CN107780989A - 一种压缩空气电力储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气电力储能系统，包括恒压储气装置、高压储液装置、储能组件和释能组件。在储能状态下，储能组件将电能转化为空气内能依次存储在恒压储气单元中，通过液压泵和液压马达发电机组调节恒压储气装置的压力恒定并回收液体；在释能状态下，恒压储气单元中的高压气体通过膨胀机组做功带动发电机发电，同时高压储液装置向恒压储气单元中注入液体维持其压力恒定，并利用液压泵组回收完成释能的储气单元中的液体。本发明通过高压液体的循环利用实现压缩空气电力储能系统的恒压储能和释能，可以有效降低大规模电力储能容量成本，提高压缩空气电力储能系统经济性。

Description

一种压缩空气电力储能系统

技术领域

本发明涉及电力转换和存储技术领域，特别是一种压缩空气电力储能系统。

背景技术

在传统化石能源面临成本攀升、资源枯竭以及环境污染等问题日益凸显的背景下，近年来风力发电、光伏发电等清洁可再生能源发电快速发展，并将逐渐代替传统化石能源成为未来的主要能源供给之一。随着具有随机性、间歇性的可再生电源在电网中的比例逐渐增大，受到电力系统的自身调节能力的限制，电能供给和消耗的不确定性增大，为了优先保证电网的安全、稳定运行，每年大量的风电、光电被弃无法上网，大量的风电机组处于闲置状态。电力储能技术可以在时间维度上对波动、间隙性的能源进行移动，是解决波动可再生电源并网质量问题，提高可再生能源利用率的有效手段。

抽水蓄能和压缩空气储能是目前适用于大规模电力储能最经济可行的两种技术。其中，抽水蓄能技术成熟应用最广，但是抽水蓄能电站的建设受到地理条件的约束，且对周围生态环境会产生重要影响。压缩空气储能技术基于燃气轮机发电技术发展而来，用电低谷时将电能以高压空气内能的形式进行存储，用电高峰时高压空气驱动燃气轮机发电。压缩空气储能电站的储气装置可以是大容量的地下洞穴、矿井等，也可以是灵活布置的钢制压力容器、管道，相对抽水蓄能电站具有储能密度大、建设周期短、不受地理条件限制等优点，且单位投资成本与抽水蓄能相当甚至更低。

现有的压缩空气储能技术存在如下不足：

（1）结构简单、低成本的恒容储气装置在储能和释能过程中储气压力是不断变化的，一方面导致压缩机组和膨胀机组不能运行在高效、稳定的设计工况，使储能系统的能量转化效率受到影响；另一方面导致储能密度较低，储能容量成本过高，储能系统的经济性差。

（2）现有的恒压储气装置，如“一种基于恒压储气的两段式储能系统”（专利申请号：201710096017.5）和“压缩空气电力储能系统”（专利授权公告号：CN 104121049 B）分别公开了一种基于气压-液压耦合的恒压储气方案，但需要配置与储气容量同等规模的高压储液容量，增大了储能容量成本；“一种水封双层恒压储气系统”（专利申请号：201610942999.0）公开了一种由特殊结构的储气罐构成的恒压储气系统，其恒压储气的原理也是气压-液压的耦合，但是其在恒压储气时可以利用液体驱动装置输出功而在恒压出气时液体驱动装置需要消耗能量，与压缩空气储能系统的能量流动方向相反，会导致系统储能密度和能量转化利用率的降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种压缩空气电力储能系统，该基于多储气单元并联恒压储气，通过空气能与电能之间的转换和循环，实现能量的回收和循环利用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种压缩空气电力储能系统，包括：

恒压储气装置，由恒压容器，该恒压容器内其内预存液体；

高压储液装置，包括高压容器，该高压容器与恒压储气装置中的常压容器连通；

储能组件，包括电动机和空气压缩机组，空气压缩机组由电动机驱动，该空气压缩机组的排气口与恒压容器的口部连通；在储能状态下，电动机驱动空气压缩机组将常压空气进行压缩并输送至恒压容器内，恒压容器将其内预存的液体排出至高压容器内以维持其自身压力恒定，当恒压容器中压力降低时，高压容器向其回充液体；

释能组件，包括发电机和膨胀机组，膨胀机组带动发电机工作，该膨胀机组的进气口与恒压容器的口部连通；在释能状态下，恒压容器向膨胀机组释放其中的高压空气，通过膨胀机组膨胀做功带动发电机发电，同时高压容器向恒压容器充液以维持其压力恒定，完成释能的恒压容器将剩余液体注入高压容器。

