本发明公开了一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统，该系统包括单缸自由活塞膨胀/压缩机、直线电机、储气罐、泵、以及相应的连接管路；控制系统包括：控制模块、压力传感器、电机动子位移传感器、电动阀、开关继电器、调压阀、电磁三通阀以及相应的连接线路；该系统中单缸自由活塞在储能和发电过程中能分别充当压缩机和膨胀机，大大简化了结构；同时，系统可以通过电机动子位移传感器调节膨胀/压缩比来适应不同工况，实现了空气压缩与膨胀环节的能量优化利用；该系统设置有高压喷雾装置以及气水分离装置，能够近似实现空气的等温压缩和膨胀，同时压缩空气中的水分能够起到润滑作用，减小了活塞的摩擦，从而提高了效率，降低了成本。
1.一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统，其特征在于：该系统包括温度传感器a(2)、压力传感器a(3)、电磁三通阀a(4)、电机动子位移传感器(5)、直线电机(6)、电机控制器(11)、温度传感器b(12)、压力传感器b(13)、温度传感器c(14)、压力传感器c(15)、开关继电器a(17)、开关继电器b(18)、转换电路(19)、电磁三通阀b(20)、电磁三通阀c(21)、电磁三通阀d(22)、电动阀(23)、压力传感器d(24)、调压阀(25)、电磁三通阀e(26)、控制模块(27)、单向阀(29) 以及相应的连接线路；上述系统还包括自由活塞压缩/膨胀机、高压喷雾装置(1)、气水分离装置(30)、泵(16)、储气罐(28) 以及相应的连接管路；自由活塞压缩/膨胀机包括气缸腔室A(8)、活塞(9)和气缸腔室B(10)；
上述单缸自由活塞等温压缩空气储能系统内各部件的连接关系是：
温度传感器a(2)安装在高压喷雾装置(1)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；压力传感器a(3)安装在高压喷雾装置(1)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；电机动子位移传感器(5) 安装在直线电机(6)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；温度传感器b(12)安装在气缸腔室A(8)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；压力传感器b(13)安装在气缸腔室A(8)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；温度传感器c(14)安装在气缸腔室B(10)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；压力传感器c(15)安装在气缸腔室B(10)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；压力传感器d(24)安装在储气罐(28)上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；
电磁三通阀a(4)的三个接口通过管路分别与高压喷雾装置(1)、气缸腔室A(8)、气缸腔室B(10)相连，另一端通过线路与控制模块(1)相连；电磁三通阀b(20)的三个接口通过管路分别与气缸腔室A(8)、大气、电磁三通阀d(22) 相连，另一端通过线路与控制模块(1)相连；
电磁三通阀c(21)的三个接口通过管路分别与气缸腔室B(10)、大气、电磁三通阀d(22) 相连，另一端通过线路与控制模块(1)相连；电磁三通阀d(22)的三个接口通过管路分别与电磁三通阀e(26)、电磁三通阀b(20)、电磁三通阀c(21) 相连，另一端通过线路与控制模块(1)相连；电磁三通阀e(26)的三个接口通过管路分别与电磁三通阀d(22)、调压阀(25)、气水分离装置(30) 相连，另一端通过线路与控制模块(1)相连；电动阀(23) 一端设置在气水分离装置(30)与泵(16) 之间的通道上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；调压阀(25)一端设置在电磁三通阀e(26)与储气罐(28)之间的通道上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；单向阀(29) 设置在气水分离装置(30)与储气罐(28)之间的通道上；
