一种闭式低温压缩空气储能系统和方法
【专利摘要】一种闭式低温压缩空气储能系统，其中低温蓄冷工质在第一换热器单元对常温空气换热，输出常温蓄冷工质，压气机组输入换热后的空气；常温储罐输入和储存常温蓄冷工质；膨胀机组输入储存的压缩空气，压缩空气在膨胀机组内对膨胀机组做功输出膨胀降温后的空气；常温蓄冷工质在第二换热器单元对膨胀降温后的空气进行换热，转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气；低温储罐输入低温蓄冷工质进行储存，输出至第一换热器单元；以及低压储气装置输入所述常温空气进行储存和输出常温空气至第一换热器单元。该储能系统采用双回路闭式循环，使得压缩空气储能系统与环境之间无传质发生，增加储能系统应用范围，对环境依赖性小。
【专利说明】
一种闭式低温压缩空气储能系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及电能存储技术领域，特别是一种闭式低温压缩空气储能系统和储能方法。
【背景技术】
[0002]近年来，我国用电负荷的峰谷比不断增加，风能、光能等可再生能源发电装机量逐步增大，加上分布式能源的发展需求，使得电力储能技术的重要性逐步显现。目前，电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、飞轮储能、超级电容等，而压缩空气储能在容量和建设成本方面可与抽水储能比拟，使得其成为具有竞争力的电力储能技术之一。但现有的压缩空气储能系统大多为开式循环系统，其必须从环境中得到存储工质，对环境依赖性较强。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种闭式低温压缩空气储能系统和储能方法。
[0004]为实现上述目的，本发明提供一种闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于包括:
[0005]第一换热器单元，常温空气在所述第一换热器单元内与低温蓄冷工质进行换热，常温空气换热后转为换热后的空气，低温蓄冷工质换热后转为常温蓄冷工质；
[0006]压气机组，输入所述换热后的空气，输出压缩后的空气；
[0007]常温储罐，用于输入常温蓄冷工质进行储存，还用于将储存的常温蓄冷工质输出；
[0008]高压储气装置，用于输入压缩后的空气进行储存，还用于输出所储存的压缩空气；
[0009]膨胀机组，输入储存的压缩空气，压缩空气在膨胀机组内对膨胀机组做功输出膨胀降温后的空气；
[0010]第二换热器单元，常温储罐输出的常温蓄冷工质在所述第二换热器单元内与所述膨胀降温后的空气进行换热，常温蓄冷工质换热后转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气；
[0011 ]低温储罐，用于输入所述低温蓄冷工质进行储存，还用于输出所述低温蓄冷工质至第一换热器单元；以及
[0012]低压储气装置，用于输入所述常温空气进行储存，还用于输出所述常温空气至所述第一换热器单元。
[0013]优选的，储能系统还包括低温栗，低温蓄冷工质通过所述低温栗从低温储罐中栗出，并进入所述第一换热器单元;优选的还包括常温栗，常温蓄冷工质通过所述常温栗从所述常温储储罐栗出，并进入所述第二换热器单元。
[0014]优选的，所述压气机组包括至少一台低压压气机和至少一台高压压气机，相互串联或集成为整体多级压气机，从每一台低压压气机入口输入换热后的空气，输出低压空气；低压空气再输入高压压气机，从高压压气机输出压缩后的空气。
[0015]优选的，所述压气机组还包括中间级压气机，所述低压空气经中间级压气机压缩后，经第一换热器单元与低温蓄冷工质换热，再输入高压压气机。
[0016]优选的，所述第一换热器单元和第二换热器单元均包括两个以上换热器，压气机组中的压气机输入空气前均与换热器换热或者膨胀机组中的膨胀机输出空气后均与换热器进行换热。
