一種實(shí)驗(yàn)室重力儲能裝置的設(shè)計(jì)與研制

楊振清,呂鈺卓,盧貝旎,馬宇航,楊東杰*,林春丹,張萬松

(1.中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院,北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京) 新能源與材料學(xué)院,北京 102249)

雙碳目標(biāo)的建立帶動(dòng)了安全、清潔的新能源行業(yè)的發(fā)展,大量清潔能源被生產(chǎn)但卻無法儲存而造成電能浪費(fèi),如何儲能成為現(xiàn)如今的重要研究內(nèi)容[1]。常見的儲能方式主要分為機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、電儲能、化學(xué)儲能和熱能儲能等。其中機(jī)械儲能是目前最為普及最為成熟的儲能形式,具有穩(wěn)定清潔的特點(diǎn),主要分為動(dòng)能儲能、彈性勢儲能、萬能儲能和固體重力儲能等[2-3]。重力儲能技術(shù)是通過物體在重力場中的垂直運(yùn)動(dòng)來儲存和釋放電能,此技術(shù)的原理是物體的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能從而實(shí)現(xiàn)能量儲存[4]。重力儲能方法改變了電化學(xué)儲能充放電次數(shù)有限、電池性能老化、能量存儲能力低的缺點(diǎn),大幅提高了儲存容量和儲存穩(wěn)定性[5-6]。

抽水蓄能是最常見的重力儲能方式[5,7],可以達(dá)到85%的高效率,但其對空間依賴過大,許多研究者正探索新型的重力儲能方式[8-9],有效地將能量轉(zhuǎn)化效率提升到90%。2020年,D.K.Chaturvedi[10]等人設(shè)計(jì)、開發(fā)并演示了重力儲能物理樣機(jī),2022年“中國天楹”成立重力儲能子公司,重力儲能技術(shù)將很快落地。無論是大型實(shí)驗(yàn)裝置還是重力儲電設(shè)備,其效率與性能仍然需要不斷探索。為了驗(yàn)證重力儲能原理,探究影響能量轉(zhuǎn)化效率的影響因素,本文在實(shí)驗(yàn)室中提煉“抽水儲能”技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),利用“提升水桶”方法,制作了一個(gè)簡易的重力勢能裝置。較市場上較為普及的儀器,該裝置更加小型簡易,更適用于原理探究和普及推廣,同時(shí)能夠降低實(shí)驗(yàn)成本,增加實(shí)驗(yàn)次數(shù),提高實(shí)驗(yàn)效率。

1 重力儲能裝置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

工業(yè)鋁材框架、220 V純銅電機(jī)、5GU75K 24轉(zhuǎn)低速馬達(dá)、50 cm×50 cm×50 cm鐵皮水箱、不銹鋼鋼絲繩、1T三輪吊鉤動(dòng)滑輪、U型軌道輪、2模齒輪、萬用電表,發(fā)光二極管等。

其中對于水箱材料的選取,應(yīng)綜合考慮質(zhì)量和價(jià)格兩方面因素,選擇質(zhì)量大的情況下價(jià)格低的材料。經(jīng)過市場調(diào)查,對比了常見的幾種重物材料。發(fā)現(xiàn)鐵的密度較大,且密度相差不多的條件下,鐵的價(jià)格最低。綜合考察,鐵的性價(jià)比最高,所以本實(shí)驗(yàn)最后選取鐵作為水箱原材料。

表1 水箱原材料對比表

使用工業(yè)鋁材搭建1 m×1 m×2.5 m長方體框架,使用對應(yīng)角件固定,并在上部安裝三輪環(huán)式動(dòng)滑輪,在側(cè)邊上部和下部安裝定滑輪。用鋼絲繩連接鐵皮水箱和定滑輪,通過三輪吊鉤動(dòng)滑輪使拉力增大,鋼絲繩依次穿過上部和下部固定的定滑輪。底部滑輪與兩個(gè)電動(dòng)機(jī)相連,可以起到上升鐵皮水箱的作用。另一側(cè)使用齒輪咬合固定,在工作過程中可以達(dá)到改變頻率的效果。二極管接在電機(jī)輸入線中,其光強(qiáng)直接反應(yīng)產(chǎn)生直流電的大小。實(shí)驗(yàn)裝置的三視圖如圖1所示。

從左至右依次是主視圖、左視圖、俯視圖

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)通過動(dòng)滑輪組以及定滑輪組成的系統(tǒng)控制重物的上升和下降,在上升過程中利用電動(dòng)機(jī)將重物提升一定高度并將能量以重力勢能的形式儲存起來。當(dāng)有能量需求時(shí),重物下降重力勢能減小,此時(shí)重力勢能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)動(dòng)能,從而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而轉(zhuǎn)化為電能,達(dá)到儲能效果。

