CN115750292A - 压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气储能系统，包括依次相连的压缩单元、储气单元和膨胀单元。压缩单元包括电动机和压缩机构，电动机具有第一转子，第一转子与压缩机构传动相连，压缩机构用于将空气压缩。储气单元用于储存压缩机构得到的压缩气体。膨胀单元包括膨胀机构和发电机，膨胀机构与储气单元相连，以接收压缩气体。膨胀机构用于使压缩气体膨胀做功。发电机具有第二转子，膨胀机构与第二转子传动相连，用于使压缩气体膨胀过程输出的动能驱动第二转子旋转。其中，电动机为磁悬浮电动机。相比于现有技术，本发明的压缩空气储能系统通过采用磁悬浮式电动机，能够降低能量损失和噪音污染。

Description

压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，特别是涉及一种压缩空气储能系统。

背景技术

压缩空气储能系统包括压缩单元、储气单元和膨胀单元，压缩单元通常包括电动机。当前，电动机在工作时往往会产生较大噪声，尤其是当压缩空气储能系统规模较大时，噪声污染尤为严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种压缩空气储能系统，通过采用磁悬浮式结构，降低能量损失和噪音污染。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种压缩空气储能系统，包括依次相连的压缩单元、储气单元和膨胀单元；所述压缩单元包括电动机和压缩机构，所述电动机具有第一转子，所述第一转子与所述压缩机构传动相连，所述压缩机构用于将空气压缩；所述储气单元用于储存所述压缩机构得到的压缩气体；所述膨胀单元包括膨胀机构和发电机，所述膨胀机构与所述储气单元相连，以接收所述压缩气体；所述膨胀机构用于使所述压缩气体膨胀做功；所述发电机具有第二转子，所述膨胀机构与所述第二转子传动相连，用于使所述压缩气体膨胀过程输出的动能驱动所述第二转子旋转；

其中，所述电动机为磁悬浮电动机。

优选地，所述磁悬浮电动机包括壳体、定子、所述第一转子、凸面状永磁铁和凹面状永磁铁；所述凸面状永磁铁固定于所述第一转子上，且具有向远离所述第一转子轴线的一侧凸出的凸面；所述凹面状永磁铁固定于所述壳体上，且具有向远离所述第一转子轴线的一侧内凹的凹面；所述凸面与所述凹面位置正对且磁性相斥，以使所述第一转子在其轴向和径向上处于悬浮状态。

优选地，所述磁悬浮电动机还包括第一圆筒状永磁铁和第二圆筒状永磁铁；所述第一圆筒状永磁铁固定于所述第一转子上，且与所述第一转子同轴线；所述第二圆筒状永磁铁固定于所述壳体上，且与所述第一转子同轴线；所述第一圆筒状永磁铁位于所述第二圆筒状永磁铁内侧，且与所述第二圆筒状永磁铁相互排斥，以提高所述第一转子在其径向的稳定性。

优选地，所述压缩机构包括第一曲轴和压缩气缸；所述第一转子与所述第一曲轴的主轴颈同轴固定相连，以通过所述第一转子带动所述第一曲轴旋转；所述压缩气缸包括第一缸体、第一活塞和第一连杆；所述第一缸体内设有用于压缩气体的增压腔，所述增压腔位于所述第一活塞远离所述第一连杆的一侧；所述第一缸体上设有与所述增压腔连通的第一进气口和第一出气口，所述第一进气口处安装有用于使气体单向通入所述增压腔的进气单向阀，所述第一出气口处安装有用于使气体单向流出所述增压腔的出气单向阀；

所述第一连杆的一端与所述第一曲轴的连杆轴颈转动相连，所述第一连杆的另一端与所述第一活塞转动相连，以通过所述第一曲轴驱动所述第一活塞在所述第一缸体内往复运动，从而在所述增压腔内循环进行吸气、压缩气体和排气过程；

所述压缩气缸包括一级，所述压缩气缸的所述第一进气口与外界大气连通，所述第一出气口与所述储气单元的进口连通；或，所述压缩气缸包括多级，多级所述压缩气缸顺次压缩气体，以实现气体的多级压缩；多级所述压缩气缸的所述增压腔串连，第一级所述压缩气缸的所述第一进气口与外界大气连通，最后一级所述压缩气缸的所述第一出气口与所述储气单元的进口连通。

