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作者：王青山 1 李妍 1張群 1汪德成 1吳高昀 2王祖凡 2趙海森 2
單位：1. 國網江蘇省電力無限公司經濟技術研討院； 2. 華北電力年夜學電氣與電子工程學院
援用：王青天母室內設計山, 李妍, 張群, 等. 基于帶傳動的垂直式重力儲能系統能效剖析模子與實驗驗證[J]. 儲能科學與技術, 2025, 14(大直室內設計3): 1141-1149.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0835
本文亮點：（1）將基于帶傳動的垂直式重力儲能系統的機械環節摩擦損耗詳細劃分為滑輪損耗、曳引損耗和傳動損耗，推導了機械環節效力的理論計算模子，提私人招待所設計醒了系統充、放電工況下系統機械環節效力的變化情況及系統充/放電效力隨質量塊質量的變化規律；（2）剖析了基于帶傳動的垂直式重力儲能系統各項損耗的占比，提醒了系統充、放電工況下系統電氣、機械損耗占比的變化情況。
摘 要 重力儲能系統(GESS)因其長時、年夜容量、零自放電率、平安性高級優點遭到廣泛關注，而能效程度是影響GESS規模化推廣應用的主要原因。起首，針對基于帶傳動的垂直式GESS，剖析機械環節中動/定滑輪相對于軸承概況的滑動摩擦、曳引系統的球軸牙醫診所設計承摩擦、傳動帶相對于帶輪的彈性滑動摩擦及電氣環節中電機的銅耗、鐵耗、風摩耗、雜散損耗，推導了系統各環節效力及損耗的理論計算方式。其次，針對所提理論計算方式設計了算例，算例結果表白，機械環節效力隨質量塊質量增添而略有減小；系統充電效力隨質量塊質量增添而先增添后減小；系統放電效力隨質量塊質量增添而增添；放電工況下，新古典設計系統機械損耗占比與充電工況比擬明顯增添。最后，通過搭建1.1 kW樣機對算例結果進行實驗驗證，實驗結果表白，當質量塊為127.35 kg時，充、放電狀態下電機損耗實測占比分別為82.77%和72.42%，與算例獲女主角閃閃發光。得的商業空間室內設計電機損耗理論占比80.56%和72.96%較為接近，且系統充、放電效力隨質量塊質量的理論變化曲線與實測曲線趨勢雷同，驗證了所提能效剖析方式的正確性和實用性。
關鍵詞 垂直式重力儲能；帶傳動；能效剖析；損耗計算
重力儲能系統因其介質平安、系統選址靈活、零自放電率、儲能容量年夜、度電本錢低而遭到廣泛關注。按質量塊運動軌跡能否傾loft風室內設計斜而分為斜坡式和垂直式兩種：斜坡式可分為斜坡軌道式、斜坡纜車式和斜坡纜-軌式。垂直式則分為豎井式和空中構筑物式空間心理學。在垂直式重力儲能方面，文獻[5]提出一種主軸-副軸結健康住宅構；文獻[6]介紹了通過機械臂和吊索移動混凝土質量塊的綠裝修設計塔式結構；文獻[7]提出將廢棄礦井改革為質量塊的起落通道，充足應用礦井資源，下降建設本錢；文獻[8]提出樹立彼此平行的承重墻結構，計劃占空中積小、對地輿條件請求低。退休宅設計
除了上述結構計劃外，現有研討還針對重力儲能的疾速響應、輸出功率光滑、效益剖析、質量塊抓取把持等方面開展了任務：疾速響應方面，通過在斜坡兩側增添輔助堆場并將斜坡分為兩段，把持頂部堆場重物塊釋放數量、高度及抓取地位，實現了對負荷需求的疾速響應；功率光滑方面，通過設置斜坡段與碼放區之間的緩沖段軌跡及加快段以及應用其他情勢的儲能進行功率補償的方式來減小輸出功率波動；效益剖析方面，通過引進功率缺額系數反應充電效益，選擇系統充電的低本錢能流路徑；質量塊抓取把持方面，通過深度神經網絡預測質量塊運行旅程，并使抓取裝置提早到達預測地位，來進步碼放環節的任務效力。
在重力儲能效力的運行經驗親子空間設計方面，瑞士Energy Vault公司在2020年末建設完成5 MW/35 MWh的示范工程，該系統已接進瑞士電網試運行。此外，中國天楹公司于2023年在江蘇如東建造的25 MW/100 MWh垂直式矩陣型系統，其效力有待于運行后獲取，是以國內尚無其他示范工程可供給效力參考值。
