CN104204462A - 组合循环caes技术(ccc) - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于压缩大气空气并将其限制在罐或地穴内以存储能量的系统，其结合了大气空气遵循的热力循环(布雷顿循环)和被限制在同一地穴的膜内的辅助液体遵循的另一热力循环，遵循兰金循环的两个分段，其中一个分段位于空气压缩和进入地穴的过程中，另一个分段位于在空气排出及涡转的过程中，使用涡轮机排放气体的热量作为附加兰金循环的热源，并且可以利用罐或地穴实现压缩空气以及/或者辅助液体的额外定容加热。

Description

组合循环CAES技术(CCC)
技术领域
本发明涉及一种专门设计为通过压缩大气空气并将其限制在罐或地穴内来存储能量的系统，以获得比现有技术而言具有明显改进的整体效率，同时能够有效降低对罐或地穴容量的需求。
背景技术
CAES能量存储技术以压缩大气空气的存储为基础。当电力网络出现电量过剩，启动压压缩机，将大气空气压缩到预设压强，消耗输电干线上的过剩电量。将产生的压缩空气存储在自然洞穴、废弃矿井或者盐洞地穴中(如果想要存储大量的能量，考虑到巨大的空间需求及需要承受的高压，不可以使用罐)。
为了使能量一直保持到电力网络电量需求再次上升为止，通过一个关断阀足以使洞穴保持关闭状态。当电力网络最终需要更多的能量时，打开阀门，加压空气排出并用于驱动涡轮机，进而产生电能。
利用这种技术建成的电站要比当下应用最广泛的大规模电力存储系统，抽水蓄能电站，在经济上更具可行性。但是CAES技术的主要缺陷在于可实现的效率非常低，导致了电站操作的可行性非常低。其实，尽管ACES技术已经发展了30多年，当今世界上仅有两个运作的CAES电站。
此外，对地穴容量以及对需承受压强的巨大需求使得这种类型的电站可行的选址范围急剧缩小，如前面解释的那样，被限制在具有自然洞穴、废弃矿井或盐洞的位置上。
可用的自然地穴或废弃矿井难以寻找，因此现运作的两个CAES电站均使用盐洞。这涉及到大量的附加问题，如不能对地穴热绝缘(开凿是通过约600m深的井眼溶解盐执行的)，否则当空气排出地穴时，其中会出现高深度的悬浮颗粒。
发明内容
解决这些问题的方案是将大气空气的热力循环(布雷顿循环)与另一辅助液体的热力循环相结合，所述辅助液体被限制在同一地穴的膜内，其中在热力循环中，辅助液体承受体积变化，从而形成压缩大气空气进入或排出地穴的入口和出口。
存在多种辅助液体可遵循的可行循环，可使液体的体积产生实质性的变化。例如，它可以遵循兰金循环的两个分段，一段处于在空气压缩和进入地穴的过程中，而另一段则处于空气排出及涡转的过程中，以使：
-每一分段的起始状态和最终状态压强相同；
-空气压缩及进入地穴过程的初始状态与空气排出和涡转过程的最终状态相同，并且为非常低浓度的状态，即具有高蒸汽干度的过热蒸汽、饱和蒸汽或者湿蒸汽；
-空气压缩及进入地穴过程的最终状态与空气排出和涡转过程的初始状态相同，并且为非常高浓度的状态，即具有低干度的过冷液体、饱和液体或者湿蒸汽；
-在空气压缩及进入地穴/空气排出及涡转期间，辅助液体被排出膜外，遵循其兰金循环分段，然后再次进入膜内，处于使得被限制在膜内的辅助液体具有减少/增加的总体积的连续过程中，从而允许空气进入地穴/空气排出地穴；
-在空气存储在地穴期间，以及地穴中空气被排空期间，辅助液体在与先前遵循的兰金循环分段相对应的最后阶段中存储在膜内。
如上所述，辅助液体遵循的循环可具有多种设计。例如，兰金循环的冷焦点可设定为辅助液体的存储温度，以使辅助液体在空气压缩和进入地穴过程中遵循的兰金循环分段正好经过冷凝器，或者设定为更低的温度，以实现最佳的能效率，但是代价就是当电力网络出现电量过剩时(即在空气压缩和进入到地穴过程中)，必需执行涡转分段。
