CN114718684B - 一种重力液压压缩空气储能系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种重力液压压缩空气储能系统和方法，其中储能系统包括储气库、液压竖井、液压管路、液压旁路，储气库中填充有压力液体；液压竖井中活动插接有重力压块，重力压块外壁与液压竖井内壁之间密封连接有密封膜，重力压块、密封膜以及液压竖井中位于重力压块和密封膜下方的空间围成储液腔，液压管路的进液端和出液端分别与储气库和储液腔相连，液压管路设置高压水泵，液压旁路的进液端和出液端分别与储液腔和储气库相连。在储能阶段，由压缩机向储气库内充入高压气体，由高压气体和高压水泵一起将液压液体排入液压井内抬升重力压块，在释能时由水轮机和膨胀机组同时带动发电机发电，在重力压缩空气储能的基础上提高了发电效率。

Description

一种重力液压压缩空气储能系统和方法

技术领域

本申请涉及技术电能存储领域，尤其涉及一种重力液压压缩空气储能系统和方法。

背景技术

压缩空气储能系统是一种在用电低谷期将电能转化为空气压力势能存储，在用电高峰期用空气动力能推动膨胀机发电的储能系统。压缩空气储能系统可建造单机装机100MW以上的大型电站，仅次于抽水蓄能电站，具有储能周期长、单位储能投资小、寿命长和效率高的优点。传统的压缩空气储能系统利用岩石洞穴、废弃盐穴和废弃矿井等作为储气装置，对地理环境依赖性较大，且在发电过程中需要消耗天然气等化石能源。

目前压缩空气储能技术依赖大型储气室、应用场址有限、压缩机膨胀机长期处于滑压运行，抽水蓄能效率高但同样应用场景有限。

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重力液压压缩空气储能系统，在释能时由水轮机和膨胀机组同时带动发电机发电，在重力压缩空气储能的基础上提高了发电效率，并且由于重力压块的存在提高液压竖井内储液腔中的压力，使得储液腔中的液体压缩，降低了传统蓄水池的高度，提升了能量密度，增加了储能方法的适用性，并使得压缩机与膨胀机处于恒压运行的状态，提高了压缩空气发电的效率和寿命。

为达到上述目的，本申请提出的一种重力液压压缩空气储能系统，包括：

储气库，所述储气库中填充有压力液体；

液压竖井，所述液压竖井中活动插接有重力压块，所述重力压块外壁与所述液压竖井内壁之间密封连接有密封膜，所述重力压块、所述密封膜以及所述液压竖井中位于所述重力压块和所述密封膜下方的空间围成储液腔；

液压管路，所述液压管路的进液端和出液端分别与所述储气库和所述储液腔相连，所述液压管路上设置有高压水泵，以使储能时通入所述储气库中的压缩空气协同所述高压水泵将所述压力液体压入所述液压竖井中将所述重力压块顶起；

液压旁路，所述液压旁路的进液端和出液端分别与所述储液腔和所述储气库相连，所述液压旁路上设置有水轮机，以使释能时所述重力压块向下将所述储液腔中的所述压力液体压入所述液压旁路中带动所述水轮机做功后通入所述储气库中压动所述储气库中的所述压缩空气对外做功。

进一步地，还包括压缩机组，所述压缩机组连接所述储气库，用于向所述储气库中通入压缩空气；

膨胀机组，所述膨胀机组连接所述储气库，以使所述储气库中储存的压缩空气通入所述膨胀机组中做功发电。

进一步地，所述液压旁路的进液端和出液端分别通过三通阀连接在所述液压管路上。

进一步地，所述重力压块包括一级重力块组和设置在所述一级重力块组上的二级重力块组；

所述一级重力块组包括承压筒和填充在所述承压筒中的多个一级重力块，所述密封膜连接在所述承压筒外壁上，所述承压筒的顶端外壁设置有限位圈，所述液压竖井的内壁设置有锁定平台，以使所述承压筒向下移动至最低限位处时通过所述限位圈支撑在所述锁定平台上，所述二级重力块组设置在所述承压筒上。

