CN107542649A - 低温高压液态空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温高压液态空气储能系统，所述系统包括驱动电机、压缩机组、冷却器单元、蓄冷器、液空储罐、节流阀、加热器单元、膨胀机组以及发电机，其中，所述驱动电机、所述压缩机组、所述冷却器单元、所述蓄冷器、所述液空储罐依次连接形成储能通道；所述液空储罐、所述节流阀、所述蓄冷器、所述加热器单元、所述膨胀机组以及所述发电机依次连接形成释能通道。本系统中空气以高压低温液态方式存储在液态储罐中，可以不受地理环境的限制，储能密度高，且系统液化率理论上可达到100％，没有返流气体的损失，储能的效率得以进一步提升；此外，本发明系统结构更加简单且能耗较低。

Description

低温高压液态空气储能系统

技术领域

本发明涉及电力储存技术领域，尤其涉及一种低温高压液态空气储能系统。

背景技术

随着社会的快速发展，人类对电能的使用和依赖变得越来越大。电能属于二次能源，是由其他形式的能量转换而来，主要有火力发电、水力发电、核电、风力发电、太阳能发电等。目前发电比例最大的是燃煤、天然气等化石能源，然而由于化石能源的不可再生性，将面临资源耗尽。随着可再生能源的普及和利用，环保的发电形式逐步成熟，然而由于可再生能源的间歇性和反调峰特性，一直难以达到大规模集中利用；同时受到自然环境的约束，一部分能源利用效率低下，例如目前我国风电的平均弃风率已高达15％以上。因此迫切需要提高电能质量，大力发展相关电力储能技术。

目前已有的储能技术有电池储能、抽水蓄能、压缩空气等，电池储能由于循环寿命有限，储能量小，生产和后处理过程存在污染，所以现在大储能容量的抽水蓄能和压缩空气技术被广泛应用和研究。

压缩空气储能系统分为补燃式和非补燃式两类。当前国际上投入商业运行的压缩空气储能系统，大多采用补燃的方式：在储能时，电机驱动压缩机将空气压缩至高压并存储在地下废弃的矿洞中，完成高压空气的存储；释能时，矿洞中的高压空气进入燃气轮机，在燃烧室中与燃料混合燃烧，驱动燃气轮机做功，带动发电机对外输出电能，从而完成发电过程。与补燃式压缩空气储能系统相对应的是非补燃式压缩空气储能系统，该系统基于常规的压缩空气储能系统发展而来，通过回热技术，将储能时压缩过程中产生的压缩热收集并存储，待系统释能时用以加热进入透平的空气，从而摒弃了燃料补燃。非补燃式压缩空气储能系统不仅消除了对燃料的依赖，实现了温室气体零排放，同时综合利用了压缩热，系统效率得到提高。

但压缩空气储能系统采用高压储气形式，没有突破储气密度过低这一严重限制压缩空气储能发展的问题。为解决储气室限制问题，国内外学者相继开展液态空气储能技术的研究，目前的液化方案主要是蓄冷器与节流阀组合，高压空气在蓄冷器中与蓄冷介质直接接触或非直接接触换热，通过节流阀降温降压后存于储罐；或者是从高压空气中抽出一部分进入气体膨胀机，冷量返回给蓄冷器，而另一部分空气经过蓄冷器换热，再通过节流阀降温降压。但是储能过程中空气经节流阀节流后进入两相区，存在一部分返流气损失，因此获得的液态空气有所损失。

因此，迫切需要提供一种提高系统储能效率和具有高液化率的低温高压液态空气储能系统。

发明内容

基于此，有必要提供一种低温高压液态空气储能系统，可提高系统储能效率，并具有高液化率。

本发明揭示了一种低温高压液态空气储能系统，所述系统包括驱动电机、压缩机组、冷却器单元、蓄冷器、液空储罐、节流阀、加热器单元、膨胀机组以及发电机，其中，所述驱动电机、所述压缩机组、所述冷却器单元、所述蓄冷器、所述液空储罐依次连接形成储能通道；所述液空储罐、所述节流阀、所述蓄冷器、所述加热器单元、所述膨胀机组、所述发电机依次连接形成释能通道。

