CN106894856A - 一种集成太阳能的压缩空气储能系统 - Google Patents

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贺凤娟
周学志
纪律
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    • F22B1/006Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat

Abstract

本发明提供了一种集成太阳能的压缩空气储能系统,包括:压缩机、高压储气室、湿化器、蒸汽发生器以及膨胀机,压缩机的入口接空气源,高压储气室通过第一阀门与压缩机连通,湿化器通过第二阀门与高压储气室连通,蒸汽发生器与湿化器连通,蒸汽发生器的热源为太阳能集热,膨胀机通过第三阀门与湿化器连通。本发明中蒸汽发生器的热源为太阳能集热,将压缩空气储能技术与太阳能热利用技术相结合,通过直接利用太阳能集热产生水蒸气加热加湿高压空气增加了系统出功量,减少了压缩空气储能系统对化石燃料的依赖,避免了太阳能蓄热装置的使用,改善了压缩空气储能系统性能,实现了太阳能热的合理高效利用。

Description

一种集成太阳能的压缩空气储能系统
技术领域
本发明属于电能存储技术领域,特别涉及一种集成太阳能的压缩空气储能系统。
背景技术
近年来,伴随着可再生能源并网、智能电网、分布式供能系统等新能源技术的蓬勃发展,电力储能逐渐得到人们的重视与关注。它不仅是实现风能、太阳能等可再生能源大规模接入并网的必然选择,是提高常规能源发电与输电效率稳定性、安全性和经济性的迫切需要,同时也是实现分布式能源、智能电网等能源系统变革的关键技术。
目前已有电力储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能(CAES)、蓄电池、超导、飞轮和电容等,不同技术在储能规模、能量密度、技术成熟度、产业化进程、应用领域等方面都存在差异。目前压缩空气储能技术和抽水蓄能被公认为两种适合大规模电力储能(100MW级)的技术,但由于抽水蓄能受到地理条件的限制,压缩空气储能技术(CAES)被认为是目前最具发展潜力的大规模电力储能技术。
传统的压缩空气储能是基于燃气轮机开发的储能技术,其工作原理是,在用电低谷,将空气压缩至高压并存于储气室中,使电能转化为空气的内能存储起来;在用电高峰,高压空气从储气室释放,进入燃烧室与天然气等化石燃料进行混合燃烧,所得高温高压燃气驱动透平发电,实现能量的释放。传统CAES系统具有储能容量大、周期长、寿命长和单位投资小等诸多优点,但是系统严重依赖于化石燃料,化石能源是不可再生的,面临着逐渐枯竭的问题,同时这些化石能源在使用过程中也会产生大量的污染排放,不符合绿色、可再生能源的发展要求。同时由于压缩空气系统包含压缩、膨胀、传热、储气、排气等一系列复杂热力学过程,系统能量损失大,系统效率受到影响。因此,如何提高系统效率,改善系统性能是压缩空气储能系统发展应用中必须解决的问题。
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源,随着人们环保意识的增强和科技的不断进步,对其进行合理高效的开发利用已成为一项重要的能源技术战略。其中太阳能光热发电是目前太阳能热利用的一种比较成熟的方式,但是由于太阳能所具有的间歇性和不稳定性特点,现有太阳能热发电系统中通常需设置蓄热装置(例如集成太阳能的绝热压缩空气储能系统),增加了系统成本投入,同时系统也变得更加复杂,增加了过程能量损失,同时不利于后期使用维护,一定程度上限制了太阳能热发电的应用推广。所以在现有发电技术的条件下,将太阳能发电与其他形式的发电技术结合将对提高能源利用效率起到积极的作用。
综上,现有技术压缩空气储能系统及太阳能热发电系统存在以下缺陷:(1)现有太阳能热发电系统需要设置蓄热装置,成本高,系统复杂;(2)现有压缩空气储能系统效率低、系统性能差,依赖于化石燃料,不环保,能源不可再生。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题,本发明提供了一种集成太阳能的压缩空气储能系统,提升了压缩空气储能系统的性能,避免了太阳能蓄热装置的使用,同时减少了对化石能源的依赖,更加符合绿色环保、可再生能源的发展要求。该系统可用于电力储能领域,尤其是太阳能丰富的地域。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面,提供了一种集成太阳能的压缩空气储能系统,包括:压缩机、高压储气室、湿化器、蒸汽发生器以及膨胀机,压缩机的入口接空气源,高压储气室通过第一阀门与压缩机连通,湿化器通过第二阀门与高压储气室连通,蒸汽发生器与湿化器连通,蒸汽发生器的热源为太阳能集热,膨胀机通过第三阀门与湿化器连通。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明的压缩空气储能系统至少具有以下有益效果其中之一:
