CN103573314A - 一种压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力储能利用领域，特别涉及一种压缩空气储能系统。本发明包括储气部件及充、释能单元，充能单元至少包括电动机及空气压缩机，释能单元至少包括压力膨胀机及发电机；释能单元以每个彼此配合的压力膨胀机和发电机为一组形成多组串接的多级膨胀构造，且各级压力膨胀机的气体膨胀压力沿其管路串联路径由高至低顺序排列；以上述管路串联路径处最靠近储气部件出气口的压力膨胀机为第一级压力膨胀机，压缩空气储能系统还包括直接跨接于储气部件出气口与第二级及之后的压力膨胀机进气口之间的分支管路，分支管路及管路串联路径上设置开关部件。本发明结构易于实现，有效解决了目前对于储气室内高压气体利用不足的问题，工作效能高。

Description

一种压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及电力储能利用领域，特别涉及一种压缩空气储能系统。

背景技术

当今世界电力负荷的不均衡日趋突出，电网的峰谷差也逐渐拉大，同时人们对电网供电质量的要求也越来越高，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以缓解系统负荷峰谷差过大的情况。电力储能系统也是提高风电、太阳能发电等可再生能源利用率的有效手段。此外，电力储能系统还是解决分布式能源系统容量小、负荷波动大等问题的关键技术。

压缩空气储能系统是一种公认的具有很大发展潜力的大规模电力储能技术。传统压缩空气储能系统是一种基于燃气轮机的调峰电站，利用低谷电驱动压缩机将高压气体存入储气室中，在用电高峰将高压气体从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电；其压缩空气储能系统具有储能密度较大、储能周期长、效率较高和单位投资相对较小等优点。然而，传统压缩空气储能系统依然依赖燃烧化石燃料提供热源，不符合绿色能源发展要求；同时，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，从而大大限制了传统压缩空气储能系统的应用范围。

随着分布式能量系统的发展以及减小储气室容积和提高储气压力的需要，微小型压缩空气储能系统已成为人们关注的热点。微小型压缩空气储能系统利用地面上高压容器储存压缩空气，突破了对储气洞穴的依赖，具有更大的灵活性，适用于分布式供能、小型电网等，用于电力需求侧管理、无间断电源等，同时也可以建于风电场、太阳能电场等所有可再生能源附近，调节稳定可再生能源电力的供应等。

微小型压缩空气储能系统中储存的高压空气的放气膨胀做功过程是储能系统的关键过程。传统压缩空气储能系统中，常用的做法是将储气室中的高压气体减压至某一恒定的压力，作为透平机组的进气压力，以保证透平机组的稳定运行；但是，实际操作时，由于储气室的压力始终在一定范围内波动，而储气室所直接连接的又必然是最高启动压力的透平机组，即使整个气体膨胀过程结束，储气室内仍然还存有相当高压力的气体，其气体驱动上述最高启动压力的透平机组却又尚显不足，从而导致储气室内的高压气体始终不能得到完全利用，最终导致能源浪费现象。

发明内容

本发明的目的即为克服上述现有技术的不足，提供一种适于实用的压缩空气储能系统，以解决目前对于储气室内高压气体利用不足的问题，其工作可靠稳定而效率高。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种压缩空气储能系统，包括储气部件以及分别连通储气部件进、出气口处的充能单元和释能单元，所述充能单元至少包括电动机及与之构成传动配合的空气压缩机，释能单元至少包括压力膨胀机及与之构成传动配合的发电机，所述空气经由空气压缩机压缩后存储至储气部件，并可由储气部件输入至压力膨胀机处释压做功以驱动发电机工作；所述释能单元以每个彼此配合的压力膨胀机和发电机为一组形成多组串接的多级膨胀构造，且各级压力膨胀机的气体膨胀压力为由储气部件出气口处起沿其管路串联路径由高至低顺序排列；以上述管路串联路径处最靠近储气部件出气口的压力膨胀机为第一级压力膨胀机，所述压缩空气储能系统还包括直接跨接于储气部件出气口与第二级及之后的压力膨胀机进气口之间的分支管路，所述分支管路及管路串联路径上均相应设置有用于控制相应管路启闭的开关部件。

