CN206816476U - 一种新型压缩空气储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型压缩空气储能装置，其特征在于该装置包括控制系统、N个储能部分和N个发电部分，N≥2，为N级压缩储能，控制系统用来控制储能部分和发电部分进行相应的动作；所述储能部分包括空气压缩机和储气罐，空气压缩机的出口通过高压管与储气罐的进口连接，储气罐的出气口通过高压管连接下一级空气压缩机的进口，储气罐的排风口通过高压管与外界大气联通；在每个连接的相应高压管上均安装有电磁阀，在连接储气罐排风口的高压管的另一端设有发电部分；第一级空气压缩机提供气源动力，将电网在用电低峰时发出的多余电力转化成气体内能；第N级储气罐的出气口封闭；所述发电部分包括风力发电机和控制风力发电机的电磁阀。

Description

一种新型压缩空气储能装置

技术领域

本实用新型涉及能源储能以及放能技术领域，具体为一种新型压缩空气储能装置。

背景技术

自1949年StalLaval提出利用压缩空气储能以来，国内外学者进行了大量的研究。目前世界上已有两座大型传统的压缩空气储能电站投入运营。压缩空气储能，是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。形式主要有，传统压缩空气储能系统、带储热装置的压缩空气储能系统、液气压缩储能系统。但是这几种压缩空气储能方式在压缩空气过程中会以热能的形式浪费大量的能量，而且由于这几种压缩空气储能装置并没有考率余隙容积的影响，能量转化效率并不理想，而且在放能过程中难免会因发电量和用电量不符而浪费大量的能量，因此极大的制约了压缩空气储能的发展。

中国专利CN104675464A公开了一种多级压缩空气储能系统，该系统设计分级储能装置来储存能源，但是该系统处于理论状态，是通过多个压缩机的直接串联来实现的多级，在实际应用中压缩机的直接串联会造成压缩机的骤停，而且该系统并未给出多级压缩空气储能的具体各级压强关系，只给出一个逐级增压的方案，无法应用于实际，也未能解决用电量和发电量不符的问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种新型压缩空气储能装置，该装置将一个压缩机连接一个储气罐形成一个储能部分，多个储能部分串联形成多级压缩，能够使每级达到相应的压强。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：一种新型压缩空气储能装置，其特征在于该装置包括控制系统、N个储能部分和N个发电部分，N≥2，为N级压缩储能，控制系统用来控制储能部分和发电部分进行相应的动作；所述储能部分包括空气压缩机和储气罐，空气压缩机的出口通过高压管与储气罐的进口连接，储气罐的出气口通过高压管连接下一级空气压缩机的进口，储气罐的排风口通过高压管与外界大气联通；在每个连接的相应高压管上均安装有电磁阀，在连接储气罐排风口的高压管的另一端设有发电部分；第一级空气压缩机提供气源动力，将电网在用电低峰时发出的多余电力转化成气体内能；第N级储气罐的出气口封闭；所述发电部分包括风力发电机和控制风力发电机的电磁阀；在每个储气罐内均安装有气压传感器，气压传感器用于检测储气罐内的压强，第一级储气罐至第N级储气罐的N个储气罐的容积依次减小；

所述控制系统以单片机为核心，单片机与各个高压管上的电磁阀均通过一个电磁继电器连接，同时每个空气压缩机也单独通过一个电磁继电器与单片机连接；单片机分别与控制风力发电机的电磁阀和每个气压传感器连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型装置采用多级串联模式的空气压缩方式，逐级压缩空气压力以减少压缩过程产生的热量，同时采用压缩空气多风速段发电的模式，即利用不同的储气罐压强来发电，充分利用压缩空气的能量；经过储能仿真实验可知，合理设置每级储气罐的压强，实现压缩空气储能运行优化，实现压缩空气储能的最大利用效率，促进能源储能领域的节能减排。