[0017]优选的，所述膨胀机组包括至少一台低压膨胀机和至少一台高压膨胀机，相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台高压膨胀机输入储存的压缩空气，输出初级膨胀空气；每一台低压膨胀机输入初级膨胀空气，输出末级膨胀空气。
[0018]优选的，所述膨胀机组还包括中间级膨胀机，所述初级膨胀空气输入所述中间级膨胀机后再输入低压膨胀机。
[0019]优选的，储能系统还包括发电机，与所述对膨胀机组连接，使膨胀机组做功时带动发电机发电。
[0020]根据本发明的另一方面，还提供一种闭式低温压缩空气储能方法，包括:
[0021]在用电低谷或者储能时:
[0022]常温空气和低温蓄冷工质在第一换热器单元进行换热，常温空气换热后转化为换热后的空气，低温蓄冷工质换热后转化为常温蓄冷工质；
[0023]电动机驱动压气机组将换热后的空气压缩为压缩后的空气，压入高压储气装置存储；
[0024]通过采用常温储罐输入常温蓄冷工质进行储存；
[0025]在用电高峰或者释放能量时:
[0026]高压储气装置输出所储存的压缩空气，输入膨胀机组内做功并带动发电机发电，从膨胀机组输出膨胀降温后的空气；
[0027]将常温储罐中常温蓄冷工质注入换热器中，与膨胀降温后的空气进行换热，常温蓄冷工质换热后转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气；
[0028]将低温蓄冷工质输入低温储罐进行储存，低温储罐还用于在用电低谷或者储能时输入所述低温蓄冷工质至第一换热器单元；
[0029]将常温空气输入低压储气装置进行储存，低压储气装置还用于输出所述常温空气至所述第一换热器单元。
[0030]优选的，通过开停压气机组的部分压气机或调节压气机转速控制压气机流量，从而调节储能能力；和/或通过开停部分膨胀机组的膨胀机或调节膨胀机转速控制膨胀机做功能力，从而调节发电能力。
[0031]通过上述技术方案，本发明实现的有益效果在于:
[0032](I)采用双闭式循环回路，使得储能系统在储能过程和释能过程中都不与环境进行工质交换，只存在热量交换，从而降低压缩空气储能系统对环境依赖性；
[0033](2)系统不存在高温热源的存储，减少系统在存储过程中热耗散，提高系统储能效率，并回收膨胀机出口的冷能，作为压气机的级间冷却的冷源，进一步降低压气机的耗功，从而提尚系统效率；
[0034](3)该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。
【附图说明】
[0035]图1为本发明的闭式低温压缩空气储能系统实施例1结构示意图；
[0036]图2为本发明的闭式低温压缩空气储能系统实施例2结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]在本发明中，“低温”是指低于常温的温度；“低温储罐”是指用于储存低于常温的工质的储罐装置；“低温栗”是指用于栗抽低于常温的工质的栗。
[0038]根据本发明总体上的发明构思，一种闭式低温压缩空气储能系统，包括:第一换热器单元，常温空气在所述第一换热器单元内与低温蓄冷工质进行换热，常温空气换热后转为换热后的空气，低温蓄冷工质换热后转为常温蓄冷工质;压气机组，输入所述换热后的空气，输出压缩后的空气；常温储罐，用于输入常温蓄冷工质进行储存，还用于将储存的常温蓄冷工质输出；高压储气装置，用于输入压缩后的空气进行储存，还用于输出所储存的压缩空气;膨胀机组，输入储存的压缩空气，压缩空气在膨胀机组内对膨胀机组做功输出膨胀降温后的空气;第二换热器单元，常温储罐输出的常温蓄冷工质在所述第二换热器单元内与所述膨胀降温后的空气进行换热，常温蓄冷工质换热后转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气;低温储罐，用于输入所述低温蓄冷工质进行储存，还用于输出所述低温蓄冷工质至第一换热器单元；以及低压储气装置，用于输入所述常温空气进行储存，还用于输出所述常温空气至所述第一换热器单元。
