一种太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置及其控制方法与流程

本发明属于新能源和电力储能复合技术领域，特别涉及一种太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置及其控制方法。

背景技术：

昼夜交替、气候变化以及一天中太阳辐射强度随时间的波动等因素的影响，使得太阳能的获取总是间歇而不连续。而太阳能辐射强度的不可控性和随机性导致太阳能发电系统很难平稳运行。太阳能热电站地址主要位于太阳直接辐射强度高的地区，这些地区的大气温度通常较高，因此在太阳能热发电系统冷凝装置运行过程中，乏汽无法有效和及时散热凝结成水，导致整个系统的运行效率下降。针对以上问题，将传统的太阳能热电站引入压缩空气储能技术，实现太阳能热电站和压缩空气储能装置的联合控制是一种创新的思路。

技术实现要素：

本发明的目的是针对太阳能热电站发电系统平稳运行问题，提出一种太阳能与压缩空气储能联合运行装置，实现太阳能热电站电力的平稳输出和提高年利用率。在太阳能充足的情况下，压缩空气储能装置工作处于储能状态，将多余的电能储存起来；在太阳能不足的情况下，压缩空气储能装置处于发电状态，维持太阳能热电站稳定运行。同时，当环境温度较高时，将部分压缩空气进行膨胀发电，吸收乏汽的热量，加快乏汽凝结成水的速度，提高整个系统的运行效率。

本发明提供一种太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置，其包括：太阳能热电站、压缩空气储能单元和换热装置；所述太阳能热电站包括太阳能聚焦装置、吸热器、储热系统、蒸汽发生器、汽轮机、发电机、电网和冷凝器；所述压缩空气储能单元包括高温罐、储气装置、第一活塞缸、第一液体池和第一传动设备；所述换热装置包括第一换热器和水泵；所述第一活塞缸的活塞腔通过液体管道分别与高温罐和第一液体池相连，第一活塞缸的活塞杆连接第一传动设备，所述高温罐和储气装置相连，所述电网与第一传动设备通过电线相连；所述第一换热器的液体流入端和流出端依次与第一液体池的液体流入和流出端连接，形成封闭的循环系统；所述冷凝器出水口、水泵、第一换热器的进水口和出水口、蒸汽发生器依次连接，形成单向系统。

进一步，所述储气装置包括变压储气装置和恒压储气装置；所述变压储气装置包括储气罐；所述恒压储气装置包括水泵直接控制装置和活塞控制装置；所述水泵直接控制包括储气罐、水泵、第二液体池，水泵通过液体管道连接储气罐和第二液体池；所述活塞控制包括储气罐、第二活塞缸和第二液体池，第二活塞缸的活塞腔通过液体管道分别与储气罐和第二液体池连接，第一活塞缸的活塞杆和第二活塞缸的活塞杆同轴相连。

进一步，所述压缩空气储能单元增加一个低温罐、第三活塞缸和第三液体池，所述低温罐连接高温罐和储气罐，第三活塞缸的活塞腔通过液体管道分别与所述低温罐和第三液体池相连，所述换热装置增加第二换热器，所述第二换热器的液体流入和流出端口依次与第三液体池的液体流入端和流出端连接，形成封闭的循环系统。

进一步，所述压缩空气储能单元增加两台气用活塞缸，所述高温罐的进气口与第一气用活塞缸的出气口相连，高温罐的出气口连接第二气用活塞缸的进气口，储能时，气体在第一气用活塞缸内进行绝热压缩，温度升高，将高温气体等压迁移到高温罐中，进行等温压缩，压缩完成后，等压迁移到第二气用活塞缸内，在第二气用活塞缸内进行绝热膨胀，温度降低，将低温气体等压迁移到储气罐或者低温罐中，为等温膨胀做准备；发电时，低温气体在第二气用活塞缸内进行绝热压缩，温度升高，再等压迁移到高温罐中进行等温膨胀发电；气用活塞缸实现气体在高温和低温之间的无能耗温度转换。

