實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于大容量電力儲能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用等壓遷移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。液體活塞按耐壓等級高低順序連接，相鄰兩級液體活塞上部通過氣體管道、下部通過液體驅(qū)動裝置連接，各級液體活塞通過管道連接到外部水力設(shè)備，最低耐壓等級液體活塞連接低壓氣體管道，最高耐壓等級液體活塞連接儲氣系統(tǒng)。本發(fā)明實現(xiàn)了氣體在液體活塞中分級壓縮、膨脹過程，采用等壓遷移技術(shù)在不同等級液體活塞間轉(zhuǎn)移氣體，減小了液體活塞的承壓變化范圍，提高設(shè)備安全性，延長液體活塞的壽命，可以大幅度降低設(shè)備的制造成本。
【專利說明】
實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于大容量電力儲能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用等壓迀移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新能源的大規(guī)模接入電網(wǎng)，儲能技術(shù)因其能夠提供足夠的調(diào)峰能力，被廣泛地用于解決新能源的間歇性與波動性問題。其中，壓縮空氣儲能技術(shù)應(yīng)用較為廣泛且具有很大的發(fā)展前景。
[0003]現(xiàn)已有將水輪機(jī)應(yīng)用于壓縮空氣儲能的技術(shù)，實現(xiàn)了利用水輪機(jī)與壓縮空氣儲能技術(shù)聯(lián)合發(fā)電與儲能，這一過程采用液體活塞，以水為介質(zhì)對空氣進(jìn)行壓縮，解決了空氣壓縮時壓強(qiáng)劇烈變化帶來的調(diào)節(jié)問題、效率問題、容器的壽命等問題。但這些液體活塞耐壓強(qiáng)度均按照壓縮氣體的最高氣體壓強(qiáng)設(shè)計，當(dāng)液體活塞容量較大時將增加其建造成本，當(dāng)處理的氣體體積相對較小或只需要將氣體壓縮到較小的壓強(qiáng)時將造成液體活塞容量和耐壓性能的冗余，增加了運行成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了減少液體活塞容量和耐壓性能的冗余問題，降低系統(tǒng)運行成本，本發(fā)明提出了一種利用等壓迀移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，由不同耐壓等級的液體活塞根據(jù)耐壓等級高低順序連接而成，其中，相鄰兩級液體活塞的上部通過氣體管道相連，下部通過液體驅(qū)動裝置相連，各級液體活塞通過液體管道連接到外部水力設(shè)備，最低耐壓等級的液體活塞連接外部低壓氣體管道，最高耐壓等級的液體活塞與儲氣系統(tǒng)相連，氣體壓縮過程中，低等級的液體活塞先壓縮氣體，使壓強(qiáng)達(dá)到壓縮迀移定值，通過等壓迀移技術(shù)將壓縮氣體送入高等級液體活塞，由高等級液體活塞繼續(xù)壓縮到更高壓強(qiáng)，實現(xiàn)分級壓縮儲能；膨脹過程中，高等級液體活塞中氣體膨脹做功，當(dāng)壓強(qiáng)下降到膨脹迀移定值，通過等壓迀移技術(shù)將氣體送入低等級液體活塞中繼續(xù)膨脹做功，實現(xiàn)分級膨脹釋能。
[0005]所述液體活塞由一個壓力容器組成或由多個壓力容器通過管道連接組成;某一耐壓等級的液體活塞的耐壓限值為該耐壓等級內(nèi)所有壓力容器耐壓限值的最小值;多個壓力容器的連接方式為:同一耐壓等級的液體活塞內(nèi)的多個壓力容器可單獨與相鄰耐壓等級的液體活塞相連或多個壓力容器相互連接后作為一組與相鄰耐壓等級的液體活塞連接;通過閥門控制可選擇某一耐壓等級中參與運行的壓力容器個數(shù)從而調(diào)節(jié)該耐壓等級參與運行的總體積，也可以分解成多組壓力容器組分別獨立運行。
[0006]所述壓縮迀移定值和膨脹迀移定值是指每個耐壓等級的液體活塞設(shè)置該耐壓等級的壓縮迀移定值和膨脹迀移定值，本耐壓等級液體活塞的壓縮迀移定值與相鄰的高耐壓等級液體活塞的膨脹迀移定值均不超過本耐壓等級液體活塞的耐壓限值，每個耐壓等級液體活塞在其設(shè)定的膨脹迀移定值與壓縮迀移定值內(nèi)運行。
