一种采用光集热系统补热的压缩空气储能系统及方法与流程

1.本发明属于储能技术领域，具体涉及一种采用光集热系统补热的压缩空气储能系统及方法。


背景技术：

2.压缩空气储能compressed-air energy storage,下文简称caes是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、盐穴或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动透平膨胀机发电的储能方式。现压缩空气储能是适合新型电力系统的大规模新型物理储能方式，当需求电量小于供给电量时，可利用多余电能驱动压缩机将电能转化为空气的内能，空气被存储在储气室中；当需求电量大于供给电量时，高压空气经过加热后进入膨胀机做功，带动发电机发电。系统还具有储能规模大、寿命长、成本低、安全性高等优点，但传统的压缩空气系统没有回收压缩热，需要补燃，导致系统存在排放污染、浪费压缩热、效率低等问题。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用光集热系统补热的压缩空气储能系统，将压缩空气储能与光热补热技术结合，可实现零碳运行，助力完成碳排放目标；解决传统化石能源补热能耗大、污染重的缺点。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用光集热系统补热的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、气-水加热器、空气高温加热器、空气透平机组、发电机、高温储热系统、第一水储热系统、冷却器以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统的出气口依次连接气-水加热器、空气高温加热器和空气透平机组；空气透平机组连接发电机；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；气-水加热器的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器热侧连接高温储热系统；最高一级压缩机出口设置低温换热器，低温换热器连接冷却器；太阳能光热系统连接高温储热系统，为高温储热系统补充热量。
5.太阳能光热系统采用塔式聚光集热系统、槽式聚光集热系统或菲涅尔式集热系统。
6.高温储热系统包括热介质罐、缓冲介质罐和冷介质罐，热介质罐的出口连接空气高温加热器的热侧入口，缓冲介质罐的出口和热介质罐的入口分别连接吸热塔进出口，冷介质罐的入口连接空气高温加热器的热侧出口。
7.高温储热系统的储热介质采用熔盐、导热油、沙子或储热颗粒。
8.空气透平机组设置有至少两级空气透平，每一级空气透平的入口沿着介质流向依次设置气-水加热器和空气高温加热器，气-水加热器的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器热侧连接高温储热系统。
9.相邻两级压缩机之间的换热器组包括换热器和气-水冷却器，换热器的冷侧连接
高温储热系统；气-水冷却器的冷侧连接第一水储热系统。
10.第一水储热系统包括热水罐和冷水罐，热水罐的出口气-水加热器的热侧入口，冷水罐的入口连接气-水加热器的热侧出口。
11.压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。
12.压缩空气储能系统的入口设置自洁式过滤器。
13.本发明所述采用光集热系统补热的压缩空气储能系统的运行方法，空气经过压缩空气储能系统压缩后储能，压缩空气依次经过气-水加热器和空气高温加热器，分别水和高温储热系统的储热介质换热后进入空气透平做功，使得空气透平带动发电机发电；其中，冷却器组吸收压缩空气过程的热量，同时将热量通过水和储热介质分别存储至第一水储热系统和高温储热系统，太阳能光热系统进一步为高温储热系统补充热量，提高储热介质温度；第一水储热系统和高温储热系统利用热量对压缩空气加热，最高一级压缩机出口空气热量由低温换热器传导至冷却器。
14.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
15.本发明系统补热方案采用塔式光热聚光集热技术，利用清洁绿色的太阳能进行补热，进一步提升储热介质的温度，从而抬高了透平各级进口温度，提高系统的整体效率，克服了常规用燃料补热的压缩空气系统能耗大、污染重、循环效率较低等缺点，实现了零碳运行。根据计算，本系统发电效率高达70％以上，高于常规非补热式压缩空气机组。
附图说明
16.图1是一种塔式光热式补热压缩空气储能系统示意图；
17.图2是一种槽式光热式补热压缩空气储能系统示意图；
