循环往复运动物体加阵列弹簧的储能方法及其装置与流程

电力储能方法及其装置。

背景技术：

众所周知，储能是能源革命的重大关键支撑技术，是国家的重大迫切需求，但目前却遭遇了技术瓶颈。我国每年白白扔掉的风电和太阳能发电量为1.6个三峡水电站的全年发电量。没有足够的大规模储能电站，就意味着绿色能源无法大规模推广利用。“储能就是未来”已成为人们的共识。大容量，高密度，高效率，低成本，无污染，使用寿命长的储能技术无疑是最理想的。但至今还没有一种储能技术完全满足这些条件。《促进储能产业与技术发展解析：五种储能技术需要突破现状》的文章指出：“尽管发展势头积极向好，但事实上我国大部分储能项目仍处于示范阶段，未达到商业化应用，能实现盈利的项目少之又少。储能行业想要取得长足发展，进而实现规模化、商业化，还需要切实解决一系列问题。重点包括三个方面：在经济性层面，如何提升储能项目的盈利能力；在政策层面，如何构建合理的市场机制；在技术层面，如何解决储能的安全性和污染等问题…..电力储存现在还没有出现突破性技术，虽然出现了很多化学储能方式，但现在看到的这些技术未必会是未来的主流路线，将来一定会出现带领储能突破的技术，就像存储芯片带来的智能手机革命…..我们需要储能，我们迫切需要储能，虽然目前还没有出现突破性的技术，但我们相信储能革命一定会到来，储能装机容量一定会有大的发展，电力一定会被大规模、可利用、可接受地储存起来”。

作为大规模势能储能，抽水电站和空气压缩是目前仅有的两种技术方案。其不足之处在于：投资巨大、建设周期长、受地理位置和生态问题制约而难以推广。

储能的本质是通过能量转换实现电能可控聚集和释放。但一般情况下，在自然和人类活动的能量转换过程中，其能量的运动方向总是耗散而非聚集的。因此，欲将电能储存起来，就必须专门制造出各种不同形式的“容器”，例如：势能形式的水库洞穴、动能形式的飞轮、化学能形式的电池、热能形式的熔液输送存储装置…..等等，并将电能聚集存储在上述各种“容器”中。这似乎是毋庸置疑的常识，也是我们长久以来苦心钻研的技术路线和恒久方向。

但是，长期的储能实践和理论分析都指出了一个基本事实：迄今为止，一切仅为储能而专门设计制造的各种“容器”，最终都很难完全满足大规模、低成本、安全、高效、无污染、随时就地将各种电能储存起来和释放使用的理想要求。原因在于：储能必先耗能，必有“容器”；如果我们制造“容器”和耗能的目的仅为储能的话，那么无论我们采用何种储能方式，储存一度电比生产一度电的成本要大得多，如果仅从经济角度讲，储能是非常赔本的买卖。但是，如果我们制造“容器”和耗能的目的，是为了满足人们其它的大规模日常需求（例如物资运输和人员出行），储能仅是其附带目的之一的话，那么储能“容器”的投资和运行成本便可小到忽略不计。储存一度电比生产一度电的成本就要小得多，其储能规模却要大得多。

技术实现要素：

弹簧储能具有储能成本低，能量密度高，规模大小灵活，不受地理位置限制和不污染环境等优势。但一直以来，由于弹簧弹性势能的存储和可控缓慢释放，必须借助于大传动比的复杂精密变速装置来实现，从而使得利用弹簧进行大规模、低成本、长寿命电力储能难以实现。为达到大规模、低成本、安全、高效、无污染、随时随地将各种电能储存起来和释放使用的理想目标，本发明提供了一种循环往复运动物体加阵列弹簧的储能方法及其装置，其技术路线是：将劲度系数、形变量和储能规模很大的巨型弹簧，分化为数量众多、易于操作控制的小型弹簧，并通过循环往复运动物体与弹簧之间的相对运动，先后分别操作控制各个或各组弹簧的储能变形和释放恢复过程，以达到大规模、低成本储能的目的；其具体技术方案特征是：用外界电力驱动某物体作循环往复运动，并利用此运动物体上的弹簧受力机构，将分布固定在上述运动物体周边静止物体（如地面）上的弹簧，一根根或一组组地进行弹力变形（通过拉、压、扭、转动弹簧等），并通过一种自动约束/释放机构使其临时保持在高势能状态，从而将电能逐步转换为大规模弹性势能而储存起来；这一过程，其效果如同在抽水储能电站中，利用抽水机将水不断提至上游水库作为重力势能储存起来的过程；当需要反向发电时，再通过自动约束/释放机构，将上述保持在高势能状态的弹簧，一根根或一组组地释放弹性势能，使其在推动上述运动物体反向运行过程中，利用运动物体惯性质量和发电机磁场为阻尼，在持续驱动运动物体运行和带动发电机发电的同时，将弹簧的弹性势能以缓放形式回复到低势能或零势能状态；这一过程，其效果如同在抽水储能电站中，将上游水库中高势能的水，在流量控制下，流经涡轮机转换为动能，并带动发电机发电后流入下游水库，以缓放形式恢复到低势能状态；从而在上述运动物体与阵列弹簧之间的相对循环往复运动中，完成其储能/发电的反复循环过程；如同抽水储能电站中，将水反复抽上去再流下来的过程中，完成其储能/发电的反复循环；由于弹簧的使用寿命长（可达10亿次），弹簧的弹性势能ep＝1/2kx²，其中弹簧的劲度系数k和弹簧的形变量x,在本发明的技术方案中都很容易得到控制，并具有很宽泛的选择范围，因此，利用循环往复运动物体加阵列弹簧的储能方法，实现大规模、低成本电力储能便成为可能。

