CN105352265A - 液体预冷工质蓄冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种液体预冷工质蓄冷系统，用于低温液态空气储能，其包括储冷换热单元、释冷换热单元及储存液体预冷工质的工质储存单元，所述工质储存单元连接于所述储冷换热单元和所述释冷换热单元之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。所述液体预冷工质蓄冷系统采用室温-液氮温区的液体介质作为蓄冷工质，以换热器作为冷量交换设备，可在换热器内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高系统储能效率。

Description

液体预冷工质蓄冷系统
技术领域
本发明涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种用于低温液态空气储能的液体预冷工质蓄冷系统。
背景技术
目前，随着可再生能源的日益普及，在电力系统中，大规模储能系统的重要性日益凸显。大规模电力储能技术可以有效解决风能、太阳能、潮汐能等间歇式能源发电不稳定的问题，可以有效利用峰谷电价差实现“削峰填谷”，改善电网质量，同时储能系统还可以作为应急不间断电源供应。
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2020年我国风电总装机容量将达到200GW，太阳能发电总装机容量将达到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，其中2014年全国大型风电年平均利用小时过低(平均1893h)。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的能力；大规模储能系统与可再生能源协同控制将使大型风光发电站向受端电力系统供电出力平稳、可靠、稳定，有利于提高系统运行安全性，提升电网接纳新能源发电的能力。
常规的储能技术主要有飞轮储能、电池储能、超导储能、超级电容器储能、抽水储能、压缩空气储能和液态空气储能等。但是能够持续数小时进行大容量输出的储能技术主要包括：抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能和液态空气储能，它们是少数几种能够实现长时间和大容量(数百到数千兆瓦时)储能应用的技术。
抽水蓄能需要足够的地势差，建设水库对生态和周边环境影响较大。而压缩空气相比于抽水蓄能，对自然环境的苛刻要求稍小，传统的压缩空气储能系统，工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能，利用系统中的富余电量，驱动空气压缩机以压缩空气，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰发电量不足时，系统释能，储气装置将储气空间内的压缩空气释放出来，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。但是压缩空气储能的储能密度还是相对较低，需要大容积储气空间，如德国Huntorf电站储能容量290*3MWh，储气容积需要31万立方，这直接限制了压缩空气储能的进一步发展。
为克服储气空间限制问题，近些年来国内外学者相继开展液态空气储能技术的研究，液态空气储能系统采用低温液态空气作为储能介质，利用液态空气高密度大大提高系统储能密度，是压缩空气储能系统的7-10倍。
液态空气储能系统储能时，采用低谷电能驱动压缩机将空气压缩，利用上个周期储存的冷能将空气冷却液化后进入低温储槽中储存；液态空气储能系统释能时，利用低温泵将液态空气从低温储槽中引出加压，利用低温蓄冷系统回收蓄存液态空气复温过程的冷能，使其吸热复温后推动透平膨胀机驱动发电机做功，同时低温储冷系统回收储存液态空气中的冷能用于下一个周期的空气冷却液化。影响液态空气储能系统运行效率的高低在于蓄冷过程冷量回收利用过程效率的高低。
当前研究中，蓄冷系统主要采用固体介质或者固液相变材料作为蓄冷介质。在固体材料中，采用岩石、陶瓷、金属块，利用蓄冷介质显热储存冷量，但是由于储冷和释冷的过程固体介质导热，产生很大的非稳态传热温差，当前蓄冷效率一般只能达到50％，导致无法满足整体液化要求；另一类是固液相变潜热蓄冷介质，如氨及其水溶液、盐类水溶液、醇类及其水溶液中的一种或几种，但目前还没有把它们作为从室温到液氮温区的相变储热材料。因此，迫切需要发展新型的用于低温液态空气储能的高效蓄冷系统。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种用于低温液态空气储能的液体预冷工质蓄冷系统。
