CN104564344A - 压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气储能系统，其包括储能部分及能量释放部分，所述能量释放部分包括喷射器、第一储热/换热器、透平膨胀机及发电机，所述储能部分与所述喷射器的入口连接，而喷射器的出口与所述第一储热/换热器连接，所述第一储热/换热器与所述透平膨胀机的入口连接，所述喷射器的卷吸口与所述透平膨胀机连接抽气，所述透平膨胀机与所述发电机连接。所述压缩空气储能系统储能部分的空气压缩机向储气室注入压缩空气，压缩空气从储气室的出口流出并进入喷射器，透平膨胀机的低压抽气从喷射器的卷吸口进入，在喷射器内部实现高压空气与低压空气的混合，进入第一储热/换热器进行升温，升温后的气流进入透平膨胀机做功并驱动发电机输出稳定的电能。

Description

压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及能力储存技术领域，尤其是指一种压缩空气储能系统。

背景技术

储热/换热器可以将暂时不用的热量进行储存，在需要的时候通过内置的换热器将储存的热量交换出来。压缩空气储能系统具有提高风电与太阳能发电等新能源电能品质的功能，在储能阶段，可以使用品质不好的电能来驱动空气压缩机做功，获得高压的空气；在释能阶段，释放压缩空气来驱动透平膨胀机做功，再次驱动电动机输出电能。通过压缩空气储能技术，可以将低品位的新能源电能转变为稳定输出的高品质电能。

现有的压缩空气储能系统多是将储能阶段与释能阶段进行分开，通过增大储气室的容积与提高压缩空气的储存压力来提高压缩空气储能系统的电能容纳能力，这就使得压缩空气储能电站对储气条件的要求十分苛刻。另外一方面，若在压缩空气储能系统中布置燃烧器，则可能因偏远地区存在天然气供应困难的问题而影响压缩空气储能技术的推广应用。

发明内容

基于此，本发明在于提供一种压缩空气储能系统，其能克服现有技术的不足，可在小储气室容积与低压缩空气储气压力的条件下，以低品质电能输入与高品质电能输出同步运行的方式来实现压缩空气储能系统的高效率运行，应用条件不受天然气供应的限制，适用范围广。

其技术方案如下：

一种压缩空气储能系统，其包括储能部分及能量释放部分，所述能量释放部分包括喷射器、第一储热/换热器、透平膨胀机及发电机，所述储能部分与所述喷射器的入口连接，而喷射器的出口与所述第一储热/换热器连接，所述第一储热/换热器与所述透平膨胀机的入口连接，所述喷射器的卷吸口与所述透平膨胀机连接抽气，所述透平膨胀机与所述发电机连接。

下面对进一步技术方案进行说明：

进一步的，所述储能部分包括空气压缩机及与所述空气压缩机出气口连接的冷却器，所述第一储热/换热器与所述冷却器连接后再与所述第一储热/换热器连接形成换热回路。

进一步的，其还包括第二储热/换热器，所述第二储热/换热器连接于所述第一储热/换热器与所述透平膨胀机之间。

进一步的，所述第一储热/换热器及所述第二储热/换热器为太阳能高温储热/换热器、高温烟气储热/换热器、压缩热储热/换热器中的一种。

进一步的，所述第一储热/换热器及为压缩热储热/换热器，所述第二储热/换热器为太阳能高温储热/换热器、高温烟气储热/换热器。

进一步的，所述透平膨胀机上开设有抽气孔，所述喷射器的卷吸口通过所述抽气孔进行抽气。

进一步的，所述喷射器在所述透平膨胀机处抽气的压力范围为0.2MPa至0.7MPa，透平膨胀机入口的气流压力范围为0.8MPa-2.0MPa。

进一步的，所述喷射器的数量为至少两个，每一个所述喷射器为一级喷射，第一级喷射的喷射器的卷吸口与所述透平膨胀机连接，且前一级喷射的喷射器的出口与后一级喷射的喷射器的卷吸口连接，末级喷射的喷射器的出口与所述第一储热/换热器连接。

进一步的，所述透平膨胀机的尾气出口与所述余热回收换热器连接后排空，且所述储能部分通过所述余热回收换热器与所述喷射器的入口连接。

进一步的，所述空气压缩机出口的压缩空气的压力范围为2.0MPa-5.0MPa，所述储能部分包括储气室，所述储气室的空气压力小于等于5.0MPa

下面对前述技术方案的原理、效果等进行说明：

上述压缩空气储能系统在能量释放部分，储能部分的空气压缩机向储气室注入压缩空气，与此同时，压缩空气从储气室的出口流出并进入喷射器，透平膨胀机的低压抽气从喷射器的卷吸口进入，在喷射器内部实现高压空气与低压空气的混合，具有一定压力的混合气流从喷射器出口流出后进入第一储热/换热器进行升温，升温后的气流进入透平膨胀机做功并驱动发电机输出稳定的电能。所述的压缩空气储能系统的压缩机储能部分与透平释能部分同步运行，储气室的空气注入质量流速与空气释放质量流速相等。

