一种光热复合式非补燃压缩空气发电系统的制作方法

本发明涉及压缩空气储能领域，特别是涉及一种光热复合式非补燃压缩空气发电系统。

背景技术：

随着环境问题的日益加剧和可再生能源发电的蓬勃发展，如何应对可再生能源如风电、光伏电源产生的波动性和不确定性，成为目前电力工业发展的突出问题。储能技术是解决这一问题的核心技术。

现有的储能方式主要有：抽水蓄能和压缩空气蓄能。抽水蓄能是实现大规模储能的主要方式，在国际储能市场中所占的装机容量最大，但由于其电站的建站对地质、地理条件、水源等要求苛刻，电站建站往往受限，因此压缩空气储能开始被广泛研究。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量，压缩机驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气室中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，储气室将储气空间内的压缩空气释放出来，带动发电机发电，完成了电能—空气势能—电能的转化。压缩空气储能对地理和地质条件无特殊要求，山洞、荒滩、废弃矿井，甚至海滩、海底都可以，储气库可采用管线钢深埋地下，几乎不占用土地，也可以采用钢制的高压储罐作为高压气体的存储空间；储能采用自然界的大气作为工质，吸气和排气都在环境大气中进行，不会带来污染和生态问题，是一种真正能够实现零排放环境友好的储能方式。

现有技术中，为了提高电能的转化率，压缩空气储能系统还包括级间冷却器、天然气补燃装置和储热装置，在储能过程中，压缩机将空气进行多级压缩，压缩气体产生的压缩热通过级间冷却后将常温压缩空气存储在储气室中；在系统释能的过程中，压缩空气进入天然气补燃室，经加热后形成高温高压的压缩空气进入汽轮机带动发电机发电。现有技术存在成本高、储热效果差、采用天然气补燃产生碳排放污染环境的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种光热复合式非补燃压缩空气发电系统，以解决现有补燃式压缩空气储能技术中存在的成本高、有碳排放、依赖天然气的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光热复合式非补燃压缩空气发电系统，包括：太阳能光热单元、储气单元和高速透平发电单元；

所述太阳能光热单元包括低温储油罐、高温储油罐、导热介质、泵、槽式集热器、加热器和油气换热器；所述低温储油罐的输出端与所述槽式集热器输入端之间连接有所述泵，用于将所述导热介质从所述低温储油罐中泵入所述槽式集热器中，所述槽式集热器利用太阳能加热所述导热介质；所述槽式集热器的输出端与所述高温储油罐的输入端之间连接加热器，所述低温储油罐的输入端与所述高温储油罐的输出端之间连接油气换热器；所述油气换热器的气路进口连接所述储气单元的输出端，用于加热所述储气单元输出的高压空气，加热后的所述高压空气输入所述高速透平发电单元进行发电。

其中，所述储气单元包括电动机、空气压缩机和储气室；所述空气压缩机通过所述电动机驱动，所述空气压缩机的输出端连接所述储气室的进口。

其中，所述储气室的进口和出口分别设置控制阀，用于控制输入和输出储气室的气体的流量。

其中，所述空气压缩机采用二级压缩，每级压缩出口均设有冷却器，用于冷却压缩后的气体。

其中，所述高速透平发电单元包括空气膨胀透平、高速发电机组和电力电子变流器，所述电力电子变流器用于将高频交流电实现交流-直流-交流的变换。

其中，所述高速透平发电单元包括透平控制装置。

其中，所述高速透平发电单元包括电力电子变流器控制装置，所述电力电子变流器控制装置依据不同工况下透平的转速来调整控制参数，用于保证经变频后输出的电能质量。

其中，所述低温导热油罐和所述高温导热油罐中均设有氮气保护装置。

其中，所述低温导热油罐和所述高温导热油罐外表包有保温材料。

(三)有益效果

本发明提供的光热复合式非补燃压缩空气发电系统，通过采用太阳能槽式集热器和加热器来为高压空气提供高温热源，避免了现有技术中补燃式压缩空气储能技术存在的成本高、有碳排放、依赖天然气的问题，降低了对环境的污染，节省了成本。另外，通过同时设置槽式集热器和加热器，使得在利用太阳能储热的同时，还可通过加热器对导热介质进行加热，进而通过油气换热器实现对高压空气的加热，既提高了系统释能效率，又可满足系统在不同工况下的稳定运行。

