CN114718683B - 一种分级密封的重力压缩空气储能系统和储能方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种分级密封的重力压缩空气储能系统和储能方法，其中储能系统包括竖井和多级密封膜，竖井中活动插接有多级重力块组，多级密封膜分别与重力块组外壁和竖井内壁密封连接，位于竖井中最底层的一级重力块组上连接的一级密封膜和所述竖井位于一级密封膜下方的空间之间围成储气腔，两个相邻的重力块组以及两个相邻的重力块组上连接的两个密封膜和竖井之间围成调节腔，储气腔和调节腔分别连接空气压缩机。通过设置多级密封膜，使得相邻两级密封膜之间围成调节腔，通过向多个调节腔中通入压力不同的压缩气体，使得每级密封膜的压差降低，有效分散密封膜的密封材料受力，大大降低内部增强纤维的用量，从而降低密封材料的成本。

Description

一种分级密封的重力压缩空气储能系统和储能方法

技术领域

本申请涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种分级密封的重力压缩空气储能系统和储能方法。

背景技术

现有重力压缩空气储能系统密封方案采用单级桶型密封膜对储气室内高压气体进行密封，由于储气库中存储的压缩空气的压力非常大，进而使得密封膜受到高强度拉力，因此对密封膜的材料强度有非常高的要求，其成本也大大增加。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种分级密封的重力压缩空气储能系统，通过设置多级密封膜，使得相邻两级密封膜之间围成调节腔，通过向多个调节腔中通入压力不同的压缩气体，使得每级密封膜的压差降低，有效分散密封膜的密封材料受力，大大降低内部增强纤维的用量，从而降低密封材料的成本。

为达到上述目的，本申请提出的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，包括：

竖井，所述竖井中活动插接有多级重力块组，所述多级重力块组与所述竖井之间有间隙；

多级密封膜，多级所述密封膜位于所述间隙中，多级所述密封膜分别与所述重力块组外壁和所述竖井内壁密封连接，位于所述竖井中最底层的一级重力块组、所述一级重力块组上连接的一级密封膜和所述竖井位于所述一级密封膜下方的空间之间围成储气腔，两个相邻的重力块组以及所述两个相邻的重力块组上连接的两个密封膜和所述竖井之间围成调节腔，所述储气腔和所述调节腔分别连接空气压缩机，以通过所述空气压缩机向所述调节腔和所述储气腔中通入压缩空气。

进一步地，还包括设置在所述竖井中的多个支撑组件，以使多级所述重力块组向下移动至最低限位时分别通过多个支撑组件进行支撑。

进一步地，多个所述支撑组件包括：

设置在所述竖井底部的支撑件，所述一级重力块组位于最低限位处时由所述支撑件支撑；

与多个设置在所述竖井侧壁的锁定平台，所述锁定平台设置成环形结构，所述一级重力块组上方的多级重力块组位于最低限位处时分别通过多个所述锁定平台支撑。

进一步地，每级所述重力块组均包括多个叠加设置的重力柱。

进一步地，每级所述重力块组上方靠近所述每级重力块组处的所述竖井内壁上均设置有多个导轨，每级所述重力块组的顶端均设置有与所述导轨配合的导向轮，以通过所述导轨对每级所述重力块组进行限位。

进一步地，每级所述重力块组还包括承压筒，多个叠加设置的重力柱填充在所述承压筒中，所述密封膜连接在所述承压筒的外壁上，所述导向轮设置在所述承压筒顶端侧壁。

进一步地，每级所述重力块组的承压筒底部均设置有插销，所述承压筒中最顶层的所述重力柱的顶端设置有与所述插销配合的销孔，以使下方的重力块组向上移动至与相邻的重力块组相接时所述插销插入所述销孔中实现相邻两个重力块组之间的限位。

进一步地，所述承压筒的内壁上设置有定位滑槽，所述定位条的侧壁上设置有沿轴向方向的定位滑槽，多个所述重力柱的外壁上均设置有与所述定位滑槽配合的定位滑块，以通过所述定位滑槽对所述重力柱限位。

