一种垂发式自动回收重力储能系统的制作方法

1.本发明涉及储能模块和系统，是一种通过结构设计和机械装置自动回收下落重物的重力储能系统，属于电网储能技术领域。


背景技术：

2.中国专利cn113653612a与cn214674543u提供了一种斜体式重力储能系统。由于大坡度斜坡及轨道建造成本普遍较高，且在极端天气条件下无法运行，因此难以在商业方面大规模应用。
3.中国专利cn111287918a提供了一种悬挂式重力储能系统，其利用废弃矿井作为储能通道，对天气等外部条件要求较低且改造成本相对较小。然而砂石质量无法保持一致，对于运动控制和能量输出稳定性提出了较高要求，同时废旧矿井数量有限，进一步限制了其大范围推广。
4.瑞士energy vault公司提出了一种利用起重器将混凝土块堆叠成塔的结构，利用混凝土块吊起下落进行储能和释能。但是该方案对于土块精准堆放与运动控制算法要求极高，同时容易受到天气影响，牵引绳晃动，导致系统运行不稳定，限制了其推广应用。
5.可见现有重力储能系统大多存在受限于天气与地形、建造成本高、结构复杂、运动控制难度较大等问题。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种将下落重物自动回收至固定底座的重力储能系统单元，且多个重力储能系统单元采取类似蜂巢或导弹垂发系统的密集布置方式组合为一种重力储能系统。系统特点是结构简单，不受天气和地形限制，功率输出平稳，且支持集约化、模块化运作，可根据任务动态调整储能容量，建筑与运动控制成本大幅降低。
7.为解决上述技术问题，本发明所采取的设计方案是：
8.一种重力储能系统包含多个重力储能系统单元，单个重力储能系统单元通过质量模块结构设计、内凹型球面对接口以及配套引导控制装置，实现质量模块下落自动回收至基底井内，并可根据任务需要灵活调整质量模块重量。其主要结构包括：质量模块、内凹型球面对接口、动力发电组合装置、基底井、支撑框架结构。多个重力储能系统单元可以组合成一套重力储能系统，形成类似蜂巢或导弹垂发系统的密集布置方式，在节约土地资源和建筑材料的同时进一步强化框架强度，提高系统储能容量。
9.所述质量模块由上端模块化重物层和下端对接层两部分构成。
10.进一步地，所述上端模块化重物层形状为圆柱形，外层为耐腐蚀、光滑的金属外壳，内层间隔相同高度设置重物限位固定装置，可根据任务需要叠放不同数量的圆柱形重物。
11.进一步地，所述重物限位固定装置在感应到重物放置后启动，确保重物重心与质量模块重心一致，防止重物水平方向晃动，取出重物前需依次打开限位固定装置。
12.进一步地，所述圆柱形重物可选择铅块、压缩铅板、压制建筑垃圾、焚烧炉渣。
13.进一步地，所述下端对接层有滚动对接层和固定对接层两种形态。
14.进一步地，所述滚动对接层包含半圆锥形金属外壳、限位引导环、减震滚球装置、顶端金属大滚球。
15.进一步地，所述限位引导环包含限位引导保持架和双侧金属滚球，限位引导环上部与半圆锥形金属外壳下端相连，将顶端金属大滚球内嵌于滚动对接层底部，起到支撑、滑动金属大滚球的功能。
16.进一步地，所述双侧金属滚球分别为内侧限位滚球和外侧引导滚球，内侧金属滚球半嵌于限位引导保持架，与金属大滚球球面接触，一方面为金融大滚球提供向上支撑力，起到限位固定作用，另一方面赋予金属大滚球灵活滚动的能力；外侧金属滚球内嵌于限位引导保持架，在一定角度与内凹型球面接触时，引导质量模块向下滚动。
17.进一步地，所述减震滚球装置连接于滚动对接层顶部中心，与金属大滚球顶部相接触，包含液压减震器、减震滚球保持架、减震滚球。减震滚球内嵌于减震滚球保持架，与金属大滚球球面接触，配合金属大滚球灵活滚动；液压减震器顶端与滚动对接层顶部相连，在质量模块接触基底井底部与内凹型球面时起到减震避震作用。
18.进一步地，所述金属大滚球为表面光滑、耐腐蚀的实心金属球，在质量模块接触内凹型球面时，向底部滚动，带动质量模块进入基底井对接口。
19.进一步地，所述固定对接层包含半圆锥与球形组合金属体、润滑油储存及渗出装置。
20.进一步地，所述半圆锥与圆球形组合金属体形状近似于圆珠笔笔尖，上半部形状为半圆锥体，下半部形状为球形，材质为光滑、耐腐蚀的实心金属。半圆锥与圆球形组合金属体内部安装润滑油存储及渗出装置，送油管道连通半圆锥与圆球形组合金属体表面，在质量模块与内凹型球面接触时，向金属体表面释放润滑液，助力质量模块在重力作用下自动滑动至基底井对接口并下落至基底井。
21.所述内凹型球面对接口包含内凹型球面、基底井对接口、基底井对接口引导滚轮。
