CN102352777A - 可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统和储能发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，为新型储能系统，涉及能量存储和发电技术，可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统具有很多优点，最突出的特点是克服了传统空气储能发电系统中压缩机与膨胀机分离、系统过于分散和设备闲置时间过多等缺点。在本发明公开的方案中，压缩机与膨胀机一体、电动机与发电机一体，压缩过程和膨胀过程中气体的流经管路和设备大部分共用，设备大量减少系统十分整湊，设备闲置时间少利用率非常高，同可再生能源结合经济环保，投资少效益高，在压缩空气储能领域具有非常广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及储能发电和再生能源技术领域，特别涉及一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统和储能发电方法。
背景技术
目前，人们的生活和生产用电，大量依赖矿物能源，如煤、天然气等，而矿物能源的形成周期非常长，一个天然能源矿的形成需要上万年甚至更长，并且都是一次性的，无法再生，面临枯竭。自然资源的矿物能源无法满足人们对能源增加的需要。
自然界的可再生能源具有很强的时效性和地域性，风能只有在刮风时才有并且是北部丰富，水能只有雨季才丰沛主要集中在中南部，太阳能在白天才出现，晚上基本没有。
用电也有很强的周期性，白天是工业用电的高峰，傍晚是生活用电的高峰，夏天降温是南部地方急需用电，冬天取暖又是北方地区用电多，凌晨用电量却很少。电力系统为了确保用电安全，必须以最大负荷需求建设电力能力，因此在低谷时，造成大量发电能力闲置。
发电和用电总是要保持平衡的，否则，电力系统的稳定性就会遭到破坏。由于可再生能源所生产的电能与用电需求不能完全匹配，大量可再生能源流失，造成有限资源大量浪费。
如何充分利用可再生能源，又能充分保证电网的用电安全，提高电网的效率呢？为解决这一问题，人们研究开发储能技术削峰填谷。目前，发展开发的储能技术有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮蓄能、电池蓄能、超导磁能蓄能和超级电容等。
抽水蓄能是成熟技术，但受自然条件的限制，建设一个抽水蓄能电站必须要建设上下游两个水库，投资大，占用土地资源多。
传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能技术，空气压缩系统和空气膨胀系统是两个完全独立的工作系统。
依靠盐洞、矿洞或天然山洞等开发的压缩空气储能系统(CAES)和正在研究开发的地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)、循环压缩空气储能系统(CAESH)等，压缩与膨胀也是采用两套相互独立的工作系统。超临界空气储能系统(CES)是一种新的储能发电系统，在存储能量的小型化上取得重大进展，但其压缩和膨胀功能还是沿用两套分离的系统完成。
压缩机和膨胀机分离系统的缺点是大量占用土地，建设工程量大；系统复杂、设备数量庞大；建设期长、资金投入多；两套系统一般不同时工作，设备闲置现象突出；发电设备和动力设备布置在同一层，压缩机和膨胀机噪音大，污染工作环境。
目前，单螺杆压缩机啮合副的型线研究取得了重大进展，非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副已走出实验室走向实用化，其中双椭圆产形面二次包络型线等优良型线无论是气密性、耐磨性和加工工艺性都具有很多优越性，这些技术在大容量可逆储能和发电方面有着广泛的应用前景。
发明内容
针对以上不足，本发明公开了一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统和储能发电方法，是新型空气储能发电技术，利用单螺杆啮合副的特殊性，解决空气储能发电系统中压缩机与膨胀机、电动机与发电机分离、系统过于分散和设备闲置时间过多等问题。其技术方案如下：
一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，包括换热器(104)和(115)、节流阀(106)、低温蓄罐(107)、阀门(108)、低温泵(109)、蓄热器(110)、冷却剂源(111)、集热器(112)和多条管路，其特征在于：还包括一台具有压缩功能和膨胀功能的可逆单螺杆压缩膨胀机(101)、一台具有电动功能和发电功能的可逆电动发电机(102)、一台相序转换开关、一台工况切换阀、一台气门阀(103)和一台调速器(113)，特别还包括可逆单螺杆压缩膨胀机(101)与可逆电动发电机(102)的立式安装方式和主轴之间的联轴器联接方式，压缩储能和逆向的膨胀释能都在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的螺杆、星轮和机壳围成的封闭螺槽内进行。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，由共轴的一级低压单螺杆压缩膨胀机和一级高压单螺杆压缩膨胀机组成，低、高压两级单螺杆压缩膨胀机经过外接管路构成串联联接。
