一种重力式压缩空气储能系统及方法

技术领域

本申请涉及重力压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种重力式压缩空气储能系统及方法。

背景技术

重力压缩空气储能巧妙的结合了重力储能和常规压缩空气储能的优点，避免了各自的缺点，能够满足我们对大容量、低成本、长寿命、高效率、安全性强、调节速度快、对环境影响小、布置灵活的储能系统的要求。专利号为CN113550803A的专利公开了一种重力压缩空气储能的储气装置及其方法，在压缩储能过程中通过向储气囊中通入压缩空气，通过压缩空气将储气囊在压缩空气的作用下推动竖井内竖向运动的重力压块向上运动，通过压缩空气对重力压块进行做功，但是由于压缩空气做功的效率较低，一般在80%左右，如果直接用压缩空气的压力作用实现重力压块的提升消耗的能量较高，即消耗的电能较高。

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式压缩空气储能系统，通过设置机械提升装置，通过控制机械提升装置的速度，边充气边使用机械提升装置提升，使得储气腔在充气过程中始终保持低压状态，或者直接通过机械提升装置将重力柱塞提升至最高限位后再充气，进而能够提升系统的效率，降低系统充气过程中的能耗。

为达到上述目的，本申请提出的一种重力式压缩空气储能系统，包括：

重力式储气单元，所述重力式储气单元包括竖井，所述竖井中活动插接有重力柱塞，所述重力柱塞与所述竖井之间通过密封膜密封连接，以使所述重力柱塞、所述密封膜以及所述竖井位于所述密封膜下方区域之间围成储气腔；

空气压缩单元，所述空气压缩单元与所述储气腔相连通，用于向所述储气腔中通入压缩空气；

空气膨胀单元，所述空气膨胀单元与所述储气腔相连通，以使所述储气腔中的压缩空气通入所述空气膨胀单元中做功；

机械提升装置，所述机械提升装置与所述重力柱塞相连，用于提升所述重力柱塞向上移动。

进一步地，所述重力柱塞包括壳体和填充在所述壳体中的蓄热材料，所述壳体底部设置有与所述储气腔相连通的第一通气口，所述壳体顶部分别与所述空气压缩单元和所述空气膨胀单元连接，以使所述空气压缩单元压缩后得到的高温气体通入所述壳体经过所述蓄热材料后通过第一通气口通入所述储气腔中，并且所述储气腔中的气体经过所述第一通气口通入所述壳体经过所述蓄热材料后进入所述空气膨胀单元中。

进一步地，所述壳体顶部开设有两个第二通气口，两个所述第二通气口处设置有阀门，两个所述阀门分别连接进气管路和出气管路，所述进气管路和所述出气管路分别连接所述空气压缩单元和所述空气膨胀单元。

进一步地，所述第一通气口和所述第二通气口出均设置有隔离网，以通过所述隔离网对所述蓄热材料进行阻挡。

进一步地，所述壳体包括筒体和盖体，蓄热材料填充在所述筒体中，所述第一通气口设置在筒体底部，所述第二通气口开设在所述盖体上。

进一步地，所述竖井为圆柱筒状结构；

所述筒体的周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽；

密封膜为套设在所述重力柱塞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，所述内环的底端与所述筒体的外壁密封连接，所述褶皱凸起与所述平滑凹槽贴合。

进一步地，所述密封膜的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构。

一种重力式压缩空气储能方法，具体方法过程如下：

压缩空气储能时，电能通过电动机带动空气压缩单元压缩空气，将得到的压缩空气通入重力柱塞、重力柱塞与竖井之间连接的密封膜以及竖井位于密封膜下方区域之间围成的储气腔中，并且通过机械提升装置对重力柱塞向上提升；

膨胀释能时，将所述储气腔中的压缩空气通入所述空气膨胀单元中进行做功，带动发电机进行发电。

进一步地，所述压缩空气通入所述储气腔前，先通过所述机械提升装置将所述重力柱塞提升至最高限位，然后向所述储气腔中通入压缩空气，使得所述储气腔中的压缩空气对所述重力柱塞的压力与所述重力柱塞的重力平衡，然后再解除机械提升装置对重力柱塞的作用力。

进一步地，所述压缩空气通入所述储气腔过程中，同时通过所述机械提升装置将所述重力柱塞向上提升，以使所述重力柱塞上升过程中所述储气腔中始终处于较低的压力水平，直到所述重力柱塞提升至最高限位时，持续向所述储气腔中通入压缩空气，直到所述储气腔中的压缩空气对所述重力柱塞的压力与所述重力柱塞的重力平衡，然后再解除机械提升装置对重力柱塞的作用力。

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重力式压缩空气储能系统的局部结构示意图；

图3是本申请重力式压缩空气储能系统的局部结构的半剖结构图；

图4是本申请加入增强卡箍时重力式压缩空气储能系统的局部结构剖视图；

图5是本申请增强卡箍的半剖结构图。

图中：1、空气压缩单元；2、空气膨胀单元；3、竖井；4、重力柱塞；41、壳体；42、蓄热材料；43、第一通气口；44、第二通气口；45、平滑凹槽；46、筒体；47、隔离网；5、储气腔；6、密封膜；61、外环；62、内环；7、增强卡箍；71、凹面；8、机械提升装置。