进一步，所述活塞缸的活塞杆独立设置时，第一活塞缸的活塞杆连接第一传动设备；第二活塞缸的活塞杆连接第二传动设备，第三活塞缸的活塞杆连接发电设备。

本发明还提供一种上述装置的控制方法，具体为：在太阳能充足的情况下，太阳能热电站发出的电能供给电网，电网提供一部分电能输送给第一传动设备，第一传动设备推动第一活塞缸的活塞杆运动使气体在高温罐中进行等温压缩，等温压缩过程结束后，将高压气体从高温罐迁移到储气装置中，第一传动设备推动第一活塞缸的活塞杆运动使外界的低压气体进入高温罐，高温罐中的液体回到第一液体池，气体压缩过程中所放出的热量通过第一换热器对乏汽冷凝后的水进行加热；在太阳能不足的情况下，将高压气体从储气装置迁移到高温罐中，高压气体在高温罐中进行等温膨胀，气体做功推动第一活塞缸的活塞杆运动，第一传动设备发电输送到电网。

进一步，在太阳能充足的情况下，将高温罐内等温压缩产生的高压气体一部分迁移到储气罐中，另一部分迁移到低温罐中，或将储气罐中的部分高压气体迁移到低温罐中，气体在低温罐中进行等温膨胀，等温膨胀过程结束后，通过第二换热器吸收乏汽热量用于加热第三液体池内的液体，提高太阳能热电站的乏汽冷凝速度和效率，同时气体膨胀做功发出的电能输送到电网。

进一步，储能时，第一传动设备耗能带动活塞缸中的活塞杆运动，等温压缩高温罐中的气体，第二传动设备耗能带动活塞缸中的活塞杆运动，气体从高温罐等压迁移到储气罐中，低温罐中的气体等温膨胀推动第三活塞缸中的活塞杆运动，带动发电设备发电；发电时，第二传动设备耗能带动活塞缸中的活塞杆运动，气体从储气罐中等压迁移到高温罐中，高压气体在高温罐中进行等温膨胀，活塞缸的活塞杆推动第一传动设备运动，发出电能输送到电网。

本发明的有益效果：当太阳能充足时，多余的电能通过压缩空气储能装置储存起来，同时将压缩空气释放的热量通过热交换装置加热乏汽冷凝后的水，实现太阳能热电站发电高峰的电能存储，也充分利用气体压缩释放的热能。当太阳能不足时，利用压缩空气储能装置发电，用来补充太阳能热发电的发电功率。在环境温度较高，冷凝装置工作困难时，让部分高压气体进行膨胀发电，气体膨胀吸收乏汽的热量，加快乏汽的冷凝成水的速度，从而提高整个装置的运行效率。

附图说明

图1为本发明太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置结构图。

图2为本发明太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的变压储气装置图。

图3为本发明太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的水泵直接控制恒压储气装置图。

图4为本发明太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的活塞控制恒压储气装置图。

图5为本发明太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的另一结构图。

图6为本发明太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的又一结构图。

图7为本发明第一方案压缩空气储能装置的原理图。

图8为本发明另一方案的压缩空气储能装置的原理图。

图9为本发明又一方案的压缩空气储能装置的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步说明。

一种太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置如图1所示：该装置包括太阳能热电站9、压缩空气储能单元16和换热装置19。所述太阳能热电站9包括太阳能聚焦装置1、吸热器2、储热系统3、蒸汽发生器4、汽轮机5、发电机6、电网7和冷凝器8。所述压缩空气储能单元16包括高温罐10、第一活塞缸11、第一液体池12、第一传动设备13和储气装置15。所述换热装置19包括第一换热器18和水泵17。

所述第一活塞缸11的活塞腔通过液体管道分别与高温罐10和第一液体池12相连，第一活塞缸的活塞杆连接第一传动设备13，电网7与第一传动设备13通过电线相连，所述高温罐10和储气装置15相连。

