CN102839995B - 一种等温等压压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等温等压压缩空气储能系统，涉及能量存储技术，该系统在用电低谷通过压气机将空气压入水下柔性储气装置，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，储气装置中高压空气经换热器吸热后通过膨胀机带动发电机发电。本发明的储能系统，利用水下压力使储气装置内部恒压，并且利用级间冷却和加热措施实现近似等温压缩和膨胀的过程，提高系统效率。同时，该压缩空气储能系统具有储能周期不受限制，适用于各种类型电源、对环境友好、储气装置不易受地震等地质灾害影响等优点，具有广阔的使用前景。

Description

一种等温等压压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及能量存储技术领域，特别是一种等温等压压缩空气储能系统。

背景技术

长期以来，为满足不断增加的电力负荷要求，电力部门不得不根据最大负荷要求建设发电能力。这一方面造成了大量发电能力的过剩和浪费，另一方面，电力部门又不得不在用电高峰时段限制用电。因此迫切需要经济、稳定、可靠、高效的电力储能系统与之相配套并改善系统负荷峰谷差过大的情况。特别对于核电站等仅能高位运行的电力系统，电力储能系统的需求就更为迫切。更为重要的是，电力储能系统是将歇式能源“拼接”起来，提高可再生能源(具有间歇性)利用率的有效手段。同时，电力储能系统还是解决分布式能源系统容量小、负荷波动大的问题的关键技术。

压缩空气储能系统是除抽水蓄能外最适合大规模电力储能的储能技术。传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统，在用电低谷将空气压入储气室中，从而将电能转化为空气内能存储起来；在用电高峰将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。传统压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率较高和单位投资相对较小等优点；但是传统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氧化物等污染物和温室气体，不符合绿色能源发展要求；更为致命的是，传统压缩空气储能系统也需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等；而且随着充气和放气的过程中，压缩空气的压力和温度将发生变化，因此系统的效率也受到影响。此外，压缩空气储能系统大型洞穴式储气室等会受到地震等地质灾害的影响。

为解决传统压缩空气储能系统主要技术问题，本发明提出一种新型等温等压压缩空气储能系统。

发明内容

本发明公开了一种等温等压压缩空气储能系统，涉及电力存储技术，该系统在用电低谷通过压气机将空气压入水下储气装置，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，储气装置中高压空气在换热器吸热后通过膨胀机带动发电机发电。本发明的系统利用水下压力使储气装置内部恒压，并且利用级间冷却和加热措施实现近似等温压缩和膨胀的过程，提高系统效率，同时，具有储能周期不受限制，适用于各种类型电源、对环境友好、储气装置不易受地震等地质灾害影响等优点，具有广阔的使用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种等温等压压缩空气储能系统，包括电动机、压气机组、储气装置、膨胀机组、换热器、阀门、发电机及管线；其至少为两级压气机组，包括一低压压气机、一高压压气机，电动机输出轴与压气机组的传动轴固接，位于陆地；低压压气机入口接空气源，输出口经换热器、管线与高压压气机入口相通连；

至少为两级膨胀机组，包括一低压膨胀机、一高压膨胀机，发电机转动轴与膨胀机组传动轴固接，位于陆地；高压膨胀机输出口经换热器、管线与低压膨胀机入口相通连，低压膨胀机出口通大气；

