一种自压增强式重力压缩空气储能系统和储能方法

1.本发明涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种自压增强式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.本发明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，本发明的目的在于提出一种自压增强式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，本发明提出的一种自压增强式重力压缩空气储能系统，包括：密闭气腔，所述密闭气腔中活动插接有重力柱塞，所述重力柱塞与所述密闭气腔之间密封连接，以通过所述重力柱塞将所述密闭气腔分为上部气腔和下部气腔；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；
所述下部气腔的出气口设置有第一出气密封阀，所述释能管路的一端连接在所述第一出气密封阀上，另一端与所述空气膨胀机组的进气口连接。
8.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第二出气密封阀，所述吸气管路一端连接在所述第二出气密封阀上。
9.进一步地，所述重力柱塞外壁与所述密闭气腔内壁之间设置有密封膜，所述密封膜套设在所述重力柱塞外部，所述密封膜分别与所述重力柱塞外壁和所述密闭气腔内壁密封连接。
10.进一步地，所述密闭气腔为圆柱筒状结构；所述重力柱塞的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽；密封膜为套设在所述重力柱塞外部的环形筒状结构，密封膜的外径等于所述密闭气腔的内径，所述密封膜从中间将上部向内翻折后形成外环和内环连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的所述内环周侧形成褶皱凸起，所述外环的底端与所述密闭气腔内壁密封连接，所述内环的底端与所述重力柱塞的外壁密封连接，所述褶皱凸起与所述平滑凹槽贴合。
11.进一步地，所述密封膜的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构。
12.进一步地，所述重力柱塞位于所述平滑凹槽处截面环向周长等于所述密封膜筒状结构截面圆形的外圆周长。
13.进一步地，一种自压增强式重力压缩空气储能方法，包括如下步骤：将重力柱塞与密闭气腔之间密封连接，以通过重力柱塞将密闭气腔分为上部气腔和下部气腔；储能时，开启连接串联的多级压缩机组和下部气腔之间的储能管路以及连接串联的多级压缩机组的中间级吸气口和上部气腔之间的吸气管路，关闭连接空气膨胀机组与下部气腔之间的释能管路以及连接上部气腔和下部气腔之间的连通管路，电动机利用电能带动串联的多级压缩机组将气体压缩形成压缩气体，压缩气体通过储能管路向下部气腔充气，压缩气体推动重力柱塞向上移动，压缩上部气腔中的气体，上部气腔中压缩后的气体通过吸气管路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，开启释能管路，关闭储能管路、吸气管路、连通管路，下部气腔向空气膨胀机组放气，重力柱塞向下移动，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。
14.本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
15.本发明上述的和/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是本发明一实施例提出的一种自压增强式重力压缩空气储能系统的结构示意
图；图2是本发明重力柱塞结构示意图；图3是图1的局部结构示意图。
16.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、重力柱塞；51、平滑凹槽；6、阀门；7、吸气管路；8、密封膜；81、外环；82、内环。
具体实施方式
17.下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明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。
18.图1是本发明一实施例提出的一种自压增强式重力压缩空气储能系统的结构示意图。
19.参见图1，一种自压增强式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和空气膨胀机组4，其中密闭气腔1中活动插接有重力柱塞5，重力柱塞5与密闭气腔1之间密封连接，以通过重力柱塞5将密闭气腔1分为上部气腔11和下部气腔12，也就是说，重力柱塞5和密闭气腔1之间形成活塞-气缸的结构，使得重力柱塞5能够在密闭气腔1中上下移动。
20.连通管路2的两端分别连接上部气腔11和下部气腔12，连通管路2上设置有阀门6，也就是说，通过连通管路2将上部气腔11和下部气腔12连通，使得两者之间可以通气，同时，通过控制阀门6的开闭能够控制上部气腔11和下部气腔12之间的连通。
21.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的中间级吸气口通过吸气管路7连接上部气腔11，同时空气膨胀机组4通过释能管路41连接下部气腔12，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6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，重力柱塞5向上移动压缩上部气腔11，使得上部气腔11中的气体有一定的压力，通过将上部气腔11中有一定压力的气体引入串联的多级压缩机组3的中间级吸气口，可以使有一定压力的气体进行压缩后通入下部气腔12中循环利用，而非直接排出大气中，减少了系统能量的损失，并且以此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+重力柱塞5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，控制连通管路2上的阀门6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，以保持上下气腔压差恒定，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，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，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，出气减小，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，在本技术中通过控制压力工况稳定，使得空气压缩机及空气膨胀机设计难度及生产成本均可降低。同时通过上部腔体11对重力柱塞5施加压力可以降低重力柱塞5的质量和高度、降低成本；通过合理设置重力柱塞5的上下压差，可以降低重力柱塞5与密闭气腔1壁面间密封的要求，从而降低高压气体密封技术难度和成本；此外，由于系统处于全密封状态，在重力柱塞5位置锁定状态下，下部气腔12中的高压气体如果通过重力柱塞5与密闭气腔1壁面之间泄露，泄露气体会进入上部气腔11，从而使上部气腔11压力升高，上部气腔11和下部气腔12压差减小，进一步增强密封效果、减少漏气量；即使发生漏气，泄露入低压的上部气腔的空气仍维持在一定压力，并在下次压缩过程中直接被压缩机利用，减少了系统的总能量损失。另外，为了保障重力柱塞5在初始状态时，下部气腔12中能够有足够的空间充入压缩气体，能够推动重力柱塞5向上移动，此时可以在下部气腔12的底部设置支撑装置，通过支撑装置能够对重力柱塞5进行支撑，使得重力柱塞5下降至最低限位时，通过支撑装置支撑后，密闭气腔1下部的下部气腔12中仍留有一定空间，向下部气腔12中通入的压缩空气压力足够推动重力柱塞5向上移动，其中支撑装置可以为能够支撑重力柱塞5的现有装置，不再详细赘述。