开关继电器a(17)一端设置在直线电机(6)与电网之间的连接线路上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；开关继电器b(18)一端设置在直线电机(6)与转换电路(19)之间的连接线路上，另一端通过线路与控制模块(1)相连；
转换电路(19)一端与开关继电器b(18)相连，一端与电网相连；
电机控制器(11)一端与直线电机(6)相连，另一端通过线路与控制模块(1)相连；泵(16) 设置在电动阀(23)与高压喷雾装置(1)之间的连接通道上；高压喷雾装置的高压是相对于压缩空气的目标压力而言的，比目标压力高，防止回流；
该系统的压缩空气储能过程的控制方法，当处于用电低谷时，控制模块(27)将开关继电器a(17)接通，通过电机控制器(11)将直线电机(6)调整为电动模式，电机动子(7)带动活塞(9)进行往返运动，对活塞(9)两侧气缸腔室内的空气进行压缩；对气缸腔室B(10)内的空气压缩时，电磁三通阀c(21)关闭，此时空气由电磁三通阀b(20)进入气缸腔室A(8)，压缩过程中，控制模块(27)通过对温度传感器a(2)、压力传感器a(3)、温度传感器c(14)以及压力传感器c(15)收集到的压力温度信号分析后控制电磁三通阀a(4)的开关向气缸腔室B(10)喷水，压缩完成后，压缩气体通过电磁三通阀c(21)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀e(26)进入气水分离装置(30)分离出所含水；对气缸腔室A(8)内的空气压缩时，电磁三通阀b(20)关闭，此时空气由电磁三通阀c(21)进入气缸腔室B(10)，压缩过程中，控制模块(27)通过对温度传感器a(2)、压力传感器a(3)、温度传感器b(12)以及压力传感器b(13)收集到的压力温度信号分析后控制电磁三通阀a(4)的开关向气缸腔室A(8)喷水，压缩完成后，压缩气体通过电磁三通阀b(20)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀e(26)、进入气水分离装置(30)分离出所含水；
分离出水的压缩空气通过单向阀(29)进入储气罐(28)储存，从气水分离装置(30)分离出来的水经过电动阀(23)、泵(16)进入高压喷雾装置(1)循环利用；控制模块(27)通过压力传感器d(24)监测到储气罐内压力达到所设定压力后，关闭所有设备；
压缩过程中控制模块对电磁三通阀a的控制的步骤为：使用神经网络算法模型，并确定网络隐含层的节点数、高压喷雾装置内的温度压强、网络的输入层与隐含层之间的传递函数、隐含层与输出层之间的传递函数；输入参数为上一时刻气缸室内的温度T(τ-1)、压强P(τ-1)，输出参数为下一时刻气缸室内的温度T(τ)、压强P(τ)；对模型进行神经网络训练，以预测下一时刻气缸室内的温度变化量dT(τ)、压强变化量dP(τ)与下一时刻的温度预测值T(τ)= T(τ-1)+dT(τ)、 压强预测值P(τ)= P(τ-1)+dP(τ)，根据预测的温度、压强计算所需要的喷雾量来控制电磁三通阀的开关持续时间。
2.根据权利要求1所述的一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统，其特征在于：该系统的发电过程的控制方法，当处于用电高峰时，控制模块(27)将开关继电器b(18)接通，通过电机控制器(16)将直线电机(6)调整为发电模式，高压气体从储气罐(28)通过调压阀(25)调整压力；气缸腔室B(10)内空气膨胀时，调压后的空气由电磁三通阀e(26)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀c(21)进入气缸腔室B(10)膨胀，同时气缸腔室A(8)内的空气通过电磁三通阀b(20)排入大气；气缸腔室A(8)内空气膨胀时，调压后的空气由电磁三通阀e(26)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀b(20)进入气缸腔室A(8)膨胀，同时气缸腔室B(10)内的空气通过电磁三通阀c(21)排入大气；
活塞(9)两侧气缸腔室内的高压空气交替膨胀使活塞(9)进行往返运动，带动电机动子(7)切割磁感线发电，发出的电经过转换电路(18)进行转换后接入用户电网供电；
在上述的压缩/膨胀过程中，通过控制模块(27)根据实际工况所需的功率、电压、电流改变电机动子位移传感器(5)的信号调整活塞(9)的行程来调整压缩/膨胀比。
一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统，属于能源动力领域。
背景技术
