CN103225598B - 一种压缩空气与储热介质同时储能的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种压缩空气与储热介质同时储能的方法及系统，属于压缩空气储能领域。该系统包括电动机、空气压缩机、空气储存装置、储热罐、透平和发电机。系统原理如下：在储热罐内放置固体储热介质，并设置电加热元件，在用电低谷期，系统进行充电，空气被空气压缩机压缩后与储热罐内固体储热介质换热，换热后的空气被储存在空气储存装置中，然后利用电加热元件对换热后的固体储热介质继续加热；在用电高峰期，系统进行放电，储存的空气被释放，吸收固体储热介质的热量后进入透平做功，透平带动发电机发电。该系统与现有的绝热压缩空气储能系统相比，存储容量大幅增加，单位容量投资成本降低，只需采用一级储热罐和一级透平，系统复杂度低。

Description

一种压缩空气与储热介质同时储能的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种利用压缩空气和储热介质同时储能的方法及系统，属于压缩空气储能技术领域。

背景技术

目前，包括风能、太阳能等在内的可再生能源的发展使储能技术日益受到关注。可再生能源存在的一大问题是其不稳定性，不同时刻的外界气候条件会导致发电量的大幅波动，这对并网运行或是与用户需求的匹配都造成了很大的负面影响。因此，发展合适的储能技术调节不同时段的发电量以满足并网或用户的需求是至关重要的。

在目前常见的储能技术中，压缩空气储能技术具有较大发展潜力，它的可存储容量与抽水蓄能相当，但是对地形条件的要求比抽水储能宽松；其余储能技术，包括飞轮储能、超级电容和先进燃料电池等均存在着存储容量小的缺点。

现有的压缩空气储能技术主要包括两种：非绝热压缩空气储能技术和绝热压缩空气储能技术。非绝热压缩空气储能技术需要通过燃料的燃烧来提高透平进口气体的温度，这带来了污染物和二氧化碳的排放问题。而绝热压缩空气储能技术则回收空气在压缩过程中产生的热量并储存在储热罐中，用于空气膨胀前的预热，该技术不需要燃料的引入，更加绿色环保，同时与非绝热压缩空气储能相比效率更高。但是，由于储热罐的引入，绝热压缩空气储能系统更为复杂，且初期投资成本比非绝热压缩空气储能系统高20～30%，过高的投资成本限制了其应用和推广。而且由于目前压气机材料的限制，空气压缩机出口的空气温度不高，这使得储热罐内储热介质的储热潜力受到限制。此外，透平入口温度也会因此受到限制，这意味着当空气储存压力较高时，透平出口可能会出现冷凝，这时就需要提高透平出口压力或采用两级储热罐和两级透平，提高透平出口压力会导致系统效率下降，而采用两级储热罐和两级透平则显著提高了系统的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是解决现有压缩空气储能技术中存在的缺点，提供一种利用压缩空气和储热介质同时储存能量的方法及系统，以充分利用固体储热介质的储热潜力，大幅提高现有的绝热压缩空气储能系统的储存容量，同时系统简单，系统单位容量投资成本低。

本发明的方法技术方案如下：

1）在储热罐内放置固体储热介质，并设置电加热元件；

2）在用电低谷期，利用电网电量驱动电动机工作，电动机带动空气压缩机旋转，空气压缩机将空气压缩成高温高压空气，温度范围400～650°C，压力范围为40～200bar，高温高压空气进入储热罐，与储热罐内的固体储热介质进行换热，从储热罐内流出的低温高压空气被储存在空气储罐或地下洞穴中；

3）将用电低谷期的电通入储热罐内的电加热元件，对换热后的固体储热介质继续加热，将电能转化为固体储热介质的热能；

4）在用电高峰期，将空气储罐或地下洞穴中的低温高压空气通入储热罐，空气吸收固体储热介质的热量后形成高温高压空气，温度范围为700～1500°C，压力范围为40～200bar，高温高压空气进入透平做功，透平旋转带动发电机发电。

本发明所述的方法，其特征在于：储热罐内的固体储热介质采用铸钢，镁氧化物耐火材料或陶瓷材料，若采用铸钢，则利用电加热元件加热时的最高储存温度为700°C，若采用镁氧化物耐火材料，则利用电加热元件加热时的最高储存温度为1200°C，若采用陶瓷材料，则利用电加热元件加热时的最高储存温度为1500°C。