假设兰金循环的两个分段在初始和结束时的压强都是一样的，并且辅助液体在膜内占用的空间在空气压缩和进入地穴的过程中逐渐变小，并在空气的排出和涡转的过程中逐渐变大，地穴空气填充和排空操作在恒压下进行，一方面提高了涡轮机和压压缩机的效率，另一方面急剧地减少了对地穴的容量需求。
对地穴容量需求的降低使得通过硬岩开采，而非盐洞水溶开采开凿地穴变得可行。这以非常重要方式扩大了CAES电站的可行选址范围。此外，还使明显较低的额定功率的电站变得可行(通过在盐洞中溶盐开凿仅在实现大容量时可行)，其次它还可使地穴热绝缘。同样的，它还使采用加压罐，而非地穴成为可能。
因此，由于提供了在CAES电站中执行的过程，以高温存储空气并且采用水或者有机液体作为辅助液体成为可能，而空气存储的温度越高，整体系统效率就越高。此外，冷凝器可以利用自然冷源，如水或大气空气。
因此，结果就是布雷顿循环(空气遵循)和兰金循环(辅助液体遵循)的结合。该设计还可以利用布雷顿循环排放气体残留的热量以再蒸发并加热辅助液体，以使其遵循其兰金循环。
我们把这整个过程叫做“组合循环CAES技术”，或“CCC技术”，这是本发明的基础，正如所描述的那样，它在各方面都比传统的CAES技术相比明显具有更高的效益。利用CCC技术可以实现多重目的地：
-使电站能源效率最优化；
-优化对地穴或罐的容量需求，以存储空气；
-扩大CAES电站的可行选址范围；
-使其可以在高温下操作；
-使用去除杂质的空气。
CCC技术为很多的能源效率优化的可能性组合打开了机会之门。例如涡轮机排放气体的热量可以作为另一使用辅助液体本身或其他有机液体的兰金循环的热源。
另一方面，热绝缘材料的最新技术已经得到发展，可以制作出隔热膜，其具有弹性，可以将压缩空气与辅助液体分隔开，它们可以保持两者间的温度差。这可使空气在比辅助液体更高的温度上存储，因此，可以考虑在单级上压缩空气，而不需要中间冷却，并在压缩后获得的温度存储压缩空气。这一过程需要消耗更多的能量，但这不意味着会成为困扰，因为这种能量消耗在电力网络出现电量过剩时是需要的，因此要存储起来，即这一过程实际产生的效果是：由于单位容量存储的能量更高了，所以对罐或地穴的容量需求明显减少。
本过程的显著优势在于，当空气进入到涡轮机时，不需要再次加热，这使系统的能源效率显著提高。
执行单级压缩和涡转还可以使用同样的机器执行两个功能，如抽水蓄电站那样。
但是，除了披露的所有优势之外，CCC技术还具有其他优势，克服了很多其他一般发电过程中的缺陷：
-本发明允许罐或地穴内的压缩空气以及/或者辅助液体具有额外的恒容加热，因为它们被设计成承受高工作压力，即罐或地穴需作为汽锅工作，与传统的汽锅相比，其优势在于它们可以承受高工作压力，并且具有足够的容量存储置在其内部执行定容加热，从而显著地提高了能源效率；
-完全有可能将其与可再生资源，甚至核能结合。
CCC还具有其它的有用设计：
-执行一相反的过程，将压缩空气存储在膜内并将辅助液体存储在膜外，由于空气和辅助液体在不同的状态具有不同的浓度，因此表现出一些机械上的优势
-当辅助液体为液体状态时，利用辅助罐或地穴存储辅助液体，同时将其限制在辅助罐或地穴的膜内部，而辅助罐或地穴的其余空间则填充有来自主罐或地穴的压缩空气，这样当辅助罐或地穴中充满了液态的辅助液体时，能将压缩空气从辅助罐或地穴中输送到主罐或地穴，当其被排空时，反向执行，从而在辅助罐或地穴中保持恒压，同时在空气存储在地穴时，即在抽取和涡转之前，允许空气以及辅助液体具有不同的定容加热；