或者，所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，由共轴的一级低压单螺杆压缩膨胀机、一级中压单螺杆压缩膨胀机和一级高压单螺杆压缩膨胀机组成，低、中、高压三级单螺杆压缩膨胀机经外接管路构成串联联接。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，两相邻螺杆之间的排列方式有面对面、背靠背、面向背或背向面四种，其中在面对面或背靠背的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相反，而在面向背或背向面的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相同。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，其螺杆为金属螺杆或陶瓷螺杆，螺杆固定在主轴(24)上，螺杆能正、反转。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，其星轮为整体金属星轮或整体陶瓷星轮，星轮固定在星轮轴上，星轮能正、反转。
所述的立式安装方式是可逆单螺杆压缩膨胀机(101)位于下层机房、电动发电机(102)位于上层机房，两竖直主轴经联轴器联接。
联轴器包括与可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)和与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)，其中在可逆电动发电机(102)开机前油压顶转子和停机过程中油压抬机时，相对于可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)轴向不动，联轴器与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)能随同可逆电动发电机(102)的主轴(44)轴向微量或微小量移动，且不影响可逆单螺杆压缩膨胀机中单螺杆啮合副的精密啮合。
相序转换开关(114)是(a)两组隔离开关组成的换相装置，或者是(b)三相五极组合换相开关。
工况切换阀(105)是一个包括压缩工位和膨胀工位的两位三通切换阀，在压缩工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和节流阀(106)，在膨胀工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和换热器(115)；或是一个包括压缩工位、膨胀工位和空位的三位三通切换阀，在压缩工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和节流阀(106)，在膨胀工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和换热器(115)，在空位时工况切换阀(105)隔断换热器(104)、节流阀(106)和换热器(115)之间的通路。
可选择地，可逆单螺杆压缩膨胀机的气体输入口管路(0)与存储气体的容器相连接，则所述的输入空气可以用其它任何气体介质代替。
可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法有压缩空气生产冷冻剂的方法和膨胀空气生产电能的方法；包括：
压缩空气生产存储冷冻剂的方法：
工况转换；
输入空气；
空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)螺槽内压缩蓄能；
热交换/蓄热；
节流液化；
液态空气存储；
和膨胀空气生产电能的方法：
工况转换；
泵送液态空气；
热交换/蓄冷；
空气升温升压；
空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)螺槽内膨胀释能；
输出电能。
在大中型机组中，可逆电动发电机(102)在电动机工况运行时，可逆单螺杆压缩膨胀机必须在启动前抽气卸载或在启动中气量调节卸载。
抽气卸载是在电动发电机启动前用真空泵抽出可逆单螺杆压缩膨胀机内气腔的空气，减少机组启动负荷实现卸载启动，是一种彻底卸载法。
气量调节卸载包括滑阀式卸载法和转动环式卸载法，其中滑阀式是通过滑阀使星轮齿啮入螺杆螺槽形成封闭容积后仍将封闭容积和吸气口相通卸载；转动环式是通过转动环的旋转改变星轮齿啮入螺杆螺槽的最大容积卸载，滑阀式和转动环式卸载法都是部分卸载法。
附图说明：
图1a和图1b为可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统两级压缩储能系统图
图2a和图2b为可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统三级压缩储能系统图
图3为可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统立式布置图
图4为两相邻螺杆的组合形式图
图5a和图5b为立式两级可逆单螺杆压缩膨胀机的实体模型图
