CN102518481A - 压缩空气储能发电系统 - Google Patents

Abstract

一种压缩空气储能发电系统，包括电动机、电动机驱动的空气压缩机、高压储气罐、低压汽轮机、由低压汽轮机驱动的发电机，空气压缩机压缩的空气驱动低压汽轮机。本发明的压缩空气储能发电系统，效率高，寿命长，存取方便，储能容量大，投资成本低，利用压缩空气发电，节能减排，低碳环保。发电系统的低压汽轮机，打破了所有动力机械的范畴，它是流体力学、气压力学、杠杆力学、势能力学完美的结合体，并且还可以循环供给自身的能源，多次做功，使其机械效率大大提高，也更加节能，由于不需要超高压蒸汽驱动，不必考虑绝热和散热，结构简单、成本低廉、持久耐用、维护方便，可广泛应用于动力拖动和发电当中。

Description

压缩空气储能发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，具体地说，是一种压缩空气储能发电系统。

背景技术

地球能源的开发和利用，仍属当今世界的重大课题，在不断开发新能源的同时，如何更有效的利用现有能源，其中包括节能、储能技术的开发，更为世人关注，尤其是储能技术的开发，已成为一项迫切的工程，因为随着社会的高速发展，使现在的用电量极不均衡，夜间与白天负荷之比几乎达到1∶100以上，而担负基荷的火电，尤其是核电很难在夜间低谷负荷期间停机灭炉，即使白天高峰负荷期间，用于调峰的中间机组数量有限，迫使国际社会不遗余力地研究开发储能技术，现有的储能技术效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大。

传统的压缩空气储能是一种基于燃汽轮机的储能技术，燃汽轮机的制造工艺复杂、材料要求苛刻、成本高昂、需要燃油和天然气辅助做功发电，产出效率低。

基于燃汽轮机的诸多特性，导致压缩空气储能技术在我国难以推广，首先，我国并未掌握燃汽轮机的核心技术，一直以来依赖进口，且燃汽轮机属于发达国家严格保密的技术。其次，燃汽轮机必须烧油烧气，而我国是一个缺油少气的国家，经济效益大打折扣。

发明内容

本发明针对现有储能技术效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大，燃汽轮机的制造工艺复杂、材料要求苛刻、成本高昂、要用燃油和天然气辅助做功发电，产出效率低等缺点，设计了一种压缩空气储能发电系统。

本发明的压缩空气储能发电系统，包括电动机、电动机驱动的空气压缩机、高压储气罐、低压汽轮机、由低压汽轮机驱动的发电机，空气压缩机压缩的空气驱动低压汽轮机，所述的低压汽轮机包括机架，位于机架上的可旋转的主轴，主轴上固定装有至少两级由偶数N个腔体组成的转子，腔体沿圆周均布，相对的两个腔体通过连通轴互相连通成一个密闭腔，密闭腔内装有流体，每个腔体中安装有气囊，气囊通过法兰盘安装在腔体中，气囊设置有进气通道和出气通道，进气通道和出气通道之间设置有电磁换向阀，电磁换向阀位于连通轴上，并位于以主轴为圆心的同一圆周上，出气通道通过管路与下一级转子同位置腔体相对的腔体中气囊的进气通道相接，所述的主轴上设置有N通接头，通过管路与电磁换向阀相接，所述的主轴上固装有接近开关支架，接近开关支架上与电磁换向阀相应的位置处设置有接近开关，所述的机架上设置有弧形凸轮，弧形凸轮位于60°-90°和240°-270°的位置，并与接近开关位于同一圆周上；主轴的一端连接有发电机进行发电，另一端安装有旋转供气阀，旋转供气阀与气源相接，所述的旋转供气阀包括阀芯，套装在阀芯外面的阀体、固定在阀芯上位于阀体外端的阀盖，阀芯的外圆柱面上有环形进气槽，阀体外圆柱面安装有与环形进气槽相对应的进气口，进气口与气源相接，环形进气槽底部有钻孔，阀芯内中心有与环形进气槽底部钻孔连通的中心孔，气体通过中心孔与主轴相接。

