一种电站用大容量重力储能装置 【技术领域】
本发明涉及储能技术领域，特别是涉及一种电站用大容量重力储能装置。
背景技术
电能具有可以大规模生产、容易转换为其他形式能量、便于远距离输送、集中管理、自动测量和控制等优点，在人类生活和社会生产活动中应用广泛。但是电力的应用有一个很大的缺憾，即在目前技术条件下还不能以电能形式大量储存，电网中的发电量和用电负荷必须平衡。而电力的需求极不平衡，春、夏、秋、冬，昼夜之间，工作日与节假日电力需求相差很大。电力系统中的负荷随时间而变化，电力负荷由国民经济和社会各行业用电负荷构成，如第一、二、三产业，其中有重工业、轻工业、交通运输业、商业、农业及生活用电负荷。各种用电负荷在一日内都有其各自的变化规律，如连续生产的重工业和轻工业，在24(16)h负荷大体均衡，商业、生活用电则出现晚高峰和后夜低谷负荷。在一年内各类用电负荷又随季节而变化，如制冷制热空调、电热、照明等。
火力发电和核能发电具有能量密度高、运行稳定、启闭不便的特点，而用电负荷存在每日间的高峰低谷和以年度季节等为周期的高峰低谷现象，两者不完全匹配，必然形成供电不足或供电能力过剩的情况。风电、光伏等发电具有随机性、不连续、不稳定、能量密度低的特点，太阳能、风能资源丰富区常常远离人口、工业密集区，发电与用电之间普遍存在时间空间上的不匹配，空间上的距离可以靠高压输变电设备解决，而时间方面的不匹配则需要大型的储能设施将发电用电之间的不平衡进行弥补。
如何大容量、低成本、高效率、高可靠度地将临时过剩电力进行储存一直是一个难题，储能技术的落后将大大制约风电、光伏发电等清洁能源的广泛应用，也会造成火电、核电等传统发电系统的效率下降，不利于节能减排。人类已经开发出各种电能存储方法，如抽水蓄能电站、化学电池、超大规模电容、压缩空气、电解水、超导电磁或飞轮蓄能等等。
抽水蓄能电站是大容量蓄能方式，能量循环效率75％，建设抽水蓄能电站需要苛刻的地理条件，需要大量的水和较好的建坝建库条件，受自然条件限制较多，初始投资巨大，有一定应用前景，但有可能破坏环境、迁移人口、淹没农田和文物古迹、影响原生态系统，影响面广，有些是负面的。
化学电池能量密度低，成本高，技术要求高，寿命有限、需交直变换、循环效率偏低，需要一些在地球上储量有限的特殊元素，在便携式电子设备中应用广泛，将来在汽车等交通工具上也有很好的发展前景，但难以满足国家骨干电网所需的超大容量储能需求。
超大规模电容具有超大功率充放电、循环效率高的优势，但能量密度低，需交直变换，可以配合电池应用在汽车上，但难以满足工业民用储能需求。
压缩空气、电解水、超导电磁或飞轮动能等均因各自特点可以应用于特殊领域，但难以实现国家骨干电网级别的超大规模的工业民用储能需求。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种储能密度高，占地面积小，容量可控，而且适用范围广的电站用大容量重力储能装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电站用大容量重力储能装置，包括：
配重体，配重体用于被提升至高空从而将电能转化为配重体所增加的重力势能；
支撑装置，包括支撑柱以及架设在支撑柱上的横梁；
电力提升装置，电力提升装置至少包括电动机，由电动机驱动的绕线轮轴，设置于配重体上方的滑轮，中部绕过滑轮的的拉索，拉索一端固定于支撑装置上，另一端固定于绕线轮轴上；
发电装置，包括发电机，发电机经传动件与绕线轮轴相连用以将配重体的重力势能转化为电能。
