CN105697066A - 低温液态空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低温液态空气储能系统，其包括压缩机组、蓄冷器、节流阀、液态空气储罐、低温泵及膨胀机组，压缩机组通过第一低温管道依次连通节流阀和液态空气储罐，膨胀机组通过第二低温管道依次连通低温泵和液态空气储罐的液体侧，蓄冷器具有多级梯度固液相变蓄冷的蓄冷单元，每一级蓄冷单元内均储存有以潜热形式回收和再利用冷量的固液相变蓄冷工质，第一、第二低温管道均贯穿多级蓄冷单元。所述低温液态空气储能系统以固液相变蓄冷工质作为蓄冷介质，空气通过压缩机组后，利用以多级梯度固液相变蓄冷工质为核心的蓄冷器进行高压空气的热量吸收和液态空气的冷量回收，最后通过膨胀机组做功，可有效提高蓄冷效率，提高液态空气储能效率。

Description

低温液态空气储能系统
技术领域
本发明涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种采用多级梯度相变蓄冷的低温液态空气储能系统。
背景技术
大规模开发和利用新能源是当今世界范围内面对化石能源危机和其造成的环境污染问题的主要对策之一。由于太阳能、风能等新能源发电具有不稳定、间歇式的特点，无法保证电力系统供电的可靠性，实际运行中存在着大量的弃光和弃风现象，导致新能源利用率不高。因此用于改善电力系统稳定性和经济性的电力储能技术开始不断发展。在大规模储能技术方面，目前较为成熟的有蓄电池储能、抽水蓄能、压缩空气储能三种。
蓄电池储能技术相对成熟，但其工作寿命短、更换成本高，并且后处理过程中对环境有污染。抽水蓄能虽然是一种高效率、大容量的存储电能技术，但是水电站的建设严格受到地理环境限制，并需要考虑对周边生态的影响。相比之下，压缩空气储能系统的建设限制条件较少，对环境友好。传统压缩空气储能是基于补燃形式存在，与燃气轮机配套使用，当电力负荷低时，利用多余电量将空气压缩至储气装置中进行存储，完成储能阶段；当电力负荷高时，从储气装置中释放高压空气，进入燃气轮机燃烧室与燃料混合燃烧，然后驱动透平机组(即膨胀机组)发电，完成释能阶段。但是，这种传统压缩空气储能仍依赖于化石燃料的使用，不符合低碳排放、可再生的能源发展要求。
对此，国内外学者对其进行研究改进，提出了多种非补燃形式，利用导热工质回收利用压缩过程产生的压缩热，在膨胀阶段再将其热量释放，避免外界热源燃烧，但其依然存在储能密度低，需要克服大容积储气室的不足之处。
近些年来，国内外学者又相继开展液态空气储能技术的研究，由于采用液态空气存储，大大减少了储存容积。但是，目前已有的液化过程中，一般采用如岩石、陶瓷等固体显热蓄冷介质进行储存冷量，易因不可逆传热损失过大，能量利用不充分，导致蓄冷效率无法满足整体液化要求。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种采用多级梯度相变蓄冷的低温液态空气储能系统。
一种低温液态空气储能系统，其包括压缩机组、蓄冷器、节流阀、液态空气储罐、低温泵及膨胀机组，所述压缩机组通过第一低温管道依次连通所述节流阀和所述液态空气储罐，所述膨胀机组通过第二低温管道依次连通所述低温泵和所述液态空气储罐的液体侧，所述蓄冷器具有多级梯度固液相变蓄冷的蓄冷单元，每一级所述蓄冷单元内均储存有以潜热形式回收和再利用冷量的固液相变蓄冷工质，所述第一低温管道和所述第二低温管道均贯穿所述多级蓄冷单元。
本发明一较佳实施方式中，所述多级蓄冷单元相互独立且隔热地串联。
本发明一较佳实施方式中，相邻的所述蓄冷单元之间通过绝热隔层进行隔热串联。
本发明一较佳实施方式中，所述多级蓄冷单元的固液相变蓄冷工质的固液相变温度按照换热温区梯度分布，从300k-77k逐级递减。
本发明一较佳实施方式中，所述固液相变蓄冷工质包括泡沫铝。