图6a和图6b为立式三级可逆单螺杆压缩膨胀机的机壳实体模型图
图7为两级单螺杆啮合副的面向背啮合状态图
图8为相序转换开关示意图
具体实施方式
一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，包括换热器(104)和(115)、节流阀(106)、低温蓄罐(107)、阀门(108)、低温泵(109)、蓄热器(110)、冷却剂源(111)、集热器(112)和多条管路，其特征在于：还包括一台具有压缩功能和膨胀功能的可逆单螺杆压缩膨胀机(101)、一台具有电动功能和发电功能的可逆电动发电机(102)、一台相序转换开关、一台工况切换阀、一台气门阀(103)和一台调速器(113)，特别还包括可逆单螺杆压缩膨胀机(101)与可逆电动发电机(102)的立式安装方式和主轴之间的联轴器联接方式，压缩储能和逆向的膨胀释能都在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的螺杆、星轮和机壳围成的封闭螺槽内进行。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，由共轴的一级低压单螺杆压缩膨胀机和一级高压单螺杆压缩膨胀机组成，低、高压两级单螺杆压缩膨胀机经过外接管路构成串联联接。
或者，所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，由共轴的一级低压单螺杆压缩膨胀机、一级中压单螺杆压缩膨胀机和一级高压单螺杆压缩膨胀机组成，低、中、高压三级单螺杆压缩膨胀机经外接管路构成串联联接。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，两相邻螺杆之间的排列方式有面对面、背靠背、面向背或背向面四种，其中在面对面或背靠背的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相反，而在面向背或背向面的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相同。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，其螺杆为金属螺杆或陶瓷螺杆，螺杆固定在主轴(24)上，螺杆能正、反转。
所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，其星轮为整体金属星轮或整体陶瓷星轮，星轮固定在星轮轴上，星轮能正、反转。
所述的立式安装方式是可逆单螺杆压缩膨胀机(101)位于下层机房、电动发电机(102)位于上层机房，两竖直主轴经联轴器联接。
联轴器包括与可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)和与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)，其中在可逆电动发电机(102)开机前油压顶转子和停机过程中油压抬机时，相对于可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)轴向不动，联轴器与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)能随同可逆电动发电机(102)的主轴(44)轴向微量或微小量移动，且不影响可逆单螺杆压缩膨胀机中单螺杆啮合副的精密啮合。
相序转换开关(114)是(a)两组隔离开关组成的换相装置，或者是(b)三相五极组合换相开关。
工况切换阀(105)是一个包括压缩工位和膨胀工位的两位三通切换阀，在压缩工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和节流阀(106)，在膨胀工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和换热器(115)；或是一个包括压缩工位、膨胀工位和空位的三位三通切换阀，在压缩工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和节流阀(106)，在膨胀工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和换热器(115)，在空位时工况切换阀(105)隔断换热器(104)、节流阀(106)和换热器(115)之间的通路。
可选择地，可逆单螺杆压缩膨胀机的气体输入口管路(0)与存储气体的容器相连接，则所述的输入空气可以用其它任何气体介质代替。
可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法，包括：压缩空气生产冷冻剂的方法和膨胀空气生产电能的方法；
压缩空气生产存储冷冻剂的方法包括：
通过工况切换阀转换可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的工况为压缩储能工况，通过相序切换开关(114)切换相序使可逆电动发动机(102)处于电动机运行工况；
关闭与大气相连的进气口；
操作调速器(113)使气门阀(103)至全关；
启动真空泵抽出单螺杆压缩膨胀机螺槽内的空气；
电动发动机并入电网，电网电力拖动电动发电机(102)转子旋转同时拖动可逆单螺杆压缩膨胀机(101)转子旋转；
