一种沙砾重力储能装置及储能方法与流程

1.本发明物理机械储能技术领域，具体涉及一种沙砾重力储能装置及储能方法。


背景技术：

2.以风能和太阳能为代表的可再生能源得到快速发展，但其空间分布的不均匀性和供应时间的不稳定性大幅度限制了新能源技术的发展。电网对各种储能技术的需求日益增长。储能领域将以应用为导向，突破现有技术发展瓶颈，以高安全、长寿命、高效率、低成本、大规模、可持续发展等衡量指标评价储能技术的先进性与适用性。
3.众多储能方法中，应用比较广泛的储能技术主要有电化学储能(如铅酸电池和锂电池)和重力储能(如抽水蓄能)等。电化学储能技术多应用于中小型能量应用场景，能量储存能力有限，易造成环境污染，且电池使用寿命通常在几年之内，充放电次数有限。抽水蓄能是目前应用最广泛、技术最成熟的一种重力储能方法，通过水势能和电能的互相转化实现能量存储与释放，具有储电容量大、效率高、寿命长、储能周期不受限制等优点，但抽水蓄能电站的建设严重依赖地理条件，特别是需要依靠当地丰富的水资源和地理高度差建造特定规模水库和水坝，建设规模大，建设成本高。


技术实现要素：

4.为了解决风光等新能源发电的波动性和随机性对电力系统的影响以及辅助电网调峰调频，本发明提出了一种沙砾重力储能装置及储能方法，采用沙砾砌块作为重力储能载体，利用沙砾砌块自身层层堆叠形成高度差，无需额外建造高地，大大降低了重力储能系统的成本，尤其适用于西北、华北风光资源比较丰富、沙漠化比较严重的区域，且不受地理条件、天气等的限制，投资建造成本低，应用前景广阔。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明第一方面，提供了一种沙砾重力储能装置，包括：
7.沙砾砌块和起吊装置；其中，所述起吊装置设置有缆绳和机械臂，缆绳一端连接所述机械臂，机械臂用于夹持沙砾砌块，缆绳另一端连接有电动发电一体机；
8.当光伏风电新能源基地波动过大或发电量超过电网负荷时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机，通过起吊装置的缆绳和机械臂，将沙砾砌块由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；
9.当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷时，起吊装置运载沙砾砌块由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。
10.进一步的，所述沙砾砌块包括中空的立方体块和填充在立方体块内部的砂子。
11.进一步的，所述立方体块外部靠近顶面的地方设置有卡槽，所述机械臂上设置有与所述卡槽形状相配合的夹头，当夹持立方体块时，所述夹头夹持在卡槽内。
12.进一步的，还包括成套设置的磁吸装置，磁吸装置一部分设置在机械臂上，另一部
分设置在所述卡槽内。
13.进一步的，以起吊装置为中心，沙砾砌块由中心向外发散堆砌，形成砌块单元，每个砌块单元间留有一定间隙供机械臂卡入，未开卡槽的堆砌面间紧密布置，不设空隙。
14.进一步的，所述砂子由沙堆经过滤沙装置过滤得到。
15.进一步的，沙砾砌块从地面处自下而上层层堆砌，利用沙砾砌块自身层层堆叠形成高度差。
16.本发明第二方面，提供了一种沙砾重力储能装置的储能方法，包括下列步骤：
17.将沙堆里的沙运至滤沙装置处，滤沙装置采用筛网过滤沙砾；
18.将过滤后的沙砾倒入形状规则的立方体块中，进行封装形成一个沙砾砌块；
19.起吊装置上的缆绳一端连接电动发电一体机，另一端连接机械臂，所述沙砾砌块前后面上部设计有卡槽，机械臂的夹头经过磁吸装置定位，夹住卡槽；
20.当光伏风电新能源基地波动过大或发电量超过电网负荷时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机，通过起吊装置的缆绳和机械臂，将沙砾砌块由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；
21.当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷时，起吊装置运载沙砾砌块由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。
