一种基于超导磁体的混合储能系统的制作方法

1.本发明属于能量储存技术领域，尤其涉及一种混合储能系统及其工作方法。


背景技术：

2.时下，锂离子电池由于其单位体积的储存能量高、能量转换率高、没有记忆效应、自放电率低、使用寿命长等特有的技术优势，成为当前储能市场赢家。
3.但随着美国、韩国等多地储能电站频频发生爆炸事故，锂离子电池储能安全性较差的问题又重新回到公众的视野。并且，wood mackenzie的研究报告显示，锂离子电池系统的寿命每延长一倍，其成本就会增加一倍。
4.于是，随着可再生能源发电的规模越来越大，要想真正使储能技术在能源结构转型中起到助推作用，人们不得不寻找新的储能形式。其中，比较有代表性的便是：重力储能。现有的铅酸蓄电池或锂离子蓄电池等储能系统存在许多缺点。最大的缺点是它们造成了严重的环境污染、如何处理这些废弃电池、电池的使用效率随着时间的延长降低和充电的时间。我们有太阳能和风能等一系列的可再生能源，可以很大程度上解决造成的环境问题。但是风能和太阳能的间歇性是一个需要解决的问题，火电造成的碳排放很大，水电对空间的要求又是极其苛刻。用来发电的资源很多，但这很多不是可用和可存储的。电力的需求正在以飞快的速度增长。约65％的发电量由化石燃料产生，化石燃料的燃烧产生大量的二氧化碳以及有害气体影响并污染环境。能源政策的制定者和工程师们一直在尽他们的努力提高可再生能源在电网中的份额。太阳能、风能或生物质能等可再生能源的生产十分依赖于天气，在发电过程中的变化会很大。因此，为了保持其连续性和降低变化性，储能技术就变得至关重要。事实上，储能可以帮助解决太阳能和风能的间歇性问题；在许多情况下，它还可以对需求的大幅波动做出快速反应，从而形成更好、反应更灵敏的电网。它还有助于将后备发电厂的需求降至最低，现代大型互联电网目前没有任何存储设备。兆瓦级别的大型蓄水解决方案，如抽水发电，在电力过剩时将水抽到山上，这些高水头水在需要时回流到山下发电。这个储能系统需要一个极为苛刻的地理位置，这并不是到处都能得到的。其他问题还有安装成本、空间过大和水分蒸发等。重力储能是最简单的一种储能方式，其原理类似抽水蓄能，就是以重力造成的势能来储存能源。当电力有多余的时候，驱动马达将重物吊至高处，需要电力的时候，再利用重物下降的力量来驱动发电机发电。重力储能的优点在于，更能抵抗负载端或电源端的任何干扰，减少二氧化碳以及其他排放，如其他能源储存产生的有害酸烟，其原理简单，技术门槛较低；同时由于采用物理介质储存能量，所以其储能效率高达90％，输出功率从0增加到100％只需要2.9秒，使用寿命在30年以上；并且不需要像抽水蓄能电站那样对选址有较高要求，所以其建设成本仅为抽水蓄能的三分之一，度电成本也只有抽水蓄能的三分之二。然而，缺点也很明显就是，能量密度低，建设规模过大。重力储能所需的高塔平均在百米以上，而其输出功率仅相当于一个同等高度的风力发电机。同时，锌铁液流电池由于安全、稳定、电解液成本低等优点成为电化学储能热点技术之一。电池的主要部件是电堆，正负极的电解液由离子交换隔膜隔开，分别存贮在电解液罐，设有液流泵。它
不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池，其活性物质是流动的电解质溶液。锌铁液流电池的核心优势主要是四个方面：一个是环保，锌和铁无毒无害。第二个是满充满放无衰减。第三个是极致安全，不会爆炸。第四个是使用寿命长，设计使用年限20年。锌铁液流电池应用于发电厂侧有显著的优势，储能系统容量可做成足够大以适应调频需要，而无需担心安全问题。此外，还可作为后备的保安电源。锌铁液流电池应用于新能源发电侧，能大规模地解决弃光弃风和弃水的问题。此外，电池对环境的要求也不高，在低温和高温条件下，不会发生安全问题。锌铁液流电池应用于电网侧，也有很多优势，尢其适合做成分布式储能系统。通过削峰填谷，降低工业园区配电网备用容量，减少电网投资规模、优化电网结构，达到降低容量电费的目的，应用前景广阔。锌铁液流电池应用于工业园区的用户侧的主要优势有:第一它的安全性很好，第二它的响应时间也很好。通过建设微电网、能源互联网实现风、光、储等各类分布式能源的协调控制，同时实现冷、热、电多种能源形式的互补。附加的超导磁体储能(smes)是一种基于直流磁场的储能系统，以直流的磁场来储存电能，smes系统包括超导磁体线圈、功率变换系统、低温系统和控制单元。其中最贵的是电源调节系统，当这部分元件价格下降的时候，超导体会变得有经济性，而超导体磁铁价格下降也会帮助超导的普及。超导体输电没有电损，是一种高密度的存电方式。在实际应用中，smes可以降低低频振荡，提高传输容量，提升电压稳定性。在电能质量方面，smes系统可为柔性交流输电提供能量。同时，在分布式发电中，smes可以平滑分布式发电系统的功率输出，提高发电效率。目前，smes的高性能能量存储特性使它能够存储备份电能，以提高发电机的功率和系统的可靠性，为敏感负载或重要设备提供不间断电源，在造纸业、汽车组装、石化炼油、化学与制药领域都有着非常广泛的应用前景。