-在上述使用辅助罐或地穴工作的情况下，可在兰金循环的两种状态中存储辅助液体，在不同的压强下强制其遵循兰金循环，利用两个罐或地穴，例如，使在空气压缩及进入主罐或地穴期间遵循分段与兰金循环的冷凝器和泵部分匹配，从而当电力网络出现电能过剩时，在泵处消耗能量；
-将兰金循环的冷凝器释放的热量作为另一附加兰金循环的热源，其使用相同的辅助液体在不同的压强下工作，或使用水或者有机液体工作；
-将兰金循环的冷凝器释放的热量作为另一附加兰金循环的热源，其使用相同的辅助液体在不同的压强下工作，或使用水或者有机液体工作，将辅助液体或水或有机液体存储在新的热绝缘的罐或者辅助地穴中，以在电力网络具有很高的电力需求时进行抽取和涡转；
-存储兰金循环的冷凝器释放的热量以及/或者中间压压缩机冷却及热存储系统释放的热量，这些热量在之后作为从地穴排出的空气在涡轮转动之前的预热以及再次蒸发辅助液体的热源，以及/或者作为另一附加兰金循环的热源，当电力网络中具有高电力需求时，其使用相同的辅助液体在不同的压强下工作，或使用水或有机液体工作。
附图说明
为了对已做出的描述进行补充，以及为了更好地帮助理解本发明的技术特征，本文提供了两个附图，所述附图只做描述的目的，而不作为本发明的限制，其中：
图1示出了CCC技术电站的其中一个可能布局的流程图，所述电站以相同的压强和温度条件存储压缩空气与辅助液体(水)，并且具有存储在压缩大气空气过程中产生的热量的热能存储系统；
图2示出了具有隔热膜的CCC技术电站的其中一个可能布局的流程图，所述电站在比辅助液体(水)更高的温度上存储空气。
具体实施方式
下文披露了本发明的两个优选实施例，这两个设计均具有值得注意的市场预期：
模式1：温度平衡运作
图1在描述性而非限制性的基础上示出了了本发明的一个优选实施例，其从具有CCC电站技术的电力网络1中存储能量，其中当电力网络中出现电能过剩时，电动机2驱动压缩机3捕获大气空气并将其隔热地单级压缩到具有约40巴的压强和约550℃的温度。
压缩空气在换热器4中流通，在这里它将热量输送到热存储系统5，例如热存储系统5可以是一个具有两个温度不同的罐的熔融盐热存储系统，温度降低到250℃，压强相当于水在该温度时相对应的蒸汽压(约39.75巴)。
空气压缩也可以分成几个阶段执行，具有中间冷却器并将热量输送到热存储系统5。
之后，压缩空气流入人造地穴6内，人造地穴6通过硬岩开采开凿，而且其内壁为热绝缘的。人工地穴6起初充满了处于饱和蒸汽状态的水，其压力和温度条件与之后的压缩空气相同(250℃以及约39.75巴)。
在人工地穴6的空气入口处具有一层防水膜7，其具有弹性并能承受250℃的工作温度，如由具有弹性的聚四氟乙烯制成。该膜起初是完全折叠的，如前面解释的，将人工地穴所有的空间留给饱和蒸汽状态的水。
当空气进入膜7时，其将饱和蒸汽排出，饱和蒸汽从人工地穴6中排出并流入冷凝器8中，其在恒压恒温下液化，并在同样的压力和温度环境下变成饱和液体。如图1所示，冷凝器8可通过冷却塔9实现冷凝，或者提供较高的工作温度，其释放的热量可存储在热存储系统5中，或者作为利用较低温度的水或者有机液体工作的辅助兰金循环的热源。
饱和液态水回流到人工地穴6中，与剩余的饱和蒸汽水共享空间，但是它占用的空间要远小于饱和蒸汽状态时所占用的空间，从而允许膜7逐渐充满进入的温度为250℃、压强约为39.75巴的压缩空气。
此过程一直到膜7完全充满空气而饱和蒸汽水完全转化为饱和液态水，或者电力网络要求最好停止储能时才停止。此时，人工地穴6的关断阀是关闭的，空气和水存储在地穴中，CCC电站完全停止，没有电能的消耗或产生。
