一种膜式密封的重力压缩空气储能系统和储能方法

1.本技术涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种膜式密封的重力压缩空气储能系统和储能方法。


背景技术：

2.储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。压缩空气储能系统是一种新型大规模储能技术，工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，消耗电能驱动空气压缩机，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰时，储气装置将存储的压缩空气释放出来，在透平膨胀机中膨胀做功并带动发电机发电；根据上述原理，压缩空气储能系统能够完成电能—空气势能—电能的转化。
3.常规压缩空气储能系统一般采用固定容积式储气装置进行压缩空气的存储。根据气体状态方程及常识，固定容积储气装置充放气过程会发生储气压力的变化。具体来讲，随着充气过程的进行，储气装置内的储气压力会逐渐升高，因此要求空气压缩机不断提升排气压力以满足进气压力要求，导致空气压缩机偏离设计工况运行，运行效率下降、运行功耗增加，进而限制系统储能效率的提升；同样的，随着放气过程的进行，储气装置内的储气压力逐渐降低，因此空气膨胀机进气压力逐渐降低，导致空气膨胀机偏离设计工况运行，运行效率下降、输出功率下降，进而限制系统储能效率的提升。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本技术的目的在于提出一种膜式密封的重力压缩空气储能系统，可以实现储气装置在充放气过程中的恒压，保障空气压缩机出口压力及空气膨胀机进气压力的稳定，进而提升空气压缩机及膨胀机运行效率，提升系统储能效率；此外，由于压力工况稳定，空气压缩机及空气膨胀机设计难度及生产成本均可降低。
6.为达到上述目的，本技术提出的一种膜式密封的重力压缩空气储能系统，包括：密闭气腔，所述密闭气腔内壁中部密封安装有柔性密封膜，所述柔性密封膜将所述密闭气腔分隔为上部气腔和下部气腔，所述柔性密封膜上部填充有重力液；连通管路，所述连通管路的两端分别连接所述上部气腔和所述下部气腔，所述连通管路上设置有阀门；串联的多级压缩机组，所述串联的多级压缩机组通过储能管路连接所述下部气腔，用于向所述下部气腔中充气，所述串联的多级压缩机组的中间级吸气口通过吸气管路连接上部气腔；空气膨胀机组，所述空气膨胀机组通过释能管路连接所述下部气腔。
7.进一步地，所述重力液为水。
8.进一步地，所述柔性密封膜为弹性膜或非弹性膜。
9.进一步地，所述储能管路和所述释能管路之间连接有热交换机构。
10.进一步地，所述热交换机构包括分别设置在所述储能管路和所述释能管路上的储热装置，两个所述储热装置之间设置有换热装置。
11.进一步地，所述下部气腔的进气口设置有进气密封阀，储能管路的一端连接在所述进气密封阀上，另一端与所述串联的多级压缩机组的出气口连接。
12.进一步地，所述下部气腔的出气口设置有出气密封阀，所述释能管路的一端连接在所述出气密封阀上，另一端与所述空气膨胀机组的进气口连接。
13.进一步地，所述上部气腔上设置有出气口，所述出气口处设置有吸气密封阀，所述吸气管路一端连接在所述吸气密封阀上。
14.进一步地，所述空气膨胀机组包括多级串联的膨胀机。
15.一种膜式密封的重力压缩空气储能方法，包括如下过程：通过柔性密封膜将密闭气腔分为上部气腔和下部气腔；储能时，将气体压缩形成压缩气体通过储能管路向下部气腔充气，压缩气体对柔性密封膜施加所用力，使得柔性密封膜中部向上顶起，推动柔性密封膜上的重力液向上移动，压缩上部气腔中的气体，上部气腔中压缩后的气体进入串联的多级压缩机组的中间级吸气口中进行压缩后通过储能管路通入下部气腔中，使得充气过程中上部气腔和下部气腔的压差恒定；释能时，下部气腔向空气膨胀机组放气，柔性密封膜中部顶起处向下移动，带动重力液向下缓慢移动，上部气腔和所述下部气腔之间的连通管路上的阀门在上部气腔和下部气腔之间的压差达到一定值时开启，使下部气腔中的压缩气体以受控状态进入上部气腔，以保持上部气腔和下部气腔压差恒定，同时维持下部气腔压力恒定，压缩空气进入空气膨胀机组进行做功，带动发电机发电。
