CN106969655A - 等温压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩空气储能，提供一种等温压缩空气储能系统，包括进气总阀以及压缩膨胀组件，还包括储液容器、U型管组以及涡流管，储液容器内填充有液体且液面与储液容器的内壁之间形成空气腔，涡流管一端与压缩膨胀组件连通，另一端伸入储液容器的液体内，且涡流管伸入液体内的端部设置有若干气孔，U型管组的顶端封闭且设置有第一管口与第二管口，第一管口与第二管口均连通至储液容器的底端，且U型管组设置有靠近第一管口处的第一控制阀以及靠近第二管口处的第二控制阀。本发明中随着气泡的涌入而升高，致使液体的蒸汽分压升高，潜热的蓄存能力增强，吸收部分压缩机排热并以潜热的形式储存，不但使得整个储能系统的储能较强，而且可靠性比较高。

Description

等温压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及压缩空气储能，尤其涉及一种等温压缩空气储能系统。

背景技术

21世纪，随着传统能源资源的日渐减少和可再生能源利用技术的日趋成熟，社会对于能源可持续利用的需求日益增强。诸如光伏、风力等可再生能源，其本质上显著的不稳定性，使得用户的用能需求难以直接通过可再生能源获得满足。因此，急需储能辅助其实现能量的富集与存储技术，以便于用户使用。已有的储能技术与装备有抽水蓄能、液流电池、锂电池、飞轮储能、超导电磁储能和压缩空气或液态空气储能技术等，总体上可分为机械储能、化学储能和电磁储能。相较于机械储能，化学储能存在污染环境的风险，电磁储能成本较为高昂，因此目前应用价值较低。机械储能技术中，压缩空气储能技术相比于抽水蓄能受地理条件限制较少，比飞轮储能在更大的时间尺度上可以实现持续释能，因而具有更大的市场潜力。

现有的压缩空气储能主要技术包括传统的压缩空气储能技术(其中，投入商业运营的有德国的Huntorf电站和美国的McIntosh电站)、绝热压缩空气储能技术和等温压缩空气储能技术。绝热压缩空气储能系统将升压储气时产生的压缩热，存储于蓄热部件当中，在系统释能阶段用于预热膨胀机进气，此种技术为提高储能密度，采用高温高压的储气和储热容器，系统的建设成本较高，至今未有投入商业运营的案例；另外，随着时间的推移，蓄热介质的内部换热会造成较大的熵增，从而导致系统能量损失，在气体膨胀释能阶段蓄热部件供热往往不能满足预定要求，因而循环效率较低。等温压缩空气储能系统，理论上具有更高的储能密度，在气体膨胀和压缩过程中能更好地利用热能，更为显著的特点是，它具有利用低品位热量的潜力，但是目前的等温压缩空气储能系统由于储能阶段压缩功损失严重与释能阶段能量转换效率不高，在实验条件下循环效率较低，仍在研发中，距离实现应用还存在诸多困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等温压缩空气储能系统，旨在为进一步提高系统释能阶段膨胀机的热效率，改善系统性能。

本发明是这样实现的：

本发明实施例提供一种等温压缩空气储能系统，包括进气总阀以及与所述进气总阀连通的压缩膨胀组件，还包括储液容器、U型管组以及涡流管，所述储液容器内填充有液体且液面与所述储液容器的内壁之间形成空气腔，所述涡流管一端与所述压缩膨胀组件连通，另一端伸入所述储液容器的液体内，且所述涡流管伸入所述液体内的端部设置有若干气孔，所述U型管组的两个顶端均为闭口结构且设置有第一管口与第二管口，所述第一管口与所述第二管口均连通至所述储液容器的底端，且所述U型管组设置有靠近所述第一管口处的第一控制阀以及靠近所述第二管口处的第二控制阀。

