一种模块化可调功率易扩容的重力储能系统
阅读说明：本技术 一种模块化可调功率易扩容的重力储能系统 (Modular gravity energy storage system with adjustable power and easy capacity expansion ) 是由 薛志恒 贾晨光 邢乐强 杨可 何欣欣 陈会勇 赵杰 王伟锋 张朋飞 孟勇 王兴 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模块化可调功率易扩容的重力储能系统,包括发电/电动一体机和N个单组储能/发电模块；所述的单组储能/发电模块包括单个钢丝绳索卷轴筒单元、M-i个储能单元、1根钢丝绳索、1组钢丝绳索末端滑轮支撑装置单元及钢丝绳末端固定及受力监测装置单元；所述M-i个储能单元首尾相接、连续排列,M-i个储能单元布置在单个钢丝绳索卷轴筒单元的一侧且固定在储能塔模块地面上,M-i个储能单元排列末端的地面位置布置钢丝绳索末端滑轮支撑装置单元及钢丝绳末端固定及受力监测装置单元。本发明的发电过程具有输出功率稳定、可调的特点,系统储能容量及发电功率易实现扩容,系统安全性高。(The invention discloses a modularized power-adjustable and capacity-expandable gravity energy storage system, which comprises a power generation/electric integrated machine and N single-group energy storage/power generation modules; the single-group energy storage/power generation module comprises a single steel wire rope reel drum unit and an M i The energy storage unit, 1 steel wire rope, 1 group of steel wire rope tail end pulley supporting device units and the steel wire rope tail end fixing and stress monitoring device unit are arranged; the M is i The energy storage units are connected end to end and arranged continuously, M i The energy storage units are arranged at one side of the single steel wire rope reel drum unit and fixed on the ground of the energy storage tower module, M i The ground position of the tail end of the energy storage unit arrangement is provided with a steel wire rope tail end pulley supporting device unit and a steel wire rope tail end fixing and stress monitoring device unit. The power generation process of the invention has the characteristics of stable and adjustable output power, the capacity expansion of the system energy storage capacity and the power generation power is easy to realize, and the system safety is high.)
技术领域
本发明涉及重力储能及发电
技术领域
，具体涉及一种模块化可调 功率易扩容的重力储能系统。背景技术
风电、太阳能等新能源发电系统输出功率受客观条件所限，具有 随机性、间歇性和不稳定性。大量的新能源装机扩容，扩大了发电侧 与电网用户侧在时间上的供需平衡差异，增加了电网运行的不稳定性。
