CN105043147B - 一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其包括压缩机、蓄冷、储热、液化和透平发电系统；储能时，可再生能源驱动多级压缩机系统，使压缩空气增压与常温蓄冷液态工质换热，储存在液态工质中冷量降至液化温度，再通过节流液化；释能时，将液态空气增压与高温蓄冷液态工质换热，工质回收冷能给液化过程，空气升温被气化；常温高压空气输入多级透平膨胀机做功，驱动发电机输出电能；储热系统降低下一级压缩机耗功，存储热量在膨胀前逐级加热提高进气温度；低凝固点高低沸点蓄冷工质回收液态空气冷能，液态工质比热容大实现大温跨换热，结构简单性能稳定：可实现储能发电一体化，可实现再生能源发电大规模并网，以提升电网接纳新能源发电能力。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源储能技术领域，特别涉及一种液化压缩空气的储能系统。
背景技术
随着可再生能源的蓬勃发展，截止到2013年底，我国风力发电累计总装机容量为91.4GW，太阳能发电总装机容量为10GW。预计至2015年和2020年我国风电总装机容量将分别达到130GW和200GW，太阳能发电总装机容量将分别达到20GW和50GW。与可再生能源蓬勃发展相对应的是可再生能源固有间歇性和不稳定性导致的大量“弃风限电”现象，严重制约可再生能源进一步大规模并网和安全稳定运行。大规模储能技术作为灵活调节手段可以实现电能的较长时间有效存储和快速回馈于电网，从而提高电力系统聚纳大规模风力发电和光伏发电系统的能力。
常规的储能发电方式主要有飞轮储能、电池储能、超导储能、超级电容器储能、抽水储能和压缩空气储能、液化空气储能等。其中，电池储能因寿命短，造价高，不适合大规模储能系统；抽水蓄能对地理条件要求高，建设成本高，不能完全满足大规模储能的需求；压缩空气储能，受限于地下储气室，无法进行大规模的推广；超导储能、飞轮储能、超级电容等由于储能容量、储能时间、效率、技术等原因也无法满足大容量储存的需求。液化压缩空气储能作为一种大容量储能技术，其采用液态空气作为储能介质，大大提高了储能的密度，具有容量大、转换效率高、无地理条件依赖、运行方式灵活、环境污染小等优点，具有大规模推广应用的潜力。
液化压缩空气储能系统通常引入蓄冷系统来提高整套系统的循环效率。目前蓄冷子系统主要为石子填充床蓄冷系统或基于组合式相变材料的梯度蓄冷系统。然而，石子填充床蓄冷器内存储冷量时，斜温层内存在温度梯度，易产生轴向的导热，引起系统的损失；利用组合式相变蓄冷材料需要在不同温度端配备不同组合的工质，温度段分得越小，系统损失越少，因此对多种材料的选取及制备有很高的要求，同时也具有一定的传热损失。
为了解决液化压缩空气储能系统中蓄冷子系统存在的问题，本发明提出了一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统；该系统采用凝固点低、沸点高的液态蓄冷工质回收液态空气的冷能，利用液态工质比热容大的特性实现大温跨换热，性能稳定，损失小，结构简单；相对于目前的相变蓄冷材料，可以减少多种材料配置的繁琐过程，成本较低；相对于石子填充床蓄冷器，具有更少的损失；同时，该系统中采用了储热子系统，回收了压缩过程中的热量，提高了系统的效率；本发明能够高效实现电能的较长时间有效存储和快速回馈于电网，从而提高电力系统聚纳大规模风力发电和光伏发电系统的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，以克服风能发电、太阳能发电的间隙性、不稳定性等因素导致其发电对电网的不良影响，提升电网接纳新能源发电的能力；同时，本发明引入储热子系统和蓄冷子系统，提高整套系统的循环效率；其中，蓄冷子系统采用液态工质，利用其大比热容的特性进行大温跨蓄冷过程，结构简单，性能稳定，损失小。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，包括：压缩机子系统、蓄冷子系统、储热子系统、液化子系统和透平发电子系统；
