一種基于自由活塞膨脹/壓縮機(jī)-直線電機(jī)的微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及蓄能發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮空氣蓄能系統(tǒng)(CAES)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大容量和長(zhǎng)時(shí)間電能存儲(chǔ)的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)。它通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)存多余的電能，在用電高峰時(shí)，將高壓空氣釋放，通過(guò)膨脹機(jī)做功發(fā)電。其中，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)核心部件，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能具有決定性影響。同時(shí)，由于系統(tǒng)的流量較小，傳統(tǒng)的壓縮空氣蓄能系統(tǒng)多采用單級(jí)或者多級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)及透平機(jī)組，壓縮/膨脹比不可調(diào)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，可靠性較差。同時(shí)，在壓縮蓄能過(guò)程中，儲(chǔ)氣裝置中的壓力逐漸增大導(dǎo)致蓄能效率降低，在放氣發(fā)電過(guò)程中，儲(chǔ)氣裝置中的壓縮空氣壓力逐漸減小又會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率降低。除此之外，壓縮空氣蓄能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的低品味熱能，未加以利用而白白浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了克服上述傳統(tǒng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的不足，提出一種自由活塞膨脹/壓縮機(jī)耦合直線電機(jī)的集成單元作為能量轉(zhuǎn)化裝置，并基于該裝置設(shè)計(jì)了一套微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)。該系統(tǒng)中自由活塞膨脹/壓縮機(jī)在蓄能和發(fā)電過(guò)程中能分別充當(dāng)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，大大簡(jiǎn)化了壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了成本。同時(shí)，該系統(tǒng)采用一種管殼式儲(chǔ)氣罐并通過(guò)調(diào)節(jié)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)的膨脹/壓縮比，能減小儲(chǔ)能裝置中壓縮空氣壓力溫度的大幅波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了空氣壓縮與膨脹環(huán)節(jié)的能量?jī)?yōu)化利用，提高了壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的效率。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案:
[0005]本發(fā)明所提出的微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)主要包括相對(duì)布置的自由活塞膨脹/壓縮機(jī)一、自由活塞膨脹/壓縮機(jī)二、直線電機(jī)、調(diào)壓氣罐、管殼式儲(chǔ)氣罐。
[0006]用電低峰時(shí)期，通過(guò)控制模塊調(diào)節(jié)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)進(jìn)排氣電動(dòng)閥的開(kāi)閉時(shí)刻及開(kāi)度大小，空氣分別進(jìn)入系統(tǒng)中對(duì)置布置的自由活塞膨脹/壓縮機(jī)，同時(shí)控制模塊通過(guò)電機(jī)控制器將直線電機(jī)調(diào)整為電動(dòng)機(jī)工作模式，此時(shí)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)處于壓縮工作模式，電網(wǎng)為直線電機(jī)供電，推動(dòng)兩側(cè)與直線電機(jī)耦合的自由活塞膨脹/壓縮機(jī)活塞對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，壓縮后的高壓空氣被儲(chǔ)存在管殼式儲(chǔ)氣罐中。
[0007]除此之外，本發(fā)明通過(guò)在氣路中設(shè)置換熱器二，對(duì)在上述壓縮過(guò)程中的高溫高壓空氣進(jìn)行冷卻，降低儲(chǔ)氣過(guò)程中的能耗。另外，水栗一的設(shè)置用于保證冷卻水能從蓄水池中流入換熱器二及管殼式儲(chǔ)氣罐管側(cè)中，經(jīng)換熱后的冷卻水均流回蓄水儲(chǔ)熱罐。
[0008]當(dāng)用電高峰時(shí)，將壓縮空氣從管殼式儲(chǔ)氣罐中引出，通過(guò)控制模塊調(diào)節(jié)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)進(jìn)排氣電動(dòng)閥的開(kāi)閉時(shí)刻及開(kāi)度大小，壓縮空氣分別進(jìn)入系統(tǒng)中對(duì)置布置的自由活塞膨脹/壓縮機(jī)，同時(shí)控制模塊通過(guò)電機(jī)控制器將直線電機(jī)調(diào)整為發(fā)電機(jī)工作模式，此時(shí)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)處于膨脹工作模式，推動(dòng)與兩側(cè)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)耦合的直線電機(jī)動(dòng)子做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)切割磁感線圈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，并且通過(guò)蓄電裝置將電能存儲(chǔ)，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路并入用戶電網(wǎng)。
[0009]本發(fā)明通過(guò)在氣路中設(shè)置換熱器一、換熱器三分別對(duì)上述發(fā)電過(guò)程中自由活塞膨脹/壓縮機(jī)入口壓縮空氣預(yù)熱，增加壓縮空氣焓值，提高發(fā)電效率。同時(shí)，水栗二的布置用于保證管路中的壓力，使高溫水能從蓄水儲(chǔ)熱罐中流入換熱器一，換熱后的水經(jīng)連接管路流回蓄水池。另外，經(jīng)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)做功后的熱空氣被引入換熱器三，對(duì)初始進(jìn)氣預(yù)熱，換熱后的氣體排入大氣中。
