CN103573315A - 一种压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统 - 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和液压结合的微小型压缩空气储能系统。本发明包括储气罐、压缩机组以及膨胀机组，压缩机组及膨胀机组均由相应的发电机或电动机实现其能量转化；压缩机组出气口连通储气罐进气口且其间连接管路上布置有第一开关部；膨胀机组进气口连通储气罐出气口且其管路上布置第二开关部，微小型压缩空气储能系统还包括储液罐，储液罐上设置进、出液管路并与储气罐间连通设置形成循环液流回路，进液管路上设置加压和/或恒压部件，出液管路上设置有用于向储气罐内加液的液压泵。本发明的能量转换效率高而工作可靠稳定，具备造价低、储能效率高、环境适应性好等诸多优点，应用前景广阔。

Description

一种压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统

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和液压结合的微小型压缩空气储能系统。

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，其对系统建造地的地理条件要求苛刻，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和液压结合的微小型压缩空气储能系统的应用范围。

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和液压结合的微小型压缩空气储能系统，以解决目前对于储气室建设位置的苛刻要求，其工作可靠稳定。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，包括储气罐、用于将外部气体压缩入储气罐的压缩机组以及依靠储气罐内高压气体膨胀做功的膨胀机组，所述压缩机组及膨胀机组均由相应的发电机或电动机实现其能量转化；所述压缩机组出气口连通储气罐进气口且其间连接管路上布置有第一开关部；所述膨胀机组进气口连通储气罐出气口且其管路上布置第二开关部，所述微小型压缩空气储能系统还包括储液罐，所述储液罐上设置进、出液管路并与储气罐间连通设置形成循环液流回路，所述进液管路上设置加压和/或恒压部件，出液管路上设置有用于向储气罐内加液的液压泵。

所述微小型压缩空气储能系统还包括控制单元，所述储气罐上设置感应其内腔储气压力的传感部；开关和/或恒压部件包括流量控制阀；控制单元接收传感部信息，并控制液压泵及流量控制阀作启闭和恒压动作。

压缩机组出气口处设置有用于吸收管路内热量的吸热器，膨胀机组进气口处布置用于加热其管路内气体的加热器；所述微小型压缩空气储能系统还包括高温储热罐，所述储液罐上的出液管路经由流量控制阀、吸热器后流入高温储热罐内，并由高温储热罐出液口经由加热器返流入储液罐处；进液管路上的流量控制阀与吸热器之间的一段管路上布置有用于将液体介质压入吸热器处的第一增压泵，进液管路上的高温储热罐出液口与加热器之间的一段管路上布置用于将液体介质压入加热器处的第二增压泵，进液管路上的第二开关部与储气罐间布置气液分离器。

所述储液罐出液口与其进液管路间处还跨接设置有补给管路，所述补给管路的一端与储液罐内腔连通，另一端顺延连通于进液管路上的流量控制阀与第一增压阀间的一段管路上，补给管路上设置用于控制其管路启闭的管路开关阀。

所述微小型压缩空气储能系统还包括可切换发电机或电动机工作状态的电动发电组件，所述电动发电组件的两轴端分别经由联轴器连接压缩机组和膨胀机组。

第一、第二开关部均为开关阀。

所述压缩机组和膨胀机组均呈二级压缩和二级膨胀结构；压缩机组包括同轴布置的高压压缩机和低压压缩机，外部空气经由低压压缩机进入并初步加压，再转入高压压缩机二次加压后存入储气罐，吸热器包括第一、第二吸热器，第一吸热器布置于低压压缩机出气口处，第二吸热器布置于高压压缩机出气口处；膨胀机组包括同轴布置的高压膨胀机和低压膨胀机，储气罐内的高压空气经由高压膨胀机进入并做功，再转入低压膨胀机二次做功后排出至外部环境，加热器包括第一、第二加热器，第一加热器布置于高压膨胀机进气口处，第二加热器布置于低压膨胀机进气口处。

