专利名称：用于存储势能的系统和制造所述系统的方法
用于存储势能的系统和制造所述系统的方法背景技术
已知可通过提升质量块而存储能力。最众所周知的方法为抽水蓄能水电站，其中的可将水从水库抽至更高水平。在需要时，可使用中间的涡轮将水放掉从而将能量再次转换回电能。此方法的缺点是对水库的要求高了，其需要相当的空间量，且只有在山区才存在合适的地点。在互联网网站http://de.wikipedia.0rg/wiki/Pumpspeicherkraftwerk (pumped storage hydropower station)上可找到对此技术的很好的概述。
另一种方案是使用液压系统提升建筑物，在题为“势能存储系统”的专利号US6.996.937B2专利说明书中对其进行了描述。在这里，其缺点为建筑物施工的高技术费用和相对费用而言可存储的能量较低。可比较的建议，如使用起重机提升质量块(如在专利申请DE 102007 057 323 Al中所描述的)，或在轨道上将质量块移动至更高位置，均会导致每个存储能量单元的高成本以及系统的高磨损。发明内容
本发明所关注的问题是提供一种用于存储势能的系统和一种用于建造所述系统的方法，其适于存储大量能量，高达德国等国家的每日需要量，且存储每单位能量成本低以及系统磨损低。
可通过发明权利要求1所述的一种用于存储势能的系统和发明权利要求6所述的一种用于制造具有这些特点的系统的方法而解决这个问题。本发明的有益发展可形成相关从属权利要求的主题。
根据本发明所述的一种用于存储势能的系统，具有液压缸、待提升的质量块以及位于待提升的质量块边缘的密封环，从而可确保位于待提升的质量块和面向该质量块的液压缸内壁之间的空隙在至少一个对着任何液压流体，在这里特别指水，的通路的位置被密封。因此，待提升的质量块形成在液压缸中被引导的活塞。在这里还应指出的是，液压缸还能够具有与圆形不同的横截面。然而，有利的是在地面和地心之间沿液压缸的长度方向具有恒定的横截面形状，从而尽可能地防止待提升的质量块在液压缸中的任何倾斜。
对于本发明必不可少的是待提升的质量块为实体岩质量块，其由切出的实体岩所提供，液压缸由位于周围岩石与切出的实体岩之间的空腔所形成，且所述空腔由密封环从周围岩石进行密封。因此，与已知的用于存储势能的系统不同，提供了 “从实体制作出”待提升的质量块和液压缸的情况。
当下列术语“顶部”和“底部”与液压缸和/或待提升的质量块一同使用时，“底部”指朝地心的一侧且“顶部”指与所述侧相对的一侧。
在本发明的特定有利的实施例中，可通过设置压载物装置补偿在待提升的质量块体积中材料的任何在天然岩石中可能发生的密度波动，且所述压载物装置被设置于待提升质量块面向大气的端侧，即上侧，其原本已形成地球表面的一部分。更具体地说，可以使用水箱作为压载物装置。以这种方式，能够避免在液压缸中待提升质量块的任何倾斜，可防止缸体移动。
在用于存储势能的系统中实现特别良好的密封，其中，密封环由围绕待提升质量块的圆周的锥形体形成，锥形体中由圆柱形铰接接合件插入，圆柱形铰接接合件支撑薄板，且薄板设有密封条。通过液压流体的压力可将密封条抵压在液压缸壁的表面上以获得密封的结果。因此，作为高压下特别良好密封的结果，特别优选一个实施例，其中致密的柔性材料被附在薄板的下面且与密封条和待提升质量块紧密接合。
如果将密封环设置于工作高度的半程位置从而提供滚动的密封环，待提升质量块的提升和下降产生的摩擦会特别低。
根据本发明的用于存储势能的系统的制造方法至少包括下列步骤:
a)使轴下沉，且所述轴在地面下至少具有深度H。因此，深度H大致对应于待提升的质量块在工作方向上(即在地面和地心之间的方向上)的延伸长度。更特别的是，作为后续工作的供应和运输轴的所述轴通常最好位于后来形成待提升质量块的区域外部。不一定需要在一个单一的下沉步骤中实现深度H，也可以在下沉一部分后，先或同时进行进一步的方法步骤以下沉另外的部分。当然，举例来说，也可以下沉几个这样的轴以减少运输路线。
b)在深度H处掘进至少一个第一水平廊道直至待建造的液压缸壁所处的一点；
c)从所述第一水平廊道的在所述待建造的液压缸壁处的那一点开始，向山体中掘进自身闭合的第一隧道(即，其起始端与终端合并)。所述第一隧道有利地提供随后的液压缸的圆周线。
