CN105257354A - 压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统 - Google Patents

Abstract

一种压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，涉及新能源利用系统工程领域。可分为两个子系统，子系统之一：压缩空气膨胀气轮发电子系统；子系统之二：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统。其目的：1.寻找新的技术路线，尽可能缩短能量转换链条；2.采用新的互补储能方式，提高新能源利用总效率。具有四大特点。

Description

压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统

技术领域

本发明涉及新能源利用系统工程领域，主要是将各种能量形式充分利用，缩短能量转换链条采用新的互补储能方式，提高总效率。

背景技术：

现有的风光互补技术是先将风能和光能转化为电能，由于风光发电固有的间歇性和波动性，电网的可靠性降低给需要稳定运行的输电、用电带来极大麻烦。为此目前比较常用的解决方法有两种：一是挖掘现有电站的调峰能力，二是采用代价极高的蓄电池来储能。

第一种方法，遇到的麻烦是：风电厂在强风时可瞬间达到供电高峰，而在无风时则会停止发电，同样当乌云遮挡光伏阵列时电池板的输出或会减少几十万瓩，这样大的波动影响供电的稳定和电能质量威胁电网的安全，若出现这两者同时供能不足的情况，仅靠现有火电站、水电站等的调峰远远不够，为此仍然需要建造大量的可靠能源调峰电站作为“备份”，极大的抬升了利用清洁能源的代价。

第二种方法，经济性更差，只适合于卫星、测量、通信基站等高价值低电量无人值守的地方，无法大规模存电供电，近来全国多地曝出曾经风光无限的互补路灯频频“罢工”，2013年12月4日，信息时报报道《万元节能路灯中看不中用“瞎了”好几条路》。2014年03月24日，武汉晚报报道《太阳能路灯“遭遇尴尬”装得起用不起》装一盏风电灯平均要花5千--1万，不过让使用单位最纠结的并不完全是昂贵的初装费，如果一次性投入后只需很少的维护费，不少单位还是乐意做这“一劳永逸的买卖”的。可问题是每隔1-3年就得换的蓄电池，贵的要花2000多。安装风光互补路灯更贵要2万多。解放公园算了一笔账要342年后才能收回成本。其实这些问题的最关键点就是：储能的化学蓄电池造价高且老化衰退过快，造成的“木桶短板效应”拖累了风光互补行业。

与风电路灯特性最接近最容易参照的就是压缩空气储能车辆。相近的实例是央视报道的乌拉圭发明家“阿芒多”发明的压缩空气自行车，其性能和性价比优于电动自行车(电动自行车耗电量与风电路灯相当)，他的成功为小型压缩空气储能指明了方向。其他大规模压缩空气储能的发电站，已经在欧美成功运行，但美中不足的是，他们储存的压缩空气是用已经发出来的电能去开动空压机转化来的，且产生了压缩空气后没有直供用户使用，又再次转化为电，反复转化浪费能量。

发明内容

本发明的目的是：

1.寻找新的技术路线，尽可能缩短能量转换链条；

2.采用新的互补储能方式，提高新能源利用总效率。

本发明所采用的技术方案：

参照附图1。压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，可分为两个子系统。

子系统之一：压缩空气膨胀气轮发电子系统。该系统由：风车(1)、滑片空压机(2)、塔筒超长气缸汽缸蒸汽空压机(3)、太阳能加热锅炉(4)、蓄能热水池(5)、压缩空气地下洞库(6)、压缩空气膨胀气轮发电机(8)、冷库/冰柜(9)、换热器/氯乙烷冷凝器(10)、压缩空气地下洞库的空气输入管道(13)、压缩空气地下洞库的空气输出管道(14)、压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道(15)、压缩空气膨胀气轮发电机组的输出管道(16)、双层真空管锅炉水循环泵(17)、阀门1(19)、阀门2(20)、塔筒空压机单向进气阀门(21)、塔筒空压机单向排气阀门(22)、风车空压机单向进气阀门(23)、风车空压机单向排气阀门(24)、空气滤清器(25)、压缩空气地下洞库的放气阀门(26)、压缩空气地下洞库的排水阀门(27)、压缩空气地下洞库的排水管道(28)等组成。

具体运作如下：太阳照射在“太阳能反射镜”(4-1)上，“虚拟的太阳聚焦光线”(4-2)聚焦在“双层真空管锅炉”(4-3)的底部，“双层真空管锅炉”(4-3)里的水被加热沸腾，水蒸汽经“蒸汽输出管道”(4-4)输出，此时，打开“阀门1”(19)，关闭“阀门2”(20)，“塔筒空压机单向进气阀门”(21)会自动关闭，水蒸汽进入“塔筒超长汽缸蒸汽空压机”(3)的底部，蒸汽压力将“塔筒超长汽缸蒸汽空压机内的活塞”(3-2)从“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的缸体”(3-1)底部推向顶部，则“塔筒空压机单向排气阀门”(22)会被气流自动顶开，将气缸内的空气挤压排入保温输气管(3-3)。有风时，“风车”(1)启动，带动“滑片空压机”(2)运作，“滑片空压机”(2)排出的热空气将自动顶开“风车空压机单向排气阀门”(24)，借道和共用“塔筒超长汽缸蒸气压缩机的保温输气管”(3-3)输送，经连接管道从上表层进入“蓄能热水池”(5)盘旋向下与水进行热交换，使得上表层水很热逐渐向下降温，冷却后的压缩空气进入“压缩空气地下洞库”(6)。