[0007]所述氣體管道連接不同耐壓等級的液體活塞的方式為:相鄰兩級液體活塞由單獨一段氣體管道連接或采用總線型連接方式，即多個液體活塞都連接到同一段氣體管道，通過管道閥門的開斷輔助壓縮過程、膨脹過程、氣體等壓迀移過程的進(jìn)行，使氣體等壓迀移可以跨級進(jìn)行，即可以不在相鄰兩等級液體活塞進(jìn)行。
[0008]所述等壓迀移技術(shù)是指，相鄰兩個液體活塞A和B的初始壓強(qiáng)一致，液體活塞間相連的氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從液體活塞A注入到液體活塞B中，液體活塞B中的氣體經(jīng)氣體管道迀移到液體活塞A中，兩液體活塞內(nèi)部壓強(qiáng)在迀移過程中始終相等，實現(xiàn)氣體的等壓迀移;所述液體活塞A和B的初始壓強(qiáng)一致是指，兩個液體活塞都含有氣體，兩者氣體壓強(qiáng)一致;或者只有一個液體活塞含有氣體，另一個充滿液體；當(dāng)兩個液體活塞間的氣體管道連通時，兩者壓強(qiáng)保持一致。
[0009]所述液體驅(qū)動裝置為液壓機(jī)構(gòu)或水栗，驅(qū)動液體在兩個耐壓等級液體活塞間轉(zhuǎn)移，此時兩個耐壓等級液體活塞的氣體管道導(dǎo)通，在等壓迀移過程中維持兩個耐壓等級液體活塞中氣體壓強(qiáng)始終相等，實現(xiàn)氣體的等壓迀移;可在任意兩個耐壓等級間設(shè)置液體驅(qū)動裝置，也可設(shè)置多個耐壓等級液體活塞共用同一液體驅(qū)動裝置，通過管道和閥門控制，實現(xiàn)運行。
[0010]所述外部水力設(shè)備可以采用可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，或者同時采用水輪發(fā)電機(jī)組和水栗組合，或者采用液壓機(jī)構(gòu);每個耐壓等級的液體活塞所對應(yīng)的外部水力設(shè)備可獨立運行，也可以采用多個耐壓等級的液體活塞設(shè)置同一個外部水力設(shè)備，通過管道閥門控制實現(xiàn)運行。
[0011]所述外部水力設(shè)備的作用為:在氣體壓縮過程中，外部水力設(shè)備利用其他能量將水注入液體活塞中，將外界其他形式的能量轉(zhuǎn)換為水的勢能后對空氣進(jìn)行壓縮，轉(zhuǎn)換為空氣的勢能;在氣體膨脹過程中，壓縮空氣的勢能轉(zhuǎn)換成水勢能后對外做功，利用外部水力設(shè)備將水的勢能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。
[0012]所述儲氣系統(tǒng)可以為地下洞穴、地下礦井、儲氣罐等，高耐壓等級液體活塞自身也可作為儲氣裝置。
[0013]所述分級壓縮儲能過程為:進(jìn)行空氣壓縮過程時，氣體在低耐壓等級液體活塞中壓縮達(dá)到該耐壓等級液體活塞的壓縮迀移定值，通過液體驅(qū)動裝置使高耐壓等級液體活塞中氣體壓強(qiáng)與低耐壓等級氣體壓強(qiáng)相等，打開閥門使相鄰兩個耐壓等級液體活塞經(jīng)氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從高耐壓等級液體活塞注入到低耐壓等級液體活塞中，低耐壓等級液體活塞中的氣體經(jīng)氣體管道等壓迀移到高耐壓等級液體活塞，在高耐壓等級液體活塞中等待下一級壓縮，實現(xiàn)分級壓縮儲能。
[0014]所述分級膨脹釋能過程為:在膨脹過程中，氣體在高耐壓等級液體活塞中膨脹達(dá)到該耐壓等級膨脹迀移定值后，氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從低耐壓等級液體活塞注入到高耐壓等級液體活塞，使氣體從高耐壓等級液體活塞等壓迀移到低耐壓等級液體活塞，在低耐壓等級液體活塞中進(jìn)行下一級膨脹做功，實現(xiàn)分級膨脹釋能。
[0015]所述氣體分級壓縮和分級膨脹過程中液體活塞的運作方式可有如下形式:
[0016]當(dāng)?shù)湍蛪旱燃壱后w活塞中壓力容器體積較小、高耐壓等級液體活塞體積較大時，可由低耐壓等級液體活塞內(nèi)單個壓力容器壓縮氣體后，將氣體等壓迀移到高耐壓等級液體活塞，高耐壓等級液體活塞不立即進(jìn)行氣體壓縮，低耐壓等級液體活塞繼續(xù)進(jìn)行氣體壓縮，向同一高耐壓等級液體活塞等壓迀移氣體，當(dāng)高耐壓等級液體活塞接收的氣體積累到一定量后再進(jìn)行該耐壓等級的氣體壓縮;或者由低耐壓等級液體活塞內(nèi)的多個壓力容器壓縮氣體后，逐次或同時通過等壓迀移將氣體送入高耐壓等級液體活塞后，再在高等級液體活塞中進(jìn)行壓縮;分級膨脹過程為，高耐壓等級液體活塞向低耐壓等級液體活塞中的單個壓力容器等壓迀移氣體，待氣體在該壓力容器中膨脹做功并迀移到更低等級液體活塞中后，再向該壓力容器中等壓迀移氣體，或者由高耐壓等級液體活塞逐次或同時向低耐壓等級液體活塞中的多個壓力容器等壓迀移氣體，氣體在這些壓力容器中膨脹做功后迀移到更低耐壓等級液體活塞中，重復(fù)上述過程直到高等級液體活塞中氣體完全等壓迀移到低耐壓等級液體活塞中。
