用于储存势能的方法与流程

1.本发明涉及一种用于储存呈势能形式的能量的储存装置以及一种用于补偿供电网的电网波动的系统和方法。


背景技术：

2.尤其因为越来越多地由再生能源提供能量和与之相关不定期地馈入能量，故当今的供电网有时经历强烈的电网波动。
3.为了消除这种电网波动并确保尽量恒定的电网电压，主要使用可快速激活的储存器容量，以便在短时间内将所需能量馈入供电网中。在此情况下，势能蓄能器例如提升式储能电站尤其被证明是很有效的。这种储能系统能够在短时间内吸收或释放较多能量，因而补偿电网波动。储能系统被供以的能量在此情况下以势能形式被储存。从现有技术已知的提升式储能系统在此情况下尤其利用将势能转换为竖直动能，以便通过合适的装置例如传动装置和发电机等将动能转换成电能。
4.在此情况下，已知的提升式储能系统众所周知地使用独立的配重，所述配重在竖井等内被上提或下放并由此发电。然而，独立配重的使用的缺点是，所用的配重必须在其降到底例如竖井底之后被更换，以便能确保产生额外能量。此过程需要时间，在此期间不能产生能量。这导致不希望的停工时间，在此期间无法获得电网波动的补偿。尽管还知道了可借助运输机构将配重挂入运输系统和摘下配重的系统，但该系统不利地非常笨重且昂贵。


技术实现要素：

5.因此，本发明的任务是至少部分消除用于储存呈势能形式的能量的已知系统的上述缺点。特别是，本发明的任务是提供一种用于储存呈势能形式的能量的装置，其以简单且低成本的方式在更长的时间里允许连续不间断地产生或储存势能。
6.上述任务通过一种具有独立装置权利要求的特征的储存装置、一种具有独立系统权利要求的特征的系统和一种具有独立方法权利要求的特征的方法来完成。本发明的其它特征和细节来自各自从属权利要求、说明书和图。在此，结合本发明的储存装置所描述的特征和细节在此显然也与本发明的系统和本发明的方法相关地是适用的，反之均亦然，因而关于各个发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。
7.本发明规定一种用于储存呈势能形式的能量的储存装置，其包括至少一个用于接收、储存和释放能量的势能蓄能器和至少一个用于沿引导路径引导该势能蓄能器的引导机构，其中，该引导机构设置在垂直于地表设于地下的竖井中，其中，该势能蓄能器通过由动能转换来获得势能并通过转换为动能来输出所储存的势能，并且其中，动能源自势能蓄能器沿引导路径的运动。在这种情况下，作为发明主题的储存装置的特征在于，该势能蓄能器以在引导路径的整个长度范围延伸的连续配重的形式形成。
8.作为发明主题的储存装置尤其可被用于补偿供电网的电网波动，其中，为此优选地能将多个本发明的储存装置互连或可选择地通断。根据本发明的引导路径可以具体地至
少部分布置在设于地下的竖井中，其中，该竖井本身不一定必须完全布置在地下。在这里，在本发明范围内，竖井尤其是指基本垂直于地表布置的且优选由人建造的空腔。因此，竖井例如可以是指矿井、石油钻井、测试竖井或用于开发其它类型的矿床的竖井等。在此情况下，尤其关于在“矿井关停”范围内的许多这种竖井的停用而言建议使用矿井。根据本发明，“连续的配重”优选是指由许多相连的单元组成的重物，尽管第一部分的单元下放或降落到底部(例如竖井底)，势能仍可通过连续配重的其它单元的降低或下放来输出。在这种情况下，引导路径的长度优选可以至少延伸经过根据本发明的竖井的整个长度或深度。
9.在本发明的范围内已经发现，通过用于储存呈势能形式的能量的具有呈连续配重形式的势能蓄能器的储存装置，以结构简单且低成本的方式可实现针对供能系统的连续不间断的能量馈入和输出。
10.在以结构简单且可精确控制的方式将势能转换为动能的可能方式的范围内，本发明可以有利地规定，该势能蓄能器以绳索和/或链条的形式形成。在将蓄能器设计成绳索或链条的情况下，在此情况下可以有利地规定，该势能蓄能器在初始状态下已经在整个深度或整个引导路径范围布置在竖井中。特别是，这允许在引导机构开始沿引导路径运动时已经可以调用最大转矩并且在恒定功率情况下可调用最大功率。
11.在特别有效的能量转换可能方式以及结构尽量简单且低成本的设计的范围内，根据本发明还可以规定，该势能蓄能器以链条的形式形成，其中，该链条优选由节链和/或滚子链和/或齿形链构成。但链条也可被设计成刮板链、套筒链(pantenkette)、销合链、滚子链、齿形链等。