进一步地，所述U型管组上还开设有排液口，所述排液口位于所述第一控制阀与所述第二控制阀的上方且连通有供液体通过的导液管。

进一步地，还包括旋风腔，所述导液管连通所述旋风腔，且所述导液管于连通所述旋风腔的端口处设置有喷嘴。

进一步地，所述U型管组还设置有第三管口，所述旋风腔连通所述第三管口与所述空气腔，且于所述第三管口与所述旋风腔之间的流路上设置有第三控制阀。

进一步地，还包括导气管，所述导气管连通所述空气腔与所述旋风腔，所述压缩膨胀组件的膨胀机进气口与所述导气管连通，且所述导气管上设置有第四控制阀，所述第四控制阀位于所述压缩膨胀组件的膨胀机进气口与所述空气腔之间的流路上。

进一步地，所述导气管与所述进气总阀连通，所述导气管上还设置有第五控制阀，所述第五控制阀位于所述旋风腔与所述第四控制阀之间的流路上。

进一步地，所述旋风腔具有出液口，所述出液口与所述压缩膨胀组件的压缩机进口连通。

进一步地，于所述储液容器的外表面上设置有盘管，所述盘管具有进口与出口，所述压缩膨胀组件的膨胀机出气口与所述进口连通。

进一步地，所述进口靠近所述储液容器的顶端，所述出口靠近所述储液容器的底端。

进一步地，所述U型管组为多组，各所述U型管组均连通至所述储液容器的底端且各所述U型管组之间均为并联。

本发明具有以下有益效果：

本发明的储能系统中，空气通过进气总阀进入储能系统，通过压缩膨胀组件将接近等温的空气压缩至预定压强，然后通过涡流管将压缩后的空气以气泡的形式导入储液容器的液体内，且在储液容器的液面处逸散至空气腔内，进而使得空气腔内的气压增大，压缩空气通过体积膨胀推动液体由第一管口与第二管口进入U型管组内，进而使得U型管组内的液面升高，气压增大，且在管组内的压强与储液容器内的压强平衡时，关闭第一控制阀与第二控制阀，从而实现升压蓄能的作用，而另外一方面以较高蒸气压下的水作为储热介质，由于水为流体，与空气可认为不互溶，因此可以气泡流的形式直接接触换热，提高换热效率，贮液容器中湿空气在汽液界面上形成的外压，随着气泡的涌入而升高，致使水的蒸汽分压升高，潜热的蓄存能力增强，吸收部分压缩机排热并以潜热的形式储存，不但使得整个储能系统的储能较强，而且可靠性比较高。

另外，本申请提供的等温压缩空气储能系统，可提高系统释能阶段膨胀机的热效率，更为充分地利用压缩热，甚至系统环境提供的热量，这样使得管道内工质借由液体活塞在竖直管道内运动过程，实现压缩、膨胀，运行热泵循环，在释能阶段提高膨胀机入口焓值，提高其效率，从而系统的循环效率与功率密度得以改善，推动其实用化进程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的等温压缩空气储能系统的结构示意图；