18.图中：1.自洁式过滤器，2.压缩机，3.空气-熔盐冷却器，4.气-水冷却器，41.低温换热器，5.储气室，6.气-水加热器，7.空气高温加热器，8.空气透平，9.发电机，10.热盐罐，11.缓冲盐罐，12.冷盐罐，13.热水罐，14.冷水罐，15.冷却器，16.定日镜，17.吸热塔，18.集热器。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
20.参考图1和图2，一种采用光集热系统补热的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、气-水加热器6、空气高温加热器7、空气透平机组、发电机9、高温储热系统、第一水储热系统、冷却器15以及太阳能光热系统；压缩空气储能系统的出气口依次连接气-水加热器6、空气高温加热器7和空气透平机组；空气透平机组连接发电机9；压缩空气储能系统包括多级压缩机，两级压缩机之间设置冷却器组；冷却器组分别连接高温储热系统和第一水储热系统；气-水加热器6的热侧连接第一水储热系统，空气高温加热器7热侧连接高温储热系统；最高一级压缩机出口设置低温换热器41，低温换热器41连接冷却器15；太阳能光热系统连接高温储热系统，为高温储热系统补充热量。所述高温储热系统是指储热介质的温度高于第一水储热系统的温度。
21.可选的，太阳能光热系统采用塔式聚光集热系统、槽式聚光集热系统或菲涅尔式集热系统；高温储热系统的储热介质采用熔盐、导热油、沙子或储热颗粒。
22.以塔式聚光集热系统为例，塔式聚光集热系统包括定日镜16、吸热塔17和集热器18；集热器18位于吸热塔17的顶部，定日镜16的反射面朝向集热器18，吸热塔17进出口连接高温储热系统。
23.当采用槽式聚光集热系统时，槽式聚光集热系统通过集热槽的槽型抛物面的反射镜阵列19将太阳光聚焦到集热管20对传热工质加热，缓冲熔盐罐中的熔盐进入集热管，将太阳能转化为工质的热能，进一步提升已经吸收了压缩热的熔盐温度。换热后的熔盐储存在高温熔盐罐中供系统循环使用。
24.高温储热系统包括热介质罐10、缓冲介质罐11和冷介质罐12，热介质罐10的出口连接空气高温加热器7的热侧入口，缓冲介质罐11的出口和热介质罐10的入口分别连接吸热塔17进出口，冷介质罐11的入口连接空气高温加热器7的热侧出口。
25.相邻两级压缩机之间的换热器组包括换热器3和气-水冷却器4，换热器3的冷侧连接高温储热系统；气-水冷却器4的冷侧连接第一水储热系统；换热器3的冷侧入口连接冷介质罐11，换热器3的冷侧出口连接热介质罐10的入口；气-水冷却器4的冷侧入口连接冷水罐13的出口，气-水冷却器4的冷侧出口连接热水罐12的入口。
26.第一水储热系统包括热水罐13和冷水罐14，热水罐13的出口气-水加热器6的热侧入口，冷水罐14的入口连接气-水加热器6的热侧出口。
27.空气透平8设置有两级，两级空气透平8之间沿着介质流向依次设置气-水加热器6和空气高温加热器7，压缩空气储能系统的出口设置调节阀门。
28.目前压缩空气高温段换热既可采用熔盐和水的换热，也可采用导热油和水作为储热介质，具体需要根据温度的情况选用。此处以熔盐为例，补热方案对热盐罐进行了太阳能光热补热，利用热熔盐加热空气，相应抬高了透平各级进口温度，提高了系统的整体效率；采用塔式聚光集热系统，通过一定数量的反射镜阵列，将太阳辐射反射到安置于塔顶端的太阳能吸热器上，将太阳能转化为熔盐等储热介质的热能。
29.图1展示的是一种塔式光热补热式压缩空气储能系统：压缩储能过程中，压缩空气子系统整体上采用多级压缩，级间冷却的方式。空气经过自洁式过滤器1进入压缩机2，压缩机出口的空气进入空气-熔盐冷却器3进行高温段换热，熔盐加热后储存在缓冲熔盐罐中；然后空气再经过气-水冷却器4进行低温段换热，将冷水加热为高温热水，并存储在热水罐12中。压缩机最后一级出口的空气经过冷却器15后储存在高压储气库5中。
30.释能发电工程中，储气库5中的高压空气推动空气透平进而带动发电机完成发电。该过程透平采用入口预热、多次再热的多段膨胀过程。为提高空气的做功能力，储气库5内的高压空气首先进入空气-水加热器6，利用热水罐中的热水加热空气；然后进入空气高温加热器7，利用热盐罐中的熔盐加热空气。升温后的高温高压热空气进入透平8带动发电机9做功。
31.塔式光热补热系统通过一定数量的反射镜阵列16，将太阳辐射反射到安置于集热塔17顶端的太阳能吸热器18上。缓冲熔盐罐中的熔盐进入集热塔加热，将吸收了压缩热的热熔盐温度进一步提升，换热后的熔盐储存在高温熔盐罐中供系统循环使用。
32.换热后的水储存在冷水罐14中，在下一个压缩储能过程中循环使用；换热后的熔盐进入低温熔盐罐进行存储，等待下一次储能压缩过程的进行。