CN108999770A - 一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统及方法，压缩机机组的动力输入端连接有用于带动其做功的电动机，膨胀机机组的动力输出端连接有发电机；低压气囊进气口的阀门与膨胀机机组的出气口相连，低压气囊出气口的阀门与压缩机机组的进气口相连；高压气囊进气口的阀门与压缩机机组的出气口相连，高压气囊出气口的阀门与膨胀机机组的进气口相连；低压气囊和高压气囊均设置在海面以下，深度保持不变；储能时，电动机带动压缩机机组做功，低压气囊中的气体进入高压气囊中；释能时，高压气囊中的高压气体对膨胀机机组做功，带动发电机发电，完成做功的气体进入低压气囊中。压缩过程显著缩短，提高了储能系统的能量利用效率。

Description

一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明涉及物理储能技术领域，具体为一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统及方法。
背景技术
随着国家对环境标准的提高和人民对生活质量的需求，长期消耗化石燃料所造成的高污染、高排放问题已越来越得到重视，能源结构调整优化已经上升到国家战略层面。因此，可再生能源的开发力度不断加大，风电、太阳能等清洁能源在一次能源中的占比不断提高。由于风能、太阳能等可再生能源天然的时空分布的波动性，可再生能源在能源结构占比的提高对电网的调控能力提出了更高的要求。电力存储技术是解决可再生波动性、提高可再生能源利用率的重要手段。
随着风电行业的飞速发展，大部分陆上风能资源已被开发，海上风能资源逐渐成为开发重点。同时，我国幅员辽阔，岛屿众多，风能、太阳能等可再生能源蕴藏量丰富。但是远离海岸线的偏远岛屿，由于受地理条件的限制，不能及时接入大电网，社会经济发展水平受到严重制约。考虑到这些偏远岛屿所处地区往往可再生能源可开发量巨大，因此通过开发风能、太阳能的方式进行能源供给是一种合理的选择。考虑到风能、太阳能等的间歇性和波动性特点，需要配套引入电力存储技术，以保证能源的持续、稳定供给。
目前，可进行大规模应用的、成熟的储能技术主要有抽水蓄能和压缩空气储能。其中，抽水蓄能受地理条件因素制约明显，且投资大、对生态环境产生较大破坏。传统压缩空气储能技术的工作原理是：在用电低谷时段，利用电能驱动压缩机做功，将空气压缩至储气容器中，将电能转化成空气的内能；在用电高峰时段，储气室中的高压空气被释放，对外驱动膨胀机做功发电。传统压缩空气储能技术具有储能容量大、投资相对较小、回报周期较短等优点，但是，其也存在不可避免的缺点。传统压缩空气储能技术多采用地下盐穴、矿洞等作为储气容器，由此带来系统造价的提高以及对特定地形结构的要求。随着风能资源的开发重心逐渐转向海上，传统的压缩空气储能技术很难继续适用于海上条件。同时，现有的压缩空气储能系统的压缩机均从空气中进气，进气压力为环境压力。压缩过程需要进行多级压缩和多级冷却才能达到储能要求，这一过程会导致大量电能的不可逆损失。传统压缩空气储能系统的储能过程和释能过程均在变工况条件下运行，由此导致系统储能和释能转换效率的大幅降低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统及方法，系统在运行过程中可明显降低压缩过程中的压缩机耗功，不但具有稳定的运行工况和较高的运行效率，而且具有较高的经济性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，包括压缩机机组、膨胀机机组、电动机、发电机、低压气囊和高压气囊；
所述压缩机机组的动力输入端连接有用于带动其做功的电动机，膨胀机机组的动力输出端连接有发电机；
所述低压气囊进气口的阀门与膨胀机机组的出气口相连，低压气囊出气口的阀门与压缩机机组的进气口相连；高压气囊进气口的阀门与压缩机机组的出气口相连，高压气囊出气口的阀门与膨胀机机组的进气口相连；低压气囊和高压气囊均设置在海面以下，深度保持不变；
储能时，电动机带动压缩机机组做功，低压气囊中的气体进入高压气囊中；释能时，高压气囊中的高压气体对膨胀机机组做功，带动发电机发电，完成做功的气体进入低压气囊中。
