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CN105452657A - 具有感应泵的压缩空气蓄能单元以及用于制造这样的压缩空气蓄能单元的方法 - Google Patents

具有感应泵的压缩空气蓄能单元以及用于制造这样的压缩空气蓄能单元的方法 Download PDF

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CN105452657A CN201480031617.8A CN201480031617A CN105452657A CN 105452657 A CN105452657 A CN 105452657A CN 201480031617 A CN201480031617 A CN 201480031617A CN 105452657 A CN105452657 A CN 105452657A
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Abstract

本发明涉及一种压缩空气蓄能单元(100)，其具有输入/输出电路(4)、压缩和膨胀装置和人工制造的压缩空气储库(2)，其中所述压缩和膨胀装置包括活塞泵(200)，其活塞由导电和导热的传导性液体如镓铟锡合金构成，并且所述活塞泵能够在泵运行和发电机运行之间切换。本发明还涉及一种用于制造这样的压缩空气蓄能单元100的方法，其中至少一些组件通过3D打印制成。

Description

具有感应泵的压缩空气蓄能单元以及用于制造这样的压缩空气蓄能单元的方法
技术领域
本发明涉及一种压缩空气蓄能单元，其具有输入/输出电路、压缩和膨胀装置和人工制造的压缩空气储库，并且本发明涉及一种用于制造这样的压缩空气蓄能单元的方法。
背景技术
为了阻止气候变化，可再生能源在能源结构中应该获得更大份额。对此问题在于，阳光和风的能量供给在时间上与能源需求不同步。经济的蓄能器并非以足够数量存在。因此始终在使用热电厂和核电厂，以提供“调节能源”。于是，有必要提高可再生能源的份额，并减少对作为“调节能源”或“补偿能源”的热电厂和核电厂的依赖。
已知的是，为了储存电能而储存压缩空气和热。目前实施的压缩空气蓄能单元利用了地质上适合的地下空腔；所述地下空腔因此在地点选择方面而且还关于最大工作压力方面受到限制。因此更有利的是人工制造的压缩空气储库，其允许显著更高的工作压力。由此，能量密度更高，设计更紧凑并且地点选择更容易。此外，很多目前推荐的压缩空气蓄能单元不储存或仅仅部分储存在压缩过程中产生的热，并且它们因此必须在发电机运行下从外部例如通过气体燃烧供热，从而使发电机不冻结。因此这类压缩空气蓄能单元的效率太低，无法起到在“能源转型”方面的重要的经济作用。
EP2450549A2描述了一种压力等级蓄热单元或蓄能方法，其用于暂时储存以可压缩介质的压力能形式和以热能形式的能量。该技术能够实现比之前的方法更高的热动力学效率，所述之前的方法例如描述于DE2636417A1、DE2541501A1、DD118455A1、DE2536447B2、DE2615439A1、DE3428041A1、EP364106B1、US4,630,436、US4,523,432和US4,765,142。该更高的效率应当通过灵活布置多个压缩装置、多个热交换装置和多个膨胀装置来实现，所述装置能够通过许多管线彼此独立地任意相连。在此，证明有利的应当是以下可能性，即，压缩装置的数量可以不同于膨胀装置的数量。尤其地，多余的以电能、机械能和热能形式的能量应当有利地能够从外部供给。相对于可比较的具有仅仅一个压缩级和一个膨胀级的装置，通过多级的、具有中间连接的热交换器的装置将显著提高效率。膨胀和压缩被假定为绝热过程，热交换器的多级装置和从外部存入多余能量的可能性，应当使得温度损失或能量损失最小化。在此的缺点是该设备较高的复杂性，这提高了用于构建和运转的成本。这样的设备的经济性尤其取决于多余能量(热能)的可获得性。
本发明旨在尽可能地储存在压缩过程中产生的全部热并且在膨胀过程中尽可能完全再次利用。不设置额外的热源。目的是尽可能高的效率和尽可能经济的运转。
首先，本发明的目的在于，设置一种关于压缩机/膨胀机结构的简单且有效的构造。
该设备的芯是活塞机械，其不仅用作泵而且用作发电机。所述“活塞”由导电性和导热性非常好的液体如镓铟锡合金(Galinstan)构成，所述“气缸”是包含该液体的连通容器。所述液体活塞在泵运行下被感应式驱动。在发电机运行下压缩空气驱动该活塞，其中活塞克服了励磁电压的阻力并且做电功于线圈绕组的端子处(以磁流体动力(MHD)发电机的形式)。由于活塞流体正持续的循环，在所述机械的工作容积和蓄热器之间发生有利的热交换，所述热交换有效地引出了压缩过程中产生的热并且防止发电机在膨胀过程中结冰。
具体地说，根据本发明，设置一种前述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述压缩和膨胀装置具有活塞泵，该活塞泵的活塞由导热并导电的液体如镓铟锡合金构成，并且该活塞泵能够在泵运行和发电机运行之间切换。为了感应式驱动所述传导性液体，尤其设置具有芯和线圈的电磁体。所述芯在此优选地构成闭合的环路，其中所述环路具有与圆环状不同的形状，也就是说，包含两个平行的、直的圆柱体部件，所述线圈被绕制在所述圆柱体部件上。在此，磁芯可以这样实施，以使涡流损耗最小且磁场能量最大，例如通过所述芯由平行的绝缘的高导磁合金线材构成。
在磁芯和(励磁)线圈之间留出缝隙，在该缝隙中该传导性液体按照连通器的形式相反地来回移动。在此，另外有利的情况是，隔板将芯与线圈之间的缝隙分成内部的、位置更靠近芯的缝隙和外部的、位置更靠近线圈的缝隙，其中所述隔板在平行的芯部件的两个上端处终止，从而传导性液体能够从一个缝隙流入另一个缝隙，从而形成工作容积。