(1)将太阳能热利用技术与压缩空气储能技术相结合,通过直接利用太阳能集热产生水蒸气加湿高压空气避免了太阳能蓄热装置的使用,实现了太阳能热的合理高效利用,同时改善了压缩空气储能系统的性能;
(2)高压湿空气进入燃烧室与燃料燃烧后烟气驱动膨胀机或者湿空气直接驱动膨胀机做功产生电力,减少了对化石燃料的消耗,更加符合绿色环保、可再生能源的发展要求;
(3)释能时,液态水变为气态加湿高压空气,增大了流经膨胀机的工质流量,增加了系统功率,有利于减小储气室体积,降低系统成本。
(4)分离后的冷凝水可进入蒸汽发生器循环再利用,节约了水资源;
附图说明
图1为本发明第一实施例集成太阳能的压缩空气储能系统的结构示意图。
图2为本发明第二实施例集成太阳能的压缩空气储能系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
在本发明的第一个示例性实施例中,提供了一种集成太阳能的压缩空气储能系统,请参照图1,该系统包括压缩机、高压储气室、蒸汽发生器、湿化器、燃烧室、膨胀机、冷却/分离器、第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4及多根管线。
所述压缩机入口接空气源,蒸汽发生器入口接水源,膨胀机气体出口与冷却/分离器相连,冷却/分离器气体出口通大气。
所述压缩机经第一阀门1与高压储气室相连通,高压储气室、湿化器、燃烧室经第二阀门2与第三阀门3顺序相连通,高压储气室还经第四阀门4与燃烧室相连通,燃烧室与膨胀机相连通。所述蒸汽发生器与湿化器相连通。
在本实施例中,所述湿化器所用热水来源是蒸汽发生器所产生的水蒸气;所述蒸汽发生器热源来自于太阳能集热,蒸汽发生器利用太阳能集热直接加热水产生水蒸气进入湿化器。所述太阳能集热来自于槽式、塔式或碟式等太阳能集热器。
所述冷却/分离器分离后的气体直接排入大气,分离后的冷凝水可进入蒸汽发生器循环再利用,节约了水资源。
集成太阳能的压缩空气储能系统的详细工作过程为:
在用电低谷,富足电能驱动压缩机压缩空气,高压空气流经第一阀门1储存入高压储气室,电能以空气内能的形式得以存储;在用电高峰,有太阳能热可利用时,打开第二阀门2,高压空气从高压储气室释放,进入湿化器中经加热加湿接近饱和状态,然后湿空气经第三阀门3进入燃烧室与燃料混合燃烧;无太阳能热可利用时,打开第四阀门4,高压空气直接进入燃烧室与燃料进行燃烧;燃烧室高温高压燃气驱动膨胀机做功产生电力,实现电能的释放,透平膨胀机排气经冷却/分离器进行分离。
释能时,有太阳能热可利用时,通过调节第二阀门2、第三阀门3保证出功量,无太阳能热可利用时,通过调节第四阀门4保证出功量。
另外,释能时,有太阳能热可利用时,液态水变为气态,加湿从高压储气室释放的高压空气,增大了流经膨胀机的工质流量,机组功率增大,有利于减小高压储气室体积,从而降低系统成本。
本实施例利用太阳能集热直接加热水产生水蒸气进入湿化器,加热加湿高压空气,利用湿空气与燃料燃烧产生烟气驱动膨胀机做功,减少了化石燃料的燃烧,环保性能得以改善,且系统中无需蓄热装置,系统成本、复杂度降低,实现了太阳能的高效合理利用。
在本发明的第二个示例性实施例中,提供了一种集成太阳能的压缩空气储能系统,请参照图2,该系统包括压缩机、高压储气室、蒸汽发生器、湿化器、膨胀机、冷却/分离器、第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4及多根管线。
所述压缩机入口接空气源;蒸汽发生器入口接水源;膨胀机气体出口与冷却/分离器相连,冷却/分离器气体出口通大气;
所述压缩机经第一阀门1与高压储气室相连通;高压储气室经第二阀门2与湿化器相连通;湿化器经第三阀门3与膨胀机相连通;高压储气室还经第四阀门4与膨胀机相连通;蒸汽发生器与湿化器相连通。
集成太阳能的压缩空气储能系统的详细工作过程为:
在用电低谷,富足电能驱动压缩机压缩空气,高压空气流经第一阀门1储存入高压储气室,电能以空气内能的形式得以存储;在用电高峰,有太阳能热可利用时,打开第二阀门2与第三阀门3,高压空气从高压储气室释放,进入湿化器中经加热加湿接近饱和状态,然后湿空气经第三阀门3进入膨胀机,高温高压空气驱动膨胀机做功产生电力,实现电能的释放;无太阳能热可利用时,打开第四阀门4,高压空气直接驱动膨胀机做功产生电力,实现电能的释放,透平膨胀机排气经冷却/分离器进行分离。