所述用于连通第一、第二加热器上的进液管路并联连接；经过第一、第二吸热器上的进液管路同样并联设置。

高温储热罐内设置保温层。

本发明的主要优点在于：

1）、通过储液罐的设置，避免了传统的压缩空气储能系统对于地理建设环境的限制，依靠储液罐本身具备的液体介质储存能力，实现对于储气罐内气体压力的恒压保持功能。实际操作时，由于储液罐与储气罐间循环流道的存在，需要向储气罐内加压时，如储气罐内液体介质较多，即可适当由储气罐向储液罐内返流部分液体介质，从而空出合适的储气罐内容积以实现更多气体的注入；而随着储气罐内高压气体的不断排出至膨胀机组做功，储气罐原有容积不变而气体不断逸出，导致其内空气压力降低，此时再通过进液管路，由储液罐向储气罐内注入液体介质以起到压缩和减少储气罐内容积的目的，进而达到其内空气的加压恒压效果；本发明整体实现方式简易而恒压效果显著，可于任何地理环境进行建设并使用，储能利用效率高。

2）、考虑到储气罐内的容积和压力变化的频繁性和不定期性，本发明通过使用控制单元，以传感器适时的探测储气罐内气体压力，并依靠液压泵及流量控制阀的控制作用从而实现其储气罐内气体压力的恒定性，其具备控制方式简单，操作简易及控制精度高等有利效果，可有效提升系统的实际工作效率。

3）、实际上，对于本发明的储液罐本身，其不仅仅是作为储气罐的容积补充部件而存在的，其另一好处在于：膨胀机组和压缩机组的正常工作，其管路内空气都是需要不断的吸收和散出热量以达到其有效做功效果的；而目前的对于其加热和吸热元件，大都还是需要配备专门的能量源如煤炭、空气能等来实现。对于本发明，通过储液罐的设置，依靠在其进液管路上串接各吸热器和加热器，再依靠高温储热罐实现对于加热后液体介质的储存效果，从而完成对于各相应机组的液压加热和液压吸热目的；这样，实际上高温储热罐即形成可重复使用的热源供给部件，而储液罐乃至储气罐内的冷却后液体介质，则形成了吸热器正常工作所必不可少的冷却源，依靠进液管路和出液管路构成的循环流道，通过液体介质本身远远优异于常规导热介质的重复吸热放热能力，最终简单、完整、有效而低成本的实现了对于膨胀及压缩机组内所需热量的吸热和加热目的，一举多得。

4）、补给管路的设立初衷，是作为储气罐出液口处的进液管路的液体补充目的而建立的；在前述中，储气罐内恒压效果的实现，都是需要首先依靠储液罐向储气罐内输入冷却的液体介质，再依靠控制单元根据罐内压力来控制其液体介质的排出；而高温储热罐、吸热器乃至加热器的液体介质来源，仅仅依靠流量控制阀时断时续或者说是缓慢的溢流操作，显然是难以满足吸热器和加热器的持续工作和不间断的需要液体介质进行吸热或加热目的的；此处通过设置补给管路，在高温储热罐、吸热器乃至加热器持续工作，而储气罐内的液体介质又难以迅速排入进液管路而实现各部件的液体介质补给时，即可通过开启管路开关阀，依靠第一增压泵的泵压效果，完成对于高温储热罐、吸热器乃至加热器的液压补充及补给目的，于平常膨胀机组处于工作状态时也可持续处于开启状态进行补给操作；其工作可靠稳定，最终为其系统的有效正常工作提供有利保证。

5）、本发明的实际工作结构，或可为二级压缩和膨胀结构，或可为三级甚至更多级的压缩和膨胀结构。此处通过简述二级压缩和膨胀结构的具体实现形态，为其后续的多级结构提供蓝本；而电动发电组件和开关阀的布置，实际上仅为简化其管路布置结构之用，依靠联轴器的设置，电动发电组件得以完整实现其单一功能的工作目的，此处就不再一一赘述。

3）、本发明的原始充能单元，也即其内发电机的驱动电源可为常规电站低谷电、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。

