專利名稱：可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)和儲能發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儲能發(fā)電和再生能源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)和儲能發(fā)電方法。
背景技術(shù)：
目前，人們的生活和生產(chǎn)用電，大量依賴礦物能源，如煤、天然氣等，而礦物能源的形成周期非常長，一個天然能源礦的形成需要上萬年甚至更長，并且都是一次性的，無法再生，面臨枯竭。自然資源的礦物能源無法滿足人們對能源增加的需要。自然界的可再生能源具有很強的時效性和地域性，風(fēng)能只有在刮風(fēng)時才有并且是北部豐富，水能只有雨季才豐沛主要集中在中南部，太陽能在白天才出現(xiàn)，晚上基本沒有。用電也有很強的周期性，白天是工業(yè)用電的高峰，傍晚是生活用電的高峰，夏天降溫是南部地方急需用電，冬天取暖又是北方地區(qū)用電多，凌晨用電量卻很少。電力系統(tǒng)為了確保用電安全，必須以最大負(fù)荷需求建設(shè)電力能力，因此在低谷時，造成大量發(fā)電能力閑置。發(fā)電和用電總是要保持平衡的，否則，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會遭到破壞。由于可再生能源所生產(chǎn)的電能與用電需求不能完全匹配，大量可再生能源流失，造成有限資源大量浪費。如何充分利用可再生能源，又能充分保證電網(wǎng)的用電安全，提高電網(wǎng)的效率呢？ 為解決這一問題，人們研究開發(fā)儲能技術(shù)削峰填谷。目前，發(fā)展開發(fā)的儲能技術(shù)有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪蓄能、電池蓄能、超導(dǎo)磁能蓄能和超級電容等。抽水蓄能是成熟技術(shù)，但受自然條件的限制，建設(shè)一個抽水蓄能電站必須要建設(shè)上下游兩個水庫，投資大，占用土地資源多。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C技術(shù)開發(fā)的一種儲能技術(shù)，空氣壓縮系統(tǒng)和空氣膨脹系統(tǒng)是兩個完全獨立的工作系統(tǒng)。依靠鹽洞、礦洞或天然山洞等開發(fā)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)(CAES)和正在研究開發(fā)的地面壓縮空氣儲能系統(tǒng)(SVCAES)、帶回?zé)岬膲嚎s空氣儲能系統(tǒng)(AACAES)、循環(huán)壓縮空氣儲能系統(tǒng)(CAESH)等，壓縮與膨脹也是采用兩套相互獨立的工作系統(tǒng)。超臨界空氣儲能系統(tǒng)(CEQ是一種新的儲能發(fā)電系統(tǒng)，在存儲能量的小型化上取得重大進展，但其壓縮和膨脹功能還是沿用兩套分離的系統(tǒng)完成。壓縮機和膨脹機分離系統(tǒng)的缺點是大量占用土地，建設(shè)工程量大；系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量龐大；建設(shè)期長、資金投入多；兩套系統(tǒng)一般不同時工作，設(shè)備閑置現(xiàn)象突出；發(fā)電設(shè)備和動力設(shè)備布置在同一層，壓縮機和膨脹機噪音大，污染工作環(huán)境。目前，單螺桿壓縮機嚙合副的型線研究取得了重大進展，非直線型產(chǎn)形面二次包絡(luò)型線單螺桿嚙合副已走出實驗室走向?qū)嵱没?，其中雙橢圓產(chǎn)形面二次包絡(luò)型線等優(yōu)良型線無論是氣密性、耐磨性和加工工藝性都具有很多優(yōu)越性，這些技術(shù)在大容量可逆儲能和發(fā)電方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上不足，本發(fā)明公開了一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)和儲能發(fā)電方法，是新型空氣儲能發(fā)電技術(shù)，利用單螺桿嚙合副的特殊性，解決空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)中壓縮機與膨脹機、電動機與發(fā)電機分離、系統(tǒng)過于分散和設(shè)備閑置時間過多等問題。其技術(shù)方案如下一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，包括換熱器(104)和(115)、節(jié)流閥 (106)、低溫蓄罐(107)、閥門(108)、低溫泵(109)、蓄熱器(110)、冷卻劑源(111)、集熱器 (112)和多條管路，其特征在于還包括一臺具有壓縮功能和膨脹功能的可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)、一臺具有電動功能和發(fā)電功能的可逆電動發(fā)電機(102)、一臺相序轉(zhuǎn)換開關(guān)、一臺工況切換閥、一臺氣門閥(10 和一臺調(diào)速器(113)，特別還包括可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)與可逆電動發(fā)電機(102)的立式安裝方式和主軸之間的聯(lián)軸器聯(lián)接方式，壓縮儲能和逆向的膨脹釋能都在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的螺桿、星輪和機殼圍成的封閉螺槽內(nèi)進行。