CN114718689A - 一种磁力式压缩空气储能系统和储能方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种磁力式压缩空气储能系统和储能方法，其中磁力式压缩空气储能系统包括竖井、永磁体、压缩机组、膨胀机组，所述竖井中活动插接有电磁重力块，电磁重力块与竖井之间通过密封件连接，以使所述电磁重力块、所述密封件和所述竖井位于所述密封件下方的空间围成储气室，所述电磁重力块上缠绕有导线形成电磁铁，所述永磁体设置在所述竖井的底部，以使所述电磁重力块通电后与所述永磁体磁性相吸，所述压缩机组和所述膨胀机组均与所述储气室相连，通过电磁重力块和永磁体之间磁性吸引提供下压力，消耗少量电能，使得整套压缩空气系统定压运行，提高系统稳定性、使用寿命以及电效率。

Description

一种磁力式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，尤其涉及一种磁力式压缩空气储能系统和储能方法。

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，且传统压缩空气储能的压缩机与膨胀机常年滑压运行，效率远小额定工况。

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磁力式压缩空气储能系统，通过电磁重力块和永磁体之间磁性吸引提供下压力，消耗少量电能，使得整套压缩空气系统定压运行，提高系统稳定性、使用寿命以及电效率。

为达到上述目的，本申请提出的一种磁力式压缩空气储能系统，包括：

竖井，所述竖井中活动插接有电磁重力块，电磁重力块与竖井之间通过密封件连接，以使所述电磁重力块、所述密封件和所述竖井位于所述密封件下方的空间围成储气室，所述电磁重力块上缠绕有导线形成电磁铁；

永磁体，所述永磁体设置在所述竖井的底部，以使所述电磁重力块通电后与所述永磁体磁性相吸；

压缩机组，所述压缩机组与所述储气室相连，用于将空气压缩后通入所述储气室中进行存储；

膨胀机组，所述膨胀机组与所述储气室相连，以使所述储气室中存储的压缩空气通入所述膨胀机组中做功。

进一步地，所述电磁重力块包括承压筒，所述导线缠绕设置在所述承压筒内壁，所述密封件与所述承压筒的外壁密封连接；

所述承压筒的内部填充有填充压块组。

进一步地，所述填充压块组包括多个叠加设置的填充压块。

进一步地，所述电磁重力块的上方设置有多层叠加设置的重力压块，所述重力压块设置在所述承压筒顶部。

进一步地，所述竖井的内壁周侧竖直设置有多个导轨，所述重力压块外壁以及所述承压筒外壁上设置有与所述导轨滑动配合的导向组件。

进一步地，所述竖井内壁下方设置有底部锁定平台，所述承压筒的顶端外壁上设置有支撑圈，以使所述电磁重力块向下移动至最低限位时通过所述底部锁定平台对所述支撑圈进行支撑；

所述竖井内壁上方设置有顶部锁定平台，以使多层所述重力压块向上移动至最高限位时通过所述顶部锁定平台进行限位。

进一步地，所述承压筒内壁上竖直设置有多个定位条，所述定位条的侧壁竖直开有定位滑槽，所述填充压块的外壁上设置有与所述定位滑槽相适配的定位滑块。

进一步地，所述竖井的内壁上位于所述底部锁定平台的下方设置有衬管，所述密封件的一端密封连接在所述衬管的内壁上。

进一步地，所述密封件为密封膜，所述密封膜为筒状结构；

所述密封膜包括多个支撑筋，多个所述支撑筋围绕在所述筒状结构的周侧，两个相邻支撑筋之间通过弹性密封膜连接，以通过多个所述支撑筋和所述弹性密封膜围成筒状结构；

所述密封膜顶端向内折弯形成内环和外环，所述内环和所述外环的顶端相连，所述内环的底端密封连接在所述承压筒的外壁上，所述外环的底端连接在所述竖井的内壁上。

一种磁力式压缩空气储能方法，包括如下过程：

在竖井内的电磁重力块的内壁面上缠绕导线，使得导线通电后电磁重力块产生磁力与竖井底部的永磁体之间产生磁性吸力；

储能时，压缩机组将压缩空气通入电磁重力块、密封连接竖井和电磁重力块的密封件和竖井位于密封件下方的空间围成的储气室中，逐步增大电磁重力块的电流，并保持储气室内压力恒定，当电磁重力块上升至最高限位时通过竖井上的顶部锁定平台阻挡停止上升，逐步减小电磁重力块电流，最后关闭电磁重力块电流，完成储能过程，过程中储气室压力恒定，压缩机组定压运行；

