专利名称：一种高效环保的重力储能方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及一种新的方法及装置，利用本发明专利可以将风力发电设备所产生的间断性电能高效储存与平稳释放，且存储与释放可同时或分别进行，克服风力发电能量难以控制、无法高效储存和平稳释放的缺点，实现风力发电并网使用的目的。利用本专利同时也能够解决电网削峰填谷问题。本专利属新能源领域一项重要发明。除用于风力和电厂发电储能外，也可以用于其他所有需要有效储能的领域。
背景技术：
风能是当前最为环保、可再生的能源之一，对其的开发应用越来越受到世界各国的重视。自然界中风能的蕴量巨大，其中可利用的风能约为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风力发电就是利用风力带动风车叶片旋转，经过增速机提升转 速，促使发电机发电的原理把机械能转化为电能，实现对风能的利用。目前，风力发电正在全世界广泛应用，因其绿色环保、蕴量巨大、成本低廉、经济效益高等优点，各国纷纷投入巨资对其进行研究、开发和利用。包括我国在内，世界许多国家已将大力发展风力发电设为其新能源战略的重点。但是目前，风力发电因为风量的不稳定，发电量和时间无法控制，且缺乏一种高效的，能大规模储能并平稳释放使用的设备和方法，导致风力发电尚难以广泛、有效地并网使用。目前在风力发电中使用的蓄电瓶储存电能的方法储存量小、成本高、寿命短、能量转换效率低且易造成污染，远不能满足大规模储存和并网的要求。由于这些原因，我国有大量的风力发电机组闲置不用，造成了巨大的资金浪费。大规模高效低耗地储存风电问题亟需得到有效解决。另一方面，各种类型发电厂的发电量相对稳定，但电能的消费却有着大幅度的波动，而电能的生产和消费是同步的。这就造成了一个问题当用电量很少时，发电厂发出的电远远超过用户的需求，电力系统电能剩余；当用电量急剧增加时，电力负荷处于高峰，发电厂发出的电又难以满足用户的需要。由于目前缺乏高效低耗环保的大规模储存电能的方法，电网削峰填谷问题一直得不到解决。目前使用的抽水蓄能的方法存在对地形的要求高、储能密度低、能量耗损大、效率低等缺陷，限制了其广泛使用。为了解决这些问题，本专利申请中涉及的高效环保的重力储能方法及装置，利用抬升重物转化为重力势能的基本原理，结合我们独创的方法和装置，能够达到电能大规模有效储存与平稳释放应用的目的，且存取可同时或分开进行，解决风力发电并网和电网的削峰填谷问题。
发明内容
为了克服目前风力发电能量产出难以控制、无法高效储存和平稳释放等制约其发展的缺点，寻求一种高效低耗的大规模储存能量的方法，解决风力发电并网和电网削峰填谷的难题，本发明专利提供了一种高效环保的重力储能方法及装置，能够高效低耗、环保、长期反复地使用，实现能量的存储和释放，创造性地利用万有引力大规模储存能量，解决能量生产和消费不匹配的问题。
本发明专利涉及的一种高效环保的重力储能方法及装置，其核心原理是将风能或电能转化为重物的重力势能，即在能量产生暂时过剩时，将过剩的能量用于提升重物，将其以重力势能的形式储存，以备需要时释放。也可以边储存边释放，储存可以是波动的或间断性的，但释放功率则是根据需要可调的。此原理虽然已在重锤式时钟中使用，但并没有用来解决超大能量的存取问题，也没有适用于超大能量存取的相应设备出现。为了达到本专利的技术要求，我们应用以下技术方案来解决技术问题，实现能量的存储和释放。装置由能量输入端牙轮、输出端牙轮和储能重物三部分组成，三部分的连接和能量传动选用闭合链条和牙轮结构实现，这与传统自行车链条式动力传递类似，也可以参考超高层楼房电梯升降工程设计原理。当然，本专利也包括其他原理和结构相似的能量传递机构。能量输入端和输出端牙轮通过变速装置分别与能量输入部分和能量输出设备连接，此两端牙轮转动的单向性容易通过单向转动机构解决。在输入端牙轮和输出端牙轮正下方为安装在重 物一端的牙轮结构，三个牙轮通过较长的闭合链条连接。