16.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
17.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本技术一实施例提出的一种膜式密封的重力压缩空气储能系统的结构示意图。
18.图中，1、密闭气腔；11、上部气腔；12、下部气腔；2、连通管路；3、串联的多级压缩机组；31、储能管路；4、空气膨胀机组；41、释能管路；5、柔性密封膜；6、重力液，7、阀门；8、吸气管路。
具体实施方式
19.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同
物。
20.图1是本技术一实施例提出的一种膜式密封的重力压缩空气储能系统的结构示意图。
21.参见图1，一种膜式密封的重力压缩空气储能系统，包括密闭气腔1、连通管路2、串联的多级压缩机组3、空气膨胀机组4，其中密闭气腔1内壁中部密封安装有柔性密封膜5，柔性密封膜5将密闭气腔1分隔为上部气腔11和下部气腔12，柔性密封膜5上部填充有重力液6，以通过对柔性密封膜5施加压力实现柔性密封膜5和重力液6上下移动，也就是说，通过柔性密封膜5能够将密闭气腔1分成上部气腔11和下部气腔12两部分，由于柔性密封膜5与密闭气腔1内壁之间是密封连接的，因此上部气腔11和下部气腔12之间是隔离的，不会通过柔性密封膜5处泄露，并且此时，以重力液6和柔性密封膜5配合作为压力机构，通过对柔性密封膜5施加压力，实现柔性密封膜5中部上下移动带动重力液6上下移动，另外，当系统需要减低或提升储气压力时，在系统停机状态下可以通过调整重力液6的液量，实现储气压力的调节。
22.详细来说，当下部气腔12中压力大时，此时对柔性密封膜5施加向上的压力，柔性密封膜5的中部向上顶起，带动重力液6向上移动，当下部气腔12压力减小时，此时在重力液6的重力作用下，通过重力液6对柔性密封膜5施加向下的压力，使得柔性密封膜5的中部和重力液6向下移动，当柔性密封膜5和重力液6一起上下移动时，上部气腔11和下部气腔12的体积发生变化。
23.需要说明的是，连通管路2的两端分别连接上部气腔11和所述下部气腔12，连通管路2上设置有阀门7，通过控制阀门7的开闭实现上部气腔11和下部气腔12之间的连通和封闭。
24.另外，串联的多级压缩机组3通过储能管路31连接下部气腔12，用于向下部气腔12中充气，串联的多级压缩机组3的中间级吸气口连接上部气腔11，空气膨胀机组4通过释能管路41连接下部气腔12，并且空气膨胀机组4连接发电机，压缩过程中，连通管路2上的阀门7关闭，此时上部气腔11和下部气腔12分隔不通气，串联的多级压缩机组3向下部气腔12充气，使得下部气腔12中压力增大，对柔性密封膜5施加向上的作用力，使得柔性密封膜5带动重力液6向上移动，对上部气腔11中气体进行压缩，上部气腔11中被压缩后的气体被引入串联的多级压缩机组3的中间级吸气口在串联的多级压缩机组3中进行压缩，压缩后的气体再次通入下部气腔12中进行循环利用，而非直接排出，减少了系统的总能量损失，并且以此能够保持充气过程中上部气腔11和下部气腔12的压差恒定，同时通过压差+重力液6自重来保持下部气腔12恒定在较高压力水平；在膨胀过程中，下部气腔12向空气膨胀机组4放气，当上部气腔11和下部气腔12之间的压差达到一定值时，阀门7在压差信号的控制下开启，使下部气腔12中的高压气体以受控状态进入上部气腔11，以保持上部气腔11和下部气腔12压差恒定，同时维持下部气腔12压力恒定，进而可以实现密闭气腔1在充放气过程中的恒压，由于柔性密封膜5上部气腔11中的气压与重力液6重力之和与下部气腔12压力平衡，柔性密封膜5理论上不需要承受力，因而不需要使用高强度密封膜材料，降低了工程难度和成本；此外，通过调整重力液6量，可以实现对储气压力的调节。
