一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法，包括储气装置，所述储气装置进气端经过冷却管路与压缩机出气端相连，储气装置出气端经过出气管路与机械传动系统相连，所述压缩机进气端分别与进气管路、功率飞轮、机械传动系统相连。通过利用功率飞轮输出为动能，直接用功率飞轮代替发动机，作为压缩机的驱动器驱动功率飞轮动能转化为压缩空气势能，省去了动能到电能到势能中转换为电能的一步，减少了能量转换造成的损失，提高动能到势能的能量转化率，同时通过压缩空气储能装置有效实现功率飞轮储能到压缩空气储能的双向能量转换。的双向能量转换。的双向能量转换。

【技术实现步骤摘要】
一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法


[0001]本专利技术涉及新能源储能
，尤其涉及一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法。

技术介绍

[0002]近年来，我国进行大规模能源调整，建设向以新能源为主体的新型电力系统转型，但是以风能和光能为主的新能源存在持续供电可靠性差、电网安全稳定性差、新能源能量密度小等问题，因此储能技术是建设新型电力系统的关键。
[0003]飞轮储能是一种电能与飞轮的动能相互转换的物理储能装置，可以作为一种调频调峰手段快速补偿电网的功率不平衡。压缩空气储能通过压缩空气储存电能，发电时通过将高压空气释放经膨胀机与发电机做功发电，适合大容量和长时间电能存储。所提出飞轮储能与压缩空气储能结合的物理储能方式可应对大功率冲击，也可以调峰调频，且两种储能设备之间也会相互传输能量，能更长时间更高效率的储能以应对当前复杂的电网环境，为新能源大规模接入电网提供坚实的基础。
[0004]有资料显示，目前飞轮储能与压缩空气储能结合的物理储能方式，仍存在功率飞轮能量与压缩空气能量的转换问题，本专利技术提出功率飞轮与压缩空气储能装置之间的变换控制策略能解决功率飞轮能量与压缩空气能量的转换问题。
[0005]中国专利文献CN115663848A公开了一种“飞轮与压缩空气混合储能系统的电网调频控制方法及装置”。采用了方法，在电网频率偏差值属于压缩空气储能调频死区时，压缩空气储能系统不工作，可以减少压缩空气储能系统进气调节阀的动作频率，压缩空气储能系统运行工况稳定，提高压缩空气储能系统使用寿命，同时，控制飞轮储能系统执行充电或放电动作，平抑电网负荷波动，能够单独通过飞轮储能系统调节电网频率。上述技术方案仅能调节压缩空气储能系统进气调节阀的动作频率实现稳定工况，能量转化损耗大。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决原有的技术方案仅能调节压缩空气储能系统进气调节阀的动作频率实现稳定工况，能量转化损耗大的技术问题，提供一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统及方法，通过利用功率飞轮输出为动能，直接用功率飞轮代替发动机，作为压缩机的驱动器驱动功率飞轮动能转化为压缩空气势能，省去了动能到电能到势能中转换为电能的一步，减少了能量转换造成的损失，提高动能到势能的能量转化率，同时通过压缩空气储能装置有效实现功率飞轮储能到压缩空气储能的双向能量转换。
[0007]本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
[0008]一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统，包括储气装置，所述储气装置进气端经过冷却管路与压缩机出气端相连，储气装置出气端经过出气管路与机械传动系统相连，所述压缩机进气端分别与进气管路、功率飞轮、机械传动系统相连。功率飞轮中飞轮的高速磁悬浮轴承都可替换为高强度机械轴承，短时间内承受大功率冲击的能力强。
[0009]作为优选，所述的冷却管路包括依次相连的第二通气管道、冷却器、第三通气管道和单向阀，所述第二通气管道进气端与压缩机出气端相连，所述单向阀出气端与储气装置进气端相连。利用单向阀可以有效防止储气装置内气体逆流。
[0010]作为优选，所述的出气管路包括依次相连的第二电动阀、第四通气管道、回热器、第五通气管道和膨胀机，所述第二电动阀进气端与储气装置出气端相连，所述冷却器经过储热器与回热器相连。膨胀机为一种涡轮机，能充分把高温、高压的气体势能转换功率飞轮动能。储热器能把压缩过程中产生的热量存储起来，并在压缩空气储能装置向功率飞轮充能过程中用这部分热量预热压缩空气。
[0011]作为优选，所述的进气管路包括依次相连的进气口、气储室、第一通气管道和第一电动阀，所述第一电动阀出气端与压缩机进气端相连。气储室可以满足用气设备瞬间增大用气量的需求。压缩机启动的瞬间功率是额定功率的7倍左右，频繁的启停对气体的消耗量很大，若是没有气储室，压缩机会是空载状态，浪费很多能量。而且压缩空气储能系统的用气量不可能什么时候都是平稳的，因此，有必要使用气储室来平衡系统中压力，并提供稳定的气源。
[0012]一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统的控制方法，包括以下步骤：S1获取功率飞轮参数；
[0013]S2判断功率飞轮储存的能量E
k
和压缩空气储能装置储气量状态；
[0014]S3根据判断结果控制功率飞轮与压缩空气装置的充能方向。
[0015]作为优选，所述的步骤S1功率飞轮参数具体包括，功率飞轮质量m，功率飞轮半径r，功率飞轮转动惯量系数k和功率飞轮角速度ω。