[0002] 压缩空气储能是一种在用电低谷时通过电能压缩空气的方式将电能转变为空气的热力学能，在用电高峰或需要应急供电时将储存的热力学能转变为电能输出的方法。目前，压缩空气储能系统一般采用绝热压缩技术或先进绝热压缩技术，在没有中间冷却器的情况下，压缩空气的温度会急剧升高，必须在储存前将热量除去以方便储存，需要采用多个阶段对空气进行压缩、冷却。高效压缩空气储能的关键是控制压缩过程中压力-体积(P-V)曲线，大致说来，P-V曲线越接近等温线，过程中消耗的能量就越少。
发明内容
[0003] 本发明为了实现等温压缩空气储能，提出了一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统。该系统中自由活塞压缩/膨胀机在储能/发电过程中分别充当压缩机和膨胀机，大大简化了压缩空气储能系统的结构，降低了成本。同时，该系统可以通过调节电机动子的行程改变压缩/膨胀机的压缩/膨胀比。
[0004] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
[0005] 本发明提出的单缸自由活塞等温压缩空气储能系统主要包括自由活塞压缩/膨胀机、直线电机、控制模块、电机控制器、高压喷雾装置、气水分离器、泵、储气罐。
[0006] 在用电低谷时，控制模块控制电机控制器将直线电机改为电动模式，同时控制电磁三通阀的开闭使空气交替进入系统中的自由活塞的气缸腔室中，此时自由活塞处于压缩模式，电网为直线电机供电，推动活塞对空气进行压缩。与此同时，通过控制模块对气缸内空气温度的监测，调整电磁三通阀的开闭，使用高压喷雾装置向气缸内喷雾以实现缸内空气的等温压缩。压缩后的空气通过气水分离器去除所含水分后储存在储气罐内。
[0007] 在用电高峰或需要应急供电时，控制模块控制电机控制器将直线电机改为发电模式，同时控制阀门的开闭使储气罐中的高压空气交替进入系统中的自由活塞的气缸腔室中，此时自由活塞处于膨胀模式，推动直线电机动子做往复运动切割磁感线发电，产生的电能通过转换电路并入用户电网。膨胀做功后的空气直接排入大气中。
[0008] 上述单缸自由活塞等温压缩空气储能系统还包括调压阀、电动阀、电磁三通阀、开关继电器、电机动子位移传感器、压力传感器、温度传感器、各类连接管道及线路。其中控制模块在分析处理采集系统中压力传感器、电机动子位移传感器、温度传感器的信号后作出判断并发出指令控制各个阀的开闭。当该系统中的直线电机为电动模式时，开关继电器a闭合，开关继电器b断开，外部电网为直线电机提供电能驱动其运动，从而实现压缩空气储能；当直线电机为发电模式时，开关继电器a断开，开关继电器b闭合，直线电机产生的电能通过转换电路并入用户电网供电。
[0009] 本发明的有益效果为：
[0010] 1.本发明设计了一种单缸自由活塞等温压缩空气储能系统。该系统结构紧凑简单、机电一体化程度高、机械损失小，可以根据系统的工作要求而灵活切换储能/发电模式，大大简化了系统的复杂程度，实现了一机多用，降低了系统的设计成本。
[0011] 2.该单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的开启，调节，关闭能够实现远程自动化控制。能够通过调节活塞的行程得到合理的压缩/膨胀比，灵活的适应各种工况。
[0012] 3.该单缸自由活塞等温压缩空气储能系统设置有高压喷雾装置以及气水分离器，能够近似实现空气的等温压缩和膨胀，同时压缩空气中的水分能够起到润滑作用，减小了活塞的摩擦，从而提高了效率，降低了资本成本。
附图说明
[0013] 图1是单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的压缩空气储能过程示意图；
[0014] 图2是单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的发电过程示意图；
[0015] 图中：1、高压喷雾装置；2、温度传感器a；3、压力传感器a；4、电磁三通阀a；5、电机动子位移传感器；6、直线电机；7、电机动子；8、气缸腔室A；9、活塞；10、气缸腔室B；11、电机控制器；12、温度传感器b；13、压力传感器b；14、温度传感器c；15、压力传感器c；16、泵；17、开关继电器a；18、开关继电器b；19、转换电路；20、电磁三通阀b；21、电磁三通阀c；22、电磁三通阀d；23、电动阀；24、压力传感器d；25、调压阀；26、电磁三通阀e；27、控制模块；28、储气罐；29、单向阀；30、气水分离器。