实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于大容量电力储能技术领域，特别涉及一种利用等压迁移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统。液体活塞按耐压等级高低顺序连接，相邻两级液体活塞上部通过气体管道、下部通过液体驱动装置连接，各级液体活塞通过管道连接到外部水力设备，最低耐压等级液体活塞连接低压气体管道，最高耐压等级液体活塞连接储气系统。本发明实现了气体在液体活塞中分级压缩、膨胀过程，采用等压迁移技术在不同等级液体活塞间转移气体，减小了液体活塞的承压变化范围，提高设备安全性，延长液体活塞的寿命，可以大幅度降低设备的制造成本。
【专利说明】
实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统
技术领域
[0001]本发明属于大容量电力储能技术领域，尤其涉及一种利用等压迀移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统。
【背景技术】
[0002]随着新能源的大规模接入电网，储能技术因其能够提供足够的调峰能力，被广泛地用于解决新能源的间歇性与波动性问题。其中，压缩空气储能技术应用较为广泛且具有很大的发展前景。
[0003]现已有将水轮机应用于压缩空气储能的技术，实现了利用水轮机与压缩空气储能技术联合发电与储能，这一过程采用液体活塞，以水为介质对空气进行压缩，解决了空气压缩时压强剧烈变化带来的调节问题、效率问题、容器的寿命等问题。但这些液体活塞耐压强度均按照压缩气体的最高气体压强设计，当液体活塞容量较大时将增加其建造成本，当处理的气体体积相对较小或只需要将气体压缩到较小的压强时将造成液体活塞容量和耐压性能的冗余，增加了运行成本。
【发明内容】
[0004]为了减少液体活塞容量和耐压性能的冗余问题，降低系统运行成本，本发明提出了一种利用等压迀移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统，由不同耐压等级的液体活塞根据耐压等级高低顺序连接而成，其中，相邻两级液体活塞的上部通过气体管道相连，下部通过液体驱动装置相连，各级液体活塞通过液体管道连接到外部水力设备，最低耐压等级的液体活塞连接外部低压气体管道，最高耐压等级的液体活塞与储气系统相连，气体压缩过程中，低等级的液体活塞先压缩气体，使压强达到压缩迀移定值，通过等压迀移技术将压缩气体送入高等级液体活塞，由高等级液体活塞继续压缩到更高压强，实现分级压缩储能；膨胀过程中，高等级液体活塞中气体膨胀做功，当压强下降到膨胀迀移定值，通过等压迀移技术将气体送入低等级液体活塞中继续膨胀做功，实现分级膨胀释能。
[0005]所述液体活塞由一个压力容器组成或由多个压力容器通过管道连接组成;某一耐压等级的液体活塞的耐压限值为该耐压等级内所有压力容器耐压限值的最小值;多个压力容器的连接方式为:同一耐压等级的液体活塞内的多个压力容器可单独与相邻耐压等级的液体活塞相连或多个压力容器相互连接后作为一组与相邻耐压等级的液体活塞连接;通过阀门控制可选择某一耐压等级中参与运行的压力容器个数从而调节该耐压等级参与运行的总体积，也可以分解成多组压力容器组分别独立运行。
[0006]所述压缩迀移定值和膨胀迀移定值是指每个耐压等级的液体活塞设置该耐压等级的压缩迀移定值和膨胀迀移定值，本耐压等级液体活塞的压缩迀移定值与相邻的高耐压等级液体活塞的膨胀迀移定值均不超过本耐压等级液体活塞的耐压限值，每个耐压等级液体活塞在其设定的膨胀迀移定值与压缩迀移定值内运行。
