一种重力发电与蓄能装置

技术领域

本发明涉及发电与蓄能技术领域，具体为一种重力发电与蓄能装置。

背景技术

矿山或者采石场在开采过程中，有大量的矿石或者石料从山上陆续用运输卡车运到平地，运输卡车下山过程中因为重力加速要连续刹车，将车辆和物料的重力势能用刹车片的摩擦耗散掉，刹车片会急剧升温和磨损，增加了运行成本和安全风险。因为车辆爬坡坡度的限制，道路会修得弯曲盘旋，延长了运行里程同时增加了修建道路的工程量和环境破坏度，运输卡车上山过程则纯属于能量消耗过程。可以看出，传统的矿山或采石过程存在巨大的能量浪费和环境破坏，如果把这部分重力势能利用起来进行发电，提高经济效益的同时降低对环境的破坏程度，意义重大。目前国内外也有相关重力势能进行发电利用的技术提出，如在车轴上安装能量回收发电机(参考专利：202110015415.6)，建设高塔用于发电(参考专利：202020554724.1)，牵引发电，将索道系统逆向运用(参考专利：202010100210.3)或者偏心轮发电(参考专利：201910767082.5)，等等，但以上这些都很有局限性，涉及到车辆的改造技术、成本及发电效率、能否向电网馈电、场景条件是否适合建设施工等实际问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有重力发电技术可实施性不足以及成本高、对实施场景条件要求比较苛刻等缺陷，提供一种重力发电与蓄能装置及方法，利用矿山或者采石场的矿石或石料的重力势能进行发电，这种重力发电装置利用磁悬浮直线电机技术，无动力运输车结构简单，下降过程中没有摩擦力，装置发电效率高，小车下降速度和发电功率可控，运送物料的同时兼具发电的功率，没有排放，绿色环保。必要情况下，该装置可以进入蓄能模式，就是装置从外电网吸收电能，驱动无动力运输车自下向上运动，将电能转化为无动力运输车的势能，在必要的情况下再以发电的模式将储能的能量释放出来，馈电到电网，起到对外电网能量调节的作用，改善电网电能质量，提高发电厂输出的电能利用率，降低发电厂装机容量上限。

本发明解决上述问题采用的技术方案为：

一种重力发电与蓄能装置，包括：从山上装料点到平地卸料点的倾斜双线闭合轨道1，分上行线和下行线，用以装卸物料的无动力运输车2，车底装有金属导电板，或者车底本身就由金属导电板制造，可以称为车底导体板3，和沿轨道铺设的电磁绕组4，用以接收电磁绕组4发出电能并馈电到电网的逆变器等等。

自高处向低处架设两条轨道1，分上行线和下行线，形成闭合回路，每条轨道有两根平行的钢轨，钢轨间铺设有电磁绕组4，电磁绕组由逆变器提供背景电流，无动力运输车2在高处的装料点装满物料沿下行线自上而下沿轨道1运行，车底的导体板中感应出的涡流与电磁绕组4相互作用，将无动力运输车2的运动动能转化为电能向外输出，以直线发电机状态运行，由逆变器调制以后，将电能输送到电网；无动力运输车到达卸料点后将物料卸下，空车沿上行线由电磁绕组4以直线电动机状态运回到装料点装料，如此往复。

下行线和上行线都运行在直线电动机状态，从电网吸收能量，将无动力运输车2从低处驱动到高处，将能量以重力势能的方式储存起来，起到蓄能的作用，再以上述直线发电机的状态将能量释放到电网。

逆变器通过调节电磁绕组4中的电流与车底导体板3涡流之间的相位差，使涡流和电磁绕组4中的电流产生的磁场相斥，实现无动力运输车2的磁悬浮运行。

车底导体板3用稀土永磁材料做成的磁极，直线电机以同步模式运行，或者取消车底导体板3和轨道1上的电磁绕组4，在车轮轴上安装变速器，连接旋转发电机，通过受电弓将发电机发出的电能经逆变器输送的电网。