进一步地，所述储气腔和所述调节腔的所述竖井内壁上均设置有衬管，每级所述密封膜分别密封连接在所述衬管内壁上。

一种分级密封的重力压缩空气储能方法，具体过程如下：

将竖井中插接的多级重力块组中最底层的一级重力块组、一级重力块组和竖井之间连接的一级密封膜以及竖井位于一级密封膜下方的空间之间围成储气腔，并且两个相邻的重力块组以及两个相邻的重力块组上连接的两个密封膜和竖井之间围成调节腔；

储能时，由电动机带动空气压缩机将空气压缩后通入储气腔和调节腔中，当储气腔中的压缩空气压力稍大于一级重力块组时一级重力块组向上移动至与二级重力块组相接后，继续向储气腔中通入压缩空气，直到一级重力块组向上移动将二级重力块组向上顶起，依次类推直到第N级重力块组被向上顶起，多级重力块组向上移动至最高限位处；

释能时，储气腔中的压缩空气通入空气膨胀机中做功，带动发电机发电，多级重力块组向下移动至竖井最顶层的第N级重力块组与最顶层的N级锁定平台相接后停止移动，压缩空气持续通入空气膨胀机中做功，其他重力块组穿过N级锁定平台后继续向下移动，直到一级重力块组向下移动至竖井底部的支撑件处进行支撑。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一实施例提出的分级密封的重力压缩空气储能系统的结构示意图；

图2是本申请另一实施例提出的重力压缩空气储能系统的局部结构示意图；

图3是本申请另一实施例提出的重力压缩空气储能系统的局部结构示意图；

图4是本申请另一实施例提出的重力压缩空气储能系统的局部结构示意图；

图中：1、竖井；2、重力块组；21、一级重力块组；22、二级重力块组；23、三级重力块组；3、密封膜；31、一级密封膜；32、二级密封膜；33、三级密封膜；4、储气腔；5、调节腔；6、支撑组件；61、支撑件；62、锁定平台；7、重力柱；8、导轨；81、导向轮；9、承压筒；91、插销；92、定位条；10、排气阀；11、空气膨胀机；12、压缩机组；121、一级空气压缩机；122、二级空气压缩机；123、三级空气压缩机。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本申请一实施例提出的一种分级密封的重力压缩空气储能系统的结构示意图。

参见图1-4，一种分级密封的重力压缩空气储能系统，包括竖井1，竖井1中活动插接有多级重力块组2，多级重力块组2与竖井1之间有间隙，间隙中设置有多级密封膜3，每级密封膜3分别连接在相应的每级重力块组2和竖井之间，具体来说，多级密封膜3分别与重力块组2外壁和竖井1内壁密封连接，位于竖井1中最底层的一级重力块组21、一级重力块组21上连接的一级密封膜31和竖井1位于一级密封膜31下方的空间之间围成储气腔4，两个相邻的重力块组2以及两个相邻的重力块组2上连接的两个密封膜3和竖井1之间围成调节腔5，例如，一级重力块组21、其上方相邻的二级重力块组22、一级重力块组21上连接的一级密封膜31、二级重力块组22上连接的二级密封膜32、竖井1内壁之间围成调节腔5，储气腔4和调节腔5分别连接空气压缩机，以通过空气压缩机向调节腔5和储气腔4中通入压缩空气，由于储气腔4中存储的压缩空气压力很大，因此对于密封膜3的要求较高，通过在调节腔5中也通入压缩气体，使得调节腔5中的压缩气体对于密封膜3有向下的压力，减小了密封膜3的上下压差，由于储气腔4中压缩空气的压力较大，为了减小储气腔4上方的一级密封膜31的压差，需要在与储气腔4相邻的调节腔5中通入较大压力的压缩空气，此时调节腔5中较大压力的压缩空气对于调节腔5上方的二级密封膜32也具有较大的压力，使得二级密封膜32也就有较大压差，此时通过在两级相邻的重力块组2之间设置多级调节腔5，使得通过向每级调节腔5中均通入一定的压缩空气，并且多级调节腔5中从下到上通入的压缩空气压力逐级降低，通过向每级密封膜3内注入少量的不同压力分级高压气体，使得每级密封膜3内的压力逐级递减，降低每级密封膜3内外压差，从而降低密封膜3应力，提高每级密封膜3的寿命。

