一种具有缓冲作用的重力储能系统

技术领域

本申请涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种具有缓冲作用的重力储能系统。

背景技术

重力压缩空气储能是通过在竖井中设置重力块，重力块与竖井之间通过密封膜密封连接，位于重力块下方的竖井中形成密封的储气腔，用于高压气体的存储，通过将空气进行压缩后通入储气腔中，重力块向上移动，将压缩空气的能量部分转化为重力块的重力势能进行存储，在储能过程中压缩空气产生的热能通常是通过设置热交换单元进行热量的存储，但是热交换单元的设置使得储能系统复杂，并且在出现紧急情况时，重力块不受控向下加速运动会对竖井下方造成较大撞击。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种具有缓冲作用的重力储能系统，通过在竖井内壁和重力块外壁对应缠绕有导线圈阵列，通过电源给竖井内壁上的线圈阵列施加固定频率的交流电，产生向上的电磁力使在发生紧急情况时，重力块不受控向下加速运动，激发竖井内壁线圈电源快速启动供电并形成电磁场，在重力块外壁上的线圈中感应出反向电磁场，从而使重力块快速减速，减小坠落时对竖井下方的撞击动能，并且重力块中填充的蓄热材料，通过蓄热材料直接能够进行热交换，无需另外布置换热单元。

为达到上述目的，本申请提出的一种具有缓冲作用的重力储能系统，包括竖井；

所述竖井中活动插接有重力块，所述重力块与所述竖井侧壁之间通过密封件密封连接，所述重力块、所述密封件和所述竖井位于所述密封件下方的空间之间围成储气腔；

所述重力块包括壳体和填充在所述壳体中的蓄热材料，所述壳体底部设置有与所述储气腔相连通的第一通气孔，所述壳体顶部连接有空气压缩机组和空气膨胀机组；

所述竖井内壁和所述壳体外壁对应缠绕有导线圈阵列，所述竖井内壁上的导线圈阵列按顺序与不同的电源连接，所述壳体外壁的各个导线圈自成闭路，以通过所述电源给所述竖井内壁上的导线圈阵列施加固定频率的交流电，在所述壳体外壁上的导线圈阵列中感应出反向环流，以使两组相反电流方向导线圈阵列形成反向的电磁场后，通过电磁力对所述重力块施加向上的作用力。

进一步地，所述壳体顶部设置有两个第二通气孔，两个所述第二通气孔处均设置有阀门，两个所述阀门分别连接有进气通道和出气通道，所述进气通道和所述出气通道分别连接所述空气压缩机组和所述空气膨胀机组。

进一步地，所述第一通气孔和所述第二通气孔处均设置有隔离网，以通过所述隔离网对所述蓄热材料进行阻挡。

进一步地，所述竖井的底部侧壁开有多个连通腔，所述连通腔的底部设置有压力缸；

所述连通腔中设置有杠杆，所述杠杆的一端铰接有曲柄，另一端位于所述重力块的下方；

所述曲柄的底端连接有活塞，所述活塞活动插接在所述压力缸中，所述活塞与所述压力缸之间密封，所述活塞下方的所述压力缸中形成密封腔，所述密封腔中填充有可压缩气体，以通过向所述储气腔中通入气体带动所述活塞向下移动，使得所述杠杆一端向上升起对所述重力块提供向上的辅助力。

进一步地，所述活塞上方的所述压力缸中灌充有粘性压力液，以通过所述粘性压力液实现所述活塞和所述压力缸之间的密封。

进一步地，所述连通腔中设置有支座，所述杠杆安装在所述支座上。

进一步地，所述壳体的底端侧壁开有延伸至底面的容纳槽，所述杠杆的一端伸入所述容纳槽中。

进一步地，所述连通腔设置有多个，多个所述连通腔中的杠杆等角度设置在所述壳体周侧，每个所述连通腔中均设置有所述压力缸。

进一步地，所述竖井为圆柱筒状结构；

所述壳体为圆柱状结构，所述壳体的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽；

所述密封件为套设在所述壳体外部的环形筒状结构，所述密封膜的外径等于所述竖井的内径，所述密封膜从中间将上部向内翻折后形成外环和内环连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的所述内环周侧形成褶皱凸起，所述外环的底端与所述竖井内壁密封连接，所述内环的底端与所述壳体的外壁密封连接，所述褶皱凸起与所述平滑凹槽贴合。

