CN114909197B - 一种重力压缩空气储能装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种重力压缩空气储能装置及运行方法，其中储能装置包括竖井，所述竖井中活动插接有重力柱塞，所述重力柱塞包括多层依次叠加的重力柱，最底层的一个所述重力柱的外壁与所述竖井内壁之间通过密封膜密封连接，以使最底层的所述重力柱、所述密封膜和所述竖井位于所述密封膜下方的空间之间围成储气腔；所述竖井侧壁在竖直方向上设置有多个限位机构，多个所述限位机构与多个所述重力柱一一对应。通过将重力柱塞分成多个层层设置的重力柱，通过限位机构实现对重力柱的限位，改变作用于储气腔的重力实现压力的调节，无需通过调节空气膨胀机组的调节阀调节进入的气体流量和压力，实现节能的效果。

Description

一种重力压缩空气储能装置及运行方法

技术领域

本申请涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种重力压缩空气储能装置及运行方法。

背景技术

重力压缩空气储能是通过在竖井中设置重力块，重力块与竖井之间通过密封膜密封连接，位于重力块下方的竖井中形成密封的储气腔，用于高压气体的存储，通过将空气进行压缩后通入储气腔中将压缩空气的能量部分转化为重力块的重力势能进行存储，在释能时，通过向空气膨胀机组中通入压缩空气进行做功，当空气膨胀机组需要停机时，首先需要降低空气膨胀机组入口处的压力，一般是直接通过调节空气膨胀机组的调节阀，使得压缩空气流量和压力均降低，但是直接通过调节阀调节使得气体压力降低，造成能量损失。

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压缩空气储能装置及运行方法，通过将重力柱塞分成多个层层设置的重力柱，通过限位机构实现对重力柱的限位，改变作用于储气腔的重力实现压力的调节，无需通过调节空气膨胀机组的调节阀调节进入的气体流量和压力，实现节能的效果。

为达到上述目的，本申请提出的一种重力压缩空气储能装置，包括竖井，所述竖井中活动插接有重力柱塞，所述重力柱塞包括多层依次叠加的重力柱，最底层的一个所述重力柱的外壁与所述竖井内壁之间通过密封膜密封连接，以使最底层的所述重力柱、所述密封膜和所述竖井位于所述密封膜下方的空间之间围成储气腔；

所述竖井侧壁在竖直方向上设置有多个限位机构，多个所述限位机构与多个所述重力柱一一对应，以通过启动顶部第一层的所述限位机构对应的顶部第一层的所述重力柱，限位机构使第一层的所述重力柱与其他所述重力柱脱开并停止下移，所述储气腔压力对应降低至新平衡状态时，其他所述重力柱继续下移，下移一定距离后，第二层的所述重力柱对应的第二层的所述限位机构启动，限位机构使第二层的所述重力柱与剩余所述重力柱脱开并停止下移，所述储气腔压力对应降低至新平衡状态时，剩余所述重力柱继续下移，依次类推，直至最后一层所述重力柱落在所述竖井底端侧壁上的支撑装置上。

进一步地，所述竖井为圆柱筒状结构；

最底层的所述重力柱为圆柱状结构，最底层的所述重力柱的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽；

所述密封膜为套设在最底层的所述重力柱外部的环形筒状结构，密封膜的外径等于所述竖井的内径，所述密封膜从中间将上部向内翻折后形成外环和内环连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的所述内环周侧形成褶皱凸起，所述外环的底端与所述竖井内壁密封连接，所述内环的底端与最底层的所述重力柱的外壁密封连接，所述褶皱凸起与所述平滑凹槽贴合。

进一步地，多个所述平滑凹槽等角度设置在最底层的所述重力柱的外部周侧。

进一步地，所述密封膜的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构。

进一步地，所述重力柱位于所述平滑凹槽处的环向周长等于所述密封膜外壁环向周长。

进一步地，还包括：

空气压缩机组，所述空气压缩机组与所述储气腔相连，用于向所述储气腔中通入压缩空气；

空气膨胀机组，所述空气膨胀机组与所述储气腔相连，以使所述储气腔中存储的压缩空气通入所述空气膨胀机组中做功。

一种重力压缩空气储能装置的运行方法，具体方法过程如下：

将多层依次叠加的重力柱活动插接在竖井中，在竖井侧壁在竖直方向上设置多个与重力柱一一对应的限位机构，最底层的重力柱、最底层重力柱与竖井之间连接的密封膜、竖井位于密封膜下方的空间之间围成储气腔；