在活塞泵的气缸框架即工作容积中，该传导性液体的体积可以例如借助以完全常规的方式设计的调节器是可调节的，其中在压缩空气存储期间输功率消耗则是恒定的。这里尤其有利地设置成，传导性液体与储库相连，该储库的体积能够取决于压缩空气储库中的空气压力地借助降级-压力转换器和液压液体改变，其中该液压液体压向至少一个设计成弹性的界面如膜，传导性液体的储库位于该界面的另一侧上。所述用于调节工作容积的几何布置(具有一个或多个不同尺寸的膜体)以及界面(或多个界面)的弹性曲线(或多个弹性曲线)在此可以在运行期间准确地模仿必需的体积变化的非线性。
在发电机运行下，由本身非常好地导电和导热的液体构成的发电机的活塞是通过压缩空气驱动的，其中所述液体，即，所述两个活塞，在线圈中感应出电压，所述电压被引到位于外部的端子，以便在那里做所希望的电功。
该整体的机械或更确切地说活塞泵，优选地完全浸没于用作蓄热器的液体如水中。循环泵可以使传导性液体在操作中不断地在闭合回路中循环，其中在传导性液体和蓄热器之间发生热交换。
在操作中，两个活塞处于U形连通容器中并且彼此相连，其中如上所述的活塞由所述传导性液体构成，并且交替地一个活塞升起，而与此同时另一活塞下降，其中整个活塞体积在工作循环期间不变。
进一步地，尤其有利的情况是，在所述两个芯部件之下各有一个感应式循环泵在每个半行程中从外部缝隙周期性地和同步地抽出传导性液体，并且感应地通过换热器驱动，最后再次压入内部缝隙中。
另外，有利的情况的是，该储库，即调节传导性液体的体积的储库，同时用作换热器，其中彼此邻接地布置三个圆盘形的拱起的空间，即，液压液体被引入其中的中部空间、及其两侧上通过弹性膜与其隔开的两个储库空间，所述两个储库空间分别由球状、向外拱起的壁构成，所述壁由导热良好且耐高温的材料如硼硅酸盐玻璃构成。
在此，进一步有利的情形是，循环泵将传导性液体在换热器的下端处泵入，其中在上端处将经冷却或在发电机运行中经加热的传导性液体经由管道再次被引回到活塞泵中。
为了形成换热器，有利的情形是，在蓄热器内，必要时液体蓄热器内，该传导性液体被引导穿过由导热良好且耐高温的材料如硼硅酸盐玻璃构成的螺旋形换热器-管道。
为了最佳地利用热能，还有利的情形是，压力管道，例如回形地，在压缩空气储库和活塞泵之间延伸穿过蓄热器，其中热能由压缩空气传递到蓄热器介质中或反之。
为了控制压缩空气，有利的情形是，压力阀和吸入阀以同心环的形式包围磁芯。在此还有利的情形是，气腔经由吸入阀借助管道与环境相连，该管道被引导穿过蓄热器。在此，该管道在上侧处从蓄热器引出。
为了实现特别高的效率，还有利的情形是压缩空气储库以及必要时蓄热器和压力管道被隔热层围绕。
在本发明的系统或压缩空气蓄能单元中，噪音释放尤其这样降低，以便通过该围绕的蓄热液体来获得隔音。隔音还附加地通过隔热层完全包围蓄热器即蓄热液体来实现。另外，优选的设置是，所述引导至环境的管道在内侧上配置有隔音涂层。还尤其有利的情形是，除了线圈、芯和磁力阀门操纵装置以外，所有机械固定的部件均由不导电材料如陶瓷制成，以使涡流损耗和反复磁化损耗最小化；以相应的方式该机械的悬挂装置即支架也可以由这样的不导电材料尤其例如陶瓷制成。
为了输出电压，如同所述地设置电容器，并且该电容器优选地设计成具有呈梳形互相啮合的平板的平板电容器，所述平板通过适合的电介质如陶瓷、玻璃或塑料隔开并且在此这样保持间距，以便该电容器达到220kV的耐压强度，其中结合所述线圈，获得了50赫兹的谐振频率。
本发明的压缩空气蓄能单元的结构简单，因为其仅具有单个机械作为芯，该机械同时是电动机、压缩机、膨胀机和发动机。该单个机械做了与按照EP2450549A2需要九个机械的同样的功。本发明的技术方案另外操作简单，其除了阀门以外不包含经受磨损的组件。本发明的技术方案允许(假设所有过程均无损耗地进行)热力学效率任意接近100％，不过这是以功率消耗或功率输出为代价的。在活塞液体的循环下，液体活塞改善了工作容积中的压缩空气和工作容积的环境之间的热传递。在本发明的技术方案中，压缩/膨胀不是像根据EP2450549A2那样的纯的绝热过程，而是多变过程。通过根据储存器压力来适合地微调活塞工作容积(例如通过改变活塞液体在系统中的总量或者通过从外部引入/向外部引出液压液体)可以任意改变压缩空气在工作容积中的停留时间。要被压缩/膨胀的空气量的每个微分体积元可以在排到存储器或环境中之前压缩/膨胀不仅一次，而是n次。n值选择得越高，即气体在工作容积中停留时间越长，就可以越频繁地与新鲜的、所循环的活塞液体热交换。n值选择得越大，多变特征曲线就越接近于等温过程。等温压缩和膨胀众所周知地与效率100％的含义相同。n值选择得越高，每次活塞冲程中工作容积与环境之间的能量交换就越少，每次活塞冲程中所储存的压缩空气量的“产率”就越少，则至加载/排放存储器的时间就越长。在高n值的情况下，有高份额的热力学“无功功率”，其在该系统中在活塞之间前后摆动，或者其在气体(空气)中的最大压力能和在活塞中的最大动能之间前后摆动。另外可以通过相对于活塞冲程增大活塞表面积来提高热传递/效率。本发明的技术方案允许通过微调一些参数来调节就尽可能大的经济性而言最佳的操作点。在功率和效率之间的最佳折衷也通过电力市场上的价格来确定。本发明允许在电价变化时分别重新设置最佳的操作点。
本发明要解决的技术问题还通过用于制造上述压缩空气蓄能单元的上述方法解决，其中至少一些或全部组件通过3D打印制成，其中给该3D打印机供应由陶瓷粉末和陶瓷纤维颗粒以可变的混合比例组成的混合物。
有利地，压缩空气蓄能单元以紧凑和自支撑的结构制成。
