挂信号，所述控制单元根据接收到的吊挂信号控制所述吊挂杆62伸出或者控制所述电磁铁通电，将高位堆码平台上的重物单元2吊起，自动完成释能阶段重物单元2的吊挂操作。当所述第二位置检测单元检测到该吊挂机构6转动到转轮机构5最低点时，向重力储能系统的控制单元反馈释放信号，所述控制单元根据接收到的释放信号控制该吊挂机构6的吊挂杆62缩回或者控制电磁铁吸附结构断电，吊挂机构6释放其上的重物单元2自动完成释能阶段重物单元2的释放操作。在储能阶段，与释能阶段不同的是：吊挂机构6在转轮机构5的最低点进行吊挂，在转到转轮机构5的最高点时释放重物单元2。
71.可选地，本实施例中，所述吊挂机构6上设置有被检测端子，所述第一位置检测单元包括对应设置在转轮机构5顶端的第一位置传感器，所述第二位置检测单元包括对应设置在转轮机构5底端的第二位置传感器。
72.可选地，所述第一位置传感器和第二位置传感器均为霍尔传感器，所述被检测端子为永磁铁；或者，所述第一位置传感器和第二位置传感器均为干簧管传感器，所述被检测端子为磁铁；或者，所述第一位置传感器和第二位置传感器均为光电传感器，如红外传感器，所述被检测端子为遮光板。
73.作为第一种实施方式的可替换实施方式，所述吊挂机构6为非自动吊挂机构，为普通的吊挂机构，如固定设置在转轮主体51外周的挂钩或者挂杆。储能系统的控制单元与机
器人或者机械手共同配合，将转轮机构5上的重物单元2取下，或者，将重物单元2挂在所述吊挂机构6上，以实现所述重物单元2的吊挂或者释放。
74.可选地，在转轮机构5的底端和顶端分别配备一个机器人或者机械手，两个机器人或者机械手单独工作，提高效率。
75.可选地，所述重物单元2包括多个储能块，所述储能块的质量相同或者不同。
76.可选地，在本发明的一种实施方式中，所述储能块的质量相同，以使得在释能阶段所述储能系统的输出功率持续平稳。
77.在本发明的另一种实施方式中，所述储能块的质量不相同，通过配置多种不同重量的储能块，在储能或者释能过程中，可通过调整所吊挂的重物单元2的重量，来灵活调整储能系统的储能或释能功率。
78.在本发明的另一种实施方式中，所述重物单元2包括多个混合质量的储能块，例如，所述重物单元2包括多个重量逐渐减小的小质量储能块、以及多个重量逐渐增大的大质量储能块、以及多个重量介于小质量储能块和大质量储能块之间的质量相同的中质量储能块。在释能过程的启动阶段，可以先吊挂大质量储能块，便于启动；在平稳启动后，再吊挂中质量储能块，保证整个储能系统输出功率连续稳定；在释能过程的收停阶段，可以吊挂重量逐渐减小的小质量储能块，使得所述储能系统能够平稳地收停，可靠性和安全性更高，且能够有效地提高整个系统能量的利用率。
79.本实施例中，所述储能块采用密度较大的材料制成。可选地，所述的储能块的材料为金属、土、沙、石、混凝土的一种或多种。
80.可选地，所述低位堆码平台包括设置在转轮机构5下方和低位堆码区之间的低位传送单元1；在储能阶段所述低位传送单元1适于将低位堆码区的重物单元2传送至转轮机构5底部的设定位置；在释能阶段，所述低位传送单元1适于将从转轮机构5底部释放下来的重物单元2传送至低位堆码区。
81.可选地，本实施例中，所述低位传送单元1为设置在转轮机构5最低点下方的低位传送带。
82.可选地，所述高位堆码平台包括设置在转轮机构5上方和高位堆码区之间的高位传送单元3；在储能阶段，所述高位传送单元3适于将从转轮机构5上方释放下来的重物单元2传送至高位堆码区进行储能；在释能阶段，所述高位传送单元3适于将高位堆码区的重物单元2传送至转轮机构5顶部设定位置，方便吊挂。
83.可选地，如图3至图5所示，所述转轮机构5的外周设置有一圈环形避让槽514；所述高位传送单元3的一端由所述环形避让槽514伸入到所述转轮机构5内，以接收吊挂机构6上释放的重物单元2或者向转轮机构5输送重物单元2。
84.具体地，所述转轮主体51包括内支撑轮513和固定设置在内支撑轮两侧513的支撑侧壁，所述支撑侧壁包括相对设置的第一支撑侧壁511和第二支撑侧壁512，第一支撑侧壁511和第二支撑侧壁512的外径大于所述内支撑轮513的外径，两个所述支撑侧壁和所述内支撑轮513之间形成所述环形避让槽514，所述环形避让槽514适于避让所述高位传送单元3。
85.进一步地，所述环形避让槽514的宽度大于所述高位传送单元3的宽度。所述高位传送单元3的一端由所述环形避让槽514伸入到所述转轮机构5内，以使得所述高位传送单
元3处于转轮主体51的最高点下方。
86.此外，如图2、图4所示，所述吊挂机构6安装在所述支撑侧壁上靠近外周边缘侧，所述吊挂机构6转到转轮机构5的最高点时，所述高位传送单元3位于该吊挂机构6和所述内支撑轮513之间，以方便接收吊挂机构6上释放的重物单元2。
