一种基于自由活塞膨胀/压缩机-直线电机的微型/离网压缩空气蓄能系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及蓄能发电领域，尤其涉及一种微型/离网压缩空气蓄能系统。
【背景技术】
[0002]压缩空气蓄能系统(CAES)是一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统。它通过压缩空气储存多余的电能，在用电高峰时，将高压空气释放，通过膨胀机做功发电。其中，压缩机和膨胀机是压缩空气储能系统核心部件，其性能对整个系统的性能具有决定性影响。同时，由于系统的流量较小，传统的压缩空气蓄能系统多采用单级或者多级往复式压缩机及透平机组，压缩/膨胀比不可调节，系统结构较为复杂，成本较高，可靠性较差。同时，在压缩蓄能过程中，储气装置中的压力逐渐增大导致蓄能效率降低，在放气发电过程中，储气装置中的压缩空气压力逐渐减小又会导致发电效率降低。除此之外，压缩空气蓄能系统在运行过程中会产生大量的低品味热能，未加以利用而白白浪费。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了克服上述传统压缩空气蓄能系统的不足，提出一种自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的集成单元作为能量转化装置，并基于该装置设计了一套微型/离网压缩空气蓄能系统。该系统中自由活塞膨胀/压缩机在蓄能和发电过程中能分别充当压缩机和膨胀机，大大简化了压缩空气蓄能系统的结构，降低了成本。同时，该系统采用一种管壳式储气罐并通过调节自由活塞膨胀/压缩机的膨胀/压缩比，能减小储能装置中压缩空气压力温度的大幅波动，实现了空气压缩与膨胀环节的能量优化利用，提高了压缩空气蓄能系统的效率。
[0004]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案:
[0005]本发明所提出的微型/离网压缩空气蓄能系统主要包括相对布置的自由活塞膨胀/压缩机一、自由活塞膨胀/压缩机二、直线电机、调压气罐、管壳式储气罐。
[0006]用电低峰时期，通过控制模块调节自由活塞膨胀/压缩机进排气电动阀的开闭时刻及开度大小，空气分别进入系统中对置布置的自由活塞膨胀/压缩机，同时控制模块通过电机控制器将直线电机调整为电动机工作模式，此时自由活塞膨胀/压缩机处于压缩工作模式，电网为直线电机供电，推动两侧与直线电机耦合的自由活塞膨胀/压缩机活塞对进气进行压缩，压缩后的高压空气被储存在管壳式储气罐中。
[0007]除此之外，本发明通过在气路中设置换热器二，对在上述压缩过程中的高温高压空气进行冷却，降低储气过程中的能耗。另外，水栗一的设置用于保证冷却水能从蓄水池中流入换热器二及管壳式储气罐管侧中，经换热后的冷却水均流回蓄水储热罐。
[0008]当用电高峰时，将压缩空气从管壳式储气罐中引出，通过控制模块调节自由活塞膨胀/压缩机进排气电动阀的开闭时刻及开度大小，压缩空气分别进入系统中对置布置的自由活塞膨胀/压缩机，同时控制模块通过电机控制器将直线电机调整为发电机工作模式，此时自由活塞膨胀/压缩机处于膨胀工作模式，推动与两侧自由活塞膨胀/压缩机耦合的直线电机动子做往复直线运动切割磁感线圈产生电动势，并且通过蓄电装置将电能存储，通过转换电路并入用户电网。
[0009]本发明通过在气路中设置换热器一、换热器三分别对上述发电过程中自由活塞膨胀/压缩机入口压缩空气预热，增加压缩空气焓值，提高发电效率。同时，水栗二的布置用于保证管路中的压力，使高温水能从蓄水储热罐中流入换热器一，换热后的水经连接管路流回蓄水池。另外，经自由活塞膨胀/压缩机做功后的热空气被引入换热器三，对初始进气预热，换热后的气体排入大气中。
[0010]上述微型/离网压缩空气蓄能系统还包括电动阀、电磁阀、电磁三通阀、开关继电器、控制模块、压力传感器、位移传感器、温度传感器以及各类连接线路。其中控制模块采集系统中压力传感器、电机动子位移传感器、温度传感器的信号经过分析处理后作出判断并发出指令控制各个电动阀、电磁阀、电磁三通阀的开闭。当该系统中的开关继电器一闭合，开关继电器二断开时，直线电机为发电机模式，直线电机产生的电能通过蓄电装置存储；当开关继电器一断开，开关继电器二闭合时，直线电机为电动机模式，外部电网为直线电机提供电能驱动其运动，从而实现微型/离网压缩空气蓄能系统的正常工作。
