CN103353060A - 一种应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压缩空气储能发电领域,具体地,本发明涉及一种应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统。本发明的应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统,包括储气装置1,还包括设置在储气装置1内的蓄热装置2;所述蓄热装置2为蓄热工质,所需蓄热工质为相变蓄热工质,或比热容大于0.5kJ/kgk的蓄热工质,或二者的结合。本发明的优点如下:首先,储气装置可以采用价格较低的钢铁材料,避免采用价格较高的耐低温的材料,节约了成本;其次,在放气过程中高效蓄热装置中储存的热量会用来加热储气装置中的空气,提高了进入透平膨胀机的空气的初温,增加了空气的做功能力,从而增大了系统的储能效率。

Description

一种应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统
技术领域
本发明涉及压缩空气储能发电领域,具体地,本发明涉及一种应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统。
背景技术
目前,电力科学中最大的问题是电能的工程化储存,需要寻找一种经济可行的、无污染的存储技术。为解决电能大规模存储问题,世界各国耗费了巨大的人力和财力,开发了各种各样的储能方式,蓄电池组、飞轮、超级电容、超导储电等,因效率不高,寿命短,存取不便,蓄能容量偏小,投资成本大等,难以运作。与其他储能技术相比,压缩空气储能发电系统具有投资少、运行维护费用低、动态响应快、运行方式灵活、经济性能高、环境污染小、占地面积小的特点,逐渐受到各国的重视。德国、美国、日本、意大利等发达国家均有压缩空气储能电站正在建设过程中。我国大力发展压缩空气储能发电技术在经济,社会和国家安全方面具有重要的战略意义,其可促进我国智能电网相关产业和重大装备制造技术的快速发展。
压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似,当电力系统的用电处于低谷时,系统储能,利用系统中的富余电量,驱动空气压缩机以压缩空气,把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中;当电力系统用电负荷达到高峰时,系统释能,储气装置将储气空间内的压缩空气释放出来,带动透平发电机组发电,完成了电能—空气势能—电能的转化。
压缩空气储能发电系统主要由压缩机、储气室、透平膨胀机以及发电机等组成,其中储气室是决定系统容量的关键因素。对于大容量的压缩空气储能发电系统,利用地下的矿洞、盐洞和岩穴可以获得很大的储气空间,例如德国Huntorf电站和美国的McIntosh电站,均采用地下储气的方式。此外,也可以通过采用高压的钢制储罐等方式来实现储气,这种储气方式比较灵活,使系统摆脱了对地质条件的依赖,大大拓展了压缩空气储能发电系统的应用范围。当采用储罐来实现储气时,可以通过提高储罐中空气的压力来增大储能密度,储罐中的空气压力可以达到20MPa以上,远远高于地下储气的压力。
在通过提高储罐中的压力来提高储能密度的同时,也带来了新的问题:
1、在压缩空气储能发电系统的储能过程中,压缩机将空气压缩至高压,然后将高压的的空气充入储气储罐中,从而完成由电能向空气势能的转变和存储。随着储罐充气过程的进行,储罐中空气的温度会不断的上升,以100m3的钢制储罐充气过程为例,其内部空气的压力由3MPa升高至10MPa,若其为绝热充气过程即钢制储罐与空气不进行换热,充气完成时储罐中空气的温度将由充气开始时的40℃升高至充气结束时的118℃。储气温度的升高会带来多方面消极的影响:首先,由于储罐中空气温度的升高,导致同等压力下空气的密度减小,从而造成储能密度的降低;其次,储罐中高压空气温度的升高,会引起储罐安全的问题,为达到相同的安全标准,或者采用耐温程度更高的材料,或者提高储罐的安全系数(例如增加储罐的壁厚等),从而造成系统成本的升高。