释能时，增大电磁重力块电流至一定值，储气室内的压缩空气通入膨胀机组中做功，电磁重力块与顶部锁定平台脱离后向下移动，逐步减小电磁重力块电流，使储气室内压力恒定，膨胀机组以额定工况定压运行，释能结束后，关闭电磁重力块电流。

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磁力式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磁力式压缩空气储能系统的结构示意图；

图3是本申请另一实施例提出的磁力式压缩空气储能系统的结构示意图；

图4是本申请另一实施例提出的磁力式压缩空气储能系统的结构示意图；

图5是本申请另一实施例提出的磁力式压缩空气储能系统的结构示意图；

图6是本申请另一实施例提出的密封件的结构示意图；

图中，1、竖井；11、底部锁定平台；12、顶部锁定平台；13、衬管；2、电磁重力块；21、支撑圈；22、承压筒；23、填充压块组；24、填充压块；25、重力压块；26、定位条；3、密封件；31、支撑筋；32、弹性密封膜；4、储气室；5、永磁体；6、导轨；7、压缩机组；8、膨胀机组。

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磁力式压缩空气储能系统的结构示意图。

参见图1，一种磁力式压缩空气储能系统，包括竖井1，竖井1中活动插接有电磁重力块2，电磁重力块2与竖井1之间通过密封件3连接，以使电磁重力块2、密封件3和竖井1位于密封件3下方的空间围成储气室4，在电磁重力块2上缠绕导线，通电后形成电磁铁，并且在竖井1的底部设置永磁体5，以使电磁重力块2通电后与永磁体5磁性相吸，提高重块的下压力，从而增加储气室4中的压力，储气室4分别与压缩机组7和膨胀机组8相连，压缩机组7用于将空气压缩后通入储气室4中进行存储，储气室4中存储的压缩空气通入膨胀机组8中进行做功。

可以理解的是，将导线从电磁重力块2顶部通入电磁重力块2中并缠绕固定在电磁重力块2内壁面上，由于竖井底部有永磁体5，与电磁重力块2之间产生电磁吸力，使得电磁重力块2对储气室4中的压缩空气不仅有向下的重力作用还有向下的电磁力作用。

具体地，在向储气室4中通入压缩空气时通过导线向电磁重力块2中通入电流，使得永磁体5对电磁重力块2有向下的作用力，此时对于储气室4中压缩空气的向下的力包括电磁重力块2的重力和电磁力，当储气室4中的压缩空气压力达到一定值时，电磁重力块2向上移动，储气室4中持续通入压缩空气，当电磁重力块2向上移动过程中由于离永磁体5的距离越来越远，磁性吸引力降低，此时为了保障向下的作用力一定，通过控制导线的电流使得向下的作用力一定，进而保障充气过程中储气室4中的压力一定，当释能时，储气室4中的压缩空气通入膨胀机组8中进行做功发电，电磁重力块2向下移动使得电磁重力块2离永磁体5的距离减小，电磁力会增大，在电磁重力块2向下移动过程中，逐渐减小导线中的电流，使得向下的作用力一定，进而能够保障充气和释能过程中，储气室4压力恒定，压缩机组7和膨胀机组8都能够定压运行，消耗少量电能，使得整套压缩空气系统定压运行，提高系统稳定性、使用寿命以及电效率。

如图2所示，在一些实施例中，电磁重力块2可以包括承压筒22，导线缠绕在承压筒22的内壁面上，密封件3与承压筒22的外壁密封连接，承压筒22的内部填充有填充压块组23。

可以理解的是，将电磁重力块2设置成筒状的承压筒22结构，方便导线在内壁面的缠绕固定，并且不影响承压筒22外壁上与密封件3之间的连接，另外，承压筒22设置成筒状结构，不仅能够提供向下的重力，并且方便导线在内壁缠绕，然后在承压筒22中填充有填充压块组23，使得承压筒22中空间合理利用，并且增大向下的重力作用，还需要说明的是，承压筒22可以为由金属板材围成的筒状结构，其中金属板材与永磁体5之间没有吸引，例如铝或非磁性钢材，壁面光滑，密封件3连接在承压筒22外壁上，能够提高密封性能，并且储气室4中储能压力较大，而重力块一般都是用混凝土制备，在高压空气作用下会出现漏气的情况，通过设置承压筒22包覆在填充压块组23外部，能够提高气密性，防止漏气，进而保证储气室4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。

