CN108895017B - 一种多级恒压压缩空气储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级恒压压缩空气储能装置，包括蓄水池、压缩管路、发电管路和至少两个沿竖直方向存在高度差的储存室；所述蓄水池沿竖直方向与储存室存在高度差；蓄水池通过水管向下连接每个储存室，每个储存室还分别与压缩管路和发电管路连接，所述压缩管路能够将空气压缩储存于储存室内，储存室内的空气能够通过发电管路排出进行发电。本发明提供的一种多级恒压压缩空气储能装置的优点在于：输出压力恒定、多级压力存储提高能源利用率、低压高效存储提高系统效率、储存室稳定易控，具有良好的推广前景。
Description
技术领域
本发明涉及储能发电技术领域，尤其涉及一种多级恒压压缩空气储能装置。
背景技术
电力储能是指通过介质或设备把电力存储起来，在需要时释放出来的过程。电力储能技术是解决可再生能源大规模介入和“弃风弃光”问题的关键技术；是分布式能源、智能电网、能源互联网发展的必备技术；也是解决常规电力削峰填谷，提高常规能源发电效率与输电效率、安全性和经济性的重要支撑技术。电力储能技术可以提高清洁能源发电比率，进而实现化石能源清洁高效利用，有效减少污染物的排放，对雾霾环境问题的治理和改善人居环境将起到极大的推动作用。同时电力储能技术的发展关系到能源、交通、电力等多个重要行业的发展，尤其在当今能源大环境下，电力储能能够突破传统能源模式时间与空间的限制，其重要作用日益凸显，已经成为主要发达国家竞相发展的战略新兴产业。
常见的电力储能技术有：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、铅酸电池、锂电池、液流电池及超级电容器等。抽水储能技术比较成熟，效率也比较高，但是投资巨大，对地理条件的要求也比较高。还容易造成环境生态的破坏。压缩空气储能系统的原理是在用电低谷将空气压缩并存于储气室中，是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驱动透平发电。
大规模的压缩空气储能电站对储气室体积要求很高，储气罐的制造成本过高成为限制储能技术发展的一个制约条件。另外，现有的压缩空气储能的储气容器，都是固定容积的，随着压缩空气量的减少，输出气压会越来越小，无法保证恒压输气，导致发电不太稳定，控制难度大；其次，在进行能量储存和使用时，不同的时段所需要的电量是不同的，现有技术无论需求如何，都需要压缩机或发电机完全工作，而压缩机和发电机的功率设定是能够满足最大需求时的使用要求的，因此在用电量不大时会导致浪费的电力增加；在使用高压存储能量时，对存储空间的密封性和强度要求较高，且高压情况下温度变化加大，损失的能量增多；而压力较小时，又存在能量密度小，可调节的功率有限的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在发电时保持恒压并能够根据用电量调整空气压力的压缩空气储能装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种多级恒压压缩空气储能装置，包括蓄水池、压缩管路、发电管路和至少两个沿竖直方向存在高度差的储存室；所述蓄水池沿竖直方向与储存室存在高度差；蓄水池通过水管向下连接每个储存室，每个储存室还分别与压缩管路和发电管路连接，所述压缩管路能够将空气压缩储存于储存室内，储存室内的空气能够通过发电管路排出进行发电。
优选地，所述水管从蓄水池向下延伸设置，并通过与水管连接的分水管分别连接每个储存室，每个分水管上分别设置有一个阀门。
优选地，所述水管上还设置有水泵。
优选地，所述分水管上分别设置有一个水泵。
优选地，所述压缩管路和发电管路通过一三通接头连接于一气管中，所述气管设置有分气管分别连接至每个储存室。
优选地，每个分气管以及压缩管路和发电管路均设置有阀门。