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺桿壓縮膨脹機和一級高壓單螺桿壓縮膨脹機組成，低、高壓兩級單螺桿壓縮膨脹機經(jīng)過外接管路構(gòu)成串聯(lián)聯(lián)接?；蛘?，所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺桿壓縮膨脹機、 一級中壓單螺桿壓縮膨脹機和一級高壓單螺桿壓縮膨脹機組成，低、中、高壓三級單螺桿壓縮膨脹機經(jīng)外接管路構(gòu)成串聯(lián)聯(lián)接。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，兩相鄰螺桿之間的排列方式有面對面、背靠背、面向背或背向面四種，其中在面對面或背靠背的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，而在面向背或背向面的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相同。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，其螺桿為金屬螺桿或陶瓷螺桿，螺桿固定在主軸04)上，螺桿能正、反轉(zhuǎn)。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，其星輪為整體金屬星輪或整體陶瓷星輪，星輪固定在星輪軸上，星輪能正、反轉(zhuǎn)。所述的立式安裝方式是可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)位于下層機房、電動發(fā)電機 (102)位于上層機房，兩豎直主軸經(jīng)聯(lián)軸器聯(lián)接。聯(lián)軸器包括與可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31)和與可逆電動發(fā)電機(102)的主軸04)固聯(lián)的部分(32)，其中在可逆電動發(fā)電機(102)開機前油壓頂轉(zhuǎn)子和停機過程中油壓抬機時，相對于可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31)軸向不動，聯(lián)軸器與可逆電動發(fā)電機(102)的主軸04)固聯(lián)的部分(32)能隨同可逆電動發(fā)電機(10 的主軸G4)軸向微量或微小量移動，且不影響可逆單螺桿壓縮膨脹機中單螺桿嚙合副的精密嚙合。相序轉(zhuǎn)換開關(guān)(114)是(a)兩組隔離開關(guān)組成的換相裝置，或者是(b)三相五極組合換相開關(guān)。工況切換閥(10 是一個包括壓縮工位和膨脹工位的兩位三通切換閥，在壓縮工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和節(jié)流閥(106)，在膨脹工位時工況切換閥(105)連通換熱器(104)和換熱器(115)；或是一個包括壓縮工位、膨脹工位和空位的三位三通切換閥，在壓縮工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和節(jié)流閥(106)，在膨脹工位時工況切換閥(105)連通換熱器(104)和換熱器(115)，在空位時工況切換閥(105)隔斷換熱器 (104)、節(jié)流閥(106)和換熱器(115)之間的通路?？蛇x擇地，可逆單螺桿壓縮膨脹機的氣體輸入口管路(0)與存儲氣體的容器相連接，則所述的輸入空氣可以用其它任何氣體介質(zhì)代替?？赡鎲温輻U壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法有壓縮空氣生產(chǎn)冷凍劑的方法和膨脹空氣生產(chǎn)電能的方法；包括壓縮空氣生產(chǎn)存儲冷凍劑的方法工況轉(zhuǎn)換；輸入空氣；空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)螺槽內(nèi)壓縮蓄能；熱交換/蓄熱；節(jié)流液化；液態(tài)空氣存儲；和膨脹空氣生產(chǎn)電能的方法工況轉(zhuǎn)換；泵送液態(tài)空氣；熱交換/蓄冷；空氣升溫升壓；空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)螺槽內(nèi)膨脹釋能；輸出電能。在大中型機組中，可逆電動發(fā)電機(10 在電動機工況運行時，可逆單螺桿壓縮膨脹機必須在啟動前抽氣卸載或在啟動中氣量調(diào)節(jié)卸載。抽氣卸載是在電動發(fā)電機啟動前用真空泵抽出可逆單螺桿壓縮膨脹機內(nèi)氣腔的空氣，減少機組啟動負(fù)荷實現(xiàn)卸載啟動，是一種徹底卸載法。氣量調(diào)節(jié)卸載包括滑閥式卸載法和轉(zhuǎn)動環(huán)式卸載法，其中滑閥式是通過滑閥使星輪齒嚙入螺桿螺槽形成封閉容積后仍將封閉容積和吸氣口相通卸載；轉(zhuǎn)動環(huán)式是通過轉(zhuǎn)動環(huán)的旋轉(zhuǎn)改變星輪齒嚙入螺桿螺槽的最大容積卸載，滑閥式和轉(zhuǎn)動環(huán)式卸載法都是部分卸載法。


