CN115638361B - 一种吸盘式带有v形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构 - Google Patents

一种吸盘式带有v形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，包括本体外层、缓冲空间、本体内层和空间，所述本体外层与本体内层中间的结构层为缓冲空间，所述本体内层内腔构成存储空气的空间，所述缓冲空间内含有缓冲液、机械吸盘和第一弹簧，所述本体外层外侧的外层与内层通过钢缆与低气体渗透性材料层连接，所述外层的结构为装配式结构。本发明结构相对简单，减弱了内外部载荷对装置的影响，内部受力平衡可以随着气体压力同步周期性变化，将避免内外部载荷与循环损伤对装置造成的破坏，从而实现深地储能装置可以保持寿命长、损耗少的关键技术。

Description

一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构
技术领域
本发明涉及地下空间压缩空气储能领域，特别是涉及一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构。
背景技术
压缩空气储能技术是一种利用压缩空气来储能的技术。该技术不仅具有清洁能源，减小环境污染等优点，还具有电压调节、峰值负载调节等重要作用。其工作原理是，在用电低谷时段，利用电能将空气压缩至高压并存于洞穴或压力容器中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰时段，将高压空气从储气室释放，进入燃烧室燃烧利用燃料燃烧加热升温后，驱动涡轮机发电。目前，压缩空气储能技术，是继抽水蓄能之后，第二大被认为适合GW级大规模电力储能的技术。该装置建设场地均以废弃的地下空间为主，运行时能做到真正的碳中和。
我国有大量废弃矿井空间，根据中国工程院重点资源项目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究”的研究成果，预计到2020年，我国关闭废弃矿井数量达12000处，到2030年数量达15000处。这些废弃的地下空间可以作为储能硐室重新利用，资源再利用的同时还能为可再生能源带来新的基础设施投资和就业机会。2017年9月国家发改委和国家能源局等多部联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见(发改能源(2017)1701号)》提出开展10MW/100MW·h级超临界压缩空气储能系统研发及示范。2019年6月进一步发布的《贯彻落实<关于促进储能技术与产业发展的指导意见>2019-2022年行动计划》中指出我国要重点推进大容量压缩空气储能等重大先进技术项目建设，同时推动百兆瓦压缩空气储能项目。2021年3月12日，十四五”规划和2035年远景目标纲要中明确指出在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域，组织实施未来产业孵化与加速计划，谋划布局一批未来产业。其中提出要实施电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能等储能示范项目。
然而压缩空气储能在运行时，腔体内气体压力呈现周期性变化，峰值最大可达10MPa，这会引起材料的循环损伤。因此对装置的结构提出了较为严峻的要求。与此同时装置内部具有较为脆弱的密封材料层以防止气体泄漏，装置容易受到剪切载荷(地震等)和冲击载荷(气体快速泄漏等)时发生破坏。
为了防止装置发生破坏，本发明提出了一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，该结构相对简单，减弱了内外部载荷对装置的影响，内部受力平衡可以随着气体压力同步周期性变化，将避免内外部载荷与循环损伤对装置造成的破坏，从而实现深地储能装置可以保持寿命长、损耗少的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，包括本体外层、缓冲空间、本体内层和空间，所述本体外层与本体内层中间的结构层为缓冲空间，所述本体内层内腔构成存储空气的空间，所述缓冲空间内含有缓冲液、机械吸盘和第一弹簧，所述本体外层外侧的外层与内层通过钢缆与低气体渗透性材料层连接，所述外层的结构为装配式结构，所述外层由钢层、防潮材料层、抗压缓冲隔热材料层和钢层依次组成，所述内层由钢层、密封材料层和钢层依次，相邻两个钢层之间内部留有空隙，方便钢层在载荷作用下运动，所述内层和外层通过第三弹簧和缓冲液连接，所述内层内部放置有V形钢缆，钢层体运动时，第三弹簧会发生拉伸压缩，带孔滑轮会随着一起运动，V形钢缆发生转动，钢缆开始倾斜，当载荷消失后，带孔滑轮会在第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的作用下恢复原状。