储气装置位于水源中，以固定装置固定在水底岩石圈上，其上游经管线、阀门与高压压气机输出口相通连，下游经管线、阀门与高压膨胀机输入口相通连；

其工作流程为：

储能时，电动机驱动低压压气机和高压压气机，将空气压入水下储气装置存储；释能时，储气装置的高压空气在换热器吸热后通过膨胀机做功并带动发电机发电；

管线中的阀门，用来控制气流方向和系统的工作模式。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述水源，是大海、湖、水库、江、河流或人工水池，储气装置存放在水下，储气装置在水下存放的深度与压气机组出口空气的压力和储气装置的容积相匹配，储气装置的容积与储电量和存放深度相匹配。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述固定装置，是锚、桩或静负载中的一种或者几种的组合。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述储气装置，为柔性储气装置，其制造材料是保温或不保温的柔性材料。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述柔性储气装置，是指储气装置的容积随着储气量的变化而变化，但不超过最大容积，即：当充气时，储气装置随气量增大而增大；当放气时，储气装置体积缩小；但储气装置的最大充气压力不超过限定值，否则会破坏柔性材料的物理性能。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述储气装置内压力保持恒定，即：当储能和释能时，高压压气机出口压力和高压膨胀机入口压力保持不变。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述压气机组或膨胀机组，当为两级以上时，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；各压气机间设有级间冷却器，各膨胀机间设有级间加热器。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述压气机组或膨胀机组，当为两级以上时，多台压气机、多台膨胀机分布在一根驱动轴或多根驱动轴上；当为多台压气机和膨胀机时，实现近似等温压缩和等温膨胀。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述电动机的驱动电源是常规电站低谷电(低价)、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种的组合。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述储能过程在电力低谷(低价)、可再生能源发电冗余时启用；释能过程在用电高峰(高价)、电力事故、可再生能源发电不符合要求时启用。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述压气机或膨胀机，是活塞式、轴流式、斜流式、离心式、螺杆式或混合式压气机其中的一种或多种的组合。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述储能时，通过控制压气机流量和级间冷却温度调节储能能力。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述控制压气机流量，是通过调节压气机负载、开停部分压气机或调节压气机转速来实现。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述释能时，通过控制膨胀机流量和级间加热温度调节发电能力。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述控制膨胀机流量，是通过开停部分膨胀机或调节膨胀机转速来实现。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述换热器，位于水源中或位于陆地。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其还包括至少两台水泵，位于水源中，分别经管线与换热器相通连。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述水泵，是叶轮式泵或容积式泵。

所述的等温等压压缩空气储能系统，其所述叶轮式泵，为轴流式、混流式或离心式泵其中的一种或多种的组合；容积式泵，为齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵或滑片泵其中的一种或多种的组合。

本发明的优点在于：利用水下的压力维持储气装置的内部压力恒定，从而解决传统压缩空气储能对特殊地形的依赖以及会受地震等地质灾害影响的问题，并利用级间冷却装置冷却压气机进气、级间加热装置加热膨胀机进气，提高系统效率，实现近似等温压缩和膨胀过程。同时，该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。

附图说明

图1为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例1结构示意图；

图2为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例2结构示意图；

图3为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例3结构示意图；

图4为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例4结构示意图；

图5为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例5结构示意图。

具体实施方式

本发明的等温等压压缩空气储能系统，它在用电低谷通过压缩机组将空气压入水下柔性储气装置，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰(高价)，储气装置中高压空气经换热器吸热并通过膨胀机带动发电机发电。本发明的系统利用水下的压力维持储气装置的内部压力恒定，从而解决传统压缩空气储能对特殊地形的依赖以及会受地震等地质灾害影响的问题，并利用级间冷却装置冷却压气机进气、级间加热装置加热膨胀机进气，提高系统效率，实现近似等温压缩和膨胀过程。同时，该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。

实施例：

图1所示为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例1，它采用两级压缩、级间冷却和两级膨胀、级间加热。其中，电动机1，低压压气机2，高压压气机6，高压膨胀机16，低压膨胀机20，换热器4、14、18，阀门8、12，管线3、5、7、9、11、13、15、17、19，柔性储气装置10，发电机21，固定装置22，水底岩石圈23，空气和水源。

电动机1与压气机组的共有传动轴固接，发电机21与膨胀机组的共有传动轴固接。低压压气机2经管线3、高压压气机6经管线5分别与换热器4相通连；高压压气机6经管线7、9及阀门8与柔性储气装置10相通连；高压膨胀机16经管线11、13、15及阀门12、换热器14与柔性储气装置10相通连；高压膨胀机16经管线17、低压膨胀机20经管线19分别与换热器18相通连。

换热器4、14、18没入水源中，换热介质为水。

末级透平的出口气体与大气相通连。

储气装置10固定在水底岩石圈23上，采用非保温柔性材料。

储能时，打开阀门8，关闭阀门12，电动机1利用低谷电(低价)带动压气机组，空气在低压压气机2压缩升温升压，压缩后的空气经管线3进入换热器4，与水换热冷却降温至低压压气机2进气温度，冷却后的空气经管线5进入高压压气机6继续压缩并升温升压，其出口空气经阀门8及管线7、9进入储气装置10存储。释能时，打开阀门12，关闭阀门8，储气装置10内的高压空气经管线11、13及阀门12进入换热器14，与水换热后的高压空气经管线15进入高压膨胀机16膨胀降温，其出口空气经管线17进入换热器18，与水换热后温度升至高压膨胀机16的进气温度，经管线19将升温后的空气送入低压膨胀机20继续膨胀做功并带动发电机21发电。释能结束，阀门12关闭。