附图说明

图1为光热复合式非补燃压缩空气发电系统示意图；

图2为太阳能光热单元示意图；

图中，1、电动机；2、空气压缩机；3、高压储气罐；4、油气换热器；5、太阳能光热单元；6、高速透平发电单元；7、第一控制阀；8、第二控制阀；9、第三控制阀；10、第四控制阀；51、低温储油罐；52、泵；53、槽式集热器；54、加热器；55、高温储油罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为光热复合式非补燃压缩空气发电系统示意图，图2为储热系统示意图。本发明提供的光热复合式非补燃压缩空气发电系统，包括太阳能光热单元5、储气单元和高速透平发电单元6。如图1和图2所示，太阳能光热单元5包括低温储油罐51、高温储油罐55、导热介质、泵52、槽式集热器53、加热器54和油气换热器4。低温储油罐51用于盛放低温的导热介质，如本实施例中的导热介质采用导热油。低温储油罐51的输出端与槽式集热器53输入端之间连接泵52，当需要对太阳能光热单元5进行储能时，泵52将低温导热油从低温储油罐51泵入槽式集热器53中，槽式集热器53利用收集到的太阳能将低温导热油加热至高温，再通过泵52将高温导热油压入高温储油罐55中。油路流向如图中实心箭头所示。在槽式集热器53的输出端与高温储油罐55的输入端之间还连接有加热器54，加热器54采用电加热器，当太阳光辐照度低于设计值或阴雨天气时，储热过程需要启动电加热器，对导热油进行加热后存储在高温储油罐55中。低温储油罐51的输入端与高温储油罐55的输出端之间连接油气换热器4，油气换热器4具有气路和油路两条通道，在油气换热器4中实现高温导热油和高压空气之间的热量传导。油气换热器4的气路进口连接储气单元的输出端，用于加热储气单元输出的高压空气，加热后的高压空气输入高速透平发电单元6进行发电，空气流向如图1中空心箭头所示。

本发明提供的光热复合式非补燃压缩空气发电系统，通过采用太阳能槽式集热器和加热器来为高压空气提供高温热源，避免了现有技术中补燃式压缩空气储能技术存在的成本高、有碳排放、依赖天然气的问题，降低了对环境的污染，节省了成本。另外，通过同时设置槽式集热器和加热器，使得在利用太阳能储热的同时，还可通过加热器对导热介质进行加热，进而通过油气换热器实现对高压空气的加热，既提高了系统释能效率，又可满足系统在不同工况下的稳定运行。

其中，储气单元包括电动机1、空气压缩机2和储气室。空气压缩机2通过电动机1驱动，利用弃风电、弃光电或低谷电驱动，对空气进行压缩，以高压空气的形式输出；空气压缩机2的输出端连接储气室的进口，储气室可以是高压储气罐3或其他形式，本实施例中采用高压储气罐3。高压储气罐3的出口连接所述油气换热器4的气路进口，高压空气经高温导热油加热后，变为高温高压空气，从油气换热器4的气路出口输出，并输入至与其连接的高速透平发电单元6，进行释能发电。

其中，高压储气罐3的进口处设置有用于控制进入气量的第一控制阀7，出口处设置有用于控制输出气量的第二控制阀8，通过设置控制阀，使得高压储气罐内部环境更容易控制。

其中，空气压缩机2采用二级压缩，每级压缩出口均设有冷却器，用于冷却压缩后的气体。当空气经第一级压缩机压缩后，通过压缩机自带的冷却器对压缩后的气体冷却，然后再进入第二级压缩，经冷却器冷却后，实现高压空气以常温进入储气室。通过采用二级压缩，提高了空气压缩效率，节省了能源，使绝热压缩空气储能摆脱了对高温压缩机的依赖。

其中，高速透平发电单元6包括空气膨胀透平、高速发电机组和电力电子变流器，从油气换热器4输出的高温高压空气输入空气膨胀透平，释能驱动高速发电机组运转发电，电力电子变流器将高频交流电整流成直流电，再经逆变器变换为50Hz工频交流电后接入电网。本申请采用高速发电机组和电力电子变流器相配合，不仅解决了现有技术中机械连接带来运行噪音大和可靠性差的问题，而且使得发出的电能柔性接入电网，大大提升了发电系统接入电网的友好性。

其中，所述高速透平发电单元6包括透平控制装置，用以实现不同工况下的稳定运转。

其中，所述高速透平发电单元6包括电力电子变流器控制装置，所述电力电子变流器控制装置依据不同工况下透平的转速来调整控制参数，用于保证经变频后输出的电能质量，确保输出的电能质量满足并网要求。另外，在高速透平发电单元6和油气换热器4之间还设置有第三控制阀9，用于控制进入透平的高温高压空气的流量。

其中，经换热后进入高速发电机组的压缩空气的温度为250℃～300℃。储气室的压力不大于8.8Mpa。在油气换热器4和高速在储热单元下游，即油气换热器4和高温储油罐55之间，还设置有第四控制阀10，用于控制进入油气换热器4的导热油的流量。

其中，低温导热油罐和所述高温导热油罐中设有氮气保护装置，用于防止导热油被氧化，延长导热油使用寿命。低温导热油罐和高温导热油罐外表包有保温材料，可实现24小时油罐内的温度变化不超过±1℃，保证油罐内环境的稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。