液态空气储能耦合制氨发电系统及方法与流程

1.本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种液态空气储能耦合制氨发电系统及方法。


背景技术：

2.随着新能源发电规模的迅速扩大，风电光伏等新能源出力波动的问题日益突出。我国西部地区光照资源丰富，光伏发电量大，而用电多集中在东部地区，避免新能源发电的长距离输送，促进绿电转化和新能源就地消纳也是目前亟待解决的问题。相关技术中的大规模长时储能技术例如抽水蓄能，受山体地理条件和大规模水资源的限制，又如压缩空气储能存在储能密度低、功能单一的缺点。液态空气密度约为高压空气(10mpa、常温)的8倍，将空气液化后进行储存可以大幅提高储能密度，目前液态空气储能领域尚不成熟，存在经济性差、重复建设等问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种液态空气储能耦合制氨发电系统，具有高密度储能与多模式发电的功能，还可以实现储能与供气的一体化运行，拓展产业链，避免重复建设，提高系统的经济性。
4.本发明实施例的液态空气储能耦合制氨发电系统包括：
5.新能源发电单元和空气液化单元，所述新能源发电单元用于发电并向所述空气液化单元供电，所述空气液化单元用于将空气液化为液态空气；
6.空气分离单元，所述空气液化单元向所述空气分离单元输送液态空气，所述空气分离单元用于将所述液态空气分离，分离物质至少包括液氮；
7.液氮发电单元，所述液氮发电单元包括泵、膨胀机、发电机和至少一个串连的第一换热器，所述空气分离单元分离出的液氮经所述泵升压进入第一换热器，经所述第一换热器吸热后变为高温高压氮气，高温高压氮气经所述膨胀机膨胀做功驱动所述发电机发电；
8.合成氨单元，所述液氮发电单元将膨胀做功后的氮气输送至所述合成氨单元，所述合成氨单元利用氮气和氢气合成氨；
9.氨燃料电池单元，所述合成氨单元与所述氨燃料电池单元的阳极连通输入氨，氨与阴极的氧气发生化学反应并发电。
10.本发明提供的液态空气储能耦合制氨发电系统实现了产出原料气、合成氨以及多模式发电，旨在解决新能源发电的出力波动和就地消纳问题，解决了新能源发电高密度、大规模、长时储能问题，实现了冷、热、电、气的一体化多能源灵活供应。
11.在一些实施例中，系统还包括电解水单元，所述新能源发电单元还用于向所述电解水单元供电，所述电解水单元用于将水电解为氧气和氢气，所述电解水单元用于向所述合成氨单元提供氢气。
12.在一些实施例中，所述电解水单元还用于向所述氨燃料电池单元的阴极提供氧
气。
13.在一些实施例中，系统还包括储氢装置和储氧装置，所述储氢装置和所述储氧装置均与所述电解水单元连通。
14.在一些实施例中，分离物质还包括氧气，所述空气分离单元将分离出的氧气储存在所述储氧装置中。
15.在一些实施例中，所述空气液化单元包括电动机、压缩机、至少一个串连的第二换热器、液体膨胀机、液态空气储罐，所述新能源发电单元向所述电动机供电，所述电动机驱动所述压缩机运转，所述压缩机出口的压缩空气经所述第二换热器放热后变为高压的液态空气，高压液态空气经所述液体膨胀机膨胀后降压储存在所述液态空气储罐中。
16.在一些实施例中，所述第一换热器与所述第二换热器一一对应地且所述第一换热器的热侧与所述第二换热器的冷侧连通。
17.在一些实施例中，系统还包括低温介质储存装置和高温介质储存装置，所述低温介质储存装置连接在所述第一换热器热侧出口与所述第二换热器冷侧入口之间，所述高温介质储存装置连接在所述第二换热器冷侧出口与所述第一换热器热侧进口之间。
18.本发明另一方面实施例提供的液态空气储能耦合制氨发电方法，基于上述实施例所述的液态空气储能耦合制氨发电系统，所述液态空气储能耦合制氨发电系统具有储能模式和发电模式，所述液态空气储能耦合制氨发电方法包括：
19.在储能模式，所述新能源发电单元向所述空气液化单元供电，所述空气液化单元将空气液化为液态空气，所述空气分离单元将液态空气分离为液氮，所述合成氨单元利用上一发电模式储存的氮气合成氨并进行储存；
