一种储能装置的制作方法

本发明属于热力及流体机械范畴，涉及储能技术，特别是抽水储能、压缩空气储能、热力相变储能及用于发电、加热水、供冷和供水的系统。

背景技术：

当前，电力储能主要是为了解决两方面的问题，一是解决白天和晚上以及由于季节性变化造成的电网上的电力供需不平衡。二是解决由于可再生能源发电受到自然条件的影响，造成的供电不稳定和间歇供电。这些发电量与用电量之间的不平衡问题，对电力系统的安全运行造成了很大的麻烦，也使能量的有效利用率大大降低。为了解决这些问题，人们采取了储能技术削峰填谷，将过多的发电量储存起来，在用电量需求大时补充进电网。在供电方面，储能技术能够维持电力系统稳定运行，避免因为用电量波动对电网的冲击，减少电网消耗。在用电方面，用户可根据电价的峰谷值来选择电能的储存和释放，提高用电的经济效益。同时，储能系统还是分布式能源系统的的关键技术，分布式式能源系统采用大量小型分布式能源系统代替常规大型集中式能源系统，并且，由于系统的容量较小，系统负荷的波动也将大幅度增加，因此，采用能量储存系统作为负荷平衡装置是分布式能源系统必须考虑的措施。

目前已有的储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导储能、飞轮储能和超级电容器储能、相变储热储能等，但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、投资运行费用、环保、自然条件等因素影响，目前已在大型商业系统中运行的只有抽水储能和压缩空气储能两种。

抽水储能电站系统具有技术成熟、效率高、容量大等优点，是目前应用最广泛的储能发电系统。但是抽水储能发电系统需要特殊的地理条件建造水库和水坝，选址困难，同时建设周期长、投资大、环境影响大，因此受到很多限制。

压缩空气储能发电系统，技术并不复杂，但通常需要合适的洞穴或矿井来储存高压空气，这极大地限制了空气储能的发展；此外，压缩空气在释放过程中压力不断减小，为保证膨胀机稳定运行，需要通过稳压装置将高压空气节流降压后使用，或为保证透平机稳定运行，将燃料与压缩空气混合输入燃气轮机一起混合燃烧，调节输出动力。这些过程要么浪费了大量的压缩能，要么还会造成环境污染。

中国发明申请号为201110137038的申请文献中提出了“一种抽水压缩空气储能系统”，该系统在用电低谷时通过水泵将水从储水池压入气压罐，使罐内气体受到压缩，从而将电能转化为空气的内能储存起来；在用电高峰时，气压罐中高压空气将水压出，经输水管道驱动水轮机并带动发电机发电。该系统特别适用于分布式小型储能系统，但该系统储能密度较低且没有加热水功能等。

另据报道，德国人发明了一种被称为水利岩石储能技术，其基本原理是：用圆柱体活塞形的岩石嵌放在形状相同的储水池中，有富裕电力时，泵会把水压入储水池中，此时岩石活塞就会被水压提起，即将电能转化成了重力势能。而当电网需要补充电能供应时，闸门会打开，此时岩石活塞会下降，挤压储水池中的水流经水轮机来发电，将重力势能转化成电能。该系统的储能能力取决于岩石活塞的密度、尺寸、质量和被抬高的高度等，由于岩石的密度并不高，岩石活塞的尺寸会很大，如果大型化，施工安装都存在很多困难。另外，活塞能被提升的高度最多是其自身的一半，否则会侧倾。

中国发明申请号为201310088097的申请文献中提出了“一种正逆有机朗肯循环储能的方法及系统”，该系统是利用相变储能，储能密度大，可稳定连续实现电能储存及释放；但是，此系统没有考虑热力循环过程中的低品位热能和冷量的有效利用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种储能密度高、能量损失小、受地理环境条件影响小、施工安装方便，可储热发电、抽水压缩气体储能发电、加热冷水、供冷、供水的多功能储能和能量转换系统。

