一种近等温压缩空气储能装置的制作方法

1.本实用新型涉及气体压缩和膨胀领域，特别是一种近等温压缩空气储能装置。


背景技术：

2.压缩空气储能技术在风光电力并网、电力调峰、减少碳排放等方面具有广阔的应用前景，其原理是：储能时利用低谷电力、风电、光电等对空气进行压缩，将电能转化为空气压力能储存起来；释能时使储存的压缩空气驱动涡轮做功发电。其中，等温压缩空气储能系统通过采用一系列技术手段，使空气的压缩和膨胀过程近似等温，将系统的压缩升温和膨胀降温幅度减小，大大提高了能源利用效率，具有优异的储能性能和广阔的发展前景。
3.现有的等温压缩空气储能技术利用多液缸循环，液体活塞和喷雾等技术来促进等温压缩和膨胀的实现，但是在压缩末期和膨胀初期，压比变化速率很高，带来的温度变化也较大，但此时喷雾覆盖区域小，且气-液接触传热面积恒定，实际压缩和膨胀过程的恒温效果很差，除此之外，由于压缩和膨胀过程压强变化很大，高低压的比高至数百，水泵和水轮机的工作压力远远偏离设计工况，导致实际储能/释能的循环效率远低于理想等温循环。上述因素制约了等温压缩空气储能技术的发展和推广，如何进一步促进恒温压缩/膨胀，提高系统循环效率是该技术进一步推广应用的关键。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种近等温压缩空气储能装置，利用液体比热容大，通过气-液的热交换，降低气体温度的变化幅度。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
6.一种近等温压缩空气储能装置，包括第一液压缸、第二液压缸、第一通气阀、第一排水阀、第一泵组进水阀、第一泵组排水阀、第二进水阀、泵组、高压气罐、第一管道、第二高压排气管和第二高压排气阀；第一液压缸与第二液压缸通过第一管道连通，第一管道的一端与第一液压缸底部连通，第一管道的另一端与第二液压缸连通，第一液压缸的容积与第二液压缸的容积相同；第一通气阀设置于第一液压缸顶部，第一排水阀、第一泵组进水阀、泵组、第一泵组排水阀和第二进水阀依次连接于第一管道上，泵组包括若干串联的水泵；第二高压排气管设置于第二液压缸顶部，第二液压缸和高压气罐通过第二高压排气管连接，第二高压排气阀设置于第二高压排气管上。
7.作为本实用新型的进一步优选，还包括第二管道、第二通气阀、第一进水阀、第二排水阀、第二泵组进水阀、第二泵组排水阀、第一高压排气管和第一高压排气阀；第一液压缸和第二液压缸通过第二管道连通，第二管道的一端与第二液压缸的底部连通，第二管道的另一端与第一液压缸连通；第二通气阀设置于第二液压缸的顶部，第一进水阀、第二泵组排水阀、泵组、第二泵组进水阀和第二排水阀依次连接于第二管道上；第一高压排气管设置于第一液压缸的顶部，第一液压缸和高压气罐通过第一高压排气管连接，第一高压排气阀设置于第一高压排气管上。
8.作为本实用新型的进一步优选，还包括第一多孔板和第二多孔板，第一多孔板架设于第一液压缸的内壁上，第二管道伸入第一液压缸的一端的竖直高度大于第一多孔板竖直高度；第二多孔板架设于第二液压缸的内壁上，第一管道伸入第二液压缸的一端的竖直高度大于第二多孔板的竖直高度。
9.作为本实用新型的进一步优选，所述第一液压缸与第二液压缸的截面均为变截面结构，随着第一液压缸和第二液压缸高度的升高，第一液压缸和第二液压缸横截面的面积越大。
10.作为本实用新型的进一步优选，还包括泵组换水进水管、泵组换水排水管、泵组换水进水阀和泵组换水排水阀，泵组换水进水管与泵组的进水端连接，泵组换水排水管与泵组的排水端连接，泵组换水进水阀设置于泵组换水进水管上，泵组换水排水阀设置于泵组换水排水管上。