22.进一步的，以起吊装置为中心，沙砾砌块由中心向外发散堆砌，形成砌块单元，每个砌块单元间留有一定间隙供机械臂卡入，未开卡槽的堆砌面间紧密布置，不设空隙。
23.进一步的，沙砾砌块从地面处自下而上层层堆砌，利用沙砾砌块自身层层堆叠形成高度差。
24.与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
25.本发明沙砾重力储能装置，采用沙砾砌块作为重力储能载体，大大降低了重力储能系统的成本；属于物理机械储能技术领域，使用过程无其他损耗，使用寿命长达40-60年。
26.本发明沙砾重力储能装置，利用沙砾砌块自身层层堆叠形成高度差，无需额外建造高地，大大降低了储能建造难度和成本，适用性广。
附图说明
27.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1是本发明实施例一种沙砾重力储能装置的整体系统示意图；
29.图2是本发明实施例中沙砾砌块堆叠正视图；
30.图3是本发明实施例中沙砾砌块堆叠俯视图；
31.附图中，各标号所代表的部件列表如下：1-沙堆；2-滤沙装置；3-沙砾砌块；4-起吊装置；5-卡槽；6-发电电动一体机；7-机械臂；8-光伏风电新能源基地区域；9-电网用电负荷。
具体实施方式
32.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情
况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.为了解决风光等新能源发电的波动性和随机性对电力系统的影响，以及辅助电网调峰调频。本发明提供了一种沙砾重力储能装置，采用沙砾砌块作为重力储能载体，大大降低了重力储能系统的成本。当光伏风电新能源基地波动过大或发电量超过电网负荷时，多余的风电或太阳能光伏发电供给起吊装置启动，将沙砾砌块由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能。当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷时，起吊装置运载沙砾砌块由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。本发明属于物理机械储能技术领域。寿命可达40-60年，建造和操作维护简单，避免了现有的储能结构普遍存在系统复杂、成本较高的问题。
36.实施例1
37.如图1所示，一种沙砾重力储能装置，包括：
38.沙砾砌块3和起吊装置4；其中，所述起吊装置4设置有缆绳和机械臂7，缆绳一端连接所述机械臂7，机械臂7用于夹持沙砾砌块3，缆绳另一端连接有电动发电一体机6；
39.当光伏风电新能源基地9波动过大或发电量超过电网用电负荷9时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机6，通过起吊装置4的缆绳和机械臂7，将沙砾砌块3由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；
40.当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷9时，起吊装置4运载沙砾砌块3由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置4连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机6，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。
41.具体的，本方案中所涉及的起吊装置4可以是起重机或吊具，如塔吊，通过电动发电一体机6驱动设置在起重机或吊具上的缆绳，将沙砾砌块3进行起吊或者从高处放下。
42.当吊起沙砾砌块3时，通过电动发电一体机，驱动起重机将缆绳向上提起，或者直
接将吊具上的缆绳向上提起，从而将沙砾砌块吊起，依次将沙砾砌块3堆叠在一起。