d)从地面(3)下沉至少一个孔至深度H，其中所述孔定位成使得各自与所述第一隧道相垂直地从地面延伸至所述第一隧道。在后面的步骤中使用这些孔作为锯出待提升质量块的起点，从而可同时从其壁的表面进行液压缸的制造。
e)将至少一个石锯引入所述孔中。
f)使用石锯在地面和所述隧道之间锯出液压缸壁的至少一部分。
这样，步骤d)至f)用于制造液压缸和待提升质量块的侧表面。
g)始自所述隧道引导水平钻孔进入待形成的所述液压缸的中心。
h)破碎在所述液压缸底部的岩石，使得在所述液压缸底部和所述待提升的质量块之间不再存在任何固定的机械连接。
使用步骤g)和h)，制造出液压缸和待提升的质量块的底面(即下面)。
i)在流体贮存器和液压缸的底部之间掘进隧道部分，从而能够将流体供应至液压缸。
j)将密封环紧固在待提升的质量块上。
k)以水密方式关闭第一水平廊道。
可以按照给定的顺序进行所述方法的步骤，但也可以平行地进行所述方法的步骤。一般来说，由于会产生时间增益，需要进行平行化，但也确实需要使用更多的资源。
在所述方法的有利的发展中，在深度小于H处掘进至少一个附加的水平廊道直至待建造的液压缸(2)壁所处的一点。然后，从所述附加水平廊道的在所述待建造的液压缸壁处的那一点开始，向山体中掘进至少一个自身闭合的附加隧道，且以水密方式关闭所述附加的水平廊道。因此，能够增加受限于石锯性能限制的所能达到的液压缸最大深度。
特别地，如果在进行步骤e)和f)时，同时在不同的孔中使用几个石锯时，可实现工作步骤的平行化。
爆破是一种用于执行步骤h)的特别简单的方法。
特别理想的是获得待提升质量块的最均匀的重量分布。因此，有利地使用重力计测量通过所述方法获得的待提升质量块的表面。
本发明所基于的基本理念是通过液压系统提升大的实体岩质量块，其中，优选地，待提升的质量块由圆柱形的切出实体岩所形成。液压缸为形成于周围岩石与切出的实体岩之间的所得空腔。所述空腔由在待提升质量块的边缘的密封环相对于周围岩石而密封。空腔填充有通过高压泵和在泵与空腔间的连接廊道而从水库泵入的水。因此，水压可提升实体岩质量块，从而可存储势能(提升能量)。在需要时，可经连接廊道和涡轮排出受压水而移除所述势能，这在抽水蓄能水电站中是很常见的情况。常规地，由发电机从涡轮的旋转能获得电力并转送电力。
特别地，本发明的优点在于所切出的实体岩质量块以系统半径的三次幂增加，但是，导致主要建造成本的切割表面仅以系统半径的二次幂增加。
这遵守关于缸体曲面面积M的等式，其高度h与缸体的直径相同:
M = 2X ir XrXh = 4X π Xr2 (I)
另一方面，所存储能量的数量以系统半径的四次幂而增加。这可能是因为提升高度同时与系统半径成比例增加。
可由岩石的密度P1和有效密度P2计算出所存储的能量，在流体静压力情况的基础上需要考虑有效密度，这是因为具有密度P3的水取代了岩石质量块。因此，有效密度为:
P2= P1-P3 ⑵
在下降常数为g的地球重力场中，提升高度为D、质量为m的势能E的算式如下:
E = gXmXD (3)
根据下式计算缸体的有效质量:
m = ir Xr2XhX P 2 (4)
等式⑷代入等式(3)中，且考虑到D = r:
E = gX ir Xr2X2XrX P2Xr (5)
等式(5)归纳为:
E = gX P 2X2X ir Xr4 (6)
其中，所述系统显示出所存储的能量与系统半径的四次幂成比例增长。
在圆柱形待提升质量块的简单情况下，系统半径为缸体的半径r，且缸体的高度h相等于缸体直径d(d = 2Xr)。密封环的长度为L，其与系统半径成比例(L = 2X π Xr)，因此在大系统的情况下，与其他元件相比，密封环并不会特别的大。
现在，将参照用于说明实施例的附图进一步详细说明本发明。在附图中:
图1:示出了用于存储势能的系统的实施例；
图2:示出了在实施一种用于制造所述系统的方法时的第一中间阶段；
图3:示出了在实施一种用于制造所述系统的方法时的第二中间阶段；
图4:在从岩石锯出待提升质量块时，过程的详细图示；且
图5:用于所述系统的密封环的构造的详细图示。
除非另外说明，在所有附图中，具有相同设计的相同的组件部分用相同的附图标记。
具体实施方式