所述储气部件为储气罐，开关部件为开关控制阀，所述开关部件布置于分支管路上、储气部件与第一级的压力膨胀机之间乃至各级压力膨胀机之间。

所述各级压力膨胀机（进气口处还相应设置有用于恒定其内压力的节流阀。

所述各级压力膨胀机进气口处均布置有用于加热管路内气体的加热器。

所述分支管路一端连接于第一级的压力膨胀机进气口与储气部件出气口处的加热器间，另一端顺延并连通相应级压力膨胀机的加热器进气口处。

所述释能单元为二级膨胀机构，包括彼此配合的高压膨胀机和第一发电机，以及彼此配合的低压膨胀机和第二发电机，所述开关部件包括第一、第二、第三开关控制阀，节流阀包括第一、第二节流阀，加热器包括布置于储气部件出气口的第一加热器和布置于低压膨胀机进气口的第二加热器，所述第一开关控制阀处于管路串联路径上的分支管路临近储气部件出气口所在端与第一级压力膨胀机进气口间的一段管路处，第二开关控制阀位于高压膨胀机出气口与低压膨胀机进气口之间的一段，第一节流阀布置于第一加热器与储气部件进气口间的一段管路串联路径上，第二节流阀和第三开关控制阀于分支管路上顺序布置。

本发明的主要优点在于：

1）、在原有的多级膨胀结构的基础上，采用独特的分支管路形式，从而使储气部件具备了对指定级压力膨胀机的直接灌气效果；实际操作时，一旦储气部件内的压力气体不足以满足上述多级压力膨胀机的同时工作需要，此时即可采用控制开关部件切换分支管路而关闭其他相应管路，以通过停止一部分的压力膨胀机工作来达到使指定的其他压力膨胀机继续工作的目的。本发明通过对储存的高压空气在放气过程中采用多路节流和多级膨胀的方式，能够在储存的高压空气使用后降低到一定压力后，仍能通过断开高压力膨胀机的工作，以利用其内较低的压力达到相应的压力的压力膨胀机的持续工作目的，从而有效的利用了储气部件内高压空气的能量。在相同的储气罐容积下，本发明可以提供更多的膨胀输出功，因此提高了储能系统的效率；而反之，在相同输出功的前提下，则通过本发明的系统可以减小储气罐的容积，进而也就提高了压缩空气储能系统的储能密度，其结构易于实现，也有效解决了目前对于储气室内高压气体利用不足的问题，工作效能高。

2）、通过节流阀和开关部件的设置，其操作简便，配置灵活，易于实现联接和控制。更重要的是，由于储气部件内的压力可能在单独对低压膨胀机作用时其供给气压稍显过大，因此通过节流阀来实现对多路节流压力的控制，使其在每一级节流过程中，储气罐排出的气体压力与相应级的高低压压力膨胀机的膨胀比相匹配，也即能始终通过节流阀的降压作用而达到对于下一级压力膨胀机的压力缓释目的，从而保证各级压力膨胀机入口参数的恒定，可以使其一直处于高效稳定的设计工况运行。

3）、本发明的充能单元，其内发电机的驱动电源为常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电中的一种或多种，以有效解决目前的高低用电高峰所带来的用电压力变化问题。而各级压力膨胀机进气口处加热器的设置，更是考虑了气体本身在释压时的吸热现象；通过加热器的持续供热，能够有效确保气体能够迅速吸热释压，以进一步增加压力膨胀机的输出功，其加热方式可采用热水加热、空气加热、压缩热或燃气加热等多种方式，此处就不再一一赘述。

附图说明

图1为释能单元采用二级膨胀机构时的本发明结构示意图；

图2为释能单元采用三级膨胀构造时的本发明结构示意图。

附图中标号与各部件对应关系如下：

10-储气部件 21-电动机 22-空气压缩机 31-压力膨胀机 31a-高压膨胀机 31b-低压膨胀机 32-发电机 32a-第一发电机 32b-第二发电机 40-分支管路 50-节流阀 51-高压节流阀 52-低压节流阀 60-加热器 61-第一加热器 62-第二加热器 70-开关部件 71-第一开关控制阀72-第二开关控制阀 73-第三开关控制阀