[0017]當(dāng)?shù)湍蛪旱燃壱后w活塞體積較大、高耐壓等級液體活塞內(nèi)壓力容器體積較小時，低耐壓等級液體活塞中的壓縮氣體可以分?jǐn)?shù)次等壓迀移到高耐壓等級液體活塞的單個壓力容器中逐次壓縮，或者逐次或同時等壓迀移到高耐壓等級液體活塞中的多個壓力容器中再進(jìn)行壓縮;分級膨脹過程與之相反，即高耐壓等級液體活塞中的單個壓力容器向低耐壓等級液體活塞中進(jìn)行多次等壓迀移高壓氣體后，或由高耐壓等級液體活塞中的多個壓力容器逐次或同時向低耐壓等級液體活塞中等壓迀移高壓氣體后，再在低耐壓等級液體活塞中進(jìn)行一次膨脹做功。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明可以實現(xiàn)氣體的分級壓縮與膨脹，整個壓縮、膨脹過程中每一等級液體活塞所承受的壓力范圍是其設(shè)定的膨脹迀移定值與壓縮迀移定值之間，可以減小液體活塞的承壓變化范圍，降低液體活塞的制造要求，提高設(shè)備安全性，提高液體活塞的壽命，可以避免所有液體活塞均采用最高耐壓限值，可以大幅度降低設(shè)備的制造成本。本發(fā)明提供多級液體活塞，可以通過閥門控制靈活地選擇每一級液體活塞的容積以及各等級液體活塞的運行方式，能夠滿足不同的空氣壓縮/膨脹要求。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮過程示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)氣體壓縮后等壓迀移過程示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹過程示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)膨脹后等壓迀移過程示意圖；
[0024]圖6為各耐壓等級液體活塞通過氣體管道連接的總線型連接方式；
[0025]圖7為同耐壓等級內(nèi)含多個壓力容器的連接示意圖。
[0026]圖8、圖9為利用等壓迀移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的兩種可行的實現(xiàn)方案示意圖。
[0027]圖中標(biāo)號^3、(:一液體活塞41^2、81、82、83、(:1工2—壓力容器丄1、1^一液體驅(qū)動裝置，M—外部水力設(shè)備，F(xiàn)l?F51 —閥門，Pl?P7—液體管道，Gl—低壓氣體管道、G2?G4—氣體管道，S—儲氣系統(tǒng)，Ml?M5—雙向電機(jī)。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對實施例作詳細(xì)說明。
[0029]本發(fā)明的壓縮空氣儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示:A、B、C為三個耐壓等級依次升高的液體活塞，通過氣體管道G2、G3順序連接，最低耐壓等級液體活塞A設(shè)置低壓氣體管道Gl連接外界低壓氣體源，液體活塞C通過氣體管道G4與儲氣系統(tǒng)S連接，液體活塞A與B、B與C之間分別通過液體驅(qū)動裝置L1、L2連接，A、B、C分別通過液體管道P1、P4、P7連接到外部水力設(shè)備M。各個管道上均有閥門，用于控制系統(tǒng)運行。
[0030]液體活塞A為最低耐壓等級液體活塞，僅設(shè)置壓縮迀移定值，該值不大于液體活塞A的耐壓限值;液體活塞B為中間耐壓等級，設(shè)置有壓縮迀移定值與膨脹迀移定值，其壓縮迀移定值不大于液體活塞B的耐壓限值，其膨脹迀移定值不大于液體活塞A的耐壓限值;液體活塞C為最高耐壓等級液體活塞，設(shè)置有壓縮迀移定值與膨脹迀移定值，其壓縮迀移定值不大于液體活塞C的耐壓限值，其膨脹迀移定值不大于液體活塞B的耐壓限值。為了使系統(tǒng)運行效率更高，通常本級液體活塞的壓縮迀移定值取本級液體活塞的耐壓限值，高耐壓等級液體活塞的膨脹迀移定值取低耐壓等級液體活塞的耐壓限值，即液體活塞A、B、C的壓縮迀移定值均取該耐壓等級的耐壓限值，液體活塞B的膨脹迀移定值取液體活塞A的耐壓限值，液體活塞C的膨脹迀移定值取液體活塞B的耐壓限值。
