CN108266229B - 一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,包括电动机、空气压缩机组、储气罐、膨胀机组以及发电机，电动机的输出端与空气压缩机组的输入端连接，空气压缩机组的出气端与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端与膨胀机组的进气端连接，膨胀机组的输出端与发电机连接，还包括设置在储气罐中的活塞，活塞将储气罐的内腔隔成第一腔室和第二腔室，活塞以可移动的方式设置在储气罐中，第一腔室与压缩空气机组的出气端连通，第二腔室中设有挥发性流体，还包括用于与第二腔室进行热交换的换热系统。采用本发明的技术方案后，完全利用储气罐内的压缩空气，能够减少了㶲损失，提升能量利用效率。

Description

一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统。
背景技术
能源需求的不断增长，能源的高效利用势在必行，但电网运行时出现的问题造成了极大的浪费和破坏。储能技术能够改善电能品质，维持电力系统稳定；克服可再生能源(风能、太阳能等)的间歇性特点，利用储能技术把风能、太阳能等能源“拼接”起来，可以形成稳定的电力供应向用户按需、持续供电；储能单元形成可调度的机组，根据电价的谷峰值来储释能，提高电力的经济效益。绝热压缩空气储能是新型存储技术，具有良好的循环效率和存储能力。
压缩空气储能(CAES)包括压缩机、膨胀机、储气装置、电动机和发电机、燃烧室及换热器、控制系统和辅助设备等。CAES是以存储高度压缩空气的形式来进行电力储能：在用电低谷时段，来自电网的多余电能或风电、太阳能等不易储藏的电力用于驱动电动机，带动压缩机，压缩空气并储存在储气室内，以备高峰负荷时用于发电。气体释放时，经一定环节升温后推动膨胀机做功发电。
传统的CAES通常需要将压缩空气储存在地下溶洞中，而苛刻的地理条件就成为限制其推广的主要因素。目前，在释能时，随压缩空气量的减少，压缩空气的压力不断减小，为保证膨胀机的稳定运行，需要通过稳压装置将高压空气节流降压后使用，浪费了大量的压缩能，且压缩空气的节流过程中造成了能量损失。此外，随着储气罐内压力的降低，最终会有低压空气未被利用，压缩空气利用不完全，储气罐利用效率低。
鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减少能量浪费、提升能量利用效率的基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,包括电动机、空气压缩机组、储气罐、膨胀机组以及发电机，电动机的输出端与空气压缩机组的输入端连接，空气压缩机组的出气端与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端与膨胀机组的进气端连接，膨胀机组的输出端与发电机连接，还包括设置在储气罐中的活塞，活塞将储气罐的内腔隔成第一腔室和第二腔室，活塞以可移动的方式设置在储气罐中，第一腔室与压缩空气机组的出气端连通，第二腔室中设有挥发性流体，还包括用于与第二腔室进行热交换的换热系统。
作为本发明的一种优选方式，所述空气压缩机组包括低级压缩机、高级压缩机、级间冷却器以及级后冷却器，所述电动机、低级压缩机以及高级压缩机同轴设置，低级压缩机的出气端与级间冷却器的进气端连接，级间冷却器的出气端与高级压缩机的进气端连接，高级压缩机的出气端与级后冷却器的进气端连接，级后冷却器的出气端与所述第一腔室的进气端连接。
作为本发明的一种优选方式，所述级后冷却器的出气端与所述第一腔室的进气端之间设有第一控制阀。
作为本发明的一种优选方式，所述膨胀机组包括低压膨胀机、高压膨胀机、一级换热器以及二级换热器，所述发电机、低压膨胀机以及高级膨胀机同轴设置，一级换热器的进气端与所述第一腔室的出气端连接，一级换热器的出气端与高压膨胀机的进气端连接，高压膨胀机的出气端与二级换热器的进气端连接，二级换热器的出气端与低压膨胀机的进气端衔接。
作为本发明的一种优选方式，所述第一腔室的出气端与所述一级换热器的进气端之间设有第二控制阀。
作为本发明的一种优选方式，所述挥发性流体为二氧化碳、氢氟烃类流体、碳氢烃类流体以及烯氟烃类流体中的一种或者多种的混合物。
采用本发明的技术方案后，在储能时，高压空气进入储气罐的第一腔室，推动活塞运动，运动的活塞压缩第二腔室的挥发性气体，使得挥发性气体压力和温度升高，与换热系统进行热交换后液化，直至活塞将所有气态挥发性流体压成液态，此时储气罐内的压缩空气的储量达到最大状态。释能时，储气罐内的压缩空气流出，同时挥发性流体吸收换热系统的热量，部分液态流体转化为气态流体以保证活塞两侧压力不因为体积变化而改变，因此压缩空气可以以恒定的压力向外输出。液态的挥发性气体不断吸收热量并转化成气态，直到活塞将所有的压缩空气推送出储气罐，储气罐内置活塞不仅使储气罐内的压缩空气处于恒压状态，而且释能时可以完全利用储气罐内的压缩空气，能够减少了