当“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的活塞”(3-2)从“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的缸体”(3-1)底部被水蒸汽推着快要到顶部时，关闭“阀门1”(19)，“塔筒空压机单向排气阀门”(22)将会被气压自动顶开，“塔筒空压机单向进气阀门”(21)则会自动关闭，“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的活塞”(3-2)依靠惯性冲到顶部把缸内空气挤压排出，此时打开“阀门2”(20)，活塞被自身重力向下拉，从“塔筒超长汽缸蒸汽空压机缸体”(3-1)的顶部滑落到底部，同时将“塔筒超长汽缸蒸汽空压机活塞”(3-2)下面，即“塔筒超长汽缸蒸汽空压机缸体”(3-1)内的乏蒸汽排出，经“水蒸汽冷凝管道”(4-5)输往蓄能热水池(5)，此时管道内的乏蒸汽被冷凝成温水，再通过“双层真空管锅炉水循环泵”(17)输送，重新将水加入“双层真空管锅炉”(4-3)。

重复偱环上述步骤，可将大量空气加压排入“压缩空气地下洞库”(6)，空气中的水分在压缩和降温后凝结为水时，打开“压缩空气地下洞库的排水阀门”(27)后，水可从“压缩空气地下洞库的排水管道”(28)排出；需要压缩空气时打开“压缩空气地下洞库的放气阀门”(26)，压缩空气经“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)，并经“冷库/冰柜”(9)、“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)加温，再通过“压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道”(15)，进入“压缩空气膨胀气轮发电机组”(8)进行发电，发电后的“洁净清凉尾气”经“压缩空气膨胀气轮发电机组的输出管道”(16)，输往厂房、楼房室内降温换气。

子系统之二：低沸点工质汽化膨胀汽轮机发电子系统。由：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组(7)、蓄能热水池(5)、换热器/冷凝器(10)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道(11)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道(12)、低沸点工质循环泵(18)等组成。

具体运作如下：氯乙烷(或其他卤代烷等)在管道中进入“蓄能热水池”(5)下部，盘旋向上换热加温，由液态变成汽态，经“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)输入到“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组”(7)，进行发电；尾汽通过“换热器/冷凝器”(10)，被冷凝成液态，经“低沸点工质循环泵”(18)输送，再进入“蓄能热水池”(5)加温。反复循环运行，进行发电。

本发明的特点：

1、以最简洁的手段采集太阳能量中风的动能和光的热能，不将这些能量第一顺序的去转化为不易储存的电能，而是转化为容易储存的压缩空气，并可直供用户使用，也能按需转化为高峰电。

2、将装备的潜能充分利用，把经过在航母上运行多年被实践证明效率很高的弹射器，联想和移植到风车高大塔筒富裕空闲的内部空间来运行，节省了装备和土地投资。

3、回收和储存保温所有余热，可直供用户热水。增加一套余热综合利用装置，既回收压缩余热，也利用膨胀产生的巨冷，按照冷量的温度梯度来巧妙利用，最靠前的深冷给冷库，中间的冷凝低沸点工质蒸汽、连带把水工质蒸汽冷凝为温水，最后的凉气直供楼房室内降温换气，冷热互相平衡，减少了蒸汽循环做功对海洋江河的强烈依赖，使得以水、低沸点工质等做介质的大规模风光互补装置适应能力极大提高，既可在江河海边亦可挺进沙漠。