释能时,有太阳能热可利用时,通过调节第二阀门2、第三阀门3保证系统出功量,无太阳能热可利用时,通过调节第四阀门4保证系统出功量;
为了达到简要说明的目的,上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此,无需再重复相同叙述。
第二实施例中的压缩空气储能系统与第一实施例中的压缩空气储能系统的区别在于,湿化器与膨胀机之间没有设置燃烧室,有太阳能热可利用时,高压空气经过湿化器直接进入膨胀机进行驱动做功产生电力,实现电能的释放,与传统的压缩空气储能系统相比,消除了对化石燃料的依赖,更加符合绿色环保、可再生能源的发展要求。
本发明中集成太阳能的压缩空气储能系统将压缩空气储能技术与太阳能热利用技术相结合,通过直接利用太阳能集热产生水蒸气加热加湿高压空气增加了系统出功量,减少了压缩空气储能系统对化石燃料的依赖,改善了压缩空气储能系统性能,避免了太阳能蓄热装置的使用,实现了太阳能热的合理高效利用,实现了水的回收及循环利用,节省了资源。此系统可广泛应用于电力储能领域,尤其是在太阳能丰富的地域。
需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换,例如:
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
类似地,应当理解,为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个,在上面对本发明的示例性实施例的描述中,本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而,并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说,如下面的权利要求书所反映的那样,发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此,遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式,其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制,并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序,可将这些单词解释为名称。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成太阳能的压缩空气储能系统,其特征在于,包括:
压缩机,其入口接空气源;
高压储气室,通过第一阀门与压缩机连通;
湿化器,通过第二阀门与高压储气室连通;
蒸汽发生器,与湿化器连通,蒸汽发生器的热源为太阳能集热;以及
膨胀机,通过第三阀门与湿化器连通。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统,其特征在于,膨胀机还通过第四阀门与高压储气室连通。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统,其特征在于,所述太阳能集热来自于太阳能集热器。
4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统,其特征在于,所述太阳能集热器为槽式、塔式或碟式太阳能集热器。
5.根据权利要求1或2所述的压缩空气储能系统,其特征在于,还包括:
冷却/分离器,与膨胀机气体出口连接。
6.根据权利要求5所述的压缩空气储能系统,其特征在于,所述冷却/分离器分离后的冷凝水进入蒸汽发生器循环再利用。
7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统,其特征在于,还包括:
燃烧室,通过第三阀门与湿化器连通,所述膨胀机与燃烧室连通。
8.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统,其特征在于,燃烧室还通过第四阀门与高压储气室连通。
9.根据权利要求2或8所述的压缩空气储能系统,其特征在于,释能时,
有太阳能热可利用时,通过调节第二阀门、第三阀门保证系统出功量;
无太阳能热可利用时,通过调节第四阀门保证系统出功量。
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