一种液体预冷工质蓄冷系统，用于低温液态空气储能，其包括储冷换热单元、释冷换热单元及储存液体预冷工质的工质储存单元，所述工质储存单元连接于所述储冷换热单元和所述释冷换热单元之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
本发明一较佳实施方式中，所述储冷换热单元包括多个串联的第一换热器，所述释冷换热单元包括多个串联的第二换热器，所述工质储存单元包括多个冷态工质储存器和多个热态工质储存器，所述第一换热器、所述热态工质储存器、所述第二换热器和所述冷态工质储存器一一对应，并通过管道顺序连通形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
本发明一较佳实施方式中，所述热态工质储存器和所述第二换热器之间、所述述冷态工质储存器和所述第一换热器之间均设有调节所述液体预冷工质流量的调节阀。
本发明一较佳实施方式中，还包括节流阀和液体储罐，高压空气顺序通过所述多个第一换热器逐级换热降温，并经过所述节流阀节流液化后以液态空气储存于所述液体储罐。
本发明一较佳实施方式中，所述液体储罐内未液化的空气以和所述高压空气相反的流向反流通过所述多个第一换热器。
本发明一较佳实施方式中，所述液体储罐内的液态空气由低温泵抽出并通过所述多个第二换热器逐级换热升温形成膨胀空气。
本发明一较佳实施方式中，所述第一换热器和所述第二换热器为翅板式换热器或绕管式换热器。
本发明一较佳实施方式中，所述液体预冷工质的使用温区为-196℃～0℃。
本发明一较佳实施方式中，所述液体预冷工质为R123制冷剂、丙烷、戊烷或其组合。
相对于现有技术，本发明提供的液体预冷工质蓄冷系统采用室温-液氮温区的液体介质作为蓄冷工质，以换热器作为冷量交换设备，可在换热器内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高系统储能效率。
附图说明
图1为本发明提供的液体预冷工质蓄冷系统的组成示意图；
图2为图1所示液体预冷工质蓄冷系统的工作状态示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明一较佳实施例提供一种液体预冷工质蓄冷系统，用于低温液态空气储能，其包括储冷换热单元10、释冷换热单元20及储存液体预冷工质的工质储存单元30，所述工质储存单元30连接于所述储冷换热单元10和所述释冷换热单元20之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
本实施例中，所述储冷换热单元10包括多个串联的第一换热器11，所述释冷换热单元20包括多个串联的第二换热器21，所述工质储存单元30包括多个冷态工质储存器31和多个热态工质储存器33，所述第一换热器11、所述热态工质储存器33、所述第二换热器21和所述冷态工质储存器33一一对应，并通过管道40顺序连通形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。可以理解的是，所述储冷换热单元10和所述释冷换热单元20均包含n级换热器(n为自然数)，所述液体预冷工质为n级换热。
优选地，所述第一换热器11和所述第二换热器21为翅板式换热器或绕管式换热器。由此，可以利用所述第一换热器11和所述第二换热器21的大换热面积来实现小温差高效换热。
优选地，所述液体预冷工质的使用温区为-196℃～50℃，即所述液体预冷工质按照室温-液氮温区分布。由此，所述液体预冷工质蓄冷系统采用室温-液氮温区的所述液体预冷介质作为蓄冷工质，以所述储冷换热单元10的第一换热器11和所述释冷换热单元20的第二换热器21作为冷量交换设备，可在换热器内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高储能效率。
本实施例中，所用液体预冷工质为多种工质组合，以保证在工作状态下不发生凝固和气化，具体地，所述液体预冷工质为R123制冷剂、丙烷、戊烷或其组合。
进一步地，所述热态工质储存器33和所述第二换热器21之间、所述述冷态工质储存器31和所述第一换热器11之间均设有调节阀50，用于调节所述液体预冷工质的流量，以保证所述第二换热器21和所述第一换热器11的换热效率。