[0031 ]當(dāng)壓縮氣體使壓強(qiáng)達(dá)到壓縮迀移定值時，向高耐壓等級等壓迀移，當(dāng)氣體膨脹使壓強(qiáng)下降到膨脹迀移定值時，向低耐壓等級等壓迀移。壓縮迀移定值和膨脹迀移定值與具體運行狀態(tài)有關(guān)，本級的壓縮迀移定值與相鄰高耐壓等級的膨脹迀移定值均小于本級耐壓限值。
[0032]本發(fā)明的等壓迀移技術(shù)是指，相鄰兩個液體活塞A和B的初始壓強(qiáng)一致，液體活塞間相連的氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從液體活塞A注入到液體活塞B中，液體活塞B中的氣體經(jīng)氣體管道迀移到液體活塞A中，兩液體活塞內(nèi)部壓強(qiáng)在迀移過程中始終相等，實現(xiàn)氣體的等壓迀移。
[0033]所述的液體活塞A和B的初始壓強(qiáng)一致是指，兩個液體活塞都含有氣體，兩者氣體壓強(qiáng)一致;或者只有一個液體活塞含有氣體，另一個充滿液體。當(dāng)兩個液體活塞間的氣體管道連通時，兩者壓強(qiáng)保持一致。
[0034]圖2、圖3完整描述了從氣體壓縮到等壓迀移到高耐壓等級液體活塞的過程。圖2為氣體壓縮過程示意圖。初始狀態(tài)為所有閥門關(guān)閉，液體活塞A、B中充滿液體。打開閥門F1、F3，通過氣體管道Gl向液體活塞A中預(yù)置氣體，液體活塞A中的液體通過Pl管道排出。氣體預(yù)置完成后，關(guān)閉閥門Fl，外部水力設(shè)備M通過液體管道Pl向液體活塞A中注水壓縮氣體，待液體活塞A中的氣體壓縮到壓縮迀移定值時，關(guān)閉閥門F3。氣體壓縮后向高耐壓等級液體活塞等壓迀移過程如圖3所示。打開閥門F2、F4、F5、F7，液體活塞A、B通過氣體管道G2連通，二者氣體壓強(qiáng)相等，液體驅(qū)動裝置LI驅(qū)動液體經(jīng)液體管道P3、P2從液體活塞B轉(zhuǎn)移到液體活塞A中，使氣體通過氣體管道G2等壓迀移到液體活塞B中。待氣體完全迀移到液體活塞B中，關(guān)閉閥門F2、F4、F5、F7。氣體在液體活塞B中進(jìn)一步壓縮儲能。
[0035]圖4、圖5完整描述了從氣體膨脹到等壓迀移到低耐壓等級液體活塞的過程。圖4為氣體膨脹過程示意圖。氣體從高耐壓等級液體活塞等壓迀移到液體活塞B中后，關(guān)閉所有閥門。打開閥門F8，氣體通過管道P4驅(qū)動外部水力設(shè)備M對外做功，待液體活塞B中的氣體壓強(qiáng)下降到膨脹迀移定值時，關(guān)閉閥門F8。氣體膨脹后向低耐壓等級液體活塞等壓迀移過程如圖5所示。打開閥門F2、F4、F5、F7，液體活塞A、B通過氣體管道G2連通，二者氣體壓強(qiáng)相等，液體驅(qū)動裝置LI驅(qū)動液體通過管道P2、P3從液體活塞A轉(zhuǎn)移到液體活塞B中，使氣體通過氣體管道G2等壓迀移到液體活塞A中。待氣體完全迀移到液體活塞A中，關(guān)閉閥門F2、F4、F5、F7。氣體在液體活塞A中進(jìn)一步膨脹做功。
[0036]圖6為液體活塞的總線型連接方式。只畫出液體活塞與氣體管道部分。當(dāng)閥門F3、F6、F9閉合時，即為圖1所示的連接方式。關(guān)閉閥門F4、F5，使氣體在液體活塞B中進(jìn)行壓縮、膨脹過程;打開閥門F2、F4，關(guān)閉閥門F1、F3、F5、F6，使氣體在液體活塞A、B之間進(jìn)行等壓迀移。當(dāng)氣體在液體活塞B中進(jìn)行壓縮/膨脹操作時，仍可通過總線型氣體管道向其他耐壓等級液體管道等壓迀移氣體。
[0037]總線型連接方式可實現(xiàn)跨級運行。當(dāng)要壓縮的氣體的初始壓強(qiáng)較高時，例如介于液體活塞A與B的耐壓限值之間時，可將液體活塞B作為最低級，即關(guān)閉閥門F1、F2，打開F3、F4，將氣體直接送入液體活塞B中進(jìn)行壓縮儲能。當(dāng)要壓縮的氣體體積較小時，可以直接進(jìn)行更高耐壓等級的壓縮過程，即氣體在液體活塞A中進(jìn)行壓縮，使氣體壓強(qiáng)達(dá)到壓縮迀移定值后，關(guān)閉閥門F3、F4、F5、F8、F9，打開閥門F2、F6、F7，配合液體驅(qū)動裝置，將氣體等壓迀移到液體活塞C中，關(guān)閉閥門F7，氣體在液體活塞C中作進(jìn)一步壓縮儲能。