打开调速器至全开；
打开与大气相连的进气口，输入空气；
空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)螺槽内压缩蓄能；
压缩空气热交换/蓄热
压缩空气节流液化；
液化空气存储；
膨胀空气生产电能的方法包括：
通过工况切换阀转换可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的工况为膨胀发电工况，通过相序切换开关(114)切换相序使电动发动机(102)处于发电机工作状态；
打开冷冻剂控制闸阀；
泵送冷冻剂；
换热/蓄冷，
空气升压升温气化；
操作调速器将气门阀(103)开至空载开度；
空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)螺槽内膨胀释能；
操作并网；
操作调速器，控制气门阀(103)至合适开度；
输出电能；
在大中型机组中，可逆电动发电机(102)在电动机工况运行时，可逆单螺杆压缩膨胀机必须在启动前抽气卸载或在启动中气量调节卸载。
抽气卸载是在电动发电机启动前用真空泵抽出可逆单螺杆压缩膨胀机内气腔的空气，减少机组启动负荷实现卸载启动，是一种彻底卸载法。
气量调节卸载包括滑阀式卸载法和转动环式卸载法，其中滑阀式是通过滑阀使星轮齿啮入螺杆螺槽形成封闭容积后仍将封闭容积和吸气口相通卸载；转动环式是通过转动环的旋转改变星轮齿啮入螺杆螺槽的最大容积卸载，滑阀式和转动环式卸载法都是部分卸载法。
图1a、图1b公开了可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统的两级压缩储能系统。
在图1a中，空气压缩储能过程为，可逆电动发电机(102)带动可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的转子旋转，空气从管路(0)进入可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的低压压缩膨胀机，经低压级压缩膨胀机压缩后，经管路(1)进入气门阀(103)，从气门阀(103)的低压级通路排出后，经管路(2)进入换热器(104)的低压级换热器换热/蓄热后，经管路(3)进入高压级压缩膨胀机压缩后，经管路(7)进入气门阀(103)，从气门阀(103)的高压级通路出来经管路(8)进入换热器(104)的高压级换热器换热/蓄热后，经管路(9)进入工况切换阀(105)，在压缩工况下，工况切换阀(105)将管路(9)和管路(10)连通，高压空气进入节流阀(106)，在节流阀内大部分压缩空气液化存入低温蓄罐存储。未液化的小部分低温空气经管路(20)进入冷却剂源(111)经换热/蓄冷后从管路(21)排出。在空气压缩储能的过程中，冷却剂从冷却剂源(111)送出，分别从换热器(104)的高压级换热器和低压级换热器将空气冷却且自身被加热存入蓄热器(110)。
可以选择地，在切换阀(105)与节流阀(106)之间的管路(10)上，增加一换热器(未示出)，加强压缩空气的降温冷却，其热能进入蓄热器(110)进一步回收，或用于环境供热。
在图1b中，空气膨胀释能过程为，打开闸阀(108)液化空气从低温蓄罐(107)出来过闸阀(108)后进入管路(11)，液化空气经低温泵(109)加压至10-40MP，经管路(12)进入换热器(115)，在换热器(115)液化空气加热至环境温度后，经管路(13)进入工况切换阀(105)，在膨胀工况下，工况切换阀(105)将管路(13)和管路(9)连通，高压液化空气经管路(9)进入换热器(104)的高压级换热器加热/蓄冷后，经管路(8)过气门阀(103)的高压级通路后，经管路(7)进入可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的高压级压缩膨胀机膨胀，再经管路(3)返回换热器(104)的低压级换热器加热/蓄冷后，经管路(2)过气门阀(103)的低压级通路后，经管路(1)进入低压级压缩膨胀机膨胀后，从管路(0)排出。空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)内膨胀，推动螺杆轴旋转，螺杆轴旋转驱动电动发电机发电。在空气膨胀发电的过程中，热源从蓄热器(110)送出，分别从换热器(104)的高压级热交换器和低压级热交换器将空气加热且自身被冷却存入冷却剂源(111)。
环境空气从管路(64)进入换热器(115)回收的冷能，从管路(64)或进入冷却剂源(111)进一步回收冷能，或用于环境制冷。
图2a、图2b开公了可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统的三级压缩储能系统。
