專利名稱：用于存儲勢能的系統(tǒng)和制造所述系統(tǒng)的方法
用于存儲勢能的系統(tǒng)和制造所述系統(tǒng)的方法背景技術(shù)
已知可通過提升質(zhì)量塊而存儲能力。最眾所周知的方法為抽水蓄能水電站，其中的可將水從水庫抽至更高水平。在需要時(shí)，可使用中間的渦輪將水放掉從而將能量再次轉(zhuǎn)換回電能。此方法的缺點(diǎn)是對水庫的要求高了，其需要相當(dāng)?shù)目臻g量，且只有在山區(qū)才存在合適的地點(diǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站http://de.wikipedia.0rg/wiki/Pumpspeicherkraftwerk (pumped storage hydropower station)上可找到對此技術(shù)的很好的概述。
另一種方案是使用液壓系統(tǒng)提升建筑物，在題為“勢能存儲系統(tǒng)”的專利號US6.996.937B2專利說明書中對其進(jìn)行了描述。在這里，其缺點(diǎn)為建筑物施工的高技術(shù)費(fèi)用和相對費(fèi)用而言可存儲的能量較低?？杀容^的建議，如使用起重機(jī)提升質(zhì)量塊(如在專利申請DE 102007 057 323 Al中所描述的)，或在軌道上將質(zhì)量塊移動至更高位置，均會導(dǎo)致每個(gè)存儲能量單元的高成本以及系統(tǒng)的高磨損。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所關(guān)注的問題是提供一種用于存儲勢能的系統(tǒng)和一種用于建造所述系統(tǒng)的方法，其適于存儲大量能量，高達(dá)德國等國家的每日需要量，且存儲每單位能量成本低以及系統(tǒng)磨損低。
可通過發(fā)明權(quán)利要求1所述的一種用于存儲勢能的系統(tǒng)和發(fā)明權(quán)利要求6所述的一種用于制造具有這些特點(diǎn)的系統(tǒng)的方法而解決這個(gè)問題。本發(fā)明的有益發(fā)展可形成相關(guān)從屬權(quán)利要求的主題。
根據(jù)本發(fā)明所述的一種用于存儲勢能的系統(tǒng)，具有液壓缸、待提升的質(zhì)量塊以及位于待提升的質(zhì)量塊邊緣的密封環(huán)，從而可確保位于待提升的質(zhì)量塊和面向該質(zhì)量塊的液壓缸內(nèi)壁之間的空隙在至少一個(gè)對著任何液壓流體，在這里特別指水，的通路的位置被密封。因此，待提升的質(zhì)量塊形成在液壓缸中被引導(dǎo)的活塞。在這里還應(yīng)指出的是，液壓缸還能夠具有與圓形不同的橫截面。然而，有利的是在地面和地心之間沿液壓缸的長度方向具有恒定的橫截面形狀，從而盡可能地防止待提升的質(zhì)量塊在液壓缸中的任何傾斜。
對于本發(fā)明必不可少的是待提升的質(zhì)量塊為實(shí)體巖質(zhì)量塊，其由切出的實(shí)體巖所提供，液壓缸由位于周圍巖石與切出的實(shí)體巖之間的空腔所形成，且所述空腔由密封環(huán)從周圍巖石進(jìn)行密封。因此，與已知的用于存儲勢能的系統(tǒng)不同，提供了 “從實(shí)體制作出”待提升的質(zhì)量塊和液壓缸的情況。
當(dāng)下列術(shù)語“頂部”和“底部”與液壓缸和/或待提升的質(zhì)量塊一同使用時(shí)，“底部”指朝地心的一側(cè)且“頂部”指與所述側(cè)相對的一側(cè)。
在本發(fā)明的特定有利的實(shí)施例中，可通過設(shè)置壓載物裝置補(bǔ)償在待提升的質(zhì)量塊體積中材料的任何在天然巖石中可能發(fā)生的密度波動，且所述壓載物裝置被設(shè)置于待提升質(zhì)量塊面向大氣的端側(cè)，即上側(cè)，其原本已形成地球表面的一部分。更具體地說，可以使用水箱作為壓載物裝置。以這種方式，能夠避免在液壓缸中待提升質(zhì)量塊的任何傾斜，可防止缸體移動。
