一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统

技术领域

本发明属于重力储能技术领域，具体涉及一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统。

背景技术

现有的重力储能技术分为塔式重力储能系统、斜体式重力储能系统、依托海洋的重力储能系统、依托矿井的重力储能系统、直线电机重力储能系统等。其中塔式重力储能系统是最为成熟的重力储能技术，目前全世界范围内已建成多个塔式重力储能系统，装机容量从5MWh～100MWh不等。

但现有塔式重力储能技术，存在三个主要缺点，一是重物块存在水平方向运动及加减速，消耗了重物的动能，降低了储能系统效率；二是重物块由轿厢装载进行起降，轿厢转运重物后返回的空行程需要辅助电机进行牵引驱动，消耗了能量；三是轿厢提升到指定高度后，重物需要从轿厢中转载至水平转运的液压小车上，需要复杂的转运机构及控制系统，增大了系统复杂度，降低了系统可靠性。随着塔式重力储能需求的不断增加，迫切需要提出一种新的重力储能方案来解决上述问题，进而加快重力储能的推广及应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统，实现了一种无需水平转运重物的重力储能系统，降低了系统复杂度，提高了系统可靠性，增大了重力储能系统综合效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统，包括超大质量重物块、重物升降系统、制动系统和控制系统；

超大质量重物块，用于将电网下载的电能转换为重力势能存储，或将存储的重力势能转换为电能上传至电网，是储能系统中能量的最终载体，超大质量重物块质量达到200吨以上；

重物升降系统，用于储能时将超大质量重物块从重力储能塔底部提升至重力储能塔顶部，在发电时将超大质量重物块从重力储能塔顶部降落至重力储能塔底部；

制动系统，用于储能系统停止运行时，刹车以限制超大质量重物块在竖直方向的位移，确保超大质量重物块不失控坠落；

控制系统，用于控制重力储能系统发电及储能运行状态，监测超大质量重物块运行速度，发生事故时控制制动系统动作。

本发明进一步的改进在于，超大质量重物块的竖直方向高度为其水平截面长度和宽度的3倍以上或超过15米，超大质量重物块顶部安装有3～6个动滑轮组，每个动滑轮组包含多个动滑轮，超大质量重物块侧边顶部安装有上导靴，靠近底部位置安装有下导靴，侧边中间部分安装有制动安全钳。

本发明进一步的改进在于，上导靴和下导靴均使用滚动式导靴，用以控制超大质量重物块升降过程中的方向偏差。

本发明进一步的改进在于，重物升降系统布置于重力储能塔顶部，包括电动发电机、主轴和副轴，重力储能塔由多个承重柱支撑；

每台电动发电机配套1根主轴和多根副轴，每根副轴用于驱动一列储能塔组，主轴和副轴通过传动齿轮进行功率传递，且传动齿轮长期啮合，副轴上的离合器和高弹性联轴器用于控制每列储能塔组是否参与储能和释能，控制系统用于监测副轴的转速。

本发明进一步的改进在于，重物升降系统通过3～6根钢索拉升或下降超大质量重物块，重物升降速度不大于0.08m/s。

本发明进一步的改进在于，每个储能塔组包含的重力储能塔不超过5个。

本发明进一步的改进在于，储能与发电时，每个储能塔组中的多个重物同时起降，副轴驱动的多个储能塔组直接并到主轴上，加速冲击力由离合器和高弹性离合器或超大质量重物块上的弹性装置缓冲。

本发明进一步的改进在于，制动系统包括副轴上安装的制动刹车装置和超大质量重物块上的制动安全钳。

本发明进一步的改进在于，正常运行时，制动刹车装置动作，提供制动扭矩使副轴停止转动，事故状态时，制动安全钳动作，对超大质量重物块进行减速，减少超大质量重物块对重力储能塔的冲击。

本发明进一步的改进在于，当制动安全钳发生动作时，储能机组停机检修。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提出的一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统，通过使用超大质量重物块，并结合对重物升降系统、制动系统及控制系统的改造，使得塔式重力储能中无需布置重物水平转运系统，减小了重物水平转运时的能量损耗，也无需重物升降轿厢及轿厢空行程驱动电机，节省了轿厢空行程运行的能量损耗，减少了塔式重力储能系统的电机设备数量，降低了系统复杂度及投资成本，提高了系统可靠性，增大了重力储能系统综合效率；

