可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統和儲能發電方法

2023-10-23 01:00:12 1

專利名稱：可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統和儲能發電方法
技術領域：
本發明涉及儲能發電和再生能源技術領域，特別涉及一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統和儲能發電方法。
背景技術：
目前，人們的生活和生產用電，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，並且都是一次性的，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，風能只有在颳風時才有並且是北部豐富，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，晚上基本沒有。用電也有很強的周期性，白天是工業用電的高峰，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用電多，凌晨用電量卻很少。電力系統為了確保用電安全，必須以最大負荷需求建設電力能力，因此在低谷時，造成大量發電能力閒置。發電和用電總是要保持平衡的，否則，電力系統的穩定性就會遭到破壞。由於可再生能源所生產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，又能充分保證電網的用電安全，提高電網的效率呢？ 為解決這一問題，人們研究開發儲能技術削峰填谷。目前，發展開發的儲能技術有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪蓄能、電池蓄能、超導磁能蓄能和超級電容等。抽水蓄能是成熟技術，但受自然條件的限制，建設一個抽水蓄能電站必須要建設上下遊兩個水庫，投資大，佔用土地資源多。傳統壓縮空氣儲能系統是基於燃氣輪機技術開發的一種儲能技術，空氣壓縮系統和空氣膨脹系統是兩個完全獨立的工作系統。依靠鹽洞、礦洞或天然山洞等開發的壓縮空氣儲能系統(CAES)和正在研究開發的地面壓縮空氣儲能系統(SVCAES)、帶回熱的壓縮空氣儲能系統(AACAES)、循環壓縮空氣儲能系統(CAESH)等，壓縮與膨脹也是採用兩套相互獨立的工作系統。超臨界空氣儲能系統(CEQ是一種新的儲能發電系統，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完成。壓縮機和膨脹機分離系統的缺點是大量佔用土地，建設工程量大；系統複雜、設備數量龐大；建設期長、資金投入多；兩套系統一般不同時工作，設備閒置現象突出；發電設備和動力設備布置在同一層，壓縮機和膨脹機噪音大，汙染工作環境。目前，單螺杆壓縮機嚙合副的型線研究取得了重大進展，非直線型產形面二次包絡型線單螺杆嚙合副已走出實驗室走向實用化，其中雙橢圓產形面二次包絡型線等優良型線無論是氣密性、耐磨性和加工工藝性都具有很多優越性，這些技術在大容量可逆儲能和發電方面有著廣泛的應用前景。

發明內容
針對以上不足，本發明公開了一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統和儲能發電方法，是新型空氣儲能發電技術，利用單螺杆嚙合副的特殊性，解決空氣儲能發電系統中壓縮機與膨脹機、電動機與發電機分離、系統過於分散和設備閒置時間過多等問題。其技術方案如下一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，包括換熱器(104)和(115)、節流閥 (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，其特徵在於還包括一臺具有壓縮功能和膨脹功能的可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)、一臺具有電動功能和發電功能的可逆電動發電機(102)、一臺相序轉換開關、一臺工況切換閥、一臺氣門閥(10 和一臺調速器(113)，特別還包括可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)與可逆電動發電機(102)的立式安裝方式和主軸之間的聯軸器聯接方式，壓縮儲能和逆向的膨脹釋能都在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的螺杆、星輪和機殼圍成的封閉螺槽內進行。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺杆壓縮膨脹機和一級高壓單螺杆壓縮膨脹機組成，低、高壓兩級單螺杆壓縮膨脹機經過外接管路構成串聯聯接。或者，所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺杆壓縮膨脹機、 一級中壓單螺杆壓縮膨脹機和一級高壓單螺杆壓縮膨脹機組成，低、中、高壓三級單螺杆壓縮膨脹機經外接管路構成串聯聯接。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，兩相鄰螺杆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，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相反，而在面向背或背向面的排列中，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相同。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，其螺杆為金屬螺杆或陶瓷螺杆，螺杆固定在主軸04)上，螺杆能正、反轉。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(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。所述的立式安裝方式是可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)位於下層機房、電動發電機 (102)位於上層機房，兩豎直主軸經聯軸器聯接。聯軸器包括與可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31)和與可逆電動發電機(102)的主軸04)固聯的部分(32)，其中在可逆電動發電機(102)開機前油壓頂轉子和停機過程中油壓抬機時，相對於可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31)軸向不動，聯軸器與可逆電動發電機(102)的主軸04)固聯的部分(32)能隨同可逆電動發電機(10 的主軸G4)軸向微量或微小量移動，且不影響可逆單螺杆壓縮膨脹機中單螺杆嚙合副的精密嚙合。