一种模块化重力储能系统的制作方法

1.本发明属于重力储能技术领域，具体涉及一种模块化重力储能系统。


背景技术：

2.风电、太阳能等新能源发电容量快速增加，然而风光发电系统输出功率受客观条件所限，具有间歇性和不稳定性，增加了电网运行的不稳定性。
3.储能系统可以在电网用电高峰时作为电源接入电网，用电低谷时则作为负荷，从而达到削峰填谷，保持电网稳定的效果。
4.现有重力储能技术往往通过单个、单组电机和链条驱动一个或一小组重物，在电机最大功率、链条/缆绳强度等限制因素的影响下，功率可调范围以及扩容性等方面限制很大，迫切需要一种能够大范围灵活调整功率，较大绝对功率，优秀的可扩展性的方案。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模块化重力储能系统，能够实现储能系统输入输出功率大范围快速调控，最大功率高，调节范围宽，且能够灵活扩容调整的特性，以解决现有重力储能方法功率低、功率不易调节的技术问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种模块化重力储能系统，包括电动载重轨道车，电动载重轨道车设置在若干倾斜设置的轨道上，轨道的一端设置在低海拔处，另一端对应设置在高海拔处，电动载重轨道车能够沿轨道往返于低海拔和高海拔之间，用于储存电能为重力势能并将储存的重力势能回收作为电能；沿轨道间隔架设有为电动载重轨道车运行提供电能的接触网输电系统。
8.具体的，轨道至少包括一对平行设置的上行轨道和下行轨道。
9.进一步的，上行轨道和下行轨道的一端分别连接位于低海拔区的第一停车区，上行轨道和下行轨道的另一端分别连接位于高海拔区的第二停车区。
10.更进一步的，第一停车区和第二停车区处分别设置有码垛机器人。
11.更进一步的，第一停车区和第二停车区处分别设置有分叉式轨道。
12.进一步的，上行轨道和下行轨道平均每1km水平距离上升480m。
13.具体的，电动载重轨道车的车厢内设置有车内载荷、电驱动及回收系统和电弓，车内载荷用于增加电动载重轨道车的载重；电驱动及回收系统用于电动载重轨道车在海拔上升时提供动力，并在电动载重轨道车海拔下降时回收重力势能发电；电弓与接触网输电系统连接，用于为电驱动及回收系统供电，并将收集的电能传输给接触网输电系统。
14.具体的，电动载重轨道车连接有若干载重轨道车，载重轨道车为无动力设计。
15.具体的，轨道为齿轨铁路。
16.具体的，还包括轨道车智能调度系统，轨道车智能调度系统分别与电动载重轨道车车厢内设置的联网位置传感器无线连接，用于实时获取电动载重轨道车的位置信号，并通过接触网和无线网络对相应的电动载重轨道车进行智能调度。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明一种模块化重力储能系统，使用多条并联倾斜轨道，可同时容纳轨道条数乘以每条轨道小车数量的载荷，成倍提高储能功率；往返于低海拔和高海拔之间，其优势在于，采用轨道方式进行载重运输，多辆载重轨道车可以同时在轨道上运行多辆，提高能量转换功率，使用接触网输电系统可以实时进行能量存储和能量释放，不需要在轨道车上放置电池等储能设备，降低成本。
19.进一步的，上行轨道与下行轨道并行存在的优势在于，储能满载轨道车上升，空载轨道车下降，通过低海拔加载，高海拔卸载，可利用较少的轨道车循环运载大量载荷，做到持续大功率储能。放电过程同理，下行轨道车满载，上行轨道车空载同时运行，能够连续运输载重降低海拔，实现持续大功率放电。
20.进一步的，上行轨道与下行轨道的一端分别连接位于低海拔区的第一停车区，上行轨道和下行轨道的另一端分别连接位于高海拔区的第二停车区的优势在于，轨道车数量可以不受轨道长度限制，同时运行的轨道车数量可以通过停车区调整，轨道车上行与下行状态切换可利用停车区迅速完成，停车区还有利于后续电站扩容，例如增加轨道车数量等。
21.进一步的，码垛机器人用于对载荷轨道车上的重力载荷进行装卸，由码垛机器人将已经储能/放电的载重轨道车进行卸载，并使空车返回重新装载，能够通过额外载荷低成本的提高系统总储能容量。
22.进一步的，在倾斜轨道两端采用分叉式轨道停车区设计，轨道车自行进入倾斜轨道工作，极大提高系统响应时间。
23.进一步的，低坡度轨道在提高同样海拔时需要更长的里程，效率和经济性很差，因此轨道坡度在可行范围内越高越好，允许的齿轨铁路最高坡度为480
‰
，换算后即为1km水平距离上升480m。
24.进一步的，本发明中在每个电动载重轨道车上配置电机电控系统，最大储能功率不受单个电机系统限制，功率可调范围大，单个轨道车电机系统需求功率小，可采用小型量产成熟方案，具有模块化、标准化、易扩容、低成本等优势，车内载荷的设计能极大的提高储能系统的最大储能容量，可以利用低成本的沙土、石块作为储能介质，最大容量不受轨道车数量限制；轨道车上设置电驱动和回收系统的优势在于：系统总功率利用启动轨道车数量可进行大幅度调节；储能、发电系统模块化的分布于轨道车上，容易对系统进行检修、扩容等；设置电弓的优势在于，实时进行储能、发电，无需额外电池等储能装置；联网位置传感器的优势在于，独立调度各个动力轨道车，可大幅调整系统功率。