膨脹過程類似，液體活塞C中氣體經(jīng)膨脹后，可直接等壓迀移到液體活塞A中進(jìn)一步膨脹釋能，即氣體在液體活塞C中膨脹驅(qū)動外部水力設(shè)備對外做功，使氣體壓強(qiáng)達(dá)到膨脹迀移定值后，關(guān)閉閥門F9、F4、F5、F3、Fl，打開閥門F7、F6、F2，配合液體驅(qū)動裝置，將氣體等壓迀移到液體活塞A中，關(guān)閉閥門F2，氣體在液體活塞A中作進(jìn)一步膨脹釋能。根據(jù)壓縮迀移定值、膨脹迀移定值的取值原貝1J，此時液體活塞A、C的壓縮迀移定值仍應(yīng)不高于其耐壓限值，液體活塞C的膨脹迀移定值應(yīng)不高于液體活塞A的耐壓限值，即壓縮迀移定值、膨脹迀移定值的選取與運行方式有關(guān)。
[0038]總線型連接方式可實現(xiàn)不同耐壓等級液體活塞的合并:打開閥門F2、F4，關(guān)閉閥門F3、F6，即將液體活塞A、B通過串聯(lián)作為同一級液體活塞使用，擴(kuò)大了該耐壓等級的容積。
[0039]圖7為各耐壓等級液體活塞由多個壓力容器構(gòu)成的示意圖，只畫出氣體管道與液體活塞部分。液體活塞B由三個壓力容器B1、B2、B3并聯(lián)構(gòu)成，液體活塞C由兩個壓力容器Cl、C2并聯(lián)構(gòu)成。液體活塞B的耐壓等級為壓力容器B1、B2、B3耐壓等級最小值，液體活塞C的耐壓等級為壓力容器C1、C2耐壓等級最小值。液體活塞B的耐壓等級低于液體活塞C。液體活塞B的膨脹迀移定值取其相鄰低耐壓等級液體活塞的耐壓限值，其壓縮迀移定值取自身的耐壓限值;液體活塞C的膨脹迀移定值取液體活塞B的耐壓限值，其壓縮迀移定值取自身的耐壓限值。通過閥門控制可以實現(xiàn)多種運行方式。以壓縮過程為例進(jìn)行闡述，每種情況初始狀態(tài)為所有閥門均關(guān)閉。膨脹過程與壓縮過程相反。
[0040]低耐壓等級液體活塞B中壓力容器BI體積較大時，BI中的氣體分?jǐn)?shù)次向Cl等壓迀移，或同時向C耐壓等級的多個壓力容器等壓迀移:
[0041](I)關(guān)閉所有閥門，打開閥門F8，向BI中預(yù)置氣體，該氣體由與之相連的低耐壓等級液體活塞等壓迀移得到，或由外界氣源預(yù)置，關(guān)閉閥門F8，外部水力設(shè)備通過液體管道向BI注入液體壓縮氣體到壓縮迀移定值；
[0042](2)B1中氣體分多次向Cl等壓迀移:打開閥門F9、F14，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從壓力容器Cl轉(zhuǎn)移到壓力容器BI，壓縮后的氣體則通過氣體管道經(jīng)閥門F9、F14送入壓力容器CI，待壓力容器CI中充滿氣體或BI中充滿液體后，關(guān)閉閥門F9、F14，外部水力設(shè)備對CI中氣體進(jìn)行壓縮到壓縮迀移定值后，打開閥門F15，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動Cl中的氣體等壓迀移到更高耐壓等級的液體活塞中。此時Cl中充滿液體，關(guān)閉閥門F15。
[0043](3)重復(fù)(2)直到壓力容器BI中氣體完全迀移到高耐壓等級液體活塞中。
[0044]也可將BI中的氣體逐次等壓迀移到Cl、C2中，氣體在Cl、C2中進(jìn)行壓縮后，再向更高耐壓等級液體活塞等壓迀移，Cl、C2向高耐壓等級液體活塞迀移氣體的過程可以同時進(jìn)行，也可以獨立進(jìn)行。重復(fù)該過程直到BI中氣體完全迀移到高耐壓等級液體活塞中，此時BI充滿液體。
[0045]高耐壓等級液體活塞C中壓力容器Cl體積較大時，可由壓力容器BI向Cl多次迀移氣體:關(guān)閉所有閥門，打開閥門F8，向BI中預(yù)置氣體，BI中充滿氣體后，關(guān)閉閥門F8，外部水力設(shè)備壓縮氣體到壓縮迀移定值，打開閥門F9、F14，使氣體等壓迀移到Cl，關(guān)閉閥門F9、F14。重復(fù)該步驟直到Cl中充滿氣體。
[0046]當(dāng)高耐壓等級液體活塞C中壓力容器Cl體積較大時，也可由B1、B2、B3逐次向Cl迀移氣體:打開閥門F8、F10、F12，向壓力容器B1、B2、