图2为图1的等温压缩空气储能系统在储能过程中升压蓄能阶段和恒压推移阶段的U型管组加压充气的结构示意图；

图3为图1的等温压缩空气储能系统的升压蓄能阶段的储液容器和U型管组不同步地减压放气的结构示意图；

图4为图1的等温压缩空气储能系统的恒压推移阶段终了时刻或者释能阶段起始时刻的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1以及图2，本发明实施例提供一种等温压缩空气储能系统，包括进气总阀1以及与进气总阀1连通的压缩膨胀组件2，进气总阀1为储能系统的进气口，且空气经进气总阀1进入压缩膨胀组件2内进行压缩增压，压缩膨胀组件2具有压缩与膨胀功能，储能系统还包括储液容器3、U型管组4以及涡流管5，储液容器3具有密封性能较高的密闭空间，其内填充有一定量的液体，通常液体为水，液体没有充满整个储液容器3的密闭空间，则液体的液面与储液容器3的内壁之间形成空气腔31，涡流管5一端与压缩膨胀组件2连通，另一端则伸入储液容器3的液体内且靠近储液容器3的底面，涡流管5采用返流式涡流管5，其伸入液体内的端部设置有若干气孔，具体地，涡流管5末端含有布气孔的弹簧阀盖或涡流管5为一根末端带有布气孔的直管，下列图1、图2、图3和图4都按照系统结构中部件5为一根末端带有布气孔的直管绘制。该直管在末端带弹簧的多孔阀盖控制其开启，当压强高于液体压强和容器内气压带来的开启阻力时，末端开始排气，气体离散为气泡流，进入储液容器内与其液相部分直接接触换热，可以理解，涡流管的作用仅是在升压蓄能阶段的后期，产生热泵效应，改变此储能系统中热能与压力能的储存比例，以满足不同应用场合下的性能需求，同时降低储液容器气体部分的温度，拉大储液容器内液相与气相的传热温差，强化汽液界面上的传质。

进一步地，压缩膨胀组件2压缩后的气体进入涡流管5内，且由涡流管5的气孔进入储液容器3的液体内，由于空气不溶于水内，气体以气泡的形式在液体内向上移动且最后在液面处逸散至空气腔31内，图1中，系统包含两个管组作为示例，沿储液容器径向左右对称布置，由于具有结构上的对称性和相似性，为便于描述，两个管组在下列描述中统称为“U型管组4”。U型管组4整体呈U型且顶端为封闭结构，可以看做具有内侧管与外侧管，内侧管与外侧管的底部连通，当然内侧管与外侧管的顶端也均为封闭结构，U型管组4上设置有第一管口41与第二管口42，且第一管口41与第二管口42均与储液容器3的底端连通，U型管组4上还设置有第一控制阀43以及第二控制阀44，第一控制阀43靠近第一管口41，第二控制阀44靠近第二管口42，具体地，第二管口42位于第一管口41的下方，第二管口42靠近U型管组4的底部，则可以近似认定第一管口41对应U型管组4的内侧管部分，第一控制阀43控制第一管口41处的通断，第二管口42对应U型管组4的外侧管部分，第二控制阀44控制第二管口42处的通断。本实施例中，进气总阀1打开后，通过压缩膨胀组件2将进入储能系统内的常压气体压缩增压，一般在压缩增压之前，将常压气流与水雾混合，压缩膨胀组件2由电机与压缩机配合，通过压缩膨胀组件2可以将混合后的气流接近等温地被压缩至预定压强，压缩后的气体经涡流管5以气泡的形式进入储液容器3的液体内，形成气泡流与水体换热，且在换热完成后，逐渐聚集于储液容器3的空气腔31内，使得空气腔31内的压强升高，压缩空气通过体积膨胀推动储液容器3内的液体经第一管口41与第二管口42分别进入内侧管以及外侧管内，进而使得内侧管内的液柱与外侧管内的液柱升高，即压缩空气对外做功转化为U型管组4内液柱的重力势能，同时使得U型管组4内的气压增大，当U型管组4的液面均停止上升后，关闭第一控制阀43与第二控制阀44。通过上述过程实现U型管组4内升压蓄能的作用，而另外一方面以较高蒸气压下的水作为储热介质，由于水为流体，与空气可认为不互溶，因此可以直接接触换热，提高换热效率，储液容器3中湿空气在气液界面上形成的外压，随着气泡的涌入而升高，致使水的蒸汽分压升高，潜热的蓄存能力增强，吸收部分压缩机排热并以潜热的形式储存，不但使得整个储能系统的储能较强，而且可靠性比较高，以流动的水兼为液体活塞和储热介质，储热介质通过相变，以储热介质汽化后直接参与做功，存在提高系统热利用率的潜力；另外储能系统采用U型管组4储气，直径较小的管状承压结构可以耐受充放气过程中压强的急剧变化，以较低的制造成本储存较高的压强气体，维护也比较方便，只需更换U型管组4即可。一般，U型管组4具有多组，各U型管组4之间相互并联且均与储液容器3连通，从而可以使得每一U型管组4实现蓄能的效果，而在压缩空气储存在U型管组4内，并通过液体活塞加压，成对地增减U型管组4，就可以改变储能系统的储能容量，使得系统结构更为紧凑、灵活，对系统扩容改建比较简单。