优选的，低压气囊体积大于高压气囊，高压气囊深度大于低压气囊。
优选的，低压气囊和高压气囊下方分别设置有海底管桩基础，低压气囊和高压气囊分别通过柔性铆链，并采用锚固的方式固定在管桩基础上。
优选的，低压气囊和高压气囊由柔性材料制成。
优选的，压缩机机组由若干压缩机串联而成，在每个压缩机的出气口和下一压缩机的进气口间安装有一个第一换热器；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，在每个膨胀机的进气口前安装有一个第二换热器。
进一步，压缩机、膨胀机、电动机、发电机、换热器和阀门内外表面均设置有防腐涂层。
优选的，电动机连接有用于给其提供电力的风电场或光伏电站。
优选的，位于水下部分的输气管道为高压软管，位于陆上部分的输气管道为金属管道。
根据上述任意一项所述系统的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能方法；
在用电低谷时段，打开低压气囊出气口的阀门和高压气囊进气口的阀门，低压气囊中的压力高于标准大气压的气体经过压缩机机组被压缩，然后进入高压气囊，当高压气囊内气体压力达到充气设定压力值时，关闭压缩机机组、低压气囊出气口的阀门和高压气囊进气口的阀门，完成储能过程；
释能过程时，打开低压气囊进气口的阀门和高压气囊出气口的阀门，高压气囊中的高压气体被释放后，对膨胀机机组做功，从而带动发电机发电，完成做功的气体进入低压气囊中，当高压气囊内的气体压力降低到放气设定压力值时，关闭低压气囊进气口的阀门和高压气囊出气口的阀门，完成释能过程。
优选的，低压气囊中的气体经过压缩机机组被压缩后，再经过第一换热器被冷却进入高压气囊；高压气囊中的高压气体被释放后经过第二换热器被冷却，对膨胀机机组做功。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述系统不需要采用地下盐穴、高压容器等作为储气容器，降低了对特定地形结构的要求，降低了系统成本；低压气囊和高压气囊所处位置的环境压力保持恒定，所以系统始终运行在稳定工况下，提高了系统运行效率；低压气囊所处海中，外界环境压力高于标准大气压，所以本储能系统中压缩机进口压力高于传统压缩空气储能系统的压缩机进口压力，压缩过程显著缩短，进一步提高了储能系统的能量利用效率。
进一步，通过运用柔性铆链和管桩基础将两个气囊固定在水中，防止气囊发生大范围浮动，影响压力平衡。
进一步，两个气囊通过使用柔性材料，这样可以保持一定深度下水的静压和空气压力相同，维持空气压力恒定不变，且当气囊内气体增加时，气囊体积增大，变相的增大了气体的储存量，同时降低了储气室的高昂费用。
进一步，通过对系统中所涉及的所有金属设备内外表面均进行喷涂防腐涂层处理，从而降低了海水对系统设备的腐蚀效果。
进一步，位于水下部分的输气管道为高压软管，可在较小范围内自由移动，减少海水对管道施加的应力；位于陆上部分的输气管道为金属管道，均处于固定位置。
附图说明
图1为本发明所述系统示意图。
图中：1-压缩机机组，2-膨胀机机组，3-电动机，4-发电机，5-低压气囊，6-高压气囊，7-风电/光伏电站，8-第一电动阀门，9-第二电动阀门，10-第三电动阀门，11-第四电动阀门，12-第一换热器，13-第二换热器，14-柔性铆链，15-管桩基础，16-海底。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例一：
本发明海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，如图1所示，包括压缩机机组1、膨胀机机组2、电动机3、发电机4。
压缩机机组1的进气口连接有用于带动其做功的电动机3，膨胀机机组2的进气口连接有发电机4，电动机3利用风电场/光伏电站发出的电能带动压缩机机组1做功。
低压气囊5的进气口通过第一电控阀门8与膨胀机机组2的出气口相连，低压气囊5出气口通过第二电控阀门9与压缩机机组1的进气口相连。
高压气囊6的进气口依次通过第三电控阀门10，与压缩机机组1的出气口相连，高压气囊6出气口依次通过第四电控阀门11，与膨胀机机组2的进气口相连。
压缩机机组1由若干压缩机串联而成，膨胀机机组由若干膨胀机串联而成。