进一步地，所述二级重力块组包括多个依次叠加设置的二级重力块；

所述一级重力块的外径小于所述承压筒的内径，所述二级重力块的外径大于所述承压筒的内径。

进一步地，所述承压筒的内壁上沿轴向方向设置有多个定位条，所述定位条的侧壁上设置有沿轴向方向的定位导槽，所述一级重力块的外壁上设置有与所述定位导槽配合的定位块。

进一步地，所述液压竖井内壁位于所述锁定平台上方沿轴线方向设置有多个导轨，所述二级重力块上和所述限位圈上均设置有与所述导轨配合的导向组件，以通过所述导轨对所述二级重力块和所述承压筒进行限位。

进一步地，所述液压竖井内壁位于所述锁定平台的下方设置有衬管，所述密封膜密封连接在所述衬管内壁上。

进一步地，所述承压筒的底部为锥形结构。

一种重力液压压缩空气储能方法，包括如下过程：

储能时，由电动机带动压缩机组将空气压缩后送入储气库，在储气库气量增加的同时开启高压水泵，高压水泵和储气库中的压缩空气将压力液体排入液压井内密封的储液腔内，通过储液腔中的压力液体对液压竖井中的重力压块施加向上的作用力，使得重力压块向上移动至最高限位；

释能时，储气库中的高压空气进入膨胀机组推动膨胀机组做功带动发电机发电，储气库内部储气量减小，重力压块开始下降，液压竖井内的压力液体由液压旁路经过水轮机进入储气库并带动水轮机做功带动发电机发电。

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一种重力液压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液压竖井的局部结构示意图；

图3是本申请另一实施例提出的液压竖井的局部结构示意图；

图4是本申请另一实施例提出的液压竖井的局部结构示意图；

图中：1、储气库；2、液压竖井；21、锁定平台；22、导轨；23、衬管；3、液压管路；4、液压旁路；5、压力液体；6、储液腔；7、重力压块；71、一级重力块组；711、承压筒；712、一级重力块；713、限位圈；714、定位条；72、二级重力块组；721、二级重力块；8、水轮机；9、压缩机组；10、膨胀机组；11、密封膜；12、高压水泵。

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重力液压压缩空气储能系统的结构示意图。

参见图1，一种重力液压压缩空气储能系统，包括储气库1、液压竖井2、液压管路3和液压旁路4，其中储气库1中填充有压力液体5，储气库1可以直接设置在地下，不占用地上空间，另外，液压竖井2中活动插接有重力压块7，重力压块7外壁与液压竖井2内壁之间密封连接有密封膜11，重力压块7、密封膜11以及液压竖井2中位于重力压块7和密封膜11下方的空间围成储液腔6，其中密封膜11为筒状结构，密封膜11顶端向内翻折后形成顶端连接的内环和外环结构，内环底端与重力压块7外壁密封连接，外环底端与液压竖井2内壁密封连接，使得储液腔6中形成密封的结构，液压管路3的进液端和出液端分别与储气库1和储液腔6相连，液压管路3上设置有高压水泵12，以使储能时通入储气库1中的压缩空气协同高压水泵12将压力液体压入液压竖井2中将重力压块7顶起，使得压缩空气能部分转化为重力压块7的重力势能和压力液体5的势能，另外，液压旁路4的进液端和出液端分别与储液腔6和储气库1相连，液压旁路4上设置有水轮机8，以使释能时重力压块7向下将储液腔6中的压力液体5压入液压旁路4中带动水轮机8做功后通入储气库1中压动储气库1中的压缩空气对外做功，通过水轮机8和压缩空气的做功同时带动电动机发电，在重力压缩空气储能的基础上提高了发电效率，并且由于重力压块7的存在提高液压竖井2内储液腔6中的压力，使得储液腔6中的液体压缩，降低了传统蓄水池的高度，提升了能量密度，增加了储能方法的适用性。

在一些实施例中，还包括压缩机组9和膨胀机组10，压缩机组9通过进气管道连接储气库1，用于向储气库1中通入压缩空气，膨胀机组10通过出气管路连接储气库1，以使储气库1中储存的压缩空气通入膨胀机组10中做功发电，压缩机组与膨胀机组处于恒压运行的状态，提高了压缩空气发电的效率和寿命，另外，进气管道和出气管道上均设有储热装置，储热装置之间设有若干换热装置，储热装置可以采用储热罐，换热装置可以采用换热器，通过储热装置和换热装置的设置能够保障压缩机组9中压缩得到的高温高压气体中的热量保存在储热装置中，形成常温高压气体在储气库1中存储，当发电时，常温的压缩空气吸收储热装置中的能量，提高发电的效率。