25.另外，对于空气压缩机，设计工况下的实际运行效率最高（最节能），如果排气压力（储气装置内压力）不稳定，会导致压缩机偏离设计工况运行，运行效率下降，能耗上升，进
而导致系统储能效率（膨胀出力/压缩功耗）下降；同样的，对于空气膨胀机，设计工况下的实际运行效率最高，如果进气压力变化将导致运行效率下降，出力减小，进而导致系统储能效率下降；此外，如果压缩机和膨胀机需要应对较大压力波动的运行工况，需要进行特殊的设计，导致设计难度和生产成本上升，设备结构复杂。偏离工况运行一定程度上也会导致运行寿命缩短，因此，本技术通过实现储气压力的调节能够保障空气压缩机出口压力及空气膨胀机进气压力的稳定，进而提升空气压缩机及膨胀机运行效率，提升系统储能效率；此外，由于压力工况稳定，空气压缩机及空气膨胀机设计难度及生产成本均可降低。
26.需要说明的是，重力液6可以为水。
27.另外，柔性密封膜5为弹性膜或非弹性膜，也就是说，为了保障柔性密封膜5在受到压力作用时，其中部能够上下移动，可以将柔性密封膜5的面积设置的大于柔性密封膜5与密闭气腔1连接处的密闭气腔1的横截面积，使得柔性密封膜5边侧固定在密闭气腔1内壁周侧时，柔性密封膜5的中部处于松弛状态，便于受到的压力变化时，柔性密封膜5中部能够有上下移动的空间，当柔性密封膜5为弹性膜时，不仅能够通过柔性密封膜5自身松弛部分的变化实现中部的上下移动，还可以通过弹性膜本身的弹性形变作用，当压力变化时通过弹性膜的弹性形变作用使得柔性密封膜5的中部形变向上移动，当柔性密封膜5为非弹性膜时，此时需要增大柔性密封膜5的面积，将柔性密封膜5的面积设置的足够大，能够满足在压力变化时柔性密封膜5的中部上下移动造成上部气腔11和下部气腔12的空间改变的大小满足要求。
28.在一些实施例中，下部气腔12的进气口设置有进气密封阀，储能管路31的一端连接在进气密封阀上，另一端与串联的多级压缩机组3的出气口连接；下部气腔12的出气口设置有出气密封阀，释能管路41的一端连接在出气密封阀上，另一端与空气膨胀机组4的进气口连接，使得储能时，出气密封阀关闭，此时储能管路31与下部气腔12之间连通，释能时，进气密封阀关闭，此时释能管路41与下部气腔12之间连通。
29.另外，上部气腔11上设置有出气口，出气口处设置有吸气密封阀，吸气管路8一端连接在吸气密封阀上。
30.在一些实施例中，空气膨胀机组4包括多级串联的膨胀机。
31.需要说明的是，一种膜式密封的重力压缩空气储能系统的具体储能方法如下：储能时，开启储能管路31和吸气管路8，关闭释能管路41和连通管路2，电动机利用电能带动串联的多级压缩机组3将气体压缩形成压缩气体，压缩气体通过储能管路31向下部气腔12充气，压缩气体对柔性密封膜5施加所用力，使得柔性密封膜5中部向上顶起，推动重力液6向上移动，压缩上部气腔11中的气体，上部气腔11中压缩后的气体通过吸气管路8进入串联的多级压缩机组3的中间级吸气口中进行压缩后通过储能管路31通入下部气腔12中，使得充气过程中上部气腔11和下部气腔12的压差恒定。另外，系统需要减低或提升储气压力，在系统停机状态下调整重力液6的液量，实现储气压力的调节。
32.释能时，开启释能管路41，关闭储能管路31、吸气管路8、连通管路2，下部气腔向空气膨胀机组4放气，在重力液6和压差作用下，柔性密封膜5中部顶起处向下移动，带动重力液6向下缓慢移动，连通管路2上的阀门在上部气腔11和下部气腔12之间的压差达到一定值时开启，使下部气腔12中的压缩气体以受控状态进入上部气腔11，以保持上部气腔11和下部气腔12压差恒定，同时维持下部气腔12压力恒定，压缩空气进入空气膨胀机组4进行做
功，带动发电机发电。
33.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
35.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
36.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。