25.进一步的，设置无动力的载重轨道车的优势为，减少所需的电驱动与回收系统数量，提高经济性，方便后续进一步扩容。
26.进一步的，普通铁轨具有坡度限制，坡度提高后会轨道车会发生滑动，导致无法工作或低效率工作。采用齿轨铁路能够使轨道车运行在高坡度轨道上并且不发生滑动，显著提高效率，节省成本，节省空间。
27.进一步的，使用轨道车智能调度系统，对单个轨道车的运行情况实时监测，出现故障时可通过其他车辆调离轨道，故障容许度高，且具有高可维护性。
28.综上所述，本发明采用多轨道齿轨铁路以及停车区，具有高储能功率，低占地面积，高储能容量等优势；由于采用模块化电动载重轨道车，具有高功率可调范围，高可维护
性，高扩展性；由于采用实时电能传输网络，无需使用大量电池作为中间储能介质，具有低成本。
29.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
30.图1为本发明结构示意图；
31.图2为本发明轨道车结构图。
32.其中：1.上行轨道；2.下行轨道；3.第一停车区；4.第二停车区；5.电动载重轨道车；6.载重轨道车；7.接触网输电系统；8.码垛机器人；9.轨道车智能调度系统；10.车内载荷；11.电驱动及回收系统；12.电弓；13.联网位置传感器。
具体实施方式
33.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。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
37.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
38.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
39.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不
同形状、大小、相对位置的区域/层。
40.本发明提供了一种模块化重力储能系统，利用每个电动载重轨道车均自带电驱动力及势能/电能回收系统的特点，在储能和放电时可以调度多个轨道车同时在一条轨道上运行，电动载重轨道车通过智能调度/智能运行系统进入高海拔或者低海拔的轨道停车区，轨道停车区可停放大量电动载重轨道车以实现大规模的重力储能。智能调度/自主运行系统通过控制多台电动载重轨道车运行的间隔距离、间隔时间、运行速度等参数，可大幅增加在一条或者多条轨道上运行的总数量，使得该重力储能系统的储能/发电的最大功率得以大幅度高，并且储能/发电的功率可调范围大，调节速度快，总储能规模大。系统模块化，标准化，易于进行维护扩容。
41.请参阅图1，本发明一种模块化重力储能系统，包括一条或多条平行倾斜轨道；多个轨道停车区；多个自带电驱动力及回收系统的电动载重轨道车5，多个不带动力的载重轨道车6；接触网输电系统7；轨道车智能调度系统9。
42.平行倾斜轨道包括上行轨道1和下行轨道2，多个轨道停车区包括设置在低海拔的第一停车区3，以及设置在高海拔的第二停车区4，每个电动载重轨道车5通过海拔上升时储存电能为重力势能，海拔下降时将储存的势能回收为电能；沿上行轨道1和下行轨道2架设的接触网输电系统7为电动载重轨道车5提供从低海拔至高海拔自动运行所需的电能，同时也为电动载重轨道车5从高海拔至低海拔自动运行发出的电力提供收集和传输的作用；轨道车智能调度系统9用于使得上行轨道1和下行轨道2上的电动载重轨道车5和载重轨道车6能够互不干扰地独立运行。
43.电驱动力及回收系统11、联网位置传感器13、电弓12被集成在电动载重轨道车5上，形成一个独立储能/放电单元，这种自带动力的载重轨道车整体成本低，使用到的工艺成熟，大量装备可使成本控制在较低水平，可作为一个模块化单元使用。在使用时这种模块化设计使得各个轨道车可以任意数量自由组合使用，此外系统扩大、减小容量时只需增加、减小轨道车即可，体现出模块化设计的优势。
44.上行轨道1和下行轨道2根据地形平行布设在山坡、废弃矿井或矿坑处，用于提供高度差，上行轨道1用于为提高电动载重轨道车5的海拔，其中，电动载重轨道车5满载时从电网储存电能为重力势能；下行轨道2用于降低电动载重轨道车5的海拔，其中，电动载重轨道车5满载时从释放重力势能转化为电能为电网供能。
45.第一停车区3设置在上行轨道1和下行轨道2位于低海拔的一端，第二停车区4设置在上行轨道1和下行轨道2位于高海拔的一端，上行轨道1和下行轨道2的末端分叉为若干轨道用于停放电动载重轨道车5和载重轨道车6，停车区轨道互相分叉联通，用于电动载重轨道车5和载重轨道车6在上行轨道1和下行轨道2之间转移，第一停车区3和第二停车区4处分别设置有用于装卸的码垛机器人8。