12.为了确保不复杂的引导且防止链节的可能缠结，本发明还可以规定该蓄能器以链条形式构成，其中，该链条优选无扭结地形成。
13.根据本发明，关于具有所需密度或所需重量的低成本且稳定的材料还可以规定，该势能蓄能器由金属材料、优选是铁材料且特别是钢形成。在耐气候设计的范围内，该势能蓄能器优选在此情况下可以由不锈钢形成。或者该蓄能器也可以具有由塑料等构成的涂层或外壳。
14.为了确保从势能到动能的尽量长时间的持续能量转换且同时能安全地安置该势能蓄能器，在本发明范围内还可以想到设置一种用于支承蓄能器的支承机构，其中，该支承机构优选直接布置在该竖井的入口旁。在这种情况下，该支承机构优选设计成使得蓄能器的至少一部分能够布置在支承机构内。
15.在蓄能器得到良好保护的布置的范围内，该支承机构在此情况下例如能设计为例如嵌入地下的沟渠，其中，该沟渠能够优选衬有耐气候材料。在这种情况下，支承机构尤其能以地下凹坑或类似物的形式设置。
16.关于以结构简单方式沿着引导路径引导蓄能器的可能方式以及关于有效驱动，根据本发明还可以规定，该引导机构被设计成链轮和/或绳索滚筒。在以节链形式设计蓄能器的范围内，引导机构在此情况下尤其能设计成窝形轮。
17.在有效地充分利用势能蓄能器的长度以确保尽量连续地将势能转换成动能的范围内，本发明尤其可以规定，该势能蓄能器具有起点和终点，其中，该起点优选沿引导路径在竖井内永久布置，该终点永久安置在支承机构内。蓄能器的起点可以沿着引导路径最好以未固定的方式永久布置在竖井内，而终点优选被固定在支承机构内，以防止蓄能器降低
到竖井中。
18.为了即使在紧急情况下也保证尽量安全可靠的储存装置使用，根据本发明尤其可以规定，该势能蓄能器在初始状态下如此布置在竖井内，即，蓄能器在释放之后沿引导路径朝向井道内运动而无需辅助能量。通过这种方式，作为发明主题的储存装置可提供应急电流并可以在几秒钟内满负荷投入使用。
19.为了确保这种释放而尤其可以规定，该引导机构具有用于释放蓄能器的开关件，其中，该开关件优选是可手动关断的，特别是设计成止回器或止动爪形式。在这种情况下，该开关件优选可以如下方式设计和开关，即，势能蓄能器在预定的静止期间被保持在其位置并且在此情况下得到额外辅助。
20.在确保所需安全性的范围内还可能有利的是，设置用于在危险情况或断电情况下制动和关断蓄能器的紧急制动装置。这尤其可以在根据本发明的开关件的功能至少部分受限时被采用。在这种情况下，该紧急制动装置优选可以设置在引导机构或蓄能器之处或之上并且有利地在无能量状态下关闭，从而它可以无需附加能量被操作。也可以想到布置在其它位置例如竖井内。在此情况下，该紧急制动装置例如可以被液压控制或气压控制并且例如可通过施以弹簧力来启动制动作用，其中，该制动作用可有利地通过形状配合来产生。该紧急制动装置还可被设计为运行制动器或驻停制动器，其中，该紧急制动装置尤其在设计成驻停制动器的情况下在载荷方向上或在力传递中布置在用于能量传输或力传递的传动装置之前。
21.在灵活馈入和输出更多能量的情况下，根据本发明尤其可以规定，设置有多个势能蓄能器，其中，所述蓄能器优选并排布置在同一轴上，特别是在单独的引导机构上。
22.于是在设置有多个蓄能器的情况下同样有意义的是，也设有多个用于支承蓄能器的支承机构，其中，所述支承机构优选可以沿着竖井的入口并排和/或相互对置地布置。
23.也可能有利的是在布置有多个蓄能器的情况下也设有多个开关件和/或紧急制动装置，最好针对每个蓄能器设置对应的开关件和/或对应的紧急制动装置，其中，该开关件和/或紧急制动装置优选可相互独立地开关。
24.关于有针对性地给作为发明主题的储存装置馈入能量和输出能量而尤其可以规定，设有用于检测当前储存容量的检测单元，其中，该检测单元优选具有尤其是设计成旋转编码器的传感器。这种旋转编码器优选可以设计成多圈编码器，其有利地检测引导装置的旋转运动并且基于转数并在支承机构内的势能蓄能器中的初始储备量已知的情况下实现位于支承机构中的势能蓄能器的当前储蓄量或已排放的蓄能量的计算。由此可以通过远程数据传输来确定关于作为发明主题的储存装置的当前储能容量的信息。也还可以设置最好可改装的其它传感器用于采集其它相关参数例如当前转速、转矩、电流、电压、频率、振动速度、温度、通断状态(离合器、制动器和止回器等)，在此，可以借助所提到的传感器装置连续确定相关的参数，并且可在确定的基础上优化作为发明主题的储存装置的工作。还可以想到借助连续监测来遥控作为发明主题的设备和/或将其与其它设备联网以优化工作。