4、冷、热、气、电综合利用及装备之间功能和空间的借用，极大的提高了整套装置的技术效率和经济效益。

附图说明

图1：压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统示意图。

图2：蓄能热水池里的蒸汽冷凝器、压缩空气冷却器、氯乙烷蒸发器等换热盘管管道来往迴旋示意图。

图3：蓄能热水池里的管道“品字”排列的侧视示意图。

图4：换热器/氯乙烷冷凝器、冰柜的管道来往迴旋示意图。

图中：1：风车；2：滑片空压机：3：塔筒超长汽缸蒸汽空压机；3-1：塔筒超长汽缸蒸汽空压机的缸体；3-2：塔筒超长汽缸蒸汽空压机的活塞；3-3：塔筒超长汽缸蒸汽空压机的输气管；4：太阳能加热锅炉；4-1：太阳能反射镜；4-2：虚拟的太阳聚焦光线；4-3：双层真空管锅炉；4-4：水蒸汽流输出管道；4-5：水蒸汽冷凝管道；5：蓄能热水池；6：压缩空气地下洞库；7：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组；8：压缩空气膨胀气轮发电机组；9：换热器/冷凝器；10：冷库/冰柜；11：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道；12：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道；13：压缩空气地下洞库的空气输入管道；14：压缩空气地下洞库的空气输出管道；15：压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道：16：压缩空气膨胀气轮发电机组的输出管道；17：双层真空管锅炉水循环泵；18：低沸点工质循环泵；19：阀门1；20：“阀门2”；21：塔筒空压机单向进气阀门；22：塔筒空压机单向排气阀门；23：风车空压机单向进气阀门；24：风车空压机单向排气阀门；25：空气滤清器；26：压缩空气地下洞库的放气阀门；27：压缩空气地下洞库的排水阀门；28：压缩空气地下洞库的排水管道。

图中表示：气体(水蒸汽或氯乙烷蒸汽等)及流动方向，表示：液体(水或液化氯乙烷等)及流动方向。

具体实施方式

具体实施例：压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，可分成：“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”，两个子系统的构成、运作方式，已在上述的“技术方案”中叙述，因为是具体实施例，需要补充以下几点：

一、在“压缩空气膨胀气轮发电子系统”中的“太阳能加热锅炉”(4)加入的是：水；在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”中加入的是：氯乙烷(或其他卤代烷)。

二、水在加温状态下是水蒸汽，在冷凝状态下是液态水；氯乙烷(或其他卤代烷)在加温状态下是汽态，在冷凝状态下是液态。

三、“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀气轮发电子系统”共用一个“蓄能热水池”(5)，即：“压缩空气地下洞库的空气输入管道”(13)、“水蒸汽冷凝管道”(4-5)、“低沸工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)，这三根管道均通过“蓄能热水池”(5)，如图1所示。

四、上述的三根管道在“蓄能热水池”(5)是来往迴旋排列(如图2所示)，且三根管道仅在水池的中上部呈“品”字排列，如图3所示。“水蒸汽冷凝管”(4-5)从水池上表面盘旋到中层即离开水池，“压缩空气地下洞库的空气输入管道”(13)和“低沸工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)将盘旋到水池底部。

五、“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”共用一个“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)，“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”的氯乙烷(或其他卤代烷)在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)中流动，“压缩空气膨胀气轮发电子系统”的气体则通过“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)，经“冷库/冰柜”(9)后，输入到“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)的整个空间，气体在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)的管道外流动换热，然后经“压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道”(15)，输入到“压缩空气膨胀气轮发电机组”(8)，如图1、图4所示。

六、“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)在“冷库/冰柜”(9)中是来往迴旋排列，如图4所示。

七、“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)在“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)中是来往迴旋排列，如图4所示。

Claims (7)

1.一种压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，包括两个子系统。子系统之一：压缩空气膨胀气轮发电子系统。该系统由：风车、滑片空压机、塔筒超长气缸汽缸蒸汽空压机、太阳能加热锅炉、蓄能热水池、压缩空气地下洞库、压缩空气膨胀气轮发电机组等组成；子系统之二：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统，该系统由：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组、蓄能热水池、换热器/氯乙烷冷凝器等组成。其特征是：在“压缩空气膨胀气轮发电子系统”中的“太阳能加热锅炉”(4)加入的是：水，在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”中加入的是：氯乙烷(或其他卤代烷)；“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”共用一个“蓄能热水池”(5)；“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”共用一个“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，其特征是：水在加温状态下是蒸汽，在冷凝状态下是液态水；氯乙烷(或其他卤代烷)在加温状态下是汽态，在冷凝状态下是液态。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，其特征是：“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”共用一个“蓄能热水池”(5)，即：“压缩空气地下洞库的空气输入管道”(13)、“水蒸汽冷凝管道”(4-5)、“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)，这三根管道均通过“蓄能热水池”(5)。

4.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，其特征是：“压缩空气膨胀气轮发电子系统”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”共用一个“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)，“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子系统”的氯乙烷(或其他卤代烷)在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)中流动，“压缩空气膨胀气轮发电子系统”的气体则通过“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)，经“冷库/冰柜”(9)后，输入到“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)的整个空间，气体在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)的外表面流动换热，然后经“压缩空气膨胀汽轮发电机组的输入管道”(15)，输入到“压缩空气膨胀汽轮发电机组”(8)。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，其特征是：“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)在“冷库/冰柜”(9)中是来往迴旋排列。

6.根据权利要求3所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，其特征是：“压缩空气地下洞库的空气输入管道”(13)、“水蒸汽冷凝管道”(4-5)、“低沸工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)，这三根管道在“蓄能热水池”(5)中是来往迴旋排列，且三根管道在水池中呈“品”字排列。

7.根据权利要求4所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源系统，其特征是：“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)在“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)中是来往迴旋排列。