在图2a中，空气压缩储能过程为，可逆电动发电机(102)带动可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的转子旋转，空气从管路(0)进入可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的低压压缩膨胀机，经低压级压缩膨胀机压缩后，经管路(1)进入气门阀(103)，从气门阀(103)的低压通路排出后，经管路(2)进入换热器(104)的低压级换热器换热/蓄热后，经管路(3)进入中压级压缩膨胀机压缩后，经管路(4)进入气门阀(103)，从气门阀(103)的中压通路出来后，经管路(5)进入换热器(104)的中压级换热器换热/蓄热后，经管路(6)进入高压级压缩膨胀机压缩后，经管路(7)进入气门阀(103)，从气门阀(103)的高压通路出来后，经管路(8)进入换热器(104)的高压级换热器换热/蓄热后，经管路(9)进入工况切换阀(105)，在压缩工况下，工况切换阀(105)将管路(9)和管路(10)连通，高压空气进入节流阀(106)，在节流阀内大部分压缩空气液化进入低温蓄罐(107)存储。未液化的小部分低温空气经管路(20)进入冷却剂源(111)经换热/蓄冷后从管路(21)排出。在空气压缩储能的过程中，冷却剂从冷却剂源(111)送出，分别从换热器(104)的高压级换热器、中压级换热器和低压级换热器将空气冷却且自身被加热存入蓄热器(110)。
可以选择地，在切换阀(105)与节流阀(106)之间的管路(10)上，增加一换热器(未示出)，加强压缩空气的降温冷却，其热能进入蓄热器(110)进一步回收，或用于环境供热。
在图2b中，空气膨胀释能过程为，打开闸阀(108)液化空气从低温蓄罐(107)出来过闸阀(108)后进入管路(11)，液化空气经低温泵(109)加压至40-100MP，经管路(12)进入换热器(115)加热至环境温度后，经管路(13)进入工况切换阀(105)，在膨胀工况下，工况切换阀(105)将管路(13)和管路(9)连通，高压液化空气经管路(9)进入换热器(104)高压级换热器加热/蓄冷后，经管路(8)过气门阀(103)的高压级通路后，经管路(7)进入可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的高压级膨胀机膨胀后，再经管路(6)返回换热器(104)的中压级热交换器加热/蓄冷后，经管路(5)过气门阀(103)的中压级通路后，经管路(4)进入可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的中压级压缩膨胀机膨胀后，再经管路(3)返回换热器(104)的低压级热交换器加热/蓄冷后，经管路(2)过气门阀(103)的低压级通路后，经管路(1)进入可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的低压级压缩膨胀机膨胀后从管路(0)排出。空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)内膨胀，推动螺杆轴旋转，螺杆轴旋转驱动电动发电机发电。在空气膨胀发电的过程中，热源从蓄热器(110)送出，分别从换热器(104)的高压级热交换器、中压级热交换器和低压级热交换器将空气加热后自身被冷却存入冷却剂源(111)。
环境空气从管路(64)进入换热器(115)回收的冷能，从管路(64)或进入冷却剂源(111)进一步回收冷能，或用于环境制冷。
集热器(112)是一个外部热源收集装置，同蓄热器(110)相连，集热器(112)提供的热是太阳能热、工业余热及废热、地热、垃圾焚烧热或为补充储能发电过程损耗的能量附加的燃烧加热等之一或若干种热源的热量之组合。
图3公开了可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统立式布置的基本构造，图中是一个两级压缩膨胀系统。立式可逆单螺杆压缩膨胀机(101)固定在机坑(100)的下机座上，包括螺杆轴(24)、低压级压缩膨胀机的螺杆(25)、低压级压缩膨胀机的星轮(26)和(27)、高压级压缩膨胀机的螺杆(28)、高压级压缩膨胀机的星轮(29)和(30)。立式可逆电动发电机(102)的下机架(33)固定在机坑(100)的上机座上，可逆电动发电机(102)的外壳(43)固定在下机架(33)上，可逆电动发电机转子铁芯(40)和磁极(41)经磁轭固定在可逆电动发电机(102)的主轴(44)上，可逆电动发电机(102)的定子线圈(42)固定在外壳(43)内，上机架(35)固定在可逆电动发电机的外壳(43)上，推力头(38)固定在主轴(44)上，镜板(37)固定在推力头(38)下方，推力瓦(36)支撑在上机架的油槽底板上，上导轴瓦(39)安装在上机架(35)的油槽内，下导轴瓦(34)安装在下机架(33)的油槽内。联轴器包括与可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)和与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)。
图4公开了可逆单螺杆压缩膨胀机(101)中两相邻螺杆之间的四种布局方式，其中(a)是面对面式、(b)是背靠背式、(c)是背向面式、(d)是面向背式。其中在面对面或背靠背的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相反，而在面向背或背向面的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相同。
