14)的连杆分别与直线电机动子(5)通过转接头相连；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;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；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(25)、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；电磁三通阀二(23)三个接口分别设置在电动阀八(22)与换热器二(26)、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;换热器一 (25)水路入口与水栗二(28)—端相连，水路出口与蓄水池(35)相连;水栗二 (28)另一端与蓄水储热罐(36)相连;换热器二(26)水路入口与水栗一(27) —端相连，水路出口与蓄水储热罐(36)相连；水栗一(27)另一端与蓄水池(35)相连;换热器三(32)布置在换热器一 (24)与管壳式储气罐(34)之间的空气通路上，其另一端气路入口与电磁阀二 (30)相连，气路出口与环境相通;开关继电器一(18)—端设置在蓄电装置(19)与直线电机(5)之间的连接线路上，另一端与控制模块(I)相连;开关继电器二 (21)—端设置在直线电机(5)与用户电网之间的连接线路上，另一端与控制模块(I)相连;蓄电装置(19) 一端与开关继电器一(18)相连，另一端与用户电网电路相连。调压气罐(24)—端与管壳式储气罐(34)相连，另一端分成两路分别与调压气缸一(9)、调压气缸二(16)相连。温度传感器(37)—端与管壳式储气罐(34)相连，另一端与控制模块(I)相连;电磁阀二(38)—端布置在管壳式储气罐(34)与水栗一(27)之间的管路上，另一端与控制模块(I)相连；电动阀四(11)一端布置在调压气缸一(9)与调压气罐(24)之间的管路上，另一端与控制模块(I)相连;电动阀六(15) —端布置在调压气缸二(16)与调压气罐(24)之间的管路上，另一端与控制模块(I)相连；电动阀三(10)、电动阀七(17)—端分别布置在调压气缸一 (9)、调压气缸二 (16)的排气通路上，另一端均与控制模块(I)相连。2.利用权利要求1所述的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，微型/离网压缩空气蓄能系统的蓄能模式控制方法，其特征在于:当电负荷处于低谷时，控制模块(I)将开关继电器(21)接通，并将直线电机(5)调整为电动机工作模式;控制模块(I)将电动阀一(3)、电动阀八(22)、电动阀三(10)、电动阀七(17)、电磁阀一(30)打开，打开闸阀一(7)，其余阀门均呈关闭状态；空气经进气总管及支管进入自由活塞膨胀/压缩机一(13)，此时自由活塞膨胀/压缩机一(13)处于压缩机工作模式，自由活塞膨胀/压缩机一(13)的活塞在直线电机(5)的驱动下对空气进行压缩;位移传感器(4)检测工作过程中活塞-电机动子组位置，实时将电信号反馈到控制模块(I);当自由活塞膨胀/压缩机一(13)的活塞到达其实际上止点时，控制模块(I)控制电动阀二 (6)、电动阀五(12)开启，电动阀一(3)、电动阀八(22)关闭，空气进入自由活塞膨胀/压缩机二(14)进行压缩，完成一个工作循环；该工作过程中，在控制模块(I)的作用下，电磁三通阀一(20)仅将电动阀五(12)与电磁三通阀二( 23)之间的管路连通，电磁三通阀二( 23)三路均接通，经自由活塞膨胀/压缩机-直线电机压缩后的高压空气经换热器二 (26)进入管壳式储气罐(34)中。3.根据权利要求2所述的微型/离网压缩空气蓄能系统蓄能模式控制方法，其特征在于:经水栗一(27)加压后，冷却水从蓄水池(35)中被引出并分为两路，一路通过换热器二(26)对高压空气冷却后流入蓄水储热箱(36)中；另一路冷却水经连接管路进入管壳式储气罐(34)管侧。4.根据权利要求2所述的微型/离网压缩空气蓄能系统蓄能模式控制方法，其特征在于:管壳式储气罐(34)壳侧布置有温度传感器(37)实时监测罐内空气的温度，将信号反馈到控制模块(I)，通过调节电磁阀二(38)的开度控制冷却水的流量，从而保持管壳式储气罐(34)中压缩空气温度相对恒定，减小能耗，提高储气效率。