进一步，本发明中，超大质量重物块质量远超现有重力储能机组重物块的典型质量，现有重力储能机组重物块的质量一般不超过25吨，本发明中的超大质量重物块至少为200吨，典型质量为1000吨。超大质量重物块竖直方向高度为其水平截面长度和宽度的3倍以上或超过15米，以20至24米最佳。本发明的超大质量重物块高度为现有塔式重力储能系统中标准重物块高度的5倍以上，相当于在单个重力储能塔中配套了5层以上的标准重物，因而无需对超大质量重物块进行堆叠。通过本改进，使得重力储能系统在保证重力储能塔高度有效利用的条件下，无需再配置重物水平转运系统，解决了目前塔式重力储能系统水平转运的能量消耗、系统复杂等问题。

进一步，为了解决超大质量重物块带来的钢索拉力超限问题，超大质量重物块顶部安装3～6个动滑轮组，每个动滑轮组与塔顶的静滑轮组配套拉升超大质量重物块，每个动滑轮组包含多个动滑轮，这使得拉升超大质量重物块的钢索所承受的拉力极大降低，且通过预留一定的余量，使得拉升单个超大质量重物块的钢索断裂1根、2根时，重物不会失控坠落。

进一步，超大质量重物块侧边顶部安装上导靴，靠近底部位置安装下导靴，上导靴和下导靴均使用滚动式导靴，侧边中间部分安装制动安全钳，上导靴和下导靴控制超大质量重物块升降时不会与储能塔井壁碰撞，制动安全钳用于事故状态时，对超大质量重物块进行减速，减少超大质量重物块对重力储能塔的冲击。

进一步，重物升降系统中，电动发电机及其配套的主轴、副轴布置于重力储能塔顶部，根据动滑轮的受力分析，顶部布置可以进一步减小拉升超大质量重物块的钢索所承受的拉力，同时，顶部布置还可以简化主轴、副轴的传统系统，提高重力储能系统的可靠性。通过顶部布置、多根钢索及动静滑轮组的使用，单根钢索的拉力一般可将至超大质量重物块重力的1/30以下，降低了基于超大质量重物块的塔式重力储能系统对钢索强度的超高要求。

进一步，重物升降系统通过3～6根钢索拉升或下降超大质量重物块，重物升降速度不大于0.08m/s，极低的重物升降速度提高了系统的平稳性，且降低了超大质量重物块加速及减速时对重力储能塔的冲击。如果使用现有塔式重力储能的典型重物升降速度2m/s，则制动系统停止重物需要的距离过长，存在极大的安全风险。此外，因为超大质量重物块的质量大，通过变速器可使传递到电动发电机侧的转速仍维持较高值，且主轴、副轴不会承受过高的扭矩。

进一步，每台电动发电机配套1根主轴和多根副轴，每根副轴驱动一列储能塔组，单个储能塔组由一根副轴驱动，每个储能塔组包含的重力储能塔不超过5个，如果每列储能塔数量过大，则副轴承受的扭矩大，且副轴上的制动刹车装置难以提供足够的制动力矩。

进一步，主轴和副轴通过传动齿轮进行功率传递，传动齿轮长期啮合，副轴上的离合器和高弹性联轴器控制每列储能塔组是否参与储能和释能，储能与发电时，每个储能塔组中的多个重物同时起降，将离合器和高弹性联轴器布置在传动齿轮之后，可以减少离合器和高弹性联轴器的数量，降低系统投资成本，代价是储能与发电过程中存在一定的功率阶跃，但通过配套小容量的超级电容或电化学储能等方法容易消除该功率阶跃。

进一步，储能与发电状态切换时，副轴驱动的多个储能塔组直接并到主轴上，加速冲击力由离合器和高弹性离合器或超大质量重物块上的弹性装置缓冲。由于本发明方案中超大质量重物块的运行速度极低，不超过0.08m/s，因此，无需考虑特有的加减速系统及控制逻辑，而通过离合器和高弹性离合器或超大质量重物块上的弹性装置缓冲加速冲击力，既可以满足要求，且极大的减小了加减速时间及距离，进一步利用了重力储能塔的有效提升高度，增大了储能系统的综合能量转换效率。

