CN114718688B - 一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，包括储气竖井和重力柱塞，所述储气竖井内壁周侧设置有多个凹陷区电磁体组，每个凹陷区电磁体组均包括多个沿竖直方向设置在所述储气竖井内壁上的凹陷区电磁体；所述重力柱塞活动插接在所述储气竖井中，所述重力柱塞的外壁周侧设置有多个凸起电磁体组，每个凸起电磁体组均包括多个沿竖直方向设置在所述重力柱塞外壁上的凸起电磁体，多个凹陷区电磁体与多个凸起电磁体一一对应，所述凹陷区电磁体和所述凸起电磁体分别通电后产生相斥的电磁力。通过凹陷区电磁体组和凸起电磁体组之间的磁悬浮平衡，使得重力柱塞和储气竖井壁面之间无接触，减少储能过程摩擦阻力损失，提高储能效率。

Description

一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统和方法

技术领域

本申请涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统和方法。

背景技术

重力压缩空气储能是通过在储气竖井中设置重力块，重力块与储气竖井之间通过密封膜密封连接，位于重力块下方的储气竖井中形成密封的储气腔，储气腔中压缩空气储能和释能过程中重力块上下移动，在重力块上下移动过程中可以能会出现偏心倾斜现象，造成重力块与储气竖井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。

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基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，通过凹陷区电磁体组和凸起电磁体组之间的磁悬浮平衡，使得重力柱塞和储气竖井壁面之间无接触，减少储能过程摩擦阻力损失，提高储能效率。

为达到上述目的，本申请提出的一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，包括：

储气竖井，所述储气竖井内壁周侧设置有多个凹陷区电磁体组，每个凹陷区电磁体组均包括多个沿竖直方向设置在所述储气竖井内壁上的凹陷区电磁体；

重力柱塞，所述重力柱塞活动插接在所述储气竖井中，所述重力柱塞的外壁周侧设置有多个凸起电磁体组，每个凸起电磁体组均包括多个沿竖直方向设置在所述重力柱塞外壁上的凸起电磁体，多个凹陷区电磁体与多个凸起电磁体一一对应，所述凹陷区电磁体和所述凸起电磁体分别通电后产生相斥的电磁力。

进一步地，所述储气竖井内壁周侧设置有多个沿竖直方向的凹陷槽，每个所述凹陷区电磁体组中的多个凹陷区电磁体均设置在一个所述凹陷槽的槽底；

所述凸起电磁体伸入卡嵌在所述凹陷槽中。

进一步地，多个所述凹陷区电磁体沿竖直方向等距设置在所述凹陷槽中，多个所述凸起电磁体沿竖直方向等距设置在所述重力柱塞外壁；

相邻两个所述凹陷区电磁体之间的距离与相邻两个所述凸起电磁体之间的距离相等。

进一步地，多个所述凹陷区电磁体组等角度设置在所述储气竖井的周侧；

多个所述凸起电磁体组等角度设置在所述重力柱塞周侧。

进一步地，还包括密封膜，所述密封膜套设在所述重力柱塞外部，所述密封膜与所述重力柱塞外壁以及与所述储气竖井内壁之间密封连接，以使所述重力柱塞、所述密封膜和所述储气竖井位于所述密封膜下方空间之间围成储气腔。

进一步地，所述密封膜为筒状结构，密封膜包括多个支撑筋，多个支撑筋围绕在筒状结构的周侧，两个相邻支撑筋之间通过弹性密封膜连接，以通过多个支撑筋和弹性密封膜围成筒状结构；

密封膜顶端向内折弯形成内环和外环，内环和外环的顶端相连，内环的底端密封连接在重力柱塞的外壁上，外环的底端连接在储气竖井的内壁上。

进一步地，所述储气竖井的侧壁设置有锁定平台，以使所述重力柱塞向下移动至最低限位时通过所述锁定平台进行支撑。

进一步地，还包括压缩机，所述压缩机连接所述储气腔，用于向所述储气腔中通入压缩空气；与

膨胀机，所述膨胀机连接所述储气腔，以使所述储气腔中的压缩空气对所述膨胀机做功。

一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能方法，包括如下过程：

向储气竖井中的重力柱塞、所述重力柱塞和所述储气竖井之间相连的密封膜以及所述储气竖井位于所述密封膜下方的区域之间围成的储气腔中通入压缩空气，以使所述重力柱塞在压缩空气的压力作用下沿着储气竖井竖直向上移动；

对储气竖井内壁周侧分布的多个凹陷区电磁体和分布在重力柱塞外壁周侧并与所述凹陷区电磁体对应的凸起电磁体通电，使得凹陷区电磁体和凸起电磁体之间产生相斥的电磁力，相斥的电磁力使得重力柱塞移动过程中与储气竖井壁面处于磁悬浮状态，减少了重力柱塞与储气竖井之间的接触。