详细来说，每级调节腔5和储气腔4中分别连接空气压缩机，通过空气压缩机通入不同压力的压缩空气，此时，可以将每级调节腔5和储气腔4连接同一个压缩机组，然后沿竖井1从上到下，最顶端的调节腔5连接该压缩机组的一级空气压缩机，然后向下依次类推，依次连接二级空气压缩机、三级空气压缩机、直到储气腔4连接压缩机组最终端的空气压缩机，使得从上到下每级调节腔5和储气腔4中通入的压缩空气的压力不同。储气腔4连接空气膨胀机11，用于将储气腔4中存储的压缩空气通入空气膨胀机11中做功带动发电机工作。

参照图2，在一些实施例中，还包括设置在竖井1中的多个支撑组件6，以使多级重力块组2向下移动至最低限位时分别通过多个支撑组件6进行支撑，两个相邻支撑组件6之间的距离大于重力块组2的高度，使得相邻两个重力块组2之间有一定间隙，并且保障储气腔4中留有一定空间，通过在储气腔4中留有一定空间能够保障储气腔4中通入一定量的压缩空气后能够将重力块组2顶起，并且通过多个支撑组件6分别对多级重力块组2进行支撑，使得在储能时，启动初期只需要在储气腔4中通入的压缩空气压力稍大于一级重力块组21的重力即可实现启动，使得启动压力降低，在储能过程中一级重力块组21先启动向上移动与二级重力块组22相接后储气腔4中压力继续升高，将一级重力块组21和二级重力块组22顶起，另外，在最低限位时每级重力块组2均通过不同的支撑组件6进行支撑，降低作用于每个支撑组件6上的压力，进而对于每个支撑组件6的承压要求降低，降低每个支撑组件6的施工难度。

在一些实施例中，多个支撑组件6包括设置在竖井底部的支撑件61和多个设置在竖井1侧壁的锁定平台62，一级重力块组21位于最低限位处时由支撑件61支撑，锁定平台62设置成环形结构，一级重力块组21上方的多级重力块组2位于最低限位处时分别通过多个锁定平台62支撑，具体来说，每级重力块组2的外径均小于支撑改级重力块组2的锁定平台62上方的多个锁定平台62的内径，使得重力块组2在向下移动支撑的锁定平台62时，能够穿过上方的多个锁定平台62。

在一些实施例中，每级重力块组2上方靠近每级重力块组2处的竖井1内壁上均设置有多个导轨8，每级重力块组2的顶端均设置有与导轨8配合的导向轮81，以通过导轨8对每级重力块组2进行限位，防止重力块组2在上下移动过程中重心会偏移，造成重力块组2与竖井1内壁局部接触阻力过大，甚至卡死，同时移动过程中会产生摩擦阻力，使得储能效率降低。详细来说，锁定平台62设置成环状结构，而锁定平台的周侧等角度开有多个凹槽，导轨8设置在凹槽中。

另外，参照图3，为了便于吊装施工，每级重力块组2均可以包括多个叠加设置的重力柱7，使得吊装的过程中可以将每个重力柱7依次吊装叠加组成重力块组2，降低吊装难度。

参照图4，在一些实施例中，每级重力块组2还包括承压筒9，多个叠加设置的重力柱7填充在承压筒9中，密封膜3连接在承压筒9的外壁上，导向轮81设置在承压筒9顶端侧壁上，由于承压筒9为厚钢板围成的筒状结构，表面光滑，使得密封膜3与承压筒9连接后密封紧密，并且由于重力柱7一般是由混凝土材料制备，在高压作用下容易出现漏气的情况，通过设置承压筒9，然后将重力柱7填充在承压筒9中，能够提高密封性能，防止漏气，并且将承压筒9做成筒状结构，能够降低承压筒9的重量，降低吊装难度。