当装满矿石或石料的无动力运输车2从山上沿倾斜的轨道1下行线下滑时，车底导体板3相对于轨道1上铺设的已经由逆变器提供背景励磁的电磁绕组4运动，车底导电板3中感应出涡流，涡流产生的磁场作用于轨道1上的电磁绕组4，电磁绕组4中的磁通发生变化，感应出输出电压和电流，重力势能转化为电能，然后由逆变器经整流、逆变、升压，转变为合格的电压和频率，将电能输出到电网，发电的过程中，无动力运输车2受到来自电磁绕组4的阻力，匀速向下运动，不会加速，到达卸料点时电磁阻力加大刹车。无动力运输车2到达卸料点卸料以后，空车沿轨道1上行线，被轨道上的电磁绕组4以直线感应电机的模式驱动向上运动，回到装料点装料，如此往复，一条闭合轨道上可以多辆车按序列运行，实现连续的装料、卸料和持续发电。虽然空车上行时消耗部分电能，但装料的无动力运输车2重量远大于空车，无动力运输车2向下运动释放的重力势能也就远大于空车向上运动消耗的能量，装置总体对外输出电能。无论是上行还是下行，逆变器都可以控制电磁绕组4中的主动电流和车底导电板3中感应出的涡流的相位差，使二者产生的磁场处于相斥状态，当相斥力等于无动力运输车2受到的重力指向轨道1表面的分量时，就可以实现无动力运输车2的悬浮运行，无动力运输车2的轮子脱离轨道表面运行，几乎不再存在摩擦力，重力势能转化为电能的效率得到提升，此时无动力运输车的轮子只起到装卸料时起飞和着陆以及转弯导向的功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)只需要架设临时的固定轨道，无需修专门的曲折的适合重载卡车运输道路，无需有燃油动力的运输车上下运载物料，大大减少了事故率、运行成本和对环境的破坏；

(2)运输物料的同时，装置发电到电网，实现额外的经济效益，无动力运输车通过逆变器电流相变控制实现悬浮运行，能量转换效率提高；必要情况下上下线都可以运行在电动机状态，将车辆和物料驱动到高处，从电网吸收能量蓄能；

(3)无动力运输车与轨道间无摩擦运行，设备间没有磨损，在一个矿山或者采石场资源枯竭以后，整套设备可以拆装或者延长到其他现场，重复使用，降低了投入成本。

附图说明

图1重力发电总体结构示意图；

图2为无动力运输车与轨道局部放大示意图；

图中：1.轨道；2.无动力运输车；3.车底导体板；4.电磁绕组。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明提出了一种利用重力势能发电的装置，减少了传统矿山或采石场对运输车辆和修路的投资和损耗，无动力运输车沿轨道下滑的过程中，将重力势能转化为电能，经逆变后输出到电网。

在需要将大量的矿石或者石料从山上运到山下的地方，从装料点到卸料点，沿山坡架设轨道1，轨道1可以是传统的各种角钢、管钢等焊接桁架结构，也可以具备采用钢筋水泥预制件结构，不同于修建重载卡车盘山公路，轨道1从装料点到卸料点可以直线或者几个短线段架设，只要满足承载需求，造价低廉，有下行线和上行线，上行线和下行线各有两根平行的钢轨，二者在端部连接形成闭合轨道。沿轨道表面，两根钢轨之间铺设电磁绕组4，电磁绕组4是由带绝缘的铜或者铝导线绕制而成，绕组中间有带绝缘的硅钢片叠成铁芯，绕组可以单相绕制也可以是三相绕制，对应着输出单相交流电或者三相交流电。无动力运输车2用以装在矿石或者石材，装满物料以后能够沿轨道向下运动，车底装有与绕组对着的导体板，车底导体板3可以是铝、钢、铜等金属材料制成的金属板。在绕组中逆变器预先通背景交流电流，绕组上方形成交变的电磁场，当无动力运输车2从轨道1上向下滑行时，车底导体板3相对于绕组运动感应出涡流，涡流产生的磁场又作用于轨道上的电磁绕组4，电磁绕组4中的磁通发生变化，感应出输出电压和电流，形成能量输出，电磁绕组4呈直线发电机状态，经逆变器整流、滤波、调相、升压等操作以后，成为合格的电能，输出到电网。无动力运输车2运行到卸料点以后，进入上行线，上行线的电磁绕组4工作在直线电动机状态，消耗电能，将空车推到装料点装料，进入下一个循环。由于无动力运输车2空车重量远小于装载后的重量，例如现有的运煤列车，一节空车重25吨，满载后总重为75吨。当多辆无动力运输车在上下线闭环轨道上连续运行时，既可以连续第装卸物料，也可以稳定地输出电力。

在必要情况下，下行线也可以运行在电动机状态，也就是无动力运输车2在电磁绕组4的驱动下，由下往上运动，将电能转换为无动力运输车2的重力势能，把从电网吸收的能量储能起来，起到为电网蓄能的作用。