本发明所述的方法，其特征在于：空气储罐或地下洞穴的压力范围为40～200bar。

本发明所述的方法，其特征在于：在用电低谷期，储热罐内固体储热介质在与空气换热前的温度范围为20～50°C。

本发明提供的压缩空气与储热介质同时储能的系统，其特征在于：所述系统包括电动机、空气压缩机、储热罐、空气储存装置、透平和发电机；所述的电动机与空气压缩机相连；空气压缩机的出口与储热罐通过管路相连；在储热罐内设置固体储热介质和电加热元件；储热罐与空气储存装置通过管路相连；透平入口与储热罐也通过管路相连；透平的旋转轴与发电机的输入轴相连。

本发明所述的空气储存装置为空气储罐或地下洞穴。

本发明所述的空气压缩机包括至少一级空气压缩机，若采用二级或二级以上空气压缩机，则每两级空气压缩机中间布置压缩间冷换热器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①与现有的非绝热压缩空气储能系统相比，本发明没有燃烧室，无需消耗化石燃料，为局部零排放的绿色系统；②与现有的绝热压缩空气储能系统相比，本发明充分利用了固体储热介质的储热能力，系统存储容量大幅提升，单位容量投资成本显著降低；③本发明所述系统在不同的空气存储压力（40～200bar）条件下都采用一级储热罐，一级透平的配置方案，系统效率均可以维持在较高水平（60～70%），而传统的绝热压缩空气储能系统在空气存储压力较高（大于120bar）时，若只采用一级储热罐，一级透平的配置则系统效率较低（低于60%），若采用两级储热罐，两级透平的配置虽然系统效率较高，但投资成本和系统复杂程度显著提高。

附图说明

图1是采用一级空气压缩的压缩空气与储热介质同时储能系统的原理结构示意图。

图2是采用两级空气压缩的压缩空气与储热介质同时储能系统的原理结构示意图。

图中：1－电网；2－电动机；3－空气压缩机；3a－一级空气压缩机；3b－二级空气压缩机；4－储热罐；5－固体储热介质；6－电加热元件；7－空气储存装置；8－透平；9－发电机；10－压缩间冷换热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和具体实施作进一步的说明。

图1和图2分别为本发明提供的采用一级空气压缩或两级空气压缩的压缩空气与高温储热介质同时储能系统的原理结构示意图。所述系统包括电动机2、空气压缩机3、储热罐4、空气储存装置7、透平8和发电机9；所述的电动机与空气压缩机相连；空气压缩机的出口与储热罐通过管路相连；在储热罐内设置固体储热介质5和电加热元件6；储热罐与空气储存装置7通过管路相连；透平入口与储热罐也通过管路相连；透平8的旋转轴与发电机9的输入轴相连。所述空气储存装置7可采用空气储罐或地下洞穴。空气压缩机包括至少一级空气压缩机，若采用二级或二级以上空气压缩机，则每两级空气压缩机中间布置压缩间冷换热器。

所述系统按照如下步骤进行：

1）在储热罐4内放置固体储热介质5，并设置电加热元件6，固体储热介质5采用铸钢，镁氧化物耐火材料或陶瓷材料；

2）在用电低谷期，系统进行充电，利用电网1的电量驱动电动机2工作，电动机通过旋转轴带动空气压缩机3旋转，空气压缩机包括至少一级空气压缩机，若采用二级空气压缩机，则一级空气压缩机3a和二级空气压缩机3b中间布置压缩间冷换热器10，若采用二级以上压缩，则每两级空气压缩机中间都布置一个压缩间冷换热器；

3）空气压缩机将常温常压的空气压缩成高温高压空气，高温高压空气的温度范围为400～650°C，压力范围为40～200bar；

4）高温高压空气进入储热罐4，与储热罐内的固体储热介质5进行换热，换热后固体储热介质温度升高，升高后的温度范围为400～650°C，高温高压空气换热后温度降低，变成温度范围为20～50°C的低温高压空气，低温高压空气从储热罐流出，然后进入空气储存装置7中被储存，空气储存装置为空气储罐或地下洞穴；

5）将电网1的电量通入储热罐内的电加热元件6，利用电加热元件对换热后的固体储热介质5继续加热，若固体储热介质为铸钢，则利用电加热元件加热后的最高储存温度为700°C，若固体储热介质为镁氧化物耐火材料，则利用电加热元件加热后的最高储存温度为1200°C，若固体储热介质为陶瓷材料，则利用电加热元件加热后的最高储存温度为1500°C；

6）在用电高峰期，系统进行放电，将空气储存装置7中的低温高压空气通入储热罐，空气吸收固体储热介质的热量后形成高温高压空气，温度范围为700～1500°C，压力范围为40～200bar，高温高压空气进入透平做功，透平旋转带动发电机发电。