在此有利的情形是，所述两个循环泵通过一个布置在中心的紧凑式循环泵来替代，该紧凑式循环泵与主泵固定连接并且其同时实现机械支撑功能。
主泵和循环泵的磁芯优选地不绕制，而是被浇铸在紧凑构件的空腔内，其中该空腔尤其具有星形横截面并且通过在空腔内提供低压低压来减少气孔的形成。
为了改善强度可以用纤维或绳索以多个层绕制传导压力的部件，并且随后将所述纤维或绳索浇铸在硬化基体内或者用硬化基体包裹。
为了绕制所述传导压力的部件，可以使用特意针对该目的所构建的绕线机。
用于在泵运行和发电机运行之间切换的装置优选地布置在所述阀门上方，以便可以在工作容积和阀门的区域中用纤维绕制该切换装置和该机械。
通过改善该工作容积调节器，用纤维绕制是可能的。
有利地，在外边缘上布置四个支柱，它们支撑该设备并且承载该螺旋形换热器。
该螺旋形换热器优选地由这样的构件制成，所述构件由四分之一圆段组成。所述这些四分之一圆段分别用纤维织物管包裹并且随后用经硬化的基体包裹，随后将其放入四个支柱上的相匹配的孔中并且固定连接例如焊上。
有利的方式是，布置用于给工作容积调节器供气和排气的装置。用于供气和排气的装置在功能上类似于切换装置。
按照本发明的一个另外的特征，该工作容积调节器布置在该机械上方。由此实现以下优点：
-由于比重较低，液压液体直接浮在活塞液体上并且与其不相混。
-陶瓷粉末和陶瓷纤维颗粒的混合比例可以在3D打印机中专门针对工作容积调节器的制造来改变：例如，该打印机可以直到该泵的上边缘都仅供应陶瓷粉末以便实现尽可能平的表面并且在上方供应由陶瓷粉末和纤维颗粒构成的混合物，以便获得具有高断裂伸长率的可延伸的本体。
当换热器翅片被插入工作容积时，可以改善工作容积中气体和环境之间的热交换并且通过接近等温过程来提高效率。
在绕制电线圈时，可移动的线圈体优选地在固定框架内或平的基座中旋转。在线圈体的底部和固定框架之间形成小的气隙，在该气隙中，在绕制期间承载线圈体的陶瓷球滚动。在该固定框架中是圆形沟槽，该球在该圆形沟槽中滚动。在绕制过程结束之后，在线圈体和框架之间的气隙连同球一起用可硬化的基体(例如混凝土)充填。线圈体的底部可以在其环周外部承载齿，以便所述绕制可以借助齿轮传动实现。
附图说明
接下来借助优选实施例并且参考附图还进一步阐释本发明，然而本发明不应受限于所述实施例。其中附图如下：
图1示出了整个压缩空气蓄电单元的示意性图示；
图1A示出了相关的等效电路图；
图2示意性示出了压缩空气蓄能单元的活塞机械(“感应泵”)，该活塞机械具有外围组件即工作容积调节器和热交换回路。
图3为经放大且没有外围组件的活塞机械(“感应泵”)的示意图；
图4示出了按照图3中的线条IV-IV，穿过活塞机械的软磁芯、线圈绕组和内部及外部气隙的横截面；
图5示出了按照图3中的线条V-V，穿过活塞机械的该装置的软磁芯、工作容积和行星式齿轮的横截面，所述活塞机械在泵运行和发电机运行之间切换；
图6示出了按照图3中的细节VI，穿过压力阀和吸入阀连同弹簧和控制磁体的放大纵切图，其中关闭两个阀；
图7的展示如同图6，然而打开压力阀；
图8的展示如同图6，然而打开吸入阀；
图9示出了穿过压力阀连同控制磁体的放大纵切图，其中视图相对于图6旋转90°；
图10示出了穿过吸入阀连同控制磁体的放大纵切图，其中视图相对于图6旋转90°；以及
图11为热力学循环过程的示意图；
图12示出了以紧凑结构的该机械的视图；
图13示出了相对于图12旋转90°的视图；
图14示出了穿过中部的布置在该机械之下的紧凑式循环泵以及穿过四个支架连同螺旋形换热器的横截面；
图15示出了穿过改良的工作容积调节器的横截面；
图16示出了穿过该机械的腿的横截面，而磁芯是星形的。
图17示出了绕线机的可能实施方式的示意图；
图18示出了改良的切换装置的放大图；
图19如同图18，只是下部阀门处于打开位置；
图20如同图18，只是上部阀门处于打开位置；和
图21示出了沿工作容积的高度穿过该机械，该机械具有设计成星形的换热器翅片。
具体实施方式
图1中示意性地示出了压缩空气蓄能单元100的例子，其具有起着压缩机和膨胀机功能的活塞泵200：隔热层1围绕(人工)压缩空气储库2和蓄热液体3，该蓄热液体例如由水构成。活塞泵200浸没于该液体中并且完全被其围绕。
从电子技术方面看存在R-L-C串联谐振电路；参见图1A。外部端子4处施加220kV交流电压U作为输入和输出电路。电容C通过电容器5形成，该电容器布置在隔热层1之外。电容器5被设计为涂覆的平板电容器，其耐压强度明显高于220kV。这样连接电容器5的平板，以使电容器5的极呈梳子状彼此嵌入并且电介质充填所述电极之间的回形曲折的空间。电感L通过活塞泵200的线圈状的绕组6构成。有效电阻R通过机械功产生，所述机械功在空气压缩过程中提供。线圈6的电感L和电容器5的电容C的尺寸使得电源频率的谐振频率相当于50赫兹(或者必要时60赫兹，例如在美国)。
因此无需电压转换，压缩空气蓄能单元100在输入/输出端子4处直接地用220kV交流电压工作，为此有利的情况是，所有部件，尤其线圈绕组6，都小心地用双重绝缘并且设计成防水的。
压缩空气流动经过活塞泵200和压缩空气储库2之间的压力管道7。为了使热交换最优化，蓄热器3内的压力管道7设计成回形状。管道8将活塞泵200与环境空气相连。为了使噪音释放最小化，朝外引导的管道8可以在内侧处涂覆隔音材料。另外，蓄热器3和保温器1同时用作隔音装置。
图2中示出了活塞泵200连同其外围组件。压力转换器9使压缩空气(压力管道7)的工作压力与液压液体10的压力成正比地降低，所述液压液体将压力传递到两个膜片弹簧11上。膜片弹簧11将盘状本体12分成一个内部(中部)区域13和两个外部区域14(中部区域13的右边和左边)。