所述压缩机子系统由串接的多级压缩换热单元组成，所述多级压缩换热单元中的每一级压缩换热单元均由一个压缩机串接一个压缩换热器组成；
所述蓄冷子系统由蓄冷换热器5、常温蓄冷液体罐12和低温蓄冷液体罐13组成，所述低温蓄冷液体罐13通过所述蓄冷换热器5与常温蓄冷液体罐12相连；
所述储热子系统由多级储热单元组成，所述多级储热单元中的每一级储热单元均由一个高温储热箱并联一个常温储热箱组成；
所述液化子系统由节流阀6、低温储罐7和低温泵8组成；
所述透平发电子系统由发电机11和串接的多级膨胀换热单元组成，所述多级膨胀换热单元中的每一级膨胀换热单元均由一个透平膨胀换热器串接一个透平膨胀机组成；
所述多级储热单元中的各级储热单元的一端连接相应级的压缩换热单元的压缩换热器，所述多级储热单元中的各级储热单元的另一端连接相应级的膨胀换热单元的膨胀换热器；
所述多级压缩换热单元的最末级压缩换热单元出口端通过蓄冷换热器5依次连接节流阀6和低温储罐7，所述低温储罐7出口端通过低温泵8连接所述多级膨胀换热单元中的第一级膨胀换热单元的透平膨胀换热器，最末级膨胀换热单元的透平膨胀机与发电机11相连；
所述多级压缩换热单元中的第一级压缩换热单元的第一级压缩机连通于一可再生电源，所述发电机11输出电能；
所述采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统工作流程如下：
储能时，可再生能源发电后的电能连接所述多级压缩换热单元中的第一级压缩换热单元，并驱动串接的多级压缩机换热单元，使压缩输入的空气至高压；高压的空气通过蓄冷换热器5与储存在低温蓄冷液体罐13的低温蓄冷液态工质换热，降温至液化温度；最后，低温空气通过节流阀6液化，液化空气储存在低温储罐7中；
释能时，液态空气通过低温泵8增压，常温高压空气通过蓄冷换热器5与储存在常温蓄冷液体罐12的常温蓄冷液态工质换热，液态工质回收其冷能给液化过程，空气温度升高气化；最后，常温高压空气在多级膨胀换热单元的透平膨胀机中膨胀做功，驱动发电机11发电并输出；
储热子系统中，储能时，每一级压缩机换热单元出口处气体将热量传递给储热工质，工质存储在多级储热箱单元的高温储热箱中；释能时，储热工质将储存的热量传给每一级膨胀换热单元的透平膨胀机入口处的空气，工质存储在储热箱单元的常温储热箱中；
蓄冷子系统中，释能时，液态空气将冷能传给液态蓄冷工质，工质存储在低温蓄冷液体罐13中；储能时，液体蓄冷工质将储存的冷量传给空气，工质存储在常温蓄冷液体罐12中。
本发明的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其中的蓄冷工质为低凝固点、高沸点的单纯液态工质或者混合液态工质，其为C3H6、C3F8、C4H8、C4H10、C5H10、C5H12、C6H12、C6H14、C7H16中的一种或者多种组合。
本发明的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其蓄冷工质初始储存的冷量由系统自身提供：系统启动前，高压常温空气通过节流阀制冷，产生的冷量传递给蓄冷工质；节流后的返流空气与来流空气进行回热，最终产生液态空气用于液态蓄冷工质的降温。
本发明的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，各系统的储能和释能交替进行。
所述高温储热箱和常温储热箱中的储热流体是一种常温至200℃的中低温单相流体。优选水或者水与乙二醇混合工质液体作为这里的储热工质。
进入蓄冷换热器的常温高压空气的压力在10MPa～30MPa之间，以减少蓄冷换热器中的传热损失。
本发明的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其储能和释能交替进行。
本发明提供的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其优点在于：