5.所涉及的混合储能系统不像铅酸/锂离子电池那样有任何泄漏电流。此外，此重力储能与锌铁液流电池组成的混合储能系统不会产生酸烟等环境污染。该系统的寿命相当长，而且不会像其他电池那样出现处理的问题。此系统中最重要的是十分高的能量转化效率。在未来，系统效率可能会进一步提高。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于超导磁体的混合储能系统，其特征在于，利用重物的储能系统可以使二氧化碳排放量大幅度降低，其使用寿命较长，同时可以对用电量的大幅度增长作出迅速的反应，使得电网变得更加的灵敏，进一步的可以降低后备电厂的容量，并且能够抵抗负载端的干扰。并且，锌铁液流电池的加入可以与重力储能系统一起接入电网，进行分时分段调节，超导磁体的加入还可以改善电网的质量。
7.优选的，所述系统内的飞轮存在，使得发电机的转速在随重物下降的同时不会出现较大的波动。同时，起重机的加入，能够使得发电过程更加的平稳连续。
8.优选的，所述系统中齿轮箱与飞轮连接后，再与发电机相连，就构成了系统内的发电单元，同时在发电单元内加入电容器组，能够保证发电时产生的过电压可以被抵消掉。
9.优选的，所述系统中2个齿轮传送带分别和滚筒的两端相连接，可以使得发电时更加的同步，弹射器的使用，可以缩短系统的响应时间。
10.优选的，所述系统中电机与电源相连接，这样构成了系统的驱动单元，可以使得重
物能够被匀速的抬升。
11.优选的，所述系统中在山坡上安装滑轮能够运行的更加稳定，减速装置的加入可以使得系统运行的更加安全。
12.优选的，所述系统中的重物可以是由建筑垃圾或者是其它废料以及泥土混合而成的新型聚合物，这样可以减少碳足迹，更好的保护环境的同时能够降低投资成本。
13.优选的，所述系统中，在山坡上设置一个滑轨，并在滑轨上安置能够固定重物的滑座，这样可以使重物在下落的过程中速度不会出现较大的改变。
14.优选的，所述系统中，锌铁液流电池及超导磁体与重力储能系统的结合，能够加大调节的容量，使得削峰填谷更加顺滑。
15.本发明的目的还在于提供一种基于超导磁体的混合储能系统的工作方法，包括以下步骤：
16.s1)充电时，电源驱动电动机旋转，拖动齿轮与传送带转动，同时带动滚筒正向旋转拉动穿过滑轮的绳子，带动重物匀速上升至最高点，同时，超导磁体与锌铁液流电池进入充电状态，达到整个系统充电的目的；
17.s2)放电时，弹射器给予在最高点的重物一个初速度的同时，电动机给重物一个牵引力使其匀速下降，牵引穿过滑轮的绳子带动滚筒反向旋转，进一步带动齿轮与传送带转动，同时使得与发电机相连的齿轮箱转动，之后带动发电机匀速转动达到发电目的的同时，超导磁体与锌铁液流电池开始放电，与重力储能一起进行能量的调节。
18.优选的，发电机与齿轮件之间连接的飞轮可以有效地抵抗，由重物速度的变化所带来的发电机转速的变化，进一步使得充电过程与放电过程更加的平稳且没有波动，同时，滑轨上的滑座上安装有速度感应器，若重物速度过快或者过慢都可以通过改变摩擦系数的方式抵抗速度的变化，让整个系统无论在发电还是充电时都变得更加的可控。
19.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
20.1)本发明应用于山地的重力储能系统是由电容器组、发电机、飞轮、齿轮箱、齿轮与传送带、滚筒、电动机、电源、滑轮、弹射器、减速装置、重物、滑轨、滑座及锌铁液流电池与超导磁体构成，减少了碳足迹，保护了环境，使用寿命较长，能源转化效率高，能够更快的对用电需求作出反应，并且有效地抵抗负荷侧的干扰；
21.2)本发明采用的储能系统可以应用于高原山地，也可以应用于废弃的矿山，能够实现对矿山的二次利用，同时系统中的重要储能设备，重物，可以由建筑产生的垃圾废料以及山地中随处可见的泥土复合而成，进一步降低能源成本系数，减少了碳排放，因此该系统应用前景十分可观。
附图说明
22.图1为本发明的单组结构示意图。
23.图中附图标记为：
24.1-电容器组；2-发电机；3-飞轮；4-齿轮箱；5-齿轮与传送带；6-滚筒；7-齿轮与传送带；8-电动机；9-电源；10-山地；11-滑轮；12-重物；13-滑座并安有速度感应器；14-滑轨；15-弹射器；16-减速装置；17-锌铁液流电池；18-超导磁体。