43.当需要进行发电时，利用起重机或吊具吊起沙砾砌块并使沙砾砌块在重力作用下下降，通过缆绳带动电动发电一体机6进行发电，依次从顶端沙砾砌块3开始，逐渐将沙砾砌块3从高处放置在底面。。
44.具体的，所述沙砾砌块3包括中空的立方体块和填充在立方体块内部的砂子。
45.进一步具体的，通过推车或挖掘机将沙堆1里的沙运至滤沙装置2处，滤沙装置2采用筛网过滤掉杂质以保证沙子的均匀性，确保沙砾砌块间的质量接近统一均匀；将过滤后的沙砾倒入形状规则的立方体块中进行封装形成一个沙砾砌块3。
46.作为示例，立方体块可以由水泥、铸铁或钢结构做成，其内部中空，用于填充沙砾。
47.作为更具体的一种示例，每个沙砾砌块重量3-5吨，高2-3米。
48.优选实施例中，立方体块外部靠近顶面的地方设置有卡槽5，所述机械臂7上设置有与所述卡槽5形状相配合的夹头，当夹持立方体块时，所述夹头夹持在卡槽5内，机械臂7夹入卡槽5中即可提起或放下沙块3。
49.作为示例，卡槽5可以是设置于立方体块的两个相对侧面上，位于靠近顶面的位置。卡槽5可以是半圆形槽，或者也可以是方槽等适用于本方案中的槽体。具体形状不做限制。
50.更加优选的实施例中，还包括成套设置的磁吸装置，磁吸装置一部分设置在机械臂7上，另一部分设置在所述卡槽5内。卡槽5和机械臂7上安装磁吸装置，通过磁吸装置精准定位卡槽5和机械臂7的相对位置，节约卡槽和机械臂的匹配时间；
51.如图2和3所示，以起吊装置4为中心，沙砾砌块3由中心向外发散堆砌，形成砌块单元，每个砌块单元间留有一定间隙供机械臂卡入，未开卡槽的堆砌面间紧密布置，不设空隙。沙砾砌块3从地面处自下而上层层堆砌，利用沙砾砌块3自身层层堆叠形成高度差，无需额外建造高地，大大降低了储能建造难度和成本，适用性广，使用过程无其他损耗，使用寿命长达40-60年。
52.实施例2
53.一种沙砾重力储能装置的储能方法，包括下列步骤：
54.s1：在沙漠、戈壁、荒漠等光伏风电新能源基地8，利用沙漠和戈壁的沙砾或碎石作为填料，规划建设沙石重力储能装置的规模；
55.s2：现场勘察建成场地的地基及地质构造，设计建设沙石重力储能装置的地基基础，满足最高沙石重力储能堆垛高度的地基承重要求；
56.s3：利用现场及附近周边的沙子、石块、沙砾等材料，就地现场生产灌装沙砾储能砌块，砌块承重外壳可以利用水泥、铸铁或钢结构现场浇筑或焊接制作，降低砌块的生产成本；
57.s4：设计建造起重机和吊具，在起重机塔顶部安装电动发电一体机及吊绳，调试砌块吊装耗电储能模式和砌块下落发电模式的运行正常；
58.s5：将储能装置连接附近电网或新能源发电厂的出厂母线供电，实现利用沙砾重力储能堆塔装置的储能蓄电和放电功能。
59.将沙堆1里的沙运至滤沙装置2处，滤沙装置2采用筛网过滤沙砾；
60.将过滤后的沙砾倒入形状规则的立方体块中，进行封装形成一个沙砾砌块3；
61.起吊装置4上的缆绳一端连接电动发电一体机，另一端连接机械臂7，所述沙砾砌块前后面上部设计有卡槽5，机械臂7的夹头经过磁吸装置定位，夹住卡槽5；
62.当光伏风电新能源基地8波动过大或发电量超过电网用电负荷9时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机6，通过起吊装置4的缆绳和机械臂7，将沙砾砌块3由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；
63.当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷9时，起吊装置4运载沙砾砌块3由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置4连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机6，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。
64.其中，以起吊装置4为中心，沙砾砌块3由中心向外发散堆砌，形成砌块单元，每个砌块单元间留有一定间隙供机械臂卡入，未开卡槽的堆砌面间紧密布置，不设空隙。沙砾砌块3从地面处自下而上层层堆砌，利用沙砾砌块3自身层层堆叠形成高度差。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