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基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统的局部结构俯视图；

图2是本申请另一实施例提出的基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统的局部结构剖视图；

图3是本申请另一实施例中密封膜的结构示意图；

图中，1、储气竖井；2、重力柱塞；3、凹陷区电磁体组；31、凹陷区电磁体；4、凸起电磁体组；41、凸起电磁体；5、凹陷槽；6、密封膜；61、支撑筋；62、弹性密封膜；7、储气腔；8、锁定平台。

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基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统的结构示意图。

参见图1和图2，一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，包括储气竖井1和重力柱塞2，储气竖井1内壁周侧设置有多个凹陷区电磁体组3，每个凹陷区电磁体组3均包括多个沿竖直方向设置在储气竖井1内壁上的凹陷区电磁体31，重力柱塞2活动插接在储气竖井1中，重力柱塞2与储气竖井1之间有间隙，重力柱塞2的外壁周侧设置有多个凸起电磁体组4，每个凸起电磁体组4均包括多个沿竖直方向设置在重力柱塞2外壁上的凸起电磁体41，多个凹陷区电磁体31与多个凸起电磁体41一一对应，也就是说，凹陷区电磁体组3和凸起电磁体组4的数量相等并且能够对应设置，凹陷区电磁体31和凸起电磁体41分别通电后产生相斥的电磁力，使得重力柱塞2上下运行过程中处于磁悬浮状态，使得重力柱塞2与储气竖井1之间不接触移动，进而也就不会造成重力柱塞2与储气竖井1内壁之间由于接触产生阻力，影响重力柱塞2的上下移动，另外，当重力柱塞2在上下移动过程中倾斜时，此时，由于多个凹陷区电磁体31和多个凸起电磁体41分别通电，通过调节倾斜侧（重力柱塞2顶部倾斜靠近的一侧）上部对应的凹陷区电磁体31和相应的凸起电磁体41的电流，使得上部的凹陷区电磁体31和凸起电磁体41的电流增大，电磁力增大，使得重力柱塞2恢复竖直，当重力柱塞2整体虽然处于竖直状态但是偏移至一侧时，此时可以通过增大偏移侧（重力柱塞靠近的一侧）对应的凹陷区电磁体31和凸起电磁体41的电流，使得重力柱塞2向储气竖井1的中部移动，保障重力柱塞2与储气竖井1侧壁之间有一定间隙，不会接触，也就不会在移动过程中产生阻力，并且保障重力柱塞2倾斜侧对应的上下端的凹陷区电磁体组3中的多个凹陷区电磁体31和凸起电磁体组4中的多个凸起电磁体41的电流相同，防止重力柱塞2倾斜，另外，重力柱塞2和储气竖井1壁面之间无接触，减少储能过程摩擦阻力损失，提高储能效率，凹陷区电磁体31和相应的凸起电磁体41之间保持相斥电磁力，有效防止重力柱塞2运行过程中重心偏斜问题，并且通过控制电流大小即可控制相斥电磁力大小，可实现电磁力分段控制，有利于重力柱塞快速恢复垂直状态，同时磁悬浮平衡系统简单可靠，有利于降低成本和工程实施。

在一些实施例中，储气竖井1内壁周侧设置有多个沿竖直方向的凹陷槽5，每个凹陷区电磁体组3中的多个凹陷区电磁体31均设置在一个凹陷槽5的槽底，凸起电磁体41伸入卡嵌在凹陷槽5中，也就是说，凸起电磁体41设置在重力柱塞2的外壁上，形成凸起状，而凸起状伸入在凹陷槽5中，使得凹陷槽5能够对凸起电磁体41进行限位，使得重力柱塞2如果旋转偏移时，通过凹陷槽5对凸起电磁体41的阻挡，重力柱塞2就不会出现旋转，凸起电磁体41就不会偏移，进而不会造成凹陷区电磁体31和凸起电磁体41之间相对位置在轴向的偏移，使得凹陷区电磁体31和凸起电磁体41能够正对设置，保障了凹陷区电磁体31和凸起电磁体41之间相斥的电磁力的稳定。

另外，需要说明的是，在重力柱塞2处于竖直状态时，每个凹陷槽5中的多个凹陷区电磁体31与相应的多个凸起电磁体41之间的间隙距离一致，也就是说，在一个凹陷槽5中，当多个凹陷区电磁体31和多个凸起电磁体41在竖直方向上一一对应时，从上到下，如第一个凹陷区电磁体31和第一个凸起电磁体41之间存在的间隙距离与第二个凹陷区电磁体31和第二个凸起电磁体41之间存在的间隙距离相等，也就是说，多个凹陷区电磁体31结构可以相同，多个凸起电磁体41结构也可以相同，进而使得在重力柱塞2处于竖直状态时，一个凹陷槽5中的凹陷区电磁体31和凸起电磁体41之间的距离一致。

