依托山体的重力储能系统-发明专利

图1图2图3依托山体的重力储能系统技术领域本发明涉及能量储存技术领域，是一种将电能转成重力势能进行储存以及将所存重力势能转成电能的高效储能/释能系统。

背景技术近年来，我国工业用电量飞速增长，而且用电波峰波谷差值不断增大。

另一方面，可再生能源（风能、太阳能、潮流能等）虽然绿色清洁，但通常具有规律性差，波动大等缺点，难以与用电需求的实时趋势保持一致。

虽然我国可再生能源装机容量不断扩大，但是电力供应紧张和电网调峰困难的问题反而日益凸显。

大规模电力储能技术是解决电力生产产能与电力需求波动的峰谷差之间矛盾的重要手段。

此外，电力储能技术还可以有效平滑可再生能源的并网冲击，以及可以提高电力系统供电的可靠性。

目前已有的电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能，电解水储能、超导磁能和超级电容等。

其中抽水储能技术最为典型，抽水储能方式储能容量大，响应速度较快，因而应用较广泛。

但是建设抽水储能电站需要特殊的地理条件，建设两个水库和水坝，建设周期长，初期投资巨大，并且只能建设在有水源的地方，能量循环效率一般（约70％）。

现有技术例如专利文献CN201599160U提出了一项通过提升标准化重块实现储蓄重力势能的方案。

该方案需要大型支撑柱结构，并采用滑轮和拉索实现重物升降。

该方案占地相对不多，理论上效率可达90％，并可用于缺水地区。

然而，该方案将标准化重块安装在支撑装置上，对立柱、拉索等部件的材质和结构设计要求过高，安全系数低，存在较大的运行风险。

现有技术中的先进电力机车（例如和谐3D型电力机车）可以利用下坡进行再生发电，但是要求倾斜铁轨为平缓的直线或曲线。

这是因为轮轨接触粘着系数较低，无法提供在陡坡行驶时需要的驱动力。

根据现有电力机车技术，本领域熟练的技术人员可能想象出：选取坡度较小（例如小于5°）、坡距长（例如5公里）的地理环境，运行与电网相连的专用电力机车，进行大量重物的往返搬运实现储电和释能。

例如，在倾斜铁轨上空架设电接触网或者在倾斜铁轨旁边铺设导电轨，并在电力机车上安装受电弓和牵引发电两用电机。

本领域熟练的技术人员还可能进一步想象出：通过铺设两条平行倾斜铁轨实现循环作业，通过增加机车数量和车皮数量提高能量密度。

但是该方案占用有用土地面积大，地理条件约束较多，工程量大，而且总效率不高（单程约80％，双程约60％），维护成本高，因此实用价值有限。

更熟练的技术人员还可能进一步想象出：在下滑行程前段不做制动，而仅在下滑倾斜铁轨末段直线段设置阻拦索，通过阻拦索制动将动能转换得到电能，则总效率可以获得提高至约70％，但是系统复杂程度高。

发明内容本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种依托山体的重力储能系统，该系统效率较高、成本较低、占地面积较小、安全系数较高。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种依托山体的重力储能系统，包括高海拔堆垛平台、低海拔堆垛平台、至少两条倾斜铁轨、若干标准化重块、电力提升和发电装置以及控制系统；所述标准化重块码放在所述高海拔堆垛平台和所述低海拔堆垛平台上，所述高海拔堆垛平台和所述低海拔堆垛平台上分别设有转载、运输和码垛设备，在所述高海拔堆垛平台和所述低海拔堆垛平台之间的斜坡上铺设有至少两条所述倾斜铁轨，每条所述倾斜铁轨设有至少一段连续铁轨，对应每段所述连续铁轨设有一套所述电力提升和发电装置；每套所述电力提升和发电装置包括一拖车、一缆绳、一缆绳绞盘和一电动发电一体机，所述拖车设置在相应的所述连续铁轨上，并与所述缆绳的一端连接，所述缆绳卷绕在所述缆绳绞盘上，所述缆绳绞盘安装在该连续铁轨顶部或底部的平台边缘，与该连续铁轨的端部相邻，所述缆绳绞盘与所述电动发电一体机通过机械传动机构连接；所述控制系统控制所述转载、运输和码垛设备以及所述电动发电一体机的工作状况。