该电站直到电力网络具有电力需求，即需要发电时才启动。然后开始从地穴中抽取饱和液态水，由泵10驱动并送入换热器11，随后进入汽锅12，在汽锅12中水再次蒸发并进一步得到加热直到其变成具有高压和高温条件的蒸汽，使其穿过蒸汽涡轮机13，蒸汽涡轮机13驱动交流发电机14，交流发电机14产生电能，并将电能返回给电力网络1。
在蒸汽涡轮机的出口，水再次变回约39.75巴及250℃的饱和蒸汽状态，并被输送回地穴中。
当回到地穴中，饱和蒸汽水比以前明显占用更多的体积，密封在膜7内的空气被排出人工地穴6并在换热器15中得到加热，其热量源于热存储系统5，随后被送入汽锅16，最后在涡轮机17中驱动涡轮转动，涡轮机17是同压缩机3一样但工作方式相反的机器，涡轮机17驱动交流发电机18，产生电能并将电能添加到电力网络1中去。
涡轮机17排放的气体具有重要的热能，可用于再蒸发并进一步通过换热器11加热辅助液体，随后输送到出口烟囱19，或存储在热存储系统5，或者作为利用较低温度的水或者有机液体工作的辅助兰金循环的热源。
这一过程直到电力网络的电力需求下降到足够停止电站，或者人工地穴6中已经完全没有空气，完全充满饱和蒸汽水才停止。
从这时起，关断阀再次关闭，而电站直到电力网络再次出现电量过剩，需要存储时启动，再次开始执行上述整个循环，并无限次地重复整个过程。
例如，假定在250℃、压强约为39.75巴(水在此温度下的蒸汽压力)的状态下采用具有弹性的特氟龙片状物。但是采用其它材料是完全可能的，例如弹性铁箔，其可以在明显更高的温度下操作，而且具有弹性，并可以防止空气或水蒸汽通过。因此，完全可以复制本发明其他优选实施例，利用相似的过程，但工作在更高的温度及对应于该温度的水蒸汽压力上。
正如“发明内容”已经解释的那样，工作压强越大、温度越高，则获得的整体效率就越高，而工作环境的最大压强和温度由罐或地穴的结构强度，以及热绝缘层以及其他材料的可用性决定。
模式2：绝热膜运作
图1所示为本发明另一仅作示例性目的，不作为保护范围限制的优选实施例，其利用CCC电站技术从电力网络1中存储能量，其中，当电力网络中出现电量过剩时，电动发动机2驱动压压缩机3捕获大气空气并将其绝热地单级压缩到约60巴的压强以及约650℃的温度上。
压缩空气流入到人工地穴6内，人工地穴6通过硬岩开采开凿，其内壁为热绝缘的。人工地穴6初始为充满饱和蒸汽状态的水，压强为60巴，而当水蒸汽压为60巴时的对应温度约为275℃。
在人工地穴6的空气入口处，有一层弹性、热绝缘的防水膜7，在空气侧能够承受至少为650℃的温度并在水蒸汽侧能够承受至少为275℃的温度，例如，其被可制成为陶瓷垫在内部而弹性金属片在外部的三明治结构。这种膜7起初是完全折叠的，如前面解释的，把人工地穴所有的空间留给饱和蒸汽状态的水。
当空气进入膜7内，它将饱和蒸汽水排出人工地穴6外，饱和蒸汽水流入冷凝器8中，在冷凝器8中其在恒压恒温的环境下液化，成为压强为60巴、温度为275℃的饱和液态水。如图2所示，冷凝器8可由冷却塔9实现冷凝，或者提供较高的工作温度，其中释放的热量可存储在热存储系统中，或者作为利用较低温度的水或者有机液体工作的辅助兰金循环的热源。
饱和液态水回流到人工地穴6，与剩余的饱和蒸汽水共享空间，但是它占用的空间要远小于饱和蒸汽状态时所占用的空间，从而允许膜7逐渐充满进入的压强为60巴、温度为650℃的压缩空气。
此过程一直到膜7完全充满空气，而饱和蒸汽水完全转化为饱和液态水，或者电力网络要求最好停止储能时才停止。此时，人工地穴6的关断阀是关闭的，空气和水存储在地穴中，CCC电站完全停止，没有电能的消耗或产生。