本实用新型装置的空气压缩机采用风冷无油空气压缩机，压缩腔没有油参与且利用风冷，持续压缩无油洁净空气，无污染，可以避免接头的堵塞从而减少了后期维修，减少了大量的维修费用；常闭型电磁阀通电时处于打开状态，本实用新型装置中关闭时长明显大于开通时长，可以最大程度节省电能；所压缩气体为空气，零排放，无污染，安全性能高，空气不易爆炸也不易被点燃，且不许消耗任何费用购买即可大量免费获得；多级储气罐与空气压缩机的串联使用，大大延长了储气罐和空气压缩机的使用寿命，最大程度节省了材料；本实用新型中空气压缩机和储气罐的压缩能力和容器是可以根据实际情况选择的，在小型的储能领域可以使用容积小的储气罐，压缩能力小些的空气压缩机，在大型的储能领域可以利用废弃的矿洞或者山洞作为储气罐，也可以直接使用大型的储气罐，同时选用压缩能力大的空气压缩机，大大拓宽了装置的使用范围，让使用更加便捷和灵活。

串联模式压缩空气，采用逐级增压的方式进行压缩空气，减少了压缩过程中的发热量，而且减少了余隙容积对于效率的影响，从而提高了能量转化效率。逐级增压的储能方式使不同的储气罐中存有不同压强的气体，不同压强的气体可产生不同量的电能，根据电能的需求量合理利用不同压强的气体来进行发电，这可以使用电调度达到最优化，避免浪费能量，从而最合理的利用压缩空气的内能。

本装置的应用在于，当用电处于低谷时，将电能转化为压缩空气能量，当用电高峰时，将压缩空气能量转化为电能。由于压缩机和储气罐的可更换性使得本实用新型装置的应用范围非常广泛，不仅能用在工业中，而且能在家居生活中使用。

附图说明

图1为本实用新型新型压缩空气储能装置的连接示意图。

图2为本实用新型新型压缩空气储能装置的结构示意图。

图3为本实用新型新型压缩空气储能装置的风力发电机结构示意图。

图4为实验1-3计算的总体效率值与对应的第二级储气罐的压强(二号罐气压值)绘制成的点迹分布图；

图5为实验4-6计算的总体效率值与对应的第二级储气罐的压强(二号罐气压值)绘制成的点迹分布图；

图6为实验7-9计算的总体效率值与对应的第二级储气罐的压强(二号罐气压值)绘制成的点迹分布图；

图7为实验10-12计算的总体效率值与对应的第二级储气罐的压强(二号罐气压值)绘制成的点迹分布图；

图中，1空气压缩机、2电磁阀、3储气罐、4接头、5高压管、6风力发电机、7气压传感器、8单片机、9电磁继电器。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图对本实用新型进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本申请权利要求保护的范围。

本实用新型新型压缩空气储能装置(以下简称装置，参见图1-3)包括控制系统、N个储能部分和N个发电部分，N≥2，为N级压缩储能，控制系统用来控制储能部分和发电部分进行相应的动作；所述储能部分包括空气压缩机1和储气罐3，空气压缩机1的出口通过高压管5与储气罐的进口连接，储气罐的出气口通过高压管连接下一级空气压缩机的进口，储气罐的排风口通过高压管与外界大气联通；在每个连接的相应高压管上均安装有电磁阀2，在连接储气罐排风口的高压管的另一端设有发电部分；第一级空气压缩机1.1提供气源动力，将电网在用电低峰时发出的多余电力转化成气体内能，使压缩空气产生气压，第一级空气压缩机的进口直接暴露在空气中，吸收空气中的气体；第N级储气罐3.3的出气口封闭；所述发电部分包括风力发电机6和控制风力发电机的电磁阀2.9；在每个储气罐内均安装有气压传感器7，气压传感器用于检测储气罐内的压强，第一级储气罐至第N级储气罐的N个储气罐的容积依次减小；