相序轉換開關(114)是(a)兩組隔離開關組成的換相裝置，或者是(b)三相五極組合換相開關。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)、節流閥(106)和換熱器(115)之間的通路。可選擇地，可逆單螺杆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代替。可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法有壓縮空氣生產冷凍劑的方法和膨脹空氣生產電能的方法；包括壓縮空氣生產存儲冷凍劑的方法工況轉換；輸入空氣；空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)螺槽內壓縮蓄能；熱交換/蓄熱；節流液化；液態空氣存儲；和膨脹空氣生產電能的方法工況轉換；泵送液態空氣；熱交換/蓄冷；空氣升溫升壓；空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)螺槽內膨脹釋能；輸出電能。在大中型機組中，可逆電動發電機(10 在電動機工況運行時，可逆單螺杆壓縮膨脹機必須在啟動前抽氣卸載或在啟動中氣量調節卸載。抽氣卸載是在電動發電機啟動前用真空泵抽出可逆單螺杆壓縮膨脹機內氣腔的空氣，減少機組啟動負荷實現卸載啟動，是一種徹底卸載法。氣量調節卸載包括滑閥式卸載法和轉動環式卸載法，其中滑閥式是通過滑閥使星輪齒齧入螺杆螺槽形成封閉容積後仍將封閉容積和吸氣口相通卸載；轉動環式是通過轉動環的旋轉改變星輪齒齧入螺杆螺槽的最大容積卸載，滑閥式和轉動環式卸載法都是部分卸載法。


圖Ia和圖Ib為可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統兩級壓縮儲能系統加和圖2b為可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統三級壓縮儲能系統3為可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統立式布置4為兩相鄰螺杆的組合形式fe和圖恥為立式兩級可逆單螺杆壓縮膨脹機的實體模型6a和圖6b為立式三級可逆單螺杆壓縮膨脹機的機殼實體模型7為兩級單螺杆嚙合副的面向背嚙合狀態圖
圖8為相序轉換開關示意圖
具體實施例方式一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，包括換熱器(104)和(115)、節流閥 (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，其特徵在於還包括一臺具有壓縮功能和膨脹功能的可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)、一臺具有電動功能和發電功能的可逆電動發電機(102)、一臺相序轉換開關、一臺工況切換閥、一臺氣門閥(10 和一臺調速器(113)，特別還包括可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)與可逆電動發電機(102)的立式安裝方式和主軸之間的聯軸器聯接方式，壓縮儲能和逆向的膨脹釋能都在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的螺杆、星輪和機殼圍成的封閉螺槽內進行。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺杆壓縮膨脹機和一級高壓單螺杆壓縮膨脹機組成，低、高壓兩級單螺杆壓縮膨脹機經過外接管路構成串聯聯接。或者，所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺杆壓縮膨脹機、 一級中壓單螺杆壓縮膨脹機和一級高壓單螺杆壓縮膨脹機組成，低、中、高壓三級單螺杆壓縮膨脹機經外接管路構成串聯聯接。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，兩相鄰螺杆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，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相反，而在面向背或背向面的排列中，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相同。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，其螺杆為金屬螺杆或陶瓷螺杆，螺杆固定在主軸04)上，螺杆能正、反轉。所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(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。所述的立式安裝方式是可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)位於下層機房、電動發電機 (102)位於上層機房，兩豎直主軸經聯軸器聯接。聯軸器包括與可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31)和與可逆電動發電機(102)的主軸04)固聯的部分(32)，其中在可逆電動發電機(102)開機前油壓頂轉子和停機過程中油壓抬機時，相對於可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31)軸向不動，聯軸器與可逆電動發電機(102)的主軸04)固聯的部分(32)能隨同可逆電動發電機(10 的主軸G4)軸向微量或微小量移動，且不影響可逆單螺杆壓縮膨脹機中單螺杆嚙合副的精密嚙合。相序轉換開關(114)是(a)兩組隔離開關組成的換相裝置，或者是(b)三相五極組合換相開關。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)、節流閥(106)和換熱器(115)之間的通路。可選擇地，可逆單螺杆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代替。