本实施例中，所述液体预冷工质蓄冷系统还包括节流阀和液体储罐(图未示)，高压空气顺序通过所述多个第一换热器11逐级换热降温，并经过所述节流阀节流液化后以液态空气储存于所述液体储罐。所述液体储罐内的液态空气由低温泵(图未示)抽出并通过所述多个第二换热器21逐级换热升温形成膨胀空气。同时，所述液体储罐内未液化的空气以和所述高压空气相反的流向反流通过所述多个第一换热器11，即未液化形成返流空气。显然，未液化的空气在返流通过所述多个第一换热器11时逐级对高压空气进行冷却降温，由此可以有效的提高高压空气的换热降温效率，进而提高所述储冷换热单元10的储冷效率。
请参阅图2，所述液体预冷工质蓄冷系统包括储冷过程和释冷过程的工作原理如下：
储冷过程：启动前，液体工质1至液体工质n都处于冷态，所述液体预冷工质蓄冷系统内冷量以液体工质内能形式储存；在储冷过程中，冷态的液体工质1至液体工质n，按照室温-液氮温区的分布，在换热器1至换热器n中，逐级与高压空气换热，各级液体工质(液体工质1至液体工质n)被加热成热态储存，高压空气被逐级冷却，得到的低温液态空气进入所述节流阀节流液化并以液态空气储存于所述液体储罐内，节流液化过程在得到液态空气的同时，完成节流降温过程补充冷量，完成系统冷量平衡，避免外界冷量输入。整个储冷过程中，冷量完成从液体工质-液态空气的转移过程。
释冷过程：热态的液体工质1至液体工质n，按照室温-液氮温区的分布，在换热器1至换热器n中，逐级与液态空气换热，各级液体工质被冷却成冷态储存，储存的低温液态空气逐级复温，得到的膨胀空气进入膨胀机组膨胀做功输出能量(即膨胀流程)，冷量完成从液态空气-液体工质的转移过程。
储冷过程和释冷过程均采用调节阀50，实现液体工质1至液体工质n的流量调节，保证换热效率。
相对于现有技术，本发明提供的液体预冷工质蓄冷系统采用室温-液氮温区的液体预冷工质作为蓄冷工质，以换热器作为冷量交换设备，可在换热器内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高系统储能效率，即利用液体预冷工质的高比热、宽温区和高效传热效率提高效率，从而大大提高所述液体预冷工质蓄冷系统的效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种液体预冷工质蓄冷系统，用于低温液态空气储能，其特征在于，包括储冷换热单元、释冷换热单元及储存液体预冷工质的工质储存单元，所述工质储存单元连接于所述储冷换热单元和所述释冷换热单元之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
2.如权利要求1所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述储冷换热单元包括多个串联的第一换热器，所述释冷换热单元包括多个串联的第二换热器，所述工质储存单元包括多个冷态工质储存器和多个热态工质储存器，所述第一换热器、所述热态工质储存器、所述第二换热器和所述冷态工质储存器一一对应，并通过管道顺序连通形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
3.如权利要求2所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述热态工质储存器和所述第二换热器之间、所述述冷态工质储存器和所述第一换热器之间均设有调节所述液体预冷工质流量的调节阀。
4.如权利要求3所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，还包括节流阀和液体储罐，高压空气顺序通过所述多个第一换热器逐级换热降温，并经过所述节流阀节流液化后以液态空气储存于所述液体储罐。
5.如权利要求4所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述液体储罐内未液化的空气以和所述高压空气相反的流向反流通过所述多个第一换热器。
6.如权利要求4所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述液体储罐内的液态空气由低温泵抽出并通过所述多个第二换热器逐级换热升温形成膨胀空气。
7.如权利要求2所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述第一换热器和所述第二换热器为翅板式换热器或绕管式换热器。
8.如权利要求1所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述液体预冷工质的使用温区为-196℃～50℃。
9.如权利要求1所述的液体预冷工质蓄冷系统，其特征在于，所述液体预冷工质为R123制冷剂、丙烷、戊烷或其组合。
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