为达到上述目的和解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

一种储能装置 ，包括动力泵、气压罐、水轮发电机组、储水罐、管路、阀门等，动力泵的进水口通过三通连接有进水单向阀，进水单向阀的进水口连接有进水管路，进水管口与水源连通，动力泵的出水口通过管阀与气压罐的进水口连通，气压罐的动力出水口通过管路、阀门与水轮发电机组的进水口连通，水轮发电机组的出水口通过管路、阀门与储水罐的进水口连通，储水罐的回水口或出水口通过管路、阀门也与动力泵的进水口连通；气压罐内装有滚动隔膜，隔膜将气压罐分隔成高压气腔和高压水腔，高压水腔上安装有进水口、动力出水口；储水罐内装有滚动隔膜，隔膜将储水罐分隔成低压水腔和低压气腔,低压水腔上安装有进水口、回水口或出水口；气压罐的高压气腔上装有开关阀和进气单向阀；气压罐的高压水腔内底部装有第一换热器、第二换热器并分别与外部热源连通换热，高压水腔上还装有热水出水管路、阀门，储水罐的低压水腔上也装有出水管路、阀门；气压罐、储水罐外包覆有绝热保温材料，隔膜是隔热隔膜；

在气压罐的高压气腔和储水罐的低压气腔上还并联有相变储能装置，相变储能装置包括：高压工质储罐、低压工质储罐、压缩机、管路、阀门、相变工质；高压工质储罐由一绝热保温材料包覆的罐体、置于罐体腔内的高温相变材料、相变工质组成，高压工质储罐上开有进出气口；低压工质储罐由一绝热保温材料包覆的罐体、置于罐体腔内的低温相变材料、相变工质以及置于低压工质储罐内并与罐体外的工质循环装置联通的换热器组成，低压工质储罐上开有进出气口；压缩机的进气口通过管阀与低压工质储罐的进出气口连通，同时低压工质储罐的进出气口还通过管阀与储水罐的低压气腔连通，压缩机的出气口通过管阀与高压工质储罐的进出气口连通，同时高压工质罐的进出气口还通过管阀与气压罐的高压气腔连通。

低压工质储罐内的换热器与罐体外的工质循环装置联通后，在与外部热源连通时可实现向储罐内输送热量；在与外部蒸发器连通时，可为外部提供冷量。

这里所述管阀包括管路和阀门，阀门包括：开关阀、流量控制阀、压力控制阀等，这里所述进出气管是指进气管、出气管为同一管路，这里是所述流体包括气流和液流或气液两相流。这里所述第一换热器与外部热源连通换热是指换热器可与太阳能或废热水或废热气或生物质热等进行各种热量交换。这里所述第二换热器与外部热源连通换热，包括：换热器与相变储热发电系统内的热能进行交换，例如压缩机出气口的热量或膨胀机出气口的余热；其它环境中的热能，例如太阳能、生物质能、工业余热等。所述动力泵的动力来源可以是电网电力，也可以是可再生能源、余压、余热和常规低谷电等。该系统有以下工作模式：（1）动力泵直接提水供水模式；（2）提水压缩空气储能发电模式；（3）电网电力相变储热发电模式；（4）提水压缩空气储能+外接加热器加热水供水模式；（5）相变储热发电+热水供水模式；（6）提水压缩空气储能发电+相变储热发电模式；（7）压缩空气储能发电+相变储热发电+加热水模式；（8）可再生能源驱动的储热发电模式；（9）提水压缩储能+供冷模式；（10）冷热电联产模式等。

上述的一种储能装置 ，可供选择的技术方案是：在高压工质储罐的进出气口、低压工质储罐的进出气口之间通过管阀并联有膨胀机，膨胀机的进流口通过管路和开关阀与高压工质储罐的进出气口连通或与气压罐的高压气腔连通，膨胀机的出流口通过管路与低压工质储罐的进出气口连通或与储水罐的低压气腔连通。

上述的一种储能装置 ，改进的技术方案是：在压缩机的进气口与低压工质储罐进出气口之间串接有吸热换热器。吸热换热器可以吸收环境中的热量并传换给工质，根据环境条件的不同，吸热换热器可以是气-气换热器、水-气换热器、太阳能换热器等。

上述的一种储能装置 ，改进的技术方案是：在压缩机的进气口与低压工质储罐进出气口之间串接有膨胀阀。当低压工质储罐出来的工质带有一定液态或气液混合物时串接膨胀阀是必要的。

上述的一种储能装置 ，可供选择的技术方案是：所述压缩机为可逆压缩/膨胀一体机。可逆压缩/膨胀一体机是一电动压缩机和膨胀发电机一体化的装置。

上述的一种储能装置 ，可供选择的技术方案是：在高压工质储罐与低压工质储罐之间装有间接热泵，间接热泵的蒸发器置于低压工质储罐内，间接热泵的冷凝器置于高压工质储罐内，间接热泵的压缩机的进气口与蒸发器的出气口通过管路连通，间接热泵的压缩机的出气口与冷凝器的进气口通过管路连通，冷凝器的出流口与膨胀阀的进流口连通，膨胀阀的出气口与蒸发器的进流口连通。