[0016]作为优选，所述的步骤S3判断结果具体包括，若是功率飞轮储能量大于70％，且压缩空气储能装置储气量低于90％，则打开第一电动阀且关闭第二电动阀，功率飞轮向压缩空气储能装置充能；若是功率飞轮储能量低于30％，且压缩空气储能装置储气量高于10％，则关闭第一电动阀且打开第二电动阀，压缩空气储能装置向功率飞轮充能。当第一电动阀关闭、第二电动阀打开，高温高压气体驱动涡轮机向飞轮充能，气体势能转化为动能。可实现功率飞轮储能到压缩空气储能和压缩空气储能到功率飞轮储能的双向能量转换。
[0017]作为优选，所述的功率飞轮向压缩空气装置充能时，第一电动阀打开、第二电动阀关闭，空气从气储室进入压缩机，飞轮动能转化为气体势能，功率飞轮作为压缩机的驱动器，飞轮动能直接转化为压缩空气势能，
[0018][0019]其中，η为动能到势能的能量转化率，E
n
为压缩空气势能，E
k
为功率飞轮动能。
[0020]E
n
＝η
压
E
k
‑
ΔQ
总
[0021]其中，η
压
为压缩机的工作效率，ΔQ
总
为外部环境带来的能量损失。
[0022]ΔQ
总
＝ΔQ
k
‑
d
+ΔQ
d
‑
n
[0023]其中，ΔQ
k
‑
d
为动能转化为电能时外部环境带来的能量损失；ΔQ
k
‑
d
为电能转化为势能时外部环境带来的能量损失。
[0024]|ΔQ
k
‑
n
|<|ΔQ
k
‑
d
|+|ΔQ
d
‑
n
|
[0025]其中，ΔQ
k
‑
n
为动能转化为势能是外部环境带来的能量损失，
[0026]当ΔQ
总
＝|ΔQ
k
‑
n
|时，ΔQ
总
减小，E
n
增大，动能到势能的能量转化率η提高。
[0027]作为优选，在电网在电量富余或电网负荷需求量低谷时段，自启动功率飞轮和压缩空气储能装置快速储存大量的二次能源，完本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统，其特征在于，包括储气装置(16)，所述储气装置(16)进气端经过冷却管路与压缩机(5)出气端相连，储气装置(16)出气端经过出气管路与机械传动系统(18)相连，所述压缩机(5)进气端分别与进气管路、功率飞轮(15)、机械传动系统(18)相连。2.根据权利要求1所述的一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统，其特征在于，所述冷却管路包括依次相连的第二通气管道(6)、冷却器(7)、第三通气管道(8)和单向阀(8)，所述第二通气管道(6)进气端与压缩机(5)出气端相连，所述单向阀(8)出气端与储气装置(16)进气端相连。3.根据权利要求2所述的一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统，其特征在于，所述出气管路包括依次相连的第二电动阀(11)、第四通气管道(10)、回热器(12)、第五通气管道(13)和膨胀机(14)，所述第二电动阀(11)进气端与储气装置(16)出气端相连，所述冷却器(7)经过储热器(17)与回热器(12)相连。4.根据权利要求1所述的一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统，其特征在于，所述进气管路包括依次相连的进气口(1)、气储室(2)、第一通气管道(3)和第一电动阀(4)，所述第一电动阀(4)出气端与压缩机(5)进气端相连。5.一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1获取功率飞轮参数；S2判断功率飞轮储存的能量E
k
和压缩空气储能装置储气量状态；S3根据判断结果控制功率飞轮与压缩空气装置的充能方向。6.根据权利要求5所述的一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1功率飞轮参数具体包括，功率飞轮质量m，功率飞轮半径r，功率飞轮转动惯量系数k和功率飞轮角速度ω。7.根据权利要求5所述的一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3判断结果具体包括，若是功率飞轮储能量大于70％，且压缩空气储能装置储气量低于90％，则打开第一电动阀(4)且关闭第二电动阀(11)，功率飞轮(15)向压缩空气储能装置充能；若是功率飞轮储能量低于30％，且压缩空气储能装置储气量高于10％，则关闭第一电动阀(4)且打开第二电动阀(11)，压缩空气储能装置向功率飞轮(15)充能。8.根据权利要求5所述的一种功率飞轮与压缩空气储能装置的变换系统的控制方法，其特征在于，功率飞轮(15)向压缩空气装置充能时，第一电动阀(4)打开、第二电动阀(11)关闭，空气从气储室(2)进入压缩机(5)，飞轮动能转化为气体势能，功率飞轮(15)作为压缩机(5)的驱动器，飞轮动能直接转化为压缩空气势能，其中，η为动能到势能的能量转化率，E
n
为压缩空气势能，E
k
为功率飞轮动能；E
n
＝η
压
E
k
‑
ΔQ
总
其中，η
压
为压缩机的工作效率，ΔQ
总
为外部环境带来的能量损失；ΔQ
总
＝ΔQ
k
‑
d
+ΔQ
d
‑
n
其中，ΔQ
k
‑
d
为动能转化为电能时外部环境带来的能量损失；ΔQ
k
‑
d

【专利技术属性】
技术研发人员：武新章，潘建臣，张冬冬，郭平辉，童雨斌，黄凯源，蔡贞，
申请(专利权)人：浙江超精电机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：