CN102758690A - 高效高压液态空气储能/释能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效高压液态空气储能/释能系统，包括储能子系统和释能子系统：储能子系统中，低压压缩机组（1′）、高压压缩机组（1）、蓄冷器（2）、低温换热器（3）、高压低温储罐（4）、低温膨胀机组（6）、低温换热器（3）、蓄冷器（2）依次顺序联通；驱动单元（9）驱动高压压缩机组（1），低温膨胀机组（6）驱动低压压缩机组（1′）；释能子系统包括自增压单元（5）和做功单元，高压低温储罐（4）、蓄冷器（2）、蓄热/换热器（7）、主膨胀机组（8）依次连接，所述主膨胀机组（8）驱动发电机（24）。本发明的储能系统具有能量密度高、效率高、发电阶段不耗功耗电、适用于各种电站、不产生温室气体、可回收中低温废热等优点。

Description

高效高压液态空气储能/释能系统

技术领域

本发明涉及能量储存技术领域，是一种基于高压液态空气存储能量以及利用所存能量产生电能的高效储能/释能系统。

背景技术

随着可再生能源(风能、太阳能等)的日益普及,以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求,电力储能系统的重要性日益凸显。大规模电力储能技术可以有效解决电力生产与使用中峰谷差的矛盾；可以提供电力系统供电的可靠性；可以解决风力发电、太阳能、潮汐能等间歇式能源发电不稳定性的关键技术。

同时，电力储能系统还是分布式能源系统的关键技术。分布式能源系统采用大量小型分布式电力系统代替常规大型集中式电力系统，当系统遇到了局部的线路故障时，电力储能系统可以提供不间断的电源供应。

目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的99.5%。

抽水电站储能系统在电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。抽水电站储能系统技术上成熟可靠、效率高（～70%）、储能容量大等优点，目前已经广泛使用。但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长(一般约7～15年)，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造抽水电站储能系统受到了越来越大的限制。

传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高（50%～70%）和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低，难点是需要合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。

为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，最近几年国内外学者分别开展了地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)的研究等，使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，需要大型的储气室。

近年来，国内外学者发展了液态空气储能系统，由于采用常压液态空气储存,储能密度较高。但是，在储能过程的降压节流环节和释能过程的低温泵增压环节有需要消耗较高的能量,从而降低了储能系统的运行效率。

发明内容

本发明的目的是公开一种新型储能/释能系统，是高效高压液态空气储能/释能系统，相比现有的压缩空气储能系统等具有储能密度大的特点。相比普通液态空气储能系统，具有系统储能效率高的特点,可以适合各种类型的电站配套使用。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种高效高压液态空气储能/释能系统，包括低压压缩机组、高压压缩机组、蓄冷器、低温换热器、高压低温储罐、低温膨胀机组、蓄热/换热器、主膨胀机组、驱动单元、发电机，其特征在于，

所述储能/释能系统包括储能子系统和释能子系统：

所述储能子系统中，所述驱动单元驱动高压压缩机组，低温膨胀机组驱动低压压缩机组，所述低压压缩机组、高压压缩机组、蓄冷器、低温换热器、高压低温储罐的底部液体侧经管线依次顺序联通，所述高压低温储罐的顶部气体侧、低温膨胀机组、低温换热器、蓄冷器经管线依次顺序联通，且所述低温膨胀机组和高压低温储罐之间的管线上设有调节阀门Ⅰ；

所述释能子系统包括自增压单元和做功单元，其中，所述自增压单元包括自增压器，所述自增压器一端通过管线连接所述高压低温储罐的底部液体侧，另一端通过管线连接所述高压低温储罐的顶部气体侧，且所述自增压器和高压低温储罐的底部液体侧之间的管线上设有调节阀门Ⅱ；所述做功单元中，所述高压低温储罐的底部液体侧、蓄冷器、蓄热/换热器、主膨胀机组经管线依次连接，所述高压低温储罐的底部液体侧和蓄冷器之间的管线上设有另一调节阀门Ⅲ，所述主膨胀机组驱动发电机。

优选地，所述低压压缩机组和/或高压压缩机组各包括至少一台压缩机，多台压缩机相互串联或集成为整体多级压缩机，低压压缩机组入口接空气源。优选地，主膨胀机组包括至少一台膨胀机，多台膨胀机相互串联或集成为整体多级膨胀机，每一台末级膨胀机的气体出口通大气。优选地，低温膨胀机组包括至少一台低温低压膨胀机，多台低温膨胀机相互串联为多级膨胀机，每一台末级膨胀机的气体出口进入蓄冷器内的换热器。

