CN106123423A - 一种低温蓄冷系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温液态空气储能领域，尤其涉及一种低温蓄冷系统及方法，其包括释冷换热器、储冷换热器、流体工质存储器以及固相介质蓄冷器；固相介质蓄冷器中容纳有用于蓄冷的固相介质，流体工质存储器中容纳有用于换热的流体工质；流体工质存储器、固相介质蓄冷器和释冷换热器通过管道顺次连接，形成释冷循环通道；固相介质蓄冷器、流体工质存储器和储冷换热器通过管道顺次连接，形成储冷循环通道。本发明采用固相介质进行蓄冷，并采用流体工质作为换热介质，避免了空气与蓄冷介质直接换热初始阶段的大温差问题，提高了蓄冷效率，降低了系统成本。

Description

一种低温蓄冷系统及方法

技术领域

本发明涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种低温蓄冷系统及方法。

背景技术

目前发展和应用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、抽水蓄能和压缩空气储能等。其中能够以较低成本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、电池储能和压缩空气储能，它们是少数几种能够实现长时间(数十小时)和大容量(数百到数千兆瓦时)储能应用的技术，其他的几种储能技术更适合提供短时间的储能服务来改善电能质量和提高电网系统稳定性。抽水蓄能作为当前最为成熟的大规模储能技术，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，阻碍了其在广大地区的推广应用。电池储能在小规模分散式应用中前景广阔，在科研方面也有很多新技术在发展，但是由于其全寿命周期成本高，生产及后续处理存在环境污染等问题，目前在大规模使用上仍存在制约。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。但是由于压缩空气储能通常需要大容积存储空间，这直接限制了压缩空气储能的进一步发展。

为了解决压缩空气储能技术储气空间的问题，近年来国内外学者相继开展了低温液态空气储能技术的研究，低温液态空气储能采用常压液态空气作为储能介质，可以将储能密度从常规压缩空气储能的2-10kWh/m³提高到30-100kWh/m³。该方案具有单位体积容量大、无地理条件限制、运行方式灵活等优点，具有大规模推广应用的潜力。

低温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，利用上个周期释能复温过程中储存的冷量将空气冷却液化后进入低温储罐中储存；系统释能时，利用低温泵将液态空气从低温储罐中引出加压，利用低温蓄冷系统回收低温冷量，使空气吸热复温升温后推动透平膨胀做功驱动发电机发电，而复温过程中回收的冷量用于下一周期储能液化过程中对空气进行冷却液化。

目前低温液态空气储能系统主要采用固相介质直接和空气换热的方式进行蓄冷，以及采用液态工质蓄冷。其中采用固相介质直接和空气换热蓄冷的方式，在蓄冷/释冷的初始阶段，空气与固相介质的温差都很大，导致蓄冷效率较低；且采用液体工质蓄冷的方式存储体积大，成本高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种用于低温液态空气储能系统的低温蓄冷系统及方法，采用流体工质换热、固相介质蓄冷，用于解决采用传统固相介质蓄冷系统蓄冷效率低，而采用液体工质蓄冷成本过高、存储体积过大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低温蓄冷系统，其特征在于，包括释冷换热器、储冷换热器、流体工质存储器以及固相介质蓄冷器；所述固相介质蓄冷器中容纳有用于蓄冷的固相介质，所述流体工质存储器中容纳有用于换热的流体工质；所述流体工质存储器、所述固相介质蓄冷器和所述释冷换热器通过管道顺次连接，形成释冷循环通道；所述固相介质蓄冷器、所述流体工质存储器和所述储冷换热器通过管道顺次连接，形成储冷循环通道。

其中，所述释冷循环通道和储冷循环通道中均容纳有循环流动的所述流体工质，所述释冷循环通道和储冷循环通道均设有调节流体工质流量的调节阀。

其中，还包括气液分离器和用于储存所述气液分离器分离出的液态空气的低温液态空气储罐；释冷换热器连接气液分离器的一端，以将经过所述释冷换热器进行冷却的高压空气引入所述气液分离器；气液分离器的另一端分为两个出口，其中一个出口连通所述低温液态空气储罐，另一个出口连通释冷换热器，用于将所述气液分离器分离出的气态空气以与高压空气相反的方向通过所述释冷换热器。

其中，所述释冷换热器通过节流阀或液体膨胀机连接所述气液分离器的所述一端；所述低温液态空气储罐通过低温泵连通储冷换热器，所述低温泵用于将所述低温液态空气储罐内的液态空气抽出加压。

其中，所述固相介质为堆积导热固相颗粒而形成的多孔介质。

其中，所述多孔介质的孔隙率为10％～90％。

其中，所述流体工质的使用温区为-196℃～50℃；

其中，所述流体工质的压力范围为0.1MPa～10MPa(绝对压力)。

其中，所述流体工质为气态、液态、超临界状态中的一种或多种。

本发明还提供了一种低温蓄冷方法，其特征在于，其采用固相介质蓄冷、流体工质换热，包括释冷过程和储冷过程；

其中，所述释冷过程启动前，固相介质蓄冷器中的固相介质处于冷态；所述释冷过程包括：

流体工质存储器中的流体工质流经固相介质蓄冷器，被固相介质蓄冷器中的固相介质冷却至低温状态；

低温状态的流体工质通入释冷换热器与通入释冷换热器的高压空气进行逆流换热；低温状态的流体工质被加热至高温状态，再流入流体工质存储器，完成释冷过程换热循环；高压空气被冷却形成高压低温空气，经节流或膨胀液化后对其进行气液分离；