所述拖车设有下行加速装置。

在所述高海拔堆垛平台和所述低海拔堆垛平台之间设有中间转载平台，每条所述倾斜铁轨由两段所述连续铁轨组成，所述中间转载平台上设有中间转载设备。

在所述连续铁轨的低海拔端设有防撞装置。

在所述拖车上设有铁轨摩擦制动器。

所述转载、运输和码垛设备包括至少一转载设备、至少一条平台铁轨、至少一台自动小车、至少一台码垛机，所述转载设备设置在所述连续铁轨的端部，所述平台铁轨的一端位于所述转载设备的下方，另一端位于平台远离转载设备的一侧。

所述自动小车上安装有橡胶轮胎和与所述平台铁轨配套的钢轮。

所述标准化重块的顶部设有吊钩或吊环或者角件，所有所述标准化重块的尺寸一致，外形为长方体、多边柱形或者圆柱形。

本发明具有的优点和积极效果是：一）升降、装载和码垛/拆垛等作业所用的机械设备技术成熟、设备成本低，工作年限长。

系统通过装载和码垛动作实现缆绳分时段重复使用，故不需要在每一个标准化重块上安装固定的缆绳，大幅度减少高强度缆绳成本。

二）维护方便，工作安全可靠。

升降作业时利用山体斜坡减小拖曳力，并采用提高安全系数设计的钢索或合成纤维绳，因此除非遭遇不可预见灾难，不会出现缆绳突然断裂事件。

即使缆绳意外断裂致使标准化重块滑落，也可通过制动刹车和山底缓冲装置实现保护，并能快速复工。

而装载和码垛过程中标准化重块与地面高度差仅数米，而非CN201599160U中的上百米，即使缆绳意外断裂致使标准化重块坠落，也不会引发地震等破坏。

由于只有少量重物处于运动状态，没有抽水蓄能大坝破损、飞轮储能设备外壳破损之类安全隐患。

三）能量循环效率高，可实现电力均匀输出。

整个过程主要包括电动机提升重物、重物下降拖动发电机发电两个动作。

电机技术成熟，提升效率可以达到95％，下降发电效率可以达到92％，系统总体效率可以达到91％，扣除搬运设备耗电，也可以达到接近90％，远高于抽水电站的70％。

通过多个铁轨间歇下放重物，并对下放速度进行规划，可实现电力的均匀输出。

四）可以实现较大容量储能，能量密度中等。

尽管单个储能电站容量一般不大，一般只有大型抽水蓄能电站的数十分之一，但是选址远比抽水蓄能电站灵活，还可以通过增加储能系统数量提高储能总量。

高低海拔堆垛平台的海拔高度差通常大幅度高于现有技术（抽水蓄能水库和CN201599160U中的支撑柱高度），适宜范围为200-400米。

假设山体海拔落差200米，所有标准化重块总重5万吨的系统可以储蓄26MWh能量，可存储2台2MW风机夜间6小时的发电量，可供应近万户家庭在用电高峰时期的用电量。

五）选址范围广，建设周期较短，工程施工可以一举多得，可就地取材，成本低廉，总造价低。

储电系统不需要选择在水源地附近，可以选择荒山、戈壁等人烟稀少地域，并可以在风力发电机附近选址。

我国有着众多的地质坚硬，且山头较平缓、高度和坡度适宜的山岭可供实施，也可以选择在峡谷或低洼地与高地之间建设。

在示范应用阶段，可优先选择山顶容易削平的山体。

考虑到山顶地质条件通常不如山底地质条件好，可以在多个山头建设高海拔堆垛平台，共用一个低海拔堆垛平台。

建设过程可以分阶段引导进行，节约建造成本。

首先架设依托山体斜坡的铁轨和绞盘拖放系统，将开采设备通过铁轨上的拖车运至山顶，并将开采的碎石和土壤通过铁轨上的拖车运至山底进行填平。

标准化重块壳体可以采用钢结构或者钢筋混凝土，而内部填充材料可以采用山顶开采的石块和砂石，或者添加廉价的贫铁矿石。

等效比重一般可以达到水的2.5-4倍左右。