放气过程中，空气膨胀机组需要停机时，需要首先降低入口压力，控制竖井顶部第一个限位机构启动，通过第一个限位机构对第一个重力柱限位，使得第一个重力柱与其他重力柱脱开并停止下移，作用在储气腔上的重力柱塞的质量降低，储气腔压力对应降低至新平衡状态时，未受限的其他重力柱继续下移；下移一定距离后，控制第二层的限位机构启动，限位机构使第二层的重力柱与其他重力柱脱开并停止下移，储气腔压力对应降低至新平衡状态时，其他重力柱继续下移，依次类推，直至最后一层重力柱落在竖井底端侧壁上的支撑装置上；

充气过程中，当空气压缩机组启动时，排气压力由低逐渐升至最高压力，在此过程中，当储气腔中压力略大于最后一层重力柱的重力时，最后一层重力柱向上移动，储气腔中压力逐渐增大，直至与倒数第二层重力柱塞接触并结合，储气腔压力升至略大于最后一层和倒数第二层重力柱的重力，倒数第二层限位机构解除限位；以此类推，直至所有重力柱联合为一体，解除所有限位机构的限位。

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重力压缩空气储能装置的局部结构示意图；

图2是本申请另一实施例提出的重力压缩空气储能装置在放气过程中的局部结构示意图；

图3是本申请最后一层的重力柱与密封膜连接时的局部结构示意图。

图中，1、竖井；11、环形限位槽；12、液压缸；13、夹紧块；14、导轨；2、重力柱塞；3、重力柱；4、密封膜；41、外环；42、内环；5、储气腔；6、平滑凹槽。

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压缩空气储能装置的结构示意图。

参见图1，一种重力压缩空气储能装置，包括竖井1，竖井1中活动插接有重力柱塞2，重力柱塞2包括多层依次叠加的重力柱3，各个重力柱3之间不连接，最底层的一个重力柱3的外壁与竖井1内壁之间通过密封膜4密封连接，以使最后一层的重力柱3、密封膜4和竖井1位于密封膜4下方的空间之间围成储气腔5，竖井1与重力柱塞2之间密封连接，形成活塞-气缸结构。

竖井1侧壁在竖直方向上设置有多个限位机构，多个限位机构与多个重力柱3一一对应，以使释能放气过程中，通过启动顶部第一层的限位机构对应的顶部第一层的重力柱3，限制第一层的重力柱3与其他重力柱3脱开并停止下移，此时第一层的重力柱3停止移动，其他部分的重力柱3的总重力相比重力柱塞2降低，继续放气，使得储气腔5压力对应降低至新平衡状态时，此时其他重力柱3的重力和大于储气腔5中的压力，其他重力柱3继续下移，下移一定距离后，第二层的重力柱3对应的第二层的限位机构启动，限制第二层的重力柱3与剩余重力柱3脱开并停止下移，脱开的剩余重力柱3的重力和小于上述其他重力柱塞3的重力和，使得作用于储气腔5中的重力减小，继续放气，储气腔5压力对应降低至新平衡状态时，剩余重力柱3的重力和大于储气库5中的压力，剩余重力柱3继续下移，依次类推，直至最后一层重力柱3落在竖井1底端侧壁上的支撑装置上，也就是说最后一层重力柱3的限位机构为支撑装置，其中支撑结构为设置在竖井1底端侧壁上的支撑圈，使得最后一层重力柱3向下移动至最低限位时能够通过支撑圈进行支撑限位不再向下移动，此时储气腔5中仍有一定空间能够保障通入的压缩气体能够将最后一层重力柱3顶起，在释能过程中通过对多个重力柱3的层层限位，通过改变重力实现压力的调节，无需通过调节空气膨胀机组的调节阀调节进入的气体流量和压力，实现节能的效果，另外，在出现紧急情况时，也可以通过控制限位机构对重力柱3进行限位固定，防止重力柱3直接对竖井1底部的支撑结构有较大的冲击力。

另外，需要说明的是，在储能时，直接向储气腔5中通入压缩空气，当储气腔5中的压力大于最后一层重力柱3的重力时，最后一层重力柱3向上移动，储气腔5中压力逐渐增大，直至与倒数第二层重力柱塞接触并结合，储气腔5压力升至略大于最后一层和倒数第二层重力柱3的重力，倒数第二层限位机构解除限位，最后一层和倒数第二层重力柱3继续向上移动，以此类推，直至所有重力柱3联合为一体，解除所有限位机构的限位，实现储能的作用。

参考图2和图3，在一些实施例中，竖井1为圆柱筒状结构，最后一层的重力柱3为圆柱状结构，最后一层的重力柱3的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽6，其中竖直方向与重力柱3的轴向方向一致。