2、在压缩空气储能发电系统的释能过程中,存储在高压储罐中的空气驱动透平膨胀机,带动发电对外输出电能,从而完成由空气势能向电能的转变。随着储罐放气过程的进行,储罐中空气的温度将不断的降低,以100m3的钢制储罐放气过程为例,其内部空气的压力由10MPa降低至3MPa,若其为绝热放气过程即钢制储罐与空气不进行换热,放气完成时储罐中空气的温度将由放气开始时的40℃降低至放气结束时的-52℃。放气过程中储罐中空气温度的降低会带来多方面消极的影响:首先,由于储罐中空气温度的降低,导致空气焓值的减小,降低了空气的做功能力,从而引起系统储能效率的下降;其次,储罐中空气温度的降低,会引起储罐安全的问题,为达到相同的安全标准,或者采用耐温程度更低的材料,或者提高储罐的安全系数(例如增加储罐的壁厚等),从而造成系统成本的升高。
当采用地下洞穴的储气方式时,虽然温度波动不会对储气室产生安全性的影响,但也存在因温度的升高或降低对系统储能效率的影响。由于地下洞穴的储气容量较大,较小的温度波动就对系统的效率产生明显的影响,因而有必要开发恒温储气系统来提高系统效率。
发明内容
本发明的目的是针对压缩空气储能发电系统在储气过程中存在的储气室内空气温度波动问题,提供一种恒温系统,可以实现储气室的恒温充放气过程,从而提高系统的整体效率和安全性,并降低建造成本。
本发明的应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统,包括储气装置1,其中,还包括设置在储气装置1内的蓄热装置2;
所述蓄热装置2为相变蓄热工质,或比热容大于0.5kJ/kgk(大比热容)的蓄热工质,或二者的结合,并通过封装结构包装形成换热结构。
本发明所述的储气装置1用于存储压缩空气储能发电系统的高压空气;所述的蓄热装置2用于吸收和释放在储气室充气和放气过程中的产生的波动热量。
本发明的恒温储气系统,所述的蓄热工质被封装结构包装,形成特定的结构形式;所述的特定的结构形式可以很好的实现蓄热工质与储罐内部空气的换热,从而平衡掉在储罐充放气过程中的空气的温度波动。所述的封装材料为金属材料、塑料材料以及其他可以实现相同功能的封装材料。所述蓄热装置的结构形式可以为阵列管束形式、阵列板片形式以及其他可以实现相同功能的结构形式。
根据本发明的恒温储气系统,其中,所述相变蓄热工质为有机或者无机的或者其它材料所制成的相变蓄热材料,优选为有机或者无机的相变蓄热材料。上述相变蓄热材料的相变温度优选为10-300℃之间。
根据本发明的恒温储气系统,所述储气装置1内的空气压力为0.1~30MPa,或者,所述储气装置1的空气压力大于30MPa。其中,所述的储气装置1可以为钢制或其它材质的容器,也可以是地下洞穴,优选为钢制储罐。
目前现有的压缩空气储能发电系统中,储气装置一般采用地下洞穴或者地上的储气罐,其内部并未考虑到采用恒温装置,导致在充放气过程中会产生较大的温度波动,从而产生消极的影响。
本发明提供的一种应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统,通过将高效的蓄热装置引入到储气装置内部,可以实现系统运行过程中的恒温充放气过程。蓄热装置内装有相变或者大比热容蓄热材料,当储气装置进行充气和放气过程时,蓄热装置可以和储气装置中的空气进行换热,以将空气维持在某一个恒定的温度。
当压缩空气储能发电系统储能时,压缩机将空气压缩至高压,充入储气装置,随着充气过程的进行,储气装置内空气的温度会逐渐升高。此时,蓄热装置就会与储气装置内的空气进行换热,蓄热工质吸收空气中的热量,使充气过程中产生的热量转移至蓄热工质中,从而将储气装置内空气的温度维持稳定,避免了充气过程中温度的升高。由于实现了恒温的充气过程,充气终了时储气装置中高压空气的温度较低。
具体优点如下:首先,储气装置可以采用价格较低的钢铁材料,避免采用价格较高的耐高温材料,节约了成本;其次,由于充气结束时高压空气的温度较低,相应的其密度将会较大,相同容积和压力状态下就会存储更多质量的空气,从而增大了系统的储能密度;最后,在充气过程中产生的热量将会被蓄热材料吸收并存储,减小了系统能量的耗散,待系统释能时,这些热量又用来加热空气,提高了系统的能量利用效率,从而增大了系统的储能效率。
