一种实验室重力储能装置的设计与研制

杨振清,吕钰卓,卢贝旎,马宇航,杨东杰*,林春丹,张万松

(1.中国石油大学(北京) 理学院,北京 102249;2.中国石油大学(北京) 新能源与材料学院,北京 102249)

双碳目标的建立带动了安全、清洁的新能源行业的发展,大量清洁能源被生产但却无法储存而造成电能浪费,如何储能成为现如今的重要研究内容[1]。常见的储能方式主要分为机械储能、电化学储能、电储能、化学储能和热能储能等。其中机械储能是目前最为普及最为成熟的储能形式,具有稳定清洁的特点,主要分为动能储能、弹性势储能、万能储能和固体重力储能等[2-3]。重力储能技术是通过物体在重力场中的垂直运动来储存和释放电能,此技术的原理是物体的重力势能转化为电能从而实现能量储存[4]。重力储能方法改变了电化学储能充放电次数有限、电池性能老化、能量存储能力低的缺点,大幅提高了储存容量和储存稳定性[5-6]。

抽水蓄能是最常见的重力储能方式[5,7],可以达到85%的高效率,但其对空间依赖过大,许多研究者正探索新型的重力储能方式[8-9],有效地将能量转化效率提升到90%。2020年,D.K.Chaturvedi[10]等人设计、开发并演示了重力储能物理样机,2022年“中国天楹”成立重力储能子公司,重力储能技术将很快落地。无论是大型实验装置还是重力储电设备,其效率与性能仍然需要不断探索。为了验证重力储能原理,探究影响能量转化效率的影响因素,本文在实验室中提炼“抽水储能”技术的优点,利用“提升水桶”方法,制作了一个简易的重力势能装置。较市场上较为普及的仪器,该装置更加小型简易,更适用于原理探究和普及推广,同时能够降低实验成本,增加实验次数,提高实验效率。

1 重力储能装置实验设计

1.1 实验仪器

工业铝材框架、220 V纯铜电机、5GU75K 24转低速马达、50 cm×50 cm×50 cm铁皮水箱、不锈钢钢丝绳、1T三轮吊钩动滑轮、U型轨道轮、2模齿轮、万用电表,发光二极管等。

其中对于水箱材料的选取,应综合考虑质量和价格两方面因素,选择质量大的情况下价格低的材料。经过市场调查,对比了常见的几种重物材料。发现铁的密度较大,且密度相差不多的条件下,铁的价格最低。综合考察,铁的性价比最高,所以本实验最后选取铁作为水箱原材料。

表1 水箱原材料对比表

使用工业铝材搭建1 m×1 m×2.5 m长方体框架,使用对应角件固定,并在上部安装三轮环式动滑轮,在侧边上部和下部安装定滑轮。用钢丝绳连接铁皮水箱和定滑轮,通过三轮吊钩动滑轮使拉力增大,钢丝绳依次穿过上部和下部固定的定滑轮。底部滑轮与两个电动机相连,可以起到上升铁皮水箱的作用。另一侧使用齿轮咬合固定,在工作过程中可以达到改变频率的效果。二极管接在电机输入线中,其光强直接反应产生直流电的大小。实验装置的三视图如图1所示。

从左至右依次是主视图、左视图、俯视图

2.2 实验原理

本实验通过动滑轮组以及定滑轮组成的系统控制重物的上升和下降,在上升过程中利用电动机将重物提升一定高度并将能量以重力势能的形式储存起来。当有能量需求时,重物下降重力势能减小,此时重力势能转化为相应动能,从而带动电动机转动,从而转化为电能,达到储能效果。

其中重力势能用得到,电能由计算,我们将重力势能减小量与电能消耗量之比近似表示该装置的能量转化效率,并且从而验证重力储能的原理。

2.3 实验步骤

首先,检查电路是否连接正确,滑轮组和重物是否连接完好。然后,打开装置连接的电源,扶住支架,避免因下降速度过快导致支架倒塌。对所装置完全的设备进行检查,若无问题,作遥控器将重物抬高到合适标记处。正确按照遥控器指示箭头操作,操作不当可能会使重物下降撞击到下方的电动机,造成实验装置的损坏。在重物上升过程中,用万用表的红黑表笔接链接小型电动机的两根电线,测出此时的电压和电流,并在设计的表格中记录下对应数值。

重物下降过程中,通过齿轮切换调节重物下降速度,两组齿轮分别被两个铁片固定,上方有弹簧铁钩固定以防把手脱落。向下用力按住齿轮长把手,切换可动齿轮,切换后注意将用铁钩勾住,起到固定作用。松开齿轮长把手,观察重物下降的速度和二极管发光亮度。当重物下降到最底部时,发电过程结束。结束实验后,改变重物质量重复上述操作,进行三次实验,并测出下相关数据,在表格中记录下对应数值。

3 实验数据及分析

3.1 实验数据

本实验选取空桶、桶内有桶水、桶水和满桶水这四种情况计算重物重量,并测量出相应的四组数据如表2.1-2.4所示。

表2.1 空桶下能量转化效率

表桶水下能量转化效率

表桶水下能量转化效率

表2.4 满桶水下能量转化效率

3.2 数据处理

通过称重法得到铁皮水桶质量为28.5 kg,对于加入水的质量,本实验通过容积进行估算。铁桶的内高为50 cm,将其分成三等分。根据

m=ρgh,

(1)