25.本发明的主题还是一种用于补偿供电网的电网波动的系统。在此情况下，作为发明主题的系统包括前述的储存装置、至少一个用于通过来自供电网的能量驱动该引导机构的马达、至少一个用于将该势能蓄能器的动能转换成电能以输出给该供电网的发电机以及用于在所述供电网和储存装置之间交换电能的线路系统，其中，该系统被设计成在该供电
网供应不足时能够借助该储存装置将势能转换成电能并可馈送入该供电网中并且在该供电网供应过剩时能够从该供电网汲取电能并将其转换为势能以便储存。因此，根据本发明的系统带来与已经关于作为发明主题的储存装置所详细描述的相同的优点。
26.关于不同能量形式的有效转换，尤其还可以想到的是，设置用于将电流转换成适合马达的形式的变频器。
27.在有针对性地馈入和输出能量以确保供电网络中的电网波动的尽量有效补偿的范围内，根据本发明还尤其可以规定设置有用于检测当前电网负荷率的检测单元。
28.同样在此情况下，关于供电网的电网波动的有效补偿而可以设置一个用于基于所测定的当前电网负荷率确定可从供电网汲取或要输出到供电网中的能量的处理单元以及用于基于确定的可汲取的或可输出到供电网中的能量来控制在该储存装置和供电网之间的能量传输的控制单元。
29.本发明的主题还是一种用于尤其使用如上所述的用于补偿供电网的电网波动的系统来补偿供电网的电网波动的方法。在此情况下，作为发明主题的方法包括以下步骤：借助检测单元检测供能系统的当前电网负荷率，借助处理单元基于所测定的当前电网负荷率来确定能从供电网汲取或要输出到供电网中的能量，并且基于确定的可汲取的或要输出到供电网中的能量借助控制单元来控制在所述储存装置和供电网之间的能量传输，其中，在该供电网供应不足时借助储存装置将势能转换为电能并馈送入供电网中并在供电网供应过剩时从供电网汲取电能并将其转换成势能以便存储。因此，根据本发明的方法带来与已针对根据本发明的储存装置或根据本发明的用于补偿供电网的电网波动的系统所详细描述的相同的优点。
附图说明
30.本发明的其它优点、特征和细节来自以下参照图来详细描述本发明实施例的描述。在这种情况下，在权利要求书和说明书中提到的特征可以单独或在任何组合中对本发明是重要的，其中：
31.图1a示出根据第一实施例的本发明储存装置在初始状态下的示意图，
32.图1b示出根据第一实施例的本发明储存装置在最终状态下的示意图，
33.图2示出根据第一实施例的用于补偿供电网的电网波动的本发明系统的示意图，
34.图3示出根据本发明的用于补偿供电网的电网波动的方法的各个步骤的示意图。
具体实施方式
35.图1示出根据第一实施例的本发明的储存装置2在初始状态下的示意图。在这种情况下，用于储存呈势能形式的能量的储存装置2包括至少一个用于接收、储存和释放能量的势能蓄能器4和至少一个用于沿该引导路径8引导势能蓄能器4的引导机构6，其中，该引导路径8布置在关于地表竖直地设于地下的竖井10内，其中，该势能蓄能器4通过由动能转换来获得势能并通过转换为动能来释放所储存的势能，其中，动能源自势能蓄能器4沿引导路径8的运动。在这种情况下，势能蓄能器4以在引导路径8的整个长度上延伸的连续配重的形式构成。
36.在这种情况下，势能蓄能器4以链条形式形成。或者，势能蓄能器4也能以绳索或类
似物的形式构成。在呈链条形式的势能蓄能器4的实施方式中，它尤其能以节链和/或滚子链和/或齿形链等形式构成。在蓄能器4以链条形式实现的情况下，它尤其可设计为没有扭结以防止链节缠结。
37.在这种情况下，势能蓄能器4优选由金属材料、优选由铁材料、尤其是钢构成。为了支承势能蓄能器4，在当前情况下还设有支承机构14，它可靠近、优选紧邻竖井10的入口12布置。在这种情况下，支承机构14尤其能以嵌入地下的沟渠等形式形成，其优选能衬有耐候材料等。