另外，需要说明的是，每级重力块组2的承压筒9底部均设置有插销91，承压筒9中最顶层的重力柱7的顶端设置有与插销91配合的销孔，以使下方的重力块组2向上移动至与相邻的重力块组2相接时插销91插入销孔中实现相邻两个重力块组2之间的限位，通过重力块组2中的插销91插入其相邻的重力块组2顶端的销孔中，实现两个相邻重力块组2之间的连接，使得相邻两个重力块组2在向上移动过程中不仅能通过导轨进行限位还能通过插销91和销孔限位，使得每级重力块组2上下移动过程中不会偏移，通过导轨与插销插孔同时对重力块组2进行限位可以进一步降低重块发生偏心或互相之间的相对运动时对导轨或插销的作用力，提高限位装置寿命，增加系统稳定性。

在一些实施例中，承压筒9的内壁上设置有定位条92，定位条92的侧壁上设置有沿轴向方向的定位滑槽，多个重力柱7的外壁上均设置有与定位滑槽配合的定位滑块，以通过定位滑槽对重力柱7限位，使得重力柱7的轴线与承压筒9的轴线重合，通过定位滑槽与定位滑块之间的配合作用，使得承压筒9上下移动过程中多个重力柱7的重心始终在承压筒9的轴线上，进而有效防止整个重力块组2在上下移动过程中重心偏移的情况。

在一些实施例中，储气腔4和调节腔5的竖井1内壁上均设置有衬管，每级密封膜3分别密封连接在衬管内壁上，衬管的内壁光滑，能够提高每级密封膜3的密封性能。

另外，需要说明的是，密封膜3可以为筒状的结构，在连接时，可以将密封膜3的上端向内折弯，形成内环和外环顶端相连的结构，其中内环底端密封连接在承压筒9外壁上，外环的底端密封连接在竖井1的内壁上。

在一些实施例中，还公开了一种分级密封的重力压缩空气储能方法，具体过程如下：

将竖井1中插接的多级重力块组2中最底层的一级重力块组21、一级重力块组21和竖井1之间连接的一级密封膜31以及竖井1位于一级密封膜31下方的空间之间围成储气腔4，并且两个相邻的重力块组2以及两个相邻的重力块组2上连接的两个密封膜3和竖井1之间围成调节腔5；

储能时，由电动机带动空气压缩机将空气压缩后通入储气腔4和调节腔5中，当储气腔4中的压缩空气压力稍大于一级重力块组21时一级重力块组21向上移动至与二级重力块组22相接后，继续向储气腔4中通入压缩空气，直到一级重力块组21向上移动将二级重力块组22向上顶起，依次类推直到第N级重力块组2被向上顶起，多级重力块组2向上移动至最高限位处；

释能时，储气腔4中的压缩空气通入空气膨胀机11中做功，带动发电机发电，多级重力块组2向下移动至竖井1最顶层的第N级重力块组2与最顶层的N级锁定平台62相接后停止移动，压缩空气持续通入空气膨胀机中做功，其他重力块组2穿过N级锁定平台62后继续向下移动，直到一级重力块组21向下移动至竖井1底部的支撑件61处进行支撑。

下面，以10MPa储气压力、三级压缩为例，在竖井1中设置三级重力块组23，一级重力块组21与竖井1之间通过一级密封膜31连接，二级重力块组22与竖井1之间通过二级密封膜32连接，三级重力块组23与竖井1之间通过三级密封膜33连接，然后最顶端的调节腔5连接压缩机组12的一级空气压缩机121，向下相邻的调节腔5连接二级空气压缩机122，储气腔4连接三级空气压缩机123，实现两个调节腔5和储气腔4中通入的压力从上到下依次增大，有效降低每级密封膜3的压差，可以有效分散密封膜3的密封材料受力，降低密封材料抗拉强度极限至原需求的1/3，大大降低内部增强纤维的用量，从而降低密封材料的成本，另外，在两个调节腔5上连接有排气管道，排气管道上均设置有排气阀10，使得储气系统第一次通气时分别向调节腔5和储气腔4中通入压缩气体，在后续储气系统使用过程中由于储气腔4中仍留有压缩空气，调节腔5中的压缩空气不排出，可以一直使用，后续再进行储能时不需要再向调节腔5中通入压缩空气，直到该储气系统不用时，再将调节腔5中的压缩空气和储气腔4中最终留的压缩空气排出。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