低温膨胀机组与低压压缩级组的传动轴固接，驱动单元与高压压缩机组的传动轴固接，发电机与主膨胀机组的传动轴固接。

本发明的高效高压液态空气储能/释能系统，其流程为：

储能时，利用低温膨胀机组与驱动单元分别驱动低压压缩机组与高压压缩机组，将一定量的空气压缩至常温高压状态；常温高压空气进入蓄冷器中冷却，高压空气经过蓄冷器和低温换热器后温度降至液化温度以下变成高压液态空气；高压液态空气进入高压低温储罐存储；与此同时高压低温储罐内部的气态高压空气经低温膨胀机膨胀后产生低温冷能，通过低温换热器将冷能传给主路的高压空气，经过蓄冷器释放剩余冷能；低温膨胀机组产生的轴功用于驱动低压压缩机组。

释能时，自增压器使高压低温液态空气储罐加压，高压液态空气在蓄冷器中升温至常温高压状态并回收冷能，在蓄热/换热器中吸收热量使高压空气进一步升温，然后进入主膨胀机组膨胀做功，带动发电机发电。

优选地，所述驱动单元，为驱动电机或风力机；为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种为电源。

优选地，所述蓄热/换热器设有管线，该管线与外界热源相通连。

优选地，所述蓄热/换热器，储能时经管线存储下列热能的一种或几种：压缩机产生的压缩热；工业余热或废热；太阳热能。释能时，加热进各级膨胀机前的压缩空气。优选地，所述的高效高压液态空气储能/释能系统，将压缩热、余热、废热或太阳能集热储存在蓄热/换热器中用于加热高压空气，提高进膨胀机前高压空气的温度，余热、废热为电厂、水泥行业、钢铁冶金行业、化工行业的余热、废热。

优选地，本发明的高效高压液态空气储能/释能系统，其空气压缩、冷却过程中还包括空气净化与纯化，除去空气中的固体物及杂质气体；空气净化与纯化设备集成在压缩机组和/或蓄冷器中。

优选地，低压压缩机组、高压压缩机组组成的压缩机组，总压比在38～340之间；当压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

优选地，所述膨胀机组，总膨胀比在38～340之间，末级膨胀机排气接近常压；当为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级膨胀机的进气均先经过蓄热/换热器加热升温。

优选地，低压压缩机组、高压压缩机组、主膨胀机组、和/或低温膨胀机组，是活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式。

优选地，所述多台压缩机、多台主膨胀机分布在一根驱动轴或多根驱动轴上。

在另一个优选实施例中，所述储能子系统中，所述高压压缩机组产生的高压空气经所述蓄热/换热器冷却后进入蓄冷器。进一步地，所述释能子系统中还包括高温蓄热/换热器，经所述蓄热/换热器加热后的高压空气通过所述高温蓄热/换热器后进入所述主膨胀机组，所述高温蓄热/换热器为余热/废热换热器，通过管线与太阳能集热器或工业余热/废热流体相通连，通过余热/废热换热器直接加热高压空气，来提高进主膨胀机组前高压空气的温度。

优选地，所述蓄热/换热器，其换热形式是高压空气直接接触蓄热材料或者通过换热器与蓄热材料换热，其蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种；采用的蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中。

优选地，所述蓄冷器，将高压空气冷却至78K-160K（K为开氏温度单位），是显热蓄冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；采用的显热蓄冷介质，是岩石、陶瓷、金属氧化物球、密封冰球、沙砾、混凝土、铝带盘或其它金属或非金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是固液相变温度在81K～273K之间的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中；高压空气或低压空气在蓄冷器中与蓄冷介质直接接触换热或通过换热器与蓄冷换热器换热；储能时，蓄冷器对高压空气进行冷却，释能时，蓄冷器回收并储存高压液态空气升温过程中的冷量。

优选地，所述的低温膨胀机用于储能时高压空气的液化补充低温冷能，多级低温膨胀机每级的气体出口都通向低温换热器，多级低温膨胀机的驱动轴可以与某级压缩机固连，其膨胀过程的输出功可以带动某级压缩机来压缩空气。

优选地，所述低温储罐，为高压杜瓦储罐或低温储槽，液态空气在高压状况下储存，设计压力要远高于实际工作的最高压力。

优选地，所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其所述控制第一级压缩机进气量，是通过调节压缩机负载、开停部分压缩机或调节压比来实现进气量的控制。

优选地，所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其释能时，通过管线上的阀门来控制低温高压储罐内压力，通过管线上的阀门控制高压液态空气气化量来调节发电能力。

本发明的优点在于:能量密度高、效率高、发电阶段不耗功耗电、适用于各种电站（包括太阳能、风能等可再生能源电站）、不产生温室气体、可回收中低温（热值）废热等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，为本发明的高效高压液态空气储能/释能系统实施例1。其中，低压压缩机组1′，高压压缩机组1，蓄冷器2，低温换热器3，高压液态空气储罐4，自增压器5，低温膨胀机组6，蓄热/换热器7，主膨胀机组8，发电机24，驱动电机9，阀门14，19，21，管线10′，10，11，12，13，15，16，17，18，20，22，23，25，26，进口空气A。