本发明的原理在于将电网或电站中用电低谷时暂时过剩的电力通过电动机提升配重体至一定高度，提升的高度取决于支撑柱的高度，一般高度可达100米至200米，甚至更高，把能量以重力势能的方式储存起来，待用电高峰时再将配重体下放，从而使重力势能释放，推动发电机发电再将电力送上电网。由于本发明中配重体的比重可以很大，因此其储能密度高，占地面积小，可以满足国家骨干电网级别的超大规模的工业民用储能需求，而且由于其所具有的固体形态，因而对地形没有特别要求，建设方便。
为了取得更好的技术效果，进一步的技术措施还包括：
上述的电动机与发电机集成为一体即电动机/发电机一体机。使得结构更加简单，安装更加方便。
事实上，电力提升装置以及发电装置可以安装在地面或地下等位置，为了减少土地占用，上述的电力提升装置以及发电装置均安装在支撑装置的横梁上。
绕线轮轴与电动机/发电机一体机的输出轴的连接方式具有多种形式，优选的方案之一，上述的绕线轮轴与电动机/发电机一体机的输出轴直接相连，支撑装置还包括支撑滑轮，拉索的其中一端固定于支撑滑轮上，另一端绕过支撑滑轮连接在绕线轮轴上。
另一个优选方案，上述的绕线轮轴与电动机/发电机一体机的输出轴经齿轮组相连接，拉索的其中一端固定于横梁上，另一端连接在绕线轮轴上。
优选地，上述的配重体包括配重箱以及紧密填充在配重箱内的配重填料。配重箱使配重体的使用更加灵活方便，其内的配重填料的选择或更换更加简单。
配重填料的选择具有极大的灵活性，出于提高储能密度的考虑，优选的，上述的配重填料的密度至少是2×103Kg/m3。配重填料的密度越大，储能密度越高，所占用的土地面积越小。
通常来说，土、砂、石密度是水的2-2.5倍，而且，土、砂、石还具有可以就地取材，来源广泛，成本低廉的优点，因此，优选的，上述的配重填料是土、砂、石中的一种或至少其中两种的混合物。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、可以实现超大容量储能，能量密度高、占地少、容量可控，储电供电运行灵活、启闭方便、不需交直变换、供电质量高，也可以起到调频调相调压等作用。运营管理简单，检修方便。目前国家骨干电网级别的储能只有抽水蓄能方式，但建设条件苛刻，应用受限，而化学电池、超大规模电容、压缩空气、电解水、超导电磁或转动动能等方式均难以实现超大容量储能。一般土、砂、石密度是水的2-2.5倍，仅此即可比抽水蓄能电站少用一半方量储能介质，另配重箱高度、提升高度均可人为设计，能量密度高。条件具备时可利用地形地物等实现更高能量密度。
二、能量循环效率高。整个过程仅有电动机提升重物、重物下降推动发电机发电两个动作，电机技术成熟，是目前所有动力机械中效率最高的，远远高于蒸汽机、内燃机、水轮机、汽轮机、风轮机等，电机单向效率可以做到98％-99％，加上极少的滑轮齿轮等机械摩擦和空气阻力引起的能量损失，几乎不再存在其他能量损耗，综合能量循环效率有望达到90％-95％，甚至可至96％以上，即可以几乎无损失地将过剩电力“束之高阁”存储起来，需要时释放弥补用电高峰时供电能力不足。而抽水蓄能电站能量循环效率仅75％，电解水45％，化学电池75％，压缩空气50％，飞轮90％，超导电磁95％，等等，其他方式循环效率也难达到本方式的效率水平。
三、技术成熟，稳定可靠，安全，寿命长。以土木工程、机电工程成熟技术为依托，工程实施无任何技术难度，土木工程设计寿命可达100年以上，电机维护费用超低，寿命可达30年以上。相对于抽水蓄能电站，不存在溃坝之类可能造成严重损失的可能性，风险可控。