在用于存儲勢能的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)特別良好的密封，其中，密封環(huán)由圍繞待提升質(zhì)量塊的圓周的錐形體形成，錐形體中由圓柱形鉸接接合件插入，圓柱形鉸接接合件支撐薄板，且薄板設(shè)有密封條。通過液壓流體的壓力可將密封條抵壓在液壓缸壁的表面上以獲得密封的結(jié)果。因此，作為高壓下特別良好密封的結(jié)果，特別優(yōu)選一個(gè)實(shí)施例，其中致密的柔性材料被附在薄板的下面且與密封條和待提升質(zhì)量塊緊密接合。
如果將密封環(huán)設(shè)置于工作高度的半程位置從而提供滾動的密封環(huán)，待提升質(zhì)量塊的提升和下降產(chǎn)生的摩擦?xí)貏e低。
根據(jù)本發(fā)明的用于存儲勢能的系統(tǒng)的制造方法至少包括下列步驟:
a)使軸下沉，且所述軸在地面下至少具有深度H。因此，深度H大致對應(yīng)于待提升的質(zhì)量塊在工作方向上(即在地面和地心之間的方向上)的延伸長度。更特別的是，作為后續(xù)工作的供應(yīng)和運(yùn)輸軸的所述軸通常最好位于后來形成待提升質(zhì)量塊的區(qū)域外部。不一定需要在一個(gè)單一的下沉步驟中實(shí)現(xiàn)深度H，也可以在下沉一部分后，先或同時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的方法步驟以下沉另外的部分。當(dāng)然，舉例來說，也可以下沉幾個(gè)這樣的軸以減少運(yùn)輸路線。
b)在深度H處掘進(jìn)至少一個(gè)第一水平廊道直至待建造的液壓缸壁所處的一點(diǎn)；
c)從所述第一水平廊道的在所述待建造的液壓缸壁處的那一點(diǎn)開始，向山體中掘進(jìn)自身閉合的第一隧道(即，其起始端與終端合并)。所述第一隧道有利地提供隨后的液壓缸的圓周線。
d)從地面(3)下沉至少一個(gè)孔至深度H，其中所述孔定位成使得各自與所述第一隧道相垂直地從地面延伸至所述第一隧道。在后面的步驟中使用這些孔作為鋸出待提升質(zhì)量塊的起點(diǎn)，從而可同時(shí)從其壁的表面進(jìn)行液壓缸的制造。
e)將至少一個(gè)石鋸引入所述孔中。
f)使用石鋸在地面和所述隧道之間鋸出液壓缸壁的至少一部分。
這樣，步驟d)至f)用于制造液壓缸和待提升質(zhì)量塊的側(cè)表面。
g)始自所述隧道引導(dǎo)水平鉆孔進(jìn)入待形成的所述液壓缸的中心。
h)破碎在所述液壓缸底部的巖石，使得在所述液壓缸底部和所述待提升的質(zhì)量塊之間不再存在任何固定的機(jī)械連接。
使用步驟g)和h)，制造出液壓缸和待提升的質(zhì)量塊的底面(即下面)。
i)在流體貯存器和液壓缸的底部之間掘進(jìn)隧道部分，從而能夠?qū)⒘黧w供應(yīng)至液壓缸。
j)將密封環(huán)緊固在待提升的質(zhì)量塊上。
k)以水密方式關(guān)閉第一水平廊道。
可以按照給定的順序進(jìn)行所述方法的步驟，但也可以平行地進(jìn)行所述方法的步驟。一般來說，由于會產(chǎn)生時(shí)間增益，需要進(jìn)行平行化，但也確實(shí)需要使用更多的資源。
在所述方法的有利的發(fā)展中，在深度小于H處掘進(jìn)至少一個(gè)附加的水平廊道直至待建造的液壓缸(2)壁所處的一點(diǎn)。然后，從所述附加水平廊道的在所述待建造的液壓缸壁處的那一點(diǎn)開始，向山體中掘進(jìn)至少一個(gè)自身閉合的附加隧道，且以水密方式關(guān)閉所述附加的水平廊道。因此，能夠增加受限于石鋸性能限制的所能達(dá)到的液壓缸最大深度。