进一步地，U型管组4上还开设有排液口45，排液口45位于第一控制阀43与第二控制阀44的上方且连通仅限液体通过的导液管46。本实施例中，在U型管组4的内侧管上设置有排液口45，当内侧管内的液面达到排液口45处时，液体通过排液口45进入导液管46内，可以起到控制内侧管内液面高度的作用。储能系统还包括有旋风腔6，导液管46连通该旋风腔6，且导液管46于连通旋风腔6的端口处设置有喷嘴，液体进入导液管46内后雾化喷入旋风腔6内，且沿旋风腔6内旋风器的圆柱水平切线方向喷出。在旋风腔6上设置有出液口61，出液口61与压缩膨胀组件2的压缩机进口81连通，对此水雾可由出液口61进入压缩膨胀组件2的压缩机内，进而可以与进气总阀1处进入的空气混合。

参见图2以及图3，进一步地，U型管组4还设置有第三管口47，旋风腔6连通第三管口47与空气腔31，且在第三管口47与旋风腔6之间的流路上设置有第三控制阀62。本实施例中，在压缩膨胀组件2向储液容器3内鼓入压缩气体时，第三管口47处的第三控制阀62处于关闭状态，U型管组4内升压蓄能，且当所有U型管组4的液面均停止上升后，关闭储能系统的进气总阀1，打开第三控制阀62，储液容器3通过第三管口47向各个U型管组4放气，同时打开各个U型管组4的第一控制阀43与第二控制阀44，在重力作用下U型管组4内液面下降，储液容器3内液面上升。且在储液容器3内的压缩空气充入各个U型管组4，充气结束后的压强低于压缩膨胀组件2的排气压强，但高于常压，U型管组4内气压上升。待压强平衡后，关闭各个U型管组4与旋风腔6的连接阀门，再次打开系统的进气总阀1，压缩膨胀组件2进气，加压排入储液容器3内，储液容器32中的液面再次下降，U型管组4内液面再次上升，空气进一步被压缩。循环往复上述操作，直至U型管道内气压与储液容器3内气压基本一致，至此，结束升压蓄能阶段。在上述升压蓄能阶段完成后，储能系统可进入恒压推移阶段，具体是对每一U型管组4单独进行增压，通过低增压比的压缩膨胀组件2向储液容器3内排出升压后的气体，打开对应U型管组4的第一控制阀43，关闭第二控制阀44以及另外各U型管组4的第一控制阀43与第二控制阀44，当然各第三控制阀62也处于关闭状态，增压气体从涡流管5的若干气孔分散成气泡，以气泡流的形式进入液体中，并与液体直接换热，气泡从气液分界面逸出，从而使得储液容器3的空气腔31的压强基本恒定，但因体积膨胀对气液界面施压，对应U型管组4的内侧管中的液面持续上升，待液面上升至排液口45处，带压液体沿导液管46经雾化喷嘴，进入旋风腔6喷雾，同时维持U型管组4的内侧管的液位，关闭给U型管组4的第一控制阀43，同时打开第二控制阀44，按照上述过程对该U型管组4的外侧管增压，且当U型管组4内的气压持续上升，直至气压稳定，关闭第二控制阀44。至此，完成对该U型管组4的加压，可以依次重复上述步骤，对另外各U型管组4进行加压至恒压推移阶段完成，储能系统的储能步骤完成。最终，竖直管道内空气高于储液容器空气，且两者都高于常压，其中储液容器气压主要取决于压缩机排气压强。