密封膜4为套设在最后一层的重力柱3外部的环形筒状结构，密封膜4的外径等于竖井1的内径，密封膜4从中间将上部向内翻折后形成外环41和内环42连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的内环42周侧形成褶皱凸起，外环41的底端与竖井1内壁密封连接，内环42的底端与最后一层的重力柱3的外壁密封连接，褶皱凸起与平滑凹槽6贴合。

具体来说，由于重力柱3的外径小于密封膜4的内径，密封膜4在翻折后形成的内环42位于外环41内侧，密封膜4为筒状结构，翻折后的内环42为了适应环向空间大小，会出现褶皱凸起，通过设置平滑凹槽6使得密封膜4在固定时能够将褶皱凸起凹陷于平滑凹槽6内，从而增大重力柱3环向外壁与密封膜4相接的长度，使得密封膜4固定在重力柱3周侧的长度增大，在重力柱3上下移动过程中密封膜4的外环41和内环42始终保持与竖井1内壁、重力柱3外壁的良好贴合，提升了密封膜4与重力柱3的贴合紧密型，使得重力柱3对密封膜4的支撑位点增多，并且由于密封膜4的外径与竖井1的内径相同，进而使得密封膜4的外环41能够完全贴合在竖井1内壁上，使得密封膜4的外环41与竖井1之间结合紧密，利用刚性壁面为密封膜4提供刚性支撑，提高了密封膜4使用安全性、可靠性和寿命。

在一些实施例中，多个平滑凹槽6等角度设置在最后一层的重力柱3的外部周侧。

另外，需要说明的是，密封膜4的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构，使得加工方便。

在一些实施例中，重力柱3位于所述平滑凹槽处的环向周长等于密封膜4外壁环向周长，具体来说，重力柱3周侧设置平滑凹槽6后，通过控制平滑凹槽6的深度和数量，使得重力柱3在平滑凹槽6处环向的周长增大(例如，当平滑凹槽6贯穿重力柱3底端时，重力柱3在平滑凹槽6处的环向的周长也就是重力柱3底端面边侧的环向周长，并且密封膜4外壁环向周长就是密封膜环形筒状结构的外筒端面边侧环向周长)，内环42的褶皱凸起的部分能够贴合在重力柱3的周侧的平滑凹槽6的槽底，重力柱3能够对密封膜4进行支撑，提高了密封膜4使用安全性、可靠性和寿命。

在一些实施例中，还包括空气压缩机组和空气膨胀机组，空气压缩机组通过储能管路与储气腔5相连，用于向储气腔5中通入压缩空气，空气膨胀机组通过释能管路与储气腔5相连，以使储气腔5中存储的压缩空气通入空气膨胀机组中做功，另外，储能管路和释能管路之间设置有热交换单元，热交换单元包括储热装置和换热装置，储能管路和释能管路上均设有储热装置，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。

需要说明的是，限位机构可以有多种。

作为一种可能的结构，竖井1为圆筒状结构，竖井1的侧壁沿竖直方向设置有多个环形限位槽11，环形限位槽11中等角度设置有多个液压缸12，多个液压缸12的一端连接有夹紧块13，通过控制液压缸12工作带动多个夹紧块13移动对重力柱3进行夹紧，使得重力柱3停止移动，另外，环形限位槽11的上表面和下表面均设置有导轨14，夹紧块13的上下表面均设置有与导轨14配合的滑块，当夹紧块13一端伸出对重力柱13夹紧后，仍后部分留在环形限位槽11中。

在一些实施例中，一种重力压缩空气储能装置的运行方法具体如下：

将多层依次叠加的重力柱3活动插接在竖井1中，在竖井1侧壁在竖直方向上设置多个与重力柱一一对应的限位机构，最底层的重力柱3、最底层重力柱3与竖井之间连接的密封膜4、竖井1位于密封膜4下方的空间之间围成储气腔5；

放气过程中，空气膨胀机组需要停机时，需要首先降低入口压力，控制竖井1顶部第一个限位机构启动，通过第一个限位机构对第一个重力柱3限位，使得第一个重力柱3与其他重力柱3脱开并停止下移，由于其中一个重力柱3被限位停止移动，因此作用在储气腔上的重力柱塞3的质量降低，储气腔5压力对应降低至新平衡状态时，未受限的其他重力柱3继续下移；下移一定距离后，控制第二层的限位机构启动，限制第二层的重力柱3与其他重力柱3脱开并停止下移，储气腔压力对应降低至新平衡状态时，其他重力柱3继续下移，依次类推，直至最后一层重力柱3落在所述竖井底部的支撑结构上；