优选地，所述膨胀机构包括第二曲轴、膨胀气缸、控制单元和编码器；

所述第二转子与所述第二曲轴的主轴颈同轴固定相连，以通过所述第二曲轴带动所述第二转子旋转；所述膨胀气缸包括第二缸体、第二活塞和第二连杆；所述第二缸体内设有用于使气体膨胀的膨胀腔，所述膨胀腔位于所述第二活塞远离所述第二连杆的一侧；所述第二缸体上设有与所述膨胀腔连通的第二进气口和第二出气口，所述第二进气口处安装有进气电磁阀，所述第二出气口处安装有出气电磁阀；

所述第二连杆的一端与所述第二曲轴的连杆轴颈转动相连，所述第二连杆的另一端与所述第二活塞转动相连，以通过所述第二活塞在所述第二缸体内往复运动驱动所述第二曲轴，从而在所述膨胀腔内循环进行吸气、气体膨胀和排气过程；

所述进气电磁阀和所述出气电磁阀均与所述控制单元电连接，所述控制单元与所述编码器电连接，所述编码器安装于所述发电机上；所述控制单元用于控制所述进气电磁阀和所述出气电磁阀的动作，使所述膨胀机构工作时，所述进气电磁阀在所述膨胀腔容积最小时开启，所述进气电磁阀在所述膨胀腔容积最大时关闭，所述出气电磁阀在所述膨胀腔容积最大时开启，所述出气电磁阀在所述膨胀腔容积最小时关闭；

所述第二曲轴的连杆轴径包括n个，n≥3，且在所述第二曲轴的主轴颈的圆周方向均布；所述膨胀气缸包括n个且相互平行，所述膨胀气缸与所述第二曲轴的连杆轴颈一一对应，以通过n个所述膨胀气缸依次推动所述第二曲轴，使所述第二曲轴能够旋转一周；

所述膨胀机构包括一级，所述第二进气口与所述储气单元的出口连通，所述第二出气口与外界大气连通；或，所述膨胀机构包括多级，以实现气体的多级膨胀；多级所述膨胀机构的所述膨胀腔串连，第一级所述膨胀机构的所述第二进气口与所述储气单元的出口连通，最后一级所述膨胀机构的所述第二出气口与外界大气连通。

优选地，每级所述压缩气缸包括多个所述压缩气缸，多个所述压缩气缸在所述第一曲轴的主轴颈的圆周方向均布，多个所述压缩气缸对应的所述连杆轴颈在所述第一曲轴的主轴颈的圆周方向均布，以实现同一级的多个所述压缩气缸同步运动。

优选地，所述压缩气缸包括多级，相邻两级所述压缩气缸间的管路上安装有第一换热器。

优选地，所述膨胀机构包括多级，相邻两级所述膨胀机构的所述膨胀气缸间的管路上安装有第二换热器。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的压缩单元中，电动机为磁悬浮电动机，第一转子在工作时处于悬浮状态，能够减少因为第一转子旋转时产生的机械摩擦带来的能量损失和噪音污染。本发明的优选方案中，压缩气缸包括多级，多级压缩气缸顺次压缩气体，以实现气体的多级压缩，提高压缩效率。本发明的优选方案中，膨胀机构包括多级，以实现气体的多级膨胀，提高压缩气体内能的利用率。本发明的优选方案中，第一换热器能够利用压缩过程释放的热量为用户供热，第二换热器能够利用膨胀过程释放的热量为用于供冷，以提高能量的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例压缩空气储能系统的结构示意图；

图2为电动机正视方向的结构示意图；

图3为同一级压缩气缸的位置关系示意图；

图4为同一膨胀机构内膨胀气缸的位置关系示意图；

附图标记说明：1-电动机；11-壳体；12-定子；13-第一转子；14-凸面状永磁铁；15-凹面状永磁铁；16-第一圆筒状永磁铁；17-第二圆筒状永磁铁；2-压缩机构；21-第一曲轴；22-压缩气缸；23-进气单向阀；24-出气单向阀；3-储气单元；4-膨胀机构；41-第二曲轴；42-膨胀气缸；43-进气电磁阀；44-出气电磁阀；5-发电机；6-第一换热器；7-第二换热器。

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。

本发明的目的是提供一种压缩空气储能系统，通过采用磁悬浮式结构，降低能量损失和噪音污染。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

参照图1～图4，本实施例提供一种压缩空气储能系统，包括依次相连的压缩单元、储气单元3和膨胀单元。压缩单元包括电动机1和压缩机构2，电动机1具有第一转子13，第一转子13与压缩机构2传动相连，压缩机构2用于将空气压缩。储气单元3用于储存压缩机构2得到的压缩气体。膨胀单元包括膨胀机构4和发电机5，膨胀机构4与储气单元3相连，以接收压缩气体。膨胀机构4用于使压缩气体膨胀做功。发电机5具有第二转子，膨胀机构4与第二转子传动相连，用于使压缩气体膨胀过程输出的动能驱动第二转子旋转。其中，电动机1为磁悬浮电动机。