在重力儲能效力的理論研討方面，文獻[13]探討了系統充放電效力與質量塊運行速率、質量、斜坡傾角、斜坡高度、摩擦系數的關系，但由于其將電機和機械傳動環節的效力取為給定值，對電氣與機械損耗構成的剖析不夠詳細，故其能效剖析模子不克不及充足計及充放電工況變化、質量塊質量變化對電機效力、傳動效力及系統效力帶來的影響；文獻[14]考慮斜坡式系統中傳動鏈條、齒輪盤、齒輪箱的任務特點與結構參數，提出了機械損耗的詳細計算模子，但由于應用電動機的負載率-可變損耗公式樂齡住宅設計計算放電工況下的電氣損耗，導致在剖析系統輕載放電效力時誤差較年夜；文獻[15]給出一套斜坡式系統的各環節功率損耗計算方式，觸及同步電機、傳動齒輪等多個環節，但未供給具體實施例。
綜上，重力儲能充放電效力以及損耗的相關研討尚處初步階段，而重力儲能要在電源、電網及用戶側實現規模化應用，必須要晉陞其能效，所以有需要詳細剖析其充放電效力以及損耗。本文針對基于帶傳動的侘寂風垂直式重力儲能系統，詳細剖析其機械、電氣損耗的構成，提出了系統效力與損耗的計算模子，設計算例剖析各環節損耗在系統損耗中的年夜致占比，并搭建小容量樣機進行實驗驗證，驗證了理論剖析的正確性，結果可為重力儲能應用供給支撐。
1 垂直式GESS
1.1垂直式GESS結構
垂直式重力儲能應用質量塊在高、低處之間運動過程中勢能的變化，以電機為中介實現和電網之間的功率交換。垂直式系統的結構計劃有多種，而本文選擇的系統結構如圖1所示。
系統重要由質量塊、發電/電動機、傳動裝置、曳引裝置和鋼架五年夜部門組成，此中傳動裝置由年夜帶輪、傳動帶和小帶設計家豪宅輪組成，曳引裝置則由卷筒和鋼絲繩組成。質量塊是重力勢能的儲存單元，發電/電動機是系統進行機電能量轉換的焦點，而傳動裝置用于在高轉速、小轉矩的電機側與低轉速、年夜轉矩的機械側之間樹立聯系，曳引裝置用于執行質量塊的起落，鋼架的高度則決定了質量塊起落的最年夜高度差。
1.2垂直式GESS充放電過程
系統充電時，電網向電機輸送有功功率，電機任務于電動機狀態，其轉子以高轉速、小轉矩帶動小帶輪旋轉，并通過傳動帶以低轉速、年夜轉矩帶動年夜帶輪和卷筒旋轉，使卷筒收受接管鋼絲繩，質量塊自空中被牽引至鋼架頂端。
系統放電時，質量塊自鋼架頂端開始降落，使鋼絲繩不斷繞出卷筒，以低轉速、年夜轉矩帶動卷筒和年夜帶輪反向旋轉，并通過傳動帶以高轉速、小轉矩帶動小帶輪和電機轉子反向旋轉，電機任務于發電狀態，向電網輸送有功功率。
設系統充電狀態下，電網向電機定子側的輸進功率為e，轉子輸出機械功率為m，質量塊戰勝重力做功為g，電機損耗為e，機械損耗為m；放電狀態下，重力做功功率為g，傳動系統向轉子的輸進功率為m，電機定子側向電網的輸出功率為客變設計e，電機損耗為e，機械損耗為m。可得系統充放電過程中的功率關系如式(1)所示：
(1)
下文剖析機械、電氣環節損耗的產生機理，并給出能效計算方式。剖析之前起首定義：第個環節的效力為該環節的輸出功率,out(即下個環節的輸進功率+1,in)與該環節的輸進功率,in(即上個環節的輸出功率-1,out)之比，則由個環節串聯組成的系統效力Σ為各環節的效力之積，如式(2)所示：
(2)
2 基于帶傳動的垂直式GESS能效剖析
2.1機械環節能效剖析
圖1所示重力儲能系統(以下簡稱本系統)的機械環節損耗m(或m，以下用m表現)包含滑輪損耗wh、曳引損耗dr和傳動損耗tr，如式(3)所示：
(3)
2.1.1 滑輪效力計算
滑輪損耗是動滑輪或定滑輪在旋轉過程中，輪體相對于軸承概況發生滑動所產生的摩擦損耗。顯然，滑輪效力與滑輪與軸承接觸面的摩擦系數以及滑輪尺寸有關。對動滑輪進行力學剖析，可得均衡狀態下效力wh1的計算公式為式(4)：
(4)
式中，wh為滑輪與軸承接觸面的滑動摩擦系數；wh、wh分別為滑輪內圓與外圓半徑。
