CN114215716A - 一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，包括电控箱、机壳、高压储气罐和电动机和发电机两用一体机，机壳内设一个或多个缸体组，每个缸体组包括一只缸体，缸体的顶部经第一前气门外接常压空气进出口，第一缸体的顶部还经第一后气门接高压空气出进口，高压空气出进口经并联的反向气体流量自动调节装置和带单向反流气门的防气体倒流装置接高压储气罐；缸体上、下分别对应设置凸轮轴和曲轴，缸体上前、后气门经连杆受凸轮轴上凸轮控制开闭；所述曲轴一端接电动机和发电机两用一体机；所述曲轴另一端和该端对应的凸轮轴一端共接可变配合时间传动机构。其结构紧凑、自动化程度高、压缩膨胀空气能利用率高。

Description

一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置

技术领域

本发明涉及一种储能装置，具体说是一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置。

背景技术

空气压缩储能是一种物理储能，没有化学储能的环境污染和高成本问题，只要增加一定量的高压储气罐，就可以大量提升储能容量，也比蓄水储能能量密度高，但现有公开和使用的空气压缩储能装置都是大型装置，且压缩机构和膨胀机构均是分开的独立大型装置，体积大、成本高且压缩和膨胀的利用效率低，不能实现小型化、低成本，极大的限制了空气压缩储能在工厂内的普及应用。当前要逐步压缩煤电比例，大力发展太阳能、风能，太阳能又只能在一定时间内发电，各工厂屋面发电不能有效储存，化学电池储能体积大、成本高、后期处理有污染，急需一种低成本、无污染、可无限重复的高效小型储能机构。

发明内容

本发明提供了一种结构紧凑、自动化程度高、压缩膨胀空气能利用率高的小型高效空气储能装置。

本发明采用的技术方案是：一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，包括电控箱、机壳、高压储气罐和电动机和发电机两用一体机，机壳内设一个或多个缸体组，其特征在于：所述每个缸体组包括一只缸体，缸体的顶部经第一前气门外接常压空气进出口，第一缸体的顶部还经第一后气门接高压空气出进口，高压空气出进口经并联的反向气体流量自动调节装置和带单向反流气门的防气体倒流装置接高压储气罐；缸体上、下分别对应设置凸轮轴和曲轴，缸体上前、后气门经连杆受凸轮轴上凸轮控制开闭；所述曲轴一端接电动机和发电机两用一体机；所述曲轴另一端和该端对应的凸轮轴一端共接可变配合时间传动机构。

一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，包括电控箱、机壳、高压储气罐和电动机和发电机两用一体机，机壳内设一个或多个缸体组，其特征在于：所述每个缸体组包括两只以上缸体，两只以上缸体的第一缸体的顶部经第一前气门外接常压空气进出口，第一缸体的顶部还经第一后气门接气道前端，气道后端经第二前气门接第二缸体的顶部，两两相邻缸体之间连接结构与第一、二缸体之间经气道连接的结构相同，两只以上缸体的最后一缸体的顶部经最后后气门接高压空气出进口，高压空气出进口经并联的反向气体流量自动调节装置和带单向反流气门的防气体倒流装置接高压储气罐；每个缸体组上、下分别对应设置凸轮轴和曲轴，两两相邻缸体的活塞经联杆接在曲轴上两段相差180°的曲拐上，后气门、前气门分别经连杆受凸轮轴上凸轮控制开闭；所述曲轴一端接电动机和发电机两用一体机；所述曲轴另一端和该端对应的凸轮轴一端共接可变配合时间传动机构。

进一步地，所述可变配合时间传动机构包括主动轮、被动轮、导轮、涨紧轮、涨紧传动带、涨紧轮移动驱动机构，主动轮装在曲轴上或与曲轴同步旋转的轴上，被动轮装在凸轮轴上或与凸轮轴同步旋转的轴上，涨紧传动带经多个导轮绕接在主动轮和被动轮上，涨紧传动带内侧水平设置涨紧轮，涨紧轮连接涨紧轮移动驱动机构呈受驱可调向左或向右水平移动涨紧涨紧传动带使得被动轮可旋转一定角度涨紧涨紧传动带的状态。

进一步地，每个缸体组中各缸体的中心线平行且都与曲轴中心线在同一平面上设置，缸体的中心线与曲轴中心线垂直，一组或多组缸体组以曲轴中心线为圆心在360°内呈一定角度设置，或多组缸体与曲轴中心线都在同一平面上，所述一组缸体配一套可变配合时间传动机构或多组缸体共用一套可变配合时间传动机构，或一组缸体采用多套可变配合时间传动机构。