图5a、图5b公开了可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的两级压缩膨胀的实施例，在图中的机壳上的两面共计8个气口，其中低压级压缩膨胀机的4个进出气口是(A1)、(A2)、(A3)和(A4)，其中(A1)和(A2)相通，(A3)和(A4)相通，高压压缩膨胀机的4个进出气口是(C1)、(C2)、(C3)和(C4)，其中(C1)和(C2)相通，(C3)和(C4)相通，这些开口可全部使用也可部分组合使用，未被使用的气口用盖板密封。
图6a、图6b公开了可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的三级压缩膨胀的机壳实施例，在图中的机壳的两面共计12个气口，其中低压级压缩膨胀机的4个进出气口是(A1)、(A2)、(A3)和(A4)，其中(A1)和(A2)相通，(A3)和(A4)相通，中压压缩膨胀机的4个进出气口是(B1)、(B2)、(B3)和(B4)，其中(B1)和(B2)相通，(B3)和(B4)相通，高压压缩膨胀机的4个进出气口是(C1)、(C2)、(C3)和(C4)，其中(C1)和(C2)相通，(C3)和(C4)相通，这些开口可全部使用也可部分组合使用，未被使用的气口用盖板密封。
图7公开了可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的二级压缩膨胀机的啮合副结构，该结构为面上背式，螺杆轴(24)、低压级压缩膨胀机的螺杆(25)、低压压缩膨胀机的星轮(26)和(27)，高压级压缩膨胀机的螺杆(28)、高压级压缩膨胀机的星轮(29)和(30)。与低压级压缩膨胀机的螺杆(25)和高压级压缩膨胀机的螺杆(28)啮合的同侧的低压压缩膨胀机的星轮(26)和高压级压缩膨胀机的星轮(29)的旋转方向相同，低压压缩膨胀机的星轮(27)和高压级压缩膨胀机的星轮(30)的旋转方向相同，大端盖(45)、小端盖(46)。可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的单螺杆和星轮啮合副是非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副或双椭圆产形面二次包络型线单螺杆啮合副。
图8公开了可逆电动发电机(102)的相序转换的两种方案，其中(a)是两组隔离开关组成的换相装置，图(b)是三相五极组合换相开关。
作为一种改进方案，可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统也可以采用卧轴安装方式，在卧轴安装中，可逆单螺杆压缩膨胀机(101)和电动发电机(102)的主轴水平布置，用联轴器联接，适应于中小机组。
可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统具有很多优点，最突出的特点是克服了传统空气储能发电系统中压缩机与膨胀机分离、系统过于分散和设备闲置时间过多等缺点，在本发明公开的方案中，压缩机与膨胀机一体、电动机与发电机一体，压缩过程和膨胀过程中气体的流经管路和设备大部分共用，设备大量减少系统十分整湊，设备闲置时间少利用率非常高，同可再生能源结合经济环保，投资少效益高，在压缩空气储能领域具有非常广泛的应用前景。
以上内容描述了本发明的基本原理、主要特征和实现方式，本行业的专业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种具体参数和这些参数的改变，这些变化和改变都落在本发明的保护范围内，本发明要求保护的范围由所描述的技术方案、权利要求书以及等同物界定。
Claims (14)
1.一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，包括换热器(104)和(115)、节流阀(106)、低温蓄罐(107)、阀门(108)、低温泵(109)、蓄热器(110)、冷却剂源(111)、集热器(112)和多条管路，其特征在于：还包括一台具有压缩功能和膨胀功能的可逆单螺杆压缩膨胀机(101)、一台具有电动功能和发电功能的可逆电动发电机(102)、一台相序转换开关(114)、一台工况切换阀(105)、一台气门阀(103)和一台调速器(113)，特别还包括可逆单螺杆压缩膨胀机(101)与可逆电动发电机(102)的立式安装方式和主轴之间的联轴器联接方式，空气压缩和逆向的空气膨胀都在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的螺杆、星轮和机壳围成的封闭螺槽内进行。
2.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，由共轴的一级低压单螺杆压缩膨胀机和一级高压单螺杆压缩膨胀机组成，低、高压两级单螺杆压缩膨胀机经过外接管路构成串联联接。
或者，所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，由共轴的一级低压单螺杆压缩膨胀机、一级中压单螺杆压缩膨胀机和一级高压单螺杆压缩膨胀机组成，低、中、高压三级单螺杆压缩膨胀机经外接管路构成串联联接。
3.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，两相邻螺杆之间的排列方式有面对面、背靠背、面向背或背向面四种，其中在面对面或背靠背的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相反，而在面向背或背向面的排列中，与螺杆啮合的同侧的两个星轮的旋转方向相同。