将上述运动物体设计为定心回转运行的圆环状物体，并将其作为一种运输工具；其直径为数十米至数百千米，其圆环截面宽度为数米至数百米；将上述阵列弹簧分布固定在圆环状物体下方或两侧的静止物体上；上述圆环状物体采用车轮系统或气浮系统或液浮系统或磁浮系统承载，其动力驱动方式采用各种传统驱动方式，包括：摩擦轮、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、射流驱动、气缸或油缸推动、电磁直接牵引驱动（将圆环状运动物体设计为电机/发电机转子，将圆环状物体两侧静止物体上的电磁构件设计为定子）等。其电动/发电机安装功率、驱动方式、运行速度、往复循环周期等技术指标，将根据储能规模、应用场合、响应时间、充放电速度、使用寿命、成本效率等具体储能要求，并兼顾不同场合的运输要求具体设计。

上述车轮系统中的车轮，可采用车轮在下、轨道在上的结构形式；车轮被固定在地面上，并被安装在地面上的动力传动装置驱动；轨道被固定在圆环状物体的底部，并被用作其底盘框架。这样一来，在圆环状物体上没有任何易损构件，使其使用寿命大为增加；同时减轻了车体自重，降低了无效载荷及能耗。

还可将上述运动物体设计为作循环往复运动的线状物体，并将其作为一种运输工具；其长度为数百米至数百千米，宽度为数米至数十米；将上述阵列弹簧分布固定在线环状物体下方或两侧的地面上；上述线环状物体采用车轮系统或气浮系统或液浮系统或磁浮系统承载，其动力驱动方式采用各种传统驱动方式，包括：摩擦轮、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、射流驱动、气缸或油缸推动、电磁牵引驱动，其中将线状物体5设计为电机/发电机直线转子，将线状物体两侧静止物体上的电磁构件设计为定子，或/和在线状物体的两端采用绳索、链条等往复牵引驱动；其电动/发电机安装功率、驱动方式、运行速度、往复循环周期等技术指标，将根据储能规模、应用场合、响应时间、充放电速度、使用寿命、成本效率等具体储能要求，并兼顾不同场合的运输要求而具体设计。将这种作循环往复运动的线状物体作为运输工具时，其运输方法是：人员货物在上述作循环往复运动的线状物体与地面之间、或在两个平行并列、且相反同步运行的线状物体之间反复换乘，便能够以步进的方法达到远程运输的目的。

本发明的有益之处在于：为物理势能储能提供了了一种全新的储能技术路线和技术方案，有效解决了传统抽水储能和压缩空气储能技术所存在的环境问题、地理位置问题、投资大建设周期长的问题，以及其它储能技术存在的规模小、成本高、污染环境和难以胜任发电侧和电网侧大规模储能的问题。同时提供了一种全新的交通运输方法和工具，为解决交通污染、交通堵塞、交通事故和大规模节能减排以及全面推广普及绿色能源提供了一条新的出路和可能。

附图说明

附图1是本发明实施例之一的立体外观结构原理图。

附图2是本发明实施例之一的立体外观运行原理图。

附图3是本发明实施例之二的立体外观结构原理图。

附图4是本发明实施例之二的立体外观运行原理图。

附图5是本发明实施例之三的结构、运行原理图。

图中1.环形凹槽，2.列阵弹簧，2a.弹簧固定端构件，2b.弹簧伸缩端构件，3.圆环状物体，4.线性凹槽，5.线状物体，6.牵引轮，7.气缸，8.上活动挡块，9.下活动挡块，10.槽底。