特別地，如果在進(jìn)行步驟e)和f)時(shí)，同時(shí)在不同的孔中使用幾個(gè)石鋸時(shí)，可實(shí)現(xiàn)工作步驟的平行化。
爆破是一種用于執(zhí)行步驟h)的特別簡單的方法。
特別理想的是獲得待提升質(zhì)量塊的最均勻的重量分布。因此，有利地使用重力計(jì)測量通過所述方法獲得的待提升質(zhì)量塊的表面。
本發(fā)明所基于的基本理念是通過液壓系統(tǒng)提升大的實(shí)體巖質(zhì)量塊，其中，優(yōu)選地，待提升的質(zhì)量塊由圓柱形的切出實(shí)體巖所形成。液壓缸為形成于周圍巖石與切出的實(shí)體巖之間的所得空腔。所述空腔由在待提升質(zhì)量塊的邊緣的密封環(huán)相對于周圍巖石而密封。空腔填充有通過高壓泵和在泵與空腔間的連接廊道而從水庫泵入的水。因此，水壓可提升實(shí)體巖質(zhì)量塊，從而可存儲勢能(提升能量)。在需要時(shí)，可經(jīng)連接廊道和渦輪排出受壓水而移除所述勢能，這在抽水蓄能水電站中是很常見的情況。常規(guī)地，由發(fā)電機(jī)從渦輪的旋轉(zhuǎn)能獲得電力并轉(zhuǎn)送電力。
特別地，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所切出的實(shí)體巖質(zhì)量塊以系統(tǒng)半徑的三次冪增加，但是，導(dǎo)致主要建造成本的切割表面僅以系統(tǒng)半徑的二次冪增加。
這遵守關(guān)于缸體曲面面積M的等式，其高度h與缸體的直徑相同:
M = 2X ir XrXh = 4X π Xr2 (I)
另一方面，所存儲能量的數(shù)量以系統(tǒng)半徑的四次冪而增加。這可能是因?yàn)樘嵘叨韧瑫r(shí)與系統(tǒng)半徑成比例增加。
可由巖石的密度P1和有效密度P2計(jì)算出所存儲的能量，在流體靜壓力情況的基礎(chǔ)上需要考慮有效密度，這是因?yàn)榫哂忻芏萈3的水取代了巖石質(zhì)量塊。因此，有效密度為:
P2= P1-P3 ⑵
在下降常數(shù)為g的地球重力場中，提升高度為D、質(zhì)量為m的勢能E的算式如下:
E = gXmXD (3)
根據(jù)下式計(jì)算缸體的有效質(zhì)量:
m = ir Xr2XhX P 2 (4)
等式⑷代入等式(3)中，且考慮到D = r:
E = gX ir Xr2X2XrX P2Xr (5)
等式(5)歸納為:
E = gX P 2X2X ir Xr4 (6)
其中，所述系統(tǒng)顯示出所存儲的能量與系統(tǒng)半徑的四次冪成比例增長。
在圓柱形待提升質(zhì)量塊的簡單情況下，系統(tǒng)半徑為缸體的半徑r，且缸體的高度h相等于缸體直徑d(d = 2Xr)。密封環(huán)的長度為L，其與系統(tǒng)半徑成比例(L = 2X π Xr)，因此在大系統(tǒng)的情況下，與其他元件相比，密封環(huán)并不會特別的大。


現(xiàn)在，將參照用于說明實(shí)施例的附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。在附圖中:
圖1:示出了用于存儲勢能的系統(tǒng)的實(shí)施例；
圖2:示出了在實(shí)施一種用于制造所述系統(tǒng)的方法時(shí)的第一中間階段；
圖3:示出了在實(shí)施一種用于制造所述系統(tǒng)的方法時(shí)的第二中間階段；
圖4:在從巖石鋸出待提升質(zhì)量塊時(shí)，過程的詳細(xì)圖示；且
圖5:用于所述系統(tǒng)的密封環(huán)的構(gòu)造的詳細(xì)圖示。
除非另外說明，在所有附圖中，具有相同設(shè)計(jì)的相同的組件部分用相同的附圖標(biāo)記。