进一步地，还包括液体温控循环系统，液体温控循环系统包括液体储热箱、管道、热交换流道、液体循环泵、温控传感器，所述液体储热箱上设有散热集热装置并联接电控箱，在各缸体周边、各气道周边、高压储气罐周边设有液体热交换流道，各液体热交换流道上均设置独立的温控传感器和液体循环泵，温控传感器和液体循环泵联接电控箱。

进一步地，所述每个缸体组两两相邻的缸体间连通的气道可由一个气门控制。

进一步地，所述高压空气出进口与高压储气罐之间设有气体干燥装置。

进一步地，所述每个缸体组中由前至后的缸体可压缩空腔逐渐减小。

进一步地，所述涨紧轮移动驱动装置由电机、减速机、丝杆、滑轨、滑座组成，或由其他能平移自锁的装置，电机经减速机驱动丝杆，丝杆穿接滑轨上滑座后连接涨紧轮，电机联接电控箱，涨紧轮移动驱动装置为手动装置或电控箱控制的自动装置。

压缩和膨胀共用一体机中设有一个或多个组缸体，每组缸体由一个或多个缸体组成。每个缸体内活塞与缸体气密状态下滑动配合作往复运动，活塞经联杆接曲轴曲拐。在同一组内：第一缸体顶端设有常压大气进出口，并设有第一前气门控制开闭，第一缸体顶端和第二缸体顶端之间设有气道，并设有第一后气门、第二前气门控制开闭，第二缸体顶端和第三缸体顶端之间设有气道，并设有第二后气门、第三前气门控制开闭，可以根据需要设置缸体的数量，最后一个缸顶端设有高压空气出进口，在活塞行程一样的情况下，第一个缸体到最后一个缸体直径由大到小设置，以实现空气的逐级压缩及反向逐级膨胀。相邻两个缸体顶部气道相通的缸对应的曲轴曲拐呈相差180°设置。其压缩空气的过程为：可变配合时间传动机构中涨紧轮在涨紧轮移动驱动机构的作用下由涨紧传动带内一侧涨紧涨紧传动带，使多余设置的涨紧传动带更多的在主动轮和被动轮的一侧，此时主动轮和被动轮设定角度0度对0度对应，没有偏差，电动机和发电机两用一体机作作电动机使用，驱动曲拐旋转，经联杆带动活塞在缸内做上、下往复运动。当缸体组奇数位的缸体内活塞从顶端向曲拐轴方向底部运行时，在凸轮轴上凸轮的控制下各奇数位缸体内前进气门保持打开状态，各奇数位缸体内后进气门保持关闭状态，此时偶数位缸体内活塞从底部向顶部运行，在凸轮轴上的凸轮的控制下偶数位缸体内前进气门保持关闭状态，偶数位缸体内后进气门保持打开状态，常压空气被从常压空气进出口吸入第一缸体内腔，第二缸体内腔空气被压缩至第三缸体内腔，第三缸体内腔吸入第二缸体内腔空气，第四缸体内腔空气被压缩，每两个相邻缸体内腔完成吸入压缩作业，最后一缸体内腔通过高压空气进出口压出送入高压储气罐。当奇数位缸体内活塞从底部向顶部运行时，在凸轮轴上凸轮的控制下，奇数位缸体内前进气门保持关闭状态，奇数位缸体内后进气门保持打开状态，此时偶数位缸体从顶部向底部运行，在凸轮轴上凸轮的控制下，偶数位缸体内前进气门保持打开状态，偶数位缸体后进气门保持关闭状态，奇数位缸体的空气分别被压至各奇数位缸体后对应的偶数位缸体中，如此连续运行即可实现对常压空气的逐级压缩；