该系统可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源发电并网对电网安全和稳定性的影响，提高电力系统聚纳大规模可再生能源发电的能力；该液化压缩空气储能技术具有不受地理条件限制、无资源约束、环境友好、储能密度大、整体成本低等优点；该系统通过设置储热系统和蓄冷系统，分别回收压缩过程中的热量和气化过程中的冷量，提高了整套系统的循环效率，其中，蓄冷系统采用液态工质，比热容大，适合在宽温区范围内(300K-80K)实现长时间蓄冷过程，效率较高，成本低，性能稳定。本发明对提高储能效率、降低开发成本，提高系统发电稳定性和可靠性具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统结构示意图；由图可知，本发明提供的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，包括：压缩机子系统、蓄冷子系统、储热子系统、液化子系统和透平发电子系统；
所述压缩机子系统由串接的多级压缩换热单元组成，所述多级压缩换热单元中的每一级压缩换热单元均由一个压缩机串接一个压缩换热器组成；
所述蓄冷子系统由蓄冷换热器5、常温蓄冷液体罐12和低温蓄冷液体罐13组成，所述低温蓄冷液体罐13通过所述蓄冷换热器5与常温蓄冷液体罐11相连；
所述储热子系统由多级储热单元组成，所述多级储热单元中的每一级储热单元均由一个高温储热箱并联一个常温储热箱组成；
所述液化子系统由节流阀6、低温储罐7和低温泵8组成；
所述透平发电子系统由发电机11和串接的多级膨胀换热单元组成，所述多级膨胀换热单元中的每一级膨胀换热单元均由一个透平膨胀换热器串接一个透平膨胀机组成；
所述多级储热单元中的各级储热单元的一端连接相应级的压缩换热单元的压缩换热器，所述多级储热单元中的各级储热单元的另一端连接相应级的膨胀换热单元的膨胀换热器；
所述多级压缩换热单元的最末级压缩换热单元出口端通过蓄冷换热器5依次连接节流阀6和低温储罐7，所述低温储罐7出口端通过低温泵8连接所述多级膨胀换热单元中的第一级膨胀换热单元的透平膨胀换热器，最末级膨胀换热单元的透平膨胀机与发电机11相连；
所述多级压缩换热单元中的第一级压缩换热单元的第一级压缩机连通于一可再生电源，所述发电机11输出电能；
所述采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统工作流程如下：
储能时，可再生能源发电后的电能连接所述多级压缩换热单元中的第一级压缩换热单元，并驱动串接的多级压缩机换热单元，使压缩输入的空气至高压；高压的空气通过蓄冷换热器5与储存在低温蓄冷液体罐13的低温蓄冷液态工质换热，降温至液化温度；最后，低温空气通过节流阀6液化，液化空气储存在低温储罐7中；
释能时，液态空气通过低温泵8增压，常温高压空气通过蓄冷换热器5与储存在常温蓄冷液体罐12的常温蓄冷液态工质换热，液态工质回收其冷能给液化过程，空气温度升高气化；最后，常温高压空气在多级膨胀换热单元的透平膨胀机中膨胀做功，驱动发电机11发电并输出；
储热子系统中，储能时，每一级压缩机换热单元出口处气体将热量传递给储热工质，工质存储在多级储热箱单元的高温储热箱中；释能时，储热工质将储存的热量传给每一级膨胀换热单元的透平膨胀机入口处的空气，工质存储在储热箱单元的常温储热箱中；
蓄冷子系统中，释能时，液态空气将冷能传给液态蓄冷工质，工质存储在低温蓄冷液体罐12中；储能时，液体蓄冷工质将储存的冷量传给空气，工质存储在常温蓄冷液体罐13中。
本实施例中：
多级压缩换热单元、多级储热单元和多级膨胀换热单元均为三级(也可为比三级多的级数)；
第一级压缩换热单元由串接的第一级压缩机101和第一级压缩换热器201组成；第二级压缩换热单元由串接的第二级压缩机102和第二级压缩换热器202组成；第三级压缩换热单元由串接的第三级压缩机103和第三级压缩换热器203组成；
第一级膨胀换热单元由串接的第一级透平换热器901和第一级透平膨胀机1001组成；第二级膨胀换热单元由串接的第二级透平换热器902和第二级透平膨胀机1002组成；第三级膨胀换热单元由串接的第三级透平换热器903和第三级透平膨胀机1003组成；