11.作为本实用新型的进一步优选，还包括气体膨胀发电装置，气体膨胀发电装置包括第三液压缸、第一高压进气管、第一高压进气阀、第一轮组进水阀、第一轮组排水阀、第四通气阀、第三管道、轮组和第四液压缸；第一高压进气管设置于第三液压缸的顶部，第三液压缸与高压气罐通过第一高压进气管连接，第一高压进气阀设置于第一高压进气管上；第四通气阀设置于第四液压缸的顶部，第三液压缸与第四液压缸通过第三管道连通，第一轮组排水阀、轮组和第一轮组进水阀依次连接于第三管道上，轮组包括若干串联的水轮机，第三液压缸的容积与第四液压缸的容积相同。
12.作为本实用新型的进一步优选，气体膨胀装置还包括第二高压进气管、第三通气阀、第二高压进气阀、第二轮组进水阀、第二轮组排水阀和第四管道，第二高压进气管设置于第四液压缸的顶部，第四液压缸与高压气罐通过第二高压进气管连接，第二高压进气阀设置于第二高压进气管上，第三通气阀设置于第三液压缸的顶部，第三液压缸与第四液压缸通过第四管道连通，第二轮组进水阀、轮组和第二轮组排水阀依次连接于第四管道上。
13.作为本实用新型的进一步优选，还包括第一高压雾泵、第二高压雾泵、第一雾泵管、第二雾泵管、第一喷雾阀、第二喷雾阀、第一喷嘴和第二喷嘴；第一雾泵管的两端均设置于第三液压缸内，第二雾泵管的两端均设置于第四液压缸内，第一高压雾泵和第一喷雾阀连接于第一雾泵管上，多个第一喷嘴设置于第三液压缸顶部，且连接于第一雾泵管的一端，第二高压雾泵和第二喷雾阀连接于第二雾泵管上，多个第二喷嘴设置于第四液压缸顶部，且连接于第二雾泵管的一端。
14.作为本实用新型的进一步优选，所述第三液压缸和第四液压缸均为变截面结构，随着第三液压缸和第四液压缸高度的降低，第三液压缸和第四液压缸横截面的面积越大。
15.本实用新型具有如下有益效果：
16.1、变截面液压缸：强化气-液界面上的热交换：压缩时随着液压缸内液面上升，气体温度升高，气-液温度差增大，此时气-液接触换热面积增大，强化换热；膨胀时随着液压缸内液面下降，气体温度降低，液-气温度差增大，此时气-液接触面换热面积增大，增强热交换；
17.2、压缩时液压缸的进水管出口设置在液压缸的上部，使抽入液压缸的水流经过缸内的多孔板，变为多股细流落入液压缸下部，下落的过程与被压缩气体充分混合换热，进一步降低被压缩气体的温度；膨胀时液压缸顶部设置多喷嘴，增大雾滴覆盖范围，强化气-雾
混合的热交换；
18.3、压缩时液压缸的进水管布置在液压缸内部，避免进水管放置在外部时需要考虑管道的高耐压性；膨胀时高压雾泵的雾泵管布置在液压缸内，降低进雾泵管的耐压要求；
19.4、采用多级泵组和水轮机组：压缩时根据被压缩气体的压力变化，串联不同数量的高压水泵，避免单级水泵达不到目标压力；膨胀时在变水头下串联不同数量的水轮机，充分利用水头的发电潜能。
附图说明
20.图1是本实用新型的整体结构示意图；
21.图2是本实用新型的对第二液压缸中的空气进行压缩时的示意图；
22.图3是本实用新型的对第一液压缸中的空气进行压缩时的示意图；
23.图4是本实用新型的高压气体在第三液压缸中膨胀发电时的示意图；
24.图5是本实用新型的高压气体在第四液压缸中膨胀发电时的示意图。
25.其中有：1.第一液压缸、12.第二管道的进水端、13.第一多孔板、14.第一通气阀、15.第一高压排气阀、16.第一排水阀、17.第一进水阀；