Figure GDA0002362593950000031
损失，提升能量利用效率。
附图说明
图1为本发明中电动机、空气压缩机组以及储气罐配合的结构示意图；
图2为本发明中储气罐、膨胀机组以及发电机配合的结构示意图；
图3为本发明中储能时储气罐内活塞的运动过程示意图；
图4为本发明中释能时储气罐内活塞的运动过程示意图；
图中：
10-电动机 20-压缩空气机组
21-低级压缩机 22-高级压缩机
23-级间换热器 24-级后换热器
30-储气罐 31-第一腔室
32-第二腔室 33-活塞
34-第一控制阀 35-换热系统
36-第二控制阀 40-膨胀机组
41-低压膨胀机 42-高压膨胀机
43-二级换热器 44-一级换热器
50-电动机
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。
参照图1至图4，本发明包括电动机10、空气压缩机组20、储气罐置30、膨胀机组40以及发电机50。
空气压缩机组20的作用是将电网多余的电能转化为压缩空气的压力能。空气压缩机组20包括若干台空气压缩机，各压缩机按照设计压力从低到高的顺序通过管道串联连接，可以将空气压缩到对应不同功率等级的压力。第一台空气压缩机设计的进口压力为大气压力，其后每台空气压缩机设计的进口压力为前面一台空气压缩机的出口压力。最后一台空气压缩机的出口压力为最大压力等级，最终储存在储气罐中，在实施例中，选用两台空气压缩机，即低级压缩机21和高级压缩机22。
本发明还包括储能装置60，用于储存压缩机出口高温气体的热量，降低压缩机或储气罐30入口的气体温度，以降低压缩机的压缩功以及提高储气罐30的储存效率。在放电过程中，用于加热储气罐30和高压膨胀机44出口的气体的温度，以提高膨胀机的膨胀功，提高系统的循环效率。此外，储能装置60利用自身压缩热来提高放电过程中的气体温度，不需要利用化石燃料，因此系统清洁高效。
储气罐30，用于储能时输入压缩后的空气，或释能时输出所储存的压缩空气。本发明的储气罐30内有一活塞33，活塞33一侧为第一腔室31，内装有压缩空气，另一侧为第二腔室32，内装有挥发性流体。其具体的工作方式是：在储能时，高压空气进入储气罐30，推动活塞33运动，运动的活塞33压缩第二腔室32的挥发性气体，使得挥发性气体压力和温度升高，与外界(具体采用换热系统35，换热系统35的热量可以从储能装置60中引用)进行热交换后液化，直至活塞33将所有气态挥发性流体压成液态；此时储气罐30内的压缩空气的储量达到最大状态。释能时，储气罐30内的压缩空气流出，同时挥发性流体吸收外界热量，部分液态流体转化为气态流体以保证活塞33两侧压力不因为体积变化而改变，因此压缩空气可以以恒定的压力向外输出。液态的挥发性气体不断吸收热量并转化成气态，直到活塞33将所有的压缩空气推送出储气罐30。储气罐30内置活塞33不仅使储气罐30内的压缩空气处于恒压状态，而且释能时可以完全利用储气罐30内的压缩空气。储气罐30底部排布小型循环降温和加热系统(即换热系统35，采用热力学领域的常规换热系统)，在储能时，带走挥发性流体液化过程产生的热量，释能时供给气化所需的热量，及时的弥补因压缩或膨胀带来的温差，使得整个储气罐30内挥发性流体处于一个恒温恒压的状态，从而保证了压缩空气的恒压。采用这种结构的益处：1、储气罐30内的压缩空气处于恒压状态，减少火用损失；2、释能时储气罐30内的压缩空气能被全部利用，提高储气罐30效率；3、利用低品位的废热来弥补挥发性流体膨胀时所需的热量，使得整个储气罐30内挥发性流体处于一个恒温、恒压的状态。
膨胀机组40包括高压膨胀机42、低压膨胀机41、一级换热器44和二级换热器43。储气罐30中的高压空气在第二控制阀36的作用下降到一定压力后进入换热器(一级换热器44和二级换热器43)中吸收废热中的热量，温度升高后进入膨胀机(高压膨胀机42、低压膨胀机41)工作，带动发电机50发电。由于换热器中的热量由废热提供，无需消耗燃料的同时对废热进行回收利用。其中，发电机50与所述膨胀机连接，用于在所述膨胀机做功时带动发电机50发电。
本发明中空气压缩机和膨胀机的台数不限，种类不限，可以是活塞式、轴流式、离心式、螺杆式等，也可以是不同种类的组合。
本发明中挥发性流体，种类不限，可以是二氧化碳、氢氟烃类、碳氢烃类、烯氟烃类等，可以是纯组分也可以是多元混合物。