现有主流储能系统，如抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能等， 可以发现现有储能系统均存在一定缺陷，要么效率偏低如压缩空气储 能、抽水蓄能；要么循环寿命较短如电池储能；要么不够环保如抽水 蓄能电站对环境的破坏、电池储能；要么成本较高现有方式均成本偏 高；要么对地理位置要求苛刻如抽水蓄能和大规模压缩空气储能。这 导致现有储能系统仅适合进行小规模试验探索，而不具备大规模应用 特性。
当前，国外的重力储能系统主要型式是基于水泥块工质或者铁轨 型式，并且采用复杂的转载码垛机构，这样增加了系统复杂程度和损 耗，也导致储能系统容量扩展困难。在国内，重力储能仍尚处于理论 研究阶段，发展低成本、易扩容的重力储能系统具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一 种模块化可调功率易扩容的重力储能系统，沙石、水泥、金属等任 何化学性质稳定的固体材料及任何化学性质稳定的液体材料均可作 为本发明的工质参与储能及发电过程，发电过程具有输出功率稳 定、可调的特点，系统储能容量及发电功率易实现扩容，系统安全 性高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种模块化可调功率易扩容的重力储能系统，包括发电/电动一 体机1和N个单组储能/发电模块13；
所述的单组储能/发电模块13包括单个钢丝绳索卷轴筒单元14、 Mi个储能单元16、1根钢丝绳索7、1组钢丝绳索末端滑轮支撑装置 单元5及钢丝绳末端固定及受力监测装置单元9；
所述Mi个储能单元16首尾相接、连续排列，Mi个储能单元16布 置在单个钢丝绳索卷轴筒单元14的一侧且固定在储能塔模块地面10 上，Mi个储能单元16排列末端的地面位置布置钢丝绳索末端滑轮支 撑装置单元5及钢丝绳末端固定及受力监测装置单元9。
所述单个钢丝绳索卷轴筒单元14包括钢丝绳索卷轴筒支撑装置 3、钢丝绳索卷轴筒2及转动轴17；
其中，转动轴17穿过钢丝绳索卷轴筒2，并由钢丝绳索卷轴筒 支撑装置3进行固定及承载；
转动轴17与钢丝绳卷轴筒2之间设置离合器，离合器为钢丝绳 卷轴筒2的一部分，用于实现钢丝绳卷轴筒2与转动轴17之间双向 旋转的啮合与断开；
转动轴17两侧均设置联轴器，用于实现相邻钢丝绳索卷轴筒单 元14间的连接，从而使钢丝绳索卷轴筒单元14实现扩展性，增加一 组钢丝绳索卷轴筒单元14只需要将联轴器进行连接，储能容量及发 电功率即可实现扩容。
所述储能单元16包括单元制储能塔15、重物箱6、重物箱动滑 轮组12、储能塔模块顶平台定滑轮组及支撑装置4及储能单元防雨 棚8；
储能单元16数量Mi≥1，理论数量无上限；
N个单组储能/发电模块13中的各储能单元16数量Mi可不相同， 机组投产后可随时扩容增加任一单组储能/发电模块13中的储能单 元16数量Mi，机组的储能容量随之增加；
所有重物箱6的重量均相同为G，重物箱6放置于单元制储能塔 15内部，重物箱6顶部中心位置设置重物箱动滑轮组12；
所述重物箱6内装填的储能工质材料可以为沙石、水泥、金属等 任何化学性质稳定的固体材料及任何化学性质稳定的液体材料，工质 材料的密度越大，系统储能容量越大；
所述各单元制储能塔15重物有效提升高度Hi可相同，也可以不 同；
所述单元制储能塔15顶部设置储能单元防雨棚8；
所述储能单元防雨棚8下层设置储能塔模块顶平台定滑轮组及 支撑装置4，储能塔模块顶平台定滑轮组及支撑装置4包含定滑轮及 轴承系统。
所述钢丝绳索末端滑轮支撑装置单元5及钢丝绳末端固定及受 力监测装置单元9用于对钢丝绳索7的拉力进行实施监测，具有警 报、故障诊断及运行停机保护连锁功能，固定钢丝绳索7末端。
所述钢丝绳索7一端固定在本组储能/发电模块13钢丝绳末端 固定及受力监测装置单元9上，依次穿过本组储能/发电模块13的钢 丝绳索末端滑轮支撑装置单元5、穿过前后排列的Mi个储能单元16 的储能塔模块顶平台定滑轮组及支撑装置单元4的定滑轮组、重物箱 动滑轮组12，并最终穿过末端储能单元16储能塔模块顶平台定滑轮 组及支撑装置单元4的定滑轮组后连接至本组储能/发电模块13中 的单个钢丝绳索卷轴筒单元14的钢丝绳索卷轴筒2上。
所述单组储能/发电模块13数量及钢丝绳索7的数量N为偶数， 平均分布在发电/电动一体机1转轴的两侧；机组投产后可随时扩容 增加单组储能/发电模块13中的数量N，机组的储能容量及对外输出 最大功率随之均增加。
所述重力储能系统在储能或发电稳定运行过程中，具有如下特性：
(a)无论单组储能单元16数量Mi为多少，在忽略滑轮组阻力条 件下，单根钢丝绳索7上受到的理论拉力始终为0.5G；