在活塞泵200的两个腿下方有两个小的循环泵15。所述循环泵15通过换热回路来驱动还将更详细描述的活塞液体，该换热回路使得活塞泵200的右和左腿以直线管道向下延伸、引导穿过循环泵15并且随后分岔成两个线路：一个分支从下方穿过盘状体12的外部区域14向上引导。另一分支穿过螺旋形换热器16向上引导。在所述两个本体12和16上方，所述两个线路或分支结合成一个线路，该线路在活塞泵200的下部顶点17处居中地再次进入活塞泵200。
图3中在没有外围组件的情况下放大地示出活塞泵200：其具有以切开的圆环形状的软磁芯18，两个平行部件即圆柱体部件18A、18B被嵌入所述软磁芯18。图3中示出的芯18的剖面因此具有体育场的形状。芯18设计成使得涡流损耗最小，例如以平行的、用于绝磁的高导磁合金线材的形式或由涂覆的变压器用硅钢片制成。另外这样设计芯18，使得磁通量最大并且磁阻最小，也就是说例如沿磁通量方向没有接缝或气隙。芯18的圆柱形部件18A、18B采用绝缘线材绕制以形成线圈6。在芯18和线圈6之间分别存在环形缝隙19。所述两个线圈6通过U形管20相连，所述U形管20同心地围绕磁芯18。也参见图4，通过隔板21将以U形方式被连接的线圈6和芯18之间的空间19分成内部的、位置靠近芯18的缝隙22和外部的、位置靠近线圈体的缝隙23。所述两个缝隙22和23展示出两个同心的连通的容器。
也参见图5，在线圈体6上方，在芯18的平行部件18A、18B之间存在具有两个伺服电机25的切换装置24，所述伺服电机均通过行星式齿轮26驱动一个圆盘27；每个圆盘27均在中心处承载截锥形凸起28并且在外侧上带有螺纹，该螺纹滑入切换装置24的壳体的内螺纹中。
图6中放大地示出了活塞泵200的细节区域(参见图3中的细节VI)；活塞泵200的工作容积29(参见图3)朝上通过两个阀门即压力阀30和吸入阀31来关闭。两个阀门30、31均设计为绕着磁芯18的同心环。两个阀门30、31均通过每个弹簧32或33的力保持关闭。弹簧32使压力阀30保持关闭，弹簧33使吸入阀31保持关闭。两个阀门30、31带有多个环形布置的电磁体34或35，其能够顶着弹簧力打开阀门30、31。电磁体34打开压力阀30，电磁体35打开吸入阀31。
图7中示出了在打开位置中的压力阀30：工作容积29与压缩空气储库2相连，正如指向压力管道7的箭头(7)所表明的。
图8中示出了在打开位置中的吸入阀31：工作容积29与环境空气(箭头(8)；参见所述管道8)相连。
图9中以内视图或投影示出了压力阀30的一部分，因此环形布置的电磁体34之一的形状可见。视线相对于图6转动90°，即径向从内朝外。
图10中以投影示出了吸入阀31的一部分，因此环形布置的电磁体35中的两个的形状可见。视线相对于图6转动90°，即同样径向朝外。
在之前基本阐述了本发明的压缩空气蓄能单元100的结构之后，现在接下来应当描述压缩空气蓄能单元100的运行，其中给出进一步的构造细节。
线圈6和芯18之间的缝隙19(参见图3)充有导热性和导电性液体，例如镓铟锡合金。在静止状态下，连通管的两个腿(相当于芯部件18A、18B)中的液位均同样高。
一个线圈6的一端与另一线圈6的一端这样相连，以便所述两个线圈6共同构成绕着磁芯18的唯一绕组。所述连接的线圈6的磁通量一直在同一方向上延伸穿过芯18，要么顺时针要么逆时针。在所述两个端子4(图1)上施加频率50赫兹的220kV交流电压。该交流电压在活塞泵200的芯18中感应出磁场和相关的磁通量，其方向交替地以顺时针和逆时针的方式每秒变换50次。
芯18中的磁通量的变化就其而言在处于缝隙19中的导电性液体中感应出环形的、绕着芯18延伸且与芯18耦合的交流电压。与此关联的电流在该液体中感应出与芯18中的磁场相反的磁场。如果芯18中的磁场沿顺时针延伸，则通过电流在液体中产生的磁场沿逆时针延伸，并且反之亦然。在该液体的每个微分体积元上均施加同样大小的洛伦兹力。这在连通器中产生没有漩涡的层状流动，其中该流体在一个腿中升起，而同时其在另一个腿中下降。该系统因此是作为具有液体活塞的活塞泵或活塞机械来工作的。
通过使活塞液体在运转期间不断循环并且被驱动以穿过换热器16，从而引出所述在(下面还要详述的)压缩过程中产生的热或引入在发电机运行下必需的热。通过在一个回路中不断循环活塞液体，避免了总是相同的液体分子处于活塞和空气的界面上。除参见图3之外还参见图4，活塞液体的循环是通过将充有导电性液体的缝隙19经由同心隔板21分成两个同心缝隙22,23来实现的。所述缝隙22,23仅仅在两个“活塞”的工作容积29的上端处相连，使得活塞液体能够从内部缝隙22转入外部缝隙23(反之亦然)。在泵运行下加热(或在发电机运行下冷却)的活塞体积在每个工作周期(确切来说50次每秒)中经由循环泵15交换。小循环泵15正如大的压缩空气泵(参见图6至10)那样通过感应起作用，只是规模上较小。该循环泵从外部缝隙23向下抽吸活塞液体，将其连续驱动穿过换热器12,16并且之后在下部的顶点17处再次从下方进入内部缝隙22。
在经压缩、加热的空气流动经过打开的压力阀30(图6,7)旁边之后，其经在压力管道7中引导穿过蓄热器3，从而所述空气能够给出它的热。反之，从压缩空气储库2流入的空气能够从蓄热器3中取热，然后所述空气在用作发电机的系统的工作容积29中膨胀和冷却。
为了在泵运行(充电过程)下使功率消耗保持不变，调节工作容积29的体积。在低的工作压力(例如100bar)的情况下，活塞液位低，因此工作容积29大。在高的工作压力(例如1000bar)的情况下，活塞液位高，因此工作容积29小。工作容积体积的调节通过用作体积调节器的本体12来实现，该本体12如前所述地在内部通过两个膜片弹簧11隔成中部(内部)区域13和两个外部区域14(参见图2)。当在中部区域13中压力上升时，膜片弹簧11拱起。在该区域13中有液压液体10，其压力借助压力转换器9与工作压力成正比地重新调节。在盘状本体12的外部区域14中有活塞液体，当膜片弹簧11拱起并且由此减小了区域14中的体积时，所述液体被部分挤出区域14。如果工作压力上升，则将活塞液体从空间14中经由开口17迫使进入空隙19并且由此减小工作容积29。膜片弹簧11的弹簧特性曲线和尺寸优选这样选择，从而使用工作压力将工作容积29调节成功率消耗在泵运行下稳定。