竖井，所述竖井中活动插接有多级重力块组，所述多级重力块组与所述竖井之间有间隙；

多级密封膜，多级所述密封膜位于所述间隙中，多级所述密封膜分别与所述重力块组外壁和所述竖井内壁密封连接，位于所述竖井中最底层的一级重力块组、所述一级重力块组上连接的一级密封膜和所述竖井位于所述一级密封膜下方的空间之间围成储气腔，两个相邻的重力块组以及所述两个相邻的重力块组上连接的两个密封膜和所述竖井之间围成调节腔，所述储气腔和所述调节腔分别连接空气压缩机，以通过所述空气压缩机向所述调节腔和所述储气腔中通入压缩空气；

设置在所述竖井中的多个支撑组件，以使多级所述重力块组向下移动至最低限位时分别通过多个支撑组件进行支撑，多个所述支撑组件包括设置在所述竖井底部的支撑件与多个设置在所述竖井侧壁的锁定平台，所述一级重力块组位于最低限位处时由所述支撑件支撑；

所述锁定平台设置成环形结构，所述一级重力块组上方的多级重力块组位于最低限位处时分别通过多个所述锁定平台支撑。

2.如权利要求1所述的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，每级所述重力块组均包括多个叠加设置的重力柱。

3.如权利要求2所述的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，每级所述重力块组上方靠近每级所述重力块组处的所述竖井内壁上均设置有多个导轨，每级所述重力块组的顶端均设置有与所述导轨配合的导向轮，以通过所述导轨对每级所述重力块组进行限位。

4.如权利要求3所述的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，每级所述重力块组还包括承压筒，多个叠加设置的重力柱填充在所述承压筒中，所述密封膜连接在所述承压筒的外壁上，所述导向轮设置在所述承压筒顶端侧壁。

5.如权利要求4所述的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，每级所述重力块组的承压筒底部均设置有插销，所述承压筒中最顶层的所述重力柱的顶端设置有与所述插销配合的销孔，以使下方的重力块组向上移动至与相邻的重力块组相接时所述插销插入所述销孔中实现相邻两个重力块组之间的限位。

6.如权利要求4所述的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，所述承压筒的内壁上设置有定位条，所述定位条的侧壁上设置有沿轴向方向的定位滑槽，多个所述重力柱的外壁上均设置有与所述定位滑槽配合的定位滑块，以通过所述定位滑槽对所述重力柱限位。

7.如权利要求1所述的一种分级密封的重力压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气腔和所述调节腔的所述竖井内壁上均设置有衬管，每级所述密封膜分别密封连接在所述衬管内壁上。

8.一种基于权利要求1-7中任一所述的分级密封的重力压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，具体过程如下：

将竖井中插接的多级重力块组中最底层的一级重力块组、一级重力块组和竖井之间连接的一级密封膜以及竖井位于一级密封膜下方的空间之间围成储气腔，并且两个相邻的重力块组以及两个相邻的重力块组上连接的两个密封膜和竖井之间围成调节腔；

储能时，由电动机带动空气压缩机将空气压缩后通入储气腔和调节腔中，当储气腔中的压缩空气压力稍大于一级重力块组时一级重力块组向上移动至与二级重力块组相接后，继续向储气腔中通入压缩空气，直到一级重力块组向上移动将二级重力块组向上顶起，依次类推直到第N级重力块组被向上顶起，多级重力块组向上移动至最高限位处；

释能时，储气腔中的压缩空气通入空气膨胀机中做功，带动发电机发电，多级重力块组向下移动至竖井最顶层的第N级重力块组与最顶层的N级锁定平台相接后停止移动，压缩空气持续通入空气膨胀机中做功，其他重力块组穿过N级锁定平台后继续向下移动，直到一级重力块组向下移动至竖井底部的支撑件处进行支撑。

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