附图说明

图1为本发明二级压缩和膨胀结构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：

a-第一联轴器 b-第二联轴器 c-进液管路 d-出液管路 e-补给管路 10-储气罐 21-第一开关部 22-第二开关部 30-储液罐 40-液压泵 50-控制单元 60-传感部 70-流量控制阀 80-高温储热罐 91-第一增压泵 92-第二增压泵 100-气液分离器 110-管路开关阀 120-电动发电组件 131-高压压缩机 132-低压压缩机 141-第二吸热器142-第一吸热器 151-高压膨胀机 152-低压膨胀机 161-第一加热器162第二加热器

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1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：

实际上，本系统的主要管路布局，即以储液罐30上的进、出液管路c、d来进行初步划分，储液罐30的出液管路d较为单一，仅为通过液压泵40进入储气罐10内即可；而储液罐30的进液管路c，则是与出液管路d间由储气罐10进行划界，具体为经由流量控制阀70、第一增压泵91、并联布置的吸热器并进入高温储热罐80内，再由高温储热罐80经由并联布置的加热器流入储液罐30内，以完成其整体的管路构造。补给管路e直接于图1所示位置跨接即可。至于联轴器的布置，此处为便于说明，以连接电动发电组件120与压缩机组的为第一联轴器a，以连接电动发电组件120与膨胀机组的为第二联轴器b，当然，也可直接采用互不相关的两组电动机和发电机分别作用亦可，此处就不再赘述。

如图1的本系统按以下方式进行工作：

在用电低谷时，第二联轴器b断开，第一联轴器a闭合，电动/发电机（也即上述电动发电组件120）切换于电动机状态工作，拖动低压压缩机132和高压压缩机131工作，将外部空气压缩至高压的储气压力储入至储气罐10中，此时第一开关部21打开，第二开关部22闭合，储气罐10处于充气状态。同时，储液罐30中的冷态液体介质通过管路开关阀110经第一增压泵91后分别流入低压压缩机132和高压压缩机131出气口处的第一吸热器142和第二吸热器141中，用于将其出气口管路中的压缩过程热吸收；在冷态液体介质吸热变成高温液体介质后，经由进液管路c继续流动并回流至高温储热罐80中进行储存，方便后续重复能源利用。储气罐10上的压力传感器（也即传感部60）用于监测储气罐10压力，并反馈到控制单元50流量以控制调节调节流量控制阀70的开度，使储气罐10中的压力始终处于额定的储气压力，以避免了等容压缩的功耗损失，流量控制阀70开启时逸出的液体介质，同样可经由进液管路c加入吸热器的吸热流程中。

在用电高峰时，可将上述储气罐10内的压缩空气释放进行驱动膨胀机发电，具体为：第一联轴器a断开，第二联轴器b闭合，电动发电组件120工作于发电机状态；第一开关部21闭合，第二开关部22打开，储气罐10处于放气流程：储气罐10内的预存高压压缩空气依次进入高压膨胀机151和低压膨胀机152充分膨胀至大气压力后排出，同时驱动电动发电组件120发电以输出功率。同时，高温储热罐80中的高温液体介质经第二增压泵92增压后分别流入高压膨胀机151和低压膨胀机152进气口处的第一加热器161和第二加热器162中，以将高温液体介质的热量传递给膨胀机组各管路内的压缩空气，提高压缩空气进口温度，进而增强做功能力。经由上述压缩空气吸热后，冷却的液体介质再沿进液管路c流回到储液罐中。同时，管路开关阀110闭合，液压泵40工作，此时液压泵40会消耗一定的电能，根据压力传感器的反馈信号控制液压泵40的流量，并向储气罐10内灌入指定体积的液体介质，使得储气罐10内产生容积变化并使其内储气压力始终处于恒定状态，从而保证进入膨胀机进口的压缩空气的压力恒定性，最终使得膨胀机处于设计的高效稳定工作状态。

本发明通过将压缩空气与液压相结合的方式，使得储气罐10在充气过程中处于恒定的压力，避免了等容压缩的能量损失；同时，本发明在膨胀释能过程时，储存的高压压缩空气亦能够在储液罐30的液体介质补充的情况下实现其恒定压力的气体输出，从而使膨胀机组的入口参数恒定，以保证其始终在稳定高效的工况范围内工作，整个储能系统的能量转换效率高而工作可靠稳定，具备造价低、储能效率高、环境适应性好等诸多优点，应用前景广阔。