[0007]所述气体管道连接不同耐压等级的液体活塞的方式为:相邻两级液体活塞由单独一段气体管道连接或采用总线型连接方式，即多个液体活塞都连接到同一段气体管道，通过管道阀门的开断辅助压缩过程、膨胀过程、气体等压迀移过程的进行，使气体等压迀移可以跨级进行，即可以不在相邻两等级液体活塞进行。
[0008]所述等压迀移技术是指，相邻两个液体活塞A和B的初始压强一致，液体活塞间相连的气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从液体活塞A注入到液体活塞B中，液体活塞B中的气体经气体管道迀移到液体活塞A中，两液体活塞内部压强在迀移过程中始终相等，实现气体的等压迀移;所述液体活塞A和B的初始压强一致是指，两个液体活塞都含有气体，两者气体压强一致;或者只有一个液体活塞含有气体，另一个充满液体；当两个液体活塞间的气体管道连通时，两者压强保持一致。
[0009]所述液体驱动装置为液压机构或水栗，驱动液体在两个耐压等级液体活塞间转移，此时两个耐压等级液体活塞的气体管道导通，在等压迀移过程中维持两个耐压等级液体活塞中气体压强始终相等，实现气体的等压迀移;可在任意两个耐压等级间设置液体驱动装置，也可设置多个耐压等级液体活塞共用同一液体驱动装置，通过管道和阀门控制，实现运行。
[0010]所述外部水力设备可以采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水栗组合，或者采用液压机构;每个耐压等级的液体活塞所对应的外部水力设备可独立运行，也可以采用多个耐压等级的液体活塞设置同一个外部水力设备，通过管道阀门控制实现运行。
[0011]所述外部水力设备的作用为:在气体压缩过程中，外部水力设备利用其他能量将水注入液体活塞中，将外界其他形式的能量转换为水的势能后对空气进行压缩，转换为空气的势能;在气体膨胀过程中，压缩空气的势能转换成水势能后对外做功，利用外部水力设备将水的势能转换为其他形式的能量。
[0012]所述储气系统可以为地下洞穴、地下矿井、储气罐等，高耐压等级液体活塞自身也可作为储气装置。
[0013]所述分级压缩储能过程为:进行空气压缩过程时，气体在低耐压等级液体活塞中压缩达到该耐压等级液体活塞的压缩迀移定值，通过液体驱动装置使高耐压等级液体活塞中气体压强与低耐压等级气体压强相等，打开阀门使相邻两个耐压等级液体活塞经气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从高耐压等级液体活塞注入到低耐压等级液体活塞中，低耐压等级液体活塞中的气体经气体管道等压迀移到高耐压等级液体活塞，在高耐压等级液体活塞中等待下一级压缩，实现分级压缩储能。
[0014]所述分级膨胀释能过程为:在膨胀过程中，气体在高耐压等级液体活塞中膨胀达到该耐压等级膨胀迀移定值后，气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从低耐压等级液体活塞注入到高耐压等级液体活塞，使气体从高耐压等级液体活塞等压迀移到低耐压等级液体活塞，在低耐压等级液体活塞中进行下一级膨胀做功，实现分级膨胀释能。
[0015]所述气体分级压缩和分级膨胀过程中液体活塞的运作方式可有如下形式:
[0016]当低耐压等级液体活塞中压力容器体积较小、高耐压等级液体活塞体积较大时，可由低耐压等级液体活塞内单个压力容器压缩气体后，将气体等压迀移到高耐压等级液体活塞，高耐压等级液体活塞不立即进行气体压缩，低耐压等级液体活塞继续进行气体压缩，向同一高耐压等级液体活塞等压迀移气体，当高耐压等级液体活塞接收的气体积累到一定量后再进行该耐压等级的气体压缩;或者由低耐压等级液体活塞内的多个压力容器压缩气体后，逐次或同时通过等压迀移将气体送入高耐压等级液体活塞后，再在高等级液体活塞中进行压缩;分级膨胀过程为，高耐压等级液体活塞向低耐压等级液体活塞中的单个压力容器等压迀移气体，待气体在该压力容器中膨胀做功并迀移到更低等级液体活塞中后，再向该压力容器中等压迀移气体，或者由高耐压等级液体活塞逐次或同时向低耐压等级液体活塞中的多个压力容器等压迀移气体，气体在这些压力容器中膨胀做功后迀移到更低耐压等级液体活塞中，重复上述过程直到高等级液体活塞中气体完全等压迀移到低耐压等级液体活塞中。