(b)假设发电机旋转角速度为ω，则发电过程中储能系统对外 输出最大功率如公式(1)所示，此时所有储能/发电模块13均同时 进行释能；储能机组最小输出功率如公式(2)所示，此时仅有1组 储能/发电模块13进行释能；
式中：Pmax为储能系统对外输出最大功率，kW；N为单组储能/发 电模块13的数量，个；r为钢丝绳索卷轴筒的半径，m；ω为发电机 额定转速，r/min；G为单个重物的重量，N；
式中：Pmin为储能系统对外输出最小功率，kW；N为单组储能/发 电模块13的数量，个；r为钢丝绳索卷轴筒的半径，m；ω为发电机 额定转速，r/min；G为单个重物的重量，N；
(c)假设发电机转速为ω，则储能系统总储能最大容量如公式 (3)所示：
式中：Wtot为储能系统最大储能容量，kWh；N为单组储能/发电模 块13的数量，个；G为单个重物的重量，N。Mi为每组储能/发电模块 13储能单元16的数量，个；Hi为每组储能/发电模块各单元制储能塔 重物有效提升高度，m。
本发明的有益效果：
(1)通过单元制模块化重力储能系统的设计，避免了叠跺方式 重力储能系统复杂的转载码垛机构设计，系统配置、运行更加简单、 可靠；
(2)无论储能模块增加多少，储能及发电过程中，钢丝绳索受 力始终保持恒定，极大增加了系统安全性；
(3)机组发电过程中的负荷输出稳定。由于在发电过程中，发 电机轴受到的扭矩时刻保持恒定，因此本发明可实现发电负荷稳定；
(4)储能工质多样化，沙石、金属、液体等均可作为储能工质 材料，可大幅降低储能投资成本；
(5)本储能发电系统可建设在任何地方，沙漠边缘、山体旁、 乡村无用地等都可以作为建设本储能发电系统的场地。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明侧视图。
图3为本发明俯视图。
图4为本发明整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示的一种模块化可调功率易扩容的重力储能系统， 主要由发电/电动一体机1、N个单组储能/发电模块13组成，本示例 附图中的N为4。
所述的单组储能/发电模块13包括：单个钢丝绳索卷轴筒单元 14、Mi个储能单元16、1根钢丝绳索7、1组钢丝绳索末端滑轮支撑 装置单元5及钢丝绳末端固定及受力监测装置单元9等组成，本示例 附图中的Mi均为4。
对于单组储能/发电模块13，Mi个储能单元16首尾相接、连续排 列，布置在单个钢丝绳索卷轴筒单元14的一侧，固定在一个储能塔 模块地面10上。
钢丝绳索末端滑轮支撑装置单元5及钢丝绳末端固定及受力监 测装置单元9布置在Mi个储能单元16排列末端的地面位置。
所述单个钢丝绳索卷轴筒单元14包括：钢丝绳索卷轴筒支撑装 置3、钢丝绳索卷轴筒2及转动轴17。
其中，转动轴17穿过钢丝绳索卷轴筒2，并由钢丝绳索卷轴筒 支撑装置3进行固定及承载。
转动轴17与钢丝绳卷轴筒2之间设置离合器，离合器为钢丝绳 卷轴筒2的一部分，可实现钢丝绳卷轴筒2与转动轴17之间双向旋 转的啮合与断开。
转动轴17两侧均设置联轴器，可实现相邻钢丝绳索卷轴筒单元 14间的连接，从而使钢丝绳索卷轴筒单元14实现扩展性，增加一组 钢丝绳索卷轴筒单元14只需要将联轴器进行连接，储能容量及发电 功率即可实现扩容。
所述储能单元16包括：单元制储能塔15、重物箱6、重物箱动 滑轮组12、储能塔模块顶平台定滑轮组及支撑装置4及储能单元防 雨棚8组成。
储能单元16数量Mi≥1，理论数量无上限。
N个单组储能/发电模块13中的各储能单元16数量Mi可不相同， 机组投产后可随时扩容增加任一单组储能/发电模块13中的储能单 元16数量Mi，机组的储能容量随之增加。
所有重物箱6的重量均相同为G，重物箱6放置于单元制储能塔 15内部，重物箱6顶部中心位置设置重物箱动滑轮组12。
重物箱6内装填的储能工质材料可以为沙石、水泥、金属等任何 化学性质稳定的固体材料及任何化学性质稳定的液体材料，工质材料 的密度越大，系统储能容量越大。
各单元制储能塔15重物有效提升高度Hi可相同，也可以不同。
单元制储能塔15顶部设置储能单元防雨棚8。
单元制储能塔15顶部储能单元防雨棚8下层设置储能塔模块顶 平台定滑轮组及支撑装置4，包含定滑轮及轴承系统。
所述钢丝绳索末端滑轮支撑装置单元5及钢丝绳末端固定及受 力监测装置单元9功能包括：对钢丝绳索7的拉力进行实施监测，具 有警报、故障诊断及运行停机保护连锁功能，固定钢丝绳索7末端。