上述的一种储能装置 ，可供选择的技术方案是：所述水轮发电机是可逆式电动水泵/水轮发电机组。采用这种方案时可去掉动力泵及相关管阀，使投资更省。

上述的一种储能装置 ，优选的技术方案是：所述膈膜为滚动隔膜。

可供选择的另一种储能装置 ，包括动力泵、气压罐、水轮发电机组、储水罐、管路、阀门等，动力泵的进水口通过三通连接有进水单向阀，进水单向阀的进水口连接有进水管路，进水管口与水源连通，动力泵的出水口通过管阀与气压罐的进水口连通，气压罐的动力出水口通过管路、阀门与水轮发电机组的进水口连通，水轮发电机组的出水口通过管路、阀门与储水罐的进水口连通，储水罐的回水口通过管路、阀门也与动力泵的进水口连通；其特征在于：气压罐内装有隔膜，隔膜将气压罐分隔成高压气腔和高压水腔，高压水腔上设有进流口、动力出水口；储水罐内装有隔膜，隔膜将储水罐分隔成低压水腔和低压气腔，低压水腔上设有进水口、出水口或出水口；气压罐的高压气腔上装有开关阀和进气单向阀；气压罐的高压水腔内装有第一换热器、第二换热器并分别与外部热源连通换热，高压水腔上还装有热水出水管路、阀门，储水罐的低压水腔上也装有出水管路、阀门；气压罐、储水罐外包覆有绝热保温材料，隔膜是隔热隔膜；及

在气压罐的高压气腔内装有高温相变材料和相变工质，在储水罐的低压气腔内装有低温相变材料、相变工质及与罐体的工质循环装置联通的换热器，在气压罐的高压气腔与储水罐的低压气腔之间通过管阀连通有压缩机，压缩机的进气口通过管阀与储水罐的低压气腔连通，压缩机的出气口通过管阀与气压罐的高压气腔连通。

上述的一种储能装置 ，可供选择的技术方案是：在气压罐的高压气腔与储水罐的低压气腔之间通过管阀并联有膨胀机，膨胀机的进流口通过管路和开关阀与气压罐的高压气腔的进出气口连通，膨胀机的出流口通过管路与储水罐的低压气腔的进出气口连通。

上述的一种储能装置 ，可供选择的技术方案是：所述压缩机的动力采用可再生能源。

上述的一种储能装置 ，改进的技术方案是：在气压罐的高压气腔与储水罐的低压气腔之间安装有回气管路和开关阀，开关阀设置在回气管路上。回气管路和开关阀可用于卸压。

上述的一种储能装置，可作为海水淡化或其它水处理系统的高压水源使用。

上述的一种储能装置，所述低温相变材料的凝固点在-10°C~32°C之间，所述高温相变材料的凝固点在110°C~160°C之间。

上述气压罐的高压气腔、高压水腔与储水罐的低压气腔、低压水腔的“高压”、“低压”是指两气腔、水腔之间的相对压力。所述高压工质储罐、低压工质储罐的“高压”、“低压”是指工质储罐之间的相对压力。

有益效果：本发明的一种储能装置，一是功能多，具有提水、储水、加热水、供冷、抽水压缩空气储能发电、相变储热发电或同时具有以上多项功能；二是储能密度大，所采用的相变储能与抽水压缩空气储能发电相结合的方式比纯空气储能有着更高的储能密度；三是可用于电网电力储能，也可用于可再生能源储能；四是安装使用方便，储能装备对安装条件要求不高，而且移动方便，特别适合分布式能源和微电网使用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明：