该电站直到电力网络具有电力需求，即需要发电时才启动。然后开始从地穴中抽取饱和液态水，由泵10驱动并输送入换热器11，随后进入汽锅12，在这里水再次蒸发并进一步被加热直到其变成具有高压和高温条件的蒸汽，使其穿过蒸汽涡轮机13，而蒸汽涡轮机13可驱动交流发电机14，交流发电机14产生电能，并将电能返回给电力网络1。
在蒸汽涡轮机的出口，水再次返回到约60巴及275℃的饱和蒸汽状态，被输送回地穴中。
当回到地穴中，饱和蒸汽水比以前明显占用更多的体积，密封在膜7内的空气排出人工地穴6并在汽锅16中加热，最后在涡轮机17中推动涡轮转动，涡轮机17可以是与压缩机3一样但工作方式相反的机器，涡轮机17驱动交流发电机18，产生电能并将电能添加到电力网络1中去。
涡轮机17排放的气体具有重要的热能，可用于再蒸发并进一步通过换热器11加热辅助液体，随后输送到出口烟囱19，或存储在热存储系统，或者作为利用较低温度的水或者有机液体工作的辅助兰金循环的热源。
这一过程直到电力网络的电力需求下降到足够停止电站，或者直到人工地穴6已经完全没有空气，完全充满饱和蒸汽水才停止。
从这时起，关断阀再次关闭，而电站直到电力网络再次出现电量过剩，需要存储时启动，再次开始执行上述整个循环，并无限次地重复整个过程。
在这两个优选实施例中指出的压强和温度值均为近似值，仅作为指导目的，这是因为它们是通过假定的理想过程，不考虑耗损进行粗略计算得出的。
实际电站的工作值根据就罐或地穴的强度和可用的热绝缘材料而言可接受的实际过程以及工作条件而定。
在这两个实施例中均假设利用饱和液态和蒸汽水工作，然而，系统可以设计为采用湿蒸汽、过热蒸汽或过冷液体工作。

Claims (18)

1.组合循环CAES(压缩空气储能)技术，其特征在于，结合传统CAES技术(即基于在地穴中存储压缩大气空气的储能技术)中的大气空气遵循的热力循环(布雷登循环)与被限制在同一地穴的膜内的辅助液体遵循的另一热力循环，在辅助液体的热力循环中辅助液体承受体积的变化，以使压缩的大气空气进入和排出地穴。
2.根据权利要求1所述的组合循环CAES技术，其特征在于，辅助液体定制为遵循兰金循环的两个分段，其中一分段处于在空气压缩及进入到地穴的过程中，另一段处于空气排出及涡转的过程中，以使：
-每一分段的起始状态和最终状态压强相同；
-空气压缩以及进入地穴过程的初始状态与空气排出和涡转过程的最终状态相匹配，并且具有非常低浓度的状态，即为具有高蒸汽干度的过热蒸汽、饱和蒸汽或者湿蒸汽；
-空气压缩以及进入地穴过程的最终状态与空气排出和涡转过程的初始状态相匹配，并且具有非常高浓度的状态，即为具有低干度的过冷液体、饱和液体或者湿蒸汽；
-在空气压缩以及进入地穴/空气排出及涡转期间，辅助液体被强制排出膜外，遵循其兰金循环的分段，然后再次进入膜内，处于使被限制在膜内的辅助液体具有整体减少/增加的体积的连续过程中，从而允许空气进入地穴/将空气排出地穴；
-在空气存储在地穴期间，以及在地穴中空气排空期间，辅助液体在与先前遵循的兰金循环段相对应的最后阶段中存储在膜内。
3.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将兰金循环的冷源温度设定为辅助液体的存储温度。
4.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将兰金循环的冷源温度设定为比辅助液体的存储温度更低的温度。
5.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，罐或地穴内部具有热绝缘，以使空气及辅助液体的存储在高温下执行。