如图3所示，在一些实施例中，填充压块组23包括多个叠加设置的填充压块24。

可以理解的是，将承压筒22设置成空心的筒状结构，然后再在其中填充多个填充压块24，在安装施工时，承压筒22和每个填充压块24均是单独吊装的，实现承压筒22功能的同时，降低了每次吊装的重量，进而降低了施工难度。

在一些实施例中，承压筒22内壁上竖直设置有多个定位条26，定位条26的侧壁竖直开有定位滑槽，填充压块24的外壁上设置有与定位滑槽相适配的定位滑块，定位滑块能够在定位滑槽中上下移动，通过定位滑槽对定位滑块进行限位，使得填充压块24在随着承压筒22上下移动过程中不会发生偏移，重心始终保持一致。

可以理解的是，承压筒22设置成筒状结构，其重心在承压筒22的轴线上，另外承压筒22中填充的填充压块24的重心也在承压筒22的轴线上，通过设置定位条26能够保障填充压块24在承压筒22上下移动过程中重心不会偏移。

另外，需要说明的是，定位条26在安装时，通过在承压筒22的顶端和底端内壁上固定多个垫块，导线位于顶端和底端设置的垫块之间，然后可以将定位条26的两端分别固定在顶端和底端的垫块上，使得定位条26安装后不影响导线，并且导线缠绕后可以从承压筒22顶部穿出。

如图4所示，在一些实施例中，电磁重力块2的上方设置有多层叠加设置的重力压块25，重力压块25设置在承压筒22顶部。

可以理解的是，在承压筒22的顶部层层分别吊装重力压块25进行安装，吊装的多层重力压块25能够提高对储气室4向下的压力，并且减少每次吊装时的重量，降低吊装施工难度。

如图所示，在一些实施例中，竖井1的内壁周侧竖直设置有多个导轨6，重力压块25外壁以及承压筒22外壁上设置有与导轨6滑动配合的导向组件，通过导轨的设置能够实现对多个重力压块25的限位，进而能够保障重力压块25在储能和释能过程中上下移动时不会发生偏移，进而使得多个重力压块25在上下移动时重心能够一致。

可以理解的是，竖井1设置成筒状结构，重力压块25设置成圆柱状结构，多个导轨6围成筒状结构，另外重力压块25的重心在承压筒22的轴线上，通过导轨6的限位作用，使得重力压块25上下移动过程中其重心保持在承压筒22的轴线上。

进一步地，导向组件可以为与导轨相适配的滚针凸轮导向器。

另外，还需要说明的是，重力压块25和填充压块24均可以为混凝土材料浇筑而成的圆柱状结构。

在一些实施例中，竖井1内壁下方设置有底部锁定平台11，承压筒22的顶端外壁上设置有支撑圈21，以使电磁重力块2向下移动至最低限位时通过底部锁定平台11对支撑圈21进行支撑，使得在电磁重力块2位于最底限位处时，下方的储气室4中仍有一定的空间，能够保障在初始状态时，储气室4中通入的压缩空气的量能够将电磁重力块2启动上升。

可以理解的是，底部锁定平台11可以设置成环形的结构，并且承压筒22的外径小于环形的内径，而支撑圈21的外径则大于环形的内径，使得承压筒22能够穿过底部锁定平台11向下移动至支撑圈21处时，通过支撑圈21支撑在底部锁定平台11上。

另外，竖井1内壁上方设置有顶部锁定平台12，以使多层重力压块25向上移动至最高限位时通过顶部锁定平台12进行限位。

可以理解的是，顶部锁定平台12可以设置成环形的结构，重力压块25的外径小于环形的内径，使得重力压块25不能穿过顶部锁定平台12，在安装过程中先吊装承压筒22、填充压块24、重力压块25，然后再安装顶部锁定平台12。