优选的，所述机械吸盘呈交替式“一正一倒”方式安装于缓冲空间中，所述本体外层外或位于本体内层内分布有螺丝，所述螺丝的一端且位于缓冲空间内螺纹连接有螺母。
优选的，所述本体外层与本体内层主要靠机械吸盘与第三弹簧固定约束。
优选的，所述V形钢缆上部存有活动钢板，下部为固定钢板。
优选的，所述第三弹簧在缓冲空间中处于拉伸状态。
优选的，所述机械吸盘内部设置有供螺母限位活动空间。
优选的，所述机械吸盘内部的第二弹簧应当一直处于被压缩状态。
优选的，所述外层内侧通过第二弹簧、第四弹簧和第二弹簧依次连接构成水平弹性活动结构，所述第二弹簧和第四弹簧的节点通过带孔滑轮相连接，所述带孔滑轮上设置有呈纵向连接于外层内壁的第一弹簧，第一弹簧可以维持带孔滑轮的纵向位置。
本发明公开了以下技术效果：本发明的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构通过机械吸盘和第一弹簧连接本体内层和外层，本体外层在地震载荷状态下会受到剪切载荷，但由于V形钢缆、第一弹簧和第二弹簧的存在，本体外层的外侧会发生剪切移动，这部分力会被钢缆的移动和弹簧迅速消耗掉；当本体受到外部冲击载荷作用时，本体外层的外侧具有抗压缓冲隔热材料层以及交界处的机械吸盘，这部分会吸收掉外部的冲击载荷；当本体内部受到冲击载荷作用时，本体内层与外层的空间内充满了缓冲液与弹簧，这一部分可以抵消掉内部产生的冲击载荷。对于空间内的气体压力变化，机械吸盘仍然可以根据压力状态的改变机械式自动做出相应改变，以更好的维护空间内的受力平衡，这也会减缓机械结构的循环损伤。本发明结构相对简单，减弱了内外部载荷对装置的影响，内部受力平衡可以随着气体压力同步周期性变化，将避免内外部载荷与循环损伤对装置造成的破坏，从而实现深地储能装置可以保持寿命长、损耗少的关键技术。
附图说明
图1为本发明中机械吸盘真空状态下，受力示意图；
图2为本发明中本体内层与外层依靠机械吸盘和弹簧连接的结构示意图；
图3为本发明中本体外层带有V形钢缆的局部结构示意图；
图4为本发明中V形钢缆局部结构示意图；
图5为本发明中本体内层与外层连接的局部结构示意图；
图6为本发明中机械吸盘的局部结构示意图；
图7为本发明中本体外层外侧的局部结构示意图；
图8为本发明中本体内层的局部结构示意图。
其中：1、本体外层；2、缓冲空间；2-2、外层；3-3、外层；3、本体内层；4、空间；5、第一弹簧；6、第二弹簧；7、第三弹簧；8、钢层；9、第四弹簧；10、带孔滑轮；11、钢缆；12、低气体渗透性材料层；13、V形钢缆；14、缓冲液；15、开孔钢板；16、活动钢板；17、底座钢板；18、销钉；19、机械吸盘；20、螺丝；21、螺母；22、防潮材料层；23、抗压缓冲隔热材料层；24、密封材料层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，该抗冲击结构包括机械吸盘19、V形钢缆13、第一弹簧5、第二弹簧6、第三弹簧7、第四弹簧9、带孔滑轮10、本体内层1、本体外层3、缓冲液14、密封材料层24、螺丝20、低气体渗透性材料层12、防潮材料层22、抗压缓冲隔热材料层23，具体包括如下步骤：
本体外层1与本体内层3通过机械吸盘19和第一弹簧5连接而成，本体外层1与内层中间为缓冲空间2，其内存有缓冲液14与第一弹簧5；本体内层1内部含有一定的空间。
本体外层有1两层结构，两层结构分别为外层2-2结构与内层3-3，每层结构均为装配式结构，结构通过第三弹簧7连接；外层2-2结构与内层3-3结构通过V形钢缆13连接，V形钢缆13在本体外层的外层2-2中通过第一弹簧5、第二弹簧6和第四弹簧9相连接；在两层交界面处存有低气体渗透性材料层12，内层3-3块体连接采用第三弹簧7连接，第三弹簧7内部存有缓冲液14，外层3-3内部仍然存有低气体渗透性材料层12；
