ПРОМЫШЛЕННАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
INDUSTRIAL ENERGY STORAGE SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область применения изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к области накопителей электроэнергии. В частности, представленное изобретение описывает промышленную систему накопления электроэнергии путем вертикального перемещения грузов.
Описание уровня техники
[0002] Известно, что без накопителей электроэнергии электрическая сеть не может запасать электроэнергию. Сложность современных энергосистем возрастает, и согласование генерации с потреблением энергии становится критическим элементом в поддержании стабильности их работы.
[0003] Требования к выработке электроэнергии в течение типичного 24-часового периода значительно изменяется из-за различий в потреблении электроэнергии. Например, распространена ситуация, когда утром и вечером потребление электроэнергии увеличивается (пиковые часы), а в ночное время потребление минимально (часы минимума). Соответственно, в крупных энергетических системах существует сложная задача поддержания баланса между генерируемой и потребляемой электроэнергией. Другими словами, системному оператору необходимо перераспределять и/или изменять мощность генерации электроэнергии в соответствии с изменениями спроса.
[0004] Дисбаланс между производимой и потребляемой электроэнергией приводит к ухудшению качества поставляемой электроэнергии. Например, дисбаланс между производимой и потребляемой электроэнергией может вызвать изменения частоты и/или напряжения переменного тока, которые могут привести к серьезным сбоям оборудования в энергосистеме.
[0005] Для устранения дисбаланса между спросом и потреблением электроэнергии в больших энергосистемах могут быть использованы маневренные электростанции, например, гидроэлектростанции (ГЭС) или газотурбинные электростанции. Использование таких маневренных электростанций позволяет за короткое время (от долей до единиц минут) с небольшими потерями КПД и ресурса изменять генерируемую мощность.
[0006] Однако, возможность использования маневренных электростанций ограничена. Например, для ГЭС нужен особенный рельеф. Капитальные затраты других видов маневренных электростанций значительно превосходят затраты на аналогичные электростанции, предназначенные для работы на постоянной мощности, у которых КПД заметно снижается при выходе из режима постоянной мощности. Кроме того, регулярное использование оборудования электростанций в режиме переменной мощности, как правило, приводит к повышению его износа.
[0007] Промышленные накопители электроэнергии, в свою очередь, позволяют накапливать избыточную генерируемую мощность в часы минимума и обеспечивать дополнительную мощность во время пиковых часов.
[0008] Задача устранения дисбаланса между производством и потреблением электроэнергии становится сложнее с расширением использования альтернативных (например, возобновляемых) источников электроэнергии, таких как ветропарки и солнечные электростанции, неотъемлемой проблемой которых является непостоянство производства электроэнергии из-за зависимости от плохо предсказуемых и неконтролируемых природных условий.
[0009] Если возобновляемый источник электроэнергии (ВИЭ), будь то солнечная или ветряная электростанция, используется в изолированной энергосистеме без накопителей электронергии, то в произвольный момент времени количество произведенной электроэнергии может совпадать с количеством потребляемой энергии, только по случайному стечению обстоятельств. В большинстве случаев это не так, что приводит к вынужденным сбросам избытка электроэнергии или скачкам генерируемой мощности, то есть негативно влияет на эффективность энергосистемы.
[0010] Как правило, в целях обеспечения электросети генерируемой мощностью, которая должна соответствовать мгновенному спросу с регламентной точностью, производители электроэнергии устанавливают оборудование, обладающее заведомо избыточной по отношению к спросу мощностью. Таким образом они обеспечивают сеть резервом, ценой увеличения капитальных и эксплуатационных затрат. Данный метод хорошо зарекомендовал себя по отношению к традиционным электростанциям, но не страхует от рисков обеспечения необходимой мощностью с помощью ВИЭ в случае неблагоприятных погодных условий.
[0011] Соответственно, потребность в промышленных накопителях энергии в контексте энергосистемы обусловлена требованиями к экономической эффективности работы электростанций и качеству суточного управления нагрузкой, включая частотное регулирование, регулирование напряжения, вращающийся и холодный резервы и пуск электростанций из полностью обесточенного состояния.
[0012] Накопление электрической энергии можно осуществлять при помощи механических (гидроаккумулирующие электростанции, пневматические накопители, маховики), электрохимических (обычные аккумуляторные батареи и проточные батареи), электрических (конденсаторы, суперконденсаторы и сверхпроводящие магнитные накопители), термохимических (солнечное топливо), химических (синтез газа) и термических (теплоты нагревания и фазовых переходов) накопителей.
[0013] Для накопления энергии в масштабах энергосистем (номинальная мощность от 100 МВт и более, время зарядки/разрядки на номинальной мощности от 1 часа и более) как правило используются литий-ионные аккумуляторы, пневматические накопители и гидроаккумулирующие электростанции.
[0014] По данным DOE Global Energy Storage Database сегодня более 98% установленной мощности накопителей в мире приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В ГАЭС в процессе зарядки вода из нижнего резервуара закачивается насосом в верхний резервуар, в процессе разрядки вода под действием силы тяжести стекает в нижний резервуар, вращая турбину, которая вырабатывает электроэнергию.