进一步地，所述密封膜的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一实施例提出的具有缓冲作用的重力储能系统的局部结构示意图；

图2是本申请具有缓冲作用的重力储能系统的局部结构示意图。

图中，1、竖井；11、储气腔；12、连通腔；13、压力缸；14、密封腔；15、粘性压力液；2、重力块；21、壳体；22、蓄热材料；23、第一通气孔；24、第二通气孔；25、隔离网；26、容纳槽；27、平滑凹槽；28、第三通气孔；3、密封件；31、外环；32、内环；4、空气压缩机组；5、空气膨胀机组；6、杠杆；7、曲柄；8、活塞；9、支座。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本申请一实施例提出的一种具有缓冲作用的重力储能系统的结构示意图。

参阅图1和图2，一种具有缓冲作用的重力储能系统，包括竖井1，竖井1中活动插接有重力块2，重力块2与竖井1侧壁之间通过密封件3密封连接，重力块2、密封件3和竖井1位于密封件3下方的空间之间围成储气腔11；

重力块2包括壳体21和填充在壳体21中的蓄热材料22，壳体21底部设置有与储气腔11相连通的第一通气孔23，壳体21顶部连接有空气压缩机组4和空气膨胀机组5，使得空气压缩机组4压缩后得到的高温高压空气通过蓄热材料22后将热量存储在蓄热材料22中，然后通过第一通气孔23进入储气腔11中，在释能过程中，储气腔11中的压缩空气进入壳体21中后经过蓄热材料22时吸收蓄热材料22中存储的热量，然后进入空气膨胀机组5中进行做功，通过重力块2自身即可实现热交换，无需另外设置热交换单元进行热交换，节省空间和成本。

另外，竖井1内壁和壳体21外壁对应缠绕有导线圈阵列，竖井1内壁上的导线圈阵列按顺序与不同的电源连接，壳体21外壁的各个导线圈自成闭路，以通过电源给竖井1内壁上的导线圈阵列施加固定频率的交流电，在壳体21外壁上的导线圈阵列中感应出反向环流，以使两组相反电流方向导线圈阵列形成反向的电磁场后，通过电磁力对重力块2施加向上的作用力，在压缩储能过程中，需要采用提升措施将重力块2向上提起，通过电源给竖井1内壁上的线圈阵列施加固定频率的交流电，在重力块2外壁上的线圈中感应出反向环流，两组相反电流方向线圈形成反向的电磁场后，通过电磁力使重力块2向上运动，从而减小启动瞬间重力块2需要的提升力，同时通过空气压缩机组4向储气腔11中通入压缩气体，重力块2向上移动至最高限位，在释能过程中，储气腔11中的气体通入空气膨胀机组5中进行做功发电，重力块2向下移动，使得重力块2的重力势能也转化为部分电能，另外，发生事故时，重力块2不受控向下加速运动，激发竖井1内壁线圈电源快速启动供电并形成电磁场，在重力块2外壁上的线圈中感应出反向电磁场，对重力块2形成向上的作用力，从而使重力块2快速减速，减小坠落时对竖井1下方的撞击动能。

在一些实施例中，壳体21顶部设置有两个第二通气孔24，两个第二通气孔24处均设置有阀门，两个阀门分别连接有进气通道和出气通道，进气通道和所述出气通道分别连接空气压缩机组4和空气膨胀机组5，使得压缩空气向壳体21中通气时，进气通道处的阀门打开，出气通道处的阀门关闭，通入壳体21中的压缩空气进入壳体21后通过第一通气孔23进入储气腔11中，在释能时，进气通道处的阀门关闭，出气通道处的阀门打开，此时储气腔11中的压缩空气进入壳体21中后只能通过出气通道通入空气膨胀机组5中。