低压气囊5和高压气囊6分别处于不同深度的海水中，且低压气囊5体积较大，处于较浅海水中；高压气囊6体积较小，处于深层海水中；且两个气囊在海水中的深度保持不变。低压气囊5和高压气囊6由柔性材料制成，可在一定范围内发生弹性形变，即当气囊内气体增加时，气囊体积增大；当气囊内气体减少时，气囊体积减小。为防止低压气囊5和高压气囊6发生大范围浮动，每个气囊均通过3根柔性铆链结构14进行固定。
具体做法为：每个气囊的下方分别有3个海底管桩基础15插入海底中，柔性铆链14的上端与气囊外表面连接，下端采用锚固的方式固定于海底16的管桩基础15上。
位于水下部分的输气管道为高压软管，可在较小范围内自由移动；位于陆上部分的输气管道为金属管道，均处于固定位置。为降低海水对系统设备的腐蚀效果，系统中所涉及的所有金属设备内外表面均进行喷涂防腐涂层处理，包括压缩机、膨胀机、电动机3、发电机4和电控阀门等。
根据物体在液体中所受压强公式p＝ρgh，式中p表示物体所受压强，ρ表示液体密度，g表示当地重力加速度，h表示物体所处深度。由于ρ、g为定值，且由于气囊所处深度基本保持不变，h也可视为定值，所以低压气囊5和高压气囊6所处环境压力保持不变，系统储能过程和释能过程为等压过程。
在用电低谷时段，本发明海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统进入储能过程。打开第二电动阀门9和第三电动阀门10，低压气囊5中的压力高于标准大气压的气体经过压缩机机组1被压缩，进入高压气囊6。当高压气囊6内气体压力达到充气设定压力值时，关闭压缩机机组1、第二电动阀门9和第三电动阀门10，完成储能过程。充气设定压力值与高压气囊6所处深度有关，充气设定压力值大于其所处深度海水压强，本实施例优选为，充气设定压力值为其所处深度海水压强的两倍，例如当高压气囊6所处深度为300米时，充气设定压力值设定为6MPa。
本发明海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统进入释能过程。打开第四电控阀门11和第一电控阀门8，高压气囊6中的高压气体被释放后，对膨胀机机组2做功，从而带动发电机4发电，完成做功的气体经过第一电控阀门8后进入低压气囊5中。当高压气囊6中的气体压力降低到放气设定压力值时，关闭阀门11和阀门8，释能过程结束。本实施例优选为放气设定压力值与高压气囊6所处深度海水压强相同，例如当高压气囊6所处深度为300米时，低压设定压力值设定为3MPa。
本发明全部采用柔性气囊作为储气容器，系统中不需要采用地下盐穴、高压容器等作为储气容器，进一步降低了系统成本，同时降低了对特定地形结构的要求；低压气囊5和高压气囊6所处位置的环境压力保持恒定，所以储能系统始终运行在稳定工况下，提高了系统运行效率；低压气囊5所处位置的外界环境压力高于标准大气压，所以本储能系统中压缩机进口压力高于传统压缩空气储能系统的压缩机进口压力，压缩过程显著缩短，同时简化了压缩过程中的换热过程，甚至不需要换热器，进一步提高了储能系统的能量利用效率。
实施例二：
在每个压缩机气体出口和下一压缩机气体入口间安装有一个第一换热器12；在每个膨胀机气体入口前安装有一个第二换热器13；多级压缩机机组1和多级膨胀机机组2的级间均安装有级间换热器，因此气体压缩和气体膨胀过程均为非绝热过程。
在用电低谷时段，本发明海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统进入储能过程。打开第二电动阀门9和第三电动阀门10，低压气囊5中的压力高于标准大气压的气体经过压缩机机组1被压缩，然后经过第一换热器12被冷却进入高压气囊6。当高压气囊6内气体压力达到一定压力时，关闭压缩机机组1、第二电动阀门9和第三电动阀门10，完成储能过程。本发明海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统进入释能过程。打开第四电控阀门11和第一电控阀门8，高压气囊6中的高压气体被释放后经过第二换热器13被冷却，对膨胀机机组2做功，从而带动发电机4发电。完成做功的气体经过第一电控阀门8后进入低压气囊5中。
系统其余部分同实施例一。