[0015] Для строительства экономически эффективной (конкурентной с точки зрения капитальных затрат) ГАЭС необходима подходящая местность, рельеф которой обеспечит перепад высот необходимой высоты (сотни метров), а нижняя и верхняя площадки будут приспособлены для затопления либо располагать водоемами природного происхождения. От объема водоемов линейно зависит энергоемкость ГАЭС, что в конечном счете приводит к большой площади необходимого землеотвода. Эксплуатация ГАЭС также связана с рядом рисков, среди них основными являются масштабные разрушения в случае аварии и негативное влияние на экологию.
[0016] В пневматических накопителях в процессе зарядки воздух нагнетается компрессором в хранилище (как правило, каверну естественного происхождения), где хранится под высоким давлением. В процессе разрядки воздух выпускается из хранилища и, расширяясь, вращает газовую турбину, которая генерирует электроэнергию.
[0017] Возможности промышленной эксплуатации накопителей на сжатом воздухе ограничены ситуациями, когда вблизи системы генерации и потребления мощности, в достаточно технологически и экономически развитом регионе существует подходящая для нагнетания воздуха подземная каверна. Это связано с тем, что использование искусственных резервуаров приводит к росту капитальных затрат и падению экономической конкурентоспособности. Несмотря на то, что технология развивается с 70х годов прошлого века, в мире действует всего два пневматических накопителя мощностью более 100 МВт.
[0018] Литий-ионные аккумуляторы наиболее распространены для бытовых приложений, но в последнее время находят также применение в качестве промышленных накопителей энергии. В процессе зарядки катионы лития под действием приложенного внешнего электрического поля внедряются в материал анода. При снятии внешнего заряжающего поля и подключении к аккумулятору нагрузки литий двигается обратно в катод (в область низкой концентрации), а через нагрузку протекает электрический ток.
[0019] Важным недостатком промышленных накопителей на литий-ионных аккумуляторах является: сочетание относительно низкого срока службы при высоких капитальных затратах, которое в конечном итоге приводит к проблеме окупаемости. Высокие капитальные затраты на промышленные литиевые накопители связаны с необходимостью набора требуемой мощности большим количеством маломощных ячеек. Поверхность аккумулятора увеличивается с ростом мощности медленнее, чем выделяющееся тепло, что приводит к снижению КПД, таким образом, возможность использования крупных литиевых ячеек ограничена КПД. Наконец, в связи с ростом цен на сырьевой литий перспективы применения накопителей такого типа в промышленных масштабах являются спорными.
[0020] Существуют ряд систем, которые, как и ГАЭС, используют гравитационное поле Земли для накопления энергии. Такого рода гравитационные накопители энергии состоят из подъемных рекуперативных устройств, поднимающих груз против силы тяжести.
[0021] Например, в патенте США №9903391 выданном Хейндлу (Heindle) раскрывается система для накопления потенциальной энергии, которая включает в себя гидравлический цилиндр, перемещаемый груз и уплотнительное кольцо по периметру перемещаемого груза. Гидравлический цилиндр образован полостью между окружающими породами и вырезанной твердой породой. Полость герметизирована относительно окружающих пород уплотнительным кольцом. Данная система имеет специфические требования к размещению, так как нуждается в сплошном гранитном основании объемом более сотни тысяч кубических метров и наличии большого объема воды.
[0022] В патенте США №8593012 выданном Пицке (Peitzke) и др. описана система накопления электрической энергии с использованием вагонеток с электроприводом, перемещающих грузы между нижним и верхним складами. Во время зарядки (накопления потенциальной энергии грузов в поле тяжести Земли) система расходует электроэнергию из сети на перемещение грузов из нижнего на верхний склад. Во время разрядки (для возврата электроэнергии в сеть за счет накопленной потенциальной энергии грузов) вагонетки с грузами перемещаются под действием силы тяжести из верхнего на нижний склад, а энергия возвращается в сеть с помощью электромагнитного рекуперативного торможения вагонеток. Для создания данной системы промышленных масштабов требуется естественный рельеф с разновысотностью больше сотни метров и пологим уклоном, чтобы избежать скольжения колесной пары по железнодорожному полотну. Пологий уклон приводит к увеличению длины пути перемещения грузов и площади необходимого землеотвода. С ростом пути перемещения грузов растет доля работы силы трения, а коэффициент полезного действия уменьшается.
[0023] В заявке PCT/US 2011/037252 поданной Файком (Fyke) и др. раскрыта система, содержащая систему канатов, имеющих один конец, расположенный на первом уровне, и второй конец, расположенный на втором уровне, находящемся выше первого уровня. Система также содержит множество вагонеток для перевозки массивного материала, соединенных канатной системой, и один или несколько мотор-генераторов, соединенных с канатной системой и с электроэнергетической сетью. Система также содержит два склада массивного материала, расположенных на первом и втором уровнях. Система может запасать энергию при перевозке массивного материала из склада первого уровня на склад второго уровня, и система может вырабатывать энергию, при перевозке массивного материала из склада второго уровня на склад первого уровня. Для создания системы промышленных масштабов требуется естественный рельеф с разновысотностью больше сотни метров и пологим уклоном, чтобы избежать скольжения каната по поверхности блока вагонетки. Пологий уклон приводит к увеличению длины пути перемещения грузов и площади необходимого землеотвода. С ростом пути перемещения грузов растет доля работы силы трения, а коэффициент полезного действия уменьшается.