本发明具有如下有益效果：

(1)所述压缩空气储能系统可以实现新能源电能品质的在线提升，低品质电能输入与高品质电能输出可以同步进行；

(2)所述储气室的压缩空气注入与释放过程同步进行，可以采用更小的储气室容积与更低的储气压力来满足整个压缩空气储能系统的运行要求，进而大幅度降低了储气室的选址条件要求；

(3)压缩空气储能系统的压缩空气压力调节采用了喷射器调压技术，可以将透平膨胀机做功乏气的压力再次提升至透平膨胀机入口的压力，增大了可以做功气流的总量，进而增大压缩空气储能系统对外的总体出力；

(4)压缩空气储能系统的做功气流加热环节由第一储热/换热器和/或第二储热/换热器来完成，不需要消耗天然气，使得储能系统可以在天然气匮乏的偏远地区使用，更容易匹配太阳能发电与风力发电等新能源电能品质提升的需求。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的压缩空气储能系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二所述的压缩空气储能系统的结构示意图；

图3是本发明实施例三所述的压缩空气储能系统的结构示意图。

附图标记说明：

10、电动机，112、空气压缩机、114、冷却器，122、空气压缩机，124、冷却器，13、储气室，14、第一储热/换热器，24、第二储热/换热器，16、喷射器，17、喷射器，18、余热回收换热器，20、透平膨胀机，22、发电机。

具体实施方式

下面对本发明的实施例进行详细说明：

如图1所示，一种压缩空气储能系统，其包括储能部分及能量释放部分，所述能量释放部分包括喷射器16、第一储热/换热器14、透平膨胀机20及发电机22，所述储能部分连接与所述喷射器16的入口连接，而喷射器16的出口与所述第一储热/换热器14连接，所述第一储热/换热器14与所述透平膨胀机20的入口连接，所述喷射器16的卷吸口与所述透平膨胀机20连接抽气，所述透平膨胀机20与所述发电机22连接。

所述压缩空气储能系统在能量释放部分，储能部分的空气压缩机向储气室13注入压缩空气，与此同时，压缩空气从储气室13的出口流出并进入喷射器16，透平膨胀机20的低压抽气从喷射器16的卷吸口进入，在喷射器16内部实现高压空气与低压空气的混合，具有一定压力的混合气流从喷射器16出口流出后进入第一储热/换热器14进行升温，升温后的气流进入透平膨胀机20做功并驱动发电机输出稳定的电能。所述的压缩空气储能系统的压缩机储能部分与透平释能部分同步运行，储气室的空气注入质量流速与空气释放质量流速相等。

所述储能部分包括空气压缩机112、空气压缩机122及与所述空气压缩机112出气口连接的冷却器114、及与所述空气压缩机122出气口连接的冷却器124，所述第一储热/换热器14与所述冷却器124连接后再与所述第一储热/换热器14连接形成换热回路；所述空气压缩机112与所述空气压缩机122连接，且所述冷却器114连接于所述空气压缩机112与所述空气压缩机122之间，冷却器124连接于所述空气压缩机122与所述储气室13之间，冷却器114冷却经过空气压缩机112压缩后的空气，而经过空气压缩机122压缩后的空气再经过冷却器124的冷却后储存于储气室13内。通过压缩机122的热空气经过所述冷却器124降温后，冷却器124的热空气回到所述第一储热/换热器14内，从而对从喷射器16喷出的空气进行升温。本实施例以设置两个所述空气压缩机为例，在实际应用时，可根据不同的需求设置不同数量的空气压缩机及相应的冷却器。

所述第一储热/换热器14为压缩热储热器或太阳能高温储热/换热器、高温烟气储热/换热器中的一种。本实施例优选所述第一储热/换热器14为压缩热储热/换热器；所述第一储热/换热器14储存储能部分中对应的冷却器114、124带走的热量，此部分热量来自压空气压缩机112、122压缩过程的空气冷却过程，相应的热量在第一储热/换热器14中传递给能力释放部分的透平膨胀机做功。充分利用整个压缩空气储能系统中冷却器114、124所产生的剩余热量。

