CN105509527B - 一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，用于低温液态空气储能，包括多级液体工质蓄冷模块、固液相变工质蓄冷模块、及穿设所述液体工质蓄冷模块与固液相变工质蓄冷模块的气体换热流道，每个液体工质蓄冷模块包括储冷换热单元、释冷换热单元及用于储存液体工质的至少两个储存单元，所述两个储存单元分别连接于所述储冷换热单元和所述释冷换热单元之间以形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道。本申请可有效降低非稳态传热温差导致的系统损失。

Description

一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统

技术领域

本申请涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统。

背景技术

近些年来风电总装机容量和太阳能发电总装机容量呈现不断上升的趋势，但与其大力发展相对应的是出现大量的弃风限电现象，由于可再生能源具有的间歇性和不稳定性特点而导致，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出电力平稳、可靠、稳定的电能，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。抽水蓄能作为当前最为成熟的大规模储能应用技术，具有效率高，储能容量大，设备技术成熟等优势，但同时受到蓄水池选址难的限制，阻碍了其大规模的推广应用。电池储能因其成本高，生产及后续处理存在环境污染等问题，目前难以推广至大规模储能领域。压缩空气储能以空气内能形式进行能量储存，可以使用多种类型的储存方式，包括地下盐洞和高压气体储罐等。

低温液态空气储能系统，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。系统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，目前主要采用固体介质或者固液相变材料作为蓄冷介质，如岩石、陶瓷、金属块，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％。

发明内容

本申请实施例提供一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，用以解决现有技术中蓄冷介质在储冷和释冷的过程中存在较大非稳态传热温差导致系统损失的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，用于低温液态空气储能，包括多级液体工质蓄冷模块、固液相变工质蓄冷模块、及穿设所述液体工质蓄冷模块与固液相变工质蓄冷模块的气体换热流道，每个液体工质蓄冷模块包括储冷换热单元、释冷换热单元及用于储存液体工质的至少两个储存单元，所述两个储存单元分别连接于所述储冷换热单元和所述释冷换热单元之间以形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

优选地，所述两个储存单元分别用于储存热态的液体工质与冷态的液体工质。

优选地，所述液体工质蓄冷模块构成多级串联结构，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，所述第一换热器、所述用于储存热态液体工质的储存单元、所述第二换热器、所述用于储存冷态液体工质的储存单元依次通过管道顺序连通形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

优选地，所述液体工质蓄冷模块的第一换热器与第二换热器为翅板式换热器或绕管式换热器以增大第一换热器与第二换热器的换热面积来实现小温差高效换热。

优选地，所述液体工质蓄冷模块的用于储存热态液体工质的储存单元和所述第二换热器之间、所述用于存储冷态液体工质的储存单元和所述第一换热器之间分别设有调节所述液体工质流量的调节阀。

优选地，所述液体工质按照室温300K-液氮温区77K逐级分布。

优选地，所述固液相变工质蓄冷模块包括单极蓄冷单元，所述气体换热流道以列管或盘管形式布置于所述单极蓄冷单元中，气体通过气体换热流道依次与单极蓄冷单元换热。

优选地，所述单极蓄冷单元以泡沫铝为基体填充固液相变工质以增加换热面积。

优选地，所述固液相变工质的相变温度为130K～150K。

相对于现有技术，本发明基于液体与固液工质的混合蓄冷系统采用室温至液氮温区的多级液体工质与固液相变工质作为蓄冷工质，在空气临界温度温区设置固液相变工质，利用相变潜热，补充临界温度局部冷量，优化蓄冷过程冷量平衡设置，有效克服局部冷量不足的问题，提高整体蓄冷效率，从而有利于提高系统储能效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请提供的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请提供的技术方案。

请参阅图1所示，本申请一种用于低温液态空气储能的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，包括液体工质蓄冷模块10、固液相变工质蓄冷模块20、及穿设所述液体工质蓄冷模块10与固液相变工质蓄冷模块20的气体换热流道31,32,33。每个液体工质蓄冷模块10包括储冷换热单元11、释冷换热单元12及用于储存液体工质的两个储存单元13，所述两个储存单元13分别用于储存热态的液体工质与冷态的液体工质，所述两个储存单元13连接于所述储冷换热单元11和所述释冷换热单元12之间，形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