该压缩空气储能系统的工作原理如下：

电动机1通电后第一转子13旋转，第一转子13与压缩机构2传动相连，通过压缩机构2将气体压缩，从而将电能转换为压缩气体的内能，压缩气体储存在储气单元3内，实现储能。储气单元3释放气体时，气体进入膨胀机构4内，在膨胀机构4内膨胀的同时对膨胀机构4做功，膨胀机构4驱动第二转子旋转。第二转子旋转时发电机5发电，从而将压缩气体内能转换为电能。由于本实施例的电动机1为磁悬浮电动机，其在工作过程中第一转子13为悬浮状态，能够减少第一转子13因摩擦带来的能量损耗和噪音。

作为一种可能的示例，本实施例中，磁悬浮电动机包括壳体11、定子12、第一转子13、凸面状永磁铁14和凹面状永磁铁15。凸面状永磁铁14固定于第一转子13上，且具有向远离第一转子13轴线的一侧凸出的凸面。凹面状永磁铁15固定于壳体11上，且具有向远离第一转子13轴线的一侧内凹的凹面。凸面与凹面位置正对且磁性相斥，以使第一转子13在其轴向和径向上处于悬浮状态。此处的凸面和凹面可以是圆球面、椭球面或非球面(例如由正四棱台的顶面和四个侧面组成)，只要能够同时对第一转子13施加轴向和径向的磁力，使其在其轴向和径向上处于悬浮状态即可。本实施例中，凸面和凹面均为圆球面。

为了进一步提高第一转子13的稳定性，本实施例中，磁悬浮电动机还包括第一圆筒状永磁铁16和第二圆筒状永磁铁17。第一圆筒状永磁铁16固定于第一转子13上，且与第一转子13同轴线。第二圆筒状永磁铁17固定于壳体11上，且与第一转子13同轴线。第一圆筒状永磁铁16位于第二圆筒状永磁铁17内侧，且与第二圆筒状永磁铁17相互排斥，以增大第一转子13在其径向上的磁力，使其在径向更加稳定。

作为一种可能的示例，本实施例中，压缩机构2包括第一曲轴21和压缩气缸22。第一转子13与第一曲轴21的主轴颈同轴固定相连，以通过第一转子13带动第一曲轴21旋转。压缩气缸22包括第一缸体、第一活塞和第一连杆。第一缸体内设有用于压缩气体的增压腔，增压腔位于第一活塞远离第一连杆的一侧。第一缸体上设有与增压腔连通的第一进气口和第一出气口，第一进气口处安装有用于使气体单向通入增压腔的进气单向阀23，第一出气口处安装有用于使气体单向流出增压腔的出气单向阀24。第一连杆的一端与第一曲轴21的连杆轴颈转动相连，第一连杆的另一端与第一活塞转动相连，以通过第一曲轴21驱动第一活塞在第一缸体内往复运动，从而在增压腔内循环进行吸气、压缩气体和排气过程。

当压缩气缸22为一级时，压缩气缸22的第一进气口与外界大气连通，第一出气口与储气单元3的进口连通。

本实施例中，压缩气缸22包括多级(图1中为三级)，多级压缩气缸22顺次压缩气体，以实现气体的多级压缩。多级压缩气缸22的增压腔串连(前一级压缩气缸22的第一出气口连接后一级压缩气缸22的第一进气口)，第一级压缩气缸22的第一进气口与外界大气连通，最后一级压缩气缸22的第一出气口与储气单元3的进口连通。需要说明的是，当采用压缩气缸22包括多级的方案时，从第一级压缩气缸22至最后一级压缩气缸22，压缩气缸22单次压缩的容积变化值应逐渐减小。

由于本实施例通过一个第一曲轴21同时驱动多级压缩气缸22，因而多级压缩气缸22的运动过程同步进行。第一级压缩气缸22排气时，第二级压缩气缸22也处于排气状态，因而第一级压缩气缸22排出的气体先暂存在第一级压缩气缸22与第二级压缩气缸22之间的管路内，待第二级压缩气缸22处于吸气状态时再进入第二级压缩气缸22内。

然而，实际实施方式不限于此。例如，压缩机构2可以采用从市场上购置的气体压缩机。

作为一种可能的示例，本实施例中，膨胀机构4包括第二曲轴41、膨胀气缸42、控制单元和编码器。

第二转子与第二曲轴41的主轴颈同轴固定相连，以通过第二曲轴41带动第二转子旋转。膨胀气缸42包括第二缸体、第二活塞和第二连杆。第二缸体内设有用于使气体膨胀的膨胀腔，膨胀腔位于第二活塞远离第二连杆的一侧。第二缸体上设有与膨胀腔连通的第二进气口和第二出气口，第二进气口处安装有进气电磁阀43，第二出气口处安装有出气电磁阀44。