可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法，包括壓縮空氣生產冷凍劑的方法和膨脹空氣生產電能的方法；壓縮空氣生產存儲冷凍劑的方法包括通過工況切換閥轉換可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的工況為壓縮儲能工況，通過相序切換開關(114)切換相序使可逆電動發動機(102)處於電動機運行工況；關閉與大氣相連的進氣口 ；操作調速器(113)使氣門閥(103)至全關；啟動真空泵抽出單螺杆壓縮膨脹機螺槽內的空氣；電動發動機併入電網，電網電力拖動電動發電機(102)轉子旋轉同時拖動可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)轉子旋轉；打開調速器至全開；打開與大氣相連的進氣口，輸入空氣；空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)螺槽內壓縮蓄能；壓縮空氣熱交換/蓄熱壓縮空氣節流液化；液化空氣存儲；膨脹空氣生產電能的方法包括通過工況切換閥轉換可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的工況為膨脹發電工況，通過相序切換開關(114)切換相序使電動發動機(102)處於發電機工作狀態；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；操作調速器將氣門閥(103)開至空載開度；空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)螺槽內膨脹釋能；操作併網；操作調速器，控制氣門閥(103)至合適開度；輸出電能；在大中型機組中，可逆電動發電機(10 在電動機工況運行時，可逆單螺杆壓縮膨脹機必須在啟動前抽氣卸載或在啟動中氣量調節卸載。抽氣卸載是在電動發電機啟動前用真空泵抽出可逆單螺杆壓縮膨脹機內氣腔的空氣，減少機組啟動負荷實現卸載啟動，是一種徹底卸載法。氣量調節卸載包括滑閥式卸載法和轉動環式卸載法，其中滑閥式是通過滑閥使星輪齒齧入螺杆螺槽形成封閉容積後仍將封閉容積和吸氣口相通卸載；轉動環式是通過轉動環的旋轉改變星輪齒齧入螺杆螺槽的最大容積卸載，滑閥式和轉動環式卸載法都是部分卸載法。
圖la、圖Ib公開了可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統的兩級壓縮儲能系統。在圖Ia中，空氣壓縮儲能過程為，可逆電動發電機(10 帶動可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的轉子旋轉，空氣從管路(0)進入可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的低壓壓縮膨脹機，經低壓級壓縮膨脹機壓縮後，經管路(1)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的低壓級通路排出後，經管路( 進入換熱器(104)的低壓級換熱器換熱/蓄熱後，經管路C3)進入高壓級壓縮膨脹機壓縮後，經管路(7)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的高壓級通路出來經管路(8)進入換熱器(104)的高壓級換熱器換熱/蓄熱後，經管路(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，高壓空氣進入節流閥(106)，在節流閥內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管路00)進入冷卻劑源(111)經換熱/蓄冷後從管路排出。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，或用於環境供熱。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)後進入管路(11)，液化空氣經低溫泵(109)加壓至10-40MP，經管路(12) 進入換熱器(115)，在換熱器(11 液化空氣加熱至環境溫度後，經管路(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，高壓液化空氣經管路(9)進入換熱器(104)的高壓級換熱器加熱/蓄冷後，經管路(8)過氣門閥(103)的高壓級通路後，經管路(7)進入可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的高壓級壓縮膨脹機膨脹，再經管路C3)返回換熱器(104)的低壓級換熱器加熱/蓄冷後，經管路( 過氣門閥(103) 的低壓級通路後，經管路(1)進入低壓級壓縮膨脹機膨脹後，從管路(0)排出。空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)內膨脹，推動螺杆軸旋轉，螺杆軸旋轉驅動電動發電機發電。在空氣膨脹發電的過程中，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，或用於環境製冷。圖2a、圖2b開公了可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統的三級壓縮儲能系統。在圖加中，空氣壓縮儲能過程為，可逆電動發電機(10 帶動可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的轉子旋轉，空氣從管路(0)進入可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的低壓壓縮膨脹機，經低壓級壓縮膨脹機壓縮後，經管路(1)進入氣門閥(103)，從氣門閥(103)的低壓通路排出後，經管路( 進入換熱器(104)的低壓級換熱器換熱/蓄熱後，經管路C3)進入中壓級壓縮膨脹機壓縮後，經管路(4)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的中壓通路出來後， 經管路( 進入換熱器(104)的中壓級換熱器換熱/蓄熱後，經管路(6)進入高壓級壓縮膨脹機壓縮後，經管路(7)進入氣門閥(103)，從氣門閥(10 的高壓通路出來後，經管路(8) 進入換熱器(104)的高壓級換熱器換熱/蓄熱後，經管路(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，高壓空氣進入節流閥(106)，在節流閥內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管路(20)進入冷卻劑源(111)經換熱/蓄冷後從管路排出。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，或用於環境供熱。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)後進入管路(11)，液化空氣經低溫泵(109)加壓至40-100MP，經管路(12) 進入換熱器(11 加熱至環境溫度後，經管路(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，高壓液化空氣經管路(9)進入換熱器(104) 高壓級換熱器加熱/蓄冷後，經管路(8)過氣門閥(10 的高壓級通路後，經管路(7)進入可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的高壓級膨脹機膨脹後，再經管路(6)返回換熱器(104) 的中壓級熱交換器加熱/蓄冷後，經管路( 過氣門閥(10 的中壓級通路後，經管路(4) 進入可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的中壓級壓縮膨脹機膨脹後，再經管路C3)返回換熱器 (104)的低壓級熱交換器加熱/蓄冷後，經管路( 過氣門閥(10 的低壓級通路後，經管路(1)進入可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的低壓級壓縮膨脹機膨脹後從管路(0)排出。 