[0010]上述微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)還包括電動(dòng)閥、電磁閥、電磁三通閥、開(kāi)關(guān)繼電器、控制模塊、壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器以及各類連接線路。其中控制模塊采集系統(tǒng)中壓力傳感器、電機(jī)動(dòng)子位移傳感器、溫度傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)分析處理后作出判斷并發(fā)出指令控制各個(gè)電動(dòng)閥、電磁閥、電磁三通閥的開(kāi)閉。當(dāng)該系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)繼電器一閉合，開(kāi)關(guān)繼電器二斷開(kāi)時(shí)，直線電機(jī)為發(fā)電機(jī)模式，直線電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)蓄電裝置存儲(chǔ)；當(dāng)開(kāi)關(guān)繼電器一斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)繼電器二閉合時(shí)，直線電機(jī)為電動(dòng)機(jī)模式，外部電網(wǎng)為直線電機(jī)提供電能驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的正常工作。
[0011 ]與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]1.本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種自由活塞膨脹/壓縮機(jī)耦合直線電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化裝置。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、機(jī)電一體化程度高、機(jī)械損失小，同時(shí)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)和直線電機(jī)均可根據(jù)系統(tǒng)的工作要求而靈活切換不同工作模式。
[0013]2.本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、膨脹機(jī)用自由活塞膨脹/壓縮機(jī)-直線電機(jī)集成裝置代替，能滿足整個(gè)系統(tǒng)蓄能和發(fā)電過(guò)程的工作要求，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。
[0014]3.該微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的開(kāi)啟，調(diào)節(jié)，關(guān)閉能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓氣缸的缸內(nèi)壓力，能夠?yàn)樽杂苫钊蛎?壓縮機(jī)設(shè)置合理的壓縮/膨脹比，進(jìn)而靈活匹配蓄能/發(fā)電過(guò)程儲(chǔ)氣罐中的壓力變化，提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率。
[0015]4.該微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)設(shè)置有換熱器一、換熱器三能分別利用蓄能過(guò)程中換熱后儲(chǔ)存在蓄熱儲(chǔ)水罐中的高溫?zé)崴鞍l(fā)電過(guò)程中自由活塞膨脹/壓縮機(jī)-直線電機(jī)出口的熱空氣對(duì)發(fā)電過(guò)程中的壓縮空氣預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)了蓄能及發(fā)電過(guò)程中的能量?jī)?yōu)化利用，提高了該系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的蓄能過(guò)程示意圖；
[0017]圖2是微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的發(fā)電過(guò)程示意圖；
[00?8]圖中:1、控制模塊;2、壓力傳感器一;3、電動(dòng)閥一 ;4、位移傳感器;5、直線電機(jī);6、電動(dòng)閥二; 7、閘閥一;8、壓力傳感器二; 9、調(diào)壓氣缸一 ；10、電動(dòng)閥三；11、電動(dòng)閥四；12、電動(dòng)閥五；13、自由活塞膨脹/壓縮機(jī)一；14、自由活塞膨脹/壓縮機(jī)二； 15、電動(dòng)閥六；16、調(diào)壓氣缸二； 17、電動(dòng)閥七；18、開(kāi)關(guān)繼電器一；19、蓄電裝置;20、電磁三通閥一;21、開(kāi)關(guān)繼電器二；22、電動(dòng)閥八;23、電磁三通閥二; 24、調(diào)壓氣罐;25、換熱器一;26、換熱器二; 27、水栗一;28、水栗二 ； 29、球閥；30、電磁閥一；31、球閥；32、換熱器三;33、閘閥二; 34、管殼式儲(chǔ)氣罐;35、蓄水池;36、蓄水儲(chǔ)熱罐;37、溫度傳感器;38、電磁閥二；
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]圖1是微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的蓄能工作過(guò)程示意圖，其連接關(guān)系如圖1所示，上述的微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)包括控制模塊(I)、壓力傳感器一(2)、電動(dòng)閥一
(3)、位移傳感器(4)、直線電機(jī)(5)、電動(dòng)閥二 (6)、壓力傳感器二 (8)、電動(dòng)閥三(10)、電動(dòng)閥四(11)、電動(dòng)閥五(12)、電動(dòng)閥六(15)、電動(dòng)閥七(17)、電動(dòng)閥八(22)、開(kāi)關(guān)繼電器一(18)、蓄電裝置(19)、電磁三通閥一 (20)、開(kāi)關(guān)繼電器二 (21)、電磁三通閥二 (23)、電磁閥一 (30)、電磁閥二 (38)以及相應(yīng)的連接線路；
[0021]上述的微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)還包括自由活塞膨脹/壓縮機(jī)一(13)、自由活塞膨脹/壓縮機(jī)二(14)、調(diào)壓氣罐(24)、換熱器一(25)、換熱器二(26)、換熱器三(32)、管殼式儲(chǔ)氣罐(34)、水栗一(27)、水栗二(28)、蓄水儲(chǔ)熱罐(36)、蓄水池(35)以及相應(yīng)的連接管路；
[0022]上述微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)內(nèi)各部件的連接關(guān)系是:
[0023]自由活塞膨脹/壓縮機(jī)一(13)、自由活塞膨脹/壓縮機(jī)二(14)的連桿分別與直線電機(jī)動(dòng)子(5)通過(guò)轉(zhuǎn)接頭相連；
[0024]電動(dòng)閥一(3)、電動(dòng)閥二(6)—端設(shè)置在主空氣通路與自由活塞膨脹/壓縮機(jī)之間的支路上，另一端分別與控制模塊(I)相連;壓力傳感器一 (2)、壓力傳感器二 (8) —端分別與調(diào)壓氣缸一 (9)、調(diào)壓氣缸二( 16)相連，另一端分別與控制模塊(I)相連；電動(dòng)閥五(12) —端設(shè)置在自由活塞膨脹/壓縮機(jī)一(13)與電磁三通閥一(20)之間的空氣通路上，另一端與控制模塊(I)相連;電動(dòng)閥八(22)—端設(shè)置在自由活塞膨脹/壓縮機(jī)二(14)與電磁三通閥二
(23)之間的空氣通路上，另一端與控制模塊(I)相連；
[0025 ]位移傳感器(4) 一端與直線電機(jī)(5)相連，另一端與控制模塊(I)相連；
[0026]電磁三通閥一(20)三個(gè)接口分別設(shè)置在電動(dòng)閥五(12)與換熱器一