实施例：

下面以一个采用两级空气压缩方式的压缩空气与储热介质同时储能的系统（系统1）为例，对本发明进行说明。系统的设计参数如下：系统充电时间8小时，放电时间8小时；地下洞穴压力100bar，存储温度20°C；空气压缩机出口最高可承受温度520°C。压气机效率0.85，透平效率0.9，换热器压损系数0.01，储热罐压损系数0.085，储热罐温度损失20°C；外界环境参数为：温度25°C，压力1.013bar。系统的固体储热介质采用陶瓷材料，经过电加热后储热介质的存储温度为1500°C。系统充电过程中电加热元件的耗电量近似为把空气由520°C加热到1500°C所需的能量。

将上述系统与一个在相同条件下运行的绝热压缩空气储能系统（系统2）进行比较，两种系统的运行参数如表1所示。系统1和系统2的充、放电量能力和效率比较如表2所示。

表1.系统1和系统2的运行参数

表2.系统1和系统2的充、放电能力和系统效率比较

由表2可见，在本实施例中，本发明提供的储能系统与相同运行条件下的绝热压缩空气储能系统相比，效率基本相当，但是本发明提供的储能系统的单次放电过程的发电量增加了140%。若忽略电加热元件的成本，则本发明提供的储能系统的单位容量投资成本比绝热压缩空气储能系统降低了58.3%。此外，本实施例中，绝热压缩空气蓄能系统的透平出口温度仅为3.9°C，实际系统运行中透平出口温度必须保持在0°C以上，以防止透平冷凝，因此在本实施例中当压气机出口温度低于520°C时，系统2的透平出口温度将低于0°C，此时需要提高透平出口压力，这将导致系统效率下降；而本发明提供的储能系统的透平出口温度在400°C以上，如果将这部分高温尾气进行余热利用，如热电联产，则系统总利用效率会进一步提高。

Claims (6)

1.一种压缩空气与储热介质同时储能的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)在储热罐内放置固体储热介质，并设置电加热元件；

2)在用电低谷期，利用电网电量驱动电动机工作，电动机带动空气压缩机旋转，空气压缩机将空气压缩成高温高压空气，温度范围400～650℃，压力范围为40～200bar，高温高压空气进入储热罐，与储热罐内的固体储热介质进行换热，高温高压空气换热后温度降低，变成温度范围为20～50℃的低温高压空气，从储热罐内流出的低温高压空气被储存在空气储罐或地下洞穴中；

3)将用电低谷期的电通入储热罐内的电加热元件，对换热后的固体储热介质继续加热，将电能转化为固体储热介质的热能；

4)在用电高峰期，将空气储罐或地下洞穴中的低温高压空气通入储热罐，空气吸收固体储热介质的热量后形成高温高压空气，温度范围为700～1500℃，压力范围为40～200bar，高温高压空气进入透平做功，透平旋转带动发电机发电。

2.根据权利要求1所述的压缩空气与储热介质同时储能的方法，其特征在于：储热罐内的固体储热介质采用铸钢，镁氧化物耐火材料或陶瓷材料，若采用铸钢，则利用电加热元件加热时的最高储存温度为700℃，若采用镁氧化物耐火材料，则利用电加热元件加热时的最高储存温度为1200℃，若采用陶瓷材料，则利用电加热元件加热时的最高储存温度为1500℃。

3.根据权利要求1所述的压缩空气与储热介质同时储能的方法，其特征在于：空气储罐或地下洞穴的压力范围为40～200bar。

4.一种实施如权利1要求所述方法的压缩空气与储热介质同时储能的系统，其特征在于：所述系统包括电动机(2)、空气压缩机(3)、储热罐(4)、空气储存装置(7)、透平(8)和发电机(9)；所述的电动机与空气压缩机相连；空气压缩机的出口与储热罐通过管路相连；在储热罐内设置固体储热介质(5)和电加热元件(6)；储热罐与空气储存装置(7)通过管路相连；透平入口与储热罐也通过管路相连；透平(8)的旋转轴与发电机(9)的输入轴相连。

5.根据权利要求4所述的压缩空气与储热介质同时储能的系统，其特征在于：空气储存装置(7)为空气储罐或地下洞穴。

6.根据权利要求4所述的压缩空气与储热介质同时储能的系统，其特征在于：空气压缩机包括至少一级空气压缩机，若采用二级或二级以上空气压缩机，则每两级空气压缩机中间布置压缩间冷换热器。