在一些实施例中，多个凹陷区电磁体31沿竖直方向等距设置在凹陷槽5中，多个凸起电磁体41沿竖直方向等距设置在重力柱塞2外壁，相邻两个凹陷区电磁体31之间的距离与相邻两个凸起电磁体41之间的距离相等。

另外，需要说明的是，多个凹陷区电磁体组3等角度设置在储气竖井1的周侧，多个凸起电磁体组4等角度设置在重力柱塞2周侧，多个凹陷槽5也等角度设置在储气竖井1的周侧，保证重力柱塞2的周侧受力均匀，防止出现重力柱塞2偏斜与旋转。

需要说明的是，还可以设置密封膜6，密封膜6套设在重力柱塞2外部，密封膜6与重力柱塞2外壁以及与储气竖井1内壁之间密封连接，以使重力柱塞2、密封膜6和储气竖井1位于密封膜6下方空间之间围成储气腔7，储气腔7中能够存储压缩空气。

参阅图3，在一些实施例中，密封膜6结构可以有多种。

作为一种可能的情况，密封膜6为筒状结构，密封膜6包括多个支撑筋61，多个支撑筋61围绕在筒状结构的周侧，两个相邻支撑筋61之间通过弹性密封膜62连接，以通过多个支撑筋61和弹性密封膜62围成筒状结构，密封膜6顶端向内折弯形成内环和外环，内环和外环的顶端相连，内环的底端密封连接在重力柱塞2的外壁上，外环的底端连接在储气竖井1的内壁上，通过设置支撑筋61能够提高密封膜纵向的抗拉强度，并且储气腔7内恒压充气时，密封膜6的弹性密封膜62的弹性区域向低压侧鼓起，与储气竖井1壁面和重力柱塞2贴合，提供反向支撑力，降低密封膜环向拉力，另外，重力柱塞2运动至不同高度时，密封膜6的弯折位置不同导致密封膜6产生自身挤压形变，会降低密封膜6的使用使用寿命，需要提高提高密封膜6材料的性能，进而会增大成本，通过相邻两个支撑筋61之间密封膜6的设置可以提供密封膜6向内形变余量，降低形变产生的密封膜6内部应力，提高密封膜6使用寿命，降低密封膜6材料成本。

进一步来说，外环的外径与储气竖井1的内径相同，以使外环的支撑筋61和弹性密封膜62与储气竖井1内壁相接，内环的支撑筋61与重力柱塞2的外壁相接，当储气腔7中充气时，在压力作用下，弹性密封膜62向低压侧鼓起，进而使得弹性密封膜62也能够与重力柱塞2外壁相接。同时，在密封膜6折弯形成内环和外环时，翻折后的内环周侧形成褶皱，褶皱之间相互挤压，会产生自身挤压形变，产生内部应力，影响密封膜6的使用寿命，通过设置支撑筋61，通过支撑筋61的固定，使得弹性密封膜62褶皱凸起后，相邻两个褶皱凸起之间通过支撑筋61的间隔不会产生挤压和内部应力，从而降低密封膜6材料成本。

另外，在储气竖井1的侧壁设置有锁定平台8，以使重力柱塞2向下移动至最低限位时通过锁定平台8进行支撑，使得重力柱塞2移动至最低限位时储气腔7中保留一定的空间，能够保障初始状态时储气腔7中通入的压缩空气的压力能够将重力柱塞2顶起。

在一些实施例中，还包括压缩机和膨胀机，压缩机和膨胀机均连接储气腔7，压缩机用于向储气腔7中通入压缩空气，另外，储气腔7中的压缩空气可以对膨胀机做功，进行发电。

在一些实施例中，公开了一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能方法，包括如下过程：

电能通过电动机带动空气压缩机对气体做功，将产生的压缩空气通入储气竖井1中的重力柱塞2、重力柱塞2和储气竖井1之间相连的密封膜6以及储气竖井1位于密封膜6下方的区域之间围成的储气腔7中，以使重力柱塞2在压缩空气的压力作用下沿着储气竖井1竖直向上移动；

对储气竖井1内壁周侧分布的多个凹陷区电磁体31和分布在重力柱塞2外壁周侧并与凹陷区电磁体31对应的凸起电磁体41通电，使得凹陷区电磁体31和凸起电磁体41之间产生相斥的电磁力，相斥的电磁力使得重力柱塞2移动过程中与储气竖井1壁面处于磁悬浮状态，减少了重力柱塞2与储气竖井1之间的接触。