[0017]当低耐压等级液体活塞体积较大、高耐压等级液体活塞内压力容器体积较小时，低耐压等级液体活塞中的压缩气体可以分数次等压迀移到高耐压等级液体活塞的单个压力容器中逐次压缩，或者逐次或同时等压迀移到高耐压等级液体活塞中的多个压力容器中再进行压缩;分级膨胀过程与之相反，即高耐压等级液体活塞中的单个压力容器向低耐压等级液体活塞中进行多次等压迀移高压气体后，或由高耐压等级液体活塞中的多个压力容器逐次或同时向低耐压等级液体活塞中等压迀移高压气体后，再在低耐压等级液体活塞中进行一次膨胀做功。
[0018]本发明的有益效果在于:本发明可以实现气体的分级压缩与膨胀，整个压缩、膨胀过程中每一等级液体活塞所承受的压力范围是其设定的膨胀迀移定值与压缩迀移定值之间，可以减小液体活塞的承压变化范围，降低液体活塞的制造要求，提高设备安全性，提高液体活塞的寿命，可以避免所有液体活塞均采用最高耐压限值，可以大幅度降低设备的制造成本。本发明提供多级液体活塞，可以通过阀门控制灵活地选择每一级液体活塞的容积以及各等级液体活塞的运行方式，能够满足不同的空气压缩/膨胀要求。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的压缩空气储能系统的基本结构图；
[0020]图2为本发明的压缩空气储能系统压缩过程示意图；
[0021]图3为本发明的压缩空气储能系统气体压缩后等压迀移过程示意图；
[0022]图4为本发明的压缩空气储能系统膨胀过程示意图；
[0023]图5为本发明的压缩空气储能系统膨胀后等压迀移过程示意图；
[0024]图6为各耐压等级液体活塞通过气体管道连接的总线型连接方式；
[0025]图7为同耐压等级内含多个压力容器的连接示意图。
[0026]图8、图9为利用等压迀移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统的两种可行的实现方案示意图。
[0027]图中标号^3、(:一液体活塞41^2、81、82、83、(:1工2—压力容器丄1、1^一液体驱动装置，M—外部水力设备，Fl?F51 —阀门，Pl?P7—液体管道，Gl—低压气体管道、G2?G4—气体管道，S—储气系统，Ml?M5—双向电机。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，对实施例作详细说明。
[0029]本发明的压缩空气储能系统基本结构如图1所示:A、B、C为三个耐压等级依次升高的液体活塞，通过气体管道G2、G3顺序连接，最低耐压等级液体活塞A设置低压气体管道Gl连接外界低压气体源，液体活塞C通过气体管道G4与储气系统S连接，液体活塞A与B、B与C之间分别通过液体驱动装置L1、L2连接，A、B、C分别通过液体管道P1、P4、P7连接到外部水力设备M。各个管道上均有阀门，用于控制系统运行。
[0030]液体活塞A为最低耐压等级液体活塞，仅设置压缩迀移定值，该值不大于液体活塞A的耐压限值;液体活塞B为中间耐压等级，设置有压缩迀移定值与膨胀迀移定值，其压缩迀移定值不大于液体活塞B的耐压限值，其膨胀迀移定值不大于液体活塞A的耐压限值;液体活塞C为最高耐压等级液体活塞，设置有压缩迀移定值与膨胀迀移定值，其压缩迀移定值不大于液体活塞C的耐压限值，其膨胀迀移定值不大于液体活塞B的耐压限值。为了使系统运行效率更高，通常本级液体活塞的压缩迀移定值取本级液体活塞的耐压限值，高耐压等级液体活塞的膨胀迀移定值取低耐压等级液体活塞的耐压限值，即液体活塞A、B、C的压缩迀移定值均取该耐压等级的耐压限值，液体活塞B的膨胀迀移定值取液体活塞A的耐压限值，液体活塞C的膨胀迀移定值取液体活塞B的耐压限值。