Claims (9)

1.一种压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，包括储气罐（10）、用于将外部气体压缩入储气罐（10）的压缩机组以及依靠储气罐内高压气体膨胀做功的膨胀机组，所述压缩机组及膨胀机组均由相应的发电机或电动机实现其能量转化；所述压缩机组出气口连通储气罐（10）进气口且其间连接管路上布置有第一开关部（21）；所述膨胀机组进气口连通储气罐（10）出气口且其管路上布置第二开关部（22），其特征在于：所述微小型压缩空气储能系统还包括储液罐（30），所述储液罐（30）上设置进、出液管路并与储气罐（10）间连通设置形成循环液流回路，所述进液管路上设置加压和/或恒压部件，出液管路上设置有用于向储气罐（10）内加液的液压泵（40）。

2.根据权利要求1所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：所述微小型压缩空气储能系统还包括控制单元（50），所述储气罐（10）上设置感应其内腔储气压力的传感部（60）；开关和/或恒压部件包括流量控制阀（70）；控制单元（50）接收传感部（60）信息，并控制液压泵（40）及流量控制阀（70）作启闭和恒压动作。

3.根据权利要求2所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：压缩机组出气口处设置有用于吸收管路内热量的吸热器，膨胀机组进气口处布置用于加热其管路内气体的加热器；所述微小型压缩空气储能系统还包括高温储热罐（80），所述储液罐（30）上的出液管路经由流量控制阀（70）、吸热器后流入高温储热罐（80）内，并由高温储热罐（80）出液口经由加热器返流入储液罐（30）处；进液管路上的流量控制阀（70）与吸热器之间的一段管路上布置有用于将液体介质压入吸热器处的第一增压泵（91），进液管路上的高温储热罐（80）出液口与加热器之间的一段管路上布置用于将液体介质压入加热器处的第二增压泵（92），进液管路上的第二开关部（22）与储气罐（10）间布置气液分离器（100）。

4.根据权利要求3所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：所述储液罐（30）出液口与其进液管路间处还跨接设置有补给管路，所述补给管路的一端与储液罐（30）内腔连通，另一端顺延连通于进液管路上的流量控制阀（70）与第一增压阀（91）间的一段管路上，补给管路上设置用于控制其管路启闭的管路开关阀（110）。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：所述微小型压缩空气储能系统还包括可切换发电机或电动机工作状态的电动发电组件（120），所述电动发电组件（120）的两轴端分别经由联轴器连接压缩机组和膨胀机组。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：第一、第二开关部（21、22）均为开关阀。

7.根据权利要求3或4所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：所述压缩机组和膨胀机组均呈二级压缩和二级膨胀结构；压缩机组包括同轴布置的高压压缩机（131）和低压压缩机（132），外部空气经由低压压缩机（132）进入并初步加压，再转入高压压缩机（131）二次加压后存入储气罐（10），吸热器包括第一、第二吸热器（142、141），第一吸热器（142）布置于低压压缩机（132）出气口处，第二吸热器（141）布置于高压压缩机（131）出气口处；膨胀机组包括同轴布置的高压膨胀机（151）和低压膨胀机（152），储气罐（10）内的高压空气经由高压膨胀机（151）进入并做功，再转入低压膨胀机（152）二次做功后排出至外部环境，加热器包括第一、第二加热器（161、162），第一加热器（161）布置于高压膨胀机（151）进气口处，第二加热器（162）布置于低压膨胀机（152）进气口处。

8.根据权利要求7所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：所述用于连通第一、第二加热器（161、162）上的进液管路并联连接；经过第一、第二吸热器（141、142）上的进液管路同样并联设置。

9.根据权利要求3或4所述的压缩空气和液压结合的微小型压缩空气储能系统，其特征在于：高温储热罐（80）内设置保温层。

Images