四、相对于抽水蓄能电站，本装置不需水(当然以水作为配重物也是可以的，但不会消耗掉)，不需建坝建库等特殊地理条件，不淹没耕地、不迁移人口、不破坏环境和生物种群、不破坏文物古迹，选址灵活。据了解，2004年底全国已建成投产的抽水蓄能电站10座，装机容量达到570.1万kW(其中60万kW供香港)。至09年全国已建成抽水蓄能电站20座，装机容量约1200万千瓦，在建电站11座，总规模约1308万千瓦。可见因其局限性应用并不广泛。
五、完全无污染。运营过程几乎不耗费一滴水、不排放一克CO2或废气、废水、废渣、有毒、放射、烟尘等任何污染物。
六、投资省，运营成本低，经济效益显著，社会效益巨大。工程投资主要是支柱支架的土木工程、电机、控制系统等，配重材料可以就地取材，使用廉价的土、沙、石即可长期使用，投资很省，回收期短，如能实行峰谷差别电价，则项目本身的经济指标就非常优秀。当然还需要进行详细的工程可行性研究，特别项目经济指标方面。另外，对于节能减排、环境保护均有不可估量的巨大作用。
七、适用面广。1、适合作为火电、核电等各类电站的配套储能设施。火电、核电运行平稳，启闭不便，调节性能较差，需带基荷运行，储能电站刚好可以弥补其不足；2、可以依托公共电网灵活选址；3、不需水的特点尤其特别适合于在沙漠、戈壁、荒原、盐碱滩等人烟稀少地域配合风电、光伏发电建立储能电站。4、也可以配合其他如波浪、潮汐、生物质能等发电建设储能电站。5、任何形式的能量，只要可以转换成电力，即可用此方式存储起来，不过期，不变质。6、可以独立应用于一些小型特殊场合。7、可成为构建智能电网的关键环节。
【附图说明】
图1是本发明实施例1的结构示意图。
【具体实施方式】
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种电站用大容量重力储能装置，包括：
配重体，配重体包括配重箱11以及紧密填充在配重箱11内的配重填料12，配重填料12是土、砂、石的混合物，其密度是2×103Kg/m3。配重体用于被提升至高空从而将电能转化为配重体所增加的重力势能；
支撑装置，包括支撑柱41以及架设在支撑柱上的横梁42；
电力提升装置，电力提升装置至少包括电动机/发电机一体机，由电动机/发电机一体机驱动的绕线轮轴22，设置于配重体上方的滑轮23，中部绕过滑轮23的的拉索24，拉索24一端固定于支撑装置上，另一端固定于绕线轮轴22上；
发电装置，包括电动机/发电机一体机，电动机/发电机一体机经传动件与绕线轮轴相连用以将配重体的重力势能转化为电能。
电力提升装置以及发电装置均安装在支撑装置的横梁42上。
由于在实际使用中必然不止一组储能装置，因此，本实施例中绕线轮轴22与电动机/发电机一体机的输出轴的连接方式采用了下述两种方式：
其中一部分，绕线轮轴22与电动机/发电机一体机的输出轴直接相连，支撑装置还包括支撑滑轮43，拉索24的其中一端固定于支撑滑轮43上，另一端绕过支撑滑轮43连接在绕线轮轴22上。需要储能时，电动机/发电机一体机带动绕线轮轴22转动，从而将配重体
还有一部分是绕线轮轴22与电动机/发电机一体机的输出轴经齿轮组5相连接，拉索24的其中一端固定于横梁42上，另一端连接在绕线轮轴22上。
下面以具体实例简述本发明的应用前景及优点：
例一：以大唐电力唐山王滩火力发电厂为例。王滩发电厂一期投资49亿元，装机2台60万千瓦火力发电机组，现每年发电76亿度，占地800亩。
1度＝1千瓦时＝1000*3600＝3.6E6焦。
按额定功率发电，每年发电2*60万*24*365＝105亿度，每天发电2*60万*24＝2880万度。
现实际年发电76亿度，76亿度/105亿度＝72.4％，即实际平均功率只用到额定值的72.4％，实际每天发电76亿度/365＝2082万度。