所述第一换热器18的液体流入端和流出端依次与第一液体池12的液体流入端和流出端连接，形成封闭的循环系统，冷凝器8的出水口、水泵17、第一换热器18的进水口和出水口、蒸汽发生器4依次连接，形成单向系统。

所述储气装置15包括变压储气装置和恒压储气装置；所述变压储气装置如附图2所示，包括储气罐20；

所述恒压储气装置包括水泵直接控制装置和活塞控制装置；所述水泵直接控制装置如附图3所示，包括储气罐20、水泵21、第二液体池22，水泵21通过液体管道连接储气罐20和第二液体池22；

所述活塞控制装置如附图4所示，包括储气罐20、第二活塞缸23和第二液体池22，第二活塞缸23的活塞腔通过液体管道分别与储气罐20和第二液体池22连接，第一活塞缸11的活塞杆和第二活塞缸23的活塞杆同轴相连。

所述压缩空气储能单元具有储能和发电两种运行方式(以活塞控制的恒压储气方式为例)：在太阳能充足的情况下，压缩空气储能装置工作在储能模式。发电机6发出的电能输送到电网7，电网7提供电能用于推动活塞杆运动，当活塞杆向右运动时，阀门a4、a5、a8～a9打开，阀门a1～a3、a6～a7、a10～a11关闭，气体在高温罐10中进行等温压缩，气体在高温罐10中压缩完成后，当活塞杆向右运动时，阀门a2、a4～a5、a7～a8、a11打开，阀门a1、a3、a6、a9～a10关闭，高压气体从高温罐10中等压迁移到储气罐20中；气体迁移完成后，当活塞杆向右运动时，阀门a1、a3、a6、a8～a9打开，阀门a2、a4～a5、a7、a10～a11关闭，大气中的低压气体进入高温罐10中，为下一次储能过程做准备，同时，高温罐10中的液体回到第一液体池12，第一液体池12中的液体通过第一换热器18与乏汽凝结后的水进行热交换。

在太阳能不足的情况下，压缩空气储能装置工作在发电模式。活塞杆向右运功时，阀门a2～a3、a6～a7、a9～a10打开，阀门a1、a4～a5、a8、a11关闭，气体从储气罐20等压迁移到高温罐10中。气体迁移完成后，高压气体在高温罐10中进行等温膨胀，当推动活塞杆向右运动时，阀门a3、a6、a8～a9打开，阀门a1、a4～a5、a7、a10～a11关闭，等温膨胀吸收的热量可由储热系统3提供，由于高压气体等温膨胀所需的热量远远小于产生高温高压蒸汽所需的热量，因此此联合系统对储热系统的要求大大降低。气体等温膨胀推动活塞杆运动，发出电能输送到电网。气体膨胀完成后，发电过程结束，当活塞杆向右运动时，阀门a1、a4～a5、a8～a9打开，阀门a2～a3、a6～a7、a10～a11关闭，将膨胀完的气体排放到大气中，为下一次发电过程做准备。

附图7为实现方案1压缩空气储能装置的原理图，其中①表示气体在高温罐等温压缩过程(即储能模式)，②表示气体在低温罐等温膨胀过程(即发电模式)。

一种太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的另一方案如图5所示，该方案在上述方案的基础上添加了设备，所述压缩空气储能单元增加一个低温罐25、第三活塞缸26和第三液体池27，所述换热装置新增第二换热器24，所述低温罐25连接高温罐10和储气罐20，第三活塞缸26的活塞腔通过液体管道分别与低温罐25和第三液体池27相连，第二换热器24的液体流入端和流出端依次与第三液体池27的液体流入端和流出端连接，形成封闭的循环系统。

在太阳能充足的情况下，可以将高温罐内等温压缩产生的高压气体一部分等压迁移到储气罐中，另一部分等压迁移到低温罐中，也可将储气罐中的部分高压气体等压迁移到低温罐中，气体在低温罐中进行等温膨胀，通过第二换热器吸收乏汽热量用于气体膨胀，提高太阳能热电站的乏汽冷凝速度和效率，同时气体膨胀做功发出的电能输送到电网。