如图2所示，所述压缩空气储能系统还包括第二储热/换热器24，所述第二储热/换热器24连接于所述第一储热/换热器14与所述透平膨胀机20之间。经过第一储热/换热器14的做功空气的温度如果仍然低于透平膨胀机20的需求，此时可选用第二储热/换热器24对做功工质进一步进行加热。所述第二储热/换热器24为太阳能高温储热/换热器、高温烟气储热/换热器中的一种。在本实施例中，所述第一储热/换热器14为压缩热储热/换热器，优选第二储热/换热器24为高温烟气储热/换热器，其可以是太阳能高温蓄热器，也可以是大型工厂或者发电站的高温烟气。当第二储热/换热器24为太阳能高温蓄热器时，所述压缩空气储能系统可以布置在山区与戈壁等区域。当第二储热/换热器24可以采用大型工厂或者发电站的高温烟气时，所述压缩空气储能系统的使用范围则更加灵活。

所述透平膨胀机20上开设有抽气孔，所述抽气孔的位置根据喷射器16的抽气需要满足的压力以设定相应的开孔位置。优选所述喷射器16在所述透平膨胀机20处抽气的压力范围为0.2MPa至0.7MPa，透平膨胀机20入口压力范围在为0.8-2.0MPa。在透平膨胀机20上开孔进行抽气，抽气进入喷射器16与储气室13提供的高压工质混合后，重新变为透平膨胀机20需要的做功工质。透平膨胀机20的尾气出口与余热回收换热器18连接后再与所述喷射器的入口连接，透平膨胀机20内剩余的工质继续膨胀，膨胀后的尾气通过余热回收换热器18向储气室释放的做功工质传递热量，此后排空。

如图3所示，所述喷射器的数量可设置为两个以上，每一个所述喷射器为一级喷射，第一级喷射的喷射器的卷吸口与所述透平膨胀机20连接，且前一级喷射的喷射器的出口与后一级喷射的喷射器的卷吸口连接，末级喷射的喷射器的出口与所述第一储热/换热器14连接。第一级喷射器16的卷吸气流来自透平膨胀机20的做功乏气，第一级喷射器16的出口气流作为第二级喷射器17的卷吸气流，第二级喷射器17的出口气流作为第三级喷射器的卷吸气流，最末级喷射器的出口气流通过第一储热/换热器14连接。本实施例优选设置有两个喷射器16、17，喷射器16形成第一级喷射，而喷射器17则形成第二级喷射。

本发明所述压缩空气储能系统的储能部分与能力释能部分同步运行，主要用来在线提高风电与太阳能发电等新能源电能的品质，压缩空气储能系统输入端(电动机10)对电能的品质没有要求，输出端(发电机22)可以输出稳定的高品质电能。多级空气压缩机提供的压缩空气的压力范围可以在2.0-5.0MPa之间，储气室13储存的压缩空气最高压力为5.0MPa。在压缩空气储能系统运行过程中，储气室13注入气体过程与释放压缩空气的过程同步进行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能系统，其包括储能部分及能量释放部分，其特征在于，所述能量释放部分包括喷射器、第一储热/换热器、透平膨胀机及发电机，所述储能部分与所述喷射器的入口连接，而喷射器的出口与所述第一储热/换热器连接，所述第一储热/换热器与所述透平膨胀机的入口连接，所述喷射器的卷吸口与所述透平膨胀机连接抽气，所述透平膨胀机与所述发电机连接。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能部分包括空气压缩机及与所述空气压缩机出气口连接的冷却器，所述第一储热/换热器与所述冷却器连接后再与所述第一储热/换热器的连接形成换热回路。

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，其还包括第二储热/换热器，所述第二储热/换热器连接于所述第一储热/换热器与所述透平膨胀机之间。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一储热/换热器及所述第二储热/换热器为太阳能高温储热/换热器、高温烟气储热/换热器、压缩热储热/换热器中的一种。

5.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一储热/换热器及为压缩热储热/换热器，所述第二储热/换热器为太阳能高温储热/换热器、高温烟气储热/换热器。

6.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述透平膨胀机上开设有抽气孔，所述喷射器的卷吸口通过所述抽气孔进行抽气。

7.根据权利要求6所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述喷射器在所述透平膨胀机处抽气的压力范围为0.2MPa至0.7MPa，透平膨胀机入口的气流压力范围为0.8MPa-2.0MPa。

8.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述喷射器的数量为至少两个，每一个所述喷射器为一级喷射，第一级喷射的喷射器的卷吸口与所述透平膨胀机连接，且前一级喷射的喷射器的出口与后一级喷射的喷射器的卷吸口连接，末级喷射的喷射器的出口与所述第一储热/换热器连接。

9.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述透平膨胀机的尾气出口与所述余热回收换热器连接后排空，且所述储能部分通过所述余热回收换热器与所述喷射器的入口连接。

10.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩机出口的压缩空气的压力范围为2.0MPa-5.0MPa，所述储能部分包括储气室，所述储气室的空气压力小于等于5.0MPa。