26.2.第二液压缸、22.第一管道的进水端、23.第二多孔板、24.第二通气阀、25.第二高压排气阀、26.第二排水阀、27.第二进水阀；
27.31.第二泵组进水阀、32.泵组、33.泵组串联阀、34.泵组排水阀、35.第一泵组排水阀、36.第二泵组排水阀、37.第一泵组进水阀、38泵组换水进水阀、39泵组换水排水阀；
28.4.高压气罐；
29.5.第三液压缸、52.第一雾泵管、53.第三通气阀、54.第一高压雾泵、55.第一喷嘴、56.第一喷雾阀、57.第一高压进气阀；
30.6.第四液压缸、62.第二雾泵管、63.第四通气阀、64.第二高压雾泵、65.第二喷嘴、66.第二喷雾阀、67.第二高压进气阀；
31.71.第一轮组进水阀、72轮组、73轮组串联阀、74轮组排水阀、75第二轮组排水阀、76.第一轮组排水阀、77.第二轮组进水阀、78轮组换水切换阀；
32.81.第三管道、82.第四管道、83.第一高压排气管、84.第二高压排气管、85.第一高压进气管、88.第二高压进气管。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
34.本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。
35.如图1-5所示，一种近等温压缩空气储能装置，包括第一液压缸1、第二液压缸2、第一通气阀14、第一排水阀16、第一泵组进水阀37、第一泵组排水阀35、第二进水阀27、泵组
32、高压气罐4、第一管道81、第二高压排气管86和第二高压排气阀25；第一液压缸1与第二液压缸2通过第一管道81连通，第一管道81的一端与第一液压缸1底部连通，第一管道81的另一端与第二液压缸2连通，第一液压缸1的容积与第二液压缸2的容积相同；第一通气阀14设置于第一液压缸1顶部，第一排水阀16、第一泵组进水阀37、泵组32、第一泵组排水阀35和第二进水阀27依次连接于第一管道81上，泵组32包括若干串联的水泵；第二高压排气管86设置于第二液压缸2顶部，第二液压缸2和高压气罐4通过第二高压排气管86连接，第二高压排气阀25设置于第二高压排气管86上，第一液压缸1内充满液体，泵组32将第一液压缸1中的液体泵入第二液压缸2中。由于第一液压缸1与大气连通，根据第二液压缸2内的实时压力大小要求选择不同数量串联运行的水泵，通过调节泵组串联阀33和泵组排水阀34实现。随着第二液压缸2中液面的升高，第二液压缸2内的空气所占体积减小而被压缩，被压缩的气体与液体在气液界面发生气液传热，液体吸收压缩热使被压缩气体温度降低。
36.当第二液压缸2中的被压缩气体达到一定压力时，打开第二高压排气阀25，高压气体排入高压气罐4中，泵组32继续运行，直到液面充满第二液压缸2，第二液压缸2内的气体全部压缩至高压气罐2中，关闭第二高压排气阀25，第二液压缸2中的气体压缩过程完成。
37.还包括第二管道82、第二通气阀24、第一进水阀17、第二排水阀26、第二泵组进水阀31、第二泵组排水阀36、第一高压排气管85和第一高压排气阀15；第一液压缸1和第二液压缸2通过第二管道82连通，第二管道82的一端与第二液压缸2的底部连通，第二管道82的另一端与第一液压缸1连通。第二通气阀24设置于第二液压缸2的顶部，第一进水阀17、第二泵组排水阀36、泵组32、第二泵组进水阀31和第二排水阀26依次连接于第二管道82上；第一高压排气管85设置于第一液压缸1的顶部，第一液压缸1和高压气罐4通过第一高压排气管85连接，第一高压排气阀15设置于第一高压排气管85上。此时第二液压缸2中充满液体，第一液压缸1中充满标准大气压的空气，通过切换阀门对第一液压缸1中的气体进行压缩。泵组32将第二液压缸2中的液体泵入第一液压缸1，对第一液压缸1中的气体进行压缩，与上述对第二液压缸2中气体的压缩过程类似，通过气-液接触、气液混合和增大气-液接触面使第一液压缸1中的气体压缩过程趋于等温。