附图说明

图1是本发明所述一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统示意图。

图2是本发明所述一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统轴测图。

图3是本发明所述一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统中重物块的示意图。

附图标记说明：

1、承重柱，2、副轴；3、制动刹车装置；4、离合器和高弹性联轴器；5、传动齿轮；6、定滑轮组；7、储能塔组；8、电动发电机；9、主轴；10、重力储能塔；11、动滑轮组；12、承重地面；13、超大质量重物块；14、上导靴；15、制动安全钳；16、下导靴。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的一种基于超大质量重物块的塔式重力储能系统，如图1所示，为重力储能系统的最小单元模块的俯视图，最小单元模块包括了包括超大质量重物块13及其配套的重物升降系统、制动系统及控制系统。在该方案中，共建设10个如图1所示的重力储能最小单元模块。每个最小单元模块配备1台电动发电机8，电动发电机8在储能和发电时可以作为电动机和发电机运行，发电时电动发电机8功率为5.0MW，储能时电动发电机8功率为5.8MW，单个最小单元模块的储能容量为20MWh，储能电站的总装机容量为50MW/200MWh。

从图2可以看出本发明超大质量重物块在重力储能塔井壁中的布置位置，当重力储能系统能量完全释放时，超大质量重物块位于重力储能塔的承重地面12上，储能与发电过程中，超大质量重物块可以沿重力储能塔井壁竖直升降。超大质量重物块的质量达到200吨以上，一般可达1000吨，超大质量重物块13竖直方向高度为其水平截面长度和宽度的3倍以上或超过15米，超过现有重力储能塔5层以上的高度。该方案中，超大质量重物块13重768吨，其长宽高分别为4米、4米和20米。单个重物由4根钢索拉升，每根钢索穿过4对动静滑轮组，其中定滑轮组6位于重力储能塔顶部，动滑轮组11安装在超大质量重物块13顶部，电动发电机8及主轴9、副轴2等设备均安装于重力储能塔10顶，通过该布置，可使得单根钢索承受的拉力为单个重物总重的1/36，约21万牛，保留2倍裕量后选择直径为24毫米的钢索。其中重力储能塔10由多个承重柱1支撑。

图3给出了超大质量重物块的结构示意图，超大质量重物块13上方两侧分别安装2个滚动式上导靴13，下方两侧分别安装2个滚动式下导靴16。正常运行时，导靴与安装在重力储能塔10井壁上的导轨贴合，确保超大质量重物块13的运动方向不会偏离。超大质量重物块13两侧中间位置安装两个制动安全钳15。

该方案中，1根副轴2上连接4个超大质量重物块13，副轴2驱动16个卷线盘，卷线盘转动时拉动钢索从而提升或下降超大质量重物块13，卷线盘直径为0.5米，宽度为2米，转速为6转/分钟，单个卷线盘承受的扭矩为10万牛米，重物升降速度为0.04米/秒。副轴2上安装4个制动刹车装置3，制动刹车装置3为威奇托液力制动器，单个液力制动器可提供超过10万牛米的制动力矩。副轴2转速为25转/分钟，直径为40厘米。

本发明主轴9和副轴2通过传动齿轮5进行功率传递，且传动齿轮5长期啮合。该方案中，主轴9和副轴2通过曲线型锥齿轮传动，1根主轴9可同时驱动4根副轴2，可分时驱动16根副轴2，单个曲线型锥齿轮的传动功率不超过1.5MW，副轴2靠近主轴9的一端安装离合器和高弹性联轴器4。储能系统运行时，曲线型锥齿轮长期啮合，由离合器控制副轴2上的重物是否参与储能与发电。

每根副轴2用于驱动一列储能塔组7，主轴9和副轴2通过传动齿轮5进行功率传递，且传动齿轮5长期啮合，副轴2上的离合器和高弹性联轴器4用于控制每列储能塔组7是否参与储能和释能，控制系统用于监测副轴2的转速。每个储能塔组7包含的重力储能塔10不超过5个。

制动系统中，当重力储能系统正常运行时，如果需要停止重物的运行，则控制系统发出动作指令，安装在副轴2上的液力制动器动作，使副轴2停止转动，系统正常停运。当单个重物上的钢索断裂1根或2根时，由于钢索拉力保留了2倍以上的裕量，剩余的2根钢索仍可承受超大质量重物块13的重力，保证超大质量重物块13不失控坠落，如果钢索断裂2根以上，或重力储能系统处于类似的事故状态，重物失控坠落时，重物下降速度超速，从而触发安装在重物两侧的安全钳动作，重物与导轨间的摩擦力使重物减速，最终停止，此类事故状态为极端工况，发生后必须停机检修方可再次投运。

以上所述仅为本发明具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构组成的重力储能系统，均同理包括在本发明的专利保护范围内。