如压缩和膨胀共用一体机作为膨胀机发电时，过程为：可变配合时间传动机构中涨紧轮在涨紧轮移动驱动装置的作用下移动到涨紧传动带内另一侧，使多余设置的传动带更多的在主动轮、被动轮中心两点一线的另一侧，由于原来在一侧涨紧时涨紧传动带的多余部分转移到另一侧，移动量正好是被动轮周长的一半，进而使被动轮与主动轮的角度配合相差了180°，从而满足膨胀发电时的气门开闭状态需要。在此调整后，当偶数位缸体活塞从顶部向底部运动时，在凸轮轴上凸轮的控制下偶数位缸体后进气门保持打开状态，偶数位缸体前进气门保持关闭状态，高压气体从高压储气罐经高压空气出进口送至偶数位的最后一缸体内，膨胀推动其活塞从顶部向底部运动，此时奇数位缸体活塞则同时从底部向顶部运动，在凸轮轴上凸轮的作用下奇数位缸体前进气门保持打开状态，奇数位缸体后进气门保持关闭状态，运动中原来奇数位缸体内内降压过的空气被推入该奇数位前一偶数位缸体内进一步膨胀推动活塞向底部运动，第一缸体内已经膨胀做功过的低压空气被推出经常压空气进出口排出，当偶数位缸体活塞从底部向顶部运动时，奇数位缸体活塞从顶部向底部运动，在凸轮轴上凸轮的控制下偶数位缸体后进气门保持关闭状态，偶数位缸体前进气门保持打开状态，奇数位缸体后进气门保持打开状态，奇数位缸体前进气门保持关闭状态，每个偶数位缸体内已膨胀降压的空气分别进入各自前对应的奇数位缸体内进一步膨胀做功降压，从而实现多级降压多级做功，实现对高压空气的高效利用。高压气体进入各缸膨胀做功推动活塞往复运动，再经联杆驱动曲轴360°旋转，曲轴再驱动压缩和膨胀共用一体机旋转发电。

在曲轴或与曲轴同步运转的轴上设有转速传感器，在高压空气出进口与高压储气罐之间设有反向气体流量自动调节装置，两者都联接电控箱，在发电时电控箱根据设定转速结合转速传感器，控制反向气体流量自动调节装置调整流入压缩和膨胀一体机的气量，以控制高压储气罐内气体在高压、低压的变化时曲轴达到设定转速及对发电量的量化。反向气体流量自动调节装置由电控箱控制或手动调节。反向气体流量调节装置在压缩空气过程中是处于关闭状态，只有在发电时使用。

转速传感器可以是信号凸配合接近开关或编码器。曲轴上固定设一个飞轮以确保压缩空气或膨胀发电时的平滑运行。

本发明创新性发明了可变配合时间传动机构可在同一台机上实现曲轴驱动活塞往复多缸逐级压缩空气和高压气体多缸逐级膨胀驱动曲轴发电的两个过程，改变了在压缩空气和膨胀发电过程中气门与活塞运动配合时间，可同时满足压缩空气和膨胀发电两种过程中的配合要求，实现了压缩空气和膨胀发电共用一机的效果和目的，有效解决了现有空气压缩储能的体积大、成本高的问题，也由于实现了逐级压缩和逐级膨胀过程中的空气气密性好，使得压缩时对电能的利用和膨胀发电时对高压空气能的利用更高效，且可根据实际需要配置，自动化程度更高，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图；

图2为图1可变配合时间传动机构压缩作业时结构示意图；

图3为图1可变配合时间传动机构膨胀作业时结构示意图。

图中：机壳1、曲轴2、曲拐3、电动机和发电机两用一体机4、电控箱5、凸轮轴6、气门凸轮7、第一缸体8、第一前进气门9、第一后进气门10、第二缸体11、第二前进气门12、第二后进气门13、第三缸体14、第四缸体15、活塞16、联杆17、常压空气进出口18、气道19、高压空气出进口20、防气体倒流装置21、防反流气门22、反向气体流量自动调节装置23、气体干燥装置24、可变配合时间传动机构25、主动轮26、被动轮27、涨紧传动带28、导轮29、涨紧轮30、电机31、减速机32、丝杆33、滑轨34、滑座35、高压储气罐36、高压储气罐进出气口37、液体储热箱38、散热集热装置39、液体循环泵40、管道41、温度传感器42、液体循环泵43、热交换流道44、转速传感器45。

具体实施方式

以下结合附图和实施例作进一步说明。

图1所示，一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能系统和装置，包括机壳1，本实施例选取在机壳1内设置一组缸体组，缸体组包括内径逐渐减小、活塞行程腔逐渐减小的第一、二、三、四缸体8、11、14、15，第一、三缸体8、14作为奇数位，第二、四缸体11、15作为偶数位，每个缸体顶部均设有前进气门和后进气门，第一缸体8的第一前进气门9接常压空气进出口18，常压空气进出口18上设置气体干燥装置24，第一缸体的第一后进气门10经气道19接第二缸体11的第二前进气门12，第二缸体11的第二后进气门13接第三缸体14的前进气门，第三、四缸体连接结构与第一、二缸体相同，第四缸体的后进气门接高压空气出进口20，高压空气出进口20经并联的带防反流气门22的防气体倒流装置21和反向气体流量自动调节装置23接高压储气罐36的高压储气罐进出气口37；第一、二、三、四缸体8、11、14、15的进气门和出气门分别经连杆受凸轮轴6上两气门凸轮7控制开闭，第一、二、三、四缸体8、11、14、15的活塞16经联杆17接曲轴上每两段相邻180°错位的曲拐3，奇数位缸体的活塞初始位置与偶数位缸体的活塞初始位置相对在活塞行程的起始端和末端，或相对在活塞行程的末端和起始端；曲轴2上设置转速传感器45，曲轴2一端外接电动机和发电机两用一体机4；各缸体外均设热交换流道44，各热交换流道44均分别经温度传感器42、液体循环泵43接管道41，管道41经液体循环泵40接液体储热箱38，液体储热箱38带有散热集热装置39，散热集热装置适应压缩、膨胀设置为散热、加热的现有电器；曲轴2另一端和该端的凸轮轴6外接可变配合时间传动机构25。温控传感器和液体循环泵并联接电控箱，实现温度恒温控制，以保证在空气压缩时降温、在高压空气膨胀做功时供热的需要。