22.进一步地，所述内凹型球面形状可以为半球形、半圆锥形、碗形、漏斗形、杯形及其他类似形状，球面内嵌于土地中，球面直径大于质量模块直径，球面选择表面光滑、高强度、耐冲击、耐腐蚀的金属、塑料、玻璃、陶瓷单种及多种复合材料，内凹型球面底部圆心位置开圆形基底井对接口，与基底井相连。
23.进一步地，所述基底井对接口为圆形，圆形直径等于质量模块直径与基底井对接口两侧引导滚轮在基底井内壁延伸出长度之和。
24.进一步地，所述基底井对接口引导滚轮布置在基底井对接口，包含引导滚轮电动机、传动轴、圆柱形滚轮，圆柱形滚轮表面包裹蜂巢形、内凹橡胶面，利用大气压强增强摩擦力，同时具备正反方向滚动功能，在质量模块进入基底井对接口时向下滚动，在质量模块抬升时向上滚动，起到限位引导作用。
25.所述动力发电组合装置由电动发电一体机、刹车器、牵引轮、牵引缆绳、牵引缆绳位移感应器、逆变器构成。
26.进一步地，所述电动发电一体机在需要吊起质量模块储存势能时，作为电动机，通过牵引轮，拉动牵引缆绳和质量模块向上运动至支撑框架结构顶部固定位置；在需要释放
能量时，作为发电机，回收质量模块下降动能，转换为电能。
27.进一步地，所述牵引缆绳位移感应器安装在牵引轮下方或承重梁下方，连接刹车器与电动发电一体机，牵引缆绳穿过感应器，当牵引缆绳偏离垂直中心线一定角度后进行报警，通知电动发电一体机、刹车器进行减速、刹车。
28.所述基底井由井壁引导滚轮、底部减震吸能装置、排水装置构成。基底井位于地面以下，在增加质量模块运动高度的同时作为质量模块的固定底座。
29.进一步地，井壁引导滚轮布置于基底井壁周围，结构和功能与基底井对接口引导滚轮一致，在质量模块进入基底井对接口时向下滚动，在质量模块抬升时向上滚动，起到引导和限位作用。
30.进一步地，底部减震吸能装置由高回弹、抗冲击的橡胶或泡沫材料构成。
31.所述支撑框架结构是支撑系统重量的建筑框架结构，包括垂直面支撑结构、顶部水平面承重梁，采用钢框架结构、混凝土结构及混合结构。顶部水平面承重梁安装有动力发电组合装置、质量模块锁钩、质量模块固定架，质量模块上升至最高点后由质量模块锁钩，质量模块固定架对其进行固定。
32.本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
33.1.本发明的重力储能系统对于地形没有特别要求，便于在任意可构建建筑物的地形上实际使用。
34.2.本发明通过圆柱形模块化重物层设计减少风阻，通过质量模块对接层设计、内凹型球面对接口、以及简单的引导控制装置，实现质量模块在一定晃动范围内的自动下落归位，可以在室外非极端天气下正常运作。
35.3.本发明的每个质量模块重量、运动行程均一致，功率输出平稳，无需复杂算法，对于质量模块运动控制的要求较低，降低系统运营管理成本。
36.4.本发明的质量模块采取模块化组合，可根据电网消纳需要，灵活调整模块内置重物质量或运行质量模块数量，实现储能与放电功率的动态调整。
37.5.本发明结构简单，无需建造封闭外立面，节约材料，建筑成本较低。
38.6.本发明采取类似蜂巢与导弹垂发系统的密集单元布置，可以在增强框架结构的同时节约土地资源，实现规模化布置。
39.7.本发明采取在地面下布置基底井，确保质量模块上升初段保持垂直，提升质量模块运动高度，增加系统储能容量。
附图说明
40.图1是本发明的重力储能系统整体框架的侧视图
41.图2是本发明的重力储能系统整体框架的俯视图
42.图3是本发明的质量模块滚动对接层的示意图
43.图4是本发明的质量模块固定对接层的示意图
44.图5是本发明的限位引导环的示意图
45.图6是本发明的减震滚球装置的示意图
46.图7是本发明的内凹型球面对接口与基底井的侧视图
47.图8是动力发电组合装置的示意图
具体实施方式
48.为了详细说明本发明为达到预定技术而具体采取的实施方案，下面结合附图说明，对本发明方案实施步骤进行具体、清晰地表述。本文所描述的实施例仅是本发明的部分实施案例，而不是全部的实施例，并且，在不进行创新性改变的前提下，本发明的实施力中的技术手段、结构或材料可以替换，下面将参考附图并结合实施案例详细介绍本发明。
49.如图1所示，本发明是一种重力储能系统，单个重力储能系统单元包含质量模块1、内凹型球面对接口2、动力发电组合装置3、基底井4、支撑框架结构5。如图2所示，多个重力储能系统单元可以采取类似蜂窝或导弹垂直发射系统的密集布置方式组合为一种高密度、集约化重力储能系统。支撑框架结构5布置于地面上，为框架架构，包括垂直面支撑结构、顶部水平面承重梁，顶部水平面承重梁安装有动力发电组合装置3、质量模块锁钩6，质量模块固定架7。动力发电组合装置3通过牵引缆绳8拉动质量模块1上升下降。内凹型球面对接口2形状可以为半球形、碗形、漏斗形、杯形及其他类似形状，球面内嵌于土地中，球面直径大于质量模块1直径，内凹型球面对接口2通过底部基底井对接口16与基底井4相连。基底井4位于地下，作为质量模块的固定底座同时增加质量模块1运行高度，提高储能容量。质量模块1由上端模块化重物层和下端对接层两部分构成，模块化重物层形状为圆柱形，内层间隔相同高度设置重物限位固定装置28，内部可叠放多个圆柱形重物29，可根据任务需要，灵活调整叠放重物数量与重物质量。