[0039]通过采用双回路闭式循环系统，将冷能存储和压缩空气存储相结合，降低压缩空气储能系统的热耗散和对环境的依赖性。
[0040]本发明的闭式低温压缩空气储能系统，它在用电低谷通过压气机组将低压储气装置中空气压入高压储气装置存储，将电能转化为空气的内能存储起来，同时通过低温栗将低温蓄冷工质用来冷却每级压气机进口空气，减小压气机耗功;在用电高峰，高压储气装置中高压空气通过膨胀机带动发电机发电，同时常温储罐中的常温蓄冷工质通过级间加热器将空气加热至环境温度，提供膨胀机的单位工质的输出功率，同时回收每级膨胀机出口空气的冷能，用于下一储能过程中压气机级间冷却的冷源。本发明采用双闭式循环回路，使得储能系统在储能过程和释能过程中都不与环境进行工质交换，只存在热量交换，从而降低压缩空气储能系统对环境依赖性，并回收膨胀机出口空气的冷能，作为压气机的级间冷却的冷源，降低压气机的耗功，从而提高系统效率。同时，该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好。
[0041]其中，系统还可以包括发电机，与所述对膨胀机组连接，使膨胀机组做功时带动发电机发电。
[0042]其中，系统还可以包括低温栗，低温蓄冷工质通过所述低温栗从低温储罐中栗出，并进入所述第一换热器单元。优选的还包括常温栗，常温蓄冷工质通过所述常温栗从所述常温储储罐栗出，并进入所述第二换热器单元。
[0043]对于低温栗或常温栗，优选的是叶轮式栗或容积式栗。所述的闭式低温压缩空气储能系统，其所述叶轮式栗，为轴流式、混流式或离心式栗其中的一种或多种的组合;容积式栗，为齿轮栗、螺杆栗、罗茨栗或滑片栗其中的一种或多种的组合。
[0044]对于压气机组，所述压气机组包括至少一台低压压气机和至少一台高压压气机，相互串联或集成为整体多级压气机，从每一台低压压气机入口输入换热后的空气，输出低压空气;低压空气再输入高压压气机，从高压压气机输出压缩后的空气。
[0045]优选的，所述压气机组还包括中间级压气机，所述低压空气经中间级压气机压缩后，经第一换热器单元与低温蓄冷工质换热，再输入高压压气机。
[0046]对于第一换热器单元和第二换热器单元，优选的，所述第一换热器单元和第二换热器单元均包括两个以上换热器，压气机组中的压气机输入空气前均与换热器换热或者膨胀机组中的膨胀机输出空气后均与换热器进行换热。
[0047]优选的，对于换热器，可以是板翅式、套管式、管壳式、管翅式或夹套式。
[0048]对于膨胀机组，所述膨胀机组包括至少一台低压膨胀机和至少一台高压膨胀机，相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台高压膨胀机输入储存的压缩空气，输出初级膨胀空气;每一台低压膨胀机输入初级膨胀空气，输出末级膨胀空气。
[0049]优选的，所述膨胀机组还包括中间级膨胀机，所述初级膨胀空气输入所述中间级膨胀机后再输入低压膨胀机。
[0050]优选的，对于压气机组或膨胀机组，当为两级以上时，为共轴串联形式、或分轴并联形式;并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。压气机或膨胀机，是活塞式、轴流式、斜流式、离心式、螺杆式其中的一种或多种的组合。
[0051 ]优选的，电动机的驱动电源是常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种的组合。
[0052]对于所述高压储气装置，优选的，是洞穴或人造压力容器。所述低压储气装置，优选的是恒压容器，其容积可变，且与环境可进行热交换，使得内部温度与环境温度相同。
[0053]对于常温储罐，可以为人造容器，可与外部进行热交换，使得存储的蓄冷工质温度与环境温度相同。对于所述低温储罐，为夹层抽真空结构、内保温结构或外保温结构。
[0054]对于所述空气，优选的还可替代为二氧化碳或氮气；对于所述蓄冷工质，为油、醇类水溶液的一种或两种的组合。
[0055]根据本发明的同一构思，还提供一种闭式低温压缩空气储能方法，
[0056]包括:
[0057]在用电低谷或者储能时:
[0058]常温空气和低温蓄冷工质在第一换热器单元进行换热，常温空气换热后转化为换热后的空气，低温蓄冷工质换热后转化为常温蓄冷工质；
[0059]电动机驱动压气机组将换热后的空气压缩为压缩后的空气，压入高压储气装置存储；
[0060]通过采用常温储罐输入常温蓄冷工质进行储存；
[0061 ]在用电高峰或者释放能量时:
[0062]高压储气装置输出所储存的压缩空气，输入膨胀机组内做功并带动发电机发电，从膨胀机组输出膨胀降温后的空气；
[0063]将常温储罐中常温蓄冷工质注入换热器中，与膨胀降温后的空气进行换热，常温蓄冷工质换热后转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气；
[0064]将低温蓄冷工质输入低温储罐进行储存，低温储罐还用于在用电低谷或者储能时输出所述低温蓄冷工质至第一换热器单元；
[0065]将常温空气输入低压储气装置进行储存，低压储气装置还用于输出所述常温空气至所述第一换热器单元。
[0066]优选的，其所述储能在电力低谷、可再生能源发电冗余时启用；释能在用电高峰、电力事故、可再生能源发电不符合要求时启用。
[0067]优选的，通过开停压气机组的部分压气机或调节压气机转速控制压气机流量，从而调节储能能力；和/或通过开停部分膨胀机组的膨胀机或调节膨胀机转速控制膨胀机做功能力，从而调节发电能力。
[0068]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[0069]实施例1:
[0070]图1所示为本发明的闭式低温压缩空气储能系统实施例1，它采用两级压缩、级间冷却和两级膨胀、级间加热。其中，图1中附图标记具有以下含义:
[0071]电动机I，低压压气机2，高压压气机6，高压膨胀机14，低压膨胀机18，换热器4、16、21、29，阀门8、12、23、27、33、40、44、51，管线3、5、7、9、11、13、15、17、20、22、24、26、28、30、32、34、36、37、38、39、41、43、45、47、48、49、50、52，高压储气装置10，低压储气装置25，发电机19，常温储罐31，低温储罐42，低温栗46，常温栗35，蓄冷工质和空气。
[0072]电动机I与压气机组的共有传动轴联接，发电机19与膨胀机组的共有传动轴联接。低压压气机2经管线30、低压储气装置25经管线26、28、阀门27分别与换热器29相连通;低压压气机2经管线3、高压压气机6经管线5分别与换热器4相通连;高压压气机6经管线7、9与及阀门8与高压储气装置10相连通;高压膨胀机14经管线11、13及阀门12与高压储气装置10相通连;高压膨胀机14经管线15、低压膨胀机18经管线17分别与换热器16相通连;低压储气装置25经管线20、22、24、阀门23、换热器21与低压膨胀机18相连通;低温栗46经管线43、45、阀门44与低温储罐42相连通;换热器29和换热器4分别经管线47和管线49与低温栗46相连通；换热器29和换热器4分别经管线48和管线50与阀门51相连通；阀门51经管线52、常温栗35经管线32、34、阀门33分别与常温储罐31相连通;换热器16和换热器21分别经管线36和管线38与常温栗35相连通;热器16和换热器21分别经管线37和管线39与阀门40相连通；阀门40经管线41与低温储罐42相连通。
[0073]储能时，打开阀门8、27、44、51，关闭阀门12、23、33、40，电动机I利用低谷电带动压气机组，低压储能装置中的常温空气通过管线26、28、阀门27进入换热器29，同时低温储罐42中低温蓄冷工质经管线43、45、47、阀门44、低温栗46进入换热器29冷却常温空气，空气的温度降低后进入低压压气机2压缩升温升压，压缩后的空气经管线3进入换热器4继续被低温蓄冷工质冷却，冷却后的空气经管线5进入高压压气机6继续压缩并升温升压，其出口空气经阀门8及管线7、9进入高压储气装置10存储，同时进入换热器29、换热器4中的低温蓄冷工质冷却空气的同时，低温蓄冷工质被空气加热后，经阀门51、管线52进入常温储罐31进行存储，储能结束，关闭阀门8、27、44、51。