低温膨胀机组6与低压压缩机组1′的共有传动轴固接，驱动电机9与高压压缩机组1的共有传动轴固接，发电机24与主膨胀机组8的共有传动轴固接。低压压缩机组1′入口接空气A，经管线10′与高压压缩机组1相通连，高压压缩机组1经管线10与蓄冷器2相通连。蓄冷器2、低温换热器3、高压低温液态储罐4经管线11、12顺序相通连。高压低温液态储罐4顶部与低温膨胀机组6、低温换热器3、蓄冷器2经管线13、15、16顺序相通连。管线13中设有调节阀门14。高压低温液态储罐4与自增压器5经管线18相通连，管线18上有调节阀门19。高压低温液态储罐4、蓄冷器2、蓄热/换热器7、主膨胀机组8经管线20、22、23相通连。主膨胀机组8的气体出口管线25通大气。

储能时，低温膨胀机组6带动低压压缩机组1′，空气A进入低压压缩机组1′压缩至一定压力，低谷（低价）电驱动电机9带动压缩机组1，将初级压缩的空气压缩至常温高压状态，高压压缩机组1出口空气通过管线10进入蓄冷器2，被蓄冷介质冷却至接近液化温度或液化温度以下。出蓄冷器2的低温高压空气经低温换热器3吸收进一步降温，得到高压液化空气，经管线12进入高压低温液体储罐4中。同时，管线13上的阀门14开启，高压低温液体储罐4上部的低温高压气体经管线13进入低温膨胀机组6，膨胀后温度进一步降低，经低温换热器3换热后，进入蓄冷器2，剩余冷能被蓄冷换热器吸收后经管线17后排空。低温膨胀机组6带动低压压缩机组1′用于回收低温膨胀机组6所做的功。在一定的总流量和压力条件下，使用该结构可以减小驱动电机9的功耗，进而提高储能系统运行效率。

释能时，打开阀门19与21，自增压器5将来自高压低温储罐4的液态空气增压到一定压力后，由管线20输送至蓄冷器2与蓄冷介质换热并气化，同时回收冷量，出蓄冷器2的高压空气再经由管线22进入蓄热/换热器7进一步升温，温度升高后的高压空气通过管线23注入主膨胀机组8膨胀做功。

一般情况下，储能与释能过程不同时运行，储能时，压缩机组1、1′工作，主膨胀机组8关停，阀门21关闭，蓄冷器2释放冷量，将高压空气冷却至低温。自增压器5关停，阀门19关闭。低温膨胀机组6工作，阀门14开启。释能时则相反，压缩机组1关停，低温膨胀机组6关停，阀门14关闭。自增压器5工作，阀门19开启。主膨胀机组8工作，阀门21开启，蓄冷器2回收、储存冷量，同时高压液态空气升温，蓄热/换热器7则释放热能，进一步提升高压空气温度。另外，外界热量则可以随时经由管线26进入蓄热/换热器7进行储存。

实施例2

图2是本发明的存储与释放压缩热的高效高压液态空气储能/释能系统的实施例2，其主体结构与实施例1相同，高压压缩机组1产生的高温高压空气经蓄热/换热器7′降温后进入蓄冷器2，蓄热/换热器7主要存贮与释放压缩空气的压缩热。

储能时，高压压缩机组1出口高压空气首先进入蓄热/换热器7,空气被压缩产生的热量被蓄热材料吸收，同时高压空气的温度降至常温。出蓄热/换热器7的常温高压空气依次进入蓄冷器2，低温换热器3液化后保存在高压液态储罐4中。而在释能阶段，出蓄冷器2的常温高压空气进入蓄热/换热器7吸收热量，加热至高温后进入主膨胀机组8膨胀做功。

实施例3

图3是本发明的高压液态空气储能系统与太阳能热发电或工业余热利用相结合的实施例3，其主体结构与实施例2相同，另增加了与太阳能集热器或工业余热管道的连接部分。来自太阳能集热器或工业余热的高温流体通过管线26进入高温蓄热/换热器7″，在高温蓄热/换热器7″中高温流体放热降温。而出蓄热/换热器7′的主高压空气在高温蓄热/换热器7″中被加热至高温，然后经过管线23进入主膨胀机组8膨胀做功。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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范围之内。

Claims (10)

1.一种高效高压液态空气储能/释能系统，包括低压压缩机组（1′）、高压压缩机组（1）、蓄冷器（2）、低温换热器（3）、高压低温储罐（4）、低温膨胀机组（6）、蓄热/换热器（7）、主膨胀机组（8）、驱动单元（9）、发电机（24），其特征在于，

