CN105509528A - 一种多级梯度相变蓄冷器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多级梯度相变蓄冷器，用于低温液态空气储能，包括多级蓄冷单元、及设于所述蓄冷单元内的气体换热流道，所述多级蓄冷单元填充有相变蓄冷工质，气体流经所述气体换热流道时与各蓄冷单元内的相变蓄冷工质逐级换热。本申请可有效降低非稳态传热温差导致的系统损失。
Description
技术领域
本申请涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种多级梯度相变蓄冷器。
背景技术
电能的大规模存储是能源与电力系统发展的核心技术之一，其将改变电能生产、输送和使用需同步完成的现状，弥补现有电力系统中缺失的“储放”功能，达到优化电力资源配置、提高电能质量、促进可再生能源利用及节能减排的目的。据国家电力调度通信中心统计，随着人民生活水平的提高和国家产业结构的调整，我国电网负荷“峰谷差”的幅值将逐年增大，在电网中引入储能系统是实现电网调峰的迫切需求。储能系统在电网负荷低谷时从电网吸收电能，在电网负荷峰值时向电网输出电能，大规模储能系统有助于解决“削峰填谷”经济运行问题。
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。
发明内容
本申请实施例提供一种多级梯度相变蓄冷器，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：
一种多级梯度相变蓄冷器，用于低温液态空气储能，包括多级蓄冷单元、及设于所述蓄冷单元内的气体换热流道，所述多级蓄冷单元填充有相变蓄冷工质，气体流经所述气体换热流道时与各蓄冷单元内的相变蓄冷工质逐级换热。
优选地，所述多级蓄冷单元包括多个串联的独立蓄冷单元，所述各级独立蓄冷单元均填充一种固液相变材料，所述多级固液相变材料的固液相变温度按照换热温区从300K～77K梯度分布。
优选地，所述各级蓄冷单元以泡沫铝为基体填充固液相变材料以增加换热面积，依靠相变潜热与流经气体换热流道的气体换热。
优选地，所述多级相变蓄冷工质依次为甘油、二甘醇、正戊酸、丁基甲基醚、1戊醇、正戊烷、二氯二氟甲烷、氯三氟甲烷。
优选地，所述气体换热流道以列管或盘管形式布置于各蓄冷单元中，气体通过流道依次与多个串联的独立蓄冷单元换热。
优选地，所述气体换热流道包括储能进气流道、释能出气流道、及返流流道。
相对于现有技术，本发明提供的多级梯度相变蓄冷器设置多级蓄冷单元，所述蓄冷单元采用在300K～77K温区的多级固液相变蓄冷工质作为蓄冷工质作为冷量交换介质，如此，可在蓄冷单元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，即利用多级固液相变蓄冷工质的高潜热、宽温区和高效传热效率提高效率，从而大大提高所述多级梯度相变蓄冷器的效率。
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为本申请提供的多级梯度相变蓄冷器示意图。
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，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
请参阅图1所示，本申请提供一种多级梯度相变蓄冷器，用于低温液态空气储能，包括多级蓄冷单元S1…Sn、气体换热流道1,2,3、及设于所述各蓄冷单元之间的绝热隔层4。
所述蓄冷单元以泡沫铝为基体填充固液相变蓄冷工质，所述气体换热流道布置于所述蓄冷单元中，气体流经换热流道与所述蓄冷单元逐级换热。
本申请多级梯度相变蓄冷器包含n级蓄冷单元(n为自然数)，所述相变蓄冷工质的使用温区为300K～77K，即所述n级蓄冷单元S1…Sn内填充的固液相变蓄冷工质按照300K～77K分布。由此，所述多级梯度相变蓄冷器采用300K～77K温区的相变蓄冷工质作为蓄冷工质，以所述多级梯度相变蓄冷单元作为冷量交换设备，可在蓄冷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。所述填充用固液相变蓄冷工质可以为多种工质组合，以保证在工作状态下温度稳定，具体地，所述多级相变蓄冷工质依次为甘油、二甘醇、正戊酸、丁基甲基醚、1戊醇、正戊烷、二氯二氟甲烷、氯三氟甲烷。所述n级蓄冷单元为多个串联的独立蓄冷单元，所述各级独立蓄冷单元均填充一种固液相变材料，所述多级固液相变材料的固液相变温度按照换热温区梯度分布，从室温温区逐级递减。