所述系统因此可以用作泵或用作发电机。在泵运行下，使用电能以在液位上方的工作容积29中做出压缩功。在此，封闭在工作容积29中的空气被压缩至这样的程度，直到该压力高于压缩空气储库2中的压力。由此，在活塞液体上方顶着弹簧32的力打开压力阀30(参见图6和7)，并且经压缩的空气流动经过压力管道7进入压缩空气储库2。在此，在泵运行下，仅仅所述压差就足够用于打开压力阀30，其中工作容积29中的压力克服弹簧32的力，该力在该冲程之后在此关闭压力阀30。
参见图8，在一个“气缸”内压缩空气期间，通过在另一气缸的工作容积29中产生的低压低压顶着弹簧33的力打开吸入阀31而在该另一气缸内从外部抽吸新鲜空气。
在发电机运行下，从外部施加励磁电压至端子4处。该励磁电压能够从电源提供，本发明的所述压缩空气蓄能单元以该电源在联合操作中工作。在停电时，励磁电压可以通过自给的常规系统(例如柴油发电机加上变压器)来产生。多个(例如八个)电磁体34通过克服弹簧32的力来打开压力阀30。在切断磁体34上的电压时，弹簧32的力与重力一起(向下)闭合压力阀30。在一个气缸内磁体34打开压力阀30的期间，在另一气缸内多个(例如八个)电磁体35打开吸入阀31，以便做完功的空气通过克服弹簧33的力并且向下按压吸入阀31而在环境压力下排放到外部(参见管道8)。在切断磁体35上的电压时，弹簧力(向上)闭合吸入阀31，该吸入阀31由此关闭。整流器(未示出)能够在电磁体34和35上各抑制正弦形交流电压的每个周期的一个半波。例如，将每个正弦周期的第一半波施加到电磁体上，该电磁体打开右边的压力阀和左边的吸入阀，而同时将每个正弦周期第二半波施加到电磁体上，该电磁体打开左边的压力阀和右边的吸入阀。打开和关闭的过程通过与励磁电压同步地50次每秒升起和下降阀门30、31来进行。流入的压缩空气在发电机运行中做机械功，以克服电磁阻力。由此在外部端子4处产生电流，该电流与此处的励磁电压反方向。因此存在电压源，其能够向外给出电功率。
因此在发电机运行中电磁体打开压力阀30，以允许压缩空气从压缩空气储库2流入气缸的工作容积29中，或者电磁体35使吸入阀31下降，由此空气在工作冲程之后在环境压力下排到环境中。
在压力阀30上方的空间36按照操作类型与压缩空气储库2的压力或环境压力相连。
由此，为了使该机械能够可选择地作为泵或者还作为发电机起作用，有必要的是，压力阀30上方的气腔36(参见图6)能够可选择地与工作压力(例如100-1000bar)或与环境压力(1bar)相连。在泵运行中，在压力阀30上方的气腔36与压缩空气储库2中的工作压力相连。只有当活塞即工作容积29中的压力更高时，压力阀30才被顶着弹簧力打开。在发电机运行中压力阀30上方的气腔36必须与之相反地与环境压力(管道8)相连，因为电磁体34否则不能实现升起压力阀30。
在操作类型之间的切换是在程序的促使下实现的并且一直以两个步骤通过发电站控制技术来控制：首先，将空间36与迄今与该空间相连的空间隔开(截锥体28关闭)。之后，空间36与空间8’或7’(参见图6)相连，其迄今与该空间不相连(另一截锥体28打开)。在切换过程中，与空间36的体积成正比的压缩空气和进而能量发生损失。因此，该空间36保持尽可能小。空间36从功存储器7’或从环境空气8’的分隔是通过在相应的圆盘27的中心处的每个截锥体28来造成的，所述圆盘27在其外侧上具有螺纹。截锥体28被压在截锥形的孔中。这每次均通过伺服电机25(参见图3)来实现，该伺服电机经由行星式齿轮26来转动(支承着截锥形塞子的)圆盘27，从而像螺栓被引入螺母那样，在圆盘27的外侧上的螺纹被引入切换装置24壳体的内侧上的螺纹。关于圈数、螺距、静摩擦系数等，该螺纹相对于所述塞子的孔这样设计，以便顶着环境压力可靠地密封最大工作压力，简言之，大圆盘27的外螺纹的静摩擦和圈数顶着环境压力可靠地密封了该最大压力。
无功功率余留在该设备中。其在电容和电感之间来回震荡。从外部仅为等效电阻供给有功功率或者由等效电源提供有功功率。
为使涡流损耗和反复磁化损耗最小化，除了线圈绕组6和15、磁芯18以及电磁式阀门操纵装置(34,35)以外，所有机械固定的部件均由不导电材料(例如陶瓷)构成。另外也要算上附图中未示出的该机械的机械式夹持装置或悬挂装置。该悬挂装置供选择地也可以由木材和砖砌墙体构成。
所描述的系统为热机。热力学循环过程在图11中示出。一般而言，各工作步骤如下：
多变压缩(A-B)
等压压缩(B-C)
等容压力变化(C-D)
等压膨胀(D-A)。
体积V在低压pl(＝1bar)下这样调节，以便在泵运行下循环过程的面积积分(功/活塞冲程)在压缩空气储库2的充电期间保持不变，而工作压力从Phmin(例如100bar)连续升高到Phmax(例如1000bar)，并且因此活塞泵200消耗恒定的电功率。在循环过程中所遍历的四边形在充电过程期间改变其形状，但是不改变其面积。如图11中所示，在充电过程的开端时，该四边形宽且低(A-B-C-D)，在充电过程期间其更窄(Α'-Β'-C'-D)和更高，在结束时其最窄且最高(A"-B"-C"-D)。
在压缩空气储库2在发电机运行期间放电的情况下，压缩空气储库2中的工作压力连续降低。为了在发电机运行下使功率保持不变，将工作压力(例如借助附图中未示出的节流阀)限制到固定值(例如100bar)。在发电机运行下的循环过程中所遍历的四边形一直具有同一形状。