20.在发电模式，所述液氮发电单元利用液氮发电，并将膨胀做功后的氮气进行储存，所述合成氨单元储存的氨进入所述氨燃料单元的阳极，所述氨燃料电池单元发电。
21.在一些实施例中，方法还包括：在储能模式，所述新能源发电单元向所述电解水单元供电，所述电解水单元将水电解为氧气和氢气并进行储存，所述电解水单元向所述合成氨单元提供氢气；在发电模式，所述电解水单元储存的氧气进入所述氨燃料电池的阴极。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的液态空气储能耦合制氨发电系统的结构示意图。
23.附图标记：
24.1.光伏组件；2.变压器；3.逆变器；4.电解水单元；5.进水口；6.储氧装置；7.储氢装置；8.电动机；9.压缩机；10.空气进口；11.第二换热器a；12.低温热媒罐；13.高温热媒罐；14.第二换热器b；15.低温冷媒罐；16.高温冷媒罐；17.液体膨胀机；18.液态空气储罐；19.第一泵；20.空气分离单元；21.液氮储罐；22.稀有气体出口；23.第二泵；24.第一换热器a；25.第一换热器b；26.膨胀机；27.发电机；28.储氮装置；29.合成氨单元；30.氨燃料电池。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.下面根据图1描述本发明实施例提供的液态空气储能耦合制氨发电系统。液态空
气储能耦合制氨发电系统包括新能源发电单元、空气液化单元、空气分离单元、液氮发电单元、合成氨单元、氨燃料电池单元。
27.新能源发电单元用于发电并向空气液化单元供电，空气液化单元用于利用新能源发电单元的供电将空气进行液化为液态空气，实现将电能转化为空气的内能进行储能，此为储能过程。空气液化单元与空气分离单元连通，用于向空气分离单元输送液态空气，空气分离单元用于将液态空气分离，分离物质至少包括液氮，即空气分离单元将液态空气至少分离为液氮。
28.液氮发电单元包括泵、膨胀机、发电机和至少一个串连的第一换热器，空气分离单元与液氮发电单元连通，将由液态空气分离出的液氮经泵升压后依次输入第一换热器的冷侧，液氮经第一换热器吸热后变为高温高压氮气，高温高压氮气经膨胀机膨胀做功驱动发电机发电，实现将内能转化为电能，此为发电过程。液氮发电单元将膨胀做功后的氮气输送至合成氨单元，合成氨单元利用氮气和氢气合成氨。合成氨单元与氨燃料电池单元的阳极连通，氨燃料电池单元内发生化学反应并发电，实现将化学能转化为电能，此为发电过程。
29.本发明实施例提供的液态空气储能耦合制氨发电系统具有储能和发电两种工作模式。储能模式下，系统利用新能源电力的余电将空气压缩后液化，液态空气分离后得到氮，氮作为原料参与化学反应合成氨。发电模式下，液氮相变为氮气吸热后驱动膨胀机发电,氨可以驱动氨燃料电池对外发电，实现多模式发电。
30.本发明提供的液态空气储能耦合制氨发电系统实现了产出原料气、合成氨以及多模式发电，旨在解决新能源发电的出力波动和就地消纳问题，解决了新能源发电高密度、大规模、长时储能问题，实现了冷、热、电、气的一体化多能源灵活供应。
31.在一些实施例中，液态空气储能耦合制氨发电系统还包括电解水单元，新能源发电单元还用于向电解水单元供电，电解水单元用于将水电解为氧气和氢气，电解水单元与合成氨单元连通，将电解后的氢气输送至合成氨单元向合成氨单元提供氢气，氢气与氮气参与反应合成氨。储能模式下，利用新能源发电单元的余电将水电解为氧气和氢气，并将电解的氢气作为原料参与化学反应合成氨，解决了氢储运和利用困难的问题。
32.进一步地，电解水单元还用于向氨燃料电池单元的阴极提供氧气，减少了氧气储存和运输成本，实现电解水产物的完全利用。
33.在一些实施例中，液态空气储能耦合制氨发电系统还包括储氢装置和储氧装置，储氢装置和储氧装置均与电解水单元连通。电解水单元产生的氢气储存在储氢装置中，储氢装置与合成氨单元连通向合成氨单元提供氢气，电解水单元产生的氧气储存在储氧装置中，储氧装置与氨燃料电池单元的阴极连通向阴极提供氧气。