38.当第一液压缸1中的气体达到一定压力时，打开第一高压排气阀15，高压气体排入高压气罐4中，同时泵组32继续运行，直到液面充满第一液压缸1，使第一液压缸1内的气体全部压缩至高压气罐4中，关闭第一高压排气阀15，第一液压缸1中的气体压缩过程完成。第一液压缸1中充满液体，第二液压缸2中充满标准大气压的空气，通过切换阀门对第二液压缸2中的气体再进行压缩。如此通过第一液压缸1和第二液压缸2交替运行实现连续的气体压缩。
39.还包括泵组换水进水管、泵组换水排水管、泵组换水进水阀38和泵组换水排水阀39，泵组换水进水管与泵组32的进水端连接，泵组换水排水管与泵组32的排水端连接，泵组换水进水阀38设置于泵组换水进水管上，泵组换水排水阀39设置于泵组换水排水管上。当第一液压缸1或第二液压缸2中的液体温度较高，冷却效果较差时，可以通过泵组换水进水阀38和泵组换水排水阀39对第一液压缸1或第二液压缸2中的液体进行更换。
40.还包括第一多孔板13和第二多孔板23，第一多孔板13架设于第一液压缸1的内壁上，第二管道82伸入第一液压缸1的一端的竖直高度大于第一多孔板13竖直高度；第二多孔板23架设于第二液压缸2的内壁上，第一管道81伸入第二液压缸2的一端的竖直高度大于第
二多孔板23的竖直高度。第一管道的出水端22设置在第二多孔板23的上部，使抽入第二液压缸2的水流经过缸内的第二多孔板23，经过孔的分流变为多股细流落入第二液压缸2下部，下落的过程与被压缩气体充分混合换热，进一步降低被压缩气体的温度。第二管道的进水端12设置在第一多孔板13的上部，使抽入第一液压缸1的水流经过缸内的第一多孔板13，经过孔的分流变为多股细流落入第一液压缸1下部，下落的过程与被压缩气体充分混合换热，进一步降低被压缩气体温度。
41.所述第一液压缸1与第二液压缸2的截面均为变截面结构，随着第一液压缸1和第二液压缸2高度的升高，第一液压缸1和第二液压缸2横截面的面积越大。随着液面升高，气体的压缩比越来越大，气体温度越来越高，此时第一液压缸1与第二液压缸2的横截面积随液面升高增大，气液面接触面积增大，换热能力进一步增强；以上三种降温措施，使气体压缩过程更加趋近于等温过程。
42.还包括气体膨胀发电装置，气体膨胀发电装置包括第三液压缸5、第一高压进气管87、第一高压进气阀57、第一轮组进水阀71、第一轮组排水阀76、第四通气阀63、第三管道83、轮组72和第四液压缸6。第一高压进气管87设置于第三液压缸5的顶部，第三液压缸5与高压气罐4通过第一高压进气管87连接，第一高压进气阀57设置于第一高压进气管87上；第四通气阀63设置于第四液压缸6的顶部，第三液压缸5与第四液压缸6通过第三管道83连通，第一轮组排水阀76、轮组72和第一轮组进水阀71依次连接于第三管道83上，轮组72包括若干串联的水轮机，第三液压缸5的容积与第四液压缸6的容积相同。