[0024] Наиболее эффективны с точки зрения КПД и землеотвода системы, запасающие энергию при строго вертикальном перемещении грузов. Например, описанные в заявке PCT/GB 2012/051604 поданной Франкелем (Fraenkel) и др. и в патенте КНР № CN 206555081 U выданном Тан Гоцзюню  и др. системы предназначены для накопления энергии при вертикальном перемещении одного очень массивного (несколько тысяч тонн) груза. Такой вес предъявляет чрезвычайно высокие требования к прочностным характеристикам системы подъема, а также систем обеспечения безопасности. Кроме того, в случае выхода из строя одного из элементов системы подъема или возникновении необходимости планового технического обслуживания, систему придется полностью выводить из эксплуатации.
[0025] Другое решение, раскрытое в заявке GB 2549743 A, поступившей от Хербизона (Herbison), представляет собой модульную систему из нескольких энергетических ячеек, в которой с помощью одного каната вертикально перемещается множество грузов. Эта система использует полиспаст большой кратности для снижения силы, необходимой для подъема, что приводит к значительному кратному снижению КПД системы.
[0026] Таким образом, некоторые системы накопления энергии требуют специальных грунтов для своего создания, некоторые системы накопления энергии требуют большого количества воды, для некоторых систем накопления электрической энергии требуется специальный ландшафт с существенным перепадом высот и большой землеотвод. Устройство некоторых систем приводит к значительному снижению КПД, устройство некоторых систем может привести к масштабным последствиям при аварии. В итоге для решения проблемы дисбаланса генерируемой и потребляемой мощности в электроэнергетической системе приходится идти на серьезные уступки, что во многих случаях бывает не выгодно.
[0027] Наиболее распространенной является необходимость создания системы накопления электрической энергии в непосредственной территориальной близости к участку электросети, где проблема дисбаланса генерируемой и потребляемой мощности является наиболее острой, а не в месте с благоприятным рельефом, типом грунта или возможностью землеотвода.
[0028] Кроме того, существует необходимость в системе накопления электроэнергии с высоким КПД, рентабельной и достаточно низкими капитальными затратами.
[0029] Более того, требуется решение для системы накопления электрической энергии, которое может обеспечить низкие капитальные и эксплуатационные расходы, которое при этом решало бы проблему дисбаланса производства и потребления в электроэнергетической системе.
[0030] Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание рентабельной и эффективной промышленной системы накопления электрической энергии при помощи вертикального перемещения грузов, которая позволяет решить проблему дисбаланса производства и потребления энергии в электроэнергетической сети.
[0031] Еще одна задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить рентабельную и эффективную систему, которая позволяет снизить эксплуатационные расходы и повысить надежность. Эти цели достигаются при помощи описанной ниже рентабельной и эффективной промышленной системы накопления электрической энергии, которая использует вертикальное перемещение грузов для накопления электрической энергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] С учетом вышеизложенных и других типичных проблем, недочетов и недостатков традиционных устройств и способов, техническим результатом данного изобретения является создание рентабельной и эффективной промышленной системы накопления электроэнергии путем вертикального перемещения грузов.
[0033] Настоящее изобретение относится к промышленным системам накопления энергии, выполненным с возможностью зарядки или разрядки при вертикальном перемещении множества грузов. Промышленная система включает в себя по меньшей мере одну энергетическую ячейку.
[0034] Энергетическая ячейка содержит каретку, которая вертикально перемещает множество грузов и закрепляет грузы либо в верхней части энергетической ячейки (в верхнем положении), либо в нижней части энергетической ячейки (в нижнем положении). Тележка энергетической ячейки перемещает каретку горизонтально внутри энергетической ячейки от одной шахты к другой шахте. Каждая шахта служит для вертикального перемещения одного груза. Каретка в тележке перемещается без груза. Тележка перемещается по верхней силовой раме. Предпочтительное расположение верхней силовой рамы - в верхней части силовой конструкции. Каретка и тележка функционально связаны канатом, у которого есть два натяжителя. Канат соединен с главным приводом. Главный привод обеспечивает вертикальное перемещение каретки с грузом и без груза. Горизонтальные перемещения тележки с кареткой обеспечиваются источником энергии каретки.
[0035] Предпочтительно, чтобы энергетическая ячейка содержала по две каретки и тележки.
[0036] Предпочтительно, чтобы верхняя силовая рама имела пазы или рельсы для облегчения горизонтального перемещения тележек.
[0037] Промышленная система также содержит вертикальные направляющие грузов предназначенные для обеспечения стабильности вертикального перемещения грузов. Кроме того, направляющие грузов выполнены с возможностью закрепления на них грузов в нижнем положении.
[0038] В соответствии с типовым вариантом настоящего изобретения в любой момент времени каждый из грузов может находиться в одном из трех состояний: закреплен в верхнем положении, закреплен в нижнем положении или перемещается вертикально.