本体外层的外侧由钢层8、防潮材料层22、抗压缓冲隔热材料层23和钢层8组成，本体内层1的外侧有钢层8和密封材料层24组成；
机械吸盘19由螺丝20与低气体渗透性材料层12构成，其中低气体渗透性材料12层围绕螺丝旋转一周仅仅包围螺丝20，螺丝20内含有螺母21，螺母21与螺丝20顶端含有第二弹簧6；
V形钢缆13通过一块底座和上部三角形区域组成，其中两者通过销钉18连接，从而保证上部三角形区域可以发生一定的旋转。
进一步优选的，空间为本体内层用来存储气体的全部空间。
进一步优选的，第一弹簧5采用高强度高刚度材料制作。
进一步优选的，第二弹簧6采用高强度低刚度材料制作。
进一步优选的，第三弹簧7采用高强度低刚度易于恢复原长的材料制作。
进一步优选的，第三弹簧7采用低刚度易于恢复原长的材料制作。
进一步优选的，螺丝20采用高强度高刚度材料制作。
进一步优选的，V形钢缆13的底座与三角形区域均采用高强度高刚度材料制作。
进一步优选的，缓冲液14一般采用工业缓冲液，多用于机械结构快速消散冲击的能量。
进一步优选的，的密封材料层所用材料为高分子材料，可以是丁基橡胶、天然橡胶、三元乙丙橡胶或玻璃钢等具有良好密封性能的高分子材料。
进一步优选的，的低气体渗透性材料层12所用材料为低气体渗透性低刚度高强度材料制作。
进一步优选的，的防潮材料层所用材料可以是SBS改性沥青防水卷材、聚氨酯防水涂料或者水泥基渗透结晶型涂料等具有防潮良好性能的材料。
进一步优选的，的抗压缓冲隔热材料层所用材料为发泡聚丙烯(EPP)。
参照图2-8，本发明提供一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，包括本体外层1、缓冲空间2、本体内层3和空间4，本体外层1与本体内层3中间的结构层为缓冲空间2，缓冲空间内有缓冲液14、机械吸盘19和第三弹簧7，这些装置不仅可以仅仅将本体外层1和本体内层3紧紧连接，还能对外部载荷冲击起到缓冲抵消的作用。本体内层3以内的空间4即为存储空气的空间，空间气体压力呈现周期性变化时会带动机械吸盘19和第三弹簧7一同发生运动，这将会有效缓解机械本身的运动，从而延缓循环损伤。本体外层1外侧的层2-2与层3-3通过钢缆11与低气体渗透性材料层12连接，层2-2的结构为装配式结构，每个钢体8通过第三弹簧7连接，内部留有空隙，方便钢体8在载荷作用下运动，钢体8运动时，第三弹簧7会发生拉伸压缩，带孔滑轮10会随着一起运动，钢缆11开始倾斜，当载荷消失后，带孔滑轮10会在第二弹簧6、第三弹簧7和第四弹簧9的作用下恢复原状。
进一步优化方案，本体外层3外侧的层2-2结构由钢层8、防潮材料层22、抗压缓冲隔热材料层23组成，防潮材料层是预防地下水渗透本体内，特别是本体内层4形成电化学电池，从而发生腐蚀。
进一步优化方案，缓冲空间2中的第三弹簧7应当要求在初始时刻处于拉伸状态，即长度应大于原长，在缓冲层内主要预防内部载荷，此种做法可以提供一个预应力。
进一步优化方案，缓冲空间2和本体外层3外侧层3-3中的缓冲液14应具有流动性，可压缩性。
进一步优化方案，螺母21在螺丝20上时可以在适当范围内发生滑动。
进一步优化方案，机械吸盘19的第二弹簧6应当被压缩，低气体渗透性材料层12内应尽可能接近真空状态。
进一步优化方案，V形钢缆13与钢缆的连接通过开孔钢板15，销钉18可以随着活动钢板16的转动而转动，但是底座钢板17固定不动。
工作原理：
机械吸盘19中的低气体渗透性材料层12内应尽可能接近真空状态，考虑到本体外侧1与本体内侧3是不平整的，则当吸盘内为真空状态时，受力如图1所示。
则单位向量在x方向的分量为y方向的分量为/>考虑到本体本身为三维立体，则机械吸盘抵抗外部载荷引起的弯矩的能力为：
(抵抗x方向的弯矩)
(抵抗y方向的弯矩)
可以提供的吸力：
(提供x方向的吸力)
(提供y方向的吸力)
其中S为单个机械吸盘19的有效面积，s为单个机械吸盘19的微分弧长。然而这只是机械吸盘19提供的机械力与抵抗弯矩的能力，螺丝20与螺母21、第三弹簧7仍然可以提供一部分力与抵抗弯矩的能力，而这部分力可以将本体外层1和本体内层3仅仅连接在一起。