43.还包括第一高压雾泵54、第二高压雾泵64、第一雾泵管52、第二雾泵管62、第一喷雾阀56、第二喷雾阀66、第一喷嘴55和第二喷嘴65；第一雾泵管52的两端均设置于第三液压缸5内，第二雾泵管62的两端均设置于第四液压缸6内，第一高压雾泵54和第一喷雾阀56连接于第一雾泵管52上，多个第一喷嘴55设置于第三液压缸5顶部，且连接于第一雾泵管62的一端，第二高压雾泵64和第二喷雾阀66连接于第二雾泵管62上，多个第二喷嘴65设置于第四液压缸6顶部，且连接于第二雾泵管62的一端。
44.气体膨胀装置还包括第二高压进气管88、第三通气阀53、第二高压进气阀67、第二轮组进水阀77、第二轮组排水阀75和第四管道84，第二高压进气管88设置于第四液压缸6的顶部，第四液压缸6与高压气罐4通过第二高压进气管88连接，第二高压进气阀67设置于第二高压进气管88上，第三通气阀53设置于第三液压缸5的顶部，第三液压缸5与第四液压缸6通过第四管道84连通，第二轮组进水阀77、轮组72和第二轮组排水阀75依次连接于第四管道84上。
45.气体膨胀发电时，需要讨论两种运行方式。第一，调节气阀：通过获取高压气罐内的温度和压力，及液压罐内的气体压力和温度，相应的后调节气阀开度，使液压缸内的压力保持大致恒定时，缸内的水头大致恒定，水轮机可以在相对恒定的水头下发电，但缸内的液体排空后，缸罐内的剩余气体压力能被浪费；第二，若通过调节气阀通入一定量的高压气体，则罐内压力时变化的，也即水头是变化的，通过改变水轮机的串联数量使水轮机组保持较高的发电效率。所述第三液压缸5和第四液压缸6均为变截面结构，随着第三液压缸5和第四液压缸6高度的降低，第三液压缸5和第四液压缸6横截面的面积越大。
46.当通入一定量的高压气体时：第三液压缸5中充满液体，当高压气罐4中的高压气体在第三液压缸5中膨胀发电时：
47.运行第三液压缸5的第一高压雾泵54，高压气体膨胀使第三液压缸5中的液体具有较高的水头， 高水头的液体冲击轮组72运行发电，由于第四液压缸6与大气连通，根据第三液压缸5内的实时压力大小选择选择不同数量串联运行的水轮机，通过调节轮组串联阀73和轮组排水阀74实现，发电后的液体通过管道流入第四液压缸6。
48.由于高压气体在第三液压缸5中膨胀，其温度必然会下降，膨胀后的气体与液体在气液界面发生由液体向气体的传热，减小膨胀气体的温度下降幅度；同时运转的第一高压雾泵54将第三液压缸5中的液体经第一雾泵管52和第一喷嘴55以雾状喷出，雾滴下落过程中与膨胀气体接触，向膨胀气体释放热量，进一步减小膨胀气体的温度下降幅度，雾滴最后落入液体中；随着第三液压缸5中液面升低，落压比增大，膨胀气体的温度越来越低，而此时第三液压缸5横截面积随液面降低而增大，液-气接触面面积增大，液-气面的换热能力增大，同时喷雾从喷出至落入液体的下降高度增大，喷雾与气体的接触时间增大，喷雾与气体的换热能力也相应增大，即气液间的换热随着液面的下降增强，从而使膨胀过程更加趋近于等温过程。直到第三液压缸5中的液面降低至某高度，高压气体膨胀驱使第三液压缸5中的液体通过轮组72发电结束。
49.此时第四液压缸6中充满液体，通过切换阀门使高压气体驱使第四液压缸6中的液体通过轮组72发电。高压气体膨胀使液压缸6中的液体具有较高的水头， 高水头的液体冲击轮组72运行发电，由于第三液压缸5与大气连通，根据第四液压缸6内的实时压力大小选择选择不同数量串联运行的水轮机，通过调节轮组串联阀73和轮组排水阀74实现，发电后的液体通过管道流入第三液压缸5。与上述高压气体驱使第三液压缸5中的液体通过轮组72发电过程类似，通过气-液接触、气-雾混合和增大气-液接触面使高压气体在第四液压缸6中的膨胀过程趋于等温。直到第四液压缸6中的液面降低至某高度，高压气体膨胀驱使第四液压缸6中的液体通过水轮机组72发电结束。