具体实施方式

为便于理解，此处结合附图对本发明的具体测试装置及其操作流程作以下进一步描述：

此处需要说明的是，上述的“第一级”等级数描述，为沿储气部件10出气口的管路串联路径首端至最尾端依次布置的一组膨胀机组为一级来进行说明的，其管路串联路径上最靠近储气部件10进气口所在端的压力膨胀机31为第一级，其后顺次为第二级、第三级…，且管路串联路径即可视为构成依次串接各压力膨胀机31的储能系统主管路，以方便区分直接跨接于其上布置的分支管路40。

实施例一

如图1所示的为释能单元采用二级膨胀机构时的本发明结构示意图，其大体结构包括：高压储气罐（即上述储气部件10）、压缩机组（即充能单元）、膨胀机组（即释能单元）及各调节控制阀路，压缩机组包括电动机21及空气压缩机22，以用于压缩高压空气进入高压储气罐内储存；膨胀机组则为两级膨胀构造，包括高压膨胀机31a与第一发电机32a构成的第一膨胀机组和低压膨胀机31b与第二发电机32b构成的第二膨胀机组，高压储气罐放出的高压空气经由高压膨胀机31a一次吸能后，再经由与之串接的低压膨胀机31b再次吸能，以达到相应的发电机工作目的。高压膨胀机31a与高压储气罐间的管路上顺次布置高压节流阀51、第一加热器61及第一开关控制阀71，高压膨胀机31a与低压膨胀机31b间的管路上布置第二开关控制阀72及第二加热器61。

以上述串联路径构成管路为主管路，则另外的，上述部件还包括分支管路40，分支管路40的一端连接主管路上的第一加热器61与第一开关控制阀71间的一段管路上，而另一端则连接主管路上的第二加热器62与第二开关控制阀72间的一段管路上，从而完成其主管路的跨接功能，以达到直接越过高压膨胀机31a而实现仅驱动低压膨胀机31b工作的效果，其分支管路40上相应布置第三开关控制阀73及用于恒定低压膨胀机31b内压力的低压节流阀52。

当本发明工作时，其工作流程如下：

系统充能阶段较为简单，外部电能驱动电动机21工作，电动机21带动空气压缩机22工作，此时外界空气经压缩机组加压后进入高压储气罐，即可完成其充能过程。

在系统释能发电过程时：由于为二级膨胀机构，其膨胀过程分为两个阶段，分别如下：

第一阶段，此时高压储气罐内气体处于高压力，如图1所示，高压节流阀51、第一开关控制阀71、第二开关控制阀72开启，第三控制阀73关闭，高压空气经高压节流阀51节流降压至恒定压力P₁，经第一加热器61加热后的压力为P₁的气体进入高压膨胀机31a膨胀做功，高压膨胀机31a的排气经第二加热器62加热后进入低压膨胀机31b膨胀继续做功，高压膨胀机31a和低压膨胀机31b分别带动第一发电机32a和第二发电机32b进行发电。

当高压储气罐的压力降至一定压力，而不能够驱动高压膨胀机31a和低压膨胀机同时工作时：此时系统进入第二阶段，第一开关控制阀71和第二开关控制阀72关闭，第三开关控制73打开，高压节流阀51全开，此时高压气体经高压节流阀51和低压节流阀52逐步节流降压至更低的压力P₂，压力为P₂的气体不再驱动高压膨胀机31a工作，而仅进入低压膨胀机31b驱动低压膨胀机31b膨胀做功，带动第二发电机32b发电，以完成其能效利用。

令高压储气罐内原始气体压力为P₀，高、低压膨胀机31a、31b的膨胀比分别为ε₁和ε₂，在第一阶段，高压气体经高压节流阀51后的压力降至P₁，高压膨胀机31a和低压膨胀机31b同时工作，带动第一、第二发电机32a、32b发电。在第二阶段，高压气体经低压节流阀52后的压力降至P₂，此时只有低压膨胀机31b工作；多路节流后的压力大小与膨胀比的关系遵循以下关系式：