空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)內膨脹，推動螺杆軸旋轉，螺杆軸旋轉驅動電動發電機發電。在空氣膨脹發電的過程中，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後自身被冷卻存入冷卻劑源 (111)。環境空氣從管路(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，或用於環境製冷。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、工業餘熱及廢熱、地熱、垃圾焚燒熱或為補充儲能發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公開了可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統立式布置的基本構造，圖中是一個兩級壓縮膨脹系統。立式可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)固定在機坑(100)的下機座上，包括螺杆軸(M)、低壓級壓縮膨脹機的螺杆(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杆08)、高壓級壓縮膨脹機的星輪09)和(30)。立式可逆電動發電機 (102)的下機架(33)固定在機坑(100)的上機座上，可逆電動發電機(102)的外殼03)固定在下機架(3 上，可逆電動發電機轉子鐵芯GO)和磁極經磁軛固定在可逆電動發電機(102)的主軸04)上，可逆電動發電機(102)的定子線圈02)固定在外殼G3)內， 上機架(3 固定在可逆電動發電機的外殼上，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，上導軸瓦(39)安裝在上機架(35)的油槽內，下導軸瓦(34)安裝在下機架(33)的油槽內。聯軸器包括與可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31)和與可逆電動發電機(102)的主軸(44)固聯的部分(32)。圖4公開了可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)中兩相鄰螺杆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，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相反，而在面向背或背向面的排列中，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相同。圖5^圖恥公開了可逆單螺杆壓縮膨脹機(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公開了可逆單螺杆壓縮膨脹機(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公開了可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的二級壓縮膨脹機的嚙合副結構，該結構為面上背式，螺杆軸(M)、低壓級壓縮膨脹機的螺杆(25)、低壓壓縮膨脹機的星輪06) 和(27)，高壓級壓縮膨脹機的螺杆( )、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杆0 和高壓級壓縮膨脹機的螺杆08)嚙合的同側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)的旋轉方向相同，大端蓋(45)、小端蓋06)。可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的單螺杆和星輪嚙合副是非直線型產形面二次包絡型線單螺杆嚙合副或雙橢圓產形面二次包絡型線單螺杆嚙合副。圖8公開了可逆電動發電機(102)的相序轉換的兩種方案，其中(a)是兩組隔離開關組成的換相裝置，圖(b)是三相五極組合換相開關。作為一種改進方案，可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統也可以採用臥軸安裝方式，在臥軸安裝中，可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)和電動發電機(10 的主軸水平布置，用聯軸器聯接，適應於中小機組。可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統具有很多優點，最突出的特點是克服了傳統空氣儲能發電系統中壓縮機與膨脹機分離、系統過於分散和設備閒置時間過多等缺點，在本發明公開的方案中，壓縮機與膨脹機一體、電動機與發電機一體，壓縮過程和膨脹過程中氣體的流經管路和設備大部分共用，設備大量減少系統十分整湊，設備閒置時間少利用率非常高，同可再生能源結合經濟環保，投資少效益高，在壓縮空氣儲能領域具有非常廣泛的應用前景。以上內容描述了本發明的基本原理、主要特徵和實現方式，本行業的專業技術人員應該了解，本發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明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種具體參數和這些參數的改變，這些變化和改變都落在本發明的保護範圍內，本發明要求保護的範圍由所描述的技術方案、權利要求書以及等同物界定。
權利要求
1.一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，包括換熱器(104)和(115)、節流閥 (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，其特徵在於還包括一臺具有壓縮功能和膨脹功能的可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)、一臺具有電動功能和發電功能的可逆電動發電機(102)、一臺相序轉換開關 (114)、一臺工況切換閥(105)、一臺氣門閥(103)和一臺調速器(113)，特別還包括可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)與可逆電動發電機(10 的立式安裝方式和主軸之間的聯軸器聯接方式，空氣壓縮和逆向的空氣膨脹都在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的螺杆、星輪和機殼圍成的封閉螺槽內進行。