[0039] Каждая каретка в любой момент времени находится в одном из пяти состояний: покоится в верхнем положении, покоится в нижнем положении, движется вертикально с грузом, движется вертикально без груза или перемещается горизонтально без груза в верхнем положении на тележке. Более детально, в пределах одной энергетической ячейки: 1) если две каретки находятся в состоянии покоя, то одна из кареток расположена в верхнем, а вторая каретка расположена в нижнем положении; 2) если одна из кареток движется вверх, то вторая каретка движется вниз, при этом во время вертикального перемещения одна из кареток перемещает груз, а вторая каретка не перемещает груз; 3) если одна из кареток перемещается горизонтально без груза в верхнем положении на тележке, то вторая каретка покоится в нижнем положении.
[0040] В одном из вариантов настоящего изобретения промышленная система дополнительно содержит систему управления накопителем, предназначенную для контроля, сбора и передачи диагностической информации о накопителе, для обеспечения управления технологическим процессом и для получения и исполнения команд от оператора электроэнергетической системы.
[0041] В одном из вариантов настоящего изобретения каждая энергетическая ячейка дополнительно содержит систему управления энергетической ячейкой, выполненную для обмена данными между каретками, главным приводом, двумя натяжителями каната и системой управления накопителем.
[0042] Каждый груз имеет раму груза и тело груза, которое закреплено под рамой груза.
[0043] Настоящее описание также включает в себя способ
накопления электрической энергии. Способ содержит (i) перемещение по вертикали множества грузов с помощью каретки и надежную фиксацию грузов в верхнем или в нижнем положении; и (ii) подключение главного привода накопителя к электрической сети для получения или поставки электрической энергии. Энергетическая ячейка накопителя предназначена для зарядки или разрядки накопителя.
[0044] Другие свойства и преимущества изобретения раскрываются в подробном описании изобретения, приведенном ниже, в котором предпочтительные варианты реализации данного изобретения изложены подробно и сопровождаются соответствующими рисунками.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0045] Объект притязании по настоящей заявке особо указан и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:
[0046] Фиг. 1 - схематическое изображение энергетической ячейки промышленной системы накопления электрической энергии в соответствии с данным изобретением.
[0047] Фиг. 2 - схематическое изображение энергетической ячейки в соответствии с другим вариантом исполнения настоящего изобретения, в котором в энергетической ячейке есть две каретки и две тележки.
[0048] Фиг. 3 - схематическое изображение другого варианта энергетической ячейки с двумя каретками и двумя тележками в соответствии с данным изобретением.
[0049] Фиг. 4 - схематическое изображение каретки энергетической ячейки промышленной системы накопления электроэнергии в соответствии с данным изобретением.
[0050] Фиг. 5а - схематическое изображение тележки в соответствии с данным изобретением, где колеса тележки в такой позиции, что тележка имеет возможность горизонтального перемещения по верхней силовой раме.
[0051] Фиг. 5б - схематическое изображение тележки в соответствии с данным изобретением, где колеса тележки в такой позиции, что рама тележки зафиксирована на верхней силовой раме промышленной системы.
[0052] Фиг. 6 - схематическое изображение промышленной системы накопления энергии в соответствии с настоящим изобретением, которая показана во взаимосвязи с энергетической системой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0053] Аспекты изобретения раскрыты в нижеследующем описании и связанных с ним чертежах, показывающих конкретные варианты осуществления изобретения. Могут быть реализованы также иные варианты осуществления настоящего изобретения, не выходящие за рамки сущности настоящего изобретения. Кроме того, хорошо известные элементы изобретения не будут описаны в деталях или будут опущены, чтобы другие детали изобретения могли быть описаны с достаточной ясностью.
[0054] Слово «типовой» использовано в настоящем описании в значении «приведенный в качестве примера, образца или иллюстрации». Любой вариант осуществления данного изобретения, обозначенный в настоящем описании как «типовой» не обязательно является предпочтительным или имеющим преимущества по отношению к другим вариантам осуществления настоящего изобретения. Аналогично, термин «вариант осуществления изобретения» не предполагает, что все варианты осуществления данного изобретения содержат обсуждаемый признак, преимущество или режим работы.
[0055] Терминология, используемая в настоящем описании, предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения и не ограничивает объем изобретения. Использование терминов в единственном числе предполагает, что они относятся как к единственному, так и к множественному числу, если иное не указано явно или четко не обозначено контекстом. Кроме того, следует понимать, что использованные в настоящем описании термины «содержит», «содержащий», «имеет», «имеющий», «состоит», «состоящий», «включать в себя» и/или «включающий в себя», указывают наличие заявленных признаков, целых систем, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или добавления одного или нескольких других признаков, целых систем, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0056] В соответствии с настоящим описанием, рентабельная промышленная система накопления электрической энергии предполагает вертикальное перемещение грузов в целях генерации или накопления электрической энергии. Промышленная система выполнена с возможностью быстро и эффективно реагировать на изменение потребности в электроэнергии.
[0057] Промышленная система накопления электроэнергии содержит множество энергетических ячеек 10 для генерации и накопления электроэнергии, варианты реализации энергетических ячеек показаны на Фиг. 1, 2, 3. Каждая энергетическая ячейка 10 состоит из последовательных шахт 14.
[0058] В соответствии с вариантом настоящего изобретения, показанным на Фиг. 1, энергетическая ячейка 10 имеет одну каретку 25 и одну тележку 35. Энергетическая ячейка 10, описанная в этом абзаце и показанная на Фиг. 1, несмотря на уменьшенную энергетическую емкость, обеспечивает недорогое и компактное решение для накопления энергии. Фиг. 1 показывает состояние, когда каретка 25 энергетической ячейки 10 перемещается горизонтально без груза 15 в верхнем положении 17 на тележке 35 энергетической ячейки 10. Стрелками показаны возможные направления перемещения каретки на тележке в указанном состоянии.