具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的圖示，且下文將對其進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。在所示的用于存儲勢能的系統(tǒng)10的情況下，在缸體2中引導(dǎo)從實(shí)體巖切出的且直徑為d的提升活塞1，且缸體2是從實(shí)體巖而切出提升活塞I而形成的。將密封件Ib安裝在提升活塞I與缸體2之間的部分h的半中腰上，即位于h/2高度上，所述提升活塞由從巖石切出的待提升質(zhì)量塊而形成，所述缸體用作液壓缸。從水庫9通過泵8經(jīng)管系統(tǒng)5和6將水自下方在點(diǎn)4處供應(yīng)至缸體2。表面區(qū)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時(shí)，那么水能夠通過流體靜壓力經(jīng)渦輪7隨時(shí)流回水庫9中，從而可在發(fā)電機(jī)7b中產(chǎn)生電力。
能夠存儲的能量E的量取決于提升高度D和缸體2的有效質(zhì)量m，且符合下列簡單等式:E = gXDXm，其中g(shù)為重力加速度且值為9.81N/kg。
為了存儲大量的能量，必須選擇盡可能大的質(zhì)量m。不能任意選擇提升高度D，這是因?yàn)樗仨毿∮诟左w長度h的一半，否則的話，有可能會導(dǎo)致提升活塞的傾斜。
通過挖掘進(jìn)行所述實(shí)施例的構(gòu)造，下文將參照圖2至4進(jìn)行簡要描述。首先，如圖2所示，將軸30下沉至地面下的深度H?？蓮乃鲚S水平向前推進(jìn)兩個(gè)廊道，即位于深度H的廊道32和位于深度H/2的廊道31，使靠近至計(jì)劃好的缸體壁2處。從那里開始在山體中掘進(jìn)環(huán)形隧道35和36，環(huán)形隧道具有與后續(xù)的提升活塞2的直徑相對應(yīng)的環(huán)直徑。
如果如圖2所示，將軸30進(jìn)一步下沉一深度G，那么以后它就可被用作管道部分6或能夠容納管道部分6。
如圖3所示，以相對小的半徑從地球表面3下沉幾個(gè)鉆孔41至深度H。這些鉆孔41用于引入石鋸，石鋸用于鋸出缸體壁。
圖4示出了在位于地表面的上鋸驅(qū)動器51a和位于隧道35中的下鋸驅(qū)動器51b之間張緊著帶有鋸齒51d的鋸帶51c的狀況。鋸帶51c由上和/或下鋸驅(qū)動器51a和51b驅(qū)動移動，且被抵靠著實(shí)體巖壁引導(dǎo)。從而，可鑿掉巖石并從隧道35中移除。另外，可通過使用鋸驅(qū)動器51a在頂部引入的水對鋸帶51c進(jìn)行冷卻。兩個(gè)鋸帶驅(qū)動器51a和51b被引導(dǎo)在圓弧上運(yùn)行，且該圓弧對應(yīng)于提升活塞2。從而形成圓形的切出提升活塞2上部。所述工作可在所有的鉆孔41處平行進(jìn)行。
平行于這一步，同樣可通過鉆孔41將另外的鋸帶從隧道35引導(dǎo)至隧道36，且通過位于隧道35和36中的鋸帶驅(qū)動器進(jìn)行推進(jìn)。從而，可切出提升活塞的下部。在缸體非常高的情況下，可提供額外的環(huán)形隧道，從而使鋸帶的長度不超過技術(shù)的可能性。
平行于這些工作操作，可從隧道36，即基礎(chǔ)隧道將水平鉆孔引導(dǎo)至缸體2的中心。使用炸藥填充這些孔，然后引爆炸藥。從而，位于所形成的缸體底區(qū)域中的巖石被破碎，且在缸體底和提升活塞之間不再存在任何固定的機(jī)械連接。
并行于此，可掘進(jìn)圖1所示的隧道部分5和4，達(dá)到缸體2的底部，通過隧道部分5和4可將水供應(yīng)至缸體中。
在圖2中，當(dāng)已完成鋸切工作時(shí)，從隧道35將密封環(huán)33固定在提升活塞上。在此之后，以水密方式關(guān)閉連接廊道31和32?，F(xiàn)在，可通過泵8給水，從而可存儲能量。