进一步地，恒压储气装置包括至少一个恒压容器，当恒压容器为多个时，这些恒压容器并联在储能组件与释能组件之间。

进一步地，该电力储能系统包括连通空气压缩机、多个恒压容器以及膨胀机组的第一管路，第一管路在空气压缩机的排气口处设置第一阀门，第一管路在膨胀机组的进气口处设置第二阀门，多个恒压容器通过各自相配的第三阀门并联在第一管路上。

进一步地，恒压容器与高压容器之间设有用于释放液体的第二管路和用于回充液体的第三管路，第二管路上设有液压泵和第四阀门，第三管路上设有液压马达发电机组和第五阀门。

进一步地，多个恒压容器的出口分别与第二管路和第三管路连通。

进一步地，多个恒压容器的出口设置三通阀门，三通阀门的出液端并联在第二管路上，三通阀的进液端并联在第三管路上；

在储能状态下，处于充气状态的恒压容器出口处的三通阀门的出液端打开，通过第二管路和液压泵将其中的液体排出至高压容器中，同时，待充气的恒压容器的三通阀门的进液端打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液；在释能状态下，处于释能状态的恒压容器出口处三通阀门的进液端打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液，同时，已完成释能的恒压容器出口处的三通阀门的出液端打开，通过第二管路和液压泵将其中的液体排出至高压容器中。

进一步地，多个恒压容器上分别设置第一出口和第二出口，第一出口通过出液阀门连通第二管路，第二出口通过进液阀门连通第三管路；

在储能状态下，处于充气状态的恒压容器的出液阀门打开，通过液压泵和第二管路将其中的液体排出至高压容器中，同时，待充气的恒压容器的进液阀门从上游至下游依次打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液；在释能状态下，处于释能状态的恒压容器的进液阀门打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液，同时，已完成释能的恒压容器的出液阀门从下游至上游依次打开，通过液压泵和第二管路将其中的液体排出至高压容器中。

进一步地，在储能状态下，处于充气状态的恒压容器排出至高压容器的液体流量由空气压缩机组压入恒压储气装置的气体的流量决定；高压容器向待充气的恒压容器的充液流量应等于处于充气状态的恒压容器排入高压容器的液体流量；

在释能状态下，高压容器向处于释能状态的恒压容器的充液流量由恒压储气装置进入膨胀机组膨胀做功的气体流量决定；已完成释能的恒压容器排出至高压容器的液体流量应等于高压容器向处于释能状态的恒压容器充液的液体流量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）将多个独立的恒压容器（储气单元）并联作为恒压储气装置，通过控制各个储气单元中的液体体积使其在储能和释能的过程中保持压力恒定，使得压缩空气电力储能系统在储能和释能的过程中压缩机组和膨胀机组始终运行在额定压力条件下，从而克服传统恒容储气装置在储能和释能过程中储气压力不断变化造成的系统能量转化效率低、工作不稳定等问题，提高储能效率；另一方面，恒容储气的实现大大提高了储能密度，从而提高了储能系统的经济性。

（2）通过在高压储液装置与由多个独立储气单元并联组成的恒压储气装置之间建立液压泵与液压马达发电机组循环利用回路，可利用小容量高压储液装置实现大容量恒压储气，从而大大降低基于钢制压力容器、管道等可灵活布置的地上储气装置的储能成本；另一方面，在液体循环流动过程中，同步运行的液压马达发电机组的发电量可以基本抵消液压泵的耗电量，从而提高系统的整体能量转化利用率。

本发明通过高压液体的循环利用实现了压缩空气电力储能系统的恒压储能和释能，可以有效降低大规模电力储能容量成本，提高压缩空气电力储能系统经济性，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

本发明主要元件符号说明：

1-电动机；2-空气压缩机组；3-空气压缩机组的排气口，4-第一阀门，5-第一管路，6-第三阀门，7-恒压储气装置，7-a、7-b、7-c、7-d、……、7-n-多个恒压容器，8-第二阀门，9-膨胀机组的进气口，10-膨胀机组，11-发电机，12-三通阀门，13-第二管路，14-第三管路，15-液压马达发电机组，16-第五阀门，17-液压泵，18-第四阀门， 19-高压容器，20-进液阀门，21-出液阀门。