优化上述实施例，储能系统还包括有导气管7，导气管7连通空气腔31与旋风腔6，压缩膨胀组件2的膨胀机进气口与导气管7连通，在导气管7上设置有第四控制阀71，且该第四控制阀71位于压缩膨胀组件2的膨胀机进气口与空气腔31之间的流路上。本实施例中，导气管7连通旋风腔6与空气腔31，进而实现空气腔31与第三管口47之间的连通，而第四控制阀71则是用于控制导气管7上压缩膨胀组件2的膨胀机进气口与空气腔31之间的流路通断，当压缩膨胀组件2通过压缩机向储液容器3内鼓入气泡流时，该第四控制阀71关闭，增压后的气体只能经涡流管5进入储液容器3内，而当关闭储能系统的进气总阀1，打开第三控制阀62时，则应打开第四控制阀71，由于涡流管5的气孔位于液体内，储液容器3内压缩气体需经导气管7向各U型管组4内放气。对此，通过导气管7与第四控制阀71可以有效实现储液容器3与各U型管组4之间的放气过程，便于储能系统实现后续的恒压推移过程。

参见图1以及图4，进一步地，导气管7与进气总阀1连通，且在导气管7上设置有第五控制阀72，第五控制阀72位于旋风腔6与第四控制阀71之间的流路上。本实施例中，外界气体经进气总阀1进入导气管7内，再经导气管7进入压缩膨胀组件2进行气体增压，而设置第五控制阀72，则是用于控制导气管7的压缩膨胀组件2的膨胀机进气口(压缩膨胀组件2的压缩机出气口)与旋风腔6之间的流路，其主要是用于控制后续释能过程。具体为，当储能系统的储能步骤完成后，储液容器3内气体容积最大，且各个U型管组4的第一控制阀43与第二控制阀44均保持关闭，至此，关闭储能系统的进气总阀1，打开第四控制阀71，同时关闭第五控制阀72，当然还应关闭出液口61与压缩膨胀组件2的压缩机进口81(压缩膨胀组件2的膨胀机出口82)之间流路上的第六控制阀63，储液容器3内的压缩空气进入压缩膨胀组件2的膨胀机内，推动其膨胀做功，输出机械能，此时压缩膨胀组件2为膨胀机与发电机配合，膨胀机推动发电机工作发电。而另一方面，逐一开启各个U型管组4的第一控制阀43与第二控制阀44，则储液容器3内液面逐渐上升，推移使得其中的气体基本排出，同时，U型管组4内压缩空气膨胀，压强降低，U型管组4内液体蒸发加剧，储热热水蒸发，其潜热释放，U型管组4内气液界面气体侧由饱和水蒸气和减压后的空气组成。当所有U型管组4的第一控制阀43与第二控制阀44全部打开后，打开第五控制阀72，之后逐一开启各个U型管组4的第三控制阀62，U型管道内气体排入压缩膨胀组件2的膨胀机内，在此过程中储液容器3液位逐级下降，直至各个U型管道内的液面与储液容器3中的液面在同一个水平面上保持稳定，释能过程结束。在释能结束后，还需要将U型管组4内残余液体泵回储液容器3内，具体操作实施例如下：首先关闭系统进气总阀1，打开第五控制阀72，同时各个U型管组4的阀门第一控制阀43、第二控制阀44以及第三控制阀62保持开启，电机驱动压缩膨胀组件2的压缩机向各个U型管组4注气加压，打开第四控制阀71，在气压驱动作用下，储液容器3中的液面逐渐上升，U型管组4内液面逐渐下降，直至各U型管组4内液体基本排空，关闭各U型管组4的第一控制阀43与第二控制阀44，则液体完全泵回储液容器3内。另外由于压缩膨胀组件2在储能阶段用作压缩机功能，且与电机配合，由电机驱使压缩机工作，而在释能阶段用作膨胀机，膨胀机与发电机配合，通过膨胀机驱使发电机工作发电，压缩膨胀组件2采用滑片式或涡旋式结构，以使系统结构较为紧凑，它们转速较低，通过阀门控制进气流量，实现对运行工况的调整。