优选的是，气囊的进气通道和出气通道的一端有翻边，法兰盘套过气囊压住翻边将气囊固定在腔体中。

优选的是，所述的低压汽轮机还可设置有发电机，发电机的转子上设置有齿轮，主轴上设置有齿轮，主轴上的齿轮通过与发电机转子上的齿轮啮合进行发电。

优选的是，所述的低压汽轮机设置有与发电机相接蓄电池，蓄电池为低压汽轮机的电控系统供电。

优选的是，所述的N＝8。

优选的是，所述的转子设置有八级，且转子直径逐级减少。

本发明利用电动机驱动空气压缩机，结构简单，效率高，寿命长，存取方便，储能容量大，投资成本低。

发电系统的低压汽轮机，打破了所有动力机械的范畴，它是流体力学、气压力学、杠杆力学、势能力学完美的结合体，并且还可以循环供给自身的能源，多次做功，使其机械效率大大提高，也更加节能，由于不需要超高压蒸汽驱动，不必考虑绝热和散热，结构简单、成本低廉、持久耐用、维护方便。

压缩空气储能发电系统，利用压缩空气驱动低压汽轮机发电，解决了原先的基于燃汽轮机的储能技术需要燃油和天然气辅助做功发电，消耗大量资源，成本极高，且技术复杂，难以维护等缺点，对设备要求低，节能减排，低碳环保。

附图说明

附图1为本发明的系统示意图；

附图2为本发明的低压汽轮机的结构图；

附图3为本发明的低压汽轮机旋转供气阀的结构图；

附图4为本发明的低压汽轮机气囊的结构图.

具体实施方式

本发明的压缩空气储能发电系统，如图1至4所示，包括电动机、电动机驱动的空气压缩机、高压储气罐、低压汽轮机、由低压汽轮机驱动的发电机，空气压缩机压缩的空气驱动低压汽轮机，所述的低压汽轮机，如图2所示，包括机架1、弧形凸轮2、齿轮3、发电机4、电控系统、蓄电池5、轴承、主轴6、旋转供气阀7、转子、椭圆形腔体9、管道10、椭圆形气囊、电磁换向阀11、接近开关12、接近开关支架13。

两组机架1成水平安装，其中一组大的机架1安装有钢板焊制的平台，并且在机架1的内侧的240°到270°位置和60°到90°位置安装有弧形凸轮2，接近开关支架13安装在弧形凸轮2一侧机架1上与弧形凸轮平齐，另一组机架1的内侧安装有齿轮3，用来驱动主轴6装有另一个齿轮3的一个小功率的发电机4’给蓄电池5供电，蓄电池5给低压汽轮机转子的电控系统供电。每组机1安装有轴承座和轴承，主轴6安装于两组轴承中，主轴6一端可以安装发电机4，就可以驱动发电机4发电，另一端则安装旋转供气阀7系统，用来给低压汽轮机供气。

低压汽轮机的转子安装在主轴6的中间部位，低压汽轮机的转子从大到小排列，共分8级，第一级是80米，以此类推是70米、60米、50米、40米、30米、20米、10米，从大到小循环做功，以求获得更多的推力。

每一组转子的顶部周围要以偶数的形式均匀的排列安装8个椭圆型腔体，上下相对的腔体要有相对应的管路连通，使其连通成一个密闭腔，每一个椭圆型腔体中安装有一个椭圆形气囊，如图4所示，椭圆形气囊的一端设计有加厚的带翻边的进气和出气的公共腔道，安装的时候，用法兰盘套过气囊压住翻边，然后用螺丝通过翻边上的孔，紧紧固定在椭圆形腔体9底部的法兰盘上，然后通过焊接在法兰盘外面的管路和外面的供气系统连接，上下相对于装转子对称的每一组椭圆形腔体9的下面一只椭圆形腔体9和连接腔体的管道10，都装满了流体物质，而上面的椭圆形腔体9内的椭圆形气囊充入了压缩空气，使气囊充分膨胀，用来排净腔体空间内的空气，使其形成真空，以便流体物质在从下面腔体高速转移到上面腔体的过程中，不会受到空气的阻力，而直接挤压上面腔体内气囊里的压缩空气，为循环到低压汽轮机下一级转子的气囊中做好准备。

主轴6的另一端安装的旋转供气阀7，如图3所示，保括阀芯14、套装在阀芯14外面的阀体15、固定在阀芯14上位于阀体15外端的阀盖16。旋转供气阀7阀芯14的外圆柱面上加工有进气环形槽，进气环形槽底部有钻孔，阀芯14内中心有与环形槽底部钻孔连通的中心孔，阀体15外圆柱面安装有与进气环形槽相对应的进气口。

旋转供气阀7安装在主轴6上，使主轴6的中心孔和旋转供气阀7的中心孔连接，这样气路就可以连通了，使压缩气体在低压汽轮机旋转的时侯也可以供入，不受任何影响。旋转供气阀7工作的时候动力轴、阀芯14、阀盖16一起旋转，阀体15则静止不动，因为阀体15和阀芯14属于摩擦密封，所以即使在旋转的时候，压缩空气也不会泄露。