[0031 ]当压缩气体使压强达到压缩迀移定值时，向高耐压等级等压迀移，当气体膨胀使压强下降到膨胀迀移定值时，向低耐压等级等压迀移。压缩迀移定值和膨胀迀移定值与具体运行状态有关，本级的压缩迀移定值与相邻高耐压等级的膨胀迀移定值均小于本级耐压限值。
[0032]本发明的等压迀移技术是指，相邻两个液体活塞A和B的初始压强一致，液体活塞间相连的气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从液体活塞A注入到液体活塞B中，液体活塞B中的气体经气体管道迀移到液体活塞A中，两液体活塞内部压强在迀移过程中始终相等，实现气体的等压迀移。
[0033]所述的液体活塞A和B的初始压强一致是指，两个液体活塞都含有气体，两者气体压强一致;或者只有一个液体活塞含有气体，另一个充满液体。当两个液体活塞间的气体管道连通时，两者压强保持一致。
[0034]图2、图3完整描述了从气体压缩到等压迀移到高耐压等级液体活塞的过程。图2为气体压缩过程示意图。初始状态为所有阀门关闭，液体活塞A、B中充满液体。打开阀门F1、F3，通过气体管道Gl向液体活塞A中预置气体，液体活塞A中的液体通过Pl管道排出。气体预置完成后，关闭阀门Fl，外部水力设备M通过液体管道Pl向液体活塞A中注水压缩气体，待液体活塞A中的气体压缩到压缩迀移定值时，关闭阀门F3。气体压缩后向高耐压等级液体活塞等压迀移过程如图3所示。打开阀门F2、F4、F5、F7，液体活塞A、B通过气体管道G2连通，二者气体压强相等，液体驱动装置LI驱动液体经液体管道P3、P2从液体活塞B转移到液体活塞A中，使气体通过气体管道G2等压迀移到液体活塞B中。待气体完全迀移到液体活塞B中，关闭阀门F2、F4、F5、F7。气体在液体活塞B中进一步压缩储能。
[0035]图4、图5完整描述了从气体膨胀到等压迀移到低耐压等级液体活塞的过程。图4为气体膨胀过程示意图。气体从高耐压等级液体活塞等压迀移到液体活塞B中后，关闭所有阀门。打开阀门F8，气体通过管道P4驱动外部水力设备M对外做功，待液体活塞B中的气体压强下降到膨胀迀移定值时，关闭阀门F8。气体膨胀后向低耐压等级液体活塞等压迀移过程如图5所示。打开阀门F2、F4、F5、F7，液体活塞A、B通过气体管道G2连通，二者气体压强相等，液体驱动装置LI驱动液体通过管道P2、P3从液体活塞A转移到液体活塞B中，使气体通过气体管道G2等压迀移到液体活塞A中。待气体完全迀移到液体活塞A中，关闭阀门F2、F4、F5、F7。气体在液体活塞A中进一步膨胀做功。
[0036]图6为液体活塞的总线型连接方式。只画出液体活塞与气体管道部分。当阀门F3、F6、F9闭合时，即为图1所示的连接方式。关闭阀门F4、F5，使气体在液体活塞B中进行压缩、膨胀过程;打开阀门F2、F4，关闭阀门F1、F3、F5、F6，使气体在液体活塞A、B之间进行等压迀移。当气体在液体活塞B中进行压缩/膨胀操作时，仍可通过总线型气体管道向其他耐压等级液体管道等压迀移气体。