34.进一步地，空气分离单元还用于从液态空气分离出氧气，空气分离单元与储氧装置连通将分离出的氧气储存在储氧装置中。也就是说，储氧装置用于储存电解水单元电解产生的氧气，以及空气分离单元分离出的氧气。
35.在一些实施例中，空气液化单元包括电动机8、压缩机9、至少一个串连的第二换热器、液体膨胀机17、液态空气储罐18，新能源发电单元向电动机供电，电动机8驱动压缩机9运转，压缩机9将空气进行压缩，压缩机9出口与所述至少一个第二换热器的热侧连通，压缩空气经第二换热器放热，变为高压液态空气，最下游的第二换热器的出口与液体膨胀机17入口连通，高压液态空气经液体膨胀机17膨胀后压力下降，储存在液态空气储罐18中。
36.优选地，液氮发电单元的第一换热器与空气液化单元的第二换热器一一对应，且第一换热器的热侧与第二换热器的冷侧连通。第一换热器的热侧中的高温冷媒与冷侧的液氮(氮气)换热后变为低温冷媒，低温冷媒进入第二换热器的冷侧与热侧的压缩空气(液态空气)换热后变为高温冷媒，高温冷媒回到第一换热器的热侧继续换热，形成冷媒循环。
37.在一些实施例中，液态空气储能耦合制氨发电系统还包括低温介质储存装置和高温介质储存装置，低温介质储存装置连接在第一换热器热侧出口与第二换热器冷侧入口之间，用于储存从第一换热器热侧出口流出的低温冷媒，高温介质储存装置连接在第二换热器冷侧出口与第一换热器热侧进口之间，用于储存从第二换热器冷侧出口流出的高温冷媒。在这些实施例中，压缩空气的压缩热储存在高温介质储存装置中，实现压缩热的储存，同时实现了了储热和储冷。
38.本发明实施例还提供了一种液态空气储能耦合制氨发电方法，液态空气储能耦合制氨发电方法基于上述任一项实施例的液态空气储能耦合制氨发电系统，液态空气储能耦合制氨发电系统具有储能模式和发电模式，液态空气储能耦合制氨发电方法包括：
39.在储能模式，新能源发电单元向空气液化单元供电，空气液化单元将空气液化为液态空气，空气分离单元将液态空气分离为液氮，合成氨单元利用上一发电模式储存的氮气合成氨并进行储存；
40.在发电模式，液氮发电单元利用液氮发电，并将膨胀做功后的氮气进行储存，合成氨单元储存的氨进入氨燃料单元的阳极，氨燃料电池单元发电。
41.在液态空气储能耦合制氨发电系统包括电解水单元的实施例中，液态空气储能耦合制氨发电方法还包括：
42.在储能模式，新能源发电单元向电解水单元供电，电解水单元将水电解为氧气和氢气并进行储存，电解水单元向合成氨单元提供氢气；
43.在发电模式，电解水单元储存的氧气进入氨燃料电池的阴极。
44.下面根据图1详细描述本发明提供的一个具体实施例中的液态空气储能耦合制氨发电系统以及液态空气储能耦合制氨发电方法。图1中的连接线虚线表示电流路径，实线表示工质路径。
45.如图1所示，液态空气储能耦合制氨发电系统包括新能源发电单元、空气液化单元、空气分离单元20、液氮发电单元、合成氨单元29、氨燃料电池30和电解水单元4。液态空气储能耦合制氨发电系统具有储能模式和发电模式。
46.本实施例中，新能源发电单元为光伏单元，光伏单元用于将太阳能转化为电能。因此在本实施例中，以光伏余电作为储能的电能来源。当太阳光充足，光伏单元发电，液态空气储能耦合制氨发电系统处于储能模式；当太阳光不充分，光伏单元无法发电，液态空气储能耦合制氨发电系统处于发电模式。
47.具体地，如图1所示，新能源发电单元包括光伏组件1、变压器2、逆变器3，太阳光充足时，光伏组件1在阳光的照射下产生直流电，一部分直流电通过变压器2为电解水单元4供电，另一部分直流电通过逆变器3变为交流电，供工业设备或居民等使用。
48.电解水单元4的氧气出口与储氧装置6连通，氢气出口与储氢装置7连通。净化过的水从进水口5进入电解水单元4，水在电解水单元4被电解为氧气和氢气，氧气进入储氧装置6中储存，氢气进入储氢装置7中储存。
49.空气液化单元包括电动机8、压缩机9、第二换热器a 11、第二换热器b 14、液体膨胀机17、液态空气储罐18。从逆变器3输出的交流电为电动机8供电，电动机8驱动压缩机9运转，将洁净空气从空气进口10吸入，压缩机9将空气进行压缩，空气被压缩后温度和压力升高。压缩机9出口与第二换热器a 11的热侧进口连通，第二换热器a 11的热侧出口与第二换热器b 14的热侧进口连通。第二换热器b 1的热侧出口与液体膨胀机17入口连通，液体膨胀机17用于液态空气进行膨胀，液体膨胀机17出口与液态空气储罐18连通。液态空气储罐18用于储存液态空气。