储存分离出的液态空气；分离出的气态空气以与高压空气相反的方向流入释冷换热器，补充冷量；

其中，所述储冷过程启动前，固相介质蓄冷器中的固相介质处于热态；所述储冷过程包括：

将储存的液态空气抽出加压并通过储冷换热器，同时流体工质存储器中的流体工质流经储冷换热器，抽出加压的液态空气与流体工质在储冷换热器中逆流换热；

流体工质被冷却至低温状态，低温状态的流体工质再流经固相介质蓄冷器，对固相介质进行冷却，从固相介质蓄冷器中流出的流体工质再返回到流体工质存储器中，完成储冷换热循环；液态空气经上述逆流换热形成膨胀空气。

(三)有益效果

本发明提供的低温蓄冷系统，以流体工质作为换热介质，每次释冷/储冷结束后，流体工质的温度总是与固相蓄冷介质温度接近，等到下一次储冷/释冷开始的时候，流体工质与蓄冷介质换热温差会比较小，避免了空气与蓄冷介质直接换热初始阶段的大温差问题，提高了蓄冷效率；相对于液体预冷工质蓄冷系统，本发明采用固相介质进行蓄冷，而流体工质只是作为换热介质，大大减少了系统流体工质的用量，降低了系统成本；本发明中固相介质其密度一般而言比较大，而且采用固相介质蓄冷的蓄冷系统仅仅需要一个单独的蓄冷器，而不区分冷态和热态，占用存储空间比较小。

附图说明

图1为本发明提供的流体工质换热固相介质蓄冷的低温蓄冷系统的组成示意图；

图中，1：释冷换热器；2：储冷换热器；3：流体工质存储器；4：固相介质蓄冷器；5：管道；6：调节阀。

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。

本发明提供一种用于低温液态空气储能系统的流体工质换热固相介质蓄冷的低温蓄冷系统，用于解决采用传统固相介质蓄冷系统蓄冷效率低，而采用液体工质蓄冷成本过高、存储体积过大的问题。

如图1所示，本发明实施例中提供一种低温蓄冷系统，其采用的是流体工质换热、固相介质蓄冷，用于低温液态空气储能系统。其包括释冷换热器1、储冷换热器2、流体工质存储器3以及固相介质蓄冷器4；固相介质蓄冷器4中容纳有用于蓄冷的固相介质，流体工质存储器3中容纳有用于换热的流体工质；流体工质存储器3、固相介质蓄冷器4和释冷换热器1通过管道5顺次连接，形成释冷循环通道；固相介质蓄冷器4、流体工质存储器3和储冷换热器2通过管道5顺次连接，形成储冷循环通道。

本发明实施例中，流体工质在释冷循环通道和储冷循环通道中循环流动，释冷循环通道和储冷循环通道均设有调节流体工质流量的调节阀，调节阀可以设置在释冷循环通道和储冷循环通道的任意位置，用于调节流体工质的流量，以保证流体工质与固相介质、以及在释冷换热器1和储冷换热器2的换热效率；更具体的，固相介质蓄冷器4与释冷换热器1之间以及流体工质存储器3与储冷换热器2之间均设有调节阀6。

本发明实施例中，低温蓄冷系统还包括气液分离器和低温液态空气储罐以及节流阀或液体膨胀机(图中未示出)，高压空气通过释冷换热器1进行冷却降温，并经过节流阀节流或液体膨胀机膨胀后进入所述气液分离器。气液分离器中的液体进入低温液态空气储罐进行存储，同时，气液分离器内未液化的气体以与高压空气相反的方向反流通过释冷换热器1，形成反流空气。明显地，未液化的空气在通过释冷换热器1时能够对高压空气行冷却降温，进而可以有效地提高高压空气的换热降温速率。另外，低温液态空气储罐内的液态空气由低温泵(图中未示出)抽出加压并通过储冷换热器2换热升温形成膨胀空气。