[0059] В соответствии с вариантами данного изобретения показанными на Фиг. 2 и 3 каждая энергетическая ячейка включает в себя две полуячейки 11 и 11', которые разделяются главным приводом 55. Каждая полуячейка содержит одну каретку 25 для вертикального перемещения грузов 15 внутри соответствующей шахты. Каретка 25 является передвижной и может перемещаться горизонтально от шахты к шахте с помощью тележки 35.
[0060] Фиг. 2 показывает состояние, когда одна из кареток 25 перемещается горизонтально без груза 15 в верхнем положении 17 на тележке 35, а другая каретка 25 покоится в нижнем положении 18. Стрелками показаны возможные направления перемещения каретки 2 5 на тележке 35 в указанном состоянии.
[0061] Фиг. 3 показывает состояние, когда одна из кареток 25 движется вверх, а вторая каретка 25 движется вниз, при этом во время вертикального перемещения одна из кареток 25 перемещает груз 15, а вторая каретка 25 не перемещает груз 15. Стрелками показаны возможные направления перемещения кареток 25 в указанном состоянии.
[0062] Все компоненты системы (главный привод, каретки, тележки и грузы) функционально соединены с помощью каната 70.
[0063] Промышленная система имеет верхнюю силовую раму 30 (дополнительно описана ниже) для фиксации грузов 15 в верхнем положении 17. В соответствии с вариантами данного изобретения, показанными на Фиг. 1 и Фиг. 2, промышленная система дополнительно имеет нижнюю силовую раму 31 (дополнительно описана ниже) для фиксации грузов 15 в нижнем положении 18.
[0064] В другом варианте данного изобретения, показанном на Фиг. 3, промышленная система содержит направляющие грузов 47 (дополнительно описаны ниже), которые используются для удержания грузов 15 в нижнем положении 18. В любой момент времени каждый из грузов 15 может находиться в одном из трех возможных состояний: в верхнем положении 17, в нижнем положении 18 или в процессе вертикального перемещения.
[0065] Соответственно, каждая каретка 25 в любой момент времени находится в одном из пяти состояний: (i) покоится в верхнем положении 17, (ii) покоится в нижнем положении 18, (iii) перемещается вертикально с грузом 15, (iv) движется вертикально без груза 15 или перемещается горизонтально в верхнем положении 17 без груза 15 на тележке 35.
[0066] Более конкретно, как показано на Фиг. 2 и Фиг. 3, в пределах одной энергетической ячейки 10, если две каретки 25 покоятся, то одна из кареток 25 расположена в верхнем положении 17, а вторая каретка 25 расположена в нижнем положении 18. Если одна из кареток 25 движется вверх, то вторая каретка 25 движется вниз. Во время вертикального перемещения одна из кареток 25 перемещает груз 15, а вторая каретка 25 не перемещает груз 15. Если одна из кареток 25 перемещается горизонтально в верхнем положении 17 на тележке 35, то вторая каретка покоится в нижнем положении 18. При горизонтальном перемещении каретки 25 на тележке 35, каретка 25 не несет груз. Другими словами, в процессе горизонтального перемещения каретки груз 15 не соединен с кареткой 25. Каждая каретка 25 может поднимать или опускать соответствующие грузы 15 (расположенные в той же полуячейке). При перемещении грузов 15 вверх происходит зарядка системы; в процессе перемещения грузов 15 вниз происходит разрядка системы (т.е. система производит электрическую энергию). Некоторые грузы 15 могут быть оставлены в верхнем положении 17 энергетической ячейки 10, тем самым обеспечивая резерв.
[0067] Как показано на Фиг. 2 и Фиг. 3 верхнее положение 17 содержит верхнюю силовую раму 30, которая может использоваться для фиксации грузов 15 в верхнем положении 17 в заряженном состоянии. Наличие жесткой верхней силовой рамы 30 позволяет равномерно распределить вес грузов 15 на несущую конструкцию 12 промышленной системы. Предпочтительно, чтобы верхняя силовая рама 30 также содержала пазы или рельсы 13 (показаны на Фиг. 5а и Фиг. 5б) для обеспечения устойчивого горизонтального перемещения тележек 35.
[0068] Энергетическая ячейка 10 также дополнительно содержит вертикальные направляющие грузов 47. Верхние концы направляющих грузов 47 надежно закреплены на верхней силовой раме 30. Направляющие грузов 47 предназначены для поддержания стабильности движения грузов 15 во время вертикального перемещения грузов 15. Предпочтительно, чтобы в каждой шахте 14 было по меньшей мере две направляющие грузов 47.
[0069] Как показано на Фиг. 3 направляющие грузов 47 могут использоваться для удержания грузов 15 в нижнем положении 18. В этом случае нижние концы направляющих грузов 47 должны быть выполнены с возможностью фиксации грузов 15.
[0070] Направляющие грузов 47 могут быть выполнены в виде металлического (например, стального) каната или стержня, или любого другого материала с подходящими прочностными характеристиками.