重物另一端同一水平位置也采用此套结构，两端同时作用，通过输入端能量带动牙轮组转动，实现重物的抬升，重力势能的储存。能量输入和输出都是以扭力矩的方式完成的。在输入端，如果扭力按特定方向旋转，重物升高，重物的势能被储存，输入端牙轮的转速取决于能量源的功率，当然，要通过变速装置与牙轮允许的速度范围匹配。同时，在重力作用下，输出端牙轮轴一直存在着稳定的扭力矩，其大小取决于重物重量和输出端牙轮的半径，输出端的转速可根据需要通过变速装置进行调整，从而实现输出端的输出功率可控。利用链条牙轮结构在三部分间的同时传动，可以实现能量的间断输入与平稳输出同时进行。由此可见，只要保持重物的活动余地，能量的输入和输出可随时进行，且存取过程耗能低，通过减小摩擦力、阻力等设计，可以把存取过程的能耗降到最低。输入的功率可在相当大的范围内波动。输出功率可根据需要进行控制。可输入或输出的势能容量取决于重物的位置。高位时，势能的输出容量大而输入容量小，反之相反。这样，利用此项发明专利结合具体的实施方式就可以达到重力储存能量，储存与释放随时进行的目的。本发明专利的有益效果是，通过独特的牙轮链条传动设计，达到简单、环保、实用、高效地储存和释放能量的目的。能量存取方便，随时可存，随时可取，也可以存取同时进行。利用本专利能够克服风力发电能量难以控制、无法高效储存和平稳释放等制约其发展的缺点，解决风力发电并网和电网削峰填谷等能量生产和消费不匹配的问题。
下面结合附图对本发明专利进一步说明附图针对性简化地显示了本专利装置在重物一端的设计方案及原理，重物另一端的设计和连接与此完全相同。图示中，A为输入端牙轮，其转动轴与能量输入部分D连接，A中箭头方向代表牙轮单向转动的方向；B为输出端牙轮，其转动轴与能量输出部分E连接，B中箭头方向代表牙轮单向转动的方向；C为安装在重物G —端的牙轮，箭头代表其转动方向。三个牙轮通过一条较长的闭合链条F链接。由图示可以看出，利用输入端输入的能量可以使牙轮A转动，通过链条F带动牙轮C和B转动。当输入端能量较大，牙轮A的转速大于B的转速,或者B不转动(此时,能量不输出，仅储存)时，重物G被抬升，输入的能量储存为重力势能；当输入能量较小，牙轮A的转速小于B的转速，或者A不转动(此时，无能量储存，仅输出)，重物G下降，前期储存的重力势能释放带动B转动，B的转动速度取决于输出功率。这样，可以实现能量的存取同时进行，或者分开进行。
具体实施例方式为了在现实中实现本专利涉及的高效环保的重力储能方法及装置的各项要求，具体实施方式
如下牙轮A、B、C及链条F要求具有一定的强度，这一点容易利用工程上的技术选取高强度材料和结构设计实现，在实施过程中要注意尽可能减少摩擦力及阻力，把能量损耗降到最低。牙轮A、B、C的直径可根据设备的建造规模确定，F的长度以不阻碍重物G的落地为限。能量输入部分D和输出部分E可通过加速或减速装置与牙轮轴匹配连接。在装置的建造方面，原则上讲，设备建造的场地不受限制，建造规模根据储能级别可大可小，也可以多个装置联合使用。装置可建于平地，也可以充分利用地形地物或其他建筑。建于平地时，需要以一定强度的支架为基础，也可利用废旧矿井、矿坑等建于地下。利用地形地物建于长距离陡峭的山坡时，可在山坡上铺设铁轨，将重物沿铁轨抬升或降落，也可以建造于悬崖峭壁，充分利用地形地物可节省成本。重物G可制成钢制框架通过向其内吊装预制水泥块来实现。经过简单的计算可以看出，储存1000瓦时(I度)的电能需要相当于360 顿 米的势能，这种当量在实际情况下是可行的。重力储能看起来虽然需要抬高质量较大的重物，但实际建造规模原则上不受限制，建造费用低、维持费用更低、无任何污染、可以长期反复使用、能量转换效率高等优点是其可行性的基础。鉴于风力资源丰富，风力发电成本低，建造此一劳永逸性的储能装置在经济上应该是合算的。本发明专利的可行性是显而易见的，可能是当前解决电力储存问题的最为合理的选择。同时，我们通过类比不难看出此方法的创新性和实用意义。同样是牛顿第三定律，我们中国人用它制造了焰火，把响声送到了天空，西方人则用它登上了月球；同样是牛顿的万有引力定律，西方人用它推动了时钟或其他小型机械，我们则要用它解决大规模的电能储存问题。人类社会的发展需要这种创新性思维，虽然是同一原理，它的创新性应用则需要相当长的历程。正是基于此，我们这一看起来原理简单的方法和装置却能创新性地解决人类当前所面临的能量储存的重大问题。