[0037]总线型连接方式可实现跨级运行。当要压缩的气体的初始压强较高时，例如介于液体活塞A与B的耐压限值之间时，可将液体活塞B作为最低级，即关闭阀门F1、F2，打开F3、F4，将气体直接送入液体活塞B中进行压缩储能。当要压缩的气体体积较小时，可以直接进行更高耐压等级的压缩过程，即气体在液体活塞A中进行压缩，使气体压强达到压缩迀移定值后，关闭阀门F3、F4、F5、F8、F9，打开阀门F2、F6、F7，配合液体驱动装置，将气体等压迀移到液体活塞C中，关闭阀门F7，气体在液体活塞C中作进一步压缩储能。膨胀过程类似，液体活塞C中气体经膨胀后，可直接等压迀移到液体活塞A中进一步膨胀释能，即气体在液体活塞C中膨胀驱动外部水力设备对外做功，使气体压强达到膨胀迀移定值后，关闭阀门F9、F4、F5、F3、Fl，打开阀门F7、F6、F2，配合液体驱动装置，将气体等压迀移到液体活塞A中，关闭阀门F2，气体在液体活塞A中作进一步膨胀释能。根据压缩迀移定值、膨胀迀移定值的取值原贝1J，此时液体活塞A、C的压缩迀移定值仍应不高于其耐压限值，液体活塞C的膨胀迀移定值应不高于液体活塞A的耐压限值，即压缩迀移定值、膨胀迀移定值的选取与运行方式有关。
[0038]总线型连接方式可实现不同耐压等级液体活塞的合并:打开阀门F2、F4，关闭阀门F3、F6，即将液体活塞A、B通过串联作为同一级液体活塞使用，扩大了该耐压等级的容积。
[0039]图7为各耐压等级液体活塞由多个压力容器构成的示意图，只画出气体管道与液体活塞部分。液体活塞B由三个压力容器B1、B2、B3并联构成，液体活塞C由两个压力容器Cl、C2并联构成。液体活塞B的耐压等级为压力容器B1、B2、B3耐压等级最小值，液体活塞C的耐压等级为压力容器C1、C2耐压等级最小值。液体活塞B的耐压等级低于液体活塞C。液体活塞B的膨胀迀移定值取其相邻低耐压等级液体活塞的耐压限值，其压缩迀移定值取自身的耐压限值;液体活塞C的膨胀迀移定值取液体活塞B的耐压限值，其压缩迀移定值取自身的耐压限值。通过阀门控制可以实现多种运行方式。以压缩过程为例进行阐述，每种情况初始状态为所有阀门均关闭。膨胀过程与压缩过程相反。
[0040]低耐压等级液体活塞B中压力容器BI体积较大时，BI中的气体分数次向Cl等压迀移，或同时向C耐压等级的多个压力容器等压迀移:
[0041](I)关闭所有阀门，打开阀门F8，向BI中预置气体，该气体由与之相连的低耐压等级液体活塞等压迀移得到，或由外界气源预置，关闭阀门F8，外部水力设备通过液体管道向BI注入液体压缩气体到压缩迀移定值；
[0042](2)B1中气体分多次向Cl等压迀移:打开阀门F9、F14，液体驱动装置驱动液体从压力容器Cl转移到压力容器BI，压缩后的气体则通过气体管道经阀门F9、F14送入压力容器CI，待压力容器CI中充满气体或BI中充满液体后，关闭阀门F9、F14，外部水力设备对CI中气体进行压缩到压缩迀移定值后，打开阀门F15，液体驱动装置驱动Cl中的气体等压迀移到更高耐压等级的液体活塞中。此时Cl中充满液体，关闭阀门F15。
[0043](3)重复(2)直到压力容器BI中气体完全迀移到高耐压等级液体活塞中。
[0044]也可将BI中的气体逐次等压迀移到Cl、C2中，气体在Cl、C2中进行压缩后，再向更高耐压等级液体活塞等压迀移，Cl、C2向高耐压等级液体活塞迀移气体的过程可以同时进行，也可以独立进行。重复该过程直到BI中气体完全迀移到高耐压等级液体活塞中，此时BI充满液体。
[0045]高耐压等级液体活塞C中压力容器Cl体积较大时，可由压力容器BI向Cl多次迀移气体:关闭所有阀门，打开阀门F8，向BI中预置气体，BI中充满气体后，关闭阀门F8，外部水力设备压缩气体到压缩迀移定值，打开阀门F9、F14，使气体等压迀移到Cl，关闭阀门F9、F14。重复该步骤直到Cl中充满气体。
[0046]当高耐压等级液体活塞C中压力容器Cl体积较大时，也可由B1、B2、B3逐次向Cl迀移气体:打开阀门F8、F10、F12，向压力容器B1、B2、
[0047]83预置气体，81、82、83充满气体后关闭阀门？8110、？12，外部水力设备压缩气体到压缩迀移定值，打开阀门F9、F14，液体驱动装置驱动BI中的气体等压迀移到Cl中，关闭阀门F9，打开阀门Fll，液体驱动装置驱动B2中的气体等压迀移到Cl中，关闭阀门Fll，打开阀门F113，液体驱动装置驱动B3中的气体等压迀移到Cl中，关闭阀门F13，重复该过程，直到Cl中充满气体。