50.液态空气储罐18出口与空气分离单元20的入口之间具有第一泵19，第一泵19用于驱动液态空气储罐18储存的液态空气进入空气分离单元20。空气分离单元20具有氧气出口、液氮出口和稀有气体出口，氧气出口与储氧装置6连通，液氮出口与液氮储罐21连通。
51.液氮发电单元包括膨胀机26、发电机27、第一换热器a 24、第一换热器b 25、第二泵23和储氮装置28，液氮储罐21的出口与第一换热器a 24的冷侧入口连通，第二泵23连接在液氮储罐21的出口与第一换热器a 24的冷侧入口之间，用于将液氮储罐21中储存的液氮输入第一换热器a 24的冷侧。第一换热器a 24的冷侧出口与第一换热器b 25的冷侧入口连通，第一换热器b 25的冷侧出口与膨胀机26入口连通，膨胀机26用于驱动发电机27发电，膨胀机26出口与储氮装置28连通，储氮装置28用于储存膨胀后的氮气。
52.液态空气储能耦合制氨发电系统还包括低温换热介质储存装置和高温换热介质储存装置，低温换热介质储存装置包括低温热媒罐12和低温冷媒罐15。高温换热介质储存装置包括高温热媒罐13和高温冷媒罐16。低温热媒罐12连接在第一换热器b 25的热侧出口与第二换热器a 11的冷侧入口之间，用于储存低温热媒，高温热媒罐13连接在第二换热器a 11的冷侧出口与第一换热器b 25的热侧入口之间，用于储存高温热媒，高温热媒用于储存压缩空气的压缩热。低温冷媒罐15连接在第一换热器a 24的热侧出口与第二换热器b 14冷侧入口之间，用于储存低温冷媒，低温冷媒用于储存液氮的冷量，高温冷媒罐16连接在第二换热器b 14的冷侧出口与第一换热器a 24的热侧入口之间，用于储存高温冷媒。
53.需要说明的是，低温换热介质储存装置与高温换热介质储存装置中的“低温”与“高温”的定义是相对而言，例如，在本实施例中，低温热媒罐12与高温热媒罐13为相对应的低温换热介质储存装置与高温换热介质储存装置，低温热媒罐12中的热媒温度低于高温热媒罐13中的热媒温度，低温冷媒罐15与高温冷媒罐16为相对应的低温换热介质储存装置与高温换热介质储存装置，低温冷媒罐15中的冷媒温度低于高温冷媒罐16中的冷媒温度。而低温热媒罐12中的热媒温度与低温冷媒罐15中的冷媒温度没有可比性，低温热媒罐12中的热媒温度可以高于，也可以低于低温冷媒罐15中的冷媒温度。同样地，高温热媒罐13中的热媒温度与高温冷媒罐16中的冷媒温度也没有可比性，高温热媒罐13中的热媒温度可以高于，也可以低于高温冷媒罐16中的冷媒温度。在一些可选实施例中，低温热媒罐12与高温热媒罐13中的热媒温度可以均高于低温冷媒罐15与高温冷媒罐16中的冷媒温度。
54.储氮装置28出口与合成氨单元29连通，用于向合成氨单元29输送合成氨的原料氮气，储氢装置7出口与合成氨单元29连通，用于向合成氨单元29输送合成氨的原料氢气。合成氨单元29用于合成氨并储存氨。合成氨单元29出口与氨燃料电池30的阳极连通，储氧装置6出口与氨燃料电池30的阴极连通。氨燃料电池30内发生化学反应并产生电能。
55.根据系统的储热温度选择低温热媒罐12和高温热媒罐13中的热媒：储热温度在
200℃以内可采用高压水作为热媒，储热温度在100～350℃范围内可以采用导热油作为热媒，储热温度在200～600℃范围内可以采用熔融盐作为热媒。在其他实施例中，根据压缩机级数的不同，低温热媒罐12、高温热媒罐13以及相应的第一换热器和第二换热器可以为多个，本发明对此不作限制。
56.低温冷媒罐15和高温冷媒罐16中的冷媒可以采用耐低温的有机工质一种或几种的组合。低温冷媒罐15、高温冷媒罐16以及相应的第一换热器和第二换热器可以有多个，以实现宽温域储冷，本发明对此不作限制。
57.在储能模式下，光伏组件1在阳光的照射下产生直流电，一部分直流电通过变压器2为电解水单元4供电，另一部分直流电通过逆变器3变为交流电，供工业设备或居民等使用。净化过的水从进水口5进入电解水单元4，水在电解水单元4内被电解为氧气和氢气，氧气进入储氧装置6中储存，氢气进入储氢装置7中储存。