优选地，所述压缩管道包括分级空气压缩机组和驱动其工作的压缩电动机，所述分级空气压缩机组的输出端与气管连接；所述发电管道包括分级透平膨胀机组和发电机，所述分级透平膨胀机组的气体输入端与气管连接，其动力输出端能够带动发电机转动发电。
优选地，所述储存室为地下矿井巷道，所述巷道两端封闭，沿巷道表面由内而外包括防渗层和加固层；所述防渗层由橡胶或钢板制成；所述加固层为混凝土层。
优选地，所述储存室内设置有储气袋，压缩管道和发电管道分别与储气袋连接。
本发明提供的一种多级恒压压缩空气储能装置的优点在于：
1)输出压力恒定：利用蓄水池与储存室的压差提供水压，保证了储存室中的水压保持恒定，从而给储气袋提供恒定的压力，降低对发电机组的要求，保证电力平稳输出；
2)多级压力存储：储存室高度不同水压也不同，可以根据电力调控规模选择合适压力下的存储室进行存储；
3)低压高效存储：传统的压缩空气储能技术为了提高能量密度，存储气体的压力可达10MPa以上，不仅对压缩设备的要求提高，而且压缩过程中产生的热量更大，造成系统效率降低；而本发明中气体压力恒等于储存室水压，存储压力维持在数兆帕，低压存储条件下，压气消耗能量少，同时本发明中每次放气时，柔性储气袋中的气体可全部放出，系统整体效率高；
4)储存室稳定易控：传统的压缩空气储能技术不仅空气存储的压力高，而且气体不能完全放出，储存室始终受内压的作用，对储存室的稳定性控制不利；本发明中空气存储压力低，且每次放气都可完全放出，洞室围岩岩体和衬砌受力较小，易于维护；
5)系统效率优化提升：通过对压缩空气压力进行分级管理，并能够根据空气压力选择分级空气压缩机组功率和分级透平膨胀机组功率，从而减少未满负荷调控时的损耗；具备高压存储条件下能量密度高、电力调控能力强的特点。
附图说明
图1是本发明的实施例所提供的一种多级恒压压缩空气储能装置的示意图；
图2是本发明的实施例所提供的一种多级恒压压缩空气储能装置的储存室的剖面图；
图3是本发明的实施例提供的一种多级恒压压缩空气储能装置的储存室的示意图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种多级恒压压缩空气储能装置，包括蓄水池1、压缩管路2、发电管路3和至少两个沿竖直方向存在高度差的储存室4；所述蓄水池1沿竖直方向与储存室4存在高度差，蓄水池1通过向下设置的水管11连接储存室4，从而给不同高度处的储存室4提供不同的水压；每个储存室4上通过分水管12连接水管11，且每个分水管12上分别设置有一阀门5。
所述压缩管路2和发电管路3通过一三通接头连接于一气管41中，所述气管41上设置有多个分气管42与每个储存室4连接，每个分气管42上均设置有一个阀门5。
所述压缩管路2包括压缩电动机21和分级空气压缩机组22及阀门5，所述压缩电动机21驱动分级空气压缩机组22工作，分级空气压缩机组22压缩后的气体穿过阀门5进入气管41中，从而进入储存室4。
所述发电管路3设置有阀门5、分级透平膨胀机组31和发电机32。压缩气体从储存室4内通过气管41经过阀门后进入分级透平膨胀机组31中，高压气体在分级透平膨胀机组31内释放压力，驱动分级透平膨胀机组31的叶轮(图未示)转动，叶轮带动动力输出轴(图未示)转动，动力输出轴的转动能够带动发电机32转动发电
在需要储存能量时，关闭发电管路3上的阀门5，打开压缩管路3上的阀门5以及对应高度处的储存室4的分水管12和分气管42上的阀门5，压缩电动机31和分级空气压缩机组32打开，其中分级空气压缩机组功率与储存室4的高度对应的压力相适配，从而将空气压缩储存于对应的储存室4内。空气进入储存室4内后，将储存室4内的水挤压回到蓄水池1中，且水压与气压保持相同。在需要对外发电时，关闭压缩管路2的阀门5，打开发电管路3上的阀门5以及对应高度处的储存室4的分水管12和分气管42上的阀门5，储存室4内的空气在水压作用下沿气管41进入发电管道3，分级透平膨胀机组31根据气压选择合适的功率进行工作，将空气稳定输送给气轮发电机32从而实现发电，由于储存室4内的水压基本保持恒定，因此发电时的气压也基本保持恒定，从而实现平稳发电的效果。