圖5為優(yōu)選結(jié)構(gòu)的密封環(huán)33的圖示，其能夠應(yīng)對并平衡在缸體2壁中的凹凸不平。為此目的，將圓柱形鉸接接合件53插在圍繞整個(gè)提升活塞I的錐形體52中，圓柱形鉸接接合件53支撐薄板54，由于水壓58的存在，薄板54將其帶有的密封條55抵壓在缸體壁2的表面，從而從活塞I的周圍密封活塞I。為了提高密封作用，可將致密的柔性材料56附貼在密封薄板的下面，且所述材料與焊道和活塞一起徹底封閉。應(yīng)注意的是由于薄板54具有長的長度(可達(dá)數(shù)公里)，顯示出一維機(jī)械行為。
現(xiàn)在，將示例計(jì)算半徑為500m的系統(tǒng)能存儲的能量。假定巖石的平均密度為
P ι = 2500kg/m3,且根據(jù)等式⑵，有效密度P 2 = 1500kg/m3,從等式(6)得到的結(jié)果為
E = 9.81N/kgX1500kg/m3X2X3.14X (500m)4
或者計(jì)算為
E = 5，775，637，500，000，000 焦耳。
轉(zhuǎn)換成更常用的單位千瓦/小時(shí)，可在系統(tǒng)中存儲1，604, 343，750kWh。作為比較，德國平均每日的發(fā)電量在2009年度為1，635，000, OOOkffh,其來源為BMWI (http://bmw1.de/BMWi/Navigation/Energie/Statistik-und-Prognosen/energiedaten.html)(聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)能量統(tǒng)計(jì)部)
從計(jì)算可以很明顯地看出，與所有使用水力的可比水電站相比，其所存儲的能量非常大。因此，對環(huán)境的侵?jǐn)_是較輕微。只有水被泵入地下，對地面的必要侵入是輕微的且基本上限于提升活塞的表面區(qū)域。但是，通過提升可以很容易地看到所述入侵。很難設(shè)想系統(tǒng)的災(zāi)難性故障，因?yàn)橐@樣的話，要將水突然從系統(tǒng)中放出，本發(fā)明方法的構(gòu)造是不可能產(chǎn)生這種結(jié)果的，而作為對比，大壩就有可能產(chǎn)生這種情況。
權(quán)利要求
1.一種用于存儲勢能的系統(tǒng)(10)，其包括液壓缸(2)、待提升的質(zhì)量塊(I)以及位于所述待提升的質(zhì)量塊(I)邊緣的密封環(huán)(33)，且其特征在于所述待提升的質(zhì)量塊(I)為實(shí)體巖質(zhì)量塊，其由切出的實(shí)體巖所提供，其中所述液壓缸(2)由位于周圍巖石與所述切出的實(shí)體巖之間的空腔形成，且其中所述空腔由所述密封環(huán)(33)從周圍巖石密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于存儲勢能的系統(tǒng)(10)，其特征在于在所述待提升的質(zhì)量塊(I)的上側(cè)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)壓載物裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于存儲勢能的系統(tǒng)(10)，其特征在于所述密封環(huán)(33)具有圍繞所述待提升的質(zhì)量塊(I)圓周的錐形體(52)，所述錐形體(52)中插入有圓柱形鉸接接合件(53)，所述圓柱形鉸接接合件(53)支撐著薄板(54)，且所述薄板(54)帶有密封條(55)，從而所述密封條(55)通過液壓流體的壓力抵壓在所述液壓缸(2)壁的表面上以獲得密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于存儲勢能的系統(tǒng)(10)，其特征在于有致密的柔性材料(56)被附在所述薄板(54)的下面且與所述密封條(55)和所述待提升的質(zhì)量塊(I)緊密結(jié)合