压缩空气通过进气气路，通过阀体15上的进气口，进入到阀芯14上面的进气环形槽里面，然后再通过环形槽底部的孔进入到阀芯14内端面的中心孔，从阀芯14的中心孔又进入到主轴6的中心孔，经过主轴表面与中心孔相同的气孔，通过管路与低压汽轮机第一级转子每个电磁换向阀11的进气口相连，进入到低压汽轮机中，这就是旋转供气阀系统。

低压汽轮机每一级转子上，连通8个腔体的8根管道的内侧面，靠近动力轴的地方，分别安装8套电磁换向阀11，电磁换向阀11是双向的，两边各有一组电磁线圈，来控制阀芯14左右运动，电磁换向阀11有三种工作状态。

第一种状态，两边电磁线圈都不通电，阀芯14由于两边弹簧的作用处于中间位置的时候，气囊的进气和出气全部关闭。

第二种状态，左边的电磁线圈通电的时候，阀芯14被吸引到左边，气囊的充气通道开启，出气通道关闭。

第三种状态，右边的电磁线圈通电的时候，阀芯14被吸引到右边，气囊的出气通道开启，充气通道关闭。

而在第一级转子，靠近环形凸轮的地方，相对应8根管道的内侧面的8套电磁阀附近，安装了8组接近开关12，每一组接近开关12分为两只，来分别控制双向电磁换向阀11两边的两组电磁线圈。

低压汽轮机转动的时候，固定在机架1上的弧型凸轮静止，因此弧形凸轮2就会依次开启8组接近开关12，接通8套电磁换向阀11用来分别控制低压汽轮机的8级转子里的气囊的充气、出气和关闭。低压汽轮机转子的第8级连通8个腔体的8根管道的内侧面，靠近动力轴的地方，安装小功率低速发电机4’，发电机4轴上安装的齿轮3和机架上的齿轮3相互齿合，低压汽轮机转动的时候，小功率发电机4’的齿轮3沿着固定在机架1上的齿轮3齿合转动，使小发电机4’发电，然后充入安装在小发电机4’旁边的小功率的蓄电池5里面，供给电磁换向阀和接近开关12用。

低压汽轮机是这样工作的，根据一个大气压能把水压高到10米这个定律，低压汽轮机的转子最高的一级是80米，选用1兆帕的压缩空气，驱动80米的低压汽轮机，1兆帕的压缩空气通过旋转供气阀7进入主轴6中心孔，到达每一组转子，然后分为8路，分别接入低压汽轮机每一级的8个电磁换向阀11的进气口，其中处于240°位置的两只接近开关12的其中一只，被安装在机架1上的240°位置到270°位置的弧形凸轮2打开，从而接通处于240°位置的电磁换向阀11的左边位置的电磁线圈，电磁换向阀11动作，阀芯14被吸引到左边，进气通道开启，出气通道关闭，1兆帕的压缩空气便迅速充入电磁换向阀11相对应的腔体中的气囊中，气囊膨胀，流体物质受到1兆帕的压力被快速挤压到相对的腔体中，并且作为一种传导1兆帕压力的媒介加压上面腔体的气囊，与此同时，上面60°位置的那一组接近开关12的其中一只被位于60°位置到90°位置的弧形凸轮2所打开，从而接通处于60°位置的电磁换向阀11的右边电磁线圈，电磁换向阀11动作，阀芯14被吸引到右边，进气通道关闭，出气通道打开，由于气囊内事先已经充入压缩空气，所以压缩空气携带自身的压力，加之流体物质对它的挤压，通过相应的管路，通过已经打开的，控制第二级转子的电磁换向阀11，循环到低压汽轮机转子的下一级70米的，位于240°位置的腔体中的气囊中，气囊膨胀，流体物质又被挤压到上面的腔体中，与此同时上面腔体的气囊中，事先充好的压缩空气，先通过上面60°位置的已经打开的电磁换向阀11及相应的管道10，再通过位于240°位置已经打开的控制第三级转子的电磁换向阀11，循环到第三级60米的这一级，然后以此类推循环到50米、40米、30米、20米、10米，8次循环同步进行，循环到最后一级压缩空气释放不再循环，此时低压汽轮机的8级转子中位于60°位置的8个腔体中充满流体物质，而240°位置的8个腔体中充满压缩空气，此时重心逆变，顶部的8个腔体携带巨大的势能从高处下落，低压汽轮机的8级转子开始旋转，再借助杠杆力就可以获得巨大的动力，随着转子的转动，第一组腔体转动到270°的位置，使240°位置的接近开关12，和60°位置的接近开关12同时脱离弧形凸轮2，使相对应的电磁换向阀11的两组电磁线圈同时断电，阀芯14回到中心位置，电磁换向阀11关闭，使处于270°位置8个腔体中的气囊的进气口和出气口都被关闭，充入的压缩空气被封闭在各自的气囊中，为下一次循环做好准备。同时处于90°位置8个腔体中的气囊的进气口和出气口也被关闭，与此同时第2组腔体又旋转到240°和60°的位置，重复上面充气、循环的过程，然后下落转动，以此类推第3组、第4组、第5组、第6组、第7组、第8组、依次充气、循环，然后下落转动，然后再从第一组继续充气循环做功，就这样周而复始，低压汽轮机就可以稳定地、匀速地输出动力，带动发电机发电。