需要说明的是，顶部锁定平台12的设置，使得储能时当重力压块25与顶部锁定平台12相接后，就可以逐步减小导线中的电流，通过顶部锁定平台12的限位作用，使得向下的电磁吸引力逐步转化为顶部锁定平台12对重力压块25向下的压力，直到最终关闭电磁重力块电流，使得储能结束后不需要再通电施加电磁力，通过顶部锁定平台12限位即可实现储气室4内压力的稳定。

另外，需要说明的是，可以在承压筒22侧壁位于支撑圈21处开设穿过支撑圈21的穿透孔，然后将导线穿过穿透孔后置于竖井1中，穿透孔位于密封件3固定位置的上方，并且要保障重力压块25与承压筒22相接时不会压到导线，并且导线可以置于竖井1中相邻导轨6之间的间隙中，然后在顶部锁定平台12上开设一个穿透孔，使得导线可以穿过该穿透孔，保障重力压块25与顶部锁定平台12相接时不会压到导线。

在一些实施例中，竖井1的内壁上位于底部锁定平台11的下方设置有衬管13，密封件3的一端密封连接在衬管13的内壁上。

可以理解的是，衬管13可以为金属板材围成的筒状结构，内壁光滑，能够提高密封性能，其中金属板材与永磁体5之间没有磁性引力，例如铝或非磁性钢材。

另外，需要说明的是，密封件3的结构可以有多种。

如图6所示，作为一种可能的结构，密封件3为密封膜，密封膜为筒状结构，密封膜包括多个支撑筋31，多个支撑筋31围绕在筒状结构的周侧，两个相邻支撑筋31之间通过弹性密封膜32连接，以通过多个支撑筋31和弹性密封膜32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承压筒22的外壁上，外环的底端连接在竖井1的内壁上，通过设置支撑筋31能够提高密封膜纵向的抗拉强度，并且储气室4内恒压充气时，密封膜的弹性密封膜32的弹性区域向低压侧鼓起，与竖井1壁面和承压筒22贴合，提供反向支撑力，降低密封膜环向拉力，另外，承压筒22运动至不同高度时，密封膜的弯折位置不同导致密封膜产生自身挤压形变，会降低密封膜的使用寿命，需要提高密封膜材料的性能，进而会增大成本，通过相邻两个支撑筋31之间密封膜的设置可以提供密封膜向内形变余量，降低形变产生的密封膜内部应力，提高密封膜使用寿命，降低密封膜材料成本。

进一步来说，外环的外径与竖井1的内径相同，以使外环的支撑筋31和弹性密封膜32与竖井1内壁相接，内环的支撑筋31与承压筒22的外壁相接，当储气室4中充气时，在压力作用下，弹性密封膜32向低压侧鼓起，进而使得弹性密封膜32也能够与承压筒22外壁相接。同时，在密封膜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，影响密封膜的使用寿命，通过设置支撑筋31，通过支撑筋31的固定，使得弹性密封膜32褶皱凸起后，相邻两个褶皱凸起之间通过支撑筋31的间隔不会产生挤压和内部应力，从而降低密封膜材料成本。

一种磁力式压缩空气储能方法，包括如下过程：

步骤S1：在竖井1内的电磁重力块2的内壁面上缠绕导线，使得导线通电后电磁重力块产生磁力与竖井1底部的永磁体5之间产生磁性吸力，使得电磁重力块2向下的作用力有电磁重力块2的重力和电磁吸力。

步骤2：储能时，由电动机带动压缩机组7做功，压缩机组7将空气进行压缩后通入电磁重力块2、密封连接竖井1和电磁重力块2的密封件3和竖井1位于密封件3下方的空间围成的储气室4中，逐步增大电磁重力块2的电流，并保持储气室4内压力恒定。

可以理解的是，储气室4中压缩空气受到的作用力为电磁重力块2的重力和电磁力，并且由于电磁重力块2向上移动时距离永磁体5的距离越来越远，电磁力会减弱，此时通过增大电流，保障向下的电磁力一定，进而保障储气室4内压力恒定。

另外，当电磁重力块2上升至最高限位时通过竖井1上的顶部锁定平台12阻挡停止上升，停止通气，逐步减小电磁重力块2电流，此时通过顶部锁定平台12对电磁重力块2向下的作用力保障储气室4中压力恒定，最后关闭电磁重力块2电流，完成储能过程，过程中储气室4压力恒定，压缩机组7定压运行。