6.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，使用涡轮机排放气体的热量作为热源，用于再蒸发并进一步加热辅助液体以使其遵循其兰金循环。
7.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，使用涡轮机排放气体的热量作为另一使用较低温度的辅助液体或有机液体运行的兰金循环的热源。
8.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，利用隔热膜，其除具有弹性以及能够将压缩空气与辅助液体分隔开外，还能够保持两者间的温度差。
9.根据权利要求8所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将隔热膜制作成陶瓷垫在内，而弹性、防渗透的抗热片在外的三明治结构。
10.根据权利要求8和9所述的组合循环CAES技术，其特征在于，在无需中间冷却的情况下单级压缩空气，并在压缩后获得的温度上存储压缩空气。
11.根据权利要求9所述的组合循环CAES技术，其特征在于，使用与空气压缩机和涡轮机相同的机器，反向转动转子。
12.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，形成罐或地穴内的压缩空气以及/或者辅助液体的额外定容加热，即作为汽锅使用罐或地穴。
13.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将压缩空气存储在膜的内部，将辅助液体留在膜的外部。
14.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，当辅助液体为液体状态时，利用辅助罐或地穴存储，同时将其限制在辅助罐或地穴的膜内，所述辅助罐或地穴的其余空间由来自主罐或地穴的压缩空气填充，以使当所述辅助罐或地穴中充满了液态的辅助液体时，将压缩空气从辅助罐或地穴输送到主罐或地穴，当所述辅助罐或地穴被排空时，反向执行，从而在所述辅助罐或地穴中保持恒压，同时在空气存储在地穴时，即在抽取和涡转之前，允许空气以及辅助液体具有不同的定容加热。
15.根据权利要求14所述的组合循环CAES技术，其特征在于，在兰金循环的两种状态中存储辅助液体，利用具有两个罐或地穴的优势，在不同的压强下强制其遵循兰金循环。
16.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将兰金循环的冷凝器释放的热量作为另一附加兰金循环的热源，所述附加兰金循环使用相同的辅助液体在不同的压强下运行，或使用水或者有机液体运行。
17.根据权利要求16所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将附加兰金循环运行液体存储在一新的热绝缘的罐或者辅助地穴中，以在电力网络具有很高的电力需求时抽取并涡转所述附加兰金循环运行液体。
18.根据前述权利要求所述的组合循环CAES技术，其特征在于，将兰金循环的冷凝器释放的热量以及/或者中间压缩机冷却器释放的热量以及/或者涡轮机排放气体残留的热量储存在热存储系统中，因此这些热量之后作为对从地穴排出的空气在涡转之前进行预热以再次气化辅助液体的热源，以及/或者作为另一附加兰金循环的热源，此附加兰金循环当电力网络中具有高电力需求时使用相同的辅助液体在不同的压强下运行，或使用水或有机液体运行。
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