第二连杆的一端与第二曲轴41的连杆轴颈转动相连，第二连杆的另一端与第二活塞转动相连，以通过第二活塞在第二缸体内往复运动驱动第二曲轴41，从而在膨胀腔内循环进行吸气、气体膨胀和排气过程。可以理解的是，一个膨胀气缸42无法使第二曲轴41旋转一周，两个膨胀气缸42也难以使第二曲轴41旋转一周。

本实施例中，第二曲轴41的连杆轴径包括n个，n≥3，且在第二曲轴41的主轴颈的圆周方向均布。膨胀气缸42包括n个，n个膨胀气缸42的轴线相互平行，膨胀气缸42与第二曲轴41的连杆轴颈一一对应，以通过n个膨胀气缸42依次推动第二曲轴41，使第二曲轴41能够旋转一周。参照图1、图4，本实施例中，n为3，即每个膨胀机构4包括3个膨胀气缸42。

进气电磁阀43和出气电磁阀44均与控制单元电连接，控制单元与编码器电连接，编码器安装于发电机5上。控制单元用于控制进气电磁阀43和出气电磁阀44的动作，使膨胀机构4工作时，进气电磁阀43在膨胀腔容积最小时开启，进气电磁阀43在膨胀腔容积最大时关闭，出气电磁阀44在膨胀腔容积最大时开启，出气电磁阀44在膨胀腔容积最小时关闭。可以理解的是，当膨胀气缸42上的进气电磁阀43开启时，该膨胀气缸42推动第二曲轴41旋转。

当膨胀机构4为一级时，第二进气口与储气单元3的出口连通，第二出气口与外界大气连通。

本实施例中，膨胀机构4包括多级(图1中为三级)，以实现气体的多级膨胀。多级膨胀机构4的膨胀腔串连(前一级膨胀气缸42的第二出气口连接后一级膨胀气缸42的第二进气口)，第一级膨胀机构4的第二进气口与储气单元3的出口连通，最后一级膨胀机构4的第二出气口与外界大气连通。

然而，实际实施方式不限于此。例如，膨胀机构4可以采用从市场上购置的膨胀机。

为了提高储气效率，本实施例中，每级压缩气缸22包括多个压缩气缸22(图1中为三个)，一个压缩机构2包括包括九个压缩气缸22。多个压缩气缸22在第一曲轴21的主轴颈的圆周方向均布，多个压缩气缸22对应的连杆轴颈在第一曲轴21的主轴颈的圆周方向均布，以实现同一级的多个压缩气缸22同步运动。在工作时，同一级的多个压缩气缸22对第一曲轴21的径向力相互抵消，从而提高与第一曲轴21相连的第一转子13的转动稳定性。

本实施例中，相邻两级压缩气缸22间的管路上安装有第一换热器6，相邻两级膨胀机构4的膨胀气缸42间的管路上安装有第二换热器7，以通过第一换热器6实现为用户供热的效果，通过第二换热器7实现为用户供冷的效果，提高能量利用率。第一换热器6和第二换热器7可以是翅片式换热器，也可以是其它类型的换热器。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括依次相连的压缩单元、储气单元和膨胀单元；所述压缩单元包括电动机和压缩机构，所述电动机具有第一转子，所述第一转子与所述压缩机构传动相连，所述压缩机构用于将空气压缩；所述储气单元用于储存所述压缩机构得到的压缩气体；所述膨胀单元包括膨胀机构和发电机，所述膨胀机构与所述储气单元相连，以接收所述压缩气体；所述膨胀机构用于使所述压缩气体膨胀做功；所述发电机具有第二转子，所述膨胀机构与所述第二转子传动相连，用于使所述压缩气体膨胀过程输出的动能驱动所述第二转子旋转；

其中，所述电动机为磁悬浮电动机。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述磁悬浮电动机包括壳体、定子、所述第一转子、凸面状永磁铁和凹面状永磁铁；所述凸面状永磁铁固定于所述第一转子上，且具有向远离所述第一转子轴线的一侧凸出的凸面；所述凹面状永磁铁固定于所述壳体上，且具有向远离所述第一转子轴线的一侧内凹的凹面；所述凸面与所述凹面位置正对且磁性相斥，以使所述第一转子在其轴向和径向上处于悬浮状态。