Claims (10)

1.一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩机机组(1)、膨胀机机组(2)、电动机(3)、发电机(4)、低压气囊(5)和高压气囊(6)；
所述压缩机机组(1)的动力输入端连接有用于带动其做功的电动机(3)，膨胀机机组(2)的动力输出端连接有发电机(4)；
所述低压气囊(5)进气口的阀门与膨胀机机组(2)的出气口相连，低压气囊(5)出气口的阀门与压缩机机组(1)的进气口相连；高压气囊(6)进气口的阀门与压缩机机组(1)的出气口相连，高压气囊(6)出气口的阀门与膨胀机机组(2)的进气口相连；低压气囊(5)和高压气囊(6)均设置在海面以下，深度保持不变；
储能时，电动机(3)带动压缩机机组(1)做功，低压气囊(5)中的气体进入高压气囊(6)中；释能时，高压气囊(6)中的高压气体对膨胀机机组(2)做功，带动发电机(4)发电，完成做功的气体进入低压气囊(5)中。
2.根据权利要求1所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，低压气囊(5)体积大于高压气囊(6)，高压气囊(6)深度大于低压气囊(5)。
3.根据权利要求1所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，低压气囊(5)和高压气囊(6)下方分别设置有海底管桩基础(15)，低压气囊(5)和高压气囊(6)分别通过柔性铆链(14)，并采用锚固的方式固定在管桩基础(15)上。
4.根据权利要求1所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，低压气囊(5)和高压气囊(6)由柔性材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，压缩机机组(1)由若干压缩机串联而成，在每个压缩机的出气口和下一压缩机的进气口间安装有一个第一换热器(12)；膨胀机机组(2)由若干膨胀机串联而成，在每个膨胀机的进气口前安装有一个第二换热器(13)。
6.根据权利要求5所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，压缩机、膨胀机、电动机(3)、发电机(4)、换热器和阀门内外表面均设置有防腐涂层。
7.根据权利要求1所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，电动机(3)连接有用于给其提供电力的风电场或光伏电站。
8.根据权利要求1所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能系统，其特征在于，位于水下部分的输气管道为高压软管，位于陆上部分的输气管道为金属管道。
9.根据权利要求1-8任意一项所述系统的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能方法，其特征在于；
在用电低谷时段，打开低压气囊(5)出气口的阀门和高压气囊(6)进气口的阀门，低压气囊(5)中的压力高于标准大气压的气体经过压缩机机组(1)被压缩，然后进入高压气囊(6)，当高压气囊(6)内气体压力达到充气设定压力值时，关闭压缩机机组(1)、低压气囊(5)出气口的阀门和高压气囊(6)进气口的阀门，完成储能过程；
释能过程时，打开低压气囊(5)进气口的阀门和高压气囊(6)出气口的阀门，高压气囊(6)中的高压气体被释放后，对膨胀机机组(2)做功，从而带动发电机(4)发电，完成做功的气体进入低压气囊(5)中，当高压气囊(6)内的气体压力降低到放气设定压力值时，关闭低压气囊(5)进气口的阀门和高压气囊(6)出气口的阀门，完成释能过程。
10.根据权利要求9所述的一种海上非绝热等压双容器压缩空气储能方法，其特征在于，低压气囊(5)中的气体经过压缩机机组(1)被压缩后，再经过第一换热器(12)被冷却进入高压气囊(6)；高压气囊(6)中的高压气体被释放后经过第二换热器(13)被冷却，对膨胀机机组(2)做功。
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