图2、3所示，可变配合时间传动机构25包括主动轮26、被动轮27、涨紧传动带28、导轮29、涨紧轮30、电机31、减速机32、丝杆33、滑轨34、滑座35，主动轮26连接在曲轴2或与曲轴同步的轴上，被动轮27连接在凸轮轴6或与凸轮轴同步的轴上，涨紧传动带28经导轮29非涨紧绕接在主动轮26和被动轮27上，涨紧传动带28留有被动轮27旋转半周周长的可调涨紧长度，两涨紧轮30分别对应涨紧传动带28内两侧，两涨紧轮30在滑座上位置相对固定，滑座受丝杆驱动在滑轨上可移动，丝杆33外接带电机31的减速机32。图2是控制右侧涨紧轮在丝杆带动下右移涨紧涨紧传动带，从而使得主动轮、被动轮的设定角度0度对0度对应，没有偏差，此时可对应压缩或膨胀作业时气门凸轮的初始角度，调节每个缸体的前、后进气门开关或关开；图3是控制左侧涨紧轮在丝杆带动下左移涨紧涨紧传动带，从而使得主动轮、被动轮的设定角度偏差180度，此时可对应膨胀或压缩作业时气门凸轮的初始角度，调节每个缸体的前、后进气门关开或开关。

本实施例中凸轮轴上分别控制两个进、出气门凸轮偏差角度与被动轮涨紧调节一定角度相同，可优选设置为180度，该角度主要于调节同一气缸上前、后进气门处于打开、关闭的不同状态；凸轮轴上每两个相邻凸轮可替换为共轭凸轮。

本实施例在曲轴或与曲轴同步运转的轴上设有转速传感器，在高压空气出进口与高压储气罐之间设有反向气体流量自动调节装置，两者都联接电控箱，在发电时电控箱根据设定转速结合转速传感器，控制反向气体流量自动调节装置调整流入压缩和膨胀一体机的气量，以控制高压储气罐内气体在高压、低压的变化时曲轴达到设定转速及对发电量的量化。反向气体流量自动调节装置由电控箱控制或手动调节。反向气体流量调节装置在压缩空气过程中是处于关闭状态，只有在发电时使用。

本实施例的每各缸体组中各缸体间中心线平行且都与曲轴中心线在同一平面上设置，缸体中心线与曲轴中心线垂直，一组或多组缸体以曲轴中心线为圆心在360°内呈一定角度设置，或多组缸体与曲轴中心线都在同一平面上，所述一组缸体配一套可变配合时间传动机构或多组缸体共用一套可变配合时间传动机构，或一组缸体采用多套可变配合时间传动机构。

液体温控循环系统包括液体储热箱、管道、热交换流道、液体循环泵、温控传感器，所述液体储热箱上设有散热集热装置并联接电控箱，当储热箱内液体温度高于或低于设定值时会由电控箱控制散热或集热。所述在各缸体周边、气道周边、高压储气罐周边设有液体热交换流道，各流道根据需要设置独立的

在本实施例的基础上，奇数位、偶数位相邻两个缸的气道根据实际情况可由一个气门控制。

转速传感器可以是信号凸配合接近开关或编码器。

在本实施例的基础上，还可增设润滑机构采用油泵循环机油结合飞溅式润滑曲轴、凸轮轴、滑座、缸体。

在本实施例的基础上，曲轴上固定设一个飞轮以确保压缩空气或膨胀发电时的平滑运行。

在本实施例的基础上，高压气体储气罐上可设有压力表（或压力传感器）、压力保险装置、排水装置、气体干燥装置。该类技术为现有技术。

本实施例中，可变配合时间传动机构中涨紧轮可以是一个或两个以上，导轮可设置一个或两个以上，涨紧轮移动驱动装置可采用其他能平移自锁的装置，电机联接电控箱，涨紧轮移动驱动装置是手动装置或电控箱控制的自动装置。