46.请参阅图2，在用电峰值时，电动载重轨道车5从高海拔的第二停车区4沿下行轨道2运行至低海拔的第一停车区3处，为电网进行；在用电低谷时，电动载重轨道车5从低海拔的第一停车区3沿上行轨道1运行至高海拔的第二停车区4处，利用电网进行储能。
47.在储能/放电所需容量大于所有轨道车载荷的总和时，由码垛机器人8对已经储能/放电的电动载重轨道车5进行卸载，并将空的电动载重轨道车5返回重新装载，能够通过额外载荷低成本的提高系统总储能容量。
48.电动载重轨道车5的车厢内设置有车内载荷10、电驱动及回收系统11、电弓12和联网位置传感器13，车内载荷(10)置于车载空间内，由码垛机器人进行装卸。电驱动及回收系统(11)设置在车厢底部轮系附近，用于在海拔上升时提供动力，并在海拔下降时回收重力势能发电。电弓(12)位于车厢顶部，运行时连接接触网输电系统，用于为电驱动及回收系统供电，以及将该系统收集的电能传输给输电系统。联网位置传感器(13)固定于车厢前部，将车厢的精确位置信号通过实时传输到轨道车智能调度系统(9)，为调度系统提供数据。
49.联网位置传感器13为位置传感器，采用5g网络进行信号传输，用于精确发送位置信号，同时还用于接收智能调度系统的指令控制电控系统工作。
50.无动力载重轨道车6不含电驱动系统和电弓，用于在需要更大功率时与电动载重轨道车5连接，并由电动载重轨道车5驱动进行运动，能够低成本的增加系统储能容量和功率。
51.优选的，上行轨道1和下行轨道2选择齿轨铁路，最大坡度达480
‰
，并不发生打滑现象，接触网输电系统7分别沿上行轨道1和下行轨道2架设。
52.优选的，电动载重轨道车5和载重轨道车6的前后分别设置有能够自动连接的车钩，使得任意电动载重轨道车5和载重轨道车6可由其他轨道车驱动，并能够根据所需功率进行特定数量组合，增大系统冗余度和灵活性。
53.轨道车智能调度系统9采用5g信号塔统一收发信号，整个系统具有大范围、高带宽低延时的优势。
54.轨道车智能调度系统是一种为储能系统设计的轨道车控制系统，设置在总控制室的计算机内，通过无线网络与载重轨道车进行通信，接收轨道车的位置信号，发送控制信号给轨道车。
55.本发明一种模块化重力储能系统的工组如下：
56.电网通过接触网输电系统7为电动载重轨道车5供电，使其从低海拔处的第一停车区3运行至高海拔处的第二停车区4，在此过程中，电网的多余电能转换为电动载重轨道车5海拔提升的重力势能，实现重力储能。反之，电动载重轨道车5从高海拔处的第二停车区4下降至低海拔处的第一停车区3过程中，其重力势能通过电驱动及回收系统11转化为电能，并通过电弓12和接触网输电系统7传回电网，实现并网发电效果。
57.为使本发明实施例的目的、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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
58.实施例
59.根据齿轨铁路的标准坡度上限480
‰
，考虑实际中的非理想情况，设计上行轨道1和下行轨道2为平均每1km水平距离上升400m；
60.电动载重轨道车5采用六轴设计，轴重12t，车长15m，单车载重72t，海拔差为500m，单节车厢的做功w为：
61.w＝mgh＝72000
×
9.8
×
500＝352.8mj＝98kwh
62.此时上行轨道1或下行轨道2的长度为1.69km，时速为5km/h，换算为1.4m/s，输出功率p为：
63.p＝w/t＝352.8
÷
(1690
÷
1.4)＝292kw
64.最小使用300kw电动机组即可驱动轨道车，而单上行轨道1或下行轨道2可同时容纳的轨道车达100辆以上，则上行轨道1或下行轨道2的储能功率最高为30mw，增加轨道数量，增加海拔差还能使得功率得以数倍增加，达到百兆瓦量级。
65.总储能的容量可低成本的通过增加码垛的载重物料进行提升，则总容量仅受限于功率，按照峰电/谷电时间8小时计算，最大容量e估计为：
66.e＝p
×
t＝30mw
×
3600
×
8＝864gj＝24万度
67.则估计单日最大容量可达24万度。
68.此外，由于轨道车可进行独立调度，功率可调范围从几百kw到百mw量级，并且调节速度几乎为实时调节。
69.通过上述实施案例可以看出，本系统总储能容量高达数十万度，瞬时储能功率高达百兆瓦量级且可以根据电网需求灵活调整，调整范围跨越三个数量级且响应速度快，同时还具有高可维护性和高扩展性，是一种理想的重力储能方法。
70.综上所述，本发明一种模块化重力储能系统，利用现有的斜坡矿井开展重力储能对闲置废弃资源进行开发利用，采用的重力储能具有成本低、效率高、无污染、寿命长、容量大、响应快、无资源消耗的优点。
71.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。