释能时，关闭阀门8、27、44、51，打开阀门12、23、33、40，高压储气装置10内的高压空气经管线11、13及阀门12进入高压膨胀机14膨胀降温，其出口空气经管线15进入换热器16，常温储罐31中的常温蓄冷工质经管线32、34、36、阀门33、常温栗35进入换热器16加热空气，经过换热器16后，常温蓄冷工质被高压膨胀机出口空气冷却至低温，空气被加热至环境温度，经管线17进入低压膨胀机18继续膨胀做功并带动发电机19发电，低压膨胀机18出口的空气再次被常温蓄冷工质加热至环境温度进入低压储气装置25中进行存储，经过换热器16、21冷却后的蓄冷工质经阀门40、管线41进入低温储罐42进行存储。释能结束，阀门12、23、33、40关闭。
[0074]—般情况下，储能和释能过程不同时进行，储能时，阀门8、27、44、51同时打开，阀门12、23、33、40关闭，阀门27、44的开度由压气机组流量控制。释能时，阀门12、23、33、40同时打开，阀门8、27、44、51关闭，阀门12、33的开度由膨胀机组流量控制。
[0075]实施例2:
[0076]图2所示为本发明的闭式低温压缩空气储能系统实施例2，其主体结构与实施例1相同，但它采用三级压缩、级间冷却及三级膨胀、级间加热代替实施例1中的两级压缩、级间冷却及两级膨胀、级间加热。其中，图2中附图标记具有以下含义:
[0077]电动机I，低压压气机55，中压压气机59，高压压气机63，高压膨胀机64，中压膨胀机68，低压膨胀机72，换热器53、57、61、66、70、74，高压储气装置10，低压储气装置25，常温储罐31，低温储罐42，低温栗46，常温栗35，阀门8、12、23、27、33、40、44、51，管线26、28、54、56、58、60、62、7、9、11、13、65、67、69、71、73、22、24、43、45、81、82、83、84、85、86、52、32、34、75、76、77、78、79、80、41，发电机19，蓄冷工质和空气。
[0078]各部件的连接情况与实施例1基本相同。
[0079]储能时，打开阀门8、27、44、51，关闭阀门12、23、33、40，低压储气装置25中空气经过换热器53、低压压气机55、换热器57、中压压气机59、换热器61、高压压气机63、阀门8、27及管线26、28、54、56、58、60、62、7、9进入高压储气装置10进行存储，同时，低温储罐42中的低温蓄冷工质也进入换热器53、57、61中冷却每级压气机进口空气，低温蓄冷工质被空气加热后进入常温储罐31中存储，储能结束，关闭阀门8、27、44、51。释能时，关闭阀门8、27、44、51，打开阀门12、23、33、40，高压空气经过阀门12和管线11、13进入高压膨胀机64膨胀做功，然后通过管线65进入换热器66加热，再通过管线67进入中压膨胀机68做功，然后经管线69进入换热器70加热，加热后的空气经管线71进入低压膨胀机72做功，同时常温储罐31中的蓄冷工质被每级膨胀机出口空气冷却后进入低温储罐42中进行存储，释能结束后，关闭阀门12、23、33、40。
[0080]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于包括: 第一换热器单元，常温空气在所述第一换热器单元内与低温蓄冷工质进行换热，常温空气换热后转为换热后的空气，低温蓄冷工质换热后转为常温蓄冷工质； 压气机组，输入所述换热后的空气，输出压缩后的空气； 常温储罐，用于输入常温蓄冷工质进行储存，还用于将储存的常温蓄冷工质输出； 高压储气装置，用于输入压缩后的空气进行储存，还用于输出所储存的压缩空气； 膨胀机组，输入储存的压缩空气，压缩空气在膨胀机组内对膨胀机组做功输出膨胀降温后的空气； 第二换热器单元，常温储罐输出的常温蓄冷工质在所述第二换热器单元内与所述膨胀降温后的空气进行换热，常温蓄冷工质换热后转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气； 低温储罐，用于输入所述低温蓄冷工质进行储存，还用于输出所述低温蓄冷工质至第一换热器单元；以及 低压储气装置，用于输入所述常温空气进行储存，还用于输出所述常温空气至所述第一换热器单元。