所述控制系统以单片机为核心，单片机8与各个高压管上的电磁阀2均通过一个电磁继电器9连接，同时每个空气压缩机也单独通过一个电磁继电器与单片机连接；单片机8分别与控制风力发电机的电磁阀2.9和每个气压传感器连接。

气压传感器检测储气罐内的气压值，然后将该气压值反馈给单片机，单片机同时通过相应的电磁继电器分别控制空气压缩机的启停和相应电磁阀的通断，从而对空气压缩机的运行及空气压缩机与储气罐之间的气体流通进行控制。本实用新型采用电磁继电器隔离，使用电磁继电器控制强电的通和断，以弱电信号控制强电部分的运行，保障了控制系统的安全可靠。

本实用新型所述空气压缩机1为风冷空气压缩机，通过压缩机机身两侧的散热扇片来进行冷却，同时由于机身的材质是金属铝，也有助于压缩机本身的散热。

本实用新型中所述单片机为stm32单片机，用来控制空气压缩机的启动和关闭及空气压缩机与储气罐之间的电磁阀的通断。

本实用新型装置摒弃了现有单个压缩机模式，采用了串联模式的连接方式，通过此连接方式逐级提升空气压强从而最大程度上减少压缩过程发热量。

本实用新型装置的运行主要分为两个过程，第一个过程即为电能转换为压缩空气内能的过程，该过程采用多级压缩方式；第二个过程为压缩空气发电，将空气内能再度转化为电能，采用压缩空气多风速段发电的模式，即利用不同的储气罐压强来发电，充分利用压缩空气的能量。本实用新型中N可以为2-3，以N＝3为例，本实用新型装置在电能转换为压缩空气内能的过程中采用多级压缩，分为三级，每一级由一个空气压缩机和一个储气罐组成，通过利用电网中多余的电能将空气分别压缩在三个不同容积的储气罐中，通过大量实验选择出了最优的气压比和最优运行方式，最优的气压比为4.5:2:4.2，本申请中第二级到第三级的增压即视为逐级增压，最优的运行方式是多级增压，采用多级增压方式比单级直接达到相应压强的效率高，最大程度上减小了电能转化为空气内能过程中的损耗，而且多级压缩空气储能减少了余隙容积对其效率的影响，提高了空气压缩机的效率；在压缩空气发电过程中，根据不同供电需求，选择不同压强的压缩空气进行发电，当电网电能需求低时，使用低气压的储气罐来释放能量，当电网电能需求高时，使用高气压的储气罐来释放能量，实现了能量的阶梯利用，提高了能量的利用率，实现能量再利用效率的最大化，使电能调度达到了最优。

如图1所示，N＝3，为三级压缩储能，第一级储能部分包括第一级空气压缩机1.1和第一级储气罐3.1，第一级空气压缩机1.1与第一级储气罐3.1连接的高压管上设有电磁阀2.1，第一级储气罐与第二级空气压缩机1.2连接的高压管上设有电磁阀2.2，与第一级储气罐的排风口相连的高压管上设有电磁阀2.8；第二级储能部分包括第二级空气压缩机1.2和第二级储气罐3.2，第二级空气压缩机1.2与第二级储气罐3.2连接的高压管上设有电磁阀2.3，第二级储气罐与第三级空气压缩机1.3连接的高压管上设有电磁阀2.4，与第二级储气罐的排风口相连的高压管上设有电磁阀2.7；第三级储能部分包括第三级空气压缩机1.3和第三级储气罐3.3，第三级空气压缩机1.3与第三级储气罐3.3连接的高压管上设有电磁阀2.5，第三级储气罐的出气口封闭，与第三级储气罐的排风口相连的高压管上设有电磁阀2.6。在连接储气罐排风口的高压管的另一端均设有发电部分，发电部分包括风力发电机6和控制风力发电机的电磁阀2.9；在每个储气罐内均安装有气压传感器7，气压传感器用于检测储气罐内的压强。