步骤3：释能时，增大电磁重力块2中导线电流至一定值，储气室4内的压缩空气通入膨胀机组8中做功，电磁重力块2与顶部锁定平台12脱离后向下移动，逐步减小电磁重力块2电流，使储气室4内压力恒定，膨胀机组8以额定工况定压运行，释能结束后，关闭电磁重力块2电流。

可以理解的是，当电磁重力块2向下移动过程中距离永磁体5距离越来越近，在电流很定的情况下，电磁重力块2受到向下的电磁力会越来越大，通过减小电流，控制电磁力恒定，保障释能过程中储气室4内压力恒定。

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 (10)

1.一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

竖井，所述竖井中活动插接有电磁重力块，电磁重力块与竖井之间通过密封件连接，以使所述电磁重力块、所述密封件和所述竖井位于所述密封件下方的空间围成储气室，所述电磁重力块上缠绕有导线形成电磁铁；

永磁体，所述永磁体设置在所述竖井的底部，以使所述电磁重力块通电后与所述永磁体磁性相吸；

压缩机组，所述压缩机组与所述储气室相连，用于将空气压缩后通入所述储气室中进行存储；

膨胀机组，所述膨胀机组与所述储气室相连，以使所述储气室中存储的压缩空气通入所述膨胀机组中做功。

2.如权利要求1所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述电磁重力块包括承压筒，所述导线缠绕设置在所述承压筒内壁，所述密封件与所述承压筒的外壁密封连接；

所述承压筒的内部填充有填充压块组。

3.如权利要求2所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述填充压块组包括多个叠加设置的填充压块。

4.如权利要求2所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述电磁重力块的上方设置有多层叠加设置的重力压块，所述重力压块设置在所述承压筒顶部。

5.如权利要求4所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述竖井的内壁周侧竖直设置有多个导轨，所述重力压块外壁以及所述承压筒外壁上设置有与所述导轨滑动配合的导向组件。

6.如权利要求4所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述竖井内壁下方设置有底部锁定平台，所述承压筒的顶端外壁上设置有支撑圈，以使所述电磁重力块向下移动至最低限位时通过所述底部锁定平台对所述支撑圈进行支撑；

所述竖井内壁上方设置有顶部锁定平台，以使多层所述重力压块向上移动至最高限位时通过所述顶部锁定平台进行限位。

7.如权利要求3所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述承压筒内壁上竖直设置有多个定位条，所述定位条的侧壁竖直开有定位滑槽，所述填充压块的外壁上设置有与所述定位滑槽相适配的定位滑块。

8.如权利要求6所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述竖井的内壁上位于所述底部锁定平台的下方设置有衬管，所述密封件的一端密封连接在所述衬管的内壁上。

9.如权利要求2所述的一种磁力式压缩空气储能系统，其特征在于，所述密封件为密封膜，所述密封膜为筒状结构；

所述密封膜包括多个支撑筋，多个所述支撑筋围绕在所述筒状结构的周侧，两个相邻支撑筋之间通过弹性密封膜连接，以通过多个所述支撑筋和所述弹性密封膜围成筒状结构；

所述密封膜顶端向内折弯形成内环和外环，所述内环和所述外环的顶端相连，所述内环的底端密封连接在所述承压筒的外壁上，所述外环的底端连接在所述竖井的内壁上。

10.一种磁力式压缩空气储能方法，其特征在于，包括如下过程：

在竖井内的电磁重力块的内壁面上缠绕导线，使得导线通电后电磁重力块产生磁力与竖井底部的永磁体之间产生磁性吸力；

储能时，压缩机组将压缩空气通入电磁重力块、密封连接竖井和电磁重力块的密封件和竖井位于密封件下方的空间围成的储气室中，逐步增大电磁重力块的电流，并保持储气室内压力恒定，当电磁重力块上升至最高限位时通过竖井上的顶部锁定平台阻挡停止上升，逐步减小电磁重力块电流，最后关闭电磁重力块电流，完成储能过程，过程中储气室压力恒定，压缩机组定压运行；

释能时，增大电磁重力块电流至一定值，储气室内的压缩空气通入膨胀机组中做功，电磁重力块与顶部锁定平台脱离后向下移动，逐步减小电磁重力块电流，使储气室内压力恒定，膨胀机组以额定工况定压运行，释能结束后，关闭电磁重力块电流。

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