一般情况下，储能和释能过程不同时进行，储能时，压气机组工作，膨胀机组关停，阀门8打开，阀门12关闭，换热器4冷却高压压气机6进气。释能时则相反，压气机组关停，膨胀机组工作，阀门12打开，阀门8关闭，换热器14加热储气装置10出口的高压空气，换热器18加热低压膨胀机20的进气。

图2所示为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例2，其主体结构与实施例1相同，但它采用三级压缩、级间冷却及三级膨胀、级间加热代替实施例1中的两级压缩、级间冷却及两级膨胀、级间加热。其中，电动机1，低级压气机24，中压压气机28，高压压气机32，高压膨胀机33，中压膨胀机37，低压膨胀机41，换热器26、30、14、35、39，柔性储气装置10，管线25、27、29、31、7、9、11、13、15、34、36、38、40，发电机21，固定装置22，水底岩石圈23，阀门8、12，空气和水源。

各部件的连接情况与实施例1基本相同。

在高压压气机32和低压压气机24间增加中压压气机28，并且其与低压压气机24和高压压气机32间有级间冷却器，即换热器26、30。储能时，空气经三级压缩及级间冷却后经管线7、9及阀门8进入柔性储气装置10存储。在高压膨胀机33和低压膨胀机41间增加中压膨胀机37，并且其与低压膨胀机41和高压膨胀机33间有级间加热器，即换热器35、39，释能时，柔性储气装置10内的高压空气经阀门12、换热器14及管线11、13、15进入三级膨胀机组及级间加热设备，空气膨胀做功驱动膨胀机并带动发电机21发电，低压空气排入大气。

图3所示为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例3，其主体结构与实施例1相同，但它采用四级压缩、级间冷却及四级膨胀、级间加热代替实施例1中的两级压缩、级间冷却及两级膨胀、级间加热。其中，电动机1，低级压气机42，中压压气机46，次高压压气机50，高压压气机54，高压膨胀机55，次高压膨胀机59，中压膨胀机63，低压膨胀机67，换热器44、48、52、14、57、61、65，柔性储气装置10，管线43、45、47、49、51、53、7、9、11、13、15、56、58、60、62、64、66，阀门8、12，发电机21，固定装置22，水底岩石圈23，空气和水源。

各部件的连接情况与实施例1基本相同。

在高压压气机54和低压压气机42间增加中压压气机46和次高压压气机50，并且它们与低压压气机42和高压压气机54间有级间冷却器，即换热器44、48、52。储能时，经四级压缩及级间冷却后的高压空气经管线7、9及阀门8进入柔性储气装置10存储。在高压膨胀机55和低压膨胀机67间增加中压膨胀机63和次高压膨胀机59，并且其与低压膨胀机67和高压膨胀机55间有级间加热器，即换热器57、61、65，释能时，柔性储气装置10内的高压空气经阀门12、换热器14及管线11、13、15进入四级膨胀机组和级间加热设备，空气膨胀做功驱动膨胀机并带动发电机21发电，低压空气排入大气。

图4所示为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例4，其主体结构与实施例1相同，但柔性储气装置采用保温材料，以代替实施例1中采用非保温材料的柔性储气装置，因此不需要用水预热。其中，电动机1，低压压气机2，高压压气机6，高压膨胀机16，低压膨胀机20，换热器4、18，阀门8、12，管线3、5、7、9、11、13、17、19，柔性储气装置10，发电机21，固定装置22，水底岩石圈23，空气和水源。

各部件的连接情况与实施例1基本相同。

储能过程与实施例1相同，在释能时，打开阀门12，关闭阀门8，柔性储气装置10内的高温高压空气经管线11、13及阀门12进入高压膨胀机16膨胀降温，当出口空气温度低于水的温度时，出口空气经管线17进入换热器18吸热升温并经管线19进入低压膨胀机20继续膨胀做功降温，膨胀机带动发电机21发电，低压膨胀机20出口空气排入大气。

压气机组和膨胀机组也可以为三级压缩、膨胀或者四级压缩、膨胀，其主体结构与实施例2、3相同。

图5所示为本发明的等温等压压缩空气储能系统实施例5，其主体结构与实施例4相同，但将压气机组和膨胀机组的级间换热器放在环境中，以代替实施例4中没入水源中的换热器。其中，电动机1，低压压气机2，高压压气机6，高压膨胀机16，低压膨胀机20，换热器4、18，水泵69、72，阀门8、12，管线3、5、7、9、11、13、17、19、68、70、71、73，柔性储气装置10，发电机21，固定装置22，水底岩石圈23，空气和水源。