38.引导机构6例如可以在蓄能器4的结构简单的引导可能方式范围内被设计成链轮和/或绳索滚筒或类似物。
39.势能蓄能器4具有起点16和终点18，其中，该起点16在此以长期方式沿引导路径8布置在竖井10内，而终点18以长期方式布置在支承机构14内并在此被固定在支承机构14内。
40.在这种情况下，引导机构6具有用于启用蓄能器4的开关件20(在此未示出)，该开关件20可手动关断并尤其可设计成止回锁形式。此外，储存装置2包括紧急制动装置22用于在危险情况或断电时制动和关停蓄能器4。根据本发明的紧急制动装置22也可以布置在引导机构6或蓄能器4上并且有利地在断电状态下被关闭，从而它能够在没有额外能量的情况下被操作。
41.此外，储存装置2包括用于检测当前储存容量的检测单元32，检测单元32在当前情况下设计为旋转编码器。该旋转编码器能确定引导机构6的转数并且依据转数在知晓在支承机构14内的势能蓄能器4的初始储备量情况下实现势能蓄能器4的位于支承机构14中的当前储蓄状况的计算。
42.在图1a所示的初始状态下，呈链条形式构成的势能蓄能器4仍然几乎完全位于支承机构14之内。
43.图1b示出根据第一实施例的本发明的储存装置2处于最终状态时的示意图。
44.根据图1b所示的最终状态，势能蓄能器4现在完全布置在竖井10内，特别是在竖井10底部，因此现在在势能蓄能器4中不存在呈位能形式的势能。为了将蓄能器4又“充电”回到其初始状态，应该通过引导机构6将它从竖井10送回到支承机构14中。
45.图2示出根据第一实施例的、本发明的用于补偿供电网30的电网波动的系统1的示意图。
46.在此情况下，系统1包括如上所述的储存装置2、至少一个用于通过来自供电网30的能量驱动储存装置2的引导机构6的马达26、至少一个用于将势能蓄能器4的动能转换为电能以输出至供电网30的发电机28以及用于在供电网30和储存装置2之间交换电能的线路系统40，其中，系统1在此情况下被设计成当在供电网络30供应不足时借助储存装置2可将势能转换成电能并馈入供电网30并且在供电网30供应过剩时可从供电网30汲取电能并可将其转换为势能以便储存。
47.为了将电流转换成适合马达26的形式，在这里还设有变频器24。此外，作为本发明主题的系统1包括用于检测当前电网负荷率的检测单元34、用于基于测定的当前电网负荷率来确定可从供电网汲取或待输出到供电网中的能量的处理单元36以及基于所确定的可汲取的或可输出到供电网中的能量来控制在储存装置2和供电网30之间的能量传输的控制
单元38。
48.图3示出根据本发明的用于补偿供电网30中的电网波动的方法的各个步骤的示意图。
49.在此情况下，作为本发明主题的方法包括以下步骤：借助检测单元34检测50供电系统30的当前电网负荷率，借助处理单元36基于所检测的当前电网负荷率来确定52可从供电网30汲取的或待输出到供电网30中的能量，以及借助控制单元38基于确定的可汲取的或待输出到供电网30中的能量来控制54在储存装置2与供电网30之间的能量传输，其中，在供电网30供应不足时借助储存装置2将势能转换为电能并馈入供电网30中，并且在供电网30供应过剩时从供电网30汲取电能并将其转换为势能以储存。
50.借助根据本发明的用于储存呈势能形式的能量或借助根据本发明的包括这种储存装置的系统，尤其可以通过结构简单且划算的方式保证针对供电系统的连续不间断的能量馈入和输出。
51.附图标记列表
[0052]2ꢀꢀ
储存装置
[0053]4ꢀꢀ
势能蓄能器
[0054]6ꢀꢀ
引导机构
[0055]8ꢀꢀ
引导路径
[0056]
10 竖井
[0057]
12 入口
[0058]
14 支承机构
[0059]
16 起点
[0060]
18 终点
[0061]
20 开关件
[0062]
22 制动装置
[0063]
24 变频器
[0064]
26 马达
[0065]
27 传动装置
[0066]
28 发电机
[0067]
30 供电网
[0068]
32 检测单元
[0069]
34 检测单元
[0070]
36 处理单元
[0071]
38 控制单元
[0072]
40 线路系统
[0073]
50 检测当前电网负荷率
[0074]
52 确定可汲取或待输出的能量
[0075]
54 控制能量传输