本发明实施例中，固相介质为堆积导热固相颗粒而形成的多孔介质，增加了系统的换热面积，强化了流体工质与固相蓄冷介质间的传热过程，提高了流体工质与固相介质的换热效率。

本发明实施例中，多孔介质的孔隙率为10％～90％。

本发明实施例中，流体工质的使用温区为-196℃～50℃。

本发明实施例中，流体工质的工作压力范围为0.1MPa～10MPa，该工作压力为绝对压力。

本发明实施例中，流体工质为气态、液态、超临界状态中的一种或多种。

如图1所示，所述低温蓄冷系统的工作状态包括的释冷过程和储冷过程，其中工作原理如下：

释冷过程：启动前，固相介质处于冷态，流体工质换热固相介质蓄冷的低温蓄冷系统其冷量以固相蓄冷介质内能形式储存。在释冷过程中，流体工质从流体工质存储器3中流出，首先流经固相介质蓄冷器4，被固相介质冷却至低温状态，然后低温状态的流体工质通过释冷换热器1与高压空气进行逆流换热，被加热成高温状态，再流入流体工质存储器3，完成释冷过程换热循环。高压空气经历如上述的冷却降温过程，得到的高压低温空气进入节流阀节流或液体膨胀机膨胀液化进入气液分离器，气液分离器中低温空气逆向流经释冷换热器，反向冷却高压空气，形成反流空气，进行冷量回收。气液分离器中液态空气进入低温液态空气储罐内，并以液态空气存储于流体储罐内，完成释冷过程。整个释冷过程，冷量完成从固相蓄冷介质-液态空气的转移过程，并通过节流或膨胀降温过程以及反流气的冷量回收为高压空气补充冷量，完成系统冷量平衡，避免外界冷量输入。

储冷过程：释冷结束至储冷开始前的过程中，固相介质处于热态。在储冷过程中，储存于低温液态空气储罐中的液态空气，首先经过低温泵加压，然后再经过储冷换热器2换热复温。具体换热过程为，流体工质首先流经储冷换热器2，与空气进行逆流换热，在储冷换热器出口被冷却至低温状态，低温状态的流体工质再流经固相介质蓄冷器4，对固相介质进行冷却，从固相介质蓄冷器4中流出的流体工质再返回到流体工质存储器中3，完成储冷换热循环。从低温泵出来的低温液态空气经历如上所述的换热过程复温形成膨胀空气，同时完成冷量从低温液态空气-固相蓄热介质的转移过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温蓄冷系统，其特征在于，包括释冷换热器(1)、储冷换热器(2)、流体工质存储器(3)以及固相介质蓄冷器(4)；所述固相介质蓄冷器(4)中容纳有用于蓄冷的固相介质，所述流体工质存储器(3)中容纳有用于换热的流体工质；所述流体工质存储器(3)、所述固相介质蓄冷器(4)和所述释冷换热器(1)通过管道(5)顺次连接，形成释冷循环通道；所述固相介质蓄冷器(4)、所述流体工质存储器(3)和所述储冷换热器(2)通过管道(5)顺次连接，形成储冷循环通道。

2.根据权利要求1所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述释冷循环通道和储冷循环通道中均容纳有循环流动的所述流体工质，所述释冷循环通道和储冷循环通道均设有调节流体工质流量的调节阀(6)。

3.根据权利要求1所述的低温蓄冷系统，其特征在于，还包括气液分离器和用于储存所述气液分离器分离出的液态空气的低温液态空气储罐；释冷换热器(1)连接气液分离器的一端，以将经过所述释冷换热器(1)进行冷却的高压空气引入所述气液分离器；气液分离器的另一端分为两个出口，其中一个出口连通所述低温液态空气储罐，另一个出口连通释冷换热器(1)，用于将所述气液分离器分离出的气态空气以与高压空气相反的方向通过所述释冷换热器(1)。

4.根据权利要求3所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述释冷换热器(1)通过节流阀或液体膨胀机连接所述气液分离器的所述一端；所述低温液态空气储罐通过低温泵连通储冷换热器(2)，所述低温泵用于将所述低温液态空气储罐内的液态空气抽出加压。

5.根据权利要求1所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述固相介质为堆积导热固相颗粒而形成的多孔介质。

6.根据权利要求5所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述多孔介质的孔隙率为10％～90％。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述流体工质的使用温区为-196℃～50℃。

8.根据权利要求7所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述流体工质的压力范围为0.1MPa(A)～10MPa(A)。

9.根据权利要求8所述的低温蓄冷系统，其特征在于，所述流体工质为气态、液态、超临界状态中的一种或多种。

10.一种低温蓄冷方法，其特征在于，其采用固相介质蓄冷、流体工质换热，包括释冷过程和储冷过程；

其中，所述释冷过程启动前，固相介质蓄冷器中的固相介质处于冷态；所述释冷过程包括：

流体工质存储器中的流体工质流经固相介质蓄冷器，被固相介质蓄冷器中的固相介质冷却至低温状态；

低温状态的流体工质通入释冷换热器与通入释冷换热器的高压空气进行逆流换热；低温状态的流体工质被加热至高温状态，再流入流体工质存储器，完成释冷过程换热循环；高压空气被冷却形成高压低温空气，经节流或膨胀液化后对其进行气液分离；

储存分离出的液态空气；分离出的气态空气以与高压空气相反的方向流入释冷换热器，补充冷量；

其中，所述储冷过程启动前，固相介质蓄冷器中的固相介质处于热态；所述储冷过程包括：

将储存的液态空气抽出加压并通过储冷换热器，同时流体工质存储器中的流体工质流经储冷换热器，抽出加压的液态空气与流体工质在储冷换热器中逆流换热；

流体工质被冷却至低温状态，低温状态的流体工质再流经固相介质蓄冷器，对固相介质进行冷却，从固相介质蓄冷器中流出的流体工质再返回到流体工质存储器中，完成储冷换热循环；液态空气经上述逆流换热形成膨胀空气。