本发明一较佳实施方式中，所述液体储罐的气体侧通过第三低温管道连通至所述压缩机组的入口，且所述第三低温管道贯穿所述蓄冷器的多级蓄冷单元。由此，低温空气在返流通过所述多级蓄冷单元时，可对所述多级蓄冷单元中的固液相变蓄冷工质进行冷却降温，为所述多级蓄冷单元补充冷量，进而有效的提高所述蓄冷器的蓄冷效率。
本发明一较佳实施方式中，所述固液相变蓄冷工质包括甘油、二甘醇、正戊酸、1戊醇、正戊烷及其组合。
本发明一较佳实施方式中，所述低温液态空气储能系统的压缩压力范围为3MPa-15MPa。
本发明一较佳实施方式中，所述压缩机组包括多级串联的压缩机，所述膨胀机组包括多级串联的膨胀机。
本发明一较佳实施方式中，所述压缩机和所述膨胀机均为螺杆式、活塞式或离心式。
相对于现有技术，本发明提供的低温液态空气储能系统以固液相变蓄冷工质作为蓄冷介质，空气通过压缩机组后，利用以多级梯度固液相变蓄冷工质为核心的蓄冷器进行高压空气的热量吸收和液态空气的冷量回收，最后通过膨胀机组做功，可以有效地提高蓄冷效率，极大地提高液态空气储能效率。
附图说明
图1为本发明提供的低温液态空气储能系统的组成示意图。
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低温液态空气储能系统，其包括压缩机组10、蓄冷器20、节流阀30、液态空气储罐40、低温泵50及膨胀机组60，所述压缩机组10通过第一低温管道11依次连通所述节流阀30和所述液态空气储罐40，所述膨胀机组60通过第二低温管道61依次连通所述低温泵50和所述液态空气储罐40的液体侧，所述蓄冷器20具有多级梯度固液相变蓄冷的蓄冷单元21，每一级所述蓄冷单元21内均储存有以潜热形式回收和再利用冷量的固液相变蓄冷工质，所述第一低温管道11和所述第二低温管道61均贯穿所述多级蓄冷单元21。
本实施例中，所述压缩机组10包括多级串联的压缩机13，对空气进行逐级压缩。所述膨胀机组60包括多级串联的膨胀机63，对高压空气进行逐级膨胀，实现对外做功，带动发电机发电。优选地，所述压缩机13和所述膨胀机63均为螺杆式、活塞式或离心式。
可以理解的是，所述压缩机13的选型可根据空气流量的大小决定。本实施例中，所述低温液态空气储能系统的压缩压力范围为3MPa-15MPa。
所述多级蓄冷单元21相互独立且隔热地串联，具体地，相邻的所述蓄冷单元21之间通过绝热隔层23进行隔热串联。可以理解的是，所述多级蓄冷单元21彼此之间并不连通。本实施例中，所述多级蓄冷单元21的固液相变蓄冷工质的固液相变温度按照换热温区梯度分布，从300k-77k逐级递减。
。优选地，所述固液相变蓄冷工质包括泡沫铝，当然，并不局限于此，所述固液相变蓄冷工质也可以根据具体情况进行选择。
进一步地，所述固液相变蓄冷工质包括甘油、二甘醇、正戊酸、1戊醇、正戊烷及其组合。
本实施例中，所述液体储罐40的气体侧通过第三低温管道41连通至所述压缩机组10的入口，且所述第三低温管道41贯穿所述蓄冷器20的多级蓄冷单元21。具体地，所述第三低温管道41从所述液体储罐40的气体侧将低温气态空气导出，通过所述蓄冷器20的后返回所述压缩机组10的入口。可以理解的是，低温气态空气在返流通过所述多级蓄冷单元21时，可对所述多级蓄冷单元21中的固液相变蓄冷工质进行冷却降温，由此可以为所述多级蓄冷单元21补充冷量，进而有效的提高所述蓄冷器20的蓄冷效率。
可以理解的是，所述低温液态空气储能系统的工作状态包括液化过程(即储能阶段)和膨胀过程(即释能阶段)。
液化过程中，所述压缩机组10的多个压缩机13逐级压缩外界进入的空气以及返流空气至高压状态；然后高压空气经过所述蓄冷器20的多级蓄冷元件21后，从高温逐渐降至低温。其后，高压空气进入所述蓄冷器20，被所述多级蓄冷单元21和返流空气逐级冷却为高压液态空气，并经所述节流阀30节流降至常压储存于所述液态储罐40内；所述液态储罐40内的气态空气则作为返流空气，逆向依次通过所述蓄冷器20的多级蓄冷单元21，补充冷量。