[0047]83預(yù)置氣體，81、82、83充滿氣體后關(guān)閉閥門？8110、？12，外部水力設(shè)備壓縮氣體到壓縮迀移定值，打開閥門F9、F14，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動BI中的氣體等壓迀移到Cl中，關(guān)閉閥門F9，打開閥門Fll，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動B2中的氣體等壓迀移到Cl中，關(guān)閉閥門Fll，打開閥門F113，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動B3中的氣體等壓迀移到Cl中，關(guān)閉閥門F13，重復(fù)該過程，直到Cl中充滿氣體。
[0048]圖8為利用等壓迀移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的一種可行的實現(xiàn)方案示意圖。Ml?M5為雙向電機(jī)，可以往復(fù)運動。各耐壓等級液體活塞采用多個壓力容器并聯(lián)構(gòu)成，且相鄰兩個耐壓等級液體活塞設(shè)置一個液體驅(qū)動裝置，A與B之間、B與C之間的液體裝置L1、L2均由電機(jī)驅(qū)動的液壓活塞實現(xiàn);每一個耐壓等級液體活塞設(shè)置一個外部水力設(shè)備，由由電機(jī)驅(qū)動的液壓活塞實現(xiàn)，與水源連接。在M3?M5的作用下，實現(xiàn)氣體的壓縮與膨脹:當(dāng)氣體在液體活塞A中壓縮時，關(guān)閉閥門F4?F7、Fl9、F21，假定雙向電機(jī)M3帶動活塞向左移動，則打開閥門F41、F42、F18、F20，關(guān)閉閥門F40、F43，將液體壓入液體活塞A中壓縮氣體，當(dāng)活塞到達(dá)運行的最左端后，關(guān)閉閥門F41、F42，打開閥門F40、F43，M3帶動活塞向右移動，繼續(xù)將液體壓入液體活塞A中壓縮氣體，當(dāng)活塞到達(dá)運行最右端后，關(guān)閉閥門F40、F43，打開閥門F41、F42，重復(fù)上述過程，直到液體活塞A中的氣體壓強(qiáng)達(dá)到壓縮迀移定值。根據(jù)運行方式的不同，壓力容器A1、A2中的壓縮過程也可以不同時進(jìn)行。膨脹過程與之相反。
[0049]在Ml、M2的作用下驅(qū)動液體在相鄰耐壓等級液體活塞間轉(zhuǎn)移:當(dāng)氣體需從液體活塞A等壓迀移到液體活塞B中時，假定初始狀態(tài)所有閥門關(guān)閉，液體活塞A、B間液體驅(qū)動裝置的活塞位于運行最右側(cè)，打開閥門？5、？7、？8小10小12小19小21小23小25小27、？32小35，雙向電機(jī)Ml帶動液體活塞向左側(cè)移動，液體活塞B中的液體被抽入到液體驅(qū)動裝置右側(cè)，其左偵啲液體則被送入液體活塞A中，當(dāng)液體驅(qū)動裝置活塞到達(dá)運行最左側(cè)時，關(guān)閉閥門F32、F35，打開閥門F33、F34，雙向電機(jī)Ml帶動活塞向右側(cè)運行，液體活塞B中的液體被抽入到液體驅(qū)動裝置左側(cè)，其右側(cè)的液體則被送入液體活塞A中，當(dāng)液體驅(qū)動裝置活塞到達(dá)運行最右側(cè)時，關(guān)閉閥門F33、F34，打開閥門F32、F35，重復(fù)上述過程，直到液體活塞A中的氣體完全等壓迀移到液體活塞B中，關(guān)閉所有閥門。
[0050]圖9為利用等壓迀移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的另一種可行的實現(xiàn)方案示意圖。采用雙向水栗構(gòu)成液體驅(qū)動裝置和外部水力設(shè)備。以液體活塞B為例，當(dāng)氣體進(jìn)行壓縮過程時，關(guān)閉閥門？8?？13、？23、？25、？27，打開閥門？22、？24、？26、？39，向液體活塞中注入液體，壓縮氣體直到壓強(qiáng)達(dá)到壓縮迀移定值;當(dāng)氣體進(jìn)行膨脹過程時，關(guān)閉閥門？8?？13、？22、？24、？26、？39，打開閥門？23、？25、？27、？38，氣體膨脹驅(qū)動液體通過水栗、閥門F38對外做功，直到壓強(qiáng)下降到膨脹迀移定值。
[0051 ]以A、B間進(jìn)行氣體等壓迀移為例，當(dāng)氣體從液體活塞A等壓迀移到液體活塞B時，打開LI的閥門F32，水栗驅(qū)動液體從液體活塞B向液體活塞A轉(zhuǎn)移；當(dāng)氣體從液體活塞B等壓迀移到液體活塞A時，打開LI的閥門F33，水栗驅(qū)動液體從液體活塞A向液體活塞B轉(zhuǎn)移。
[0052]可以在任意兩級之間設(shè)置液體驅(qū)動裝置，也可使多個耐壓等級液體活塞共用同一液體驅(qū)動裝置，通過管道及閥門控制其運行。