所述钢丝绳索7一端固定在本组储能/发电模块13钢丝绳末端 固定及受力监测装置单元9上，依次穿过本组储能/发电模块13的钢 丝绳索末端滑轮支撑装置单元5、穿过前后排列的Mi个储能单元16 的储能塔模块顶平台定滑轮组及支撑装置单元4的定滑轮组、重物箱 动滑轮组12，并最终穿过末端储能单元16储能塔模块顶平台定滑轮 组及支撑装置单元4的定滑轮组后连接至本组储能/发电模块13中 的单个钢丝绳索卷轴筒单元14的钢丝绳索卷轴筒2上。
所述单组储能/发电模块13数量及钢丝绳索7的数量N为偶数， 平均分布在发电/电动一体机1转轴的两侧；机组投产后可随时扩容 增加单组储能/发电模块13中的数量N，机组的储能容量及对外输出 最大功率随之均增加。
储能或发电稳定运行过程中，具有如下特性：
(a)无论单组储能单元16数量Mi为多少，在忽略滑轮组阻力条 件下，单根钢丝绳索7上受到的理论拉力始终为0.5G；
(b)假设发电机旋转角速度为ω，则发电过程中储能系统对外 输出最大功率如公式(1)所示，此时所有储能/发电模块13均同时 进行释能；储能机组最小输出功率如公式(2)所示，此时仅有1组 储能/发电模块13进行释能；
式中：Pmax为储能系统对外输出最大功率，kW；N为单组储能/发 电模块13的数量，个；r为钢丝绳索卷轴筒的半径，m；ω为发电机 额定转速，r/min；G为单个重物的重量，N。
式中：Pmin为储能系统对外输出最小功率，kW；N为单组储能/发 电模块13的数量，个；r为钢丝绳索卷轴筒的半径，m；ω为发电机 额定转速，r/min；G为单个重物的重量，N。
(c)假设发电机转速为ω，则储能系统总储能最大容量如公式 (3)所示：
式中：Wtot为储能系统最大储能容量，kWh；N为单组储能/发电模 块13的数量，个；G为单个重物的重量，N。Mi为每组储能/发电模块13储能单元16的数量，个；Hi为每组储能/发电模块各单元制储能塔 重物有效提升高度，m。
利用储能系统可显著改变电力生产、输送和使用同步完成的模式， 实现电能在时间维度上的错时利用，是新能源快速发展及有效利用的 关键因素。
相较现有储能技术，新兴的重力储能系统从理论上可以实现高效、 环保、低成本、良好扩展性及不受地域限制，理论上效率可达到90％ 以上，不存在环境污染问题，地理位置适应性强，大规模应用后的成 本可以显著降低。因此，重力储能技术将是未来解决新能源发电条件 下电网运行稳定问题的有效方向。
本发明的工作原理：
(1)在储能过程中，发电/电动一体机1处于电动机工作模式， 带动钢丝绳索卷轴筒单元14中的钢丝绳索卷轴筒2旋转，钢丝绳索 7不断缠绕在钢丝绳索卷轴筒2上，钢丝绳索7上受到的拉力为单个 重物箱6的重力，重物箱6受到连接于重物箱动滑轮组12上的钢丝绳索7的拉力，从地面不断抬升高度，直至达到设计高度Hi，系统停 止储能过程。由于在储能过程中，大量质量较大的重物箱6被提升了 一定竖直高度，因此系统储备了大量重力势能，。
(2)在发电过程中，重物箱6受重力作用向下运动，在匀速运 动过程中，钢丝绳索7拉力保持不变，带动钢丝绳索卷轴筒2和发电 /电动一体机1旋转，此时，发电/电动一体机1处于发电模式，大量 重物箱6的重力势能不断释放，通过发电/电动一体机1转换为电能 进行输出。
实例说明：
如表1所示，是如图1所示的一种模块化可调功率易扩容的重力 储能系统基本设计参数。
在该设计系统中，重物箱的长×宽×高为：9m×9m×3m，各单元 制储能塔重物有效提升平均高度H为100m，储能/发电模块数量为4， 单组储能/发电模块的储能单元数量均为4。
在如图1所示的实例中，计算结果表明，该储能系统占地面积为 2041m2，当重物为沙子时储能系统对外输出最大功率为15.268MW，当 重物为水泥块时储能系统对外输出最大功率为22.902MW，当重物为 沙子时储能系统对外输出最大功率为60.309MW。发电机额定转速为 300rpm，当重物为沙子时总储能容量为2.12MW，当重物为水泥块时总 储能容量为3.18MW，当重物为水泥块时总储能容量为8.37MW。
通过扩容储能/发电模块数量及单组储能/发电模块中的储能单 元数量，机组的储能容量和储能系统对外输出最大功率将会显著增加。
示例图只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范 围的限制，本领域的技术人员根据上述内容做出的一些非本质的改进 和调整均属于本发明的保护范围。
表1一种模块化、输出功率稳定可调、功率及容量均可扩容的重力储能系统 基本设计参数
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