在本实施例的基础上，其组成部分各自数量配置可根据客户需要进行灵活组合，以便适应整套系统在功能、效率、储能容量等方面的需要。

Claims (9)

1.一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，包括电控箱、机壳、高压储气罐和电动机和发电机两用一体机，机壳内设一个或多个缸体组，其特征在于：所述每个缸体组包括一只缸体，缸体的顶部经第一前气门外接常压空气进出口，第一缸体的顶部还经第一后气门接高压空气出进口，高压空气出进口经并联的反向气体流量自动调节装置和带单向反流气门的防气体倒流装置接高压储气罐；缸体上、下分别对应设置凸轮轴和曲轴，缸体上前、后气门经连杆受凸轮轴上凸轮控制开闭；所述曲轴一端接电动机和发电机两用一体机；所述曲轴另一端和该端对应的凸轮轴一端共接可变配合时间传动机构。

2.一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，包括电控箱、机壳、高压储气罐和电动机和发电机两用一体机，机壳内设一个或多个缸体组，其特征在于：所述每个缸体组包括两只以上缸体，两只以上缸体的第一缸体的顶部经第一前气门外接常压空气进出口，第一缸体的顶部还经第一后气门接气道前端，气道后端经第二前气门接第二缸体的顶部，两两相邻缸体之间连接结构与第一、二缸体之间经气道连接的结构相同，两只以上缸体的最后一缸体的顶部经最后后气门接高压空气出进口，高压空气出进口经并联的反向气体流量自动调节装置和带单向反流气门的防气体倒流装置接高压储气罐；每个缸体组上、下分别对应设置凸轮轴和曲轴，两两相邻或顶部气道相通的缸体的活塞经联杆接在曲轴上两段相差180°的曲拐上，前、后气门分别经连杆受凸轮轴上凸轮控制开闭；所述曲轴一端接电动机和发电机两用一体机；所述曲轴另一端和该端对应的凸轮轴一端共接可变配合时间传动机构。

3.根据权利要求1或2所述的一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，其特征是：所述可变配合时间传动机构包括主动轮、被动轮、导轮、涨紧轮、涨紧传动带、涨紧轮移动驱动机构，主动轮装在曲轴上或与曲轴同步旋转的轴上，被动轮装在凸轮轴上或与凸轮轴同步旋转的轴上，涨紧传动带经多个导轮绕接在主动轮和被动轮上，涨紧传动带内侧水平设置涨紧轮，涨紧轮连接涨紧轮移动驱动机构呈受驱可调向左或向右水平移动涨紧涨紧传动带使得被动轮可旋转一定角度涨紧涨紧传动带的状态。

4.根据权利要求1或2所述的一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，其特征是：每个缸体组中各缸体的中心线平行且都与曲轴中心线在同一平面上设置，缸体的中心线与曲轴中心线垂直，一组或多组缸体组以曲轴中心线为圆心在360°内呈一定角度设置，或多组缸体与曲轴中心线都在同一平面上，所述一组缸体配一套可变配合时间传动机构或多组缸体共用一套可变配合时间传动机构，或一组缸体采用多套可变配合时间传动机构。

5.根据权利要求1或2所述的一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，其特征是：还包括液体温控循环系统，液体温控循环系统包括液体储热箱、管道、热交换流道、液体循环泵、温控传感器，所述液体储热箱上设有散热集热装置并联接电控箱，在各缸体周边、各气道周边、高压储气罐周边设有液体热交换流道，各液体热交换流道上均设置独立的温控传感器和液体循环泵，温控传感器和液体循环泵联接电控箱。

6.根据权利要求1或2所述一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，所述每个缸体组两两相邻的缸体间连通的气道可由一个气门控制。

7.根据权利要求1或2所述一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，所述高压空气出进口与高压储气罐之间设有气体干燥装置。

8.根据权利要求1或2所述一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，所述每个缸体组中由前至后的缸体可压缩空腔逐渐减小。

9.根据权利要求1或2所述一种压缩和膨胀共用一体机的小型高效空气储能装置，其特征是：所述涨紧轮移动驱动装置由电机、减速机、丝杆、滑轨、滑座组成，或由其他能平移自锁的装置，电机经减速机驱动丝杆，丝杆穿接滑轨上滑座后连接涨紧轮，电机联接电控箱，涨紧轮移动驱动装置为手动装置或电控箱控制的自动装置。

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