P₁＝P₀·ε₂·ε₁

P₂＝P₀·ε₂

实施例二

图2为释能单元采用三级膨胀构造时的本发明结构示意图。其基本结构乃至工作流程和原理与上述实施例一基本相同，也包括：高压储气罐（即上述储气部件10）、压缩机组（即充能单元）、膨胀机组（即释能单元）及各调节控制阀路，只是其膨胀阶段采用三级膨胀和三路节流方式。需要注意的是，图2的分支管路40的连接方式为单根分支管路40分别设置旁支管路连接相应级压力膨胀机的连接构造，其一条分支管路40可实现多级膨胀机组的同时和分别工作需要；而实际使用时，也可通过专门设置多条并联的分支管路形式，使其各分支管路40分别仅对应相应的膨胀机组，需要时即可通过开启相应分支管路来达到其释压目的。知晓本技术方案后，上述两种管路布局方式则均为现有本领域的常规管路布置方式，此处就不再一一赘述。

Claims (6)

1.一种压缩空气储能系统，包括储气部件（10）以及分别连通储气部件（10）进、出气口处的充能单元和释能单元，所述充能单元至少包括电动机（21）及与之构成传动配合的空气压缩机（22），释能单元至少包括压力膨胀机（31）及与之构成传动配合的发电机（32），所述空气经由空气压缩机（22）压缩后存储至储气部件（10），并可由储气部件（10）输入至压力膨胀机（31）处释压做功以驱动发电机（32）工作；其特征在于：所述释能单元以每个彼此配合的压力膨胀机（31）和发电机（32）为一组形成多组串接的多级膨胀构造，且各级压力膨胀机（31）的气体膨胀压力为由储气部件（10）出气口处起沿其管路串联路径由高至低顺序排列；以上述管路串联路径处最靠近储气部件（10）出气口的压力膨胀机（31）为第一级压力膨胀机，所述压缩空气储能系统还包括直接跨接于储气部件（10）出气口与第二级及之后的压力膨胀机（30）进气口之间的分支管路（40），所述分支管路（40）及管路串联路径上均相应设置有用于控制相应管路启闭的开关部件（70）。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述储气部件（10）为储气罐，开关部件（70）为开关控制阀，所述开关部件（70）布置于分支管路（40）上、储气部件（10）与第一级的压力膨胀机之间乃至各级压力膨胀机（31）之间。

3.根据权利要求1或2所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述各级压力膨胀机（31）进气口处还相应设置有用于恒定其内压力的节流阀（50）。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述各级压力膨胀机（31）进气口处均布置有用于加热管路内气体的加热器（60）。

5.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述分支管路（40）一端连接于第一级的压力膨胀机（31）进气口与储气部件（10）出气口处的加热器间，另一端顺延并连通相应级压力膨胀机（31）处的加热器进气口处。

6.根据权利要求5所述的压缩空气储能系统，其特征在于：所述释能单元为二级膨胀机构，包括彼此配合的高压膨胀机（31a）和第一发电机（32a），以及彼此配合的低压膨胀机（31b）和第二发电机（32b）；所述开关部件（70）包括第一、第二、第三开关控制阀（71、72、73），节流阀（50）包括第一、第二节流阀（51、52），加热器（60）包括布置于储气部件（10）出气口的第一加热器（61）和布置于低压膨胀机（31b）进气口的第二加热器（62）；所述第一开关控制阀（71）处于管路串联路径上的分支管路（40）临近储气部件（10）出气口所在端与第一级压力膨胀机进气口间的一段管路处，第二开关控制阀（72）位于高压膨胀机（31a）出气口与低压膨胀机（31b）进气口之间的一段管路串联路径上，第一节流阀（51）布置于第一加热器（61）与储气部件（10）进气口间的一段管路串联路径上，第二节流阀（52）和第三开关控制阀（73）于分支管路（40）上顺序布置。

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