多个所述液体工质蓄冷模块10构成多级串联结构，即所述液体工质蓄冷模块10的储冷换热单元11包括多个串联的第一换热器，所述释冷换热单元12包括多个串联的第二换热器，所述第一换热器、所述用于储存热态液体工质的储存单元13、所述第二换热器、所述用于储存冷态液体工质的储存单元13依次通过管道顺序连通形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道。所述储冷换热单元11和所述释冷换热单元12均包含n级换热器(n为自然数)，对应的液体工质同样为n级换热。

所述固液相变工质模块20位于所述多级液体工质蓄冷模块10之间，包括单极蓄冷单元(图未示)，所述蓄冷单元以泡沫铝为基体填充固液相变工质，所述气体换热流道31,32,33以列管或盘管形式布置于所述蓄冷单元中，气体通过气体换热流道31,32,33与所述蓄冷单元换热。所述固液相变工质的固液相变温度为130K～150K，以接近133K的空气临界温度为最佳。

所述液体工质蓄冷模块10的第一换热器与第二换热器为翅板式换热器或绕管式换热器以增大第一换热器与第二换热器的换热面积来实现小温差高效换热。所述液体工质的使用温区为300K-77K，即所述液体工质按照室温-液氮温区分布。即所述液体工质蓄冷模块10采用室温-液氮温区的液体工质作为蓄冷工质，以所述储冷换热单元11的第一换热器和所述释冷换热单元12的第二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，从而有利于提高储能效率。

所述用于储存热态液体工质的储存单元13和所述第二换热器之间、所述用于储存冷态液体工质的储存单元13和所述第一换热器之间均设有调节阀15，所述调节阀15用于调节所述液体工质的流量，以保证所述第二换热器和所述第一换热器的换热效率。

所述气体换热流道包括高压进气流道31、未液化空气返流流道32及释冷空气输出流道33。未液化的空气经由所述未液化空气返流流道32沿所述高压进气流道31相反的方向流动，能够对所述高压空气释放冷能，提高系统效率。

本申请基于液体与固液工质的混合蓄冷系统还包括节流阀和液体储罐(图未示)，高压空气通过所述高压进气流道31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。所述液体储罐内的液态空气由低温泵(图未示)抽出并通过释冷空气输出流道33与多个第二换热器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通过所述未液化空气返流流道32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，未液化的空气在返流通过所述多个第一换热器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的储冷效率。

相对于现有技术，本发明提供的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统采用室温至液氮温区的多级液体工质与固液相变工质作为蓄冷工质，在空气临界温度温区设置固液相变工质，利用相变潜热，补充临界温度局部冷量，优化蓄冷过程冷量平衡设置，有效克服局部冷量不足的问题，提高整体蓄冷效率，从而有利于提高系统储能效率。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，用于低温液态空气储能，其特征在于，包括多级液体工质蓄冷模块、固液相变工质蓄冷模块、及穿设所述液体工质蓄冷模块与固液相变工质蓄冷模块的气体换热流道，每个液体工质蓄冷模块包括储冷换热单元、释冷换热单元及用于储存液体工质的至少两个储存单元，所述两个储存单元分别连接于所述储冷换热单元和所述释冷换热单元之间以形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道；所述两个储存单元分别用于储存热态的液体工质与冷态的液体工质。

2.如权利要求1所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述液体工质蓄冷模块构成多级串联结构，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，所述第一换热器、所述用于储存热态液体工质的储存单元、所述第二换热器、所述用于储存冷态液体工质的储存单元依次通过管道顺序连通形成所述液体工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

3.如权利要求2所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述液体工质蓄冷模块的第一换热器与第二换热器为翅板式换热器或绕管式换热器以增大第一换热器与第二换热器的换热面积来实现小温差高效换热。

4.如权利要求2所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述液体工质蓄冷模块的用于储存热态液体工质的储存单元和所述第二换热器之间、所述用于存储冷态液体工质的储存单元和所述第一换热器之间分别设有调节所述液体工质流量的调节阀。

5.如权利要求1－4任一项所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述液体工质按照室温300K－液氮温区77K逐级分布。

6.如权利要求1所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述固液相变工质蓄冷模块包括单极蓄冷单元，所述气体换热流道以列管或盘管形式布置于所述单极蓄冷单元中，气体通过气体换热流道依次与单极蓄冷单元换热。

7.如权利要求6所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述单极蓄冷单元以泡沫铝为基体填充固液相变工质以增加换热面积。

8.如权利要求7所述的基于液体与固液工质的混合蓄冷系统，其特征在于，所述固液相变工质的相变温度为130K￣150K。