可以理解的是，压缩阶段的温区跨度大，需要利用所述多级蓄冷元件21中的固液相变蓄冷工质进行逐一冷却，因此，选取所述固液相变蓄冷工质时，需保证每一级蓄冷元件21的温度使所对应固液相变蓄冷工质发生固液相变，以潜热形式回收和再利用冷量。
膨胀过程中，所述液态储罐40内的液态空气，经过所述低温泵50加压，形成液态中压空气进入所述蓄冷器20，将冷量逐级释放给所述多级蓄冷单元21而逐渐升温，释放的冷量以潜热形式储存于每一级所述蓄冷单元21中的固液相变蓄冷工质；经过所述蓄冷器20的空气经过外界热源加热后，进入所述膨胀机组60的多级膨胀机63，进行逐级膨胀对外输出膨胀功，带动发电机发电。
本实施例中，所述低温液态空气储能系统的液化过程和膨胀过程为分时进行的。具体地，液化时，所述压缩机组10工作，所述低温泵50和所述膨胀机组60关闭，高温空气通过所述蓄冷器20，每一级所述蓄冷单元21中的固液相变蓄冷工质依次吸热相变，从固态转为液态，高温空气逐级冷却。膨胀时，与之相反，所述膨胀机组60和所述低温泵50工作，所述压缩机组10则关闭，所述液态空气储罐40内的低温液态空气通过所述低温泵50加压，进入所述蓄冷器20，每一级所述蓄冷单元21中的固液相变蓄冷工质依次吸冷相变，从液态转为固态，低温空气逐级升温，并经热源(图未示)加热进入所述膨胀机组60进行逐级膨胀，实现对外做功，带动发电机发电。
可以理解的是，由于分时进行而存在间隔静置过程，因此用于存储液态空气的液体储罐40应采取保温措施，尽可能保证与外界绝热。
相对于现有技术，本发明提供的低温液态空气储能系统以固液相变蓄冷工质作为蓄冷介质，空气通过压缩机组10后，利用以多级梯度固液相变蓄冷工质为核心的蓄冷器20进行高压空气的热量吸收和液态空气的冷量回收，最后通过膨胀机组60做功，可以有效地提高蓄冷效率，极大地提高液态空气储能效率。
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 (7)

1.一种低温液态空气储能系统，其特征在于，包括压缩机组、蓄冷器、节流阀、液态空气储罐、低温泵及膨胀机组，所述压缩机组通过第一低温管道依次连通所述节流阀和所述液态空气储罐，所述膨胀机组通过第二低温管道依次连通所述低温泵和所述液态空气储罐的液体侧，所述蓄冷器具有多级梯度固液相变蓄冷的蓄冷单元，每一级所述蓄冷单元内均储存有以潜热形式回收和再利用冷量的固液相变蓄冷工质，所述第一低温管道和所述第二低温管道均贯穿所述多级蓄冷单元。
2.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述多级蓄冷单元相互独立且隔热地串联。
3.如权利要求2所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，相邻的所述蓄冷单元之间通过绝热隔层进行隔热串联。
4.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述多级蓄冷单元的固液相变蓄冷工质的固液相变温度按照换热温区梯度分布，从300k-77k逐级递减。
5.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述液体储罐的气体侧通过第三低温管道连通至所述压缩机组的入口，且所述第三低温管道贯穿所述蓄冷器的多级蓄冷单元。
6.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述固液相变蓄冷工质包括甘油、二甘醇、正戊酸、1戊醇、正戊烷及其组合。
7.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温液态空气储能系统的压缩压力范围为3MPa-15MPa。
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