圖Ia和圖Ib為可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)兩級壓縮儲能系統(tǒng)加和圖2b為可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)三級壓縮儲能系統(tǒng)3為可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)立式布置4為兩相鄰螺桿的組合形式fe和圖恥為立式兩級可逆單螺桿壓縮膨脹機的實體模型6a和圖6b為立式三級可逆單螺桿壓縮膨脹機的機殼實體模型7為兩級單螺桿嚙合副的面向背嚙合狀態(tài)圖
圖8為相序轉(zhuǎn)換開關(guān)示意圖
具體實施例方式一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，包括換熱器(104)和(115)、節(jié)流閥 (106)、低溫蓄罐(107)、閥門(108)、低溫泵(109)、蓄熱器(110)、冷卻劑源(111)、集熱器 (112)和多條管路，其特征在于還包括一臺具有壓縮功能和膨脹功能的可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)、一臺具有電動功能和發(fā)電功能的可逆電動發(fā)電機(102)、一臺相序轉(zhuǎn)換開關(guān)、一臺工況切換閥、一臺氣門閥(10 和一臺調(diào)速器(113)，特別還包括可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)與可逆電動發(fā)電機(102)的立式安裝方式和主軸之間的聯(lián)軸器聯(lián)接方式，壓縮儲能和逆向的膨脹釋能都在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的螺桿、星輪和機殼圍成的封閉螺槽內(nèi)進行。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺桿壓縮膨脹機和一級高壓單螺桿壓縮膨脹機組成，低、高壓兩級單螺桿壓縮膨脹機經(jīng)過外接管路構(gòu)成串聯(lián)聯(lián)接。或者，所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺桿壓縮膨脹機、 一級中壓單螺桿壓縮膨脹機和一級高壓單螺桿壓縮膨脹機組成，低、中、高壓三級單螺桿壓縮膨脹機經(jīng)外接管路構(gòu)成串聯(lián)聯(lián)接。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，兩相鄰螺桿之間的排列方式有面對面、背靠背、面向背或背向面四種，其中在面對面或背靠背的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，而在面向背或背向面的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相同。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，其螺桿為金屬螺桿或陶瓷螺桿，螺桿固定在主軸04)上，螺桿能正、反轉(zhuǎn)。所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，其星輪為整體金屬星輪或整體陶瓷星輪，星輪固定在星輪軸上，星輪能正、反轉(zhuǎn)。所述的立式安裝方式是可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)位于下層機房、電動發(fā)電機 (102)位于上層機房，兩豎直主軸經(jīng)聯(lián)軸器聯(lián)接。聯(lián)軸器包括與可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31)和與可逆電動發(fā)電機(102)的主軸04)固聯(lián)的部分(32)，其中在可逆電動發(fā)電機(102)開機前油壓頂轉(zhuǎn)子和停機過程中油壓抬機時，相對于可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31)軸向不動，聯(lián)軸器與可逆電動發(fā)電機(102)的主軸04)固聯(lián)的部分(32)能隨同可逆電動發(fā)電機(10 的主軸G4)軸向微量或微小量移動，且不影響可逆單螺桿壓縮膨脹機中單螺桿嚙合副的精密嚙合。相序轉(zhuǎn)換開關(guān)(114)是(a)兩組隔離開關(guān)組成的換相裝置，或者是(b)三相五極組合換相開關(guān)。工況切換閥(10 是一個包括壓縮工位和膨脹工位的兩位三通切換閥，在壓縮工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和節(jié)流閥(106)，在膨脹工位時工況切換閥(105) 連通換熱器(104)和換熱器(115)；或是一個包括壓縮工位、膨脹工位和空位的三位三通切換閥，在壓縮工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和節(jié)流閥(106)，在膨脹工位時工況切換閥(105)連通換熱器(104)和換熱器(115)，在空位時工況切換閥(105)隔斷換熱器(104)、節(jié)流閥(106)和換熱器(115)之間的通路。