阅读说明：本技术 一种基于竖井和巷道的重力储能系统 (Gravity energy storage system based on vertical shaft and roadway ) 是由 邱清泉 肖立业 张京业 王粟 夏孝天 唐文冰 张东 郭文勇 许熙 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于竖井和巷道的重力储能系统,包括竖井(1)、巷道(2)、上部轨道(3)、下部轨道(4)、支撑梁架(5)、电动发电机(6)、绞盘(7)、轿厢(8)和n个重物载体(9)；在储能工况,一个重物载体(9-n)从下部轨道(4)运动到轿厢(8)内部,通过电动发电机(6)带动绞盘(7)将重物载体模块(9-n)吊到顶部,然后从轿厢(8)内部运动到上部轨道(3)；在释能工况,重物载体模块(9-n)从上部轨道(3)运动到轿厢(8)内部,重物载体模块(9-n)降落过程中,通过绞盘(7)带动电动发电机(6)发电,重物载体模块(9-n)落到底部后,从轿厢(8)内运动到下部轨道(4)停放。重力储能系统可以在山体内部或地下安装,可实现规模化储能。(The invention provides a gravity energy storage system based on a vertical shaft and a roadway, which comprises a vertical shaft (1), the roadway (2), an upper track (3), a lower track (4), a supporting beam frame (5), a motor generator (6), a winch (7), a car (8) and n weight carriers (9); under the working condition of energy storage, a heavy object carrier (9-n) moves to the inside of the car (8) from the lower rail (4), a winch (7) is driven by a motor generator (6) to hoist the heavy object carrier module (9-n) to the top, and then the heavy object carrier module moves to the upper rail (3) from the inside of the car (8); under the working condition of energy release, the weight carrier module (9-n) moves to the inside of the car (8) from the upper track (3), the winch (7) drives the motor generator (6) to generate electricity in the falling process of the weight carrier module (9-n), and the weight carrier module (9-n) moves to the lower track (4) from the inside of the car (8) to park after falling to the bottom. The gravity energy storage system can be installed inside a mountain or underground, and large-scale energy storage can be realized.)

一种基于竖井和巷道的重力储能系统

技术领域

本发明涉及储能

技术领域

，尤其是一种基于竖井和巷道的重力储能系统。

背景技术

碳达峰碳中和“30.60”目标是中国为应对全球气候变化作出的郑重承诺，也是中国制定政策时的硬约束，对经济和市场都有深远影响。要实现碳达峰和碳中和，一方面要逐步减少化石能源的消费量，另一方面要切实提升可再生能源的消费占比。我国风能和太阳能等新源能源主要分布在西北地区、且太阳能发电集中在白天，而电力负荷主要分布在东南沿海一带、且夜间电力消耗的比值更大，这一现象造成了我国新能源电力生产和消耗存在较强的时空不匹配性。新能源发电受气候条件的影响而波动性较大，特别是在其直接并网比例超过20％以后，可能发生严重的恶性连锁事故，对整个电网产生较大的冲击。也正因为如此，经常会产生弃风、弃光等现象，导致新能源电力的利用率低下。然而，低成本、大容量、易选址的储能技术可有效解决时空不匹配和并网稳定性问题，是可再生能源大规模高效开发利用、实现我国能源领域绿色可持续发展战略的重要保障。