图1为本发明一个实施例的图示，且下文将对其进行进一步的详细描述。在所示的用于存储势能的系统10的情况下，在缸体2中引导从实体岩切出的且直径为d的提升活塞1，且缸体2是从实体岩而切出提升活塞I而形成的。将密封件Ib安装在提升活塞I与缸体2之间的部分h的半中腰上，即位于h/2高度上，所述提升活塞由从岩石切出的待提升质量块而形成，所述缸体用作液压缸。从水库9通过泵8经管系统5和6将水自下方在点4处供应至缸体2。表面区域3用于表示地面。如果提升活塞位于提升位置(提升高度)D时，那么水能够通过流体静压力经涡轮7随时流回水库9中，从而可在发电机7b中产生电力。
能够存储的能量E的量取决于提升高度D和缸体2的有效质量m，且符合下列简单等式:E = gXDXm，其中g为重力加速度且值为9.81N/kg。
为了存储大量的能量，必须选择尽可能大的质量m。不能任意选择提升高度D，这是因为它必须小于缸体长度h的一半，否则的话，有可能会导致提升活塞的倾斜。
通过挖掘进行所述实施例的构造，下文将参照图2至4进行简要描述。首先，如图2所示，将轴30下沉至地面下的深度H。可从所述轴水平向前推进两个廊道，即位于深度H的廊道32和位于深度H/2的廊道31，使靠近至计划好的缸体壁2处。从那里开始在山体中掘进环形隧道35和36，环形隧道具有与后续的提升活塞2的直径相对应的环直径。
如果如图2所示，将轴30进一步下沉一深度G，那么以后它就可被用作管道部分6或能够容纳管道部分6。
如图3所示，以相对小的半径从地球表面3下沉几个钻孔41至深度H。这些钻孔41用于引入石锯，石锯用于锯出缸体壁。
图4示出了在位于地表面的上锯驱动器51a和位于隧道35中的下锯驱动器51b之间张紧着带有锯齿51d的锯带51c的状况。锯带51c由上和/或下锯驱动器51a和51b驱动移动，且被抵靠着实体岩壁引导。从而，可凿掉岩石并从隧道35中移除。另外，可通过使用锯驱动器51a在顶部引入的水对锯带51c进行冷却。两个锯带驱动器51a和51b被引导在圆弧上运行，且该圆弧对应于提升活塞2。从而形成圆形的切出提升活塞2上部。所述工作可在所有的钻孔41处平行进行。
平行于这一步，同样可通过钻孔41将另外的锯带从隧道35引导至隧道36，且通过位于隧道35和36中的锯带驱动器进行推进。从而，可切出提升活塞的下部。在缸体非常高的情况下，可提供额外的环形隧道，从而使锯带的长度不超过技术的可能性。
平行于这些工作操作，可从隧道36，即基础隧道将水平钻孔引导至缸体2的中心。使用炸药填充这些孔，然后引爆炸药。从而，位于所形成的缸体底区域中的岩石被破碎，且在缸体底和提升活塞之间不再存在任何固定的机械连接。
并行于此，可掘进图1所示的隧道部分5和4，达到缸体2的底部，通过隧道部分5和4可将水供应至缸体中。
在图2中，当已完成锯切工作时，从隧道35将密封环33固定在提升活塞上。在此之后，以水密方式关闭连接廊道31和32。现在，可通过泵8给水，从而可存储能量。
图5为优选结构的密封环33的图示，其能够应对并平衡在缸体2壁中的凹凸不平。为此目的，将圆柱形铰接接合件53插在围绕整个提升活塞I的锥形体52中，圆柱形铰接接合件53支撑薄板54，由于水压58的存在，薄板54将其带有的密封条55抵压在缸体壁2的表面，从而从活塞I的周围密封活塞I。为了提高密封作用，可将致密的柔性材料56附贴在密封薄板的下面，且所述材料与焊道和活塞一起彻底封闭。应注意的是由于薄板54具有长的长度(可达数公里)，显示出一维机械行为。
现在，将示例计算半径为500m的系统能存储的能量。假定岩石的平均密度为
P ι = 2500kg/m3,且根据等式⑵，有效密度P 2 = 1500kg/m3,从等式(6)得到的结果为
E = 9.81N/kgX1500kg/m3X2X3.14X (500m)4
或者计算为
E = 5，775，637，500，000，000 焦耳。
转换成更常用的单位千瓦/小时，可在系统中存储1，604, 343，750kWh。作为比较，德国平均每日的发电量在2009年度为1，635，000, OOOkffh,其来源为BMWI (http://bmw1.de/BMWi/Navigation/Energie/Statistik-und-Prognosen/energiedaten.html)(联邦经济和技术能量统计部)
从计算可以很明显地看出，与所有使用水力的可比水电站相比，其所存储的能量非常大。因此，对环境的侵扰是较轻微。只有水被泵入地下，对地面的必要侵入是轻微的且基本上限于提升活塞的表面区域。但是，通过提升可以很容易地看到所述入侵。很难设想系统的灾难性故障，因为要这样的话，要将水突然从系统中放出，本发明方法的构造是不可能产生这种结果的，而作为对比，大坝就有可能产生这种情况。