第一级储热单元由第一级高温储热箱301和第一级常温储热箱401组成；第二级储热单元由第二级高温储热箱302和第二级常温储热箱402组成；第三级储热单元由第三级高温储热箱303和第三级常温储热箱403组成；
第三级储热单元的一端连接第三级压缩换热器203，另一端连接第一级透平换热器901；第二级储热单元的一端连接第二级压缩换热器202，另一端连接第二级透平换热器902；第一级储热单元的一端连接第一级压缩换热器201，另一端连接第三级透平换热器903；
第三级压缩换热器203输出端通过蓄冷换热器5依次连接节流阀6和低温储罐7；低温储罐7出口通过低温泵8连接第一级透平膨胀换热器901；第一级膨胀换热单元的第一级透平膨胀机1001与发动机11相连；
低温蓄冷液体罐13通过所述蓄冷换热器5与常温蓄冷液体罐11相连；
其具体工作流程如下：
储能时，将可再生能源发电后的电能驱动三级压缩机(101，102，103)，压缩输入的空气；空气经过每一级压缩机后通过每一压缩换热器冷却，以降低下一级压缩机耗功并提高气动效率，同时储热工质将热量存储起来。高压的空气接着通过蓄冷换热器5，与储存在低温蓄冷液体罐13的低温蓄冷液态工质换热，空气降温至接近液化温度；最后，低温空气通过节流阀6液化，储存在低温储罐7中；释能时，液态空气通过低温泵8增压。高压的空气在蓄冷换热器5中，与储存在常温蓄冷液体罐12的常温蓄冷液态工质换热，工质回收液态空气冷能给液化过程，空气温度升高气化；最后，高温高压空气在三级透平膨胀机(1001，1002，1003)中膨胀做功驱动发电机11发电；空气经过每一级透平膨胀机之前，储热系统释放压缩过程产生的热量，逐级加热提高进气温度；
储热子系统中，储能时，每一级压缩机单元出口处气体将热量传递给储热工质，工质存储在高温储热箱中；释能时，储热工质将储存的热量传给每一级透平膨胀机单元入口处的空气，工质存储在常温储热箱中。蓄冷子系统中，释能时，液态空气将冷能传给液态蓄冷工质，工质存储在低温蓄冷液体罐12中；储能时，液体蓄冷工质将储存的冷量传给空气，工质存储在常温蓄冷液体罐13中
本实施例中，蓄冷介质采用C7H16、C6H12、C4H8的混合液态工质，常温蓄冷液体罐12中液态工质温度为300K，低温蓄冷液体罐13中液态工质为80K。储能时，输入到三级压缩机的空气压力为0.1MPa，温度为310K，经过三级压缩机压缩后升压到20MPa。高压常温空气经过蓄冷换热器与低温蓄冷液体罐13中的蓄冷工质换热后，空气温度下降为85K，蓄冷液态工质上升到300K。空气经过节流阀，由气态变为液态，压力降为0.1MPa，温度下降到80K以下；释能时，0.1MPa的液态空气经过低温泵，压力升高到20MPa，经过蓄冷换热器与常温蓄冷液体罐12中的蓄冷工质换热，空气气化至290K，蓄冷工质温度下降到80K。高压常温的空气经过三级透平膨胀机做功，驱动发电机产生电能。
本发明可以实施成不同规模的储能系统，用于多种用途。不仅可以用于小规模的分布式能源系统，还可以作为大型储能系统用于可再生能源规模发电或电网的削峰填谷。
本发明可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源发电并网对电网安全和稳定性的影响，提升电网接纳新能源发电的能力，极大地改善电力系统运行和管理模式。采用液态空气作为储能介质，大大提高了储能的密度，具有容量大、转换效率高、无地理条件依赖、运行方式灵活、环境污染小等优点，具有大规模推广应用的潜力。该系统通过设置储热系统和蓄冷系统，分别回收压缩过程中的热量和气化过程中的冷量，提高了整套系统的循环效率。其中，蓄冷系统中采用液态蓄冷混合工质，在宽温区范围内(300K-80K)实现长时间的蓄冷过程，不可逆损失小，稳定性高，结构简单。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，包括：压缩机子系统、蓄冷子系统、储热子系统、液化子系统和透平发电子系统；
所述压缩机子系统由串接的多级压缩换热单元组成，所述多级压缩换热单元中的每一级压缩换热单元均由一个压缩机串接一个压缩换热器组成；