本发明中换热器或者换热系统的种类不限，可以是套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、管翅式或板翅式。
本发明中的活塞的种类不限，可以是常规活塞或柔性隔膜。
本发明在储能过程中，电动机10利用低谷电带动空气压缩机组20，空气进入低级压缩机21，升温升压，压缩后的空气经管路进入级间冷却器23，并将热量储存在储能装置60中，冷却后的空气经管路进入高级压缩机23继续压缩并升压，压缩后进入级后换热器24降至常温进入储气罐30中。高压气体进入储气罐30，活塞33两侧的压差使得活塞33开始运动，运动的活塞33在高压空气的推动下压缩第二腔室32的挥发性气体，同时由于被压缩，温度上升，利用换热系统35对挥发性气体进行降温，挥发性气体逐渐开始液化，直至所有气态挥发性流体全部液化，储能结束。
空气在压缩过程中温度会升高，而较高的温度会使压缩过程电动机的耗功增加，降低储能效率。因此在储能过程中，级间冷却器23和级后换热器24主要是为对压缩后的空气进行冷却，并将压缩热储存在储能装置60中。
在释能过程中，此时高压储气罐30内气体处于高压力，高压空气经第二控制阀36节流降压至恒定压力,使用储能装置60的压缩热，经一级换热器44对压缩空气进行加热后进入高压膨胀机42中膨胀做功，高压膨胀机42的排气经二级换热器43加热后进入低压膨胀机41膨胀继续做功，两膨胀机组与发电机50相连，膨胀机组做功时带动发电机50进行发电。在此过程中，由于压缩空气侧的气体压力在排出，使得活塞33两侧的压力产生变化，压差推动储气罐30内的活塞33开始向储气罐30顶部运行，挥发性液体也开始向气态转变。释能过程可以一直持续到活塞33运动到储气罐30顶部。
储存的压缩空气能够被完全利用，且在释能过程中，活动的活塞33使得压缩空气侧的空气压力维持在定值即恒压效果，减少了巨大压差带来的
Figure GDA0002362593950000061
损失。
本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (6)

1.一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,包括电动机、空气压缩机组、储气罐、膨胀机组以及发电机，电动机的输出端与空气压缩机组的输入端连接，空气压缩机组的出气端与储气罐的输入端连接，储气罐的输出端与膨胀机组的进气端连接，膨胀机组的输出端与发电机连接，其特征在于：还包括设置在储气罐中的活塞，活塞将储气罐的内腔隔成第一腔室和第二腔室，活塞以可移动的方式设置在储气罐中，第一腔室与压缩空气机组的出气端连通，第二腔室中设有挥发性流体，还包括用于与第二腔室进行热交换的换热系统，在储能时，挥发性流体与换热系统进行热交换后液化，在释能时，挥发性流体吸收换热系统的热量。
2.如权利要求1所述的一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,其特征在于：所述空气压缩机组包括低级压缩机、高级压缩机、级间冷却器以及级后冷却器，所述电动机、低级压缩机以及高级压缩机同轴设置，低级压缩机的出气端与级间冷却器的进气端连接，级间冷却器的出气端与高级压缩机的进气端连接，高级压缩机的出气端与级后冷却器的进气端连接，级后冷却器的出气端与所述第一腔室的进气端连接。
3.如权利要求2所述的一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,其特征在于：所述级后冷却器的出气端与所述第一腔室的进气端之间设有第一控制阀。
4.如权利要求3所述的一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,其特征在于：所述膨胀机组包括低压膨胀机、高压膨胀机、一级换热器以及二级换热器，所述发电机、低压膨胀机以及高级膨胀机同轴设置，一级换热器的进气端与所述第一腔室的出气端连接，一级换热器的出气端与高压膨胀机的进气端连接，高压膨胀机的出气端与二级换热器的进气端连接，二级换热器的出气端与低压膨胀机的进气端衔接。
5.如权利要求4所述的一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,其特征在于：所述第一腔室的出气端与所述一级换热器的进气端之间设有第二控制阀。
6.如权利要求1至5任一项所述的一种基于挥发性流体的绝热恒压压缩空气储能系统,其特征在于：所述挥发性流体为二氧化碳、氢氟烃类流体、碳氢烃类流体以及烯氟烃类流体中的一种或者多种的混合物。
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