当压缩空气储能发电系统释能时,高压气体由储气装置放出,驱动透平膨胀机做功,随着放气过程的进行,储气装置内空气的温度会逐渐降低。此时,高效蓄热装置就会与储气装置内的空气进行换热,空气吸收蓄热工质中的热量,储气装置中的空气被加热,从而将储气室内空气的温度维持稳定,避免了放气过程中空气温度逐渐降低。由于实现了恒温的放气过程,放气终了时储气装置中空气的温度较高。
具体优点如下:首先,储气装置可以采用价格较低的钢铁材料,避免采用价格较高的耐低温的材料,节约了成本;其次,在放气过程中高效蓄热装置中储存的热量会用来加热储气装置中的空气,提高了进入透平膨胀机的空气的初温,增加了空气的做功能力,从而增大了系统的储能效率。
附图说明
图1为本发明实施例的应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统的横向剖视图。
图2为本发明实施例的应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统的纵向剖视图。
附图标识
1、储气装置    2、蓄热装置
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明的应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统,包括储气装置1,其中,还包括设置在储气装置1内的蓄热装置2;
所述蓄热装置2为相变蓄热工质,或大比热容(比热容大于0.5kJ/kgk)蓄热工质,或二者的结合,并通过封装结构包装形成换热结构。
本发明所述的储气装置1用于存储压缩空气储能发电系统的高压空气;所述的蓄热装置2用于吸收和释放在储气室充气和放气过程中的产生的波动热量。
优选地,如图1-2所示,本发明所述蓄热装置2由在储气装置1内平行布置的多根圆管组成,圆管内装有相变蓄热工质,所述相变蓄热工质为相变蓄热材料,相变温度为10-300℃之间,圆管两端封口。通过布置多根圆管形成阵列,从而增强相变蓄热工质的换热效果。储气装置1用于存储高压的空气,优选的,储气装置1内部的压力为0.1-30MPa。
在用电低谷时,压缩空气储能发电系统储能,空气被压缩形成高压空气,通过管道将压缩空气储存到储气装置1中。在此充气过程中,储气装置1中的空气的温度逐渐升高,蓄热装置2中相变蓄热工质开始与空气进行换热,相变蓄热工质吸收空气中的热量,从而使空气的温度维持稳定。
在用电高峰时,压缩空气储能发电系统释能,高压空气由储气装置1中放出,驱动透平膨胀机发电。在此放气过程中,储气装置1中的空气的温度逐渐降低,蓄热装置2中的相变蓄热工质开始与空气进行换热,空气吸收相变蓄热工质中的热量,从而使空气的温度维持稳定。
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,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于压缩空气储能发电系统的恒温储气系统,包括储气装置1,其特征在于,还包括设置在储气装置1内的蓄热装置2;
所述蓄热装置2为蓄热工质,所需蓄热工质为相变蓄热工质,或比热容大于0.5kJ/kgk的蓄热工质,或二者的结合。
2.根据权利要求1所述的恒温储气系统,其特征在于,所述蓄热工质通过封装材料包装成换热结构。
3.根据权利要求2所述的恒温储气系统,其特征在于,所述的封装材料为金属材料或塑料材料。
4.根据权利要求2所述的恒温储气系统,其特征在于,所述的换热结构为阵列管束形式或阵列板片形式。
5.根据权利要求1所述的恒温储气系统,其特征在于,所述相变蓄热工质为有机或者无机的相变蓄热材料。
6.根据权利要求5所述的恒温储气系统,其特征在于,所述相变蓄热材料的相变温度为10-300℃之间。
7.根据权利要求1所述的恒温储气系统,其特征在于,所述储气装置1内的空气压力为0.1~30MPa。
8.根据权利要求1所述的恒温储气系统,其特征在于,所述储气装置1内的空气压力大于30MPa。
9.根据权利要求1、7或8所述的恒温储气系统,其特征在于,所述的储气装置1为钢制储罐。
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