[0053]此實施例僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種利用等壓迀移技術(shù)實現(xiàn)氣體分級壓縮與膨脹的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，其特征在于，由不同耐壓等級的液體活塞根據(jù)耐壓等級高低順序連接而成，其中，相鄰兩級液體活塞的上部通過氣體管道相連，下部通過液體驅(qū)動裝置相連，各級液體活塞通過液體管道連接到外部水力設(shè)備，最低耐壓等級的液體活塞連接外部低壓氣體管道，最高耐壓等級的液體活塞與儲氣系統(tǒng)相連;氣體壓縮過程中，低等級的液體活塞先壓縮氣體，使壓強(qiáng)達(dá)到壓縮迀移定值，通過等壓迀移技術(shù)將壓縮氣體送入高等級液體活塞，由高等級液體活塞繼續(xù)壓縮到更高壓強(qiáng)，實現(xiàn)分級壓縮儲能;膨脹過程中，高等級液體活塞中氣體膨脹做功，當(dāng)壓強(qiáng)下降到膨脹迀移定值，通過等壓迀移技術(shù)將氣體送入低等級液體活塞中繼續(xù)膨脹做功，實現(xiàn)分級膨脹釋能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述液體活塞由一個壓力容器組成或由多個壓力容器通過管道連接組成;某一耐壓等級的液體活塞的耐壓限值為該耐壓等級內(nèi)所有壓力容器耐壓限值的最小值；多個壓力容器的連接方式為:同一耐壓等級的液體活塞內(nèi)的多個壓力容器可單獨與相鄰耐壓等級的液體活塞相連或多個壓力容器相互連接后作為一組與相鄰耐壓等級的液體活塞連接;通過閥門控制可選擇某一耐壓等級中參與運行的壓力容器個數(shù)從而調(diào)節(jié)該耐壓等級參與運行的總體積，也可以分解成多組壓力容器組分別獨立運行。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮迀移定值和膨脹迀移定值是指每個耐壓等級的液體活塞設(shè)置該耐壓等級的壓縮迀移定值和膨脹迀移定值，本耐壓等級液體活塞的壓縮迀移定值與相鄰的高耐壓等級液體活塞的膨脹迀移定值均不超過本耐壓等級液體活塞的耐壓限值，每個耐壓等級液體活塞在其設(shè)定的膨脹迀移定值與壓縮迀移定值內(nèi)運行。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體管道連接不同耐壓等級的液體活塞的方式為:相鄰兩級液體活塞由單獨一段氣體管道連接或采用總線型連接方式，即多個液體活塞都連接到同一段氣體管道，通過管道閥門的開斷輔助壓縮過程、膨脹過程、氣體等壓迀移過程的進(jìn)行，使氣體等壓迀移可以跨級進(jìn)行，即可以不在相鄰兩等級液體活塞進(jìn)行。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述等壓迀移技術(shù)是指，相鄰兩個液體活塞A和B的初始壓強(qiáng)一致，液體活塞間相連的氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從液體活塞A注入到液體活塞B中，液體活塞B中的氣體經(jīng)氣體管道迀移到液體活塞A中，兩液體活塞內(nèi)部壓強(qiáng)在迀移過程中始終相等，實現(xiàn)氣體的等壓迀移;所述液體活塞A和B的初始壓強(qiáng)一致是指，兩個液體活塞都含有氣體，兩者氣體壓強(qiáng)一致;或者只有一個液體活塞含有氣體，另一個充滿液體;當(dāng)兩個液體活塞間的氣體管道連通時，兩者壓強(qiáng)保持一致。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述液體驅(qū)動裝置為液壓機(jī)構(gòu)或水栗，驅(qū)動液體在兩個耐壓等級液體活塞間轉(zhuǎn)移，此時兩個耐壓等級液體活塞的氣體管道導(dǎo)通，在等壓迀移過程中維持兩個耐壓等級液體活塞中氣體壓強(qiáng)始終相等，實現(xiàn)氣體的等壓迀移;可在任意兩個耐壓等級間設(shè)置液體驅(qū)動裝置，也可設(shè)置多個耐壓等級液體活塞共用同一液體驅(qū)動裝置，通過管道和閥門控制，實現(xiàn)運行。