可選擇地，可逆單螺桿壓縮膨脹機的氣體輸入口管路(0)與存儲氣體的容器相連接，則所述的輸入空氣可以用其它任何氣體介質(zhì)代替。可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法，包括壓縮空氣生產(chǎn)冷凍劑的方法和膨脹空氣生產(chǎn)電能的方法；壓縮空氣生產(chǎn)存儲冷凍劑的方法包括通過工況切換閥轉(zhuǎn)換可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的工況為壓縮儲能工況，通過相序切換開關(guān)(114)切換相序使可逆電動發(fā)動機(102)處于電動機運行工況；關(guān)閉與大氣相連的進氣口 ；操作調(diào)速器(113)使氣門閥(103)至全關(guān)；啟動真空泵抽出單螺桿壓縮膨脹機螺槽內(nèi)的空氣；電動發(fā)動機并入電網(wǎng)，電網(wǎng)電力拖動電動發(fā)電機(102)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同時拖動可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；打開調(diào)速器至全開；打開與大氣相連的進氣口，輸入空氣；空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)螺槽內(nèi)壓縮蓄能；壓縮空氣熱交換/蓄熱壓縮空氣節(jié)流液化；液化空氣存儲；膨脹空氣生產(chǎn)電能的方法包括通過工況切換閥轉(zhuǎn)換可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的工況為膨脹發(fā)電工況，通過相序切換開關(guān)(114)切換相序使電動發(fā)動機(102)處于發(fā)電機工作狀態(tài)；打開冷凍劑控制閘閥；泵送冷凍劑；換熱/蓄冷，空氣升壓升溫氣化；操作調(diào)速器將氣門閥(103)開至空載開度；空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)螺槽內(nèi)膨脹釋能；操作并網(wǎng)；操作調(diào)速器，控制氣門閥(103)至合適開度；輸出電能；在大中型機組中，可逆電動發(fā)電機(10 在電動機工況運行時，可逆單螺桿壓縮膨脹機必須在啟動前抽氣卸載或在啟動中氣量調(diào)節(jié)卸載。抽氣卸載是在電動發(fā)電機啟動前用真空泵抽出可逆單螺桿壓縮膨脹機內(nèi)氣腔的空氣，減少機組啟動負(fù)荷實現(xiàn)卸載啟動，是一種徹底卸載法。氣量調(diào)節(jié)卸載包括滑閥式卸載法和轉(zhuǎn)動環(huán)式卸載法，其中滑閥式是通過滑閥使星輪齒嚙入螺桿螺槽形成封閉容積后仍將封閉容積和吸氣口相通卸載；轉(zhuǎn)動環(huán)式是通過轉(zhuǎn)動環(huán)的旋轉(zhuǎn)改變星輪齒嚙入螺桿螺槽的最大容積卸載，滑閥式和轉(zhuǎn)動環(huán)式卸載法都是部分卸載法。
圖la、圖Ib公開了可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)的兩級壓縮儲能系統(tǒng)。在圖Ia中，空氣壓縮儲能過程為，可逆電動發(fā)電機(10 帶動可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，空氣從管路(0)進入可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的低壓壓縮膨脹機，經(jīng)低壓級壓縮膨脹機壓縮后，經(jīng)管路(1)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的低壓級通路排出后，經(jīng)管路( 進入換熱器(104)的低壓級換熱器換熱/蓄熱后，經(jīng)管路C3)進入高壓級壓縮膨脹機壓縮后，經(jīng)管路(7)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的高壓級通路出來經(jīng)管路(8)進入換熱器(104)的高壓級換熱器換熱/蓄熱后，經(jīng)管路(9)進入工況切換閥(105)，在壓縮工況下，工況切換閥(10 將管路(9)和管路(10)連通，高壓空氣進入節(jié)流閥(106)，在節(jié)流閥內(nèi)大部分壓縮空氣液化存入低溫蓄罐存儲。未液化的小部分低溫空氣經(jīng)管路00)進入冷卻劑源(111)經(jīng)換熱/蓄冷后從管路排出。在空氣壓縮儲能的過程中，冷卻劑從冷卻劑源(111)送出，分別從換熱器(104)的高壓級換熱器和低壓級換熱器將空氣冷卻且自身被加熱存入蓄熱器(110)。可以選擇地，在切換閥(105)與節(jié)流閥(106)之間的管路(10)上，增加一換熱器 (未示出)，加強壓縮空氣的降溫冷卻，其熱能進入蓄熱器(110)進一步回收，或用于環(huán)境供熱。