通过适宜地选择结构和/或工作参数，工作容积29与环境之间的热传递可以变化，以使压缩/膨胀的多变过程或多或少地近似于绝热过程，并且因此可以或多或少地改善该系统的效率。另外，更高的效率可以用更低的功率/更长的充电周期来换取或反之亦然。
图12示出了该机械以紧凑设计方式的图。该设备所有的传导压力的部件都成型为使得其能够用纤维(例如玻璃纤维、陶瓷纤维或玄武岩纤维)绕制多层(例如40-60层)。在制造期间，在每层纤维绕制之后均设有硬化基体的涂覆(例如，在玻璃纤维绕制的情况下涂覆混凝土或者在碳化硅纤维的情况下涂覆碳化硅基体)，该硬化基体充填了纤维之间的间隙并且在硬化期间与位于其下的层相连。多层绕组37的横截面用交叉阴影表示。箱形的构件38与该机械并且与四个外部支柱39固定连接。所述箱38围绕并且支承所述电线圈6。循环泵300位于该机械下方中间并且与其固定连接。该循环泵由浇铸在基体41中的软磁芯40、绕着芯40的内部件绕制的电线圈42、和在芯40的内部件和电线圈42之间的缝隙43构成。磁芯40的内部件将其上下分成四股，类似四个叶子的四叶草。磁场线沿着该四股闭合(还参见图14)。循环泵300的磁场线的走向类似于四射流喷泉的射流。缝隙43向上且向下同样分成四股，以便活塞液体能够以四个支流在该磁芯的四股之间流过。活塞液体的所述四个支流在循环泵的下端进入该螺旋形换热器，向外流动并且随后，被支柱39支承地，以四个分开平行的外螺旋向上直到反转点并且由此处以四个分开的内螺旋再次向下直到其再次向内离开所述支柱区域并且在下端处流入该机械。反转点并非完全在支柱39的上端而是在下方。在该反转点上方有数个螺旋，这些螺旋像“死胡同”那样在上方通向至工作容积调节器46的线路45。在所述“死胡同”中有活塞液体的调节容量。在该调节容量上浮着比重明显较低的液压液体。液压液体也充填工作容积调节器46的内部可压缩区域。该区域47将吸入阀与环境空气相连。该区域由内部和外部区域构成。外部区域47是宽环形的绕磁芯延伸的管道。在内部和外部区域47之间空气穿过实心的陶瓷体50中竖直的平行的槽。用于在泵运行和发电机运行之间切换的切换装置48这样构建，以便其配合到圆柱体中并且能够用纤维绕制。该圆柱体是实心的陶瓷构件，其中留出两个大钻孔和若干细管道。在每个钻孔中均有伺服电机、行星式齿轮和截锥形塞子。在切换装置的中心处有实心块体49，在装配好伺服电机之后嵌入实心块体49以便朝右和朝左地为切换装置的空腔内的工作压力提供阻力。压缩空气输送至该机械或从该机械输出是通过环形的压力管线51实现的，该压力管线在实心陶瓷体51的内部作为环形空腔被留出。该机械的体育场形状元件在外部上平行于磁芯中轴线地绕制多层绳索52(例如由玻璃纤维、陶瓷纤维或玄武岩纤维构成)，该绳索被嵌入硬化基体中(例如混凝土或碳化硅)。在绳索绕组52下方嵌入部件53，该部件53封闭了该绳索在绕制期间穿线经过的缝隙。绳索52吸收了在所述操作期间在工作容积上方和下方的分区域之间产生的拉应力
图13同样示出了该机械的紧凑结构的视图，然而该视图相对于图12旋转90°。在图12中可观察到在泵运行和发电机运行之间的切换装置的地方，在图13中可见类似设计的切换装置。该装置用于选择性地将工作容积调节器与工作压力或与环境压力连接。
图14示出了穿过循环泵的横截面。在中心处存在具有星形横截面的磁芯40。该磁芯朝外分成四股，其具有由平行翅片构成的横截面(像经涂覆的变压器用硅钢片)。磁场线沿着所述四股闭合(对照图12和图13)。芯40被浇铸在陶瓷体41中。循环泵的电线圈42绕着内芯布置。在绕制电线圈42之前，本体41不是紧凑的而是裸露地围绕磁芯的四股40。本体41在此间是开放的并且提供向空腔的自由通路，该空腔随后用绕组42的电线充填。在绕组42制成之后，本体41余留的自由空间被充填，从而形成紧凑的本体并且绕组42不再是从外部可及的。
在线圈42和磁芯40之间留出活塞液体流动穿过的环形缝隙。该环形缝隙43朝上和朝下分成四股，这四股在磁芯的股之间位错45°地竖直延伸。所述四股在下方通向四个管线，所述四个管线径向朝外伸入四个支柱39。从这里出发，所述四个管线呈螺旋形朝上延伸。
图15示出了穿过改善的工作容积调节器46的横截面。相对于本发明的基本设计，其这里不是设计成圆盘而是设计成圆环。这具有的优点在于，其能够用纤维37绕制，以便更好地承受拉应力。内部的环形管线54沿着圆环46的轴线延伸。在环形管线54之外的区域经由隔墙55分成节段。每个节段均包含可弹性压缩的体积56，其边缘具有类似于波纹管或手风琴的形状。体积56朝内向环形管线54开放。环形管线54就其而言经由垂直线路45与螺旋形散热器的上端相连，其中存在活塞液体。不仅环形管线54而且体积56都充有液压液体。液压油由于其较低比重而浮在活塞液体上。在波纹管56之外的气腔充有空气。该气腔在该操作期间与工作压力相连并且取决于工作应力地将波纹管56或多或少压在一起。因此，液压液体或多或少地通过线路45被向下按压，这再次调节活塞液体的水平和调节进而该机械中的工作容积。
图16示出了穿过该机械的臂的横截面。磁芯18这里未被绕制而是被浇铸在陶瓷体的空腔内。为了使损耗最小化，该芯为星形。为此在制造过程期间在陶瓷件内部留出星形空腔。另外示出了内部间隙22和外部间隙23。