其中重力勢能用得到,電能由計(jì)算,我們將重力勢能減小量與電能消耗量之比近似表示該裝置的能量轉(zhuǎn)化效率,并且從而驗(yàn)證重力儲能的原理。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先,檢查電路是否連接正確,滑輪組和重物是否連接完好。然后,打開裝置連接的電源,扶住支架,避免因下降速度過快導(dǎo)致支架倒塌。對所裝置完全的設(shè)備進(jìn)行檢查,若無問題,作遙控器將重物抬高到合適標(biāo)記處。正確按照遙控器指示箭頭操作,操作不當(dāng)可能會使重物下降撞擊到下方的電動(dòng)機(jī),造成實(shí)驗(yàn)裝置的損壞。在重物上升過程中,用萬用表的紅黑表筆接鏈接小型電動(dòng)機(jī)的兩根電線,測出此時(shí)的電壓和電流,并在設(shè)計(jì)的表格中記錄下對應(yīng)數(shù)值。

重物下降過程中,通過齒輪切換調(diào)節(jié)重物下降速度,兩組齒輪分別被兩個(gè)鐵片固定,上方有彈簧鐵鉤固定以防把手脫落。向下用力按住齒輪長把手,切換可動(dòng)齒輪,切換后注意將用鐵鉤勾住,起到固定作用。松開齒輪長把手,觀察重物下降的速度和二極管發(fā)光亮度。當(dāng)重物下降到最底部時(shí),發(fā)電過程結(jié)束。結(jié)束實(shí)驗(yàn)后,改變重物質(zhì)量重復(fù)上述操作,進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn),并測出下相關(guān)數(shù)據(jù),在表格中記錄下對應(yīng)數(shù)值。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)選取空桶、桶內(nèi)有桶水、桶水和滿桶水這四種情況計(jì)算重物重量,并測量出相應(yīng)的四組數(shù)據(jù)如表2.1-2.4所示。

表2.1 空桶下能量轉(zhuǎn)化效率

表桶水下能量轉(zhuǎn)化效率

表桶水下能量轉(zhuǎn)化效率

表2.4 滿桶水下能量轉(zhuǎn)化效率

3.2 數(shù)據(jù)處理

通過稱重法得到鐵皮水桶質(zhì)量為28.5 kg,對于加入水的質(zhì)量,本實(shí)驗(yàn)通過容積進(jìn)行估算。鐵桶的內(nèi)高為50 cm,將其分成三等分。根據(jù)

m=ρgh,

(1)

利用米尺測量重物上升過程中初末位置間的高度,并同時(shí)記錄上升時(shí)間通過

w=mgh

計(jì)算出物體所具有的重力勢能。將萬用表測量出的電壓電流和重物下落時(shí)間代入電能計(jì)算公式L

E=UIt,

(2)

求出物體所轉(zhuǎn)換的電能,進(jìn)而得出能量轉(zhuǎn)化效率:

(3)

為減少誤差,本實(shí)驗(yàn)對不同重量測量三次的數(shù)據(jù)取平均值,計(jì)算出相應(yīng)數(shù)值,如表3所示。

表3 四種情況的能量轉(zhuǎn)化效率比較

3.3 數(shù)據(jù)分析及原因探究

3.3.1 數(shù)據(jù)分析

由機(jī)械能守恒定律可知,在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)(或者不受其他外力的作用下),物體系統(tǒng)的動(dòng)能和勢能(包括重力勢能和彈性勢能)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,但機(jī)械能的總能量保持不變。在重物下降重力勢能減小過程中勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,再通過動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)儲能,由于不可避免地會存在摩擦力做功,所以重力勢能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化不能達(dá)到百分百的效率。本實(shí)驗(yàn)中,我們?nèi)〉孛鏋榱銊菽茳c(diǎn),結(jié)果表明在距離零勢能點(diǎn)位置相同時(shí),物體重量越重,所具有的重力勢能越大,當(dāng)其下降到零勢能點(diǎn)時(shí)所轉(zhuǎn)化的動(dòng)能越多,從而轉(zhuǎn)化的電能越多,能量轉(zhuǎn)化效率越高。

3.3.2 原因探究

但實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)顯示轉(zhuǎn)化效率不高,其原因在于

(1)計(jì)算水的重量時(shí)是采用體積進(jìn)行估算,體積的不精準(zhǔn)、溫度和壓力的浮動(dòng)造成密度的不精準(zhǔn)會造成對加入鐵桶中水的實(shí)際重量的不精準(zhǔn)計(jì)算。