在建造过程中，所述储存室4所需要的空间较大，且需要在竖直方向上存在高度差，一般选择将其设置于地下，而在地下建设难度也随时加大；考虑到我国是煤矿开采大国，存在大量因资源枯竭而关停的矿井，本发明将废弃的地下矿井空间利用起来。
结合图1和图2，选择不同深度的矿井巷道将其两端封闭，沿巷道表面由内而外设置防渗层43和加固层44，所述防渗层43由橡胶或钢板或能起到类似作用的防水材料制成；所述加固层43优选为混凝土浇筑而形成的混凝土层。为了提高存储室4的抗压能力，储存室4的横截面为圆形、椭圆形等曲线形状。
考虑到储存室4和蓄水池1的高度差较大，压缩空气将储存室4内的水压回蓄水池所需要做的功较多，会增大压缩电动机21的负荷。优选实施例中还可以外加水泵13来将储存室4内的水抽回蓄水池1，水泵13可以设置在水管11上，也可以在分水管12上分别设置一个水泵13。
在存储室4内水和空气能够直接接触，当压力增大时，会有部分气体溶于水中，从而导致能量浪费。参考图3，优选实施例中可以在存储室4内设置一储气袋6，分气管42分别穿过存储室4的侧壁与储气袋6直接连接，从而将水和空气隔离开，保证了空气干燥，降低了能源浪费。
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，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，在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种多级恒压压缩空气储能装置，其特征在于：包括蓄水池、压缩管路、发电管路和至少两个沿竖直方向存在高度差的储存室；所述储存室内设置有储气袋，压缩管路和发电管道分别与储气袋连接；所述蓄水池沿竖直方向与储存室存在高度差；蓄水池通过水管向下连接每个储存室，给不同高度处的储存室提供不同的水压，每个储存室上通过分水管连接水管，每个分水管上分别设置有一阀门；每个储存室分别与压缩管路和发电管路连接，所述压缩管路将空气压缩储存于储存室内，储存室内的空气通过发电管路排出进行发电；所述储存室为地下矿井巷道，所述巷道两端封闭，沿巷道表面由内而外包括防渗层和加固层；
所述压缩管路和发电管路通过一三通接头连接于一气管中，所述气管设置有分气管分别连接至每个储存室；
所述压缩管路包括分级空气压缩机组和驱动其工作的压缩电动机，所述分级空气压缩机组的输出端与气管连接；所述发电管道包括分级透平膨胀机组和发电机，所述分级透平膨胀机组的气体输入端与气管连接，其动力输出端带动发电机转动发电；
在需要储存能量时，关闭发电管路上的阀门，打开压缩管路上的阀门以及对应高度处的储存室的分水管和分气管上的阀门，压缩电动机和分级空气压缩机组打开，其中分级空气压缩机组功率与储存室的高度对应的压力相适配，将空气压缩储存于对应的储存室内；空气进入储存室内后，将储存室内的水挤压回到蓄水池中，水压与气压保持相同；
需要对外发电时，关闭压缩管路的阀门，打开发电管路上的阀门以及对应高度处的储存室的分水管和分气管上的阀门，储存室内的空气在水压作用下沿气管进入发电管道，分级透平膨胀机组根据气压选择合适的功率进行工作，将空气稳定输送给气轮发电机实现平稳发电。
2.根据权利要求1所述的一种多级恒压压缩空气储能装置，其特征在于：所述水管上设置有水泵。
3.根据权利要求1所述的一种多级恒压压缩空气储能装置，其特征在于：所述分水管上分别设置有一个水泵。
4.根据权利要求1所述的一种多级恒压压缩空气储能装置，其特征在于：所述防渗层由橡胶或钢板制成；所述加固层包含注浆加固层和混凝土衬砌。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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