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0017] 图1是单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的压缩空气储能过程示意图，其连接关系如图1所示，上述的单缸自由活塞等温压缩空气储能系统包括温度传感器a(2)、压力传感器a(3)、电磁三通阀a(4)、电机动子位移传感器(5)、直线电机(6)、电机控制器(11)、温度传感器b(12)、压力传感器b(13)、温度传感器c(14)、压力传感器c(15)、开关继电器a(17)、开关继电器b(18)、转换电路(19)、电磁三通阀b(20)、电磁三通阀c(21)、电磁三通阀d(22)、电动阀(23)、压力传感器d(24)、调压阀(25)、电磁三通阀e(26)、控制模块(27)、单向阀(29)以及相应的连接线路；
[0018] 上述系统还包括自由活塞压缩/膨胀机(气缸腔室A(8)、活塞(9)、气缸腔室B(10))、高压喷雾装置(1)、气水分离器(30)、泵(16)、储气罐(28)以及相应的连接管路；
[0019] 上述单缸自由活塞等温压缩空气储能系统内各部件的连接关系是：
[0020] 活塞(9)与电机动子(7)通过转接头相连；
[0021] 温度传感器a(2)安装在高压喷雾装置(1)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；压力传感器a(3)安装在高压喷雾装置(1)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；电机动子位移传感器(5)安装在直线电机(6)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；温度传感器b(12)安装在气缸腔室A(8)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；压力传感器b(13)安装在气缸腔室A(8)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；温度传感器c(14)安装在气缸腔室B(10)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；压力传感器c(15)安装在气缸腔室B(10)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；压力传感器d(24)安装在储气罐(28)上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；
[0022] 电磁三通阀a(4)的三个接口通过管路分别与高压喷雾装置(1)、气缸腔室A(8)、气缸腔室B(10)相连，另一端通过线路与控制模块(27)相连；电磁三通阀b(20)的三个接口通过管路分别与气缸腔室A(8)、大气、电磁三通阀d(22)相连，另一端通过线路与控制模块(27)相连；电磁三通阀c(21)的三个接口通过管路分别与气缸腔室B(10)、大气、电磁三通阀d(22)相连，另一端通过线路与控制模块(27)相连；电磁三通阀d(22)的三个接口通过管路分别与电磁三通阀e(26)、电磁三通阀b(20)、电磁三通阀c(21)相连，另一端通过线路与控制模块(27)相连；电磁三通阀e(26)的三个接口通过管路分别与电磁三通阀d(22)、调压阀(25)、气水分离器(30)相连，另一端通过线路与控制模块(27)相连；电动阀(23)一端设置在气水分离器(30)与泵(16)之间的通道上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；调压阀(25)一端设置在电磁三通阀e(26)与储气罐(28)之间的通道上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；单向阀(29)设置在气水分离器(30)与储气罐(28)之间的通道上；
[0023] 开关继电器a(17)一端设置在直线电机(6)与电网之间的连接线路上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；开关继电器b(18)一端设置在直线电机(6)与转换电路(19)之间的连接线路上，另一端通过线路与控制模块(27)相连；
[0024] 转换电路(19)一端与开关继电器b(18)相连，一端与电网相连；
[0025] 电机控制器(11)一端与直线电机(6)相连，另一端通过线路与控制模块(27)相连；
[0026] 泵(16)设置在电动阀(23)与高压喷雾装置(1)之间的连接通道上。