太阳能热电站通常建在太阳直接辐射强度大的地区，这些地区的环境温度较高，使得太阳能热电站的冷凝部分运行较困难，常规的冷凝装置无法使乏汽快速的散发热量，凝结成水，从而影响整个太阳能热电站的运行效率。利用高压气体膨胀吸热特性可以很好的解决这一问题。在太阳能充足的情况下，可以将高温罐内等温压缩产生的高压气体一部分等压迁移到储气罐20中，另一部分等压迁移到低温罐25中，也可将储气罐20中的部分高压气体等压迁移到低温罐25中。高压气体在低温罐25中进行等温膨胀，同时第三液体池27的液体通过第二换热器24与乏汽进行热交换，吸收乏汽的热量，加快乏汽凝结成水的速度，提高太阳能热电站的运行速度。对于同轴活塞杆，高温罐10中气体等温压缩消耗电能，低温罐25中气体等温膨胀发出电能，两者的功率差额由电网7的电能提供。

附图8为实现方案2压缩空气储能装置的原理图，其中①表示气体在高温罐等温压缩过程，②表示高压气体由高温罐转移到低温罐中，③表示气体在低温罐等温膨胀过程。

一种太阳能热电站与压缩空气储能单元联合运行装置的又一方案如图6所示，该方案在图5方案的基础上添加了设备，所述压缩空气储能单元增加两台气用活塞缸，高温罐10可以和气用活塞缸结合，外界气体进入高温罐10中、高压气体由高温罐10等压迁移到低温罐25中，气体直接与液体进行热交换，并且，高温气体在储气罐20内储存时，温度会下降，造成能量损失，采用气用活塞缸，可以使气体在高温和低温之间无能耗温度转换，提高能量的利用率。高温罐10的进气口与第一气用活塞缸29的出气口相连，高温罐10的出气口连接第二气用活塞缸31的进气口，储能时，气体在第一气用活塞缸29内进行绝热压缩，温度升高至与高温罐内气体温度一致，将高温气体等压迁移到高温罐10中，进行等温压缩，压缩完成后，等压迁移到第二气用活塞缸31内，在第二气用活塞缸31内进行绝热膨胀，温度降低，将低温气体等压迁移到储气罐20或者低温罐25中，为等温膨胀做准备。发电时，低温气体在第二气用活塞缸31内进行绝热压缩，温度升高，再等压迁移到高温罐10中进行等温膨胀发电。气用活塞缸实现气体在高温和低温之间的无能耗温度转换。

所述活塞缸11、23、26的活塞杆独立设置。储能时，第一传动设备13耗能带动第一活塞缸11中的活塞杆运动，等温压缩高温罐10中的气体，第二传动设备33耗能带动第二活塞缸23中的活塞杆运动，气体从高温罐10等压迁移到储气罐20中，低温罐25中的气体等温膨胀推动第三活塞缸26中的活塞杆运动，带动发电设备34发电。发电时，第二传动设备33耗能带动第二活塞缸23中的活塞杆运动，气体从储气罐20中等压迁移到高温罐10中，高压气体在高温罐10中进行等温膨胀，活塞缸11的活塞杆推动第一传动设备13运动，发出电能输送到电网。

附图9为实现方案3压缩空气储能装置的原理图，其中①表示气体在高温罐等温压缩过程，②表示气用活塞缸内高温气体的绝热膨胀过程，③表示气体在低温罐等温膨胀过程，④气用活塞缸内低温气体的绝热压缩过程。

水泵14、28的作用在于实现高温罐和低温罐内的液体循环，使得液体和气体充分接触，实现等温膨胀和等温压缩。

水泵直接控制的恒压储气装置通过调节水泵21的进出水量来调节储气罐20内的气体压强，达到恒压储气的目的。

上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。