[0048]图8为利用等压迀移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统的一种可行的实现方案示意图。Ml?M5为双向电机，可以往复运动。各耐压等级液体活塞采用多个压力容器并联构成，且相邻两个耐压等级液体活塞设置一个液体驱动装置，A与B之间、B与C之间的液体装置L1、L2均由电机驱动的液压活塞实现;每一个耐压等级液体活塞设置一个外部水力设备，由由电机驱动的液压活塞实现，与水源连接。在M3?M5的作用下，实现气体的压缩与膨胀:当气体在液体活塞A中压缩时，关闭阀门F4?F7、Fl9、F21，假定双向电机M3带动活塞向左移动，则打开阀门F41、F42、F18、F20，关闭阀门F40、F43，将液体压入液体活塞A中压缩气体，当活塞到达运行的最左端后，关闭阀门F41、F42，打开阀门F40、F43，M3带动活塞向右移动，继续将液体压入液体活塞A中压缩气体，当活塞到达运行最右端后，关闭阀门F40、F43，打开阀门F41、F42，重复上述过程，直到液体活塞A中的气体压强达到压缩迀移定值。根据运行方式的不同，压力容器A1、A2中的压缩过程也可以不同时进行。膨胀过程与之相反。
[0049]在Ml、M2的作用下驱动液体在相邻耐压等级液体活塞间转移:当气体需从液体活塞A等压迀移到液体活塞B中时，假定初始状态所有阀门关闭，液体活塞A、B间液体驱动装置的活塞位于运行最右侧，打开阀门？5、？7、？8小10小12小19小21小23小25小27、？32小35，双向电机Ml带动液体活塞向左侧移动，液体活塞B中的液体被抽入到液体驱动装置右侧，其左侦啲液体则被送入液体活塞A中，当液体驱动装置活塞到达运行最左侧时，关闭阀门F32、F35，打开阀门F33、F34，双向电机Ml带动活塞向右侧运行，液体活塞B中的液体被抽入到液体驱动装置左侧，其右侧的液体则被送入液体活塞A中，当液体驱动装置活塞到达运行最右侧时，关闭阀门F33、F34，打开阀门F32、F35，重复上述过程，直到液体活塞A中的气体完全等压迀移到液体活塞B中，关闭所有阀门。
[0050]图9为利用等压迀移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统的另一种可行的实现方案示意图。采用双向水栗构成液体驱动装置和外部水力设备。以液体活塞B为例，当气体进行压缩过程时，关闭阀门？8?？13、？23、？25、？27，打开阀门？22、？24、？26、？39，向液体活塞中注入液体，压缩气体直到压强达到压缩迀移定值;当气体进行膨胀过程时，关闭阀门？8?？13、？22、？24、？26、？39，打开阀门？23、？25、？27、？38，气体膨胀驱动液体通过水栗、阀门F38对外做功，直到压强下降到膨胀迀移定值。
[0051 ]以A、B间进行气体等压迀移为例，当气体从液体活塞A等压迀移到液体活塞B时，打开LI的阀门F32，水栗驱动液体从液体活塞B向液体活塞A转移；当气体从液体活塞B等压迀移到液体活塞A时，打开LI的阀门F33，水栗驱动液体从液体活塞A向液体活塞B转移。
[0052]可以在任意两级之间设置液体驱动装置，也可使多个耐压等级液体活塞共用同一液体驱动装置，通过管道及阀门控制其运行。