在圖Ib中，空氣膨脹釋能過程為，打開閘閥(108)液化空氣從低溫蓄罐(107)出來過閘閥(108)后進入管路(11)，液化空氣經(jīng)低溫泵(109)加壓至10-40MP，經(jīng)管路(12) 進入換熱器(115)，在換熱器(11 液化空氣加熱至環(huán)境溫度后，經(jīng)管路(1 進入工況切換閥(105)，在膨脹工況下，工況切換閥(10 將管路(1 和管路(9)連通，高壓液化空氣經(jīng)管路(9)進入換熱器(104)的高壓級換熱器加熱/蓄冷后，經(jīng)管路(8)過氣門閥(103)的高壓級通路后，經(jīng)管路(7)進入可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的高壓級壓縮膨脹機膨脹，再經(jīng)管路C3)返回?fù)Q熱器(104)的低壓級換熱器加熱/蓄冷后，經(jīng)管路( 過氣門閥(103) 的低壓級通路后，經(jīng)管路(1)進入低壓級壓縮膨脹機膨脹后，從管路(0)排出。空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)內(nèi)膨脹，推動螺桿軸旋轉(zhuǎn)，螺桿軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電動發(fā)電機發(fā)電。在空氣膨脹發(fā)電的過程中，熱源從蓄熱器(110)送出，分別從換熱器(104)的高壓級熱交換器和低壓級熱交換器將空氣加熱且自身被冷卻存入冷卻劑源(Ul)。環(huán)境空氣從管路(64)進入換熱器(115)回收的冷能，從管路(64)或進入冷卻劑源(111)進一步回收冷能，或用于環(huán)境制冷。圖2a、圖2b開公了可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)的三級壓縮儲能系統(tǒng)。在圖加中，空氣壓縮儲能過程為，可逆電動發(fā)電機(10 帶動可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，空氣從管路(0)進入可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的低壓壓縮膨脹機，經(jīng)低壓級壓縮膨脹機壓縮后，經(jīng)管路(1)進入氣門閥(103)，從氣門閥(103)的低壓通路排出后，經(jīng)管路( 進入換熱器(104)的低壓級換熱器換熱/蓄熱后，經(jīng)管路C3)進入中壓級壓縮膨脹機壓縮后，經(jīng)管路(4)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的中壓通路出來后， 經(jīng)管路( 進入換熱器(104)的中壓級換熱器換熱/蓄熱后，經(jīng)管路(6)進入高壓級壓縮膨脹機壓縮后，經(jīng)管路(7)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的高壓通路出來后，經(jīng)管路(8) 進入換熱器(104)的高壓級換熱器換熱/蓄熱后，經(jīng)管路(9)進入工況切換閥(105)，在壓縮工況下，工況切換閥(10 將管路(9)和管路(10)連通，高壓空氣進入節(jié)流閥(106)，在節(jié)流閥內(nèi)大部分壓縮空氣液化進入低溫蓄罐(107)存儲。未液化的小部分低溫空氣經(jīng)管路(20)進入冷卻劑源(111)經(jīng)換熱/蓄冷后從管路排出。在空氣壓縮儲能的過程中，冷卻劑從冷卻劑源(111)送出，分別從換熱器(104)的高壓級換熱器、中壓級換熱器和低壓級換熱器將空氣冷卻且自身被加熱存入蓄熱器(110)。可以選擇地，在切換閥(105)與節(jié)流閥(106)之間的管路(10)上，增加一換熱器 (未示出)，加強壓縮空氣的降溫冷卻，其熱能進入蓄熱器(110)進一步回收，或用于環(huán)境供熱。在圖2b中，空氣膨脹釋能過程為，打開閘閥(108)液化空氣從低溫蓄罐(107)出來過閘閥(108)后進入管路(11)，液化空氣經(jīng)低溫泵(109)加壓至40-100MP，經(jīng)管路(12) 進入換熱器(11 加熱至環(huán)境溫度后，經(jīng)管路(1 進入工況切換閥(105)，在膨脹工況下， 工況切換閥(10 將管路(1 和管路(9)連通，高壓液化空氣經(jīng)管路(9)進入換熱器(104) 高壓級換熱器加熱/蓄冷后，經(jīng)管路(8)過氣門閥(10 的高壓級通路后，經(jīng)管路(7)進入可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的高壓級膨脹機膨脹后，再經(jīng)管路(6)返回?fù)Q熱器(104) 的中壓級熱交換器加熱/蓄冷后，經(jīng)管路( 過氣門閥(10 的中壓級通路后，經(jīng)管路(4) 進入可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的中壓級壓縮膨脹機膨脹后，再經(jīng)管路C3)返回?fù)Q熱器 (104)的低壓級熱交換器加熱/蓄冷后，經(jīng)管路( 過氣門閥(10 的低壓級通路后，經(jīng)管路(1)進入可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的低壓級壓縮膨脹機膨脹后從管路(0)排出。 空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)內(nèi)膨脹，推動螺桿軸旋轉(zhuǎn)，螺桿軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電動發(fā)電機發(fā)電。在空氣膨脹發(fā)電的過程中，熱源從蓄熱器(110)送出，分別從換熱器(104)的高壓級熱交換器、中壓級熱交換器和低壓級熱交換器將空氣加熱后自身被冷卻存入冷卻劑源 (111)。