电动机驱动空气压缩机压缩空气，将空气存储在高压储气罐中，将高压储气罐内的压缩空气供给低压汽轮机，低压汽轮机带动发电机发电。

低压汽轮机所发的电能十分稳定，能很稳定的并入电网，也不会对电网形成冲击。

压缩空气储能发电系统，改变了传统的压缩空气储能用燃汽轮机发电的种种弊端，高压储气罐中的高压气体，经过减压阀减压后直接供给低压汽轮机旋转，驱动发电机发电，不需要再加入燃油或天然气，低压汽轮机还可以把储存的压缩空气循环利用使其效率成倍增加，也使压缩空气储能发电的产出效益大大提高。

夜间的电价低，在夜间，可以使用电驱动电动机带动空气压缩机，将空气压缩存储在高压储气罐内；白天的电价高，在白天，可以将夜间存储的压缩空气供给低压汽轮机，低压汽轮机带动发电机发电，将所发的电能销售，在我国，白天和夜间的电价相差数倍，使用压缩空气储能发电系统可以得到非常好的经济效益，提高国家能源的利用率，平衡功率，削峰填谷，减少峰谷差，提高电网互动性，为国家节约巨额资金。

Claims (6)

1.一种压缩空气储能发电系统，其特征在于，包括电动机(17)、电动机(17)驱动的空气压缩机(18)、高压储气罐(19)、低压汽轮机、由低压汽轮机驱动的发电机(4)，空气压缩机压缩的空气驱动低压汽轮机，所述的低压汽轮机包括机架(1)，位于机架(1)上的可旋转的主轴(6)，主轴(6)上固定装有至少两级由偶数N个腔体组成的转子，腔体沿圆周均布，相对的两个腔体通过连通轴互相连通成一个密闭腔，密闭腔内装有流体，每个腔体中安装有气囊，气囊通过法兰盘安装在腔体中，气囊设置有进气通道和出气通道，进气通道和出气通道之间设置有电磁换向阀(11)，电磁换向阀(11)位于连通轴上，并位于以主轴(6)为圆心的同一圆周上，出气通道通过管路与下一级转子同位置腔体相对的腔体中气囊的进气通道相接，所述的主轴(6)上设置有N通接头，通过管路与电磁换向阀(11)相接，所述的主轴(6)上固装有接近开关支架(13)，接近开关支架(13)上与电磁换向阀(11)相应的位置处设置有接近开关(12)，所述的机架(1)上设置有弧形凸轮(2)，弧形凸轮(2)位于60°-90°和240°-270°的位置，并与接近开关(12)位于同一圆周上；主轴(6)的一端连接有发电机(4)进行发电，另一端安装有旋转供气阀(7)，旋转供气阀(7)与气源相接，所述的旋转供气阀(7)包括阀芯(14)，套装在阀芯(14)外面的阀体(15)、固定在阀芯(14)上位于阀体(15)外端的阀盖(16)，阀芯(14)的外圆柱面上有环形进气槽，阀体(15)外圆柱面安装有与环形进气槽相对应的进气口，进气口与气源相接，环形进气槽底部有钻孔，阀芯(14)内中心有与环形进气槽底部钻孔连通的中心孔，气体通过中心孔与主轴(6)相接。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，气囊的进气通道和出气通道的一端有翻边，法兰盘套过气囊压住翻边将气囊固定在腔体中。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述的低压汽轮机还可设置有发电机(4’)，发电机(4’)的转子上设置有齿轮(3)，主轴上设置有齿轮(3)，主轴(6)上的齿轮(3)通过与发电机(4’)转子上的齿轮(3)啮合进行发电。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述的低压汽轮机设置有与发电机(4’)相接蓄电池(5)，蓄电池(5)为低压汽轮机的电控系统供电。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述的N＝8。

6.根据权利要求1所述的压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述的转子设置有八级，且转子直径逐级减少。

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