(2)同時(shí)在計(jì)算過程中為計(jì)算方便選取g=10N/kg常量,但實(shí)際上因?yàn)榫暥炔煌?各地的重力常數(shù)存在差異,所以造成重力勢能計(jì)算值變大,從而造成計(jì)算出的轉(zhuǎn)化效率偏小[11]。

(3)由于重物的體積較大,與空氣的接觸面廣,所產(chǎn)生的摩擦力較大。同時(shí),在拉升裝置中鋼絲繩之間、齒輪組之間、鋼絲繩與滑輪組之間也會增大摩擦阻力,從而造成轉(zhuǎn)化而成的電能變小,效率較低[12]。

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及改進(jìn)

4.1 存在問題

在實(shí)驗(yàn)過程中,我們發(fā)現(xiàn)裝置存在一些短板,并及時(shí)進(jìn)行原因探索和方法修正。比如在重物剛開始下降時(shí),齒輪有時(shí)候會卡住。這種現(xiàn)象的原因是:齒輪與齒輪間的契合度不高,或者說齒輪組不匹配。這導(dǎo)致在某些地方齒輪組順利轉(zhuǎn)動(dòng)而在某些地方齒輪組靠轉(zhuǎn)動(dòng)慣性推動(dòng)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。而如果從這些地方開始轉(zhuǎn)動(dòng)由于沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣性齒輪會被卡住,需要一個(gè)順時(shí)針擾動(dòng)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外二極管的光強(qiáng)呈現(xiàn)一定周期性變化。二極管的光強(qiáng)直接反應(yīng)出產(chǎn)生直流電的大小,與重物的下落速度密切相關(guān)。重物所受重力一定,則光強(qiáng)變化與所受周期性阻力相關(guān)。而光強(qiáng)周期性變化主要?dú)w因于齒輪組的切合度不高。重物下降速度先快后慢的現(xiàn)象,這說明阻力是一個(gè)增大的過程。重物下降靠的是重力與阻力之差來提供加速度,前期之所以下降是因?yàn)橹亓Υ笥谧枇?有個(gè)向下的加速度,后期阻力大于重力故而加速度向上。在下降過程中鋼絲繩向上解纏繞,隨著纏繞在下面的繩索的減少,被“解纏繞”的繩越來越深,原本在上面時(shí)被“解纏繞”的繩只受下面的摩擦力,而后來隨著加深受后面和兩個(gè)側(cè)面的摩擦力,所以阻力增大加速度方向改變速度變慢。

4.2 改進(jìn)措施

本實(shí)驗(yàn)雖然能完美詮釋重力儲能原理,但對于電能轉(zhuǎn)換效率低等問題,我們提出以下思考及改進(jìn)措施:

(1)可在支架上面和下面放置兩個(gè)類似光電門的裝置,用于測量重物完全高于該裝置的時(shí)間,測量兩個(gè)裝置之間的距離為上升高度,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。在水箱下落時(shí)或啟動(dòng)時(shí),儀器會有抖動(dòng)問題,為此在記錄時(shí)間和高度等物理量時(shí)可以進(jìn)行“掐頭去尾”法,獲得更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

(2)給定滑輪涂抹潤滑油以減少定滑輪造成的摩擦阻力。如何消除周期性阻力以減少實(shí)驗(yàn)誤差,以及改進(jìn)齒輪切口大小和連接方式,使齒輪組的切合度大幅提高,減小由此產(chǎn)生的摩擦阻力,改善無法帶動(dòng)重物的問題。

(3)選擇更優(yōu)性價(jià)比更高的材料和溶液,使重物重量大幅上升,提高重力勢能大小,從而提高電能轉(zhuǎn)化效率。更換支架材料使可支撐重物高度變高,從而提高重物提升高度,增加重力勢能大小從而提高電能轉(zhuǎn)換效率。

5 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)室中自主研制了一種小型的重力儲能裝置,具有輕便簡潔的特點(diǎn)。此裝置的原理是將重物提高到一定的高度使其具備一定的重力勢能,在有需求時(shí)重物下落將重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而產(chǎn)生電能,達(dá)到儲能的效果。

此外利用此裝置探究了重力儲能裝置的能量轉(zhuǎn)化效率的影響因素,放置重物質(zhì)量越大,上升高度越高,儲能效率則越大。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^直觀地表現(xiàn)出重力儲能的原理。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)存在能量轉(zhuǎn)化效率低、二極管的光強(qiáng)呈現(xiàn)一定周期性變化、重物下降速度先快后慢的現(xiàn)象。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中我們將對此方面進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。同時(shí)在使用本裝置時(shí)需要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)操作步驟,裝置改進(jìn)過程中注意保護(hù)裝置的安裝。