環(huán)境空氣從管路(64)進入換熱器(115)回收的冷能，從管路(64)或進入冷卻劑源(111)進一步回收冷能，或用于環(huán)境制冷。集熱器(11 是一個外部熱源收集裝置，同蓄熱器(110)相連，集熱器(11 提供的熱是太陽能熱、工業(yè)余熱及廢熱、地?zé)帷⒗贌裏峄驗檠a充儲能發(fā)電過程損耗的能量附加的燃燒加熱等之一或若干種熱源的熱量之組合。圖3公開了可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)立式布置的基本構(gòu)造，圖中是一個兩級壓縮膨脹系統(tǒng)。立式可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)固定在機坑(100)的下機座上，包括螺桿軸(M)、低壓級壓縮膨脹機的螺桿(25)、低壓級壓縮膨脹機的星輪06)和(27)、高壓級壓縮膨脹機的螺桿08)、高壓級壓縮膨脹機的星輪09)和(30)。立式可逆電動發(fā)電機 (102)的下機架(33)固定在機坑(100)的上機座上，可逆電動發(fā)電機(102)的外殼03)固定在下機架(3 上，可逆電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯GO)和磁極經(jīng)磁軛固定在可逆電動發(fā)電機(102)的主軸04)上，可逆電動發(fā)電機(102)的定子線圈02)固定在外殼G3)內(nèi)， 上機架(3 固定在可逆電動發(fā)電機的外殼上，推力頭(38)固定在主軸04)上，鏡板 (37)固定在推力頭(38)下方，推力瓦(36)支撐在上機架的油槽底板上，上導(dǎo)軸瓦(39)安裝在上機架(35)的油槽內(nèi)，下導(dǎo)軸瓦(34)安裝在下機架(33)的油槽內(nèi)。聯(lián)軸器包括與可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31)和與可逆電動發(fā)電機(102)的主軸(44)固聯(lián)的部分(32)。圖4公開了可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)中兩相鄰螺桿之間的四種布局方式，其中(a)是面對面式、(b)是背靠背式、(c)是背向面式、(d)是面向背式。其中在面對面或背靠背的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，而在面向背或背向面的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相同。圖5^圖恥公開了可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的兩級壓縮膨脹的實施例，在圖中的機殼上的兩面共計8個氣口，其中低壓級壓縮膨脹機的4個進出氣口是(Al)、(A2)、 (A3)和(A4)，其中(Al)和(A2)相通，(A3)和(A4)相通，高壓壓縮膨脹機的4個進出氣口是(Cl)、(C2)、(C3)和(C4)，其中(Cl)和(C2)相通，(C3)和(C4)相通，這些開口可全部使用也可部分組合使用，未被使用的氣口用蓋板密封。圖6a、圖6b公開了可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的三級壓縮膨脹的機殼實施例， 在圖中的機殼的兩面共計12個氣口，其中低壓級壓縮膨脹機的4個進出氣口是(Al)、(A2)、 (A3)和(A4)，其中(Al)和(A2)相通，(A3)和(A4)相通，中壓壓縮膨脹機的4個進出氣口是(Bi)、(B2)、(B3)和(B4)，其中(Bi)和(B2)相通，(B3)和(B4)相通，高壓壓縮膨脹機的4個進出氣口是(Cl)、(C2)、(C3)和(C4)，其中(Cl)和(C2)相通，(C3)和(C4)相通， 這些開口可全部使用也可部分組合使用，未被使用的氣口用蓋板密封。圖7公開了可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的二級壓縮膨脹機的嚙合副結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為面上背式，螺桿軸(M)、低壓級壓縮膨脹機的螺桿(25)、低壓壓縮膨脹機的星輪06) 和(27)，高壓級壓縮膨脹機的螺桿( )、高壓級壓縮膨脹機的星輪09)和(30)。與低壓級壓縮膨脹機的螺桿0 和高壓級壓縮膨脹機的螺桿08)嚙合的同側(cè)的低壓壓縮膨脹機的星輪06)和高壓級壓縮膨脹機的星輪09)的旋轉(zhuǎn)方向相同，低壓壓縮膨脹機的星輪(XT) 和高壓級壓縮膨脹機的星輪(30)的旋轉(zhuǎn)方向相同，大端蓋(45)、小端蓋06)?？赡鎲温輻U壓縮膨脹機(101)的單螺桿和星輪嚙合副是非直線型產(chǎn)形面二次包絡(luò)型線單螺桿嚙合副或雙橢圓產(chǎn)形面二次包絡(luò)型線單螺桿嚙合副。圖8公開了可逆電動發(fā)電機(102)的相序轉(zhuǎn)換的兩種方案，其中(a)是兩組隔離開關(guān)組成的換相裝置，圖(b)是三相五極組合換相開關(guān)。作為一種改進方案，可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)也可以采用臥軸安裝方式，在臥軸安裝中，可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)和電動發(fā)電機(10 的主軸水平布置，用聯(lián)軸器聯(lián)接，適應(yīng)于中小機組。