具体实施方式

下面结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步说明。需要说明的是,附图中相似或相同的部分采用同一图号注释；未描述的实现方式为所属技术领域中所熟知的形式。

本发明提供了一种基于多储气单元恒压储气的压缩空气电力储能系统。该压缩空气电力储能系统通过将储气装置进行模块化分解为若干独立储气单元并联的形式，利用高压储液装置和各储气单元组成若干液体循环利用回路，实现对各储气单元内液体体积的控制以维持各储气单元在储能及释能过程中压力恒定，使得压缩空气电力储能系统在储能和释能的过程中压缩机组和膨胀机组始终运行在额定压力条件下，从而解决传统恒容储气装置在储能和释能过程中储气压力变化问题以及现有恒压储气装置不够灵活、成本过高的问题。

在本部分提供本发明的两种实施例，本领域技术人员应当知晓，实施例仅是对本发明的一种或几种实施方式的表述，其目的是为了更加清楚具体地描述本发明的内容，并不是为了限定本发明的保护范围。

实施例1，参照附图1。

实施例1提供一种方式的基于多储气单元恒压储气的压缩空气电力储能系统。

如图1 所示，本实施例的压缩空气电力储能系统包括：电动机1、空气压缩机组2、恒压储气装置7、三通阀门组件12、高压储液装置19、膨胀机组10以及发电机组11。其中，电动机1的驱动电源包括但不限于电网电力、核电、风电、太阳能发电等其中一种或多种组合。

空气压缩机组2由电动机1直接或者间接驱动，其进气口与环境空气相通，排气口3通过第一阀门4连接至第一管路5，第一管路5上并联有多个恒压储气装置7中的恒压容器7-a、7-b、7-c、7-d、……、7-n，各个恒压容器均通过第三阀门6连入第一管路5。

本实施例中，空气压缩机组为由2台或2台以上的空气压缩机组成的多级压缩机组，多级空气压缩机组中相邻空气压缩机之间及末级空气压缩机之后设置降温换热器对各级空气压缩机的出口空气进行冷却降温，从而实现近似等温压缩降低压缩机组单位功耗，同时还可实现对压缩热的回收利用。

第一管路5的另一端通过第二阀门8连接至膨胀机组10的进气口9，当关闭第一阀门4且打开第二阀门8时，膨胀机组10就通过第一管路5与恒压储气装置7连通，当打开第一阀门4且关闭第二阀门8时，空气压缩机组2就通过第一管路5与恒压储气装置7连通。

本实施例中，膨胀机组为由2台或2台以上的膨胀机组成的多级膨胀机组，多级膨胀机组中相邻膨胀机之间及首级膨胀机之前设置升温换热器对压缩空气进行加热升温，从而实现近似等温膨胀提高单位压缩空气的输出功。升温换热器的热源可以是储能阶段回收的压缩热、电加热以及太阳能等可再生能源加热中的一种或多种组合。

恒压储气装置7中各恒压容器的出口处通过三通阀门12与高压容器19进出液口分别连通，其中，三通阀门12的出液口通过第二管路13连接至高压容器19的进液口，在第二管路13上设置液压泵17，在高压容器19的进液口处设置第四阀门18，三通阀门12的进液口通过第三管路14连接至高压容器19的出液口，在第三管路14上设置液压马达发电机组15，在高压容器19的出液口设置第五阀门16，这样，第二管路13、第三管路14与高压容器19相连通组成液体循环回路，对各恒压容器进行压力控制使其保持恒压工作。

本实施例中，基于多储气单元恒压储气的压缩空气电力储能系统的储能状态和释能状态如下：

储能状态下，打开第一阀门4，从上游至下游（即由空气压缩机组端至膨胀机组端）依次打开恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6和三通阀门12的出液端以及第四阀门18，关闭第二阀门8，电动机1驱动空气压缩机组2工作；常温常压空气进入空气压缩机组2经过多级压缩和级间冷却，然后通过空气压缩机组2的出口处3、第一阀门4、第一管路5以及第三阀门6依次进入恒压储气装置7对应的各个恒压容器进行存储；同时通过液压泵17将恒压储气装置7中处于充气状态的恒压容器中的液体经过三通阀门12的出液端、第二管线13和第四阀门18注入高压容器19，以保持恒压储气装置7中各个恒压容器的压力恒定；之后，打开第五阀门16，并依次由下游至上游（即由膨胀机组端至空气压缩机组端）打开恒压储气装置7中待充气的恒压容器对应的三通阀门12的进液端，高压容器19中的液体经过第五阀门16通过液压马达发电机组15发电，然后经过第三管路14和三通阀门12的进液端注入恒压储气装置7中待充气的恒压容器中，以实现液体在储能过程中的循环利用；储能结束，关闭第一阀门4、第五阀门16、第四阀门18以及恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6和三通阀门12。