5.根据权利要求2所述的微型/离网压缩空气蓄能系统蓄能模式控制方法，其特征在于:微型/离网压缩空气蓄能系统的发电模式控制方法，当用电高峰时期，打开闸阀二 (33)，将高压空气从管壳式储气罐(34)中引出，依次通过换热器一(25)、换热器三(32);在控制模块(I)的作用下，电磁三通阀一(20)三路均接通，电磁三通阀二(23)仅将电动阀八(22)与电磁三通阀一(2 O)之间的管路连通;控制模块(I)将电动阀五(12 )、电动阀二( 6 )、电动阀三(10)、电动阀七(17)接通，并且通过电机控制器将直线电机(5)调整为发电机工作模式;高压空气进入自由活塞膨胀/压缩机一(13)，此时，自由活塞膨胀/压缩机一(13)处于膨胀工作模式，推动其活塞向右运动，位移传感器(4)检测工作过程中活塞-电机动子组位置，实时将电信号反馈到控制模块(I);当自由活塞膨胀/压缩机一(13)的活塞到达其实际下止点时，控制模块(I)控制电动阀二(6)、电动阀五(12)关闭，电动阀四(3)、电动阀九(22)开启，高压空气进入自由活塞膨胀/压缩机二(14)推动其活塞向左运动，整个装置完成一个工作循环;在该工作过程中，直线电机(5)动子做往复直线运动切割磁感线圈产生电动势，实现气体压力能到电能的转化；同时，控制模块(I)将开关继电器一(18)接通，开关继电器二(21)断开，使产生的电能通过蓄电装置(19)存储起来，经转换电路并入用户电网。6.根据权利要求5所述的微型/离网压缩空气蓄能系统蓄能模式控制方法，其特征在于:微型/离网压缩空气蓄能系统发电模式控制方法，在放气发电的初始阶段，打开球阀(29)，通过水栗二(28)加压将高温水从蓄水储热罐(36)中抽出，经换热器一(25)对高压空气进行加热后通入蓄水池(35)中；随着工作过程的持续，管壳式储气罐(34)中的空气温度压力不断降低，此时，关闭闸阀一 (7)，接通电磁阀一 (30)，经自由活塞膨胀/压缩机-直线电机做功后的低压带温空气通入换热器三(32)，对高压进气进行预热，进一步提高进气温度，增加压缩空气焓值，提升压缩空气的做功能力。7.根据权利要求6所述的微型/离网压缩空气蓄能系统蓄能模式控制方法，其特征在于:当位移传感器(4)检测到自由活塞膨胀/压缩机活塞在膨胀过程中未到达其理论下止点时，控制模块(I)将电动阀三(I I )、电动阀八(I 5)同时打开，高压空气分别充入调压气缸一(9)、调压气缸二(16)，缸内压力迅速增大，增加了活塞-电机动子组往复运动的阻力，从而达到调节膨胀比的目的；安装在调压气缸一(9)、调压气缸二(16)两侧的压力传感器一(2)、压力传感器二(8)将信号反馈给控制模块(I)，通过及时调节调压气缸进出口电动阀四(I I )、电动阀六(I 5 )、电动阀三(1 )、电动阀七(17)的开度大小，控制充入调压气缸的压缩空气量，能够有效调节膨胀比。
【专利摘要】本发明公开了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，该系统包括自由活塞膨胀/压缩机、直线电机、调压气罐、换热器、管壳式储气罐、水泵、蓄水储热罐、蓄水池以及相应的连接管路；控制系统包括：控制模块、压力传感器、位移传感器、电动阀、开关继电器、蓄电装置、电磁三通阀、电磁阀以及相应的连接线路；该蓄能系统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，系统采用一种管壳式储气罐并通过调节膨胀/压缩比，能减小储气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。
【IPC分类】F01B23/10, F04B41/02, F04B49/22, F04B49/06, F04B41/06, F04B35/04, F01B25/10
【公开号】CN105626456
【申请号】CN201610009848
【发明人】李高胜, 张红光, 杨富斌, 宋松松, 常莹, 于飞
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月6日