所述蓄冷子系统由蓄冷换热器(5)、常温蓄冷液体罐(12)和低温蓄冷液体罐(13)组成，所述低温蓄冷液体罐(13)通过所述蓄冷换热器(5)与常温蓄冷液体罐(12)相连；
所述储热子系统由多级储热单元组成，所述多级储热单元中的每一级储热单元均由一个高温储热箱并联一个常温储热箱组成；
所述液化子系统由节流阀(6)、低温储罐(7)和低温泵(8)组成；
所述透平发电子系统由发电机(11)和串接的多级膨胀换热单元组成，所述多级膨胀换热单元中的每一级膨胀换热单元均由一个透平膨胀换热器串接一个透平膨胀机组成；
所述多级储热单元中的各级储热单元的一端连接相应级的压缩换热单元的压缩换热器，所述多级储热单元中的各级储热单元的另一端连接相应级的膨胀换热单元的透平膨胀换热器；
所述多级压缩换热单元的最末级压缩换热单元出口端通过蓄冷换热器(5)依次连接节流阀(6)和低温储罐(7)，所述低温储罐(7)出口端通过低温泵(8)连接所述多级膨胀换热单元中的第一级膨胀换热单元的透平膨胀换热器，最末级膨胀换热单元的透平膨胀机与发电机(11)相连；
所述多级压缩换热单元中的第一级压缩换热单元的第一级压缩机与可再生电源相连，所述发电机(11)输出电能；
所述采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统工作流程如下：
储能时，可再生电源发电后的电能连接所述多级压缩换热单元中的第一级压缩换热单元，并驱动串接的多级压缩换热单元，使输入的空气压缩至高压；高压的空气通过蓄冷换热器(5)与储存在低温蓄冷液体罐(13)的低温液态蓄冷工质换热，降温至液化温度；最后，低温空气通过节流阀(6)液化，液态空气储存在低温储罐(7)中；
释能时，液态空气通过低温泵(8)增压，低温高压空气通过蓄冷换热器(5)与储存在常温蓄冷液体罐(12)的常温液态蓄冷工质换热，所述液态蓄冷工质回收其冷能给液化过程，空气温度升高气化；最后，常温高压空气在多级膨胀换热单元的透平膨胀机中膨胀做功，驱动发电机(11)发电并输出；
储热子系统中，储能时，每一级压缩换热单元出口处气体将热量传递给储热工质，工质存储在多级储热单元的高温储热箱中；释能时，储热工质将储存的热量传给每一级膨胀换热单元的透平膨胀机入口处的空气，工质存储在储热单元的常温储热箱中；
蓄冷子系统中，释能时，液态空气将冷能传给液态蓄冷工质，工质存储在低温蓄冷液体罐(13)中；储能时，液态蓄冷工质将储存的冷量传给空气，工质存储在常温蓄冷液体罐(12)中。
2.按权利要求1所述的采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其特征在于，液态蓄冷工质为低凝固点、高沸点的单纯液态工质或者混合液态工质，其为C3H6、C3F8、C4H8、C4H10、C5H10、C5H12、C6H12、C6H14、C7H16中的一种或者多种组合。
3.按权利要求1所述的一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其特征在于，液态蓄冷工质初始储存的冷量由系统自身提供：系统启动前，高压常温空气通过节流阀制冷，产生的冷量传递给液态蓄冷工质；节流后的返流空气与来流空气进行回热，最终产生液态空气用于液态蓄冷工质的降温。
4.按权利要求1所述的一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其特征在于，各系统的储能和释能交替进行。
5.按权利要求1所述的一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其特征在于，高温储热箱和常温储热箱中的储热流体是一种常温至200℃的中低温单相流体。
6.按权利要求1所述的一种采用液态蓄冷工质的液化压缩空气储能系统，其特征在于，进入蓄冷换热器的常温高压空气的压力在10MPa～30MPa之间，以减少蓄冷换热器中的传热损失。
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