图1为本发明的一种储能装置系统示意图。

图2为本发明的另一种储能装置系统示意图。

具体实施方式

实施例1：附图1所示的一种储能装置系统，包括动力泵1、气压罐2、水轮发电机组3、储水罐4、管路5、16、22、18等，阀门6-1至6-10及14、17、19、21、23、25等，高压工质储罐7、低压工质储罐8、压缩机9、膨胀机10、第一换热器12、第二换热器13等组成。气压罐2由绝热罐体2-1、绝热滚动隔膜2-2等组成；储水罐4由绝热罐体4-1、绝热滚动隔膜4-2等组成；高压工质储罐7由一绝热保温材料包覆的罐体7-1、置于罐体腔内的高温相变材料7-2、相变工质7-3等组成，高压工质储罐上开有进出气口7-4；低压工质储罐8由一绝热保温材料包覆的罐体8-1、置于罐体腔内的低温相变材料8-2、相变工质8-3以及置于低压工质储罐内并与罐体外热源联通的换热器8-5组成，低压工质储罐上开有进出气口8-4。动力泵1的进水口通过管路连接有进水单向阀11，进水单向阀11的进水口连接有进水管路5，进水管口与水源连通，动力泵1的出水口通过管路及阀门25与气压罐2的进水口连通，气压罐2的动力出水口通过管路、阀门6-10与水轮发电机组3的进水口连通，水轮发电机组3的出水口通过管路与储水罐4的进水口连通，储水罐4的回水口通过回水管路16、阀门17也与动力泵1的进水口连通；气压罐2内装有滚动隔膜2-2，滚动隔膜2-2将气压罐分隔成高压气腔2-3和高压水腔2-4；储水罐4内装有滚动隔膜4-2，滚动隔膜4-2将储水罐4分隔成低压水腔4-3和低压气腔4-4；气压罐2的高压气腔2-3上装有开关阀14和进气单向阀15；气压罐2的高压水腔2-4内装有第一换热器12、第二换热器13并分别与外部热源连通换热，高压水腔2上还装有热水出水管路18、阀门19，储水罐的低压水腔上也装有出水管路20、阀门21；动力泵1的出水口通过三通还连通有冷水出水管22和阀门23，气压罐2、储水罐4外包覆有绝热保温材料，滚动隔膜2-2、4-2是隔热隔膜，动力泵1采用高压离心水泵，压缩机9采用涡旋压缩机，膨胀机10采用透平膨胀机，水轮发电机组3采用贯流式水轮发电机组。

在气压罐2的高压气腔2-3上通过管阀联通有高压工质储罐7，在储水罐4的低压气腔4-4上通过管阀联通有低压工质储罐8，压缩机9的进气口通过管路、阀门6-5、6-7与低压工质储罐8的进出气口8-4连通，同时低压工质储罐8的进出气口8-4还通过管路、阀门6-7、6-6与储水罐4的低压气腔4-4连通，压缩机8的出气口通过管路、阀门6-4与高压工质储罐7的进出气口7-4连通。膨胀机10的进气口通过管路、阀门6-2、6-4也与高压工质储罐7的进出气口7-4连通。膨胀机10的出气口通过管路、阀门6-8与第二换热器13的进气口连通，第二换热器13的出气口与储水罐4的低压气腔4-4连通。第一换热器12与一太阳能热水器连通（图中未画出）。

该实施例1中采用的工质和相变材料，第一方案是：有机工质为R245fa,低温相变材料选用相变温度为32°C的癸酸，高温相变材料选用低熔点合金，相变温度160°C，高压工质储罐7中压力为高温相变材料相变温度下的工质饱和压力3.9MPa。低压工质储罐8中压力为低温相变材料相变温度下的工质饱和压力0.19MPa。

该实施例1中采用的工质和相变材料，第二方案是：有机工质为异丁烷，低温相变材料选用相变温度为-10°C的乙二醇水溶液，高温相变材料选用聚酯热容棉，相变温度110°C。高压工质储罐7中压力为高温相变材料相变温度下的工质饱和压力1.8MPa。低压工质储罐8中压力为低温相变材料相变温度下的工质饱和压力0.07MPa。