权利要求
1.一种高效环保的重力储能方法及装置，本专利利用了能量转化的基本原理，其特征是装置由能量输入端牙轮、输出端牙轮和储能重物三部分组成，三部分的连接和能量传动选用闭合链条和牙轮结构实现，利用输入端的能量单向旋转牙轮以扭力矩的方式带动重物上的牙轮和输出端牙轮转动，实现重物抬升，势能储存和释放的目的，且能量储存和释放可同时或分开进行，装置建造场地不受限制，可建于平地，也可以充分利用地形地物或其他建筑，具有建造费用低、维持费用更低、无任何污染、可以长期反复使用、能量转换效率高等优点。
2.根据权利要求I所述的装置由能量输入端牙轮、输出端牙轮和储能重物三部分组成，其特征是输入端和输出端牙轮通过变速装置分别与能量输入部分如风力发电装置和能量输出设备如发电机连接，在输入端牙轮和输出端牙轮正下方为安装在重物上的牙轮结构，三个牙轮通过较长的闭合链条连接。
3.根据权利要求I所述的三部分的连接和能量传动选用闭合链条和牙轮结构实现，其特征是牙轮为具有一定的强度的带齿的转动轮，其直径可根据设备的建造规模确定，闭合链条具有较高强度，可以与牙轮吻合，不会产生滑动，呈闭合链接，可循环使用，长度以不阻碍重物落地为限，牙轮与闭合链条结构与传统自行车链条或超高层楼房电梯升降动力传递结构类似。
4.根据权利要求I所述的利用输入端的能量单向旋转牙轮，其特征是来自能量输入部分的能量经过变速处理后可带动输入端牙轮单向旋转，输入端和输出端牙轮的旋转通过使用单向旋转机构使其只能按特定方向单向转动。
5.根据权利要求I所述的以扭力矩的方式带动重物上的牙轮和输出端牙轮转动，其特征是能量输入端或重物能够使牙轮转动，是由于其对转动轴或牙轮产生力矩，其大小与输入端产生的力、重物重量和作用轴半径有关。
6.根据权利要求I所述的能量储存和释放可同时或分开进行，其特征是利用输入端输入的能量可以使输入端牙轮转动，通过链条带动重物牙轮和输出端牙轮转动，当输入端能量较大，输入端牙轮的转速大于输出端牙轮的转速，或者输出端不转动(此时，能量不输出，仅储存)时，重物被抬升，输入端的能量储存为重力势能；当输入端能量较小，输入端牙轮的转速小于输出端牙轮的转速，或者输入端牙轮不转动(此时，无能量储存，仅输出)，重物下降，前期储存的重力势能释放带动输出端牙轮转动，转动速度可以根据输出功率的需要调节，实现能量的存取同时进行，或者分开进行。
7.根据权利要求I所述的装置建造场地不受限制，可建于平地，也可以充分利用地形地物或其他建筑，其特征是装置建造的场地不受限制，建造规模根据储能级别可大可小，也可以多个装置联合使用，建于平地时，需要以一定强度的支架为基础，也可利用废旧矿 井、矿坑等建于地下，利用地形地物建于长距离陡峭的山坡时，可在山坡上铺设铁轨，将重物沿铁轨抬升或降落，也可在悬崖峭壁处建造。
全文摘要
一种高效环保的重力储能方法及装置。本发明属新能源领域一项重要发明，是为了克服风力发电能量难以控制、无法高效储存和平稳释放等制约其发展的缺点，解决风力发电并网和电网削峰填谷等能量生产和消费不匹配的问题。本发明利用能量转化的基本原理，通过独特的牙轮链条传动设计提升重物，将能量以重力势能的形式储存或释放，可以实现简单、环保、实用、高效地储存和释放能量的目的，且能量存取方便，随时可存，随时可取，也可以存取同时进行。该储能装置具有建造费用低、维持费用更低、无任何污染、可以长期反复使用、能量转换效率高等优点。
文档编号F03G3/00GK102797648SQ20111014152
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者曹铁生, 张翔生, 王臻 申请人:曹铁生, 张翔生, 王臻