[0071] В других вариантах данного изобретения, показанных на Фиг. 1 и Фиг. 2, промышленная система дополнительно включает в себя нижнюю силовую раму 31. Нижняя силовая рама располагается в нижнем положении 17 энергетической ячейки 10 на расстоянии от пола, превышающем длину груза 15. Нижняя силовая рама 31 по существу сходна по конструкции и внешнему виду с верхней силовой рамой 30, за исключением того, что нижняя силовая рама не содержит пазов или рельс.
[0072] В соответствии с Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 каждый из грузов 15 включает в себя раму груза 40.
[0073] Рама груза 40 представляет собой раму, выполненную с возможностью удерживать значительную массу (десятки тонн) груза 15, возможностью сцепки груза 15 и каретки 25 и с возможностью фиксации груза 15 либо в верхнем положении 17, либо в нижнем положении 18. Рама груза 40 может изготавливаться из металла (например, стали) или любого известного материала с подходящими прочностными характеристиками. Форма рамы может быть прямоугольной или иметь любую другую подходящую форму.
[0074] В одном из вариантов данного изобретения, чтобы обеспечить экономичное исполнение грузов 15, для создания значительной массы груза может использоваться полимерный мешок с каким-либо веществом. В этом случае груз также дополнительно содержит тяги для крепления мешка (не показано на чертежах) к раме груза 40.
[0075] Кроме того, для тех же целей может использоваться множество мешков одинаковых или разных размеров. С помощью тяг мешки могут прикрепляться как к раме груза, так и один к другому.
[0076] Мешки или другое приспособления для размещения массы, например, контейнеры, могут заполняться сплошной средой для достижения нужной массы. Также для этой цели могут использоваться поддоны с массивными блоками. В качестве массивной среды может быть использован камень, гравий, земля, песок, измельченный асфальт, бетон, шлак, вода и/или любой другой искусственный или природный материал.
[0077] Для повышения рентабельности системы предпочтительно использовать экономичные материалы, например, имеющиеся в месте возведения системы или ближайших окрестностях. Например, в некоторых местах могут быть доступны местный камень, гравий, земля или шлак. Кроме того, возможно использование местного грунта, извлеченного из котлована под фундамент несущей конструкции 12 промышленной системы.
[0078] В соответствии с вариантом данного изобретения показанном на Фиг. 2, главный привод 55 расположен между двумя полуячейками 11 и 11' на верхней силовой раме 30. Главный привод 55 включает в себя мотор-генератор 50, шкив главного привода 100, усилитель трения 115 со шкивами 110. Канат 70 частично огибает шкив главного привода 100 и шкивы усилителя трения 110. Главный привод также содержит систему управления главным приводом 57. Главный привод может также содержать тормозную систему главного привода 116.
[0079] В другом варианте данного изобретения, показанном на Фиг. 3, главный привод расположен на полу между двумя полуячейками.
[0080] В соответствии с данным изобретением в промышленной системе каретка 25 используется для обеспечения вертикального перемещения грузов 15. Вариант реализации каретки более детально показан на Фиг. 4. Предпочтительно, чтобы каждая энергетическая ячейка 10 имела две каретки 25. Понятно также, что энергетическая ячейка 10 может содержать только одну каретку 25, как показано на Фиг. 1 или может содержать более, чем две каретки 25 (не показано на чертежах).
[0081] Более конкретно, каретка 25 обеспечивает вертикальное перемещение грузов 15 в каждой шахте и обеспечивает прикрепление грузов 15 либо к верхней силовой раме 30, либо в нижнем положении 18.
[0082] Для перемещения груза 15 в пределах своей шахты каретка 25 оснащена шкивом каретки 62, который при вертикальном подъеме грузов выполняет роль свободно вращающегося подвижного блока для каната 70. Также, для уменьшения силы, необходимой для подъема, каретка 25 может быть оснащена двумя или более шкивами каретки.
[0083] Шкив каретки 62 при горизонтальном перемещении каретки 25 выступает в качестве ведущего шкива. В этом случае каретка 25 не несет ни одного из грузов 15, которые надежно закреплены на верхней силовой раме 30 или в нижнем положении 18. Каждая каретка 25 перевозится по горизонтали на соответствующей ей тележке 35 (дополнительно описана ниже). Горизонтальное перемещение позволяет каретке 25 перемещать вертикально грузы 15 в различных шахтах каждой из полуячеек 11, 11' энергетической ячейки 10.
[0084] Энергетическая емкость промышленной системы (Е) определяется произведением массы всех грузов (М) на высоту подъема грузов (h - показана на Фиг. 3) по формуле: Е=M*g*h, где g - ускорение свободного падения.
[0085] Стоимость грузов относительно не велика. При этом возрастание количества грузов, а соответственно и их массы, не требует увеличения числа кареток. С другой стороны, стоимость кареток относительно велика, но одна дополнительная каретка может значительно увеличить энергетическую емкость промышленной системы, что повышает рентабельность настоящего изобретения, уменьшая удельные капитальные затраты.