图17示出了用于给传导压力的部件绕制纤维的绕线机。在所示出的实例中绕线机设计成三角形。但是该绕线机也可以设计成四角形，一般地多角形或设计成环形。其尤其还能够在一侧打开并且以钳子形状来设计。在该情形下不仅能够绕制，而且能够借助以机械式织机类型的第二(未示出)机械来制造纤维织物。所展示的绕线机具有以三个轮对57的形式的6个轮，它们被固定安装在待绕制的管上。每个轮对57均借助齿轮与两个被无线电遥控的电动机相连。所述电动机分别可以携带SIM卡并且可以通过移动通信(机对机)控制。所述两个电动机58之一驱动所述轮对，另一(伺服)电动机59控制该轮对。所述控制可以通过位于伺服电机59和轮对57之间的传动器来变速。为了能够均匀地绕制弯曲的圆环，必须以不同的方式彼此独立地控制全部轮对。所述纤维被缠绕在轧辊60上，该轧辊与绕线机固定连接。在绕制过程期间，所述纤维从该轧辊解绕。两个电池61提供必需的能量。三角形的侧面在长度上可变，以满足不同的横截面。可调节的弹簧62或纺锤(未示出)确保所述轮对在管的表面上必需的保持不变的按压力。
图18示出了所述切换装置。其由两个水平的圆柱形的扩展件构成，所述扩展件从该机械的体育场形本体朝内延伸。在所述扩展件中分别留出两个上下布置的圆柱形空腔。所述空腔彼此相连以及与工作压力、与环境压力和压力阀上方的空间经由细管线相连。该细管线用来类似于人耳中的咽鼓管地平衡压力。在两个钻孔中都有伺服电机，该伺服电机通过行星式齿轮来移动截锥形塞子。在泵运行和发电机运行之间切换时，在压力阀上方的空间必须可选择地与工作压力或与环境压力相连。图18中两个阀门均以关闭位置示出。
图19示出了与图18同样的装置，只是下部阀门处于打开状态。这时，压力阀上方的空间与工作压力相连。该机械处于泵运行中。切换装置中的两个空腔均同样与工作压力相连。
图20示出了与图18同样的装置，只是上部阀门处于打开状态。这时，压力阀上方的空间压力阀与环境压力相连。该机械处于发电机运行中。切换装置中的两个空腔均同样与环境压力相连。
所述切换装置特别地具有的特征在于，所述两个其中有伺服电机的较大空腔一直都具有同样的压力——要么工作压力要么环境压力。因此避免了切换装置内部中的应力。
图21示出了用于改善该机械效率的装置：在工作容积中布置有射线状的垂直翅片63。所述翅片向上延伸直至阀门，向下延伸的程度使得它们一直浸没在活塞液体中，然而不是直到电主线圈6的上边缘下方，因为否则会中断活塞液体中的环形电流流动。翅片63应当具有高的导热性和高的热容量。工作容积中的翅片越多，则表面积越大，从而更有利于空气与活塞液体的热传递。热力学过程较少地绝热，较多地等温，尤其是如果空气在经由打开的压力阀流入存储器之前多次在工作容积中压缩并膨胀压力阀。
翅片的材料可以例如由陶瓷构成，其例如可以与紧凑式陶瓷体相同的材料。在该情况下，所述翅片是在一个共同的作业过程中压制紧凑式陶瓷体而制造的并且与其固定连接。翅片的材料例如可以由金属如钨构成。在该情况下，将翅片在紧凑式陶瓷体制成之后从侧面推入为此设置的竖直槽并且随后固定封闭该槽。

Claims (33)

1.压缩空气蓄能单元(100)，其具有输入/输出电路(4)、压缩和膨胀装置以及人工制造的压缩空气储库(2)，其特征在于，所述压缩和膨胀装置具有活塞泵(200)，所述活塞泵(200)的活塞由导电和导热的传导性液体、如镓铟锡合金构成，并且所述活塞泵能够在泵运行和发电机运行之间切换。
2.根据权利要求1所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于具有芯(18)和线圈(6)的电磁体，所述电磁体用于感应式驱动所述传导性液体。
3.根据权利要求2所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述芯(18)形成闭合的环路，所述环路包含两个平行、直的圆柱体部件(18A,18B)，所述线圈(6)被绕制在所述圆柱体部件上。
4.根据权利要求3所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，在磁芯(18)和线圈(6)之间留出缝隙(19)，在所述缝隙(19)中该传导性液体按连通器的方式来回移动。
5.根据权利要求4所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，隔板(21)将芯(18)与线圈(6)之间的缝隙(19)分成内部的、位置更靠近芯(18)的缝隙(22)和外部的、位置更靠近线圈(6)的缝隙(23)，其中，所述隔板(21)在平行的芯部件(18A,18B)的两个上端处终止，从而所述传导性液体能够从一个缝隙(22,23)流入另一个缝隙(23,22)，从而形成工作容积(29)。
6.根据权利要求1至5之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，在活塞泵(200)的气缸空间即工作容积(29)中，所述传导性液体的体积能够被调节，其中，在压缩空气存储期间功率消耗是恒定的。
7.根据权利要求6所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述传导性液体与储库(14)相连，所述储库的体积能够取决于压缩空气储库(2)中的空气压力地借助降级-压力转换器(9)和液压液体(10)来改变，其中，液压液体(10)压向设计成弹性的至少一个界面、如膜(11)，所述传导性液体的储库(14)位于所述界面的另一侧上。
8.根据权利要求1至7之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述活塞泵(200)被完全浸没于用作蓄热器(3)的液体、如水中。
9.根据权利要求8所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，循环泵(15)使所述传导性液体在运行中不断地在闭合回路中循环，其中，在所述传导性液体和蓄热器(3)之间发生热交换。