4.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，其螺杆为金属螺杆或陶瓷螺杆，螺杆固定在主轴(24)上，螺杆能正、反转。
5.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：所述可逆单螺杆压缩膨胀机(101)，其星轮为金属星轮或陶瓷星轮，星轮固定在星轮轴上，星轮能正、反转。
6.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：所述的立式安装方式是可逆单螺杆压缩膨胀机(101)位于下层机房、电动发电机(102)位于上层机房，两竖直主轴经联轴器联接。
7.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：联轴器包括与可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)和与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)，其中在可逆电动发电机(102)开机前油压顶转子和停机过程中油压抬机时，相对于可逆单螺杆压缩膨胀机(101)的主轴(24)固联的部分(31)轴向不动，联轴器与可逆电动发电机(102)的主轴(44)固联的部分(32)能随同可逆电动发电机(102)的主轴(44)轴向微量或微小量移动，且不影响可逆单螺杆压缩膨胀机中单螺杆啮合副的精密啮合。
8.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：相序转换开关(114)是(a)两组隔离开关组成的换相装置，或者是(b)三相五极组合换相开关。
9.根据权利要求1所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统，其特征在于：工况切换阀(105)是一个包括压缩工位和膨胀工位的两位三通切换阀，在压缩工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和节流阀(106)，在膨胀工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和换热器(115)；或是一个包括压缩工位、膨胀工位和空位的三位三通切换阀，在压缩工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和节流阀(106)，在膨胀工位时工况切换阀(105)连通换热器(104)和换热器(115)，在空位时工况切换阀(105)隔断换热器(104)、节流阀(106)和换热器(115)之间的通路。
10.一种可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法，其特征在于：可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法有压缩空气生产冷冻剂的方法和膨胀空气生产电能的方法；包括：
压缩空气生产存储冷冻剂的方法：
工况转换；
输入空气；
空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)螺槽内压缩蓄能；
热交换/蓄热；
节流液化；
液态空气存储；
和膨胀空气生产电能的方法：
工况转换；
泵送液态空气；
热交换/蓄冷；
空气升温升压；
空气在可逆单螺杆压缩膨胀机(101)螺槽内膨胀释能；
输出电能。
11.根据权利要求10所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法，其特征在于：在大中型机组中，可逆电动发电机(102)在电动机工况运行时，可逆单螺杆压缩膨胀机必须在启动前抽气卸载或在启动中气量调节卸载。
12.根据权利要求10、11所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法，其特征在于：抽气卸载是在电动发电机启动前用真空泵抽出可逆单螺杆压缩膨胀机内气腔的空气，减少机组启动负荷实现卸载启动，是一种彻底卸载法。
13.根据权利要求10、11所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法，其特征在于：气量调节卸载包括滑阀式卸载法和转动环式卸载法，其中滑阀式是通过滑阀使星轮齿啮入螺杆螺槽形成封闭容积后仍将封闭容积和吸气口相通卸载；转动环式是通过转动环的旋转改变星轮齿啮入螺杆螺槽的最大容积卸载，滑阀式和转动环式卸载法都是部分卸载法。
14.根据权利要求10所述的可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电方法，其特征在于：可逆单螺杆压缩膨胀机储能发电系统是立式安装或卧轴安装，在卧轴安装中，可逆单螺杆压缩膨胀机(101)和电动发电机(102)的主轴水平布置，用联轴器联接，适应于中小机组。
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