所述储能/释能系统包括高效储能子系统和释能子系统：

所述储能子系统中，所述低温膨胀机组（6）驱动低压压缩机组（1′），驱动单元（9）驱动高压压缩机组（1），所述低压压缩机组（1′）、高压压缩机组（1）、蓄冷器（2）、低温换热器（3）、高压低温储罐（4）的底部液体侧经管线（10′、10、11、12）依次顺序联通，所述高压低温储罐（4）的顶部气体侧、低温膨胀机组（6）、低温换热器（3）、蓄冷器（2）经管线（13、15、16、17）依次顺序联通，且所述低温膨胀机组（6）和高压低温储罐（4）之间的管线（13）上设有调节阀门Ⅰ（14）；

所述释能子系统包括自增压单元和做功单元，其中，所述自增压单元包括自增压器（5），所述自增压器（5）一端通过管线连接所述高压低温储罐（4）的底部液体侧，另一端通过管线连接所述高压低温储罐（4）的顶部气体侧，且所述自增压器（5）和高压低温储罐（4）的底部液体侧之间的管线上设有调节阀门Ⅱ（19）；所述做功单元中，所述高压低温储罐（4）的底部液体侧、蓄冷器（2）、蓄热/换热器（7）、主膨胀机组（8）经管线（20、22、23）依次连接，所述高压低温储罐（4）的底部液体侧和蓄冷器（2）之间的管线（20）上设有调节阀门Ⅲ（21），所述主膨胀机组（8）驱动发电机（24）。

2.根据权利要求1所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于，

其储能流程为：

利用低温膨胀机组（6）与驱动单元（9）分别驱动低压压缩机组（1′）与高压压缩机组（1），将一定量的空气压缩至常温高压状态；常温高压空气进入蓄冷器（2）中冷却，高压空气经过蓄冷器（2）和低温换热器（3）后温度降至液化温度以下变成高压低温液态空气；高压低温液态空气进入高压低温储罐（4）存储；与此同时高压低温储罐（4）内部的气态高压空气经低温膨胀机组（6）膨胀后产生低温冷能，通过低温换热器（3）将冷能传给主路的高压空气，并经过蓄冷器（2）释放剩余冷能；低温膨胀机组（6）产生的轴功用于驱动低压压缩机组（1′）；

其释能流程为：

自增压器（5）通过吸热使得部分液态空气气化使高压低温储罐（4）增压，高压液态空气在蓄冷器（2）中升温至常温高压状态并回收冷能，在蓄热/换热器（7）中吸收热量使高压空气进一步升温，然后进入主膨胀机组（8）膨胀做功，带动发电机（24）发电。

3.根据权利要求1或2所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述高压低温储罐（4），为高压杜瓦储罐或高压低温储槽，液态空气在中高压状况下储存，压力为3.8MPa以上。

4.根据权利要求1或2所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述自增压器（5）由金属盘管或翅片管制成，加热介质为水或空气。

5.根据权利要求1或2所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述驱动单元（9），为驱动电机或风力机；为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种电源。

6.根据权利要求1或2所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述蓄热/换热器（7）通过管线（26）与太阳能集热器或工业余热/废热流体相通连，形成载热循环回路，将余热、废热或太阳能集热储存在蓄热/换热器（7）中用于加热高压空气。

7.根据权利要求1或2所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述储能子系统中，所述高压压缩机组（1）产生的高压空气经所述蓄热/换热器（7′）冷却后进入蓄冷器（2）。

8.根据权利要求7所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述释能子系统中还包括高温蓄热/换热器（7″），经所述蓄热/换热器（7′）加热后的高压空气通过所述高温蓄热/换热器（7″）后进入所述主膨胀机组（8），所述高温蓄热/换热器（7″）为余热/废热换热器，通过管线（26）与太阳能集热器或工业余热/废热流体相通连，通过余热/废热换热器直接加热高压空气，来提高进主膨胀机组（8）前高压空气的温度。

9.根据上述权利要求所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：空气压缩、冷却过程中还包括空气净化与纯化，除去空气中的固体物及杂质气体；空气净化与纯化设备集成在所述高压压缩机组（1）和/或蓄冷器（2）中。

10.根据权利要求1或2所述的高效高压液态空气储能/释能系统，其特征在于：所述低压压缩机组（1′）及高压压缩机组（1）组成的压缩机组，总压比在36～340之间，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式，并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；所述主膨胀机组（8），总膨胀比在38～340之间，末级膨胀机排气接近常压，当为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式，并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接，各级膨胀机的进气均先经过蓄热/换热器（7，7′）加热升温。

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