2.根据权利要求1所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于还包括低温栗，低温蓄冷工质通过所述低温栗从低温储罐中栗出，并进入所述第一换热器单元;优选的还包括常温栗，常温蓄冷工质通过所述常温栗从所述常温储储罐栗出，并进入所述第二换热器单J L ο3.根据权利要求1所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机组包括至少一台低压压气机和至少一台高压压气机，相互串联或集成为整体多级压气机，从每一台低压压气机入口输入换热后的空气，输出低压空气;低压空气再输入高压压气机，从高压压气机输出压缩后的空气。4.根据权利要求3所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机组还包括中间级压气机，所述低压空气经中间级压气机压缩后，经第一换热器单元与低温蓄冷工质换热，再输入高压压气机。5.根据权利要求1所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一换热器单元和第二换热器单元均包括两个以上换热器，压气机组中的压气机输入空气前均与换热器换热或者膨胀机组中的膨胀机输出空气后均与换热器进行换热。6.根据权利要求1所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机组包括至少一台低压膨胀机和至少一台高压膨胀机，相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台高压膨胀机输入储存的压缩空气，输出初级膨胀空气;每一台低压膨胀机输入初级膨胀空气，输出末级膨胀空气。7.根据权利要求1所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机组还包括中间级膨胀机，所述初级膨胀空气输入所述中间级膨胀机后再输入低压膨胀机。8.根据权利要求1所述的闭式低温压缩空气储能系统，其特征在于还包括发电机，与所述对膨胀机组连接，使膨胀机组做功时带动发电机发电。9.一种闭式低温压缩空气储能方法，其特征在于包括: 在用电低谷或者储能时: 常温空气和低温蓄冷工质在第一换热器单元进行换热，常温空气换热后转化为换热后的空气，低温蓄冷工质换热后转化为常温蓄冷工质； 电动机驱动压气机组将换热后的空气压缩为压缩后的空气，压入高压储气装置存储； 通过采用常温储罐输入常温蓄冷工质进行储存； 在用电高峰或者释放能量时: 高压储气装置输出所储存的压缩空气，输入膨胀机组内做功并带动发电机发电，从膨胀机组输出膨胀降温后的空气； 将常温储罐中常温蓄冷工质注入换热器中，与膨胀降温后的空气进行换热，常温蓄冷工质换热后转为低温蓄冷工质，膨胀降温后的空气经换热后转为常温空气； 将低温蓄冷工质输入低温储罐进行储存，低温储罐还用于在用电低谷或者储能时输入所述低温蓄冷工质至第一换热器单元； 将常温空气输入低压储气装置进行储存，低压储气装置还用于输出所述常温空气至所述第一换热器单元。10.根据权利要求9所述的闭式低温压缩空气储能方法，其特征在于，通过开停压气机组的部分压气机或调节压气机转速控制压气机流量，从而调节储能能力;和/或通过开停部分膨胀机组的膨胀机或调节膨胀机转速控制膨胀机做功能力，从而调节发电能力。
【文档编号】F01B23/10GK105863751SQ201610382016
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】张雪辉, 陈海生, 李弘扬, 李文, 朱阳历, 胡东旭
【申请人】中国科学院工程热物理研究所