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)大容量和長時間電能存儲的電力儲能系統(tǒng)。它通過壓縮空氣儲存多余的電能，在用電高峰時，將高壓空氣釋放，通過膨脹機(jī)做功發(fā)電。其中，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是壓縮空氣儲能系統(tǒng)核心部件，其性能對整個系統(tǒng)的性能具有決定性影響。同時，由于系統(tǒng)的流量較小，傳統(tǒng)的壓縮空氣蓄能系統(tǒng)多采用單級或者多級往復(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，在壓縮蓄能過程中，儲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)電過程中，儲氣裝置中的壓縮空氣壓力逐漸減小又會導(dǎo)致發(fā)電效率降低。除此之外，壓縮空氣蓄能系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生大量的低品味熱能，未加以利用而白白浪費。

【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)電過程中能分別充當(dāng)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，大大簡化了壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了成本。同時，該系統(tǒng)采用一種管殼式儲氣罐并通過調(diào)節(jié)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)的膨脹/壓縮比，能減小儲能裝置中壓縮空氣壓力溫度的大幅波動，實現(xiàn)了空氣壓縮與膨脹環(huán)節(jié)的能量優(yōu)化利用，提高了壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的效率。
[0004]為了實現(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、管殼式儲氣罐。
[0006]用電低峰時期，通過控制模塊調(diào)節(jié)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)進(jìn)排氣電動閥的開閉時刻及開度大小，空氣分別進(jìn)入系統(tǒng)中對置布置的自由活塞膨脹/壓縮機(jī)，同時控制模塊通過電機(jī)控制器將直線電機(jī)調(diào)整為電動機(jī)工作模式，此時自由活塞膨脹/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)活塞對進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，壓縮后的高壓空氣被儲存在管殼式儲氣罐中。
[0007]除此之外，本發(fā)明通過在氣路中設(shè)置換熱器二，對在上述壓縮過程中的高溫高壓空氣進(jìn)行冷卻，降低儲氣過程中的能耗。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氣罐管側(cè)中，經(jīng)換熱后的冷卻水均流回蓄水儲熱罐。
[0008]當(dāng)用電高峰時，將壓縮空氣從管殼式儲氣罐中引出，通過控制模塊調(diào)節(jié)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)進(jìn)排氣電動閥的開閉時刻及開度大小，壓縮空氣分別進(jìn)入系統(tǒng)中對置布置的自由活塞膨脹/壓縮機(jī)，同時控制模塊通過電機(jī)控制器將直線電機(jī)調(diào)整為發(fā)電機(jī)工作模式，此時自由活塞膨脹/壓縮機(jī)處于膨脹工作模式，推動與兩側(cè)自由活塞膨脹/壓縮機(jī)耦合的直線電機(jī)動子做往復(fù)直線運動切割磁感線圈產(chǎn)生電動勢，并且通過蓄電裝置將電能存儲，通過轉(zhuǎn)換電路并入用戶電網(wǎng)。
[0009]本發(fā)明通過在氣路中設(shè)置換熱器一、換熱器三分別對上述發(fā)電過程中自由活塞膨脹/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，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)還包括電動閥、電磁閥、電磁三通閥、開關(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)動子位移傳感器、溫度傳感器的信號經(jīng)過分析處理后作出判斷并發(fā)出指令控制各個電動閥、電磁閥、電磁三通閥的開閉。當(dāng)該系統(tǒng)中的開關(guān)繼電器一閉合，開關(guān)繼電器二斷開時，直線電機(jī)為發(fā)電機(jī)模式，直線電機(jī)產(chǎn)生的電能通過蓄電裝置存儲；當(dāng)開關(guān)繼電器一斷開，開關(guān)繼電器二閉合時，直線電機(jī)為電動機(jī)模式，外部電網(wǎng)為直線電機(jī)提供電能驅(qū)動其運動，從而實現(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:
[0012]1.本發(fā)明設(shè)計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)緊湊簡單、機(jī)電一體化程度高、機(jī)械損失小，同時自由活塞膨脹/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，能滿足整個系統(tǒng)蓄能和發(fā)電過程的工作要求，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，實現(xiàn)了一機(jī)多用，降低了系統(tǒng)的設(shè)計成本。
[0014]3.該微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的開啟，調(diào)節(jié)，關(guān)閉能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動化控制。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓氣缸的缸內(nèi)壓力，能夠為自由活塞膨脹/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)電過程儲氣罐中的壓力變化，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程中換熱后儲存在蓄熱儲水罐中的高溫?zé)崴鞍l(fā)電過程中自由活塞膨脹/壓縮機(jī)-直線電機(jī)出口的熱空氣對發(fā)電過程中的壓縮空氣預(yù)熱，實現(xiàn)了蓄能及發(fā)電過程中的能量優(yōu)化利用，提高了該系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說明】
[0016]圖1是微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的蓄能過程示意圖；
[0017]圖2是微型/離網(wǎng)壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的發(fā)電過程示意圖；
[00?8]圖中:1、控制模塊;2、壓力傳感器一;3、電動閥一 ;4、位移傳感器;5、直線電機(jī);6、電動閥二; 7、閘閥一;8、壓力傳感器二; 9、調(diào)壓氣缸一 ；10、電動閥三；11、電動閥四；12、電動閥五；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、電動閥六；16、調(diào)壓氣缸二； 17、電動閥七；18、開關(guān)繼電器一；19、蓄電裝置;20、電磁三通閥一;21、開關(guān)繼電器二；22、電動閥八;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、管殼式儲氣罐;35、蓄水池;36、蓄水儲熱罐;37、溫度傳感器;38、電磁閥二；
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[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)、電動閥一
(3)、位移傳感器(4)、直線電機(jī)(5)、電動閥二 (6)、壓力傳感器二 (8)、電動閥三(10)、電動閥四(11)、電動閥五(12)、電動閥六(15)、電動閥七(17)、電動閥八(22)、開關(guān)繼電器一(18)、蓄電裝置(19)、電磁三通閥一 (20)、開關(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)、管殼式儲氣罐(34)、水栗一(27)、水栗二(28)、蓄水儲熱罐(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)動子(5)通過轉(zhuǎn)接頭相連；
[0024]電動閥一(3)、電動閥二(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)三個接口分別設(shè)置在電動閥五(12)與換熱器一