所述气体换热流道以列管或盘管形式布置于蓄冷器中，可以利用所述气体换热通道的大换热面积来实现小温差高效换热。所述气体换热流道包括储能进气流道1、返流流道2、释能出气流道3。
本申请所述多级梯度相变蓄冷器连接节流阀和液体储罐(图未示)，高压空气经过所述储能进气流道1顺序通过所述多级蓄冷单元逐级换热降温，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)抽出并通过所述多级蓄冷单元逐级换热升温形成膨胀空气经所述释能出气流道3输出。同时，所述液体储罐内未液化的空气经所述返流流道2以和所述高压空气相反的流向通过所述多级蓄冷单元，即高压空气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级蓄冷单元时逐级冷却各级相变蓄冷工质，将返流空气的冷量完全回收利用，由此可以有效提高本申请多级梯度相变蓄冷器的蓄冷效率。
本申请多级梯度相变蓄冷器包括储冷过程和释冷过程，工作原理如下：
储冷过程：启动前，各蓄冷单元S1…Sn内填充的相变蓄冷工质都处于冷态，为固液两相状态，所述蓄冷单元内冷量以相变蓄冷工质潜热形式储存；在储冷过程中，蓄冷单元S1…Sn内冷态的相变蓄冷工质按照300K～77K的温区分布，在蓄冷单元S1…Sn中，逐级与储能进气流道内的高压气体换热，各级相变蓄冷工质被加热成热态储存，相变蓄冷工质的相量增加，仍为固液两相状态，温度不变。所述储能进气流道内的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。本次储冷过程中，冷量完成从相变蓄冷工质-液态空气的转移过程。
释冷过程：各蓄冷单元S1…Sn内的热态相变蓄冷工质按照300K～77K温区的分布，在蓄冷单元内逐级与液态空气换热，各级相变蓄冷工质被冷却成冷态储存，固相量增加，温度仍不变。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，本次释冷过程，冷量完成从液态空气-相变蓄冷工质的转移过程。
相对于现有技术，本发明提供的多级梯度相变蓄冷器设置多级蓄冷单元，所述蓄冷单元采用在300K～77K温区的多级固液相变蓄冷工质作为蓄冷工质作为冷量交换介质，如此，可在蓄冷单元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，即利用多级固液相变蓄冷工质的高潜热、宽温区和高效传热效率提高效率，从而大大提高所述多级梯度相变蓄冷器的效率。
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 (6)
1.一种多级梯度相变蓄冷器，用于低温液态空气储能，其特征在于，包括多级蓄冷单元、及设于所述蓄冷单元内的气体换热流道，所述多级蓄冷单元填充有相变蓄冷工质，气体流经所述气体换热流道时与各蓄冷单元内的相变蓄冷工质逐级换热。
2.如权利要求1所述的多级梯度相变蓄冷器，其特征在于，所述多级蓄冷单元包括多个串联的独立蓄冷单元，所述各级独立蓄冷单元均填充一种固液相变材料，所述多级固液相变材料的固液相变温度按照换热温区从300K～77K梯度分布。
3.如权利要求2所述的多级梯度相变蓄冷器，其特征在于，所述各级蓄冷单元以泡沫铝为基体填充固液相变材料以增加换热面积，依靠相变潜热与流经气体换热流道的气体换热。
4.如权利要求1-3任一项所述的多级梯度相变蓄冷器，其特征在于，所述多级相变蓄冷工质依次为甘油、二甘醇、正戊酸、丁基甲基醚、1戊醇、正戊烷、二氯二氟甲烷、氯三氟甲烷。
5.如权利要求2所述的多级梯度相变蓄冷器，其特征在于，所述气体换热流道以列管或盘管形式布置于各蓄冷单元中，气体通过流道依次与多个串联的独立蓄冷单元换热。
6.如权利要求5所述的多级梯度相变蓄冷器，其特征在于，所述气体换热流道包括储能进气流道、释能出气流道、及返流流道。
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