权利要求
1.一种用于存储势能的系统(10)，其包括液压缸(2)、待提升的质量块(I)以及位于所述待提升的质量块(I)边缘的密封环(33)，且其特征在于所述待提升的质量块(I)为实体岩质量块，其由切出的实体岩所提供，其中所述液压缸(2)由位于周围岩石与所述切出的实体岩之间的空腔形成，且其中所述空腔由所述密封环(33)从周围岩石密封。
2.根据权利要求1所述的用于存储势能的系统(10)，其特征在于在所述待提升的质量块(I)的上侧设置一个或多个压载物装置。
3.根据权利要求1或2所述的用于存储势能的系统(10)，其特征在于所述密封环(33)具有围绕所述待提升的质量块(I)圆周的锥形体(52)，所述锥形体(52)中插入有圆柱形铰接接合件(53)，所述圆柱形铰接接合件(53)支撑着薄板(54)，且所述薄板(54)带有密封条(55)，从而所述密封条(55)通过液压流体的压力抵压在所述液压缸(2)壁的表面上以获得密封。
4.根据权利要求3所述的用于存储势能的系统(10)，其特征在于有致密的柔性材料(56)被附在所述薄板(54)的下面且与所述密封条(55)和所述待提升的质量块(I)紧密结合
5.根据前述权利要求的任一项所述的用于存储势能的系统(10)，其特征在于所述密封环(33)设置在工作高度的中间(H/2)处，从而提供滚动的密封环。
6.一种用于制造包括待提升的质量块的用于存储势能的系统的方法，其包括下列步骤: a)使轴(30)下沉，且所述轴(30)在地面下至少具有深度H; b)在深度H处掘进至少一个第一水平廊道(32)直至待建造的液压缸(2)壁所处的一占.c)从所述第一水平廊道(32)的在所述待建造的液压缸(2)壁处的那一点开始，向山体中掘进自身闭合的第一隧道(36)； d)从地面(3)下沉至少一个孔(41)至深度H，其中所述孔(41)定位成使得各自与所述第一隧道(36)相垂直地从地面(3)延伸至所述第一隧道(36)； e)将至少一个石锯引入所述孔(41)中； f)使用所述石锯在地面⑶和所述隧道(36)之间锯出所述液压缸(2)的壁的至少一部分； g)始自所述隧道(36)引导水平钻孔进入待形成的所述液压缸(2)的中心； h)破碎在所述液压缸(2)的底部的岩石，使得在所述液压缸(2)的底部和所述待提升的质量块(I)之间不再存在任何固定的机械连接； i)在流体库和所述液压缸(2)的底部之间掘进隧道部分(4，5)，从而能够将流体供应至所述液压缸(2); j)将密封环(33)紧固于所述待提升的质量块(I);以及 k)以水密方式关闭所述第一水平廊道(32)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在深度小于H处掘进至少一个附加的水平廊道(31)直至待建造的液压缸(2)壁所处的一点，然后，从所述附加水平廊道(31)的在所述待建造的液压缸(2)壁处的那一点开始，向山体中掘进至少一个自身闭合的附加隧道(35)，且然后以水密方式关闭所述附加的水平廊道(31)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在进行步骤e)和f)时，同时在不同钻孔(41)中使用多个石锯。
9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于通过爆破执行步骤h)。
10.根据权利要求6至9任一项所述的方法，其特征在于通过使用重力计对所述待提升的质量块(1)表面进行测 量。
全文摘要
本发明涉及一种用于存储势能的系统(10)，其包括液压缸(2)、待提升的质量块(1)以及位于所述待提升的质量块(1)边缘的密封环(33)，其中所述待提升的质量块(1)是以切出实体岩形式的实体岩质量块，所述液压缸(2)由位于周围岩石与切出的实体岩之间的空腔所形成，且所述空腔由所述密封环(33)相对于周围岩石密封。本发明还涉及一种制造所述系统的方法。
文档编号F03G3/00GK103140673SQ201180040927
公开日2013年6月5日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月19日
发明者爱德华·汉德 申请人:爱德华·汉德