87.可选地，本实施例中，如图2至图5所示，所述转轮机构5顺时针转动时，将重物单元2由转轮机构5的最低点传送至最高点，实现储能，所述转轮机构5逆时针转动时实现释能。所述高位传送单元3的一端经所述环形避让槽514由所述转轮机构5的右侧伸入到转轮机构5内，适于在储能阶段接收吊挂机构6上释放下来的重物单元2，或者在释能阶段向所述转轮机构5的最高点输送重物单元2。
88.可选地，所述高位传送单元3伸入到转轮机构5内的一端略超过转轮主体51的中线位置，以保证所述高位传送单元3能够位于转轮机构5最高点下方可接收吊挂机构6释放的重物单元2，且不会干涉到从左侧转上来的重物单元2。
89.可选地，本实施例中，所述高位传送单元3为设置在转轮机构5最高点下方的高位传送带。
90.可选地，如图2、图4、图5所示，本实施例中，所述吊挂机构6的驱动部件61固定在第一支撑侧壁511的内侧壁上，所述吊挂杆62与所述驱动部件61的输出轴连接，并可在驱动部件61的驱动下伸缩。
91.可选地，所述第二支撑侧壁512上对应设置由可供所述吊挂杆62穿过的通孔，所述吊挂杆62在所述驱动部件61的驱动下可伸出所述通孔，所述吊挂杆62的一端与驱动部件61连接，另一端被限位支撑在所述第二支撑侧壁512上的通孔内，使得所述重物单元2被限位在两个支撑侧壁之间，有效地避免所述重物单元2发生脱落的现象，同时通孔还可以起到支撑所述吊挂杆62的作用，减轻驱动部件61与第一支撑侧壁511连接处的受力，提高使用寿命。
92.可选地，所述能量转换机构4为电动发电机，所述电动发电机与蓄能装置和/或电网连接。所述电动发电机包括发电机模式和电动机模式。
93.可选地，所述的电动发电机在发电机模式下通过并网装置与电网相连。
94.可选地，所述的电动发电机在电动机模式下可通过风电、光电、谷电驱动。
95.可选地，所述转轮机构5包括转轮轴52，所述转轮轴52与所述电动发电机的驱动轴之间传动连接，以实现所述电动发电机驱动所述转轮机构5旋转，或者所述转轮机构5带动所述电动发电机转动发电。
96.可选地，所述内支撑轮513适于转轮轴52固定连接。
97.可选地，所述转轮轴52与所述电动发电机的驱动轴之间通过传送带41连接。
98.可选地，所述转轮机构5还包括转轮支架53，所述转轮支架53与所述转轮轴52可转动地支撑配合，适于将所述转轮机构5支撑在介于低位堆码平台和高位堆码平台之间的设定高度位置。
99.可选地，所述转轮支架53为两个三角支撑架，分布在所述转轮主体51的两侧，适于与所述转轮轴52可转动地支撑配合。
100.实施例2
101.如图1至图5所示，本实施例提供了一种上述实施例一所述的储能系统的储能方
法，包括以下步骤：
102.储能过程：
103.s11：低位传送单元1将位于低位堆码区的重物单元2传送到转轮机构5下方；
104.s12：吊挂机构6将重物单元2吊挂在转轮机构5上，电动发电机为电动机模式，驱动转轮机构5转动，提升重物单元2；
105.s13：当重物单元2转到转轮机构5顶部设定位置时，吊挂机构6释放所述重物单元2，并由高位传送单元3传送至高位堆码区，储能阶段完成；
106.释能过程：
107.s21：高位传送单元3将高位堆码区的重物单元2传送至转轮机构5顶部设定位置；
108.s22：吊挂机构6将所述重物单元2吊挂在转轮机构5上，重物单元2的势能驱动转轮机构5转动，电动发电机为发电机模式，转轮机构5带动电动发电机发电；
109.s23：当重物单元2转到转轮机构5底部设定位置后，吊挂机构6释放所述重物单元2，重物单元2由低位传送单元1传送至低位堆码区，释能阶段完成。
110.下面结合图1至图3对本实施例中重力储能系统的储能/释能过程进行详细介绍：
111.储能阶段：
112.结合图1、图2所示，低位传送单元1将低位堆码区的重物单元2传送到转轮主体51下方，吊挂机构6自动吊挂所述重物单元2，或者通过机器人或者机械手将重物单元2吊挂在转轮主体51上，电动发电机启动电动机模式，带动转轮主体51旋转，提升重物单元2，当重物单元2的高度被提升至转轮主体51的最高点时，吊挂机构6自动释放所述重物单元2，或者通过机器人或者机械手将重物单元2从吊挂机构6取下，并由高位传送单元3传送至高位堆码区，储能阶段完成。
113.释能阶段
114.结合图3至图5所示，高位传送单元3将高位堆码区的重物单元2传送至转轮主体51顶部设定位置，吊挂机构6自动吊挂所述重物单元2，或者通过机器人或者机械手将重物单元2吊挂在转轮主体51上，随着重物单元2的高度逐渐降低，重物单元2的势能逐渐减小，重物单元2的势能驱动转轮主体51及转轮轴52转动，电动发电机为发电机模式，转轮轴52带动发电机发电。当重物单元2转到转轮主体51的底部后，吊挂机构6自动释放所述重物单元2，或者通过机器人或者机械手将重物单元2从吊挂机构6取下，并由低位传送单元1传送至低位堆码区，释能阶段完成。
115.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通工人来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。