技术特征：
1.一种沙砾重力储能装置，其特征在于，包括：沙砾砌块(3)和起吊装置(4)；其中，所述起吊装置(4)设置有缆绳和机械臂(7)，缆绳一端连接所述机械臂(7)，机械臂(7)用于夹持沙砾砌块(3)，缆绳另一端连接有电动发电一体机(6)；当光伏风电新能源基地(8)波动过大或发电量超过电网用电负荷(9)时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机(6)，通过起吊装置(4)的缆绳和机械臂(7)，将沙砾砌块(3)由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷(9)时，起吊装置(4)运载沙砾砌块(3)由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置(4)连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机(6)，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。2.根据权利要求1所述的沙砾重力储能装置，其特征在于，所述沙砾砌块(3)包括中空的立方体块和填充在立方体块内部的砂子。3.根据权利要求2所述的沙砾重力储能装置，其特征在于，所述立方体块外部靠近顶面的地方设置有卡槽(5)，所述机械臂(7)上设置有与所述卡槽(5)形状相配合的夹头，当夹持立方体块时，所述夹头夹持在卡槽(5)内。4.根据权利要求3所述的沙砾重力储能装置，其特征在于，还包括成套设置的磁吸装置，磁吸装置一部分设置在机械臂(7)上，另一部分设置在所述卡槽(5)内。5.根据权利要求1所述的沙砾重力储能装置，其特征在于，以起吊装置(4)为中心，沙砾砌块(3)由中心向外发散堆砌，形成砌块单元，每个砌块单元间留有一定间隙供机械臂卡入，未开卡槽的堆砌面间紧密布置，不设空隙。6.根据权利要求2所述的沙砾重力储能装置，其特征在于，所述砂子由沙堆(1)经过滤沙装置(2)过滤得到。7.根据权利要求5所述的沙砾重力储能装置，其特征在于，沙砾砌块(3)从地面处自下而上层层堆砌，利用沙砾砌块(3)自身层层堆叠形成高度差。8.一种沙砾重力储能装置的储能方法，特征在于，包括下列步骤：将沙堆(1)里的沙运至滤沙装置(2)处，滤沙装置(2)采用筛网过滤沙砾；将过滤后的沙砾倒入形状规则的立方体块中，进行封装形成一个沙砾砌块(3)；起吊装置(4)上的缆绳一端连接电动发电一体机，另一端连接机械臂(7)，所述沙砾砌块前后面上部设计有卡槽(5)，机械臂(7)的夹头经过磁吸装置定位，夹住卡槽(5)；当光伏风电新能源基地(9)波动过大或发电量超过电网用电负荷(9)时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机(6)，通过起吊装置(4)的缆绳和机械臂(7)，将沙砾砌块(3)由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷(9)时，起吊装置(4)运载沙砾砌块(3)由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置(4)连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机(6)，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。9.根据权利要求8所述的储能方法，特征在于，以起吊装置(4)为中心，沙砾砌块(3)由中心向外发散堆砌，形成砌块单元，每个砌块单元间留有一定间隙供机械臂卡入，未开卡槽的堆砌面间紧密布置，不设空隙。10.根据权利要求8所述的储能方法，特征在于，沙砾砌块(3)从地面处自下而上层层堆
砌，利用沙砾砌块(3)自身层层堆叠形成高度差。

技术总结
本发明提出了一种沙砾重力储能装置及储能方法，装置包括：沙砾砌块和起吊装置；起吊装置设置有缆绳和机械臂，缆绳一端连接机械臂，机械臂用于夹持沙砾砌块，缆绳另一端连接有电动发电一体机；当光伏风电新能源基地波动过大或发电量超过电网负荷时，多余的风电或太阳能光伏发电供给电动发电一体机，通过起吊装置的缆绳和机械臂，将沙砾砌块由下而上原地堆叠成高塔储存重力势能；当处于用电高峰期或发电量无法满足电网用电负荷时，起吊装置运载沙砾砌块由上而下落下实现重力势能释放，与起吊装置连接的缆绳另一端连接电动机发电机一体机，利用沙砾砌块重力做功驱使发电机发电。采用沙砾砌块作为重力储能载体，降低了重力储能系统的成本。成本。成本。


技术研发人员：宋艳梅 杨豫森 王欣然 杨晓峰
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/31