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式压缩空气储能系统的结构示意图。

参见图1和图2，一种重力式压缩空气储能系统，包括重力式储气单元、空气压缩单元1、空气膨胀单元2和机械提升装置8。

重力式储气单元包括竖井3，竖井3中活动插接有重力柱塞4，重力柱塞4与竖井3之间通过密封膜6密封连接，以使重力柱塞4、密封膜6以及竖井3位于密封膜6下方区域之间围成储气腔5，使得重力柱塞4能够在竖井3中做活塞-气缸运动。

另外，空气压缩单元1与储气腔5相连通，用于向储气腔5中通入压缩空气，空气膨胀单元2与储气腔5相连通，以使储气腔5中的压缩空气通入空气膨胀单元2中做功；

机械提升装置8与重力柱塞4相连，用于提升重力柱塞4向上移动，由于在对重力柱塞4进行提升过程中，机械提升的效率一般能达到90%以上，效率高，而直接通过压缩空气的压力作用于重力柱塞4通过压力推动重力柱塞4向上提升的效率则比较低，一般在80%左右，如果直接用压缩空气的压力作用实现重力柱塞4的提升消耗的能量较高，即消耗的电能较高，利用机械提升装置8效率显著高于空气压缩效率，通过机械提升装置8作用将重力柱塞4提升，降低了向储气腔5中充气过程中的能耗，提升系统效率。另外，需要说明的是，在重力柱塞4提升的过程中可以先通过机械提升装置8将重力柱塞4提升至最高限位后停止，然后向储气腔5中充入压缩空气，此时相当于完全通过机械提升作用，能够有效降低充气过程中的能耗；还有另一种情况，可以在充气过程中同时通过机械提升装置8进行机械提升，使得机械提升和压缩空气同时进行作用，通过控制机械提升的速度，使得充气过程中储气腔5中压力始终处于较低的状态，进而能够降低能耗。

在一些实施例中，重力柱塞4包括壳体41和填充在壳体41中的蓄热材料42，壳体41底部设置有与储气腔5相连通的第一通气口43，壳体41顶部分别与空气压缩单元1和空气膨胀单元2连接，以使空气压缩单元1压缩后得到的高温气体通入壳体41经过蓄热材料42后通过第一通气口43通入储气腔5中，并且储气腔5中的气体经过第一通气口43通入壳体41经过蓄热材料42后进入空气膨胀单元2中，进而使得压缩储能时，空气压缩单元1压缩后得到的高温空气经过蓄热材料42时将热量直接存储在蓄热材料42中，放热后的气体经过第一通气口43进入到储气腔5中进行存储，而膨胀释能时，储气腔5中存储的气体进入壳体41中，重力柱塞4向下移动，储气腔5体积减小，进入壳体41中的气体经过蓄热材料42时，将蓄热材料42中存储的热量带走，得到高温的气体，高温气体直接通入空气膨胀单元2中做功，带动发电机发电，直接在重力柱塞4中填充蓄热材料42，通过蓄热材料42进行蓄热的方式实现换热，无需另外在系统中增加热交换单元进行换热，节省空间和成本，同时蓄热材料42作为重力来源，使得整体储能系统简单，成本降低，减小占地面积。

另外，壳体41顶部开设有两个第二通气口44，两个第二通气口44处设置有阀门，两个阀门分别连接进气管路11和出气管路12，进气管路11和出气管路12分别连接空气压缩单元1和空气膨胀单元2，进而使得空气压缩单元1压缩后的空气通过进气管路11进入壳体41时，通过关闭出气管路12上的阀门，避免压缩气体通过出气管路12溢出，另外，在膨胀做功时，通过关闭连接进气管路11的阀门，避免膨胀做功的气体进入进气管路11中。

进一步来说，第一通气口43和第二通气口44出均设置有隔离网47，以通过隔离网47对蓄热材料42进行阻挡，保证蓄热材料42能够封闭在壳体41中不会洒出，隔离网47上的网孔小于蓄热材料42的直径，由于隔离网47的阻挡能够防止蓄热材料42洒出，并且气体还能够穿过隔离网47上的网孔，不妨碍通气过程的进行。

在一些实施例中，壳体41包括筒体46和盖体，蓄热材料42填充在筒体46中，第一通气口43设置在筒体46底部，第二通气口44开设在盖体上，另外盖体上设置有挂环，用于连接机械提升装置8，其中机械提升装置8为能够将重力柱塞4向上提升的现有装置，此处不再详细赘述。