释能状态下，打开第二阀门8，有下游至上游依次打开恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6、三通阀门12的进液端以及第五阀门16，关闭第一阀门4；恒压储气装置7中各恒压容器内的高压空气经过第三阀门6、第一管路5、第二阀门8和膨胀机组的进气口9进入膨胀机组10进行级间加热和多级膨胀做功，从而带动发电机11发电；同时，高压容器19中的液体经过第五阀门16带动液压马达发电机组15发电，然后经过第三管路14和处于释能状态的恒压容器的三通阀门12的进液端注入恒压储气装置7中对应的恒压容器中，以保持恒压储气装置7中各恒压容器的压力恒定；然后，打开第四阀门18，并由上游至下游依次打开恒压储气装置7中已完成释能的恒压容器对应的三通阀门12的出液端，通过液压泵17将恒压储气装置7中已完成释能的恒压容器中的液体经过三通阀门12的出液端、第二管路13和第四阀门18注入高压容器19，以实现液体在储能过程中的循环利用；释能结束，关闭第二阀门8、第五阀门16、第四阀门18以及恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6和三通阀门12。

一般情况下，本发明压缩空气电力储能系统的储能状态和释能状态不同时存在。在储能状态下，液压泵17和液压马达发电机组15的流量由空气压缩机组2的流量控制，以保持恒压储气装置7的充气压力恒定和高压容器19的压力稳定；在释能状态下，液压泵17和液压马达发电机组15的流量由膨胀机组10的流量控制，以保持恒压储气装置7的释能压力恒定和高压容器19的压力稳定。

实施例2，参照附图2。

实施例2提供另一种方式的基于多储气单元恒压储气的压缩空气电力储能系统。

本实施例的结构组成与第一实施例类似，区别仅在于恒压储气装置7中各恒压容器和高压容器19之间的连接关系。

如图2所示，恒压储气装置7中各恒压容器通过对应的出液阀门20与第一管路13连接，并通过对应的进液阀门21与第二管路14连接，从而与高压容器19组成液体循环回路，对各恒压容器进行压力控制使其保持恒压工作，也就是说，在本实施例中，将三通阀门12替换成出液阀门20和进液阀门21，其他实施方式与实施例1相同。

本实施例中，基于多储气单元恒压储气的压缩空气电力储能系统的储能状态和释能状态如下：

储能状态下，打开第一阀门4，从上游至下游依次打开恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6、出液阀门20以及第四阀门18，关闭第二阀门8；电动机1驱动空气压缩机组2工作；常温常压空气进入空气压缩机组2经过多级压缩和级间冷却，然后通过空气压缩机组2的出口处3、第一阀门4、第一管路5以及第三阀门6依次进入恒压储气装置7对应的恒压容器存储；同时，通过液压泵17将恒压储气装置7中处于充气状态的恒压容器中的液体经过出液阀门20、第二管路13和第四阀门18注入高压容器19，以保持恒压储气装置7中恒压容器的压力恒定；然后，打开第五阀门16，并有下游至上游依次打开恒压储气装置7中待充气的恒压容器对应的进液阀门21，高压容器19中的液体经过第五阀门16通过液压马达发电机组15发电，然后经过第三管路14和进液阀门21注入恒压储气装置7中待充气的恒压容器中，以实现液体在储能过程中的循环利用；储能结束，关闭第一阀门4、第五阀门16、第四阀门18以及恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6、出液阀门20和进液阀门21。

释能状态下，打开第二阀门8，由下游至上游依次打开恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6、进液阀门21以及第五阀门16，关闭第一阀门4；恒压储气装置7中各恒压容器内的高压空气经过第三阀门6、第一管路5、第二阀门8和膨胀机组的进气口9进入膨胀机组10进行级间加热和多级膨胀做功，从而带动发电机11发电；同时，高压容器19中的液体经过第五阀门16带动液压马达发电机组15发电，然后经过第三管路14和处于释能状态的恒压容器的进液阀门21注入恒压储气装置7中对应的恒压容器中，以保持恒压储气装置7中各恒压容器的压力恒定；然后，打开第四阀门18，并由上游至下游依次打开恒压储气装置7中已完成释能的恒压容器对应的出液阀门20，通过液压泵17将恒压储气装置7中已完成释能的恒压容器中的液体经过出液阀门20、第一管路13和第四阀门18注入高压容器19，以实现液体在储能过程中的循环利用；释能结束，关闭第二阀门8、第五阀门16、第四阀门18以及恒压储气装置7中各恒压容器对应的第三阀门6、出液阀门20和进液阀门21。