22.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的出气口设置有第一出气密封阀，释能管路41的一端连接在第一出气密封阀上，另一端与空气膨胀机组4的进气口连接，使得储能时，第一出气密封阀关闭，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。
23.另外，上部气腔11上设置有出气口，出气口处设置有第二出气密封阀，串联的多级压缩机组3的中间级吸气口处连接有吸气管路7，吸气管路7一端连接在第二出气密封阀上。
24.在一些实施例中，空气膨胀机组4包括多级串联的膨胀机。
25.需要说明的是，重力柱塞5和密闭气腔1之间是密封连接的，密封连接的方式可以有多种。
26.参照图2和图3，作为一种可能的情况，重力柱塞5外壁与密闭气腔1内壁之间设置有密封膜8，密封膜8套设在重力柱塞5外部，密封膜8分别与重力柱塞5外壁和密闭气腔1内壁密封连接，使得密闭气腔1分为分别密封的上部气腔11和下部气腔12。
27.详细来说，密闭气腔1为圆柱筒状结构，重力柱塞5的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽51，其中竖直方向与重力柱塞5的轴向方向一致，密封膜8为套设在重力柱塞5外部的环形筒状结构，密封膜8的外径等于密闭气腔1的内径，密封膜8从中间将上部向内翻折后形成外环81和内环82连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的内环82周侧形成褶皱凸起，外环81顶端和内环82顶端相连接，外环81的底端与密闭气腔1内壁密封连接，内环82的底端与重力柱塞5的外壁密封连接，褶皱凸起与平滑凹槽51贴合，通过以上设置，允许密封膜8凹陷于平滑凹槽51内，从而增大重力柱塞5环向外壁与密封膜8相接的长度，使得密封膜8固定在重力柱塞5周侧的长度增大，在重力柱塞5上下移动过程中密封膜8的外环81和内环82始终保持与密闭气腔1内壁、重力柱塞5外壁的良好贴合，增加了重力柱塞5与密封
膜8直接的贴合位点，并且由于密封膜8的外径与密闭气腔1的内径相同，进而使得密封膜8的外环81能够完全贴合在密闭气腔1内壁上，由密闭气腔1及重力柱塞5刚性壁面为密封膜8提供支撑，抵消由于压力引起的环向张力，提高了密封膜8使用安全性、可靠性和寿命。
28.详细来说，由于密封膜8在翻折后形成的内环82位于外环81内侧，密封膜8为筒状结构，翻折后的内环82为了适应环向空间大小，会出现褶皱凸起，褶皱凸起处是不与重力柱塞5侧壁相接的，通过在重力柱塞5的周侧设置多个呈竖直分布的平滑凹槽51，使得褶皱凸起处可以置于平滑凹槽51处，进而能够保障褶皱凸起处也能够与重力柱塞5贴合，使得密封膜8环向与重力柱塞5结合的面积增大，通过重力柱塞5中的平滑凹槽51对密封膜8褶皱凸起处进行支撑，能够提高密封膜8的支撑稳定性，进而通过固体壁面抵消密封膜8在压力条件下产生的环向张力，提升密封膜8使用安全性、可靠性和寿命，并且将褶皱凸起处固定在平滑凹槽51中使得褶皱凸起处密封性能增强。
29.在一些实施例中，密封膜8的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构，使得加工更容易。
30.需要说明的是，重力柱塞5位于平滑凹槽51处截面环向周长等于密封膜8筒状结构截面圆形的外圆周长，通过控制平滑凹槽51的深度和数量，使得重力柱塞5在平滑凹槽51处环向的周长增大（就平滑凹槽51贯穿重力柱塞5底端来说，重力柱塞5在平滑凹槽51处的环向的周长也就是重力柱塞5底端面边侧的周长，并且密封膜8外壁环向周长就是密封膜环形筒状结构的外筒端面边侧周长），内环82的褶皱凸起的部分能够贴合在平滑凹槽51中，重力柱塞5能够对密封膜8进行支撑，提高了密封膜8使用安全性、可靠性和寿命。
31.在一些实施例中，一种的自压增强式重力压缩空气储能方法，包括如下步骤：将重力柱塞5与密闭气腔1之间密封连接，以通过重力柱塞5将密闭气腔1分为上部气腔11和下部气腔12；储能时，开启连接串联的多级压缩机组3和下部气腔12之间的储能管路31以及连接串联的多级压缩机组3的中间级吸气口和上部气腔11之间的吸气管路7，关闭连接空气膨胀机组4与下部气腔12之间的释能管路41以及连接上部气腔11和下部气腔12之间的连通管路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，压缩气体推动重力柱塞5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7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；释能时，开启释能管路41，关闭储能管路31、吸气管路7、连通管路2，下部气腔12向空气膨胀机组4放气，重力柱塞5向下移动，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，也就是阀门在压差信号的控制下开启，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，其中重力柱塞5的重力势能也转化为部分电能。
32.需要说明的是，在本发明的描述中，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，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.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，并且本发明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，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
34.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发明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。
35.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。