水泵69、72是叶轮式泵包括轴流式、混流式和离心式，或者容积式泵包括齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵和滑片泵。

换热器4经管线68、70及水泵69与水源相通连；换热器18经管线71、73及水泵72与水源相通连；其余各部件的连接情况与实施例4基本相同。

储能时，打开阀门8，关闭阀门12，启动水泵69，水源中的水经管线70、68进入换热器4，冷却高压压气机6的进气；空气在低压压气机2、高压压气机6压缩升温升压后经管线7、9及阀门8进入储气装置10存储，储能结束时关闭水泵69和阀门8。在释能时，打开阀门12，关闭阀门8，启动水泵72，水源中的水经管线71、73进入换热器18，加热低压膨胀机20的进气；储气装置10内的高温高压空气经管线11、13及阀门12进入高压膨胀机16、低压膨胀机20膨胀做功，膨胀机带动发电机21发电，低压膨胀机20出口空气排入大气，释能结束时关闭水泵72和阀门12。

压气机组和膨胀机组也可以为三级压缩、膨胀或者四级压缩、膨胀，储气装置的材料也可以是非保温的，其主体结构与实施例2、3相同。

Claims (15)

1.一种等温等压压缩空气储能系统，包括电动机、压气机组、储气装置、膨胀机组、换热器、阀门、发电机及管线；其特征在于：

至少为两级压气机组，包括一低压压气机、一高压压气机，电动机输出轴与压气机组的传动轴固接，位于陆地；低压压气机入口接空气源，出口经换热器、管线与高压压气机入口相通连；

至少为两级膨胀机组，包括一低压膨胀机、一高压膨胀机，发电机转动轴与膨胀机组传动轴固接，位于陆地；高压膨胀机出口经换热器、管线与低压膨胀机入口相通连，低压膨胀机出口通大气；

在压气机和膨胀机的级间换热中，采用水作为换热工质；

储气装置位于水源中，以固定装置固定在水底岩石圈上，其上游经管线、阀门与高压压气机输出口相通连，下游经管线、阀门与高压膨胀机入口相通连；所述水源，是大海、湖、水库、江、河流或人工水池，储气装置存放在水下，储气装置在水下存放的深度与压气机组出口空气的压力和储气装置的容积相匹配，储气装置的容积与储电量和存放深度相匹配；

其工作流程为：

储能时，电动机驱动低压压气机和高压压气机，将空气压入水下储气装置存储；释能时，储气装置的高压空气在换热器吸热后通过膨胀机做功并带动发电机发电；

管线中的阀门，用来控制气流方向和系统的工作模式。

2.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述固定装置，是锚、桩或静负载中的一种或者几种的组合。

3.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述储气装置，为柔性储气装置，其制造材料是保温或不保温的柔性材料。

4.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述压气机组或膨胀机组，当为两级以上时，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；各压气机间设有级间冷却器，各膨胀机间设有级间加热器。

5.如权利要求4所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述压气机组或膨胀机组，当为两级以上时，多台压气机、多台膨胀机分布在一根驱动轴或多根驱动轴上。

6.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述电动机的驱动电源是常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种的组合。

7.如权利要求1或5所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述压气机或膨胀机，是活塞式、轴流式、斜流式、离心式、螺杆式或混合式压气机其中的一种或多种的组合。

8.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述储能时，通过控制压气机流量和级间冷却温度调节储能能力。

9.如权利要求8所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述控制压气机流量，是通过调节压气机负载、开停部分压气机或调节压气机转速来实现。

10.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述释能时，通过控制膨胀机流量和级间加热温度调节发电能力。

11.如权利要求10所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述控制膨胀机流量，是通过开停部分膨胀机或调节膨胀机转速来实现。

12.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述换热器，位于水源中或位于陆地。

13.如权利要求1所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：还包括至少两台水泵，位于水源中，分别经管线与换热器相通连。

14.如权利要求13所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述水泵，是叶轮式泵或容积式泵。

15.如权利要求14所述的等温等压压缩空气储能系统，其特征在于：所述叶轮式泵，为轴流式、混流式或离心式泵其中的一种或多种的组合；容积式泵，为齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵或滑片泵其中的一种或多种的组合。