假设山顶为圆锥形，需要建设的山顶平地直径为70米，山顶坡度为20-30度，则需要挖采3-4万立方土石方，一般数十天可以完成。

土石重量约7-10万吨，基本与山底平整和标准化重块填充重量相当，如有多余的土石也可以用于填海造岛等用途。

总造价约2000万元，包括1000个50吨标准化重块800万元（选择更高山体时，可进一步减少同等储能容量需要的标准化重块数量），若干起重机（门式起重机/桥式起重机/塔式起重机）约500万元，以及铁轨架设、土石方施工费500万，电机和控制系统等200万元。

按照每天储电26MWh能量，电力调峰分时差价0.15-0.2元/度计算，每天收益约5000元，年收益约150万元。

若进一步考虑储能对附近火电站发电效率提升的作用，每年收益可达200万元。

若能与附近风电发电系统联合，将风力发电脱网造成的浪费转变成调峰电能，则每天收益达到1.6万元左右。

因此4-10年可以收回投资。

六）运营过程无污染，能量长期保存无损失，没有电池蓄电的环境污染和寿命次数问题。

综上所述，本发明利用山体海拔高度差和标准化重块重力势能进行储能和发电，通过机械运动方式提升标准化重块进行电力储能，可有效克服现有抽水蓄能技术和电力机车蓄能技术效率低、成本较高、占地面积大等问题，以及克服重物垂直提升技术安全系数低等问题。

特别适宜在山体地质条件好、高度适宜的区域实施。

附图说明图1为本发明实施例1的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为本发明实施例2的结构示意图。

图中：1、山体；2、2b、连续铁轨；3a、高海拔堆垛平台；3b、低海拔堆垛平台；4、4b、拖车；5、标准化重块；6、缆绳；7、7b、缆绳绞盘；8、8b、电动发电一体机；9a、9b、转载设备；10a、10b、10c、10d、码垛机；11、变压器；12、电动辊子；13、控制系统；14a、14b、平台铁轨；15a、15b、自动小车；A/B、重块垛。

具体实施方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参阅图1～图3，本发明为一种依托山体的重力储能系统，包括高海拔堆垛平台3a、低海拔堆垛平台3b、至少两条倾斜铁轨、若干标准化重块5、电力提升和发电装置以及控制系统13，所述标准化重块5码放在所述高海拔堆垛平台3a和所述低海拔堆垛平台3b上，所述高海拔堆垛平台3a和所述低海拔堆垛平台3b上分别设有转载、运输和码垛设备，在所述高海拔堆垛平台3a和所述低海拔堆垛平台3b之间的斜坡上铺设有至少两条所述倾斜铁轨，每条所述倾斜铁轨设有至少一段连续铁轨2或2b，对应每条所述连续铁轨2或2b设有一套所述电力提升和发电装置。

每套所述电力提升和发电装置包括一拖车4、一缆绳6、一缆绳绞盘7和一电动发电一体机8，所述拖车4设置在相应的所述连续铁轨2上，并与所述缆绳6的一端连接，所述缆绳6卷绕在所述缆绳绞盘7上，所述缆绳绞盘7安装在该连续铁轨2或2b顶部或底部的平台边缘，与该连续铁轨2或2b的端部相邻，所述缆绳绞盘7与所述电动发电一体机8通过机械传动机构连接；所述控制系统13控制所述转载、运输和码垛设备以及所述电动发电一体机8的工作状况。

上述系统还可以包括一种给拖车施加向下拉力或推力的下行加速装置。

该装置可以采用下列任一方案：一）采用一组电动辊子12，铺设在连续铁轨2和2b高海拔端附近的地面上，通过橡胶轮胎与拖车4的车体接触并可适时施加摩擦力以推动拖车4，提高拖车4向下运动的加速度，用以缩短拖车4的下行时间。