假设为本电厂建设一个配套储能电厂，最大能将每天发电量的10％，即208.2万度转化为重力势能储存起来，根据势能公式E＝mgh，208.2万*3.6E6＝m*9.8*h，假设提升高度为100米，则m＝7.648E9千克＝7.648E6吨＝764.8万吨，普通土、砂、石填料密度一般为2~2.5吨/方，此处暂取值2吨/方，则需提升382.4万方配重。这个方量，只相当于稍大一点的水电站坝体的混凝土方量。
382.4万方＝156米*156米*156米＝191200平方米*20米＝437米*437米*20米＝286.8亩*20米＝478块*(20*20*20)，即382.4万方相当于长宽高均为156米的立方体，如果高度为20米，则其平面占地为191200平方米，即19.12公顷或286.8亩，这是配重块的净占地，如果全部做成长宽高均为20米的立方块，则共需478块。
再考虑支柱支架、机电工程占地和必要的间距、配套的输变电、控制系统、管理操作人员等工作生活设施占地等，占地在287亩的基础上再增加50％，综合占地430亩。
例二：现在已投产或在建的风电场功率远小于火力发电厂，如大唐山东发电公司第四座风电场黄岛风电场规划容量为4.95万千瓦，计划总投资48401.58万元，拟安装33台单机容量1500kW的风力发电机组，年发电量8954万千瓦时，日均发电量仅24.53万度，实际平均功率为额定功率的20.65％。根据前面的计算，208.2万度需提升配重物382.4万方，净占地286.8亩，则一万度需提升1.8367万方和净占地1.3775亩，以黄岛风电场这种规模来算，建设一个能将其每天发电量30％的电力储存起来的储能电站仅须净占地10.14亩，综合占地15.2亩。
例三：据了解，中国已经并网发电的兆瓦级光伏电站包括上海崇明1MW、上海临港新城1.2MW、浙江杭州2MW屋顶光伏电站、宁夏石嘴山10MW、宁夏太阳山2.5MW、华电宁东2MW等。规模20MW的徐州协鑫地面光伏电站，占地680亩，年发电量平均为2476万kWh，日均发电6.784万度，假设建一可储其日发电量30％的储能电站须净占地2.8亩，综合占地4.2亩，仅为其发电所需680亩占地的0.62％。
以上假设配重物密度为2吨/方，高20米，提升高度为100米，若能采集到廉价的高密度填料，或设计更高更大的配重箱，或设计更高的提升高度，或依托山势等有利地形实现更高的提升高度或斜角提升，都可以使单位占地面积上的能量密度增大或降低工程投资。以现有的工程技术来说，垂直提升高度达到200米以上是完全可行的，配重箱高度达到30米以上也可以做到，则能量密度可以达到前面假设的3倍，净占地面积则为前述的1/3，再考虑到其灵活选址的特点，可以几乎不占耕地。
对于风力发电、太阳能光伏发电来说，作为替代化石燃料的无穷尽、可再生的清洁能源，是不远的将来的必然选择，但其能量密度均很低，要形成一定的发电规模，须占用大量的例如沙漠、戈壁等地面，相对来讲，建造一个配套的重力储能电站其占地面积和投资几乎可以忽略不计，而其不需用水、选址灵活、地材廉价广泛、能量密度高、能量循环效率高、技术成熟、无污染的特点极具优势，而其可以将不稳定、不连续、供需不平衡的矛盾成功化解，对于火电、核电等也可以储其有余而补其不足，对于智能电网更是不可或缺的关键环节，其经济效益和社会效益都是巨大的，是比抽水蓄能电站更加卓越、适用更加广泛的超大容量储能方式，是国家骨干电网级别储能应用的根本解决之道。
本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。