参见图1，继续优化上述实施例，在储液容器3的外表面上设置有盘管8，盘管8具有进口81与出口82，压缩膨胀组件2的膨胀机出气口与进口81连通。本实施例中，储能系统处于释能过程时，压缩膨胀组件2的膨胀机排出的气体由进口81进入盘管8内，通过盘管8与储液容器3的外壁换热，输出冷量，最后从盘管8的出口82排入大气。通常，盘管8的进口81靠近储液容器3的顶端，而出口82则靠近储液容器3的底端，从而使得膨胀机排出的气体在盘管8内具有较长的路径，可与储液容器3形成较好的换热效果。

可以理解，本发明提供的等温压缩空气储能系统，在储能阶段的充气加压过程中，管组内的高压空气向液柱和环境放热；在释能阶段，减压后的空气从环境和液柱吸收热量，其中，潜在地，管道内高压空气急剧的减压放气过程可能引起液柱的E相变(闪蒸)。通过储能和释能的一个周期循环实现热泵效应，对系统压缩自身产生的压缩热和环境热量进行利用；系统中涡流管在升压蓄能阶段后期，将含有压缩热的压缩机排气分成冷、热两股气流，涡流管自身产生热泵效应，将排气热量更多地泵入储液容器，被储液容器中的水吸收，同时产生一股冷气流。

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)

1.一种等温压缩空气储能系统，包括进气总阀以及与所述进气总阀连通的压缩膨胀组件，其特征在于：还包括储液容器、U型管组以及涡流管，所述储液容器内填充有液体且液面与所述储液容器的内壁之间形成空气腔，所述涡流管一端与所述压缩膨胀组件连通，另一端伸入所述储液容器的液体内，且所述涡流管伸入所述液体内的端部设置有若干气孔，所述U型管组的两个顶端均为闭口结构且设置有第一管口与第二管口，所述第一管口与所述第二管口均连通至所述储液容器的底端，且所述U型管组设置有靠近所述第一管口处的第一控制阀以及靠近所述第二管口处的第二控制阀。

2.如权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述U型管组上还开设有排液口，所述排液口位于所述第一控制阀与所述第二控制阀的上方且连通有供液体通过的导液管。

3.如权利要求2所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：还包括旋风腔，所述导液管连通所述旋风腔，且所述导液管于连通所述旋风腔的端口处设置有喷嘴。

4.如权利要求3所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述U型管组还设置有第三管口，所述旋风腔连通所述第三管口与所述空气腔，且于所述第三管口与所述旋风腔之间的流路上设置有第三控制阀。

5.如权利要求4所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：还包括导气管，所述导气管连通所述空气腔与所述旋风腔，所述压缩膨胀组件的膨胀机进气口与所述导气管连通，且所述导气管上设置有第四控制阀，所述第四控制阀位于所述压缩膨胀组件的膨胀机进气口与所述空气腔之间的流路上。

6.如权利要求5所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述导气管与所述进气总阀连通，所述导气管上还设置有第五控制阀，所述第五控制阀位于所述旋风腔与所述第四控制阀之间的流路上。

7.如权利要求2所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述旋风腔具有出液口，所述出液口与所述压缩膨胀组件的压缩机进口连通。

8.如权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：于所述储液容器的外表面上设置有盘管，所述盘管具有进口与出口，所述压缩膨胀组件的膨胀机出气口与所述进口连通。

9.如权利要求8所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述进口靠近所述储液容器的顶端，所述出口靠近所述储液容器的底端。

10.如权利要求1所述的等温压缩空气储能系统，其特征在于：所述U型管组为多组，各所述U型管组均连通至所述储液容器的底端且各所述U型管组之间均为并联。