10.根据权利要求9和权利要求5所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，在所述两个芯部件(18A,18B)之下各有一个感应式循环泵(15)在每个半行程中从外部缝隙(23)周期性地和同步地抽吸传导性液体，并且该传导性液体被感应地驱动穿过换热器(3)，最后又压入内部的缝隙(22)中。
11.根据权利要求7至10之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，调节所述传导性液体的体积的储库(14)同时用作换热器(12)，其中，彼此邻接地布置三个圆盘形的拱起的空间(14,13,14)，即，液压液体(10)被引入其中的中部空间(13)以及两侧上通过弹性膜(11)与中部空间隔开的两个储库空间(14)，所述两个储库空间分别由球状、向外拱起的壁(14')构成，所述壁由导热良好且耐高温的材料如硼硅酸盐玻璃构成。
12.根据权利要求10或11所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述循环泵(15)将传导性液体在换热器(12或16)的下端处泵入，其中，在上端处经冷却或在发电机运行中经加热的传导性液体经由管道再次被引回到所述活塞泵(15)中。
13.根据权利要求1或12之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，在蓄热器(3)内，必要时在液体蓄热器内，该传导性液体被引导穿过由导热良好且耐高温的材料如硼硅酸盐玻璃构成的螺旋形换热器管道(16)。
14.根据权利要求1或13之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，压力管道(7)例如回形地在压缩空气储库(2)和活塞泵(200)之间延伸穿过蓄热器(3)，其中，热能由所述压缩空气传递到蓄热器介质中或反之。
15.根据权利要求2或14之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，压力阀(30)和吸入阀(31)以同心环的形式包围所述磁芯(18)。
16.根据权利要求15所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，吸入阀(31)上方的气腔借助管道(8)与环境相连，所述管道(8)被引导穿过蓄热器(3)。
17.根据权利要求16所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述管道(8)在内侧上配置有隔音涂层。
18.根据权利要求1或17之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述压缩空气储库(2)以及可能还有蓄热器(3)和压力管道(7)被隔热层(1)围绕。
19.根据权利要求1或18之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，除了线圈(6；15)、芯(18)和磁力阀门操纵装置(34,35)以外，所有机械固定的部件均由不导电材料如陶瓷制成，以使涡流损耗和反复磁化损耗最小化。
20.根据权利要求1或19之一所述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，设置电容器(5)，该电容器例如设计成具有呈梳形互相啮合的平板的平板电容器，所述平板通过适合的电介质如陶瓷、玻璃或塑料隔开，其中得到220kV的耐压强度。
21.一种用于制造根据权利要求1至20之一所述的压缩空气蓄能单元(100)的方法，其特征在于，至少一些组件通过3D打印制成，其中，给3D打印机供应由陶瓷粉末和陶瓷纤维颗粒以可变的混合比例组成的混合物。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述压缩空气蓄能单元(100)以紧凑和自支撑的结构制成。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其特征在于，所述两个循环泵通过一个布置在中心的紧凑式循环泵来替代，该紧凑式循环泵与主泵固定连接并且其同时实现机械支撑功能。
24.根据权利要求21至23之一所述的方法，其特征在于，主泵和循环泵的磁芯被浇铸在紧凑构件的空腔内，其中，所述空腔尤其具有星形横截面并且通过在所述空腔内提供低压低压来减少气泡的形成。
25.根据权利要求21至24之一所述的方法，其特征在于，为了改善强度，用纤维或绳索以多个层绕制传导压力的部件，并且随后将所述纤维或绳索浇铸在硬化基体内或者用硬化基体包裹。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，使用绕线机来绕制所述传导压力的部件。
27.根据权利要求21至26之一所述的方法，其特征在于，将用于在泵运行和发电机运行之间切换的装置布置在所述阀门上方。
28.根据权利要求21至27之一所述的方法，其特征在于，在外边缘上布置用于支撑所述设备并且承载所述螺旋形换热器的四个支柱。
29.根据权利要求21至28之一所述的方法，其特征在于，该螺旋形换热器优选地由构件制成，所述构件由四分之一圆段组成。
30.根据权利要求21至29之一所述的方法，其特征在于，布置用于给所述工作容积调节器供气和排气的装置。
31.根据权利要求21至30之一所述的方法，其特征在于，将所述工作容积调节器布置在机器上方。
32.根据权利要求21至31之一所述的方法，其特征在于，将换热器翅片插入工作容积。
33.根据权利要求21至32之一所述的方法，其特征在于，在绕制电线圈时，可移动的线圈体在平的基座上旋转。
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