并用电磁阀(2.8、2.7、2.6)作为开关从而为风力发电机发电提供风力来源，所述风力发电机安装在储气罐的排风口位置，气压大的储气罐排风口安装大功率发电机，气压小的储气罐排风口则安装小功率风力发电机，这里的大功率和小功率是指对于气压高的储气罐可以用大功率的风力发电机，因为风的能量大，比如可以采用1000W的机组；而对于气压低的储气罐，比如第一级储气罐，风的能量小，采用大的风力发电机，由于风的能量小，无法吹动风机，此时就可以采用小功率的发电机如200W。所述风力发电机6和电磁阀2.9进行电连接，单片机通过控制相应的电磁继电器从而控制风力发电机的运行与停车。

本实用新型装置的工作原理及过程是：

该压缩空气储能装置工作时，控制系统和电源连接以实现供能，下面以三级压缩储能为例进行介绍。

当处于用电低谷时，在工业方面发电机厂利用所发出的多余电能驱动空气压缩机压缩空气，进行储能，而在家用且电力富余的条件下利用电能驱动空气压缩机压缩空气，进行储能，具体过程是：第一级储能部分开始工作时控制系统控制电磁阀2.1打开，其余电磁阀关闭，并控制第一级空气压缩机1.1启动，通过第一级空气压缩机对第一级储气罐3.1进行打气，至第一级储气罐3.1的压强为m为止；然后打开电磁阀2.2和电磁阀2.3，第二级空气压缩机1.2启动，此时第一级空气压缩机1.1照常运行，第二级空气压缩机1.2从第一级储气罐3.1获得高压气体，并对气体进行增压，压缩到第二级储气罐3.2中，使第二级储气罐内的压强达到压强n；然后控制系统控制打开电磁阀2.4和电磁阀2.5，同时第三级空气压缩机1.3运行，此时第二级空气压缩机1.2和第一级空气压缩机1.1照常运行，第三级空气压缩机1.3从第二级储气罐3.2获得更高压强气体，并对此气体再次增压，压缩到第三级储气罐3.3中，达到压强p；在第三级储气罐3.3达到压强p后，关闭电磁阀2.4和电磁阀2.5，同时关闭第三级空气压缩机1.3，待第二级储气罐3.2压强恢复到n后，关闭电磁阀2.2和电磁阀2.3，同时关闭第二级空气压缩机1.2；待第一级储气罐3.1恢复到压强m后，关闭电磁阀2.1和第一级空气压缩机1.1，储能结束；所述m、n、p均不超过每级空气压缩机所能压缩的极限压强；此串联模式压缩空气储能很大程度上减少了压缩过程产生的热量，提高了压缩空气的效率。

本实用新型装置优选三个储气罐的压强比m：n：p＝4.5:2:4.2。

在用电高峰时可根据不同用电需求使用不同压强气体进行发电。在用电需求较低时使用第一级储气罐3.1中的低压强气体进行发电即可满足用电需求；而在用电需求较高时使用第二级储气罐3.2中的较高压气体吹动相应的风力发电机6进行发电；在用电需求很高时则使用第三级储气罐3.3中的高压气体吹动相应的风力发电机进行发电，从而满足用电需求。此分级发电方式能很好地匹配本实用新型压缩空气储能装置，而且很好地解决了用电需求与发电量不匹配的问题，使用电调度达到了最优化。

实施例1

本实施例新型压缩空气储能装置包括控制系统、三个储能部分和三个发电部分，为三级压缩储能，控制系统用来控制储能部分和发电部分进行相应的动作；所述储能部分包括空气压缩机1和储气罐3，空气压缩机1的出口通过高压管5与储气罐的进口连接，储气罐的出气口通过高压管连接下一级空气压缩机的进口，储气罐的排风口通过高压管与外界大气联通；在每个连接的相应高压管上均安装有电磁阀2，在连接储气罐排风口的高压管的另一端设有发电部分；第一级空气压缩机1.1提供气源动力，将电网在用电低峰时发出的多余电力转化成气体内能，使压缩空气产生气压，第一级空气压缩机的进口直接暴露在空气中，吸收空气中的气体；第N级储气罐3.3的出气口封闭；所述发电部分包括风力发电机6和控制风力发电机的电磁阀2.9；在每个储气罐内均安装有气压传感器7，气压传感器用于检测储气罐内的压强，第一级储气罐至第三级储气罐的三个储气罐的容积依次递减；