另外，需要说明的是，液压旁路4的进液端和出液端分别通过三通阀连接在液压管路3上，使得在储能时，通过三通阀控制压力液体5只能通过液压管路3进入储液腔6中，当释能时，通过三通阀控制压力液体5只能通过液压旁路4进入储气库1中。

如图2所示，在一些实施例中，重力压块7包括一级重力块组71和设置在一级重力块组71上的二级重力块组72；

其中一级重力块组71包括承压筒711和填充在承压筒711中的多个一级重力块712，多个一级重力块712叠加设置，密封膜11连接在承压筒711外壁上，承压筒711是由钢板围成的筒状结构，因此外表面光滑，相比一级重力块712一般是由混凝土浇筑，直接将密封膜11与一级重力块712连接，在储液腔6中液体压力较大的情况下，可能会出现漏液的情况，而设置承压筒711能够保证储液腔6的密封特性，可以承受较高的压力，提升系统储能的能量密度。由于储能过程中所需重力压块7的重力较大，直接吊装会增大施工难度，将承压筒711设置成空心筒状结构，然后将多个一级重力块712层层叠加填充在承压筒711中，在满足足够的重量的同时，使得吊装过程中单独吊装承压筒711和以及一级重力块712，由于承压筒711空心结构重量降低，进而降低吊装过程中的施工难度。另外，承压筒711的顶端外壁设置有限位圈713，液压竖井2的内壁设置有锁定平台21，以使承压筒711向下移动至最低限位处时通过限位圈713支撑在锁定平台21上，二级重力块组72设置在承压筒711上，锁定平台21的设置使得承压筒711向下移动至最低限位处时，储液腔6中仍保留一定空间，当储液腔6中通入足够量的压力液体5后在压力液体5的作用下能够推动承压筒711带动一级重力块组71和二级重力块组72向上移动，直到移动至最高限位处停止。

如图3所示，在一些实施例中，二级重力块组72包括多个依次叠加设置的二级重力块721，使得吊装施工过程中可以分块吊装，降低施工难度。另外，一级重力块712的外径小于承压筒711的内径，使得一级重力块712能够穿过承压筒711端口处进入承压筒711中进行存储，另外，二级重力块721的外径大于承压筒711的内径，使得二级重力块721放置在承压筒711顶端后不会掉入承压筒711中。

需要说明的是，为了保障承压筒711在填充一级重力块712后重心稳定，在承压筒711的内壁上沿轴向方向设置有多个定位条714，定位条714的侧壁上设置有沿轴向方向的定位导槽，一级重力块712的外壁上设置有与定位导槽配合的定位块，通过定位块能够沿着定位导槽上下移动，通过定位导槽的限位作用，能够保障多个一级重力块712的重心都在承压筒711的轴线上，使得整个承压筒711上下移动过程中重心不会偏移。

在一些实施例中，液压竖井2内壁位于锁定平台21上方沿轴线方向设置有多个导轨22，二级重力块721上和限位圈713上均设置有与导轨22配合的导向组件，以通过导轨22对二级重力块721和承压筒711进行限位，导向组件可以为与导轨22配合的滚针凸轮导向器，通过导轨22的限位作用使得重力压块7在上下移动过程中不会发生重心偏移。

另外，如图4所示，液压竖井2内壁位于锁定平台21的下方设置有衬管23，密封膜11密封连接在衬管23内壁上，由于衬管23的内壁光滑，设置衬管23与密封膜11连接能够提高衬管23与密封膜11之间的密封性能。

还需要说明的是，承压筒711的底部为锥形结构，使承压筒711底部在高压力的压力液体5的作用下受力更均匀，不产生变形。

一种重力液压压缩空气储能方法，包括如下过程：

储能时，由电动机带动压缩机组9将空气压缩后通过换热装置和储热装置的作用将得到的高温高压气体中的能量存储后得到常温高压气体送入储气库1中，在储气库1气量增加的同时开启高压水泵12，高压水泵12和储气库1中的压缩空气将压力液体排入液压竖井2内密封的储液腔6内，当储液腔6中压力液体5的压力达到一定值时，通过储液腔6中的压力液体5对液压竖井2中的重力压块7施加向上的作用力，使得重力压块7向上移动至最高限位，进而使得电能部分转化为重力压块7的重力势能；