[0086] В одном из вариантов данного изобретения каретка 25 дополнительно содержит источник энергии каретки 65. Например, источником энергии каретки 65 может служить мотор-генератор с матричным преобразователем частоты. Источник энергии каретки в режиме мотора используется для обеспечения горизонтальных перемещений каретки 25 на тележке 35, при этом источник энергии питается от аккумулятора энергии каретки 63. Аккумулятор энергии каретки 63 также используется для питания системы приводов каретки 61 и системы управления кареткой 215. Аккумулятор энергии каретки 63 заряжается, когда каретка 25 перемещается вертикально, потребляя энергию от источника энергии каретки, который работает в режиме генератора и преобразует энергию механического вертикального перемещения каретки, например, в электрическую или потенциальную энергию сжатого газа (в зависимости от типа аккумулятора).
[0087] Для того, чтобы обеспечить (i) фиксацию груза к верхней силовой раме 30 или в нижнем положении 18, (ii) переключение положений колес тележки 32, (iii) фиксацию тележки 35 на верхней силовой раме 30 и (iv) сцепление каретки 25 и груза 15, каретка 25 имеет систему приводов каретки 61. Понятно, что для выполнения функций, описанных в этом абзаце, могут использоваться различные подходящие приводные системы, например, на основе пневматических или электрических линейных приводов.
[0088] Каретка 25 также имеет механизм сцепки 69 каретки 25 и груза 15.
[0089] Также каретка 25 содержит раму каретки 24 для крепления компонентов каретки 25, описанных в предыдущих абзацах.
[0090] В соответствии с данным изобретением в промышленной системе используется тележка 35 для обеспечения горизонтального перемещения каретки 25, когда каретка не несет ни одного из грузов 15. Вариант реализации каретки подробно показан на Фиг. 5а и Фиг. 5б. Каждая из полуячеек 11, 11' имеет соответствующую ей тележку. В результате, в соответствии с предпочтительным вариантом данного изобретения, в каждой из энергетических ячеек 10 промышленной системы используется две тележки. В другом варианте, показанном на Фиг. 1, в энергетической ячейке 10 может использоваться только одна тележка 35.
[0091] В соответствии с вариантом данного изобретения, показанном на Фиг. 5а и Фиг. 5б, тележка 35 надежно установлена с возможностью передвижения по верхней силовой раме 30. Тележка 35 представляет собой раму 33 (например, металлическую) с колесами 32. Тележка 35 перемещается горизонтально от главного привода 55 до одного из натяжителей каната 90 (и обратно к главному приводу 55) вдоль направляющих на верхней силовой раме 30 в пределах одной из полуячеек.
[0092] В одном из вариантов тележка 35 имеет по меньшей мере два одинаковых свободно вращающихся шкива тележки 80. Предпочтительно, чтобы тележка 35 имела 4 шкива тележки 80 как показано на Фиг. 5а и Фиг. 5б. Первый шкив тележки 80, ближайший к главному приводу поворачивает канат 70 вертикально, направляя его на следующий шкив тележки 80, а затем после шкива каретки 62 канат 70 принимается следующим шкивом тележки 80, затем последним шкивом тележки 80, ближайшим к одному из натяжителей каната 90. Последний шкив тележки 80 поворачивает канат 70 горизонтально и направляет на один из натяжителей каната 90. В описанном случае шкив каретки 62 находится между шкивами каретки 80. Также тележка 35 может содержать механизм фиксации тележки 85.
[0093] Фиг. 5а показывает тележку в процессе горизонтального передвижения вдоль направляющих верхней силовой рамы 30 (каретка 25 для простоты не показана). Фиг. 5б показывает тележку 35 в стационарном положении, когда задействован механизм фиксации тележки 85. Более конкретно, колеса тележки 32 выполнены с возможностью быть в первой позиции и быть во второй позиции. Когда колеса в первой позиции, тележка имеет возможность горизонтального перемещения по верхней силовой раме и, при этом, когда колеса во второй позиции, рама тележки зафиксирована на верхней силовой раме при помощи механизма фиксации тележки 85. Позиции колес тележки 32 могут переключаться с помощью механизма смены позиции колес тележки 34 (например, с помощью шарнирного механизма). Тележка 35 выполнена с возможностью выдерживать массу одной каретки и одного груза, когда колеса находятся во второй позиции, а рама тележки зафиксирована на верхней силовой раме.
[0094] Как показано на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, в соответствии с вариантом данного изобретения, канат 70 функционально связывает главный привод 55, тележку 35 и каретку 25 [0095] В соответствии с вариантом данного изобретения каждый из двух концов каната 70 надежно зафиксирована натяжителем каната 90. Эти натяжители 90 стационарно расположены над концами несущей конструкции 12 энергетической ячейки 10 как показано на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3. Натяжители каната предназначены для создания в канате заданного натяжения и функционируют в периоды между перемещениями грузов, а для надежной фиксации концов каната в процессе перемещения груза выполняют роль фиксаторов каната. Натяжители каната могут быть выполнены в виде грузила и механизма фиксации каната.
[0096] Более детально пример работы натяжителей каната показан на Фиг. 3, где один конец каната 70 закреплен в первом натяжителе 90. Канат 70 проходит через шкив натяжителя 92, через ближние к первому натяжителю шкивы 80 первой тележки 35, затем через шкив 62 первой каретки 25, следующие шкивы 80 первой тележки, шкив главного привода 100 и шкивы усилителя трения 110; затем идет на ближние к главному приводу шкивы 80 второй тележки, затем шкив 62 второй каретки, затем следующие шкивы 80 второй тележки 35 и через шкив второго натяжителя 92 заканчивается на втором натяжителе каната 90.