本体内层3内部为存储气体所需的空间4，气体周期变化带动机械吸盘19和第三弹簧7发生同步变化，本体外层1与本体内层3结构面之间存在缓冲空间2可以进一步抵消内部产生的应力。值得说明的是第三弹簧7一开始处于拉伸状态，这就意味着缓冲空间2变形较大的可能，而这将大大增加冲击时间，在保证冲量不变的条件下，外部载荷的力会明显降低。当外部冲击载荷作用于本体时，本体外层1外侧抗压缓冲隔热材料层23对其进行第一阶段的缓冲削弱，随后依据低气体渗透性材料层12传递至本体外层1外侧层3-3的钢层8处，而本体外层1与本体内层3存在缓冲装置机械吸盘19和第三弹簧7，这将对外部冲击载荷进行迅速抵消削弱。当外部剪切载荷作用于本体时，本体外层1外侧将起到主要的保护作用。本体外层1外侧的V形钢缆13将在剪切载荷的作用下发生旋转，带孔滑轮10会发生水平剪切移动，钢缆11将在带孔滑轮10的作用下带动本体外层1外侧的外层2-2发生水平剪切运动，而层2-2的第三弹簧7将会产生拉伸或压缩，原始空隙的存在会极大的增大本体外层1中外侧的外层2-2的位移，从而削弱剪切载荷的作用。当剪切载荷消失之后，本体外层1中外侧的外层2-2发生的位移会在第二弹簧6、第三弹簧7和第四弹簧9的作用下恢复成原始状态。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，包括本体外层(1)、缓冲空间(2)、本体内层(3)和空间(4)，其特征在于：所述本体外层(1)与本体内层(3)中间的结构层为缓冲空间(2)，所述本体内层(3)内腔构成存储空气的空间(4)，所述缓冲空间(2)内含有缓冲液(14)、机械吸盘(19)和第一弹簧(5)，所述本体外层(1)外侧的外层(2-2)与内层(3-3)通过钢缆(11)与低气体渗透性材料层(12)连接，所述外层(2-2)的结构为装配式结构，所述外层(2-2)由钢层(8)、防潮材料层(22)、抗压缓冲隔热材料层(23)和钢层(8)依次组成，所述内层(3-3)由钢层(8)、密封材料层(24)和钢层(8)依次，相邻两个钢层(8)之间内部留有空隙，方便钢层(8)在载荷作用下运动，所述内层(3-3)和外层(2-2)通过第三弹簧(7)和缓冲液(14)连接，所述内层(3-3)内部放置有V形钢缆(13)，钢层体(8)运动时，第三弹簧(7)会发生拉伸压缩，带孔滑轮(10)会随着一起运动，V形钢缆(13)发生转动，钢缆(11)开始倾斜，当载荷消失后，带孔滑轮(10)会在第二弹簧(6)、第三弹簧(7)和第四弹簧(9)的作用下恢复原状。
2.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述机械吸盘(19)呈交替式“一正一倒”方式安装于缓冲空间(2)中，所述本体外层(1)外或位于本体内层(3)内分布有螺丝(20)，所述螺丝(20)的一端且位于缓冲空间(2)内螺纹连接有螺母(21)。
3.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述本体外层(1)与本体内层(3)主要靠机械吸盘(19)与第三弹簧(7)固定约束。
4.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述V形钢缆(13)上部存有活动钢板(16)，下部为固定钢板(17)。
5.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述第三弹簧(7)在缓冲空间(2)中处于拉伸状态。
6.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述机械吸盘(19)内部设置有供螺母(21)限位活动空间。
7.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述机械吸盘(19)内部的第二弹簧(6)应当一直处于被压缩状态。
8.根据权利要求1所述的一种吸盘式带有V形钢缆的深地储能抗震抗冲击结构，其特征在于：所述外层(2-2)内侧通过第二弹簧(6)、第四弹簧(9)和第二弹簧(6)依次连接构成水平弹性活动结构，所述第二弹簧(6)和第四弹簧(9)的节点通过带孔滑轮(10)相连接，所述带孔滑轮(10)上设置有呈纵向连接于外层(2-2)内壁的第一弹簧(5)，第一弹簧(5)可以维持带孔滑轮(10)的纵向位置。
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