[0011 ]与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点:
[0012]1.本发明设计了一种自由活塞膨胀/压缩机耦合直线电机的能量转化装置。该装置结构紧凑简单、机电一体化程度高、机械损失小，同时自由活塞膨胀/压缩机和直线电机均可根据系统的工作要求而灵活切换不同工作模式。
[0013]2.本发明设计了一套微型/离网压缩空气蓄能系统。该系统将传统压缩空气蓄能系统中的压缩机、膨胀机用自由活塞膨胀/压缩机-直线电机集成装置代替，能满足整个系统蓄能和发电过程的工作要求，大大简化了系统的复杂程度，实现了一机多用，降低了系统的设计成本。
[0014]3.该微型/离网压缩空气蓄能系统的开启，调节，关闭能够实现远程自动化控制。通过调节调压气缸的缸内压力，能够为自由活塞膨胀/压缩机设置合理的压缩/膨胀比，进而灵活匹配蓄能/发电过程储气罐中的压力变化，提高系统的能量转化效率。
[0015]4.该微型/离网压缩空气蓄能系统设置有换热器一、换热器三能分别利用蓄能过程中换热后储存在蓄热储水罐中的高温热水及发电过程中自由活塞膨胀/压缩机-直线电机出口的热空气对发电过程中的压缩空气预热，实现了蓄能及发电过程中的能量优化利用，提高了该系统的热经济性。
【附图说明】
[0016]图1是微型/离网压缩空气蓄能系统的蓄能过程示意图；
[0017]图2是微型/离网压缩空气蓄能系统的发电过程示意图；
[00?8]图中:1、控制模块;2、压力传感器一;3、电动阀一 ;4、位移传感器;5、直线电机;6、电动阀二; 7、闸阀一;8、压力传感器二; 9、调压气缸一 ；10、电动阀三；11、电动阀四；12、电动阀五；13、自由活塞膨胀/压缩机一；14、自由活塞膨胀/压缩机二； 15、电动阀六；16、调压气缸二； 17、电动阀七；18、开关继电器一；19、蓄电装置;20、电磁三通阀一;21、开关继电器二；22、电动阀八;23、电磁三通阀二; 24、调压气罐;25、换热器一;26、换热器二; 27、水栗一;28、水栗二 ； 29、球阀；30、电磁阀一；31、球阀；32、换热器三;33、闸阀二; 34、管壳式储气罐;35、蓄水池;36、蓄水储热罐;37、温度传感器;38、电磁阀二；
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0020]图1是微型/离网压缩空气蓄能系统的蓄能工作过程示意图，其连接关系如图1所示，上述的微型/离网压缩空气蓄能系统包括控制模块(I)、压力传感器一(2)、电动阀一
(3)、位移传感器(4)、直线电机(5)、电动阀二 (6)、压力传感器二 (8)、电动阀三(10)、电动阀四(11)、电动阀五(12)、电动阀六(15)、电动阀七(17)、电动阀八(22)、开关继电器一(18)、蓄电装置(19)、电磁三通阀一 (20)、开关继电器二 (21)、电磁三通阀二 (23)、电磁阀一 (30)、电磁阀二 (38)以及相应的连接线路；
[0021]上述的微型/离网压缩空气蓄能系统还包括自由活塞膨胀/压缩机一(13)、自由活塞膨胀/压缩机二(14)、调压气罐(24)、换热器一(25)、换热器二(26)、换热器三(32)、管壳式储气罐(34)、水栗一(27)、水栗二(28)、蓄水储热罐(36)、蓄水池(35)以及相应的连接管路；
[0022]上述微型/离网压缩空气蓄能系统内各部件的连接关系是:
[0023]自由活塞膨胀/压缩机一(13)、自由活塞膨胀/压缩机二(14)的连杆分别与直线电机动子(5)通过转接头相连；
[0024]电动阀一(3)、电动阀二(6)—端设置在主空气通路与自由活塞膨胀/压缩机之间的支路上，另一端分别与控制模块(I)相连;压力传感器一 (2)、压力传感器二 (8) —端分别与调压气缸一 (9)、调压气缸二( 16)相连，另一端分别与控制模块(I)相连；电动阀五(12) —端设置在自由活塞膨胀/压缩机一(13)与电磁三通阀一(20)之间的空气通路上，另一端与控制模块(I)相连;电动阀八(22)—端设置在自由活塞膨胀/压缩机二(14)与电磁三通阀二
(23)之间的空气通路上，另一端与控制模块(I)相连；
[0025 ]位移传感器(4) 一端与直线电机(5)相连，另一端与控制模块(I)相连；
[0026]电磁三通阀一(20)三个接口分别设置在电动阀五(12)与换热器一