[0053]此实施例仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种利用等压迀移技术实现气体分级压缩与膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，由不同耐压等级的液体活塞根据耐压等级高低顺序连接而成，其中，相邻两级液体活塞的上部通过气体管道相连，下部通过液体驱动装置相连，各级液体活塞通过液体管道连接到外部水力设备，最低耐压等级的液体活塞连接外部低压气体管道，最高耐压等级的液体活塞与储气系统相连;气体压缩过程中，低等级的液体活塞先压缩气体，使压强达到压缩迀移定值，通过等压迀移技术将压缩气体送入高等级液体活塞，由高等级液体活塞继续压缩到更高压强，实现分级压缩储能;膨胀过程中，高等级液体活塞中气体膨胀做功，当压强下降到膨胀迀移定值，通过等压迀移技术将气体送入低等级液体活塞中继续膨胀做功，实现分级膨胀释能。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述液体活塞由一个压力容器组成或由多个压力容器通过管道连接组成;某一耐压等级的液体活塞的耐压限值为该耐压等级内所有压力容器耐压限值的最小值；多个压力容器的连接方式为:同一耐压等级的液体活塞内的多个压力容器可单独与相邻耐压等级的液体活塞相连或多个压力容器相互连接后作为一组与相邻耐压等级的液体活塞连接;通过阀门控制可选择某一耐压等级中参与运行的压力容器个数从而调节该耐压等级参与运行的总体积，也可以分解成多组压力容器组分别独立运行。3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述压缩迀移定值和膨胀迀移定值是指每个耐压等级的液体活塞设置该耐压等级的压缩迀移定值和膨胀迀移定值，本耐压等级液体活塞的压缩迀移定值与相邻的高耐压等级液体活塞的膨胀迀移定值均不超过本耐压等级液体活塞的耐压限值，每个耐压等级液体活塞在其设定的膨胀迀移定值与压缩迀移定值内运行。4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述气体管道连接不同耐压等级的液体活塞的方式为:相邻两级液体活塞由单独一段气体管道连接或采用总线型连接方式，即多个液体活塞都连接到同一段气体管道，通过管道阀门的开断辅助压缩过程、膨胀过程、气体等压迀移过程的进行，使气体等压迀移可以跨级进行，即可以不在相邻两等级液体活塞进行。5.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述等压迀移技术是指，相邻两个液体活塞A和B的初始压强一致，液体活塞间相连的气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从液体活塞A注入到液体活塞B中，液体活塞B中的气体经气体管道迀移到液体活塞A中，两液体活塞内部压强在迀移过程中始终相等，实现气体的等压迀移;所述液体活塞A和B的初始压强一致是指，两个液体活塞都含有气体，两者气体压强一致;或者只有一个液体活塞含有气体，另一个充满液体;当两个液体活塞间的气体管道连通时，两者压强保持一致。6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述液体驱动装置为液压机构或水栗，驱动液体在两个耐压等级液体活塞间转移，此时两个耐压等级液体活塞的气体管道导通，在等压迀移过程中维持两个耐压等级液体活塞中气体压强始终相等，实现气体的等压迀移;可在任意两个耐压等级间设置液体驱动装置，也可设置多个耐压等级液体活塞共用同一液体驱动装置，通过管道和阀门控制，实现运行。7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述外部水力设备可以采用可逆式水轮发电机组，或者同时采用水轮发电机组和水栗组合，或者采用液压机构;每个耐压等级的液体活塞所对应的外部水力设备可独立运行，也可以采用多个耐压等级的液体活塞设置同一个外部水力设备，通过管道阀门控制实现运行。8.