可以理解的是，将产生的压缩空气通入储气腔7中，重力柱塞2在压缩空气的压力作用下沿着储气竖井1竖直向上移动，通过对凹陷区电磁体31和凸起电磁体41通电，使得凹陷区电磁体31和凸起电磁体41之间产生相斥的电磁力，相斥的电磁力使得重力柱塞2移动过程中与壁面处于磁悬浮状态，减少了重力柱塞2与储气竖井1之间的接触，减少储能过程重力柱塞2与储气竖井1之间接触形成摩擦阻力损失，提高储能效率。

当重力柱塞2运行过程中出现偏移倾斜，通过提高偏移侧（重力柱塞2倾斜靠近的一侧）上部的凸起电磁体41和凹陷区电磁体31的电流，增大相斥电磁力，辅助实现重力柱塞2恢复垂直，重力柱塞2整体竖直偏移储气竖井1中部时，此时增大偏移侧的凸起电磁体41和凹陷区电磁体31的电流，增大相斥电磁力，辅助实现重力柱塞2整体向储气竖井1中部移动；

重力柱塞2向上移动至最高限位停止移动。

释能时，重力柱塞2向下移动，储气腔7中的压缩空气对膨胀机作用，带动发电机发电。

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 (6)

1.一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

储气竖井，所述储气竖井内壁周侧设置有多个凹陷区电磁体组，每个凹陷区电磁体组均包括多个沿竖直方向设置在所述储气竖井内壁上的凹陷区电磁体；

重力柱塞，所述重力柱塞活动插接在所述储气竖井中，所述重力柱塞的外壁周侧设置有多个凸起电磁体组，每个凸起电磁体组均包括多个沿竖直方向设置在所述重力柱塞外壁上的凸起电磁体，多个凹陷区电磁体与多个凸起电磁体一一对应，所述凹陷区电磁体和所述凸起电磁体分别通电后产生相斥的电磁力；

所述储气竖井内壁周侧设置有多个沿竖直方向的凹陷槽，每个所述凹陷区电磁体组中的多个凹陷区电磁体均设置在所述凹陷槽的槽底；所述凸起电磁体伸入卡嵌在所述凹陷槽中；

多个所述凹陷区电磁体沿竖直方向等距设置在所述凹陷槽中，多个所述凸起电磁体沿竖直方向等距设置在所述重力柱塞外壁；相邻两个所述凹陷区电磁体之间的距离与相邻两个所述凸起电磁体之间的距离相等；

多个所述凹陷区电磁体组等角度设置在所述储气竖井的周侧；多个所述凸起电磁体组等角度设置在所述重力柱塞周侧。

2.如权利要求1所述的一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，其特征在于，还包括密封膜，所述密封膜套设在所述重力柱塞外部，所述密封膜与所述重力柱塞外壁以及与所述储气竖井内壁之间密封连接，以使所述重力柱塞、所述密封膜和所述储气竖井位于所述密封膜下方空间之间围成储气腔。

3.如权利要求2所述的一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，其特征在于，所述密封膜为筒状结构，密封膜包括多个支撑筋，多个支撑筋围绕在筒状结构的周侧，两个相邻支撑筋之间通过弹性密封膜连接，以通过多个支撑筋和弹性密封膜围成筒状结构；

密封膜顶端向内折弯形成内环和外环，内环和外环的顶端相连，内环的底端密封连接在重力柱塞的外壁上，外环的底端连接在储气竖井的内壁上。

4.如权利要求2所述的一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气竖井的侧壁设置有锁定平台，以使所述重力柱塞向下移动至最低限位时通过所述锁定平台进行支撑。

5.如权利要求4所述的一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

压缩机，所述压缩机连接所述储气腔，用于向所述储气腔中通入压缩空气；

膨胀机，所述膨胀机连接所述储气腔，以使所述储气腔中的压缩空气对所述膨胀机做功。

6.一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能方法，其采用权利要求1-5中任一项所述的基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统，其特征在于，包括如下过程：

向储气竖井中的重力柱塞、所述重力柱塞和所述储气竖井之间相连的密封膜以及所述储气竖井位于所述密封膜下方的区域之间围成的储气腔中通入压缩空气，以使所述重力柱塞在压缩空气的压力作用下沿着储气竖井竖直向上移动；

对储气竖井内壁周侧分布的多个凹陷区电磁体和分布在重力柱塞外壁周侧并与所述凹陷区电磁体对应的凸起电磁体通电，使得凹陷区电磁体和凸起电磁体之间产生相斥的电磁力，相斥的电磁力使得重力柱塞移动过程中与储气竖井壁面处于磁悬浮状态。

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