所述控制系统以单片机为核心，单片机8与各个高压管上的电磁阀2均通过一个电磁继电器9，同时每个空气压缩机也单独通过一个电磁继电器与单片机连接；单片机8分别与控制风力发电机的电磁阀2.9和每个气压传感器连接。

本实施例所述空气压缩机1采用风冷无油空气压缩机，适用于实验使用。第一级空气压缩机所压缩气体的极限压强为6.5个大气压，第二级空气压缩机所压缩气体的极限压强为5.5个大气压，第三级空气压缩机所压缩气体的极限压强为5.5个大气压。

表1为使用本实施例装置进行的仿真储能实验，仿真储能实验的过程是，以实验1为例：先打开第一级空气压缩机1.1，使第一级储气罐3.1充气到1个大气压，再打开第二级空气压缩机1.2，使第二级储气罐3.2充气到1个大气压，再打开第三级空气压缩机1.3，使第三级储气罐3.3充气到第三级空气压缩机所压缩气体的极限压强，经过多次反复实验并记录数据，计算三个压缩机的总体效率，总体效率η的计算如公式(1)：

其中，Q_气表示气体总能量，Q_压缩机为压缩机内剩余的能量，Q_总表示电表读数，

其中Q_气通过公式(2)计算得到：

其中，空气的等熵值n为1.40，在实验室环境下n取1.3，i为储气罐的级数。

其中，P为压强，F为力，S为力所作用物体的有效截面积，H为高度。

然后再重复上述过程，保证第一级储气罐中的压强不变，每重复一次第二级储气罐的压强增大0.5个大气压，使第三级储气罐充气到最大，多次实验，计算此时的效率，即先打开第一级空气压缩机1.1，使第一级储气罐3.1充气到1个大气压，再打开第二级空气压缩机1.2，使第二级储气罐3.2充气到1.5个大气压，再打开第三级空气压缩机1.3，使第三级储气罐3.3充气到第三级空气压缩机所压缩气体的极限压强，经过多次反复实验并记录数据，计算总体效率；直至第二级储气罐的压强增加到5.5为止，然后将所计算的总体效率值与对应的第二级储气罐的压强(二号罐气压值)绘制成点迹分布图。

实验1-实验12为第一级储气罐的压强每增加0.5个大气压时，对应改变第二级储气罐的压强，具体实验过程同上。即实验2时第一级储气罐压强是1.5个大气压，第二级储气罐压强是1～5.5个大气压，第三级储气罐到极限压强；实验3时第一级储气罐压强是2个大气压，第二级储气罐压强是1～5.5个大气压，第三级储气罐到极限压强。以此类推。用此种方法将所有的压强比进行实验，计算总体效率，通过比较所有的总体效率的大小，找出总体效率最大时所对应的压强比，即最优压强比。

单个压缩机效率的仿真实验为，第一组实验为使用单个压缩机为与第一级储气罐容积相同的储气罐增压至1个大气压，然后再使用单个压缩机为与第二级储气罐容积相同的储气罐增压至1个大气压，最后再使用单个压缩机为与第三级储气罐容积相同的储气罐增压至1个大气压，记录数据，求出整体的平均效率；第二组实验为使用单个压缩机为与第一级储气罐容积相同的储气罐增压至1.5个大气压，然后再使用单个压缩机为与第二级储气罐容积相同的储气罐增压至1.5个大气压，最后再使用单个压缩机为与第三级储气罐容积相同的储气罐增压至1.5个大气压，记录数据，求出整体的平均效率；第三组实验为使用单个压缩机为与第一级储气罐容积相同的储气罐增压至2个大气压，然后再使用单个压缩机为与第二级储气罐容积相同的储气罐增压至2个大气压，最后再使用单个压缩机为与第三级储气罐容积相同的储气罐增压至2个大气压，记录数据，求出整体的平均效率。依此类推，以0.5为梯度，每组实验气压值从1依次递增至6.5。