[0027] 下面结合附图详细说明单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的工作原理：
[0028] 图1是单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的压缩空气储能过程示意图，其控制过程如下：当处于用电低谷时，控制模块(27)将开关继电器a(17)接通，通过电机控制器(11)将直线电机(6)调整为电动模式，电机动子(7)带动活塞(9)进行往返运动，对活塞(9)两侧气缸腔室内的空气进行压缩。对气缸腔室B(10)内的空气压缩时，电磁三通阀c(21)关闭，此时空气由电磁三通阀b(20)进入气缸腔室A(8)，压缩过程中，控制模块(27)通过对温度传感器a(2)、压力传感器a(3)、温度传感器c(14)以及压力传感器c(15)收集到的压力温度信号分析后控制电磁三通阀a(4)的开关向气缸腔室B(10)喷水，压缩完成后，压缩气体通过电磁三通阀c(21)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀e(26)进入气水分离器(30)分离出所含水；对气缸腔室A(8)内的空气压缩时，电磁三通阀b(20)关闭，此时空气由电磁三通阀c(21)进入气缸腔室B(10)，压缩过程中，控制模块(27)通过对温度传感器a(2)、压力传感器a(3)、温度传感器b(12)以及压力传感器b(13)收集到的压力温度信号分析后控制电磁三通阀a(4)的开关向气缸腔室A(8)喷水，压缩完成后，压缩气体通过电磁三通阀b(20)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀e(26)、进入气水分离器(30)分离出所含水。
[0029] 分离出水的压缩空气通过单向阀(29)进入储气罐(28)储存，从气水分离器(30)分离出来的水经过电动阀(23)、泵(16)进入高压喷雾装置(1)循环利用。控制模块(27)通过压力传感器d(24)监测到储气罐内压力达到所设定的目标压力后，关闭所有设备。
[0030] 压缩过程中控制模块对电磁三通阀a的控制的步骤为：使用神经网络算法模型，确定网络的隐含层为双层，网络隐含层的节点数为34、高压喷雾装置内的温度压强、网络的输入层与第一隐含层之间的传递函数以及第二隐含层与输出层之间的传递函数为线性传递函数，隐含层之间的传递函数采用Sigmoid函数；输入参数为上一时刻气缸室内的温度T(τ-1)、压强P(τ-1)，输出参数为下一时刻气缸室内的温度T(τ)、压强P(τ)；对模型进行神经网络训练，以预测下一时刻气缸室内的温度变化量dT(τ)、压强变化量dP(τ)与下一时刻的温度预测值T(τ)＝T(τ-1)+dT(τ)、压强预测值P(τ)＝P(τ-1)+dP(τ)，根据预测的温度、压强计算所需要的喷雾量来控制电磁三通阀的开关持续时间。
[0031] 图2是单缸自由活塞等温压缩空气储能系统的发电过程示意图，其控制过程如下：当处于用电高峰或需要应急供电时，控制模块(27)将开关继电器b(18)接通，通过电机控制器(16)将直线电机(6)调整为发电模式，高压气体从储气罐(28)通过调压阀(25)调整压力。
气缸腔室B(10)内空气膨胀时，调压后的空气由电磁三通阀e(26)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀c(21)进入气缸腔室B(10)膨胀，同时气缸腔室A(8)内的空气通过电磁三通阀b(20)排入大气；气缸腔室A(8)内空气膨胀时，调压后的空气由电磁三通阀e(26)、电磁三通阀d(22)、电磁三通阀b(20)进入气缸腔室A(8)膨胀，同时气缸腔室B(10)内的空气通过电磁三通阀c(21)排入大气。
[0032] 活塞(9)两侧气缸腔室内的高压空气交替膨胀使活塞(9)进行往返运动，带动电机动子(7)切割磁感线发电，发出的电经过转换电路(18)进行转换后接入用户电网供电。
[0033] 在上述的压缩/膨胀过程中，可以通过控制模块(27)根据实际工况所需的功率、电压、电流改变电机动子位移传感器(5)的信号调整活塞(9)的行程来调整压缩/膨胀比。
[0034] 本发明中提到的用电高峰与用电低谷为时间段，由地方规订，并无国标；储气罐设定的目标压力为该储气罐出厂时设定的安全压力；高压喷雾装置的高压是相对于压缩空气的目标压力而言的，比目标压力高，防止回流。
[0035] 在本发明中，单缸自由活塞等温压缩空气储能系统只有一级和一组自由活塞膨胀/压缩机-直线电机。需要指出的是，在系统中的布置不仅限于一级和一组，可根据实际需求进行灵活选择，例如可采用两套或多套并联的布置方式，能够减少脉冲。