對定滑輪進行類似剖析，可得均衡狀態下，其效力wh2的計算公式為式(5)：
(5)
2.1.2 曳引效力
曳引損耗重要包含鋼絲繩卷繞過程中卷筒旋轉時，其軸承產生的摩擦損耗。本系統的卷筒采用球軸承，其摩擦損耗重要包含軸承滾子的彈性滯后、滾子對接觸曲面的差動滑動、滾子自旋滑動、滾子傾斜以及潤滑劑黏性等原因，較難推導出精確公式。是以，為便利剖析，取曳引效力dr為定值。
2.1.3 傳動效力計算
傳動損耗是在機械傳動過程中，由于傳動裝置發生摩擦、形變所惹起的能量損掉。對于摩擦型帶傳動系統，傳動帶發生彈性形變而惹起帶與帶輪間的微量滑動，這種彈性滑動是產生傳動損耗的最重要緣由。
傳動帶彈性滑動的嚴重水平用彈性滑動率表征。彈性滑動率重要與感化于傳動帶的有用拉力、帶與帶輪接觸面的摩擦系數、帶的彈性模量以及橫截面積有關，而彈性滑動率直接決定了帶傳動效力。彈性滑動率0以及傳動效力tr按式(6)計算：
(6)
式中，a、b分別為主、從動輪的圓周速率；a為包角修改系數；tr為傳動帶與帶輪接觸面的摩擦系數；為小帶輪包角；e為有用拉力；為彈性模量；為皮帶橫截面積。
根據式(6)可知，計算帶傳動效力，關鍵在于計算系統充放電過程中感化于傳送帶的有用拉力，而有用拉力與帶輪尺寸及其轉速、輸送功率、帶數有關。根據圖1，不難獲得穩定狀態下，質量塊運行速率、卷筒角速率dr、年夜帶輪角速率bw之間的關系如式(7)所示：
(7)
式中，dr為卷筒半徑；為考慮卷筒寬度以及卷繞過程中鋼絲繩的擺動、相對滑動而引進的速率傳遞系數，鉅細范圍為0～1。
設系統所用傳送帶數為，則感化于年夜帶輪每根皮帶的有用拉力如式(8)所示：
(8)
式中，為質量塊質量；為重力加快度；為質量塊運行速率；bw為年夜帶輪半徑。
將式(7)代進式(8)可得有用拉力如式(9)所示：
(9)
結合式(9)與式(6)，就能確定帶傳動的彈性滑動率及傳動效力。
2.1.4 機械環節綜合效力計算
根據式(2)，機械部門綜合效力m為上述動滑輪、定滑輪、曳引裝置及傳動帶的效力之積，如式(10)所示：
(10)
根據式(4)～式(6)和式(9)、式(10)，就可以在對電機進行能效剖析之前，計算機械部門綜合效力。后續剖析中，機械環節綜合效力m視為已知量。
2.2電氣環節能效剖析
重點剖析電機效力，重力儲能系統發電電動機可采用電勵磁同步電機、永磁同步電機、通俗異步電機和雙饋異步電機等多種類型，鑒于同步機能效剖析無需考慮轉速變化，故文中以通俗異步電機為例進行剖析，其他類型電機能效剖析亦可參考文中方式。異步電機損耗e(或e，以下用e表現)包含定子銅耗Cu1、轉子銅耗Cu2、鐵耗Fe、風摩耗fw和雜散損耗ad：
(11)
2.2.1 銅耗計算
定子銅耗是電機定子繞組在運行溫度下的電阻損耗，其理論公式如式(12)所示：
(12)
式中，1為定子相電流。
轉子銅耗是電機轉子繞組在運行溫度下的電阻損耗，其理論公式如式(13)所示：
(13)
式中，2為歸算至定子側的轉子相電流；為轉速；1為同步速。
為了應用式(12)、式(13)進行理論計算，上面結合垂直式重力儲能系統的特點，導出本系統電機的定、轉子電流計算方式。根據異步會所設計電機T形等值電路，電機輸出機械功率等效為電養生住宅阻(1-)2/耗費的功率。由于風摩耗和雜散損耗較小，在穩定狀態下，電機輸出的總機械功率如式(14)所示：
(14)
式中，為轉差率。
式(13)、式(14)中的轉速、轉差率及質量塊運行速率可通過質量塊質量、機械環節效力m、異步電機機械特徵及系統各部門之間的速率關聯關系求出，所以在后面的剖析中視為已知量。歸算至定子側的轉子相電流按式(15)計算：
(15)
式中，1為輔助老屋翻新速率，由同步速1和系統機械結構決定。
根據異步電機T型等值電路，考慮勵磁電流時，定子相電流按式(16)計算：
(16)
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