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的用于存儲勢能的系統(tǒng)(10)，其特征在于所述密封環(huán)(33)設(shè)置在工作高度的中間(H/2)處，從而提供滾動的密封環(huán)。
6.一種用于制造包括待提升的質(zhì)量塊的用于存儲勢能的系統(tǒng)的方法，其包括下列步驟: a)使軸(30)下沉，且所述軸(30)在地面下至少具有深度H; b)在深度H處掘進(jìn)至少一個(gè)第一水平廊道(32)直至待建造的液壓缸(2)壁所處的一占.c)從所述第一水平廊道(32)的在所述待建造的液壓缸(2)壁處的那一點(diǎn)開始，向山體中掘進(jìn)自身閉合的第一隧道(36)； d)從地面(3)下沉至少一個(gè)孔(41)至深度H，其中所述孔(41)定位成使得各自與所述第一隧道(36)相垂直地從地面(3)延伸至所述第一隧道(36)； e)將至少一個(gè)石鋸引入所述孔(41)中； f)使用所述石鋸在地面⑶和所述隧道(36)之間鋸出所述液壓缸(2)的壁的至少一部分； g)始自所述隧道(36)引導(dǎo)水平鉆孔進(jìn)入待形成的所述液壓缸(2)的中心； h)破碎在所述液壓缸(2)的底部的巖石，使得在所述液壓缸(2)的底部和所述待提升的質(zhì)量塊(I)之間不再存在任何固定的機(jī)械連接； i)在流體庫和所述液壓缸(2)的底部之間掘進(jìn)隧道部分(4，5)，從而能夠?qū)⒘黧w供應(yīng)至所述液壓缸(2); j)將密封環(huán)(33)緊固于所述待提升的質(zhì)量塊(I);以及 k)以水密方式關(guān)閉所述第一水平廊道(32)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在深度小于H處掘進(jìn)至少一個(gè)附加的水平廊道(31)直至待建造的液壓缸(2)壁所處的一點(diǎn)，然后，從所述附加水平廊道(31)的在所述待建造的液壓缸(2)壁處的那一點(diǎn)開始，向山體中掘進(jìn)至少一個(gè)自身閉合的附加隧道(35)，且然后以水密方式關(guān)閉所述附加的水平廊道(31)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，在進(jìn)行步驟e)和f)時(shí)，同時(shí)在不同鉆孔(41)中使用多個(gè)石鋸。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過爆破執(zhí)行步驟h)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過使用重力計(jì)對所述待提升的質(zhì)量塊(1)表面進(jìn)行測 量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于存儲勢能的系統(tǒng)(10)，其包括液壓缸(2)、待提升的質(zhì)量塊(1)以及位于所述待提升的質(zhì)量塊(1)邊緣的密封環(huán)(33)，其中所述待提升的質(zhì)量塊(1)是以切出實(shí)體巖形式的實(shí)體巖質(zhì)量塊，所述液壓缸(2)由位于周圍巖石與切出的實(shí)體巖之間的空腔所形成，且所述空腔由所述密封環(huán)(33)相對于周圍巖石密封。本發(fā)明還涉及一種制造所述系統(tǒng)的方法。
文檔編號F03G3/00GK103140673SQ201180040927
公開日2013年6月5日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者愛德華·漢德 申請人:愛德華·漢德