2.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺杆壓縮膨脹機和一級高壓單螺杆壓縮膨脹機組成，低、高壓兩級單螺杆壓縮膨脹機經過外接管路構成串聯聯接。或者，所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，由共軸的一級低壓單螺杆壓縮膨脹機、一級中壓單螺杆壓縮膨脹機和一級高壓單螺杆壓縮膨脹機組成，低、中、高壓三級單螺杆壓縮膨脹機經外接管路構成串聯聯接。
3.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，兩相鄰螺杆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，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相反， 而在面向背或背向面的排列中，與螺杆嚙合的同側的兩個星輪的旋轉方向相同。
4.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)，其螺杆為金屬螺杆或陶瓷螺杆，螺杆固定在主軸04)上，螺杆能正、反轉。
5.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於所述可逆單螺杆壓縮膨脹機(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。
6.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於所述的立式安裝方式是可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)位於下層機房、電動發電機(102)位於上層機房，兩豎直主軸經聯軸器聯接。
7.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於聯軸器包括與可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31)和與可逆電動發電機 (102)的主軸04)固聯的部分(32)，其中在可逆電動發電機(10 開機前油壓頂轉子和停機過程中油壓抬機時，相對於可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)的主軸04)固聯的部分(31) 軸向不動，聯軸器與可逆電動發電機(102)的主軸04)固聯的部分(32)能隨同可逆電動發電機(10 的主軸G4)軸向微量或微小量移動，且不影響可逆單螺杆壓縮膨脹機中單螺杆嚙合副的精密嚙合。
8.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於相序轉換開關(114)是(a)兩組隔離開關組成的換相裝置，或者是(b)三相五極組合換相開關。
9.根據權利要求1所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，其特徵在於工況切換閥(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)、節流閥(106)和換熱器(115)之間的通路。
10.一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法，其特徵在於可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法有壓縮空氣生產冷凍劑的方法和膨脹空氣生產電能的方法；包括壓縮空氣生產存儲冷凍劑的方法 工況轉換； 輸入空氣；空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)螺槽內壓縮蓄能；熱交換/蓄熱；節流液化；液態空氣存儲；和膨脹空氣生產電能的方法工況轉換；泵送液態空氣；熱交換/蓄冷；空氣升溫升壓；空氣在可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)螺槽內膨脹釋能； 輸出電能。
11.根據權利要求10所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法，其特徵在於在大中型機組中，可逆電動發電機(10 在電動機工況運行時，可逆單螺杆壓縮膨脹機必須在啟動前抽氣卸載或在啟動中氣量調節卸載。
12.根據權利要求10、11所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法，其特徵在於抽氣卸載是在電動發電機啟動前用真空泵抽出可逆單螺杆壓縮膨脹機內氣腔的空氣，減少機組啟動負荷實現卸載啟動，是一種徹底卸載法。
13.根據權利要求10、11所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法，其特徵在於氣量調節卸載包括滑閥式卸載法和轉動環式卸載法，其中滑閥式是通過滑閥使星輪齒齧入螺杆螺槽形成封閉容積後仍將封閉容積和吸氣口相通卸載；轉動環式是通過轉動環的旋轉改變星輪齒齧入螺杆螺槽的最大容積卸載，滑閥式和轉動環式卸載法都是部分卸載法。
14.根據權利要求10所述的可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電方法，其特徵在於可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統是立式安裝或臥軸安裝，在臥軸安裝中，可逆單螺杆壓縮膨脹機(101)和電動發電機(10 的主軸水平布置，用聯軸器聯接，適應於中小機組。
全文摘要
本發明公開了一種可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統，為新型儲能系統，涉及能量存儲和發電技術，可逆單螺杆壓縮膨脹機儲能發電系統具有很多優點，最突出的特點是克服了傳統空氣儲能發電系統中壓縮機與膨脹機分離、系統過於分散和設備閒置時間過多等缺點。在本發明公開的方案中，壓縮機與膨脹機一體、電動機與發電機一體，壓縮過程和膨脹過程中氣體的流經管路和設備大部分共用，設備大量減少系統十分整湊，設備閒置時間少利用率非常高，同可再生能源結合經濟環保，投資少效益高，在壓縮空氣儲能領域具有非常廣泛的應用前景。
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 優先權日2011年10月24日
發明者李錦上 申請人:艾赫威(北京)科技有限公司