可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，最突出的特點是克服了傳統(tǒng)空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)中壓縮機與膨脹機分離、系統(tǒng)過于分散和設(shè)備閑置時間過多等缺點，在本發(fā)明公開的方案中，壓縮機與膨脹機一體、電動機與發(fā)電機一體，壓縮過程和膨脹過程中氣體的流經(jīng)管路和設(shè)備大部分共用，設(shè)備大量減少系統(tǒng)十分整湊，設(shè)備閑置時間少利用率非常高，同可再生能源結(jié)合經(jīng)濟環(huán)保，投資少效益高，在壓縮空氣儲能領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。以上內(nèi)容描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和實現(xiàn)方式，本行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中的描述只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種具體參數(shù)和這些參數(shù)的改變，這些變化和改變都落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護的范圍由所描述的技術(shù)方案、權(quán)利要求書以及等同物界定。
權(quán)利要求
1.一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，包括換熱器(104)和(115)、節(jié)流閥 (106)、低溫蓄罐(107)、閥門(108)、低溫泵(109)、蓄熱器(110)、冷卻劑源(111)、集熱器 (112)和多條管路，其特征在于還包括一臺具有壓縮功能和膨脹功能的可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)、一臺具有電動功能和發(fā)電功能的可逆電動發(fā)電機(102)、一臺相序轉(zhuǎn)換開關(guān) (114)、一臺工況切換閥(105)、一臺氣門閥(103)和一臺調(diào)速器(113)，特別還包括可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)與可逆電動發(fā)電機(10 的立式安裝方式和主軸之間的聯(lián)軸器聯(lián)接方式，空氣壓縮和逆向的空氣膨脹都在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的螺桿、星輪和機殼圍成的封閉螺槽內(nèi)進行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺桿壓縮膨脹機和一級高壓單螺桿壓縮膨脹機組成，低、高壓兩級單螺桿壓縮膨脹機經(jīng)過外接管路構(gòu)成串聯(lián)聯(lián)接?；蛘撸隹赡鎲温輻U壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺桿壓縮膨脹機、一級中壓單螺桿壓縮膨脹機和一級高壓單螺桿壓縮膨脹機組成，低、中、高壓三級單螺桿壓縮膨脹機經(jīng)外接管路構(gòu)成串聯(lián)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，兩相鄰螺桿之間的排列方式有面對面、背靠背、面向背或背向面四種，其中在面對面或背靠背的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相反， 而在面向背或背向面的排列中，與螺桿嚙合的同側(cè)的兩個星輪的旋轉(zhuǎn)方向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，其螺桿為金屬螺桿或陶瓷螺桿，螺桿固定在主軸04)上，螺桿能正、反轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)，其星輪為金屬星輪或陶瓷星輪，星輪固定在星輪軸上，星輪能正、反轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述的立式安裝方式是可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)位于下層機房、電動發(fā)電機(102)位于上層機房，兩豎直主軸經(jīng)聯(lián)軸器聯(lián)接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于聯(lián)軸器包括與可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31)和與可逆電動發(fā)電機 (102)的主軸04)固聯(lián)的部分(32)，其中在可逆電動發(fā)電機(10 開機前油壓頂轉(zhuǎn)子和停機過程中油壓抬機時，相對于可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯(lián)的部分(31) 軸向不動，聯(lián)軸器與可逆電動發(fā)電機(102)的主軸04)固聯(lián)的部分(32)能隨同可逆電動發(fā)電機(10 