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述外部水力設(shè)備可以采用可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，或者同時采用水輪發(fā)電機(jī)組和水栗組合，或者采用液壓機(jī)構(gòu);每個耐壓等級的液體活塞所對應(yīng)的外部水力設(shè)備可獨立運行，也可以采用多個耐壓等級的液體活塞設(shè)置同一個外部水力設(shè)備，通過管道閥門控制實現(xiàn)運行。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述外部水力設(shè)備的作用為:在氣體壓縮過程中，外部水力設(shè)備利用其他能量將水注入液體活塞中，將外界其他形式的能量轉(zhuǎn)換為水的勢能后對空氣進(jìn)行壓縮，轉(zhuǎn)換為空氣的勢能;在氣體膨脹過程中，壓縮空氣的勢能轉(zhuǎn)換成水勢能后對外做功，利用外部水力設(shè)備將水的勢能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述儲氣系統(tǒng)可以為地下洞穴、地下礦井、儲氣罐等，高耐壓等級液體活塞自身也可作為儲氣裝置。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述分級壓縮儲能過程為:進(jìn)行空氣壓縮過程時，氣體在低耐壓等級液體活塞中壓縮達(dá)到該耐壓等級液體活塞的壓縮迀移定值，通過液體驅(qū)動裝置使高耐壓等級液體活塞中氣體壓強(qiáng)與低耐壓等級氣體壓強(qiáng)相等，打開閥門使相鄰兩個耐壓等級液體活塞經(jīng)氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從高耐壓等級液體活塞注入到低耐壓等級液體活塞中，低耐壓等級液體活塞中的氣體經(jīng)氣體管道等壓迀移到高耐壓等級液體活塞，在高耐壓等級液體活塞中等待下一級壓縮，實現(xiàn)分級壓縮儲能。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述分級膨脹釋能過程為:在膨脹過程中，氣體在高耐壓等級液體活塞中膨脹達(dá)到該耐壓等級膨脹迀移定值后，氣體管道連通，液體驅(qū)動裝置驅(qū)動液體從低耐壓等級液體活塞注入到高耐壓等級液體活塞，使氣體從高耐壓等級液體活塞等壓迀移到低耐壓等級液體活塞，在低耐壓等級液體活塞中進(jìn)行下一級膨脹做功，實現(xiàn)分級膨脹釋能。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體分級壓縮和分級膨脹過程中液體活塞的運作方式可有如下形式: 當(dāng)?shù)湍蛪旱燃壱后w活塞中壓力容器體積較小、高耐壓等級液體活塞體積較大時，可由低耐壓等級液體活塞內(nèi)單個壓力容器壓縮氣體后，將氣體等壓迀移到高耐壓等級液體活塞，高耐壓等級液體活塞不立即進(jìn)行氣體壓縮，低耐壓等級液體活塞繼續(xù)進(jìn)行氣體壓縮，向同一高耐壓等級液體活塞等壓迀移氣體，當(dāng)高耐壓等級液體活塞接收的氣體積累到一定量后再進(jìn)行該耐壓等級的氣體壓縮;或者由低耐壓等級液體活塞內(nèi)的多個壓力容器壓縮氣體后，逐次或同時通過等壓迀移將氣體送入高耐壓等級液體活塞后，再在高等級液體活塞中進(jìn)行壓縮;分級膨脹過程為，高耐壓等級液體活塞向低耐壓等級液體活塞中的單個壓力容器等壓迀移氣體，待氣體在該壓力容器中膨脹做功并迀移到更低耐壓等級液體活塞中后，再向該壓力容器中等壓迀移氣體，或者由高耐壓等級液體活塞逐次或同時向低耐壓等級液體活塞中的多個壓力容器等壓迀移氣體，氣體在這些壓力容器中膨脹做功后迀移到更低耐壓等級液體活塞中，重復(fù)上述過程直到高等級液體活塞中氣體完全等壓迀移到低耐壓等級液體活塞中。 當(dāng)?shù)湍蛪旱燃壱后w活塞體積較大、高耐壓等級液體活塞內(nèi)壓力容器體積較小時，低耐壓等級液體活塞中的壓縮氣體可以分?jǐn)?shù)次等壓迀移到高耐壓等級液體活塞的單個壓力容器中逐次壓縮，或者逐次或同時等壓迀移到高耐壓等級液體活塞中的多個壓力容器中再進(jìn)行壓縮;分級膨脹過程與上述過程相反，即高耐壓等級液體活塞中的單個壓力容器向低耐壓等級液體活塞多次等壓迀移高壓氣體后，或由高耐壓等級液體活塞中的多個壓力容器逐次或同時向低耐壓等級液體活塞等壓迀移高壓氣體后，再在低耐壓等級液體活塞中進(jìn)行一次膨脹做功。
【文檔編號】F04B41/06GK106089657SQ201610430708
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】姜彤, 陳紫薇, 譚明甜, 傅昊
【申請人】華北電力大學(xué)