优选地，所述压缩机组包括n(n≥1)级串联的压缩机，对应地，所述冷却器单元包括n(n≥1)级冷却器。

优选地，所述膨胀机组包括m(m≥1)级串联的膨胀机，对应地，所述加热器单元包括m(m≥1)级加热器。

优选地，所述蓄冷器包括工质和换热器，所述工质为液体预冷工质或多级梯度固液相变工质。

优选地，所述系统还包括储热流体，所述储热流体、所述加热器单元和所述冷却器单元组成储热系统，所述储热流体为一种20℃-300℃的单相流体。

优选地，所述压缩机组中压力范围为5MPa～15MPa。

优选地，所述压缩机或膨胀机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种组合。

优选地，所述储能系统还包括与所述液空储罐连接的稳压装置。

本发明公开的低温高压液态空气储能系统，空气以高压低温液态方式存储在液态储罐中，可以不受地理环境的限制，储能密度高，且在理论上，本发明提供的空气储能系统液化率可达到100％，没有返流气体的损失，储能的效率得以进一步提升；此外，本发明利用节流阀降温以补充系统冷量损失，不必额外输入冷量，且膨胀过程中无需低温泵对液态空气增压，系统结构更加简单且能耗较低。

附图说明

图1为本发明提供的低温高压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，下面将对本发明进行更全面的描述。下述实施例中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

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例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明提供了一种低温高压液态空气储能系统，其包括驱动电机100、压缩机组120、冷却器单元140、蓄冷器160、液空储罐180、节流阀200、加热器单元220、膨胀机组240以及发电机260。其中，驱动电机100、压缩机组120、冷却器单元140、蓄冷器160、液空储罐180依次连接形成储能通道；液空储罐180、节流阀200、蓄冷器160、加热器单元220、膨胀机组240以及发电机260依次连接形成释能通道。

压缩机组120包括n(n≥1)级串联的压缩机，对应地，冷却器单元140包括n(n≥1)级冷却器。

具体地，请参图1所示，本发明提供的一种实施例中压缩机组120包括第一压缩机1200、第二压缩机1220、第三压缩机1240，冷却器单元140包括第一冷却器1400、第二冷却器1420、第三冷却器1440。第一压缩机1200与第一冷却器1400相连，第二压缩机1220与第一冷却器1400和第二冷却器1420相连，第三压缩机1240与第二冷却器1420和第三冷却器1440相连。

上述压缩机组120和冷却器单元140中压缩机和冷却器的个数可以根据实际需要进行配置。

在上述压缩机组120中，压缩机进行压缩的压力范围为5MPa～15MPa。

膨胀机组240包括m(m≥1)级串联的压缩机，对应地，加热器单元220包括m(m≥1)级加热器。

具体地，请参图1所示，本发明提供的一种实施例中膨胀机组240包括第一膨胀机2400、第二膨胀机2420、第三膨胀机2440，加热器单元220包括第一加热器2200、第二加热器2220、第三加热器2240。第一膨胀机2400与第一加热器2200和第二加热器2220相连，第二膨胀机2420与第二加热器2220和第三加热器2240相连，第三膨胀机2440与第三加热器2240相连。

上述膨胀机组240和加热器单元220中膨胀机和加热器的个数可以根据实际需要进行配置。

压缩机组120和膨胀机组240可根据空气流量的大小进行选型，如螺杆式、活塞式、离心式等，即压缩机或膨胀机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种组合，并且可选择多台串/并联。

蓄冷器160包括工质和换热器，该工质为液体预冷工质或多级梯度固液相变工质。若该工质为液体预冷工质，其在低温换热器中循环流动，可以显热形式回收和再利用冷量；若该工质为多级梯度固液相变工质，换热器中依次放置该蓄冷工质，利用相变潜热实现空气温度梯级变化，可以潜热形式进行冷量回收和利用。

该储能系统还包括储热流体(未图示)，该储热流体、加热器单元220和冷却器单元140组成储热系统，该储热流体为一种20℃-300℃的单相流体，该流体可以选择导热油作为储热工质。储热系统用于回收并储存压缩过程产生的压缩热，然后加热进入各级膨胀机前的压缩空气。该储热系统还包括热罐300和冷罐400，用于存储储热流体。