由于壳体21中填充有蓄热材料22，为了防止蓄热材料22从第一通气孔23和第二通气孔24处洒出，可以在第一通气孔23和第二通气孔24处均设置隔离网25，以通过隔离网25对蓄热材料22进行阻挡，另外，壳体21可以分成筒体和盖体，盖体固定在筒体顶部，第一通气孔23设置在筒体的底部，并且在盖体上开两个第二通气孔24，并且在第一通气孔23处和两个第二通气孔24处均固定隔离网25，隔离网25上的网孔小于蓄热材料22的直径，由于隔离网25的阻挡能够防止蓄热材料22洒出，并且气体还能够通过隔离网25上的网孔。

在一些实施例中，为了充分利用储气腔11中压缩空气的压力，实现对重力块2向上的作用力，可以在竖井1的底部侧壁开有多个连通腔12，连通腔12的底部设置有压力缸13，并且连通腔12中设置有杠杆6，杠杆6的一端铰接有曲柄7，另一端位于重力块2的下方，曲柄7的底端连接有活塞8，活塞8活动插接在压力缸13中，活塞8与压力缸13之间密封，活塞8下方的压力缸13中形成密封腔14，密封腔14中填充有可压缩气体，以通过向储气腔11中通入气体带动活塞8向下移动，使得杠杆6一端向上升起对重力块2提供向上的辅助力，也就是说，当向储气腔11中通入压缩空气，储气腔11中的压缩空气通过连通腔12进入活塞8上方的压力缸13中，在压缩空气的压力作用下活塞8向下移动对压力缸13中的可压缩气体进行压缩，根据杠杆原理，活塞8向下移动过程中通过曲柄7带动杠杆6的一端向下移动，杠杆6的另一端向上翘起，翘起的一端向上移动过程中作用于重力块2给重力块2施加向上的力，为重力块2向上启动提供辅助力，便于重力块2的启动，通过杠杆6和导线圈的共同作用，能够大大提高对重力块2向上移动的作用力，减小重力块2向上移动时所需的外力。

在一些实施例中，活塞8上方的压力缸13中灌充有粘性压力液15，以通过粘性压力液15实现活塞8和压力缸13之间的密封，利用液体密封效果较好，在初始状态时，作用于活塞8上的粘性压力液的重力加上储气腔11中的空气压力与密封腔14中的可压缩气体对活塞8向上的压力平衡，进而使得杠杆6处于水平状态。

为了适应杠杆6在连通腔12中的工作，可以在连通腔12中设置有支座9，杠杆6安装在支座9上，也就是说杠杆6可以铰接在支座9上，使得杠杆6和支座9的连接处形成支点。

在一些实施例中，壳体21的底端侧壁开有延伸至底面的容纳槽26，容纳槽26可以为延伸至壳体21底部外壁的环形槽，使得多个连通腔12中的杠杆6的一端均能够伸入容纳槽26中，当杠杆6靠近重力块2的一端升起时，能够在容纳槽26中直接作用于壳体21，对重力块2施加向上的作用力，为了保障壳体21中的压缩空气仍能够顺利的进入储气腔11中，第一通气孔23是直接垂直贯穿壳体21底部，在第一通气孔23的侧壁可以开设多个与第一通气孔23相连通的第三通气孔28，多个第三通气孔28与储气腔11相连通，使得壳体21中的压缩空气可以通过第一通气孔23以及第三通气孔28进入储气腔11中。

另外，连通腔12横向设置，直接在竖井1的侧壁上垂直施工一段形成连通腔12，然后在连通腔12远离竖井1的一端地面上开设压力缸13，压力缸13和竖井1均为竖直设置。

在一些实施例中，连通腔12可以设置多个，多个连通腔12中的杠杆6等角度设置在壳体21周侧，每个连通腔12中均设置有压力缸13，通过多个连通腔12中设置的杠杆6同时能够对重力块2施加向上的作用力，并且由于多个连通腔12中的杠杆6等角度设置在重力块2周侧，使得多个杠杆6一端对重力块2向上的辅助力均匀，当连通腔12设置多个时，此时重力块2底端侧壁上可以对应设置多个容纳槽26。