具体实施方式
25.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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，本领域普通技术人员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。
26.本发明的一个宽泛实施例中，一种基于超导磁体的混合储能系统，其特征在于，利用重物的储能系统减少了碳足迹，对环境更加的友好，对用电需求有更快的反应，使得电网更加的灵敏，抗干扰能力变强，同时，锌铁液流电池的接入加大调节的容量。超导磁体的接入，可以改善电能质量。
27.优选的，所述储能系统由于飞轮的存在，可以使得重物升降的速度变化幅度不会很大，能够匀速运行。
28.优选的，储能系统中电容器组的加入，可以有效地抵消掉发电时产生的过电压影响。
29.优选的，所述系统中齿轮与传送带的存在，能够使得在重物下降的同时产生电能。
30.优选的，所述系统中，电动机由于电源的驱动，可以将重物提升至山坡的最高点，并且由于飞轮的影响，可以有效地匀速上升。
31.优选的，所述系统中在山地上安装滑轮，可以使得重物的升降更加方便。
32.优选的，所述系统中用到的重物，可有建筑垃圾废料和泥土复合而成，进一步的减少了温室气体的排放，更加的清洁、绿色，减速装置的加入，能够使系统运行的更加安全。
33.优选的，所述系统中的坡道安装了滑轨，可以让重物的抬升与下降更加的平稳，不容易出现速度过快或者过慢的情况，能够有效的进行削峰填谷的同时，锌铁液流电池还可以增加调节的容量。
34.本发明的目的还在于提供一种基于超导磁体的混合储能方法，包括以下步骤：
35.s1)充电时，电源带动电动机转动，与此同时，电动机带动齿轮与传送带旋转，进而带动滚筒正向转动，收紧穿过滑轮的绳子使得重物被提升至最高点，达到重力系统充电目的的同时，超导磁体与锌铁液流电池也开始充电；
36.s2)放电时，由于飞轮的存在同时电动机给予重物牵引力的影响，在滑座上的重物可沿着滑轨匀速下滑，放松穿过滑轮的绳子，带动滚筒反向旋转，同时带动齿轮与传送带转动，之后齿轮与传送带带动与发电机相连接的齿轮箱转动，进一步带动发电机旋转，达到放电目的的同时，超导磁体与锌铁液流电池开始放电，调节所需的能量。
37.优选的，滑轨上的滑座上装有速度感应器，在速度过快或者过慢时可以改变滑座与滑轨之间的摩擦系数，让重物的升降更加的平稳可控。
38.下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
39.参见附图1，一种应用于山地的重力储能系统，包括电容器组1、发电机2、飞轮3、齿轮箱4、齿轮与传送带5、滚筒6、齿轮与传送带7、电动机8、电源9、山地10、滑轮11、重物12、滑座并装有速度感应器13、滑轨14、弹射器15、减速装置16、锌铁液流电池17、超导磁体18。
40.一种基于超导磁体的混合储能系统系统运行方法，包括以下步骤：
41.首先，电网电能过剩的时候，电动机8由于电源9的驱动带动齿轮与传送带5和滚筒
6旋转，拉进穿过滑轮11的绳子，使重物12在滑座13上沿着滑轨14匀速上升。锌铁液流电池17及超导磁体18进入充电状态，使该系统达到储能的目的。
42.其次，当电网的负荷过多时，弹射器15给重物12一个初速度，同时电动机8给予一个牵引力，使其在滑座13上沿着滑轨14匀速下降，放松穿过滑轮11的绳子，带动滚筒6和齿轮与传送带7一起旋转，进一步带动与飞轮3和发电机2相连接的齿轮箱4转动，使得发电机2发电，同时，锌铁液流电池17与超导磁体18进入放电状态，达到发电的目的。
43.本发明对于电网的需求，在反应上比较灵活，根据实际工程需要，可以在山坡上同时放置多个重物，同时可以铺设多条轨道，当风光互补电网产生的电能过剩时，能够最大限度的将能量储存起来，需要能量时，可以迅速做出反应，并且保证接入电网的电能质量。本发明利用抽水储能的原理，将电能转化成势能与化学能储存起来，能够有效提高换能源转化效率，相较抽水储能，有效的规避了抽水储能对地势的需求以及碳足迹也会小很多，并且更加环保，相较其他新能源发电的方式，有效降低了系统对工作环境气候的要求以及间歇性的缺点，相较其他蓄电池的储能方式，有效解决了电池无法处理回收的问题，缩减了系统后期维护成本，实现了对建筑废料垃圾的回收利用减少温室气体的排放，并且系统运行安全稳定，可靠性高。
44.最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。