3.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述磁悬浮电动机还包括第一圆筒状永磁铁和第二圆筒状永磁铁；所述第一圆筒状永磁铁固定于所述第一转子上，且与所述第一转子同轴线；所述第二圆筒状永磁铁固定于所述壳体上，且与所述第一转子同轴线；所述第一圆筒状永磁铁位于所述第二圆筒状永磁铁内侧，且与所述第二圆筒状永磁铁相互排斥，以提高所述第一转子在其径向的稳定性。

4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩机构包括第一曲轴和压缩气缸；所述第一转子与所述第一曲轴的主轴颈同轴固定相连，以通过所述第一转子带动所述第一曲轴旋转；所述压缩气缸包括第一缸体、第一活塞和第一连杆；所述第一缸体内设有用于压缩气体的增压腔，所述增压腔位于所述第一活塞远离所述第一连杆的一侧；所述第一缸体上设有与所述增压腔连通的第一进气口和第一出气口，所述第一进气口处安装有用于使气体单向通入所述增压腔的进气单向阀，所述第一出气口处安装有用于使气体单向流出所述增压腔的出气单向阀；

所述第一连杆的一端与所述第一曲轴的连杆轴颈转动相连，所述第一连杆的另一端与所述第一活塞转动相连，以通过所述第一曲轴驱动所述第一活塞在所述第一缸体内往复运动，从而在所述增压腔内循环进行吸气、压缩气体和排气过程；

所述压缩气缸包括一级，所述压缩气缸的所述第一进气口与外界大气连通，所述第一出气口与所述储气单元的进口连通；或，所述压缩气缸包括多级，多级所述压缩气缸顺次压缩气体，以实现气体的多级压缩；多级所述压缩气缸的所述增压腔串连，第一级所述压缩气缸的所述第一进气口与外界大气连通，最后一级所述压缩气缸的所述第一出气口与所述储气单元的进口连通。

5.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机构包括第二曲轴、膨胀气缸、控制单元和编码器；

所述第二转子与所述第二曲轴的主轴颈同轴固定相连，以通过所述第二曲轴带动所述第二转子旋转；所述膨胀气缸包括第二缸体、第二活塞和第二连杆；所述第二缸体内设有用于使气体膨胀的膨胀腔，所述膨胀腔位于所述第二活塞远离所述第二连杆的一侧；所述第二缸体上设有与所述膨胀腔连通的第二进气口和第二出气口，所述第二进气口处安装有进气电磁阀，所述第二出气口处安装有出气电磁阀；

所述第二连杆的一端与所述第二曲轴的连杆轴颈转动相连，所述第二连杆的另一端与所述第二活塞转动相连，以通过所述第二活塞在所述第二缸体内往复运动驱动所述第二曲轴，从而在所述膨胀腔内循环进行吸气、气体膨胀和排气过程；

所述进气电磁阀和所述出气电磁阀均与所述控制单元电连接，所述控制单元与所述编码器电连接，所述编码器安装于所述发电机上；所述控制单元用于控制所述进气电磁阀和所述出气电磁阀的动作，使所述膨胀机构工作时，所述进气电磁阀在所述膨胀腔容积最小时开启，所述进气电磁阀在所述膨胀腔容积最大时关闭，所述出气电磁阀在所述膨胀腔容积最大时开启，所述出气电磁阀在所述膨胀腔容积最小时关闭；

所述第二曲轴的连杆轴径包括n个，n≥3，且在所述第二曲轴的主轴颈的圆周方向均布；所述膨胀气缸包括n个且相互平行，所述膨胀气缸与所述第二曲轴的连杆轴颈一一对应，以通过n个所述膨胀气缸依次推动所述第二曲轴，使所述第二曲轴能够旋转一周；

所述膨胀机构包括一级，所述第二进气口与所述储气单元的出口连通，所述第二出气口与外界大气连通；或，所述膨胀机构包括多级，以实现气体的多级膨胀；多级所述膨胀机构的所述膨胀腔串连，第一级所述膨胀机构的所述第二进气口与所述储气单元的出口连通，最后一级所述膨胀机构的所述第二出气口与外界大气连通。

6.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，每级所述压缩气缸包括多个所述压缩气缸，多个所述压缩气缸在所述第一曲轴的主轴颈的圆周方向均布，多个所述压缩气缸对应的所述连杆轴颈在所述第一曲轴的主轴颈的圆周方向均布，以实现同一级的多个所述压缩气缸同步运动。

7.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩气缸包括多级，相邻两级所述压缩气缸间的管路上安装有第一换热器。

8.根据权利要求5所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机构包括多级，相邻两级所述膨胀机构的所述膨胀气缸间的管路上安装有第二换热器。

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