利用米尺测量重物上升过程中初末位置间的高度,并同时记录上升时间通过

w=mgh

计算出物体所具有的重力势能。将万用表测量出的电压电流和重物下落时间代入电能计算公式L

E=UIt,

(2)

求出物体所转换的电能,进而得出能量转化效率:

(3)

为减少误差,本实验对不同重量测量三次的数据取平均值,计算出相应数值,如表3所示。

表3 四种情况的能量转化效率比较

3.3 数据分析及原因探究

3.3.1 数据分析

由机械能守恒定律可知,在只有重力或弹力做功的物体系统内(或者不受其他外力的作用下),物体系统的动能和势能(包括重力势能和弹性势能)发生相互转化,但机械能的总能量保持不变。在重物下降重力势能减小过程中势能转化为动能,再通过动能转化为电能实现储能,由于不可避免地会存在摩擦力做功,所以重力势能和动能的转化不能达到百分百的效率。本实验中,我们取地面为零势能点,结果表明在距离零势能点位置相同时,物体重量越重,所具有的重力势能越大,当其下降到零势能点时所转化的动能越多,从而转化的电能越多,能量转化效率越高。

3.3.2 原因探究

但实验所得数据显示转化效率不高,其原因在于

(1)计算水的重量时是采用体积进行估算,体积的不精准、温度和压力的浮动造成密度的不精准会造成对加入铁桶中水的实际重量的不精准计算。

(2)同时在计算过程中为计算方便选取g=10N/kg常量,但实际上因为纬度不同,各地的重力常数存在差异,所以造成重力势能计算值变大,从而造成计算出的转化效率偏小[11]。

(3)由于重物的体积较大,与空气的接触面广,所产生的摩擦力较大。同时,在拉升装置中钢丝绳之间、齿轮组之间、钢丝绳与滑轮组之间也会增大摩擦阻力,从而造成转化而成的电能变小,效率较低[12]。

4 实验现象及改进

4.1 存在问题

在实验过程中,我们发现装置存在一些短板,并及时进行原因探索和方法修正。比如在重物刚开始下降时,齿轮有时候会卡住。这种现象的原因是:齿轮与齿轮间的契合度不高,或者说齿轮组不匹配。这导致在某些地方齿轮组顺利转动而在某些地方齿轮组靠转动惯性推动才能转动。而如果从这些地方开始转动由于没有转动惯性齿轮会被卡住,需要一个顺时针扰动才能转动。

此外二极管的光强呈现一定周期性变化。二极管的光强直接反应出产生直流电的大小,与重物的下落速度密切相关。重物所受重力一定,则光强变化与所受周期性阻力相关。而光强周期性变化主要归因于齿轮组的切合度不高。重物下降速度先快后慢的现象,这说明阻力是一个增大的过程。重物下降靠的是重力与阻力之差来提供加速度,前期之所以下降是因为重力大于阻力,有个向下的加速度,后期阻力大于重力故而加速度向上。在下降过程中钢丝绳向上解缠绕,随着缠绕在下面的绳索的减少,被“解缠绕”的绳越来越深,原本在上面时被“解缠绕”的绳只受下面的摩擦力,而后来随着加深受后面和两个侧面的摩擦力,所以阻力增大加速度方向改变速度变慢。

4.2 改进措施

本实验虽然能完美诠释重力储能原理,但对于电能转换效率低等问题,我们提出以下思考及改进措施:

(1)可在支架上面和下面放置两个类似光电门的装置,用于测量重物完全高于该装置的时间,测量两个装置之间的距离为上升高度,增强实验准确性。在水箱下落时或启动时,仪器会有抖动问题,为此在记录时间和高度等物理量时可以进行“掐头去尾”法,获得更稳定的数据。

(2)给定滑轮涂抹润滑油以减少定滑轮造成的摩擦阻力。如何消除周期性阻力以减少实验误差,以及改进齿轮切口大小和连接方式,使齿轮组的切合度大幅提高,减小由此产生的摩擦阻力,改善无法带动重物的问题。

(3)选择更优性价比更高的材料和溶液,使重物重量大幅上升,提高重力势能大小,从而提高电能转化效率。更换支架材料使可支撑重物高度变高,从而提高重物提升高度,增加重力势能大小从而提高电能转换效率。

5 结 论

本文在实验室中自主研制了一种小型的重力储能装置,具有轻便简洁的特点。此装置的原理是将重物提高到一定的高度使其具备一定的重力势能,在有需求时重物下落将重力势能转化为动能带动电动机转动从而产生电能,达到储能的效果。

此外利用此装置探究了重力储能装置的能量转化效率的影响因素,放置重物质量越大,上升高度越高,储能效率则越大。

本实验能较直观地表现出重力储能的原理。但在实验过程中发现存在能量转化效率低、二极管的光强呈现一定周期性变化、重物下降速度先快后慢的现象。在后续的实验中我们将对此方面进行相应改进。同时在使用本装置时需要严格遵守实验操作步骤,装置改进过程中注意保护装置的安装。