重力储能是一种古老和相对成熟的储能技术，特别是抽水储能技术，已经实现了商业运行。但是抽水储能技术对选址要求很高，需要建设上下游水库，并且水的蒸发量也比较大，在北方、特别是西北地区选址比较困难。利用斜坡轨道和竖井提升重物的重力势能储能系统得到了广泛关注，应用于干旱缺水地区具有优越性。利用斜坡轨道进行重力储能，其效率与斜坡的坡度密切相关，坡度越大、摩擦损耗越小，但大坡度斜坡及轨道的建设存在诸多难题，需考虑极端天气、地质灾害等对储能系统的影响。利用垂直提升重物进行储能，如果可以利用现有或废弃的竖井、梁架等结构，技术难度和建造成本更低，如果需要新建造竖梁或竖井，也会增加建造成本。针对垂直提升重物储能方案，瑞士EnergyVault公司提出了一种利用起重机将混凝土块堆叠成塔的结构，利用混凝土块的吊起和吊落进行储能和释能，单个混凝土砖块的重量可达35吨。采用起重机结构吊装混凝土块需要高载重和高精度抓放的机械手，制造难度大，且存在缆绳晃动难以定位、堆砌塔楼稳定性低等诸多问题，限制了其推广应用。英国Gravitricity公司利用竖井吊装单个重物进行重力储能，为增加储能量，单个重物计划扩大到500吨的重量，进一步提高单个重物的质量对支撑梁架和提升系统等机械结构的设计和建造带来挑战。

发明内容

本发明针对现有垂直提升重物储能系统存在的不足，及其对长时间储能的需求，提出一种基于竖井和巷道的重力储能系统。

本发明采用以下技术方案：一种基于竖井和巷道的重力储能系统包括竖井、巷道、上部轨道、下部轨道、支撑梁架、电动发电机、绞盘、轿厢和n个重物载体；下部轨道安装在巷道内部；电动发电机和绞盘安装在支撑梁架上方；支撑梁架的高度高于轿厢的高度，重物载体的高度低于轿厢的高度；轿厢内部安装有轨道，轨道结构和尺寸与上部轨道和下部轨道相同；在储能工况，一个重物载体从下部轨道移动到轿厢内部，通过电动发电机带动绞盘将重物载体吊到顶部，然后从轿厢内部移动到上部轨道停放；在释能工况，重物载体模块从上部轨道运动到轿厢内部，重物载体模块降落过程中，通过绞盘带动电动发电机发电，重物载体模块落到底部后，从轿厢内运动到下部轨道停放。重力储能系统可以在山体内部或地下安装；针对山体内部安装的情况，上部轨道、支撑梁架、电动发电机和绞盘均安装于山体顶部，巷道在地平面挖掘；针对地下安装的情况，上部轨道、支撑梁架、电动发电机和绞盘均安装于地平面，巷道在竖井底部挖掘。

竖井可采用圆井或方井结构；单个竖井内部可安装单个轿厢，也可以安装两个轿厢；单个电动发电机带动单个绞盘或两个绞盘；电动发电机可采用独立的电动机和发电机结构，也可以采用电动发电一体机结构。重物载体模块通过自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式运动到轿厢内部。

本发明具有以下优点：

(1)本发明可有效提升重力储能系统的储能量。与现有基于竖井的重力储能系统相比，本发明采用轿厢和重物载体结构，重物载体模块可以依靠自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式运动到轿厢内部，从而可以采用一套拉升系统提升多个重物载体模块，有效提高储能量。

(2)本发明可提升减轻拉升机构和支撑机构的载重量，提高系统的安全性。现有重力储能系统为提高储能量通常需要提高重物载体的重量，这对支撑机构的设计带来很大困难，本发明可利用多个重物载体进行储能，可有效降低拉升机构和支撑机构的载重量，提高系统的安全性。

(3)本发明可有效提高储能效率。与现有方案相比，本发明提出在单个竖井布置两套轿厢和拉升机构的新方案，可以降低电动发电机及拉升机构在轿厢空载上升下降过程中的功率损耗，提高储能效率。