逆变器向电磁绕组4中提供的背景交流电流的相位可以与车底导体板3中的感应涡流的相位通过逆变器的相位变换进行调节，使感应涡流与电磁绕组4中的电流产生的磁场始终处于相斥的状态，产生悬浮力，抵消一部分车辆垂直于轨道的重力分量，当悬浮力的大小等于重力分量时，无动力运输车2在轨道1上实现磁悬浮运行，轮子脱离轨道，摩擦力成为零，可以进一步提高装置的能量利用效率。悬浮运行无论上行还是下行都可以实现。

车底导体板3可以更换为稀土永磁材料的磁极，如NdFeB永磁材料做成的磁极，这种情况下，电磁绕组4中不需要背景交流电流即可实现对外发电或者电动驱动，也可以实现磁悬浮运行。

也可以取消车底导体板3和轨道1上的励磁绕组，在车轮轴上装变速机连接的旋转式发电机，发电机输出引线接受电弓，受电弓再将电力输出到固定在地面上的动力电线上，接逆变器输出到电网，但这种模式无法实现磁悬浮运行。

本发明的特征在于：

1)自高处向低处架设两条轨道，分上行线和下行线，形成闭合回路，每条轨道有两根平行的钢轨，钢轨间铺设有电磁绕组，电磁绕组由逆变器提供背景电流，无动力运输车在高处的装料点装满物料沿下行线自上而下沿轨道运行，车底的导体板中感应出的涡流与电磁绕组相互作用，将无动力运输车的运动动能转化为电能向外输出，以直线发电机状态运行，由逆变器调制以后，将电能输送到电网。无动力运输车到达卸料点后将物料卸下，空车沿上行线由电磁绕组以直线电动机状态运回到装料点装料，如此往复。

2)基于上述的重力发电装置，在必要情况下，下行线和上行线都可以运行在直线电动机状态，从电网吸收能量，将无动力运输车从低处驱动到高处，将能量以重力势能的方式储存起来，起到蓄能的作用，必要的时候再以上述直线发电机的状态将能量释放到电网。

3)基于上述的重力发电装置，逆变器通过调节电磁绕组中的电流与车底导体板涡流之间的相位差，使涡流和电磁绕组中的电流产生的磁场相斥，实现无动力运输车的磁悬浮运行。

4)基于上述的重力发电装置，车底导体板可以用稀土永磁材料做成的磁极，直线电机以同步模式运行，或者取消车底导体板和轨道上的电磁绕组，在车轮轴上安装变速器，连接旋转发电机，通过受电弓将发电机发出的电能经逆变器输送的电网，但这种模式难以实现无动力运输车的磁悬浮运行。

以下结合附图进一步说明本发明。

图1为本发明实施例示意图，在矿山或采石场的装料点与卸料点之间架设轨道，轨道分上行线和下行线，二者在装料点和卸料点连接闭合，图中画出了其中1条下行线，轨道可由预制角钢或者混凝土架设，有两根钢轨。在钢轨中间铺设有电磁绕组4，装满物料的无动力运输车2沿轨道1向下运行过程中车辆的势能转化为电磁绕组4中的电能，逆变器将调质后合格的电能输送到电网，发电的过程同时也是无动力运输车2减速的过程。无动力运输车2到达卸料点卸料以后，再通过上行线驱动到装料点，如此往复，在从山上往下运输物料的同时实现发电功能。

图2显示了无动力运输车2沿下行线轨道1下行的示意图。在无动力运输车2的底部装有车底导体板3，铺设在导轨1上的电磁绕组4中有逆变器提供的背景电流，形成的磁场在车底导体板中3感应出涡流，涡流与电磁绕组4相互电磁感应作用，向外输出电能，同时产生对无动力运输车2的阻力，使其匀速下行。在逆变器的控制下，电磁绕组4中的电流和车底导体板3中的感应涡流处于磁极相斥状态，对整个无动力运输车2产生悬浮力，在这种情况下，轮子离开轨道1，无动力运输车2呈磁悬浮状态，摩擦力消失，发电效率提高。逆变器控制下，电磁绕组4可以对车底导体板3产生向上的推力，就是上行线驱动无动力运输车空车向上运动的状态，或者在必要情况下，逆变器从电网吸收能量，驱动装满物料的无动力运输车在下行线上上行，进行蓄能。车底导体板3可以更换为稀土永磁材料的磁极，进一步提高发电效率，降低逆变器的控制复杂度。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。