至此，已经结合附图对本发明两个实施例基于多储气单元恒压储气的压缩空气电力储能系统进行了详细描述。

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 (8)

1.一种压缩空气电力储能系统，其特征是，包括：

恒压储气装置，由恒压容器，该恒压容器内其内预存液体；

高压储液装置，包括高压容器，该高压容器与恒压储气装置中的常压容器连通；

储能组件，包括电动机和空气压缩机组，空气压缩机组由电动机驱动，该空气压缩机组的排气口与恒压容器的口部连通；在储能状态下，电动机驱动空气压缩机组将常压空气进行压缩并输送至恒压容器内，恒压容器将其内预存的液体排出至高压容器内以维持其自身压力恒定，当恒压容器中压力降低时，高压容器向其回充液体；

释能组件，包括发电机和膨胀机组，膨胀机组带动发电机工作，该膨胀机组的进气口与恒压容器的口部连通；在释能状态下，恒压容器向膨胀机组释放其中的空气，通过膨胀机组膨胀做功带动发电机发电，同时高压容器向恒压容器充液以维持其压力恒定，完成释能的恒压容器将剩余液体注入高压容器。

2.根据权利要求1所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，恒压储气装置包括至少一个恒压容器，当恒压容器为多个时，这些恒压容器并联在储能组件与释能组件之间。

3.根据权利要求2所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，该电力储能系统包括连通空气压缩机、多个恒压容器以及膨胀机组的第一管路，第一管路在空气压缩机的排气口处设置第一阀门，第一管路在膨胀机组的进气口处设置第二阀门，多个恒压容器通过各自相配的第三阀门并联在第一管路上。

4.根据权利要求2所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，恒压容器与高压容器之间设有用于释放液体的第二管路和用于回充液体的第三管路，第二管路上设有液压泵和第四阀门，第三管路上设有液压马达发电机组和第五阀门。

5.根据权利要求4所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，多个恒压容器的出口分别与第二管路和第三管路连通。

6.根据权利要求5所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，多个恒压容器的出口设置三通阀门，三通阀门的出液端并联在第二管路上，三通阀的进液端并联在第三管路上；

在储能状态下，处于充气状态的恒压容器出口处的三通阀门的出液端打开，通过第二管路和液压泵将其中的液体排出至高压容器中，同时，待充气的恒压容器的三通阀门的进液端打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液；在释能状态下，处于释能状态的恒压容器出口处三通阀门的进液端打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液，同时，已完成释能的恒压容器出口处的三通阀门的出液端打开，通过第二管路和液压泵将其中的液体排出至高压容器中。

7.根据权利要求5所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，多个恒压容器上分别设置第一出口和第二出口，第一出口通过出液阀门连通第二管路，第二出口通过进液阀门连通第三管路；

在储能状态下，处于充气状态的恒压容器的出液阀门打开，通过液压泵和第二管路将其中的液体排出至高压容器中，同时，待充气的恒压容器的进液阀门从上游至下游依次打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液；在释能状态下，处于释能状态的恒压容器的进液阀门打开，高压容器中的液体通过液压马达发电机组和第三管路向其中充液，同时，已完成释能的恒压容器的出液阀门从下游至上游依次打开，通过液压泵和第二管路将其中的液体排出至高压容器中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的压缩空气电力储能系统，其特征是，

在储能状态下，处于充气状态的恒压容器排出至高压容器的液体流量由空气压缩机组压入恒压储气装置的气体的流量决定；高压容器向待充气的恒压容器的充液流量应等于处于充气状态的恒压容器排入高压容器的液体流量；

在释能状态下，高压容器向处于释能状态的恒压容器的充液流量由恒压储气装置进入膨胀机组膨胀做功的气体流量决定；已完成释能的恒压容器排出至高压容器的液体流量应等于高压容器向处于释能状态的恒压容器充液的液体流量。