50.此时第三液压缸5中充满液体，通过切换阀门使高压气体驱使第三液压缸5中的液体通过轮组72发电。如此通过高压气体在第三液压缸5和第四液压缸6中交替膨胀实现连续的发电。当第三液压缸5和第四液压缸6中的液体温度较低，换热效果较差时，可以通过泵组换水进水阀38、泵组换水排水阀39和轮组换水切换阀78对第三液压缸5或第四液压缸6中的液体进行更换。
51.一种近等温压缩空气储能方法：
52.步骤（1）、第二液压缸2压缩空气储能：首先将第一液压缸1内充满液体，对第二液压缸2中的空气进行压缩时，打开：第一通气阀14、第一排水阀16、第一泵组进水阀37、第一泵组排水阀35和第二进水阀27，其他阀门关闭；泵组32运行，由于第一液压缸1与大气连通，根据第二液压缸2内的实时压力大小要求选择不同数量串联运行的水泵，将液体从第一液压缸1泵入第二液压缸2；随着第二液压缸2中液面的升高，第二液压缸2内的空气所占体积减小而被压缩，被压缩的气体与液体在气液界面发生气液传热，液体吸收压缩热使被压缩气体温度降低；且流入第二液压缸2的水流经过第二液压缸2内的多孔板23，经过孔的分流变为多股细流落入第二液压缸2下部，下落的过程与被压缩气体充分混合换热，进一步降低被压缩气体的温度；随着液面升高，气体的压缩比越来越大，气体温度越来越高，此时第二液压缸2横截面积随液面升高增大，气液面接触面积增大，换热能力进一步增强；以上降温措施，使气体压缩过程更加趋近于等温过程；当第二液压缸2中的被压缩气体达到一定压力
时，打开第二高压排气阀25，高压气体排入高压气罐4中，泵组32继续运行，直到液面充满液压缸2，第二液压缸2内的气体全部压缩至高压气罐4中，关闭第二高压排气阀25，第二液压缸2中的气体压缩过程完成。
53.步骤（2）、第一液压缸1压缩气体储能：打开第一进水阀17，第二通气阀24和第二排水阀26，第二泵组进水阀31和第二泵组排水阀36，其他阀门关闭；与步骤（1）的储能原理相同，如此通过第一液压缸1和第二液压缸2交替运行实现连续的气体压缩。
54.步骤（3）、第三液压缸5气体膨胀发电：第三液压缸5内充满液体，打开：第三高压进气阀57、第一高压进气阀57、第一轮组进水阀71、第一喷雾阀56、第一轮组排水阀76和第四通气阀63，其他阀门关闭；运行第一高压雾泵54，高压气体膨胀使第三液压缸5中的液体具有较高的水头， 高水头的液体冲击轮组72运行发电，同时运转的第一高压雾泵54将第三液压缸5中的液体经第三液压缸5顶部布置的多个第一雾泵管52和多个第一喷嘴55以雾状喷出，大范围覆盖液压缸内的膨胀空间，雾滴下落过程中与膨胀气体接触，向膨胀气体释放热量，进一步减小膨胀气体的温度下降幅度，雾滴最后落入液体中；直到第三液压缸5中的液面降低至一定高度，高压气体膨胀驱使第三液压缸5中的液体通过轮组72发电结束。
55.步骤（4）、第四液压缸6气体膨胀发电：此时液压缸6中充满液体，打开第二高压雾泵64、第二喷雾阀66、第二高压气阀67、第三通气阀54，第二轮组进水阀77、第二轮组排水阀75，其他阀门关闭，与步骤（3）的发电原理相同，使高压气体驱使第二液压缸6中的液体通过轮组72发电，直到第四液压缸6中的液面降低至一定高度，高压气体膨胀驱使第二液压缸6中的液体通过轮组72发电结束，如此通过高压气体在第三液压缸5和第四液压缸6中交替膨胀实现连续的发电。
56.以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。