的主軸G4)軸向微量或微小量移動，且不影響可逆單螺桿壓縮膨脹機中單螺桿嚙合副的精密嚙合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于相序轉(zhuǎn)換開關(guān)(114)是(a)兩組隔離開關(guān)組成的換相裝置，或者是(b)三相五極組合換相開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于工況切換閥(10 是一個包括壓縮工位和膨脹工位的兩位三通切換閥，在壓縮工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和節(jié)流閥(106)，在膨脹工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和換熱器(115)；或是一個包括壓縮工位、膨脹工位和空位的三位三通切換閥，在壓縮工位時工況切換閥(10 連通換熱器(104)和節(jié)流閥(106)，在膨脹工位時工況切換閥(105)連通換熱器(104)和換熱器(115)，在空位時工況切換閥(105)隔斷換熱器(104)、節(jié)流閥(106)和換熱器(115)之間的通路。
10.一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法，其特征在于可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法有壓縮空氣生產(chǎn)冷凍劑的方法和膨脹空氣生產(chǎn)電能的方法；包括壓縮空氣生產(chǎn)存儲冷凍劑的方法 工況轉(zhuǎn)換； 輸入空氣；空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)螺槽內(nèi)壓縮蓄能；熱交換/蓄熱；節(jié)流液化；液態(tài)空氣存儲；和膨脹空氣生產(chǎn)電能的方法工況轉(zhuǎn)換；泵送液態(tài)空氣；熱交換/蓄冷；空氣升溫升壓；空氣在可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)螺槽內(nèi)膨脹釋能； 輸出電能。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法，其特征在于在大中型機組中，可逆電動發(fā)電機(10 在電動機工況運行時，可逆單螺桿壓縮膨脹機必須在啟動前抽氣卸載或在啟動中氣量調(diào)節(jié)卸載。
12.根據(jù)權(quán)利要求10、11所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法，其特征在于抽氣卸載是在電動發(fā)電機啟動前用真空泵抽出可逆單螺桿壓縮膨脹機內(nèi)氣腔的空氣，減少機組啟動負(fù)荷實現(xiàn)卸載啟動，是一種徹底卸載法。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、11所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法，其特征在于氣量調(diào)節(jié)卸載包括滑閥式卸載法和轉(zhuǎn)動環(huán)式卸載法，其中滑閥式是通過滑閥使星輪齒嚙入螺桿螺槽形成封閉容積后仍將封閉容積和吸氣口相通卸載；轉(zhuǎn)動環(huán)式是通過轉(zhuǎn)動環(huán)的旋轉(zhuǎn)改變星輪齒嚙入螺桿螺槽的最大容積卸載，滑閥式和轉(zhuǎn)動環(huán)式卸載法都是部分卸載法。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電方法，其特征在于可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)是立式安裝或臥軸安裝，在臥軸安裝中，可逆單螺桿壓縮膨脹機(101)和電動發(fā)電機(10 的主軸水平布置，用聯(lián)軸器聯(lián)接，適應(yīng)于中小機組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)，為新型儲能系統(tǒng)，涉及能量存儲和發(fā)電技術(shù)，可逆單螺桿壓縮膨脹機儲能發(fā)電系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，最突出的特點是克服了傳統(tǒng)空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)中壓縮機與膨脹機分離、系統(tǒng)過于分散和設(shè)備閑置時間過多等缺點。在本發(fā)明公開的方案中，壓縮機與膨脹機一體、電動機與發(fā)電機一體，壓縮過程和膨脹過程中氣體的流經(jīng)管路和設(shè)備大部分共用，設(shè)備大量減少系統(tǒng)十分整湊，設(shè)備閑置時間少利用率非常高，同可再生能源結(jié)合經(jīng)濟環(huán)保，投資少效益高，在壓縮空氣儲能領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號F01C1/16GK102352777SQ20111032451
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者李錦上 申請人:艾赫威(北京)科技有限公司