[0097] Предпочтительно, чтобы канат 70 имел плоскую форму. Это позволяет увеличить КПД и продолжительность эксплуатации энергетической ячейки 10. Плоская форма каната 70 позволяет использовать шкивы меньшего диаметра, чем диаметр шкивов для круглого каната. Это уменьшает коэффициент редукции главного привода, обеспечивает стабилизацию каната, уменьшает его износ и истирание шкивами.
[0098] Канат 70 может быть изготовлен из любого технически подходящего и экономически эффективного материала. Например, канат 70 может иметь один или несколько стальных сердечников в полимерном покрытии.
[0099] Конфигурация системы, как показано на Фиг. 2 и Фиг. 3, позволяет двум кареткам 25 двигаться вертикально в противоположном направлении. Если одна из кареток 25 двигается горизонтально с помощью тележки 35 вдоль верхней силовой рамы, то вторая каретка 25 покоится в нижнем положении 18 энергетической ячейки 10.
[00100] В соответствии с настоящим описанием, промышленная система преобразует механическую энергию перемещения грузов 15 в электроэнергию с помощью мотор-генератора 50 главного привода 55 в соединении с системой управления главным приводом 57. Электрическая энергия может быть поставлена в энергетическую сеть 20 через подстанцию с распределительным устройством 120. Система управления главного привода 57 может быть выполнена в виде матричного преобразователя частоты с автоматизированной системой управления.
[00101] В соответствии с вариантом данного изобретения мотор-генератор 50, показанный, на Фиг. 1 и Фиг. 2, может быть выполнен в виде синхронной машины переменного тока.
[00102] Матричный преобразователь обслуживает электрическую машину 50 только на начальных участках вертикальных перемещений груза 15 как при запасании энергии, так и при ее генерации. При выходе груза 15 на номинальную скорость перемещения и, соответственно, выходе электрической машины 50 на номинальные обороты матричный преобразователь может быть шунтирован активным проводником (переход в режим байпаса). Это позволяет использовать один преобразователь на несколько электрических машин 50, но приводит к необходимости использования в каждом механизме главного привода 55 механического редуктора.
[00103] В соответствии с данным изобретением, как показано на Фиг. 6, промышленная система также содержит систему управления накопителем 200, предназначенную для контроля, сбора и передачи диагностической информации о накопителе, для обеспечения управления технологическим процессом и для получения и исполнения команд от оператора электроэнергетической системы 21. Для сбора и структурированного хранения информации система управления накопителем 200 может содержать систему сбора данных 210. Для простоты показана промышленная система, состоящая только из одной энергетической ячейки. Черными стрелками показаны возможные направления потоков информации, белыми стрелками показаны возможные направления потоков энергии.
[00104] Кроме того, система управления накопителем 200 может быть выполнена с возможностью контролировать скорость и направления движения грузов 15.
[00105] Также система управления накопителем 200 управляет накоплением и/или генерацией энергии, а также отслеживает количество накопленной и/или сгенерированной энергии. Система управления накопителем 200 может управляться в электронном или ручном режиме или может управляться с помощью компьютерной программы.
[00106] Каждая энергетическая ячейка 10 в предпочтительной варианте также содержит систему управления энергетической ячейкой 300, выполненной с возможностью обмена данными между контроллерами каретками 215, системой управления главным приводом 57, контроллерами натяжителей каната 213 и системой управления накопителем 200. Обмен данными между, например, системой управления главным приводом 57 и контроллерами кареток 215 может осуществляться с помощью радиосвязи, оптической цифровой связи и тому подобное.
[00107] Дополнительно промышленная система может иметь сенсоры (не показаны), расположенные в любых компонентах системы, например, в главном приводе 55, каретке 25 или тележке 35, которые могут передавать данные и получать обратную связь от системы управления накопителем 200 или системы управления энергетической ячейки 300. Например, сенсоры могут контролировать скорость, ускорение, направление движения грузов 15 или любые другие желаемые параметры системы.
[00108] Описанные варианты изобретения позволяют реализовать метод накопления электрической энергии в промышленном масштабе с использованием вертикального перемещения грузов, который позволяет достичь в энергетической сети баланс между производством и потреблением электроэнергии.
[00109] При получении запроса от оператора электроэнергетической системы 21 на производство или накопление электрической энергии, в выбранном наборе энергетических ячеек 10 грузы 15 начинают вертикальное перемещение с помощью соответствующих кареток 2 5 для накопления или генерации электрической энергии. Грузы 15 двигаются вверх всегда, когда промышленная система заряжается, а когда грузы 15 двигаются вниз, промышленная система разряжается, то есть генерирует электрическую энергию. Некоторые грузы могут оставаться в верхнем положении 17 в качестве резерва.
[00110] Из описания изобретения очевидно, что тех же технических результатов можно достичь множеством различных вариантов. Такие варианты не должны рассматриваться как отклонение от сущности и объема изобретения, и все модификации настоящего изобретения, которые очевидны для специалиста в соответствующей области, включаются в объем изобретения, зафиксированный формулой изобретения.