58.从逆变器3输出的交流电为电动机8供电，驱动压缩机9运转，将洁净空气从空气进口10吸入并进行压缩，空气被压缩后温度和压力升高。压缩机9出口流出的高温高压空气首先进入第二换热器a 11的热侧，向冷侧的热媒释放热量后温度降低。第二换热器a 11冷侧的热媒来自于低温热媒罐12，热媒在第二换热器a 11中吸热后温度升高，进入高温热媒罐13中储存。第二换热器a 11热侧流出的高压空气继续进入第二换热器b 14的热侧释放热量，被冷侧的冷媒冷却为液态空气，第二换热器b 14冷侧的冷媒来自于低温冷媒罐15，冷媒在第二换热器b 14中吸热后温度升高，进入高温冷媒罐16中储存。第二换热器b 14热侧流出的液态空气进入液体膨胀机17，经膨胀后压力和温度下降，变为气液两相态，其中大部分为液态，液态空气进入液态空气储罐18内储存，气态空气将冷量返回系统后排出。
59.液态空气储罐18中的液态空气在第一泵19的驱动下流入空气分离单元20，在空气分离单元20中，液态空气通过逐级精馏、换热等过程被分离成氧、氮和稀有气体，氧释放冷量后以气态形式进入储氧装置6中储存，氮以液态形式进入液氮储罐21中储存，稀有气体可按种类分别储存，以便后续售卖。
60.储氮装置28中储存有气态氮气，氮气为上一个发电模式中的产物，其来源将在下面“发电模式”中详述。储氮装置28中的氮气与储氢装置7中的氢气在合成氨单元29中进行化学反应生成氨，产物氨在合成氨单元29中储存。
61.在发电模式下，液氮储罐21中储存的液氮在第二泵23的驱动下升压，流入第一换热器a 24的冷侧，与热侧的冷媒换热以冷却热侧的冷媒。第一换热器a 24冷侧的冷媒来自于高温冷媒罐16，冷媒释放热量后温度降低，进入低温冷媒罐15中储存，以备在储能模式中为液化空气提供冷量。第一换热器a 24中的液氮吸收冷媒的热量后汽化，以气氮的形式进入第一换热器b 25的冷侧，与热侧的热媒换热，吸收热侧热媒的热量，变为高温高压的氮气。第一换热器b 25热侧的热媒来自于高温热媒罐13，热媒释放热量后温度降低，进入低温热媒罐12中储存。第一换热器b 25冷侧出口流出的高温高压氮气进入膨胀机26中膨胀做功，驱动发电机27发电，所发出的电能可供工业或居民使用。膨胀机26排出的低压氮气进入储氮装置28储存，以备在下一阶段的储能模式中与氢气一起作为合成氨的原料气使用。
62.氨合成单元29中所储存的氨进入氨燃料电池30的阳极，储氧装置6中的氧气进入氨燃料电池30的阴极。氨燃料电池30通过氨和氧气的化学反应，可对外供电，所发出的电能可供工业或居民使用。
63.在发电模式中，发电机27发电和氨燃料电池30发电两种发电模式可根据实际用电需要灵活调整比例，以应对由于环境、天气等原因造成的需要长时间供电的场景，也可以使两种发电模式相互供电以优化系统的起动过程。
64.上述储能模式流程和发电模式流程组成循环。在储能模式下，本发明实施例提供的液态空气储能耦合制氨发电系统利用新能源电力同时实现储热、储氧、储氢、储液氮、合成氨等；在发电模式下储冷和供电，供电方式包括利用氮气膨胀发电和利用氨燃料电池发电。除了储能供电的主要功能外，本系统还可利用热媒对外提供高品位热量，利用冷媒对外提供高品位冷量，以及对外提供氧、氮、氢、氨、稀有气体等产物，以拓展产业链，提高经济效益。
65.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
67.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
68.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
69.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
70.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。