具体实施方式

图1、图2中，将上述运动物体设计为定心回转运行的圆环状物体3，将其作为一种运输载体，并在环形凹槽1内往复运行；圆环状物体3的直径为数十米至数百千米，其圆环截面宽度为数米至数百米；将上述阵列弹簧2分布固定在圆环状物体下方环形凹槽1的地面上；上述圆环状物体3采用车轮系统或气浮系统或液浮系统或磁浮系统（图中未画出）承载，其动力驱动方式采用各种传统驱动方式，包括：摩擦轮、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、射流驱动、气缸或油缸推动、电磁直接牵引驱动，其中将圆环状运动物体设计为电机/发电机转子，将圆环状物体两侧静止物体上的电磁构件设计为定子（图中未画出）。其电动/发电机安装功率、驱动方式、运行速度、往复循环周期等技术指标，将根据储能规模、应用场合、响应时间、充放电速度、使用寿命、成本效率等具体储能要求，并兼顾不同场合的运输要求具体设计。

上述车轮系统中的车轮，可采用车轮在下、轨道在上的结构形式（图中未画出）；车轮被固定在地面上，并被安装在地面上的动力传动装置驱动；轨道被固定在圆环状物体的底部，并被用作其底盘框架（图中未画出）。这样一来，在圆环状物体上没有任何易损构件，使其使用寿命大为增加；同时减轻了车体自重，降低了无效载荷及能耗。

图3、图4中，将上述运动物体设计为作循环往复运动的线状物体5，并将其作为一种运输载体，并在线性凹槽4内往复运行，线状物体5的长度为数百米至数百千米，宽度为数米至数十米；将上述阵列弹簧2分布固定在线环状物体5下方线性凹槽4内的槽底地面上；上述线环状物体5采用车轮系统或气浮系统或液浮系统或磁浮系统（图中未画出）承载，其动力驱动方式采用各种传统驱动方式，包括：摩擦轮、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、射流驱动、气缸或油缸推动、电磁牵引驱动，其中将线状物体5设计为电机/发电机直线转子，将线状物体两侧静止物体上的电磁构件设计为定子（图中未画出）；或/和在线状物体5的两端采用绳索、链条等，通过牵引轮6往复牵引驱动；其电动/发电机安装功率、驱动方式、运行速度、往复循环周期等技术指标，将根据储能规模、应用场合、响应时间、充放电速度、使用寿命、成本效率等具体储能要求，并兼顾不同场合的运输要求而具体设计。将这种作循环往复运动的线状物体作为运输工具时，其运输方法是：人员货物在上述作循环往复运动的线状物体与地面之间、或在两个平行并列、且相反同步运行的线状物体之间反复换乘，便能够以步进的方法达到远程运输的目的。

图5中，阵列弹簧2为压簧，其一端通过弹簧固定端构件2a被固定在环形凹槽1或线性凹槽4内槽底10的地面上，另一端设有弹簧伸缩端构件2b，它随阵列弹簧2一起活动伸缩。环状物体3或线状物体5在阵列弹簧2上方往复运行。在环状物体3或线状物体5的底部设有上活动挡块8，它由气缸7驱动可上下运动；在环形凹槽1或线性凹槽4内槽底10的地面上设有下活动挡块9，它由气缸7驱动可上下运动。气缸7和上活动挡块8组成了一种弹簧受力机构；气缸7和下活动挡块9组成了一种弹簧自动约束/释放机构。当环状物体3或线状物体5需要在运动中压缩某一根或某一组阵列弹簧2时，提前放下上活动挡块8，它在运动中被弹簧伸缩端构件2b所阻挡，并将某一根或某一组阵列弹簧2压缩变形；当上活动挡块8将阵列弹簧2压缩至某一位置，并到达或稍微超过下活动挡块9的位置时（可通过行程开关控制），下活动挡块9和上活动挡块8同步上升，上活动挡块8复原，下活动挡块9将阵列弹簧2阻挡约束。当阵列弹簧2需要释放能量发电时环状物体3或线状物体5反向运行，当上活动挡块8到达或稍微超过下活动挡块9的位置时，下活动挡块9和上活动挡块8同步落下，下活动挡块9复原，上活动挡块8阻挡住阵列弹簧2，并被阵列弹簧2推动运行，在运行中阵列弹簧2的弹性势能被以缓放形式回复到低势能或零势能状态。上述过程反复循环进行，便可达到储能发电和运输的双重目的。

为了防止弹簧伸缩端构件2b与上活动挡块8之间的运动冲击，并减小上活动挡块8和下活动挡块9在升降过程中的摩擦阻力，可将弹簧伸缩端构件2b与上活动挡块8，弹簧伸缩端构件2b与下活动挡块9，以及上活动挡块8和下活动挡块9与其受压力的导槽壁，设计为磁极相反的永磁铁或电磁铁。

为了减小阵列弹簧2与其下方载体（如地面）之间的相互运动阻力，可在阵列弹簧2底部设置脚轮。