需要说明的是，竖井1中密封件的设置可以有多种。

作为一种可能的情况，竖井1为圆柱筒状结构，壳体21为圆柱状结构，壳体21的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽27，其中竖直方向与壳体21的轴向方向一致，密封件3为套设在壳体21外部的环形筒状结构，密封膜的外径等于竖井1的内径，密封膜从中间将上部向内翻折后形成外环31和内环32连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的内环32周侧形成褶皱凸起，外环31的底端与竖井1内壁密封连接，内环32的底端与壳体21的外壁密封连接，褶皱凸起与平滑凹槽27贴合，由于壳体21的外径小于密封膜的内径，密封膜在翻折后形成的内环32位于外环31内侧，密封膜为筒状结构，翻折后的内环32为了适应环向空间大小，会出现褶皱凸起，通过设置平滑凹槽27使得密封膜在固定时能够将褶皱凸起凹陷于平滑凹槽27内，从而增大壳体21环向外壁与密封膜相接的长度，使得密封膜固定在壳体21周侧的长度增大，在壳体21上下移动过程中密封膜的外环31和内环32始终保持与竖井1内壁、壳体21外壁的良好贴合，提升了壳体21与密封膜直接的贴合结合位点，提升了密封膜与壳体21的贴合紧密型，并且由于密封膜的外径与竖井1的内径相同，进而使得密封膜的外环31能够完全贴合在竖井1内壁上，使得密封膜的外环31与竖井1之间结合紧密，利用刚性壁面为密封膜提供刚性支撑，提高了密封膜使用安全性、可靠性和寿命。

另外，密封膜的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构，方便密封膜的加工。

另外，壳体21周侧设置平滑凹槽27后，通过控制平滑凹槽27的深度和数量，使得壳体21在平滑凹槽27处环向的周长增大（例如，壳体21的筒体为圆柱筒结构，在平滑凹槽27处与圆柱筒轴线垂直的截面处的环向周长就是壳体21在平滑凹槽27处的环向的周长，并且密封膜外壁环向周长就是密封膜环形筒状结构的外筒端面周长），内环32的褶皱凸起的部分能够贴合在平滑凹槽27中，使得内环32与壳体21之间贴合，褶皱凸起与平滑凹槽27贴合，壳体21能够对密封膜进行支撑，提高了密封膜使用安全性、可靠性和寿命。

上述实施例中记载的一种具有缓冲作用的重力储能系统的具体储气方法如下：

在初始状态时，作用于活塞8上的粘性压力液的重力加上储气腔11中的空气压力与密封腔14中的可压缩气体对活塞8向上的压力平衡，进而使得杠杆6处于水平状态；

储能时，电动机通电带动空气压缩机组4对气体压缩做功，将常温常压空气压缩后得到高温高压空气，高温高压空气通入重力块2中通过蓄热材料22后将热量存储在蓄热材料22中得到低温高压气体，低温高压气体通入储气腔11中，储气腔11中的压缩空气通过连通腔12进入到压力缸13中，对活塞8施加向下的压力，使得活塞8在压力缸13中向下移动，移动过程中通过曲柄7拉动杠杆6的一端向下移动，杠杆6的另一端向上抬升，抬升的过程中对重力块2施加向上的辅助力，同时通过电源给竖井1内壁上的导线圈阵列施加固定频率的交流电，在壳体21外壁上的导线圈阵列中感应出反向环流，以使两组相反电流方向导线圈阵列形成反向的电磁场后，通过电磁力对重力块2施加向上的作用力，重力块2向上移动至最高限位，重力块2向上移动过程中杠杆6靠近重力块2的一端也向上移动至一定位置后停止，保持倾斜的状态；

释能时，储气腔11中的压缩气体进入重力块2中，吸收蓄热材料22中存储的热量，得到的高温高压气体通过出气通道进入空气膨胀机组5中进行做功，带动发电机发电，重力块2向下移动，当重力块2移动至与杠杆6抬升的一端接触时，通过杠杆6抬升的一端对重力块2进行支撑缓冲，使得重力块2能够缓慢向下移动，发生事故时，重力块2不受控向下加速运动，激发竖井1内壁线圈电源快速启动供电并形成电磁场，在重力块2外壁上的线圈中感应出反向电磁场，对重力块2形成向上的作用力，从而使重力块2快速减速，并且杠杆6也会对重力块2有一定的支撑作用，减小坠落时对竖井1下方的撞击动能。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。