该系统有以下工作模式：（1）直接提水模式：关闭开关阀25，动力泵1通过吸水管5、单向阀11直接从水源24提水，经阀门23、管路22供水。（2）抽水压缩空气储能模式：关闭阀门6-1、23、19、6-1等，打开阀门25，动力泵1从水源24提水或从储水罐4的低压储水腔4-3回水，注入气压罐2的高压水腔2-4内压缩滚动隔膜2-2及气腔2-3内的空气储能，再打开阀6-10，通过高压水腔2-4放水驱动水轮机3发电或带动其它工作机械；（3）抽水储能+相变储能模式：关闭阀23、19，打开阀25，动力泵1向气压罐2内泵水，同时打开阀6-1、6-2、6-4、6-5、6-6、6-7，关闭阀6-3、6-8、6-9，压缩机9开启，从低压工质储罐8内抽气，压缩到高压工质储罐7内，在此压缩过程中，一方面，低压工质储罐8内的液相低温工质蒸发以保持低压工质储罐8内的压力稳定，同时低压工质储罐8中的低温相变材料8-2凝结放热，并调节换热器8-5中的热力流量，可保持低压工质罐8中温度稳定；另一方面，经压缩机9压缩后的高压气相工质进入高压工质储罐7，在其中凝结成液体工质以保持高压工质储罐7中的压力稳定，同时高压工质储罐7中高温相变材料7-2融化吸热，以保持高压工质储罐7内的温度稳定。这个过程中将驱动压缩机的电能储存为高温相变材料和高压有机工质的相变热；在发电过程中：一种方式是可以直接打开阀6-10，气压罐2的高压水腔中的高压水直接驱动水轮发电机3发电。第二种方式是关闭阀门6-9、6-10，打开阀门6-3、6-8,膨胀发电机10开启，高压工质罐7和气压罐2高压气腔2-3中的高压气相工质推动膨胀发电机10运行，在此发电过程中，一方面，液相工质7-3蒸发以保持高压工质储罐7中和高压气腔2-3中的压力稳定，同时高压工质储罐7中的高温相变材料7-2凝结放热，以保持高压工质储罐中7和高压气腔2-3中温度稳定；另一方面，高压气相工质进入膨胀机10做功，其余热经第二换热器13换热后进入低压工质罐8和储水罐4的低压气腔4-4，在低压工质罐中凝结成液体以保持低压工质储罐8中压力稳定，同时低压工质储罐8中的低温相变材料8-2融化吸热，并调节换热器8-5中热力流量可以保持低压工质储罐8中温度稳定，这一发电过程可将储存在高温相变材料和高压有机工质中的相变热转化为膨胀发电机10输出的电力。在这一发电过程中，膨胀发电机排出的余热可经第二换热器13加热储气罐2的高压水腔2-4中的水，热水可从管路18或管路22流出。（4）提水压缩空气储能+外接加热器加热水供水模式：关闭阀6-10、23，动力泵1从水源24经管路5、单向阀11向气压罐2的高压水腔2-4注水，与此同时第一换热器12与外接太阳能或其它热力源连通循环，加热高压水腔2-4中的水，热水通过管路18、阀门19输出。（5）波动能源抽水+相变储热发电模式：波动能源驱动动力泵1抽水储蓄在气压罐2的高压水腔2-4内，常规低谷电力通过压缩机9将电力转化成相变热储存在高压工质罐7内。需要时，打开阀6-10，控制恒定压力的高压水推动水轮发电机发电。（6）抽水压缩空气储能发电+相变储热发电模式：一方面，抽水压缩空气储能发电是动力泵1从储水罐4的低压水腔中或从水源24中抽水注入气压罐2的高压水腔2-4内储能，需要时，高压水驱动水轮发电机组发电；另一方面，相变储能是压缩机9将多余的电力能转换成热能储存于高压工质储罐内，需要时高压热力气体经膨胀机10驱动发电机发电或与水轮发电机组3联合发电。根据该系统的各个功能单元的特性还可以组合出其它功能组合。

实施例2：附图2所示为本发明的另一种储能发电加热水供水的装置系统，与实施例1的区别仅在于：去掉图1中高压工质储罐7的罐体7-1，并将在高压工质储罐7内的高温相变材料7-2和相变工质7-3等效移植到图1中的气压罐的高压气腔2-3内；去掉图1中低压工质储罐8的罐体8-1，并将在低压工质储罐8内的低温相变材料8-2、相变工质8-3和与罐体外热源联通的换热器8-5等效移植到储水罐4的低压气腔4-4内。也可以去掉膨胀发电机组10，而用水轮发电机组3替代发电。实施例2中采用的相变材料和相变工质除实施例1中采用的外，也可以是：有机工质为正戊烷，低温相变材料为相变温度为21°C的石蜡，高温相变材料为相变温度为13°C的高密度聚乙烯。此时，高温相变材料相变温度下的工质饱和压力1.1MPa。低温相变材料相变温度下的工质饱和压力0.06MPa。储能时，压缩机9消耗电能，将储水罐4的低压气腔4-4内的工质增压输送到储气罐2的高压气腔2-3内，发电时，高压气腔2-3内的高压工质推动滚动隔膜2-2和高压水腔2-4中的水驱动水轮机3发电。其它功能及运行过程与实施例1相同这里不再赘述。

尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的装置，但是本发明不限于本文所述的具体形式，相反，其目的在于覆盖理所当然会落入所述权利要求书限定的本发明范围内的各种替代方式、改型、各种特征要素的再组合而衍生的新组合和等同体。