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述外部水力设备的作用为:在气体压缩过程中，外部水力设备利用其他能量将水注入液体活塞中，将外界其他形式的能量转换为水的势能后对空气进行压缩，转换为空气的势能;在气体膨胀过程中，压缩空气的势能转换成水势能后对外做功，利用外部水力设备将水的势能转换为其他形式的能量。9.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述储气系统可以为地下洞穴、地下矿井、储气罐等，高耐压等级液体活塞自身也可作为储气装置。10.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述分级压缩储能过程为:进行空气压缩过程时，气体在低耐压等级液体活塞中压缩达到该耐压等级液体活塞的压缩迀移定值，通过液体驱动装置使高耐压等级液体活塞中气体压强与低耐压等级气体压强相等，打开阀门使相邻两个耐压等级液体活塞经气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从高耐压等级液体活塞注入到低耐压等级液体活塞中，低耐压等级液体活塞中的气体经气体管道等压迀移到高耐压等级液体活塞，在高耐压等级液体活塞中等待下一级压缩，实现分级压缩储能。11.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述分级膨胀释能过程为:在膨胀过程中，气体在高耐压等级液体活塞中膨胀达到该耐压等级膨胀迀移定值后，气体管道连通，液体驱动装置驱动液体从低耐压等级液体活塞注入到高耐压等级液体活塞，使气体从高耐压等级液体活塞等压迀移到低耐压等级液体活塞，在低耐压等级液体活塞中进行下一级膨胀做功，实现分级膨胀释能。12.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述气体分级压缩和分级膨胀过程中液体活塞的运作方式可有如下形式: 当低耐压等级液体活塞中压力容器体积较小、高耐压等级液体活塞体积较大时，可由低耐压等级液体活塞内单个压力容器压缩气体后，将气体等压迀移到高耐压等级液体活塞，高耐压等级液体活塞不立即进行气体压缩，低耐压等级液体活塞继续进行气体压缩，向同一高耐压等级液体活塞等压迀移气体，当高耐压等级液体活塞接收的气体积累到一定量后再进行该耐压等级的气体压缩;或者由低耐压等级液体活塞内的多个压力容器压缩气体后，逐次或同时通过等压迀移将气体送入高耐压等级液体活塞后，再在高等级液体活塞中进行压缩;分级膨胀过程为，高耐压等级液体活塞向低耐压等级液体活塞中的单个压力容器等压迀移气体，待气体在该压力容器中膨胀做功并迀移到更低耐压等级液体活塞中后，再向该压力容器中等压迀移气体，或者由高耐压等级液体活塞逐次或同时向低耐压等级液体活塞中的多个压力容器等压迀移气体，气体在这些压力容器中膨胀做功后迀移到更低耐压等级液体活塞中，重复上述过程直到高等级液体活塞中气体完全等压迀移到低耐压等级液体活塞中。 当低耐压等级液体活塞体积较大、高耐压等级液体活塞内压力容器体积较小时，低耐压等级液体活塞中的压缩气体可以分数次等压迀移到高耐压等级液体活塞的单个压力容器中逐次压缩，或者逐次或同时等压迀移到高耐压等级液体活塞中的多个压力容器中再进行压缩;分级膨胀过程与上述过程相反，即高耐压等级液体活塞中的单个压力容器向低耐压等级液体活塞多次等压迀移高压气体后，或由高耐压等级液体活塞中的多个压力容器逐次或同时向低耐压等级液体活塞等压迀移高压气体后，再在低耐压等级液体活塞中进行一次膨胀做功。
【文档编号】F04B41/06GK106089657SQ201610430708
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】姜彤, 陈紫薇, 谭明甜, 傅昊
【申请人】华北电力大学