此外，储能系统还包括与液空储罐180连接的稳压装置(未图示)，以维持该液空储罐180内部压力的恒定。

在储能阶段，驱动电机100带动压缩机组120将进入的空气进行压缩，并进入冷却器单元140，储热流体在泵的作用下从冷罐400中流入第三冷却器1440、第二冷却器1420、第一冷却器1400，并对进入冷却器单元140中的压缩气体进行冷却，且压缩机组120产生的压缩热被储热流体吸收。

具体地，驱动电机100带动第一压缩机1200将从位置1进入的空气进行压缩，压缩后的气体顺着2进入第一冷却器1400进行冷却，且压缩产生的压缩热被进入第一冷却器1400中的储热流体吸收，冷却后的空气顺着3、4、5、6依次通过第二压缩机1220、第二冷却器1420、第三压缩机1240和第三冷却器1440被压缩和冷却，储热流体从在冷罐中的20℃在接收压缩热后流入热罐300，温度上升为300℃。空气在经过压缩机组120和冷却器单元140的压缩和冷却后，顺着7的方向进入蓄冷器160中进行液化。液化后的空气顺着8以高压低温液态的方式储存在液空储罐180中。

在释能阶段，打开液空储罐稳压装置，维持内部压力恒定，液空储罐180中的液态空气顺着9进入节流阀200，并在节流阀200中进行降温，后该液态空气顺着10进入蓄冷器160，蓄冷器160中的蓄冷工质吸收液态空气中的冷量，使液态空气升温气化，并顺着11进入第四加热器500以提升空气的温度。加热后的空气进入加热器单元220和膨胀机组240进行加热和膨胀做功，从而带动发电机260发电。储热流体在泵的作用下从热罐300中流入第三加热器2240、第二加热器2220、第一加热器2200，并对进入加热器单元220中的气体进行加热，储热流体回到冷罐的温度为20℃。

具体地，加热后的空气顺着12进入第一加热器2200，被储热流体加热，加热后的空气顺着13、14、15、16、17依次通过第一膨胀机2400、第二加热器2220、第二膨胀机2420、第三加热器2240、第三膨胀机2440，对空气进行加热和膨胀，从而带动发电机发电。气体最终顺着18进入第四加热器500，并顺着19排出。

本发明实施例公开的低温高压液态空气储能系统，空气以高压低温液态方式存储在液态储罐中，可以不受地理环境的限制，储能密度高；且在理论上，本发明提供的空气储能系统液化率可达到100％，没有返流气体的损失，储能的效率得以进一步提升；此外，本发明利用节流阀降温以补充系统冷量损失，不必额外输入冷量，且膨胀过程中无需低温泵对液态空气增压，系统结构更加简单且能耗较低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (8)

1.一种低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述系统包括驱动电机、压缩机组、冷却器单元、蓄冷器、液空储罐、节流阀、加热器单元、膨胀机组以及发电机，其中，所述驱动电机、所述压缩机组、所述冷却器单元、所述蓄冷器、所述液空储罐依次连接形成储能通道；所述液空储罐、所述节流阀、所述蓄冷器、所述加热器单元、所述膨胀机组以及所述发电机依次连接形成释能通道。

2.如权利要求1所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述压缩机组包括n(n≥1)级串联的压缩机，对应地，所述冷却器单元包括n(n≥1)级冷却器。

3.如权利要求2所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机组包括m(m≥1)级串联的膨胀机，对应地，所述加热器单元包括m(m≥1)级加热器。

4.如权利要求3所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述蓄冷器包括工质和换热器，所述工质为液体预冷工质或多级梯度固液相变工质。

5.如权利要求4所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述系统还包括储热流体，所述储热流体、所述加热器单元和所述冷却器单元组成储热系统，所述储热流体为一种20℃-300℃的单相流体。

6.如权利要求1所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述压缩机组中压力范围为5MPa～15MPa。

7.如权利要求3所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述压缩机或膨胀机为螺杆式、活塞式或离心式其中一种或多种组合。

8.如权利要求3所述的低温高压液态空气储能系统，其特征在于，所述储能系统还包括与所述液空储罐连接的稳压装置。