(4)本发明可利用废弃矿井、废弃竖井等设施简单改造后进行储能，可以实现废弃资源的二次应用，具有非常重要的科学价值和社会意义。

附图说明

图1为本发明具体实施例1基于山体内竖井和巷道的重力势能储能系统示意图；

图2为本发明具体实施例2基于地下竖井和巷道的重力势能储能系统示意图；

图3为单个方井和圆井布置单轿厢的布局图；

图4为单个方井和圆井布置双轿厢的布局图；

图5为单个竖井布置双轿厢的重力储能系统示意图。

图中，1竖井；2巷道；3上部轨道；4下部轨道；5支撑梁架；6电动发电机；7绞盘；7-1绞盘a；7-2绞盘b；8轿厢；8-1轿厢a；8-2轿厢b；9重物载体。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1所示为本发明实施例1基于山体内竖井和巷道的重力势能储能系统。包括竖井1、巷道2、上部轨道3、下部轨道4、支撑梁架5、电动发电机6、绞盘7、轿厢8和n个重物载体9；下部轨道4安装在巷道2内部；电动发电机6和绞盘7安装在支撑梁架5上方；支撑梁架5的高度高于轿厢8的高度，重物载体9的高度低于轿厢8的高度；轿厢8内部安装有轨道，轨道结构和尺寸与上部轨道3和下部轨道4相同；在储能工况，一个重物载体9-n从下部轨道4运动到轿厢8内部的轨道上，通过电动发电机5带动绞盘7将重物载体模块9-n吊到顶部，然后从轿厢8内部的轨道上运动到上部轨道3停放；在释能工况，重物载体模块9-n从上部轨道3运动到轿厢8内部，重物载体模块9-n降落过程中，通过绞盘7带动电动发电机6发电，重物载体模块9-n落到底部后，从轿厢8内的轨道上运动到下部轨道4停放。竖井1可采用圆井或方井结构；单个竖井1内部可安装单个或两个轿厢8；单个电动发电机6带动单个绞盘7或两个绞盘7；电动发电机6可采用独立的电动机和发电机结构，也可以采用电动发电一体机结构。针对山体内部安装的情况，上部轨道3、支撑梁架5、电动发电机6和绞盘7均安装于山体顶部，巷道2在地平面挖掘。

图2所示为本发明实施例2实施例1基于地下竖井和巷道的重力势能储能系统。包括竖井1、巷道2、上部轨道3、下部轨道4、支撑梁架5、电动发电机6、绞盘7、轿厢8和n个重物载体9；下部轨道4安装在巷道2内部；电动发电机6和绞盘7安装在支撑梁架5上方；支撑梁架5的高度高于轿厢8的高度；轿厢8内部安装有轨道，轨道结构和尺寸与上部轨道3和下部轨道4相同；在储能工况，一个重物载体模块9-n从下部轨道4运动到轿厢8内部，通过电动发电机6带动绞盘7将重物载体模块9-n吊到顶部，然后从轿厢8内部运动到上部轨道3停放；在释能工况，重物载体模块9-n从上部轨道3运动到轿厢8内部，重物载体模块9-n降落过程中，通过绞盘7带动电动发电机6发电，重物载体模块9-n落到底部后，从轿厢8内运动到下部轨道4停放。竖井1可采用圆井或方井结构；单个竖井1内部可安装单个或两个轿厢8；单个电动发电机6带动单个绞盘7或两个绞盘7；电动发电机6可采用独立的电动机和发电机结构，也可以采用电动发电一体机结构。针对地下安装的情况，上部轨道3、支撑梁架5、电动发电机6和绞盘8均安装于地平面，巷道2在竖井1底部挖掘。

针对上述实施例，竖井1可采用圆井或方井结构；单个竖井1内部可安装单个轿厢8，如图3所示，也可以安装两个轿厢，如图4所示。单个电动发电机6带动单个绞盘7或两个绞盘7。采用双绞盘7和双轿厢8结构，可以降低电动发电机6及拉升机构在轿厢8空载上升下降过程中的功率损耗，提高储能效率，如图5所示，其中，双绞盘7分别为绞盘a7-1；绞盘b7-2。双轿厢8分别为轿厢a8-1和轿厢b8-2。电动发电机6可采用独立的电动机和发电机结构，也可以采用电动发电一体机结构。重物载体模块9-n通过自动驾驶或拖挂车牵引/推动方式运动到轿厢8内部。

虽然本发明参照某些优选实施方案进行了详述，但本领域技术人员将会认识到在权利要求书的范畴内还有其它实施方案。例如，本发明超导线圈的结构还可以采用环形线圈结构。