50.系统进行储能时，首先，如图8所示，新能源发电设备供电至动力发电组合装置3，电动发电一体机9作为电动机运作，通过牵引轮10牵引缆绳8拉动质量模块1从基底井4向上提升。进一步地，如图7所示，基底井4井壁安装有井壁引导滚轮11，井壁引导滚轮11向上滚动，确保质量模块竖直离开基底井4。更进一步地，质量模块1离开基底井后，如果受外部恶劣天气或地质灾害影响，牵引缆绳8与垂直线偏角超过系统安全范围，则牵引缆绳位移感应器12进行报警，通知电动发电一体机9、刹车器27进行减速、刹车，待牵引缆绳8偏离角度恢复正常范围内再重新启动。质量模块1上升至最高点后，通过顶部水平面承重梁上的质量模块锁钩6，钩住质量模块1，减少对牵引缆绳8压力和使用损耗。通过质量模块固定架7对质量模块1进行水平固定，防止模块在悬挂过程中出现晃动。
51.系统进行释能时，质量模块锁钩6释放质量模块1，质量模块1加速下降，通过牵引轮10拉动牵引缆绳8，电动发电一体机9作为发电机运作，回收质量模块1下降的动能转换为电能。进一步地，质量模块1进入匀速下降、减速阶段，如果受外部恶劣天气或地质灾害影响，牵引缆绳8与垂直线偏角超过系统安全范围，则牵引缆绳位移感应器12进行报警，通知电动发电一体机、刹车器进行减速、刹车，使得质量模块1的下端对接层进入凹型球面对接口2前，始终位于凹型球面对接口2上方的空间范围内。更进一步地，当质量模块1进入凹型球面对接口2时，下落速度降低至规定范围内，即由凹型球面对接口2材料的可承受冲击力度决定。
52.质量模块1的下端对接层分为滚动对接层和固定对接层两种形态。
53.质量模块1采取滚动对接层形态，如图3所示，当质量模块1开始接触凹型球面对接口2的内凹型球面19时，滚动对接层的顶端金属大滚球13在重力作用下，借助限位引导环14、减震滚球装置15，向凹型球面对接口2的基底井对接口16滚动，带动质量模块1整体向基底井对接口16移动。如图5所示，限位引导环包含限位引导保持架21、内侧限位滚球22和外
侧引导滚球23，内侧金属滚球22半嵌于限位引导保持架21，与金属大滚球13球面接触，一方面为金融大滚球提供向上支撑力，起到限位固定作用，另一方面赋予金属大滚球灵活滚动的能力；外侧金属滚球23内嵌于限位引导保持架，在一定角度与内凹型球面19发生接触时，协助顶端金属大滚球13向基底井对接口16滚动。如图6所示，减震滚球装置包含液压减震器24、减震滚球保持架25、减震滚球26，减震滚球26内嵌于减震滚球保持架25，与金属大滚球13球面接触，配合金属大滚球13进行灵活滚动；液压减震器24安装于滚动对接层顶部，在质量模块1接触内凹型球面19时，减缓冲击力。
54.质量模块1采取固定对接层形态，如图4所示，当质量模块1开始接触凹型球面对接口2的内凹型球面19时，固定对接层的半圆锥与球形组合金属体17内部的润滑油储存及渗出装置18向顶端球体表面释放润滑油，在重力与润滑油作用下，半圆锥与球形组合金属体17向基底井对接口16滑动，带动质量模块1整体向基底井对接口16位置移动。
55.质量模块1进一步移动至内凹型球面对接口2的基底井对接口16时，基底井对接口引导滚轮20和井壁引导滚轮11向下滚动，引导质量模块1进入基底井4，在质量模块1降低至基底井底部前，下降速度逐步减缓至停止，基底井底部减震吸能装置30想
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到保护质量模块、缓释冲击力的作用。
56.如图2所示，本发明多个重力储能系统单元组合形成类似蜂巢或导弹垂发系统的布置方式，在节约土地资源和建筑材料的同时进一步强化框架强度，提高储能容量。同时，每个重力储能系统单元的质量模块1重量和运行高度均相同，无需复杂算法，功率输出平稳。
57.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式或结构上的限制。凡是未脱离本发明技术方案范围，或依据本发明技术实质，对上述实施例进行简单修改、替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。