充气过程中，当空气压缩机组启动时，排气压力由低逐渐升至最高压力，在此过程中，当储气腔5中压力略大于最后一层重力柱3的重力时，最后一层重力柱3向上移动，储气腔5中压力逐渐增大，直至与倒数第二层重力柱3塞接触并结合，储气腔5压力升至略大于最后一层和倒数第二层所述重力柱3的重力，倒数第二层限位机构解除限位；以此类推，直至所有重力柱3联合为一体，解除所有限位机构的限位。

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 (7)

1.一种重力压缩空气储能装置，其特征在于，包括竖井，所述竖井中活动插接有重力柱塞，所述重力柱塞包括多层依次叠加的重力柱，最底层的一个所述重力柱的外壁与所述竖井内壁之间通过密封膜密封连接，以使最底层的所述重力柱、所述密封膜和所述竖井位于所述密封膜下方的空间之间围成储气腔；

所述竖井侧壁在竖直方向上设置有多个限位机构，多个所述限位机构与多个所述重力柱一一对应，以通过启动顶部第一层的所述限位机构对应的顶部第一层的所述重力柱，限位机构使第一层的所述重力柱与其他所述重力柱脱开并停止下移，所述储气腔压力对应降低至新平衡状态时，其他所述重力柱继续下移，下移一定距离后，第二层的所述重力柱对应的第二层的所述限位机构启动，限位机构使第二层的所述重力柱与剩余所述重力柱脱开并停止下移，所述储气腔压力对应降低至新平衡状态时，剩余所述重力柱继续下移，依次类推，直至最后一层所述重力柱落在所述竖井底端侧壁上的支撑装置上。

2.如权利要求1所述的一种重力压缩空气储能装置，其特征在于，所述竖井为圆柱筒状结构；

最底层的所述重力柱为圆柱状结构，最底层的所述重力柱的外壁面周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽；

所述密封膜为套设在最底层的所述重力柱外部的环形筒状结构，密封膜的外径等于所述竖井的内径，所述密封膜从中间将上部向内翻折后形成外环和内环连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的所述内环周侧形成褶皱凸起，所述外环的底端与所述竖井内壁密封连接，所述内环的底端与最底层的所述重力柱的外壁密封连接，所述褶皱凸起与所述平滑凹槽贴合。

3.如权利要求2所述的一种重力压缩空气储能装置，其特征在于，多个所述平滑凹槽等角度设置在最底层的所述重力柱的外部周侧。

4.如权利要求2所述的一种重力压缩空气储能装置，其特征在于，所述密封膜的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构。

5.如权利要求4所述的一种重力压缩空气储能装置，其特征在于，所述重力柱位于所述平滑凹槽处的环向周长等于所述密封膜外壁环向周长。

6.如权利要求1所述的一种重力压缩空气储能装置，其特征在于，还包括：

空气压缩机组，所述空气压缩机组与所述储气腔相连，用于向所述储气腔中通入压缩空气；

空气膨胀机组，所述空气膨胀机组与所述储气腔相连，以使所述储气腔中存储的压缩空气通入所述空气膨胀机组中做功。

7.一种重力压缩空气储能装置的运行方法，其特征在于，具体方法过程如下：

将多层依次叠加的重力柱活动插接在竖井中，在竖井侧壁在竖直方向上设置多个与重力柱一一对应的限位机构，最底层的重力柱、最底层重力柱与竖井之间连接的密封膜、竖井位于密封膜下方的空间之间围成储气腔；

放气过程中，空气膨胀机组需要停机时，需要首先降低入口压力，控制竖井顶部第一个限位机构启动，通过第一个限位机构对第一个重力柱限位，使得第一个重力柱与其他重力柱脱开并停止下移，作用在储气腔上的重力柱塞的质量降低，储气腔压力对应降低至新平衡状态时，未受限的其他重力柱继续下移；下移一定距离后，控制第二层的限位机构启动，限位机构使第二层的重力柱与其他重力柱脱开并停止下移，储气腔压力对应降低至新平衡状态时，其他重力柱继续下移，依次类推，直至最后一层重力柱落在竖井底端侧壁上的支撑装置上；

充气过程中，当空气压缩机组启动时，排气压力由低逐渐升至最高压力，在此过程中，当储气腔中压力略大于最后一层重力柱的重力时，最后一层重力柱向上移动，储气腔中压力逐渐增大，直至与倒数第二层重力柱塞接触并结合，储气腔压力升至略大于最后一层和倒数第二层重力柱的重力，倒数第二层限位机构解除限位；以此类推，直至所有重力柱联合为一体，解除所有限位机构的限位。

Images