参见图3，在一些实施例中，竖井3可以为圆柱筒状结构，并且壳体41的筒体46的周侧设置有多个呈竖直分布的平滑凹槽45，密封膜6为套设在重力柱塞4外部的环形筒状结构，密封膜6的外径等于竖井3的内径，密封膜6从中间将上部向内翻折后形成外环61和内环62连接组成的环形鞍面结构，翻折后得到的内环62周侧形成褶皱凸起，外环61和内环62的顶端之间相连接，外环61的底端与竖井3内壁密封连接，内环62的底端与筒体46的外壁密封连接，褶皱凸起与平滑凹槽45贴合，由于密封膜6在翻折后形成的内环62位于外环61内侧，密封膜6为筒状结构，翻折后的内环62为了适应环向空间大小，会出现褶皱凸起，由于筒体46的外径小于密封膜6的内径，因此内环62底端需要固定在筒体46时，需要将内环62向重力柱塞4靠近，由于筒体46外径较小，需要内环62褶皱的凸起较大，褶皱凸起处是不与重力柱塞4侧壁相接的，当设置平滑凹槽45时，密封膜6凹陷于平滑凹槽45内，从而增大筒体46环向外壁与密封膜6相接的长度，使得密封膜6固定在筒体46周侧的长度增大，提升了筒体46与重力柱塞4的支撑性能，并且由于密封膜6的外径与竖井3的内径相同，进而使得密封膜6的外环61能够完全贴合在竖井3内壁上，通过筒体46固体壁面抵消密封膜6在压力条件下产生的环向张力，提升密封膜6使用安全性、可靠性和寿命。

在一些实施例中，密封膜6的环形筒状结构为上下等径的圆柱面结构，筒体46位于平滑凹槽45处的环向周长等于密封膜6外壁环向周长也就是说，筒体46周侧设置平滑凹槽45后，通过控制平滑凹槽45的深度和数量，使得筒体46在平滑凹槽45处环向的周长增大（就平滑凹槽45贯穿筒体46底端时，筒体46在平滑凹槽45处的环向的周长也就是筒体46底端面边侧的周长，并且密封膜6外壁环向周长就是密封膜6环形筒状结构的外筒端面边侧的周长），内环62的褶皱凸起的部分能够贴合在平滑凹槽45中，筒体46能够对密封膜6进行支撑，提高了密封膜6使用安全性、可靠性和寿命。

另外，参见图4和图5，需要强调的是，可以在密封膜6上设置增强卡箍7，增强卡箍7与密封膜6之间不固定连接，两者之间都能够自由移动，增强卡箍7通过密封膜6支撑，增强卡箍7为套设在筒体46外部的环形鞍面结构，环形鞍面结构的凹面71朝向密封膜6设置，以使密封膜6环形鞍面结构的凸面与增强卡箍7的凹面71贴合，通过增强卡箍7自身强度补偿密封膜6的环形鞍面结构位于外环61和内环62连接凸起位置由于压缩空气的作用导致的强度不足，从而降低系统对密封膜6环向强度的要求，降低密封膜6加工难度和生产成本，同时增强系统安全性和可靠性，也就是说，通过增强卡箍7对密封膜6撑起部分有一定限位作用，防止密封膜6环形鞍面结构的凸起部分在压力作用下继续形变撑大，实现了对密封膜6的防护，另外，在重力柱塞4上下移动过程中由于密封膜6的环形鞍面结构的凸面处也会随之改变上下移动，此时带动增强卡箍7一起上下移动。

在一些实施例中，一种重力式压缩空气储能方法，具体方法过程如下：

压缩空气储能时，电能通过电动机带动空气压缩单元1压缩空气，将得到的压缩空气通入储气腔5中，并且通过机械提升装置8对重力柱塞4向上提升，在压缩空气通过重力柱塞4进入储气腔5的过程中，将热能储存在蓄热材料42中；

膨胀释能时，将储气腔5中的压缩空气通入空气膨胀单元2中进行做功，带动发电机进行发电，在压缩空气膨胀时，储气腔5中的压缩空气经过重力柱塞4进入空气膨胀单元2的过程中吸收蓄热材料42中的热量，使得蓄热材料42中存储的压缩热能、压缩空气的压力势能和重力柱塞4的重力势能转换为电能，实现重力储能和压缩空气储能的有效结合。

需要详细说明的是，压缩空气通入和机械提升装置8的提升的前后顺序不同情况有多种，为了能够提高系统的效率，具体情况如下：

作为一种可能的情况，压缩空气通入储气腔5前，先通过机械提升装置8将重力柱塞4提升至最高限位，然后向储气腔5中通入压缩空气，使得储气腔5中的压缩空气对重力柱塞4的压力与重力柱塞4的重力平衡，然后再解除机械提升装置8对重力柱塞4的作用力，通过机械提升装置8提升重力柱塞4减少了能耗。

作为另一种可能的情况，压缩空气通入储气腔5过程中，同时通过机械提升装置8将重力柱塞4向上提升，以使重力柱塞4上升过程中储气腔5中始终处于较低的压力水平，直到重力柱塞4提升至最高限位时，持续向储气腔5中通入压缩空气，直到储气腔5中的压缩空气对重力柱塞4的压力与重力柱塞4的重力平衡，然后再解除机械提升装置8对重力柱塞4的作用力，使得机械提升和压缩空气同时进行作用，通过控制机械提升的速度，使得充气过程中储气腔5中压力始终处于较低的状态，进而能够降低能耗。

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。