本实施例中所用的单个压缩机和第一级空气压缩机、第二级空气压缩机及第三级空气压缩机的型号规格均相同。

表1中的实验序号1～12代表12组储能仿真实验设置的相关数据，其中1号罐指第一级储气罐，2号罐为第二级储气罐，而图4～图7为在12组仿真实验下所计算的总体效率与二号罐气压值的点迹分布图，图4为实验1-3的点迹分布图，图5为实验4-6的点迹分布图，图7为实验7-9的点迹分布图，图7为实验9-12的点迹分布图。

经过实验室仿真实验及其数据分析，从图4-7中可知，本实施例装置进行多级压缩空气储能可以提高总体效率是可行的。仿真实验中，单个压缩机的工作效率稳定在69.2％～71.1％，本实施例装置的工作效率波动在62.4％～74.6％，多级压缩装置和单级压缩装置相比在低压段即在第一级储气罐气压在1～2.5这一范围内，多级压缩装置的效率略低，但是当第一级气压大于2.5时，多级压缩装置的效率要高于单级压缩装置。并通过数据分析得到最优压强比为4.5:2:4.2，在此压强比下总体效率最高。在最优压强比下，本实施例装置的工作效率稳定在72.4％～74.6％。

做完储能实验后再进行分级发电实验，利用储能实验得出的最优压强比进行多级压缩空气储能，为三个不同压强的储气罐匹配不同功率的风力发电机，风力发电机的功率和三级储气罐内的压强成正比，进行发电实验。经过多次重复实验，在实验中若用电需求小而采用高气压储气罐进行发电，发电量大于用电量，多余电量无法得到有效利用，因此分级发电可以很好地匹配用户需求，根据不同的用电需求发出相应的电量，从而避免了电能的浪费。

表1

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种新型压缩空气储能装置，其特征在于该装置包括N个储能部分和N个发电部分及用来控制储能部分和发电部分进行相应的动作的控制系统，N≥2，为N级压缩储能；所述储能部分包括空气压缩机和储气罐，空气压缩机的出口通过高压管与储气罐的进口连接，储气罐的出气口通过高压管连接下一级空气压缩机的进口，储气罐的排风口通过高压管与外界大气联通；在每个连接的相应高压管上均安装有电磁阀，在连接储气罐排风口的高压管的另一端设有发电部分；第一级空气压缩机提供气源动力，将电网在用电低峰时发出的多余电力转化成气体内能；第N级储气罐的出气口封闭；所述发电部分包括风力发电机和控制风力发电机的电磁阀；在每个储气罐内均安装有用于检测储气罐内压强的气压传感器，第一级储气罐至第N级储气罐的N个储气罐的容积依次减小；

所述控制系统以单片机为核心，单片机与各个高压管上的电磁阀均通过一个电磁继电器连接，同时每个空气压缩机也单独通过一个电磁继电器与单片机连接；单片机分别与控制风力发电机的电磁阀和每个气压传感器连接。

2.根据权利要求1所述的新型压缩空气储能装置，其特征在于所述空气压缩机为风冷空气压缩机；所述单片机为stm32单片机。

3.根据权利要求1所述的新型压缩空气储能装置，其特征在于N=2~3。

4.根据权利要求3所述的新型压缩空气储能装置，其特征在于N=3时，三级储气罐的压强比为4.5:2:4.2。