释能时，储气库1中的高压空气进入膨胀机组10推动膨胀机组10做功带动发电机发电，储气库1内部储气量减小，重力压块7开始下降，液压竖井2内的压力液体由液压旁路4经过水轮机8进入储气库1并带动水轮机8做功带动发电机发电，实现膨胀机组10和水轮机8同时进行做功发电的效果。

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 (9)

1.一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

储气库，所述储气库中填充有压力液体；

液压竖井，所述液压竖井中活动插接有重力压块，所述重力压块外壁与所述液压竖井内壁之间密封连接有密封膜，所述重力压块、所述密封膜以及所述液压竖井中位于所述重力压块和所述密封膜下方的空间围成储液腔；

液压管路，所述液压管路的进液端和出液端分别与所述储气库和所述储液腔相连，所述液压管路上设置有高压水泵，以使储能时通入所述储气库中的压缩空气协同所述高压水泵将所述压力液体压入所述液压竖井中将所述重力压块顶起,使得压缩空气能部分转化为重力压块的重力势能和压力液体的势能;

液压旁路，所述液压旁路的进液端和出液端分别与所述储液腔和所述储气库相连，所述液压旁路上设置有水轮机，以使释能时所述重力压块向下将所述储液腔中的所述压力液体压入所述液压旁路中带动所述水轮机做功后通入所述储气库中压动所述储气库中的所述压缩空气对外做功,通过水轮机和压缩空气的做功同时带动电动机发电；

压缩机组，所述压缩机组连接所述储气库，用于向所述储气库中通入压缩空气；

膨胀机组，所述膨胀机组连接所述储气库，以使所述储气库中储存的压缩空气通入所述膨胀机组中做功发电。

2.如权利要求1所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述液压旁路的进液端和出液端分别通过三通阀连接在所述液压管路上。

3.如权利要求1所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述重力压块包括一级重力块组和设置在所述一级重力块组上的二级重力块组；

所述一级重力块组包括承压筒和填充在所述承压筒中的多个一级重力块，所述密封膜连接在所述承压筒外壁上，所述承压筒的顶端外壁设置有限位圈，所述液压竖井的内壁设置有锁定平台，以使所述承压筒向下移动至最低限位处时通过所述限位圈支撑在所述锁定平台上，所述二级重力块组设置在所述承压筒上。

4.如权利要求3所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述二级重力块组包括多个依次叠加设置的二级重力块；

所述一级重力块的外径小于所述承压筒的内径，所述二级重力块的外径大于所述承压筒的内径。

5.如权利要求3所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述承压筒的内壁上沿轴向方向设置有多个定位条，所述定位条的侧壁上设置有沿轴向方向的定位导槽，所述一级重力块的外壁上设置有与所述定位导槽配合的定位块。

6.如权利要求4所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述液压竖井内壁位于所述锁定平台上方沿轴线方向设置有多个导轨，所述二级重力块上和所述限位圈上均设置有与所述导轨配合的导向组件，以通过所述导轨对所述二级重力块和所述承压筒进行限位。

7.如权利要求3所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述液压竖井内壁位于所述锁定平台的下方设置有衬管，所述密封膜密封连接在所述衬管内壁上。

8.如权利要求3所述的一种重力液压压缩空气储能系统，其特征在于，所述承压筒的底部为锥形结构。

9.一种基于权利要求1-8中任一所述的重力液压压缩空气储能系统的储能方法，其特征在于，包括如下过程：

储能时，由电动机带动压缩机组将空气压缩后送入储气库，在储气库气量增加的同时开启高压水泵，高压水泵和储气库中的压缩空气将压力液体排入液压竖井内密封的储液腔内，通过储液腔中的压力液体对液压竖井中的重力压块施加向上的作用力，使得重力压块向上移动至最高限位；

释能时，储气库中的高压空气进入膨胀机组推动膨胀机组做功带动发电机发电，储气库内部储气量减小，重力压块开始下降，液压竖井内的压力液体由液压旁路经过水轮机进入储气库并带动水轮机做功带动发电机发电。

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