CN109306963A - 一种压缩空气储能方法及储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压缩空气储能方法，包括：将地下含水层作为压缩空气储能系统的储气室，摆脱了地质条件对压缩空气储能系统发展应用的限制；利用地下含水层作为储存压缩空气的储气室，保证在系统释能过程中，储气室出口压缩空气压力近似不变，避免了传统压缩空气储能系统中节流阀的节流降压作用造成的节流损失；压缩过程中的压缩热在冷却器内被来自热网换热器的换热介质吸收，利用被加热的换热介质向热网中的热用户供热；释能过程中，利用低品位热源加热膨胀机的级前进汽，以大幅度提高压缩空气的做功能力；透平机组的乏气进入溴化锂吸收式制冷机，作为制冷机的高温热源，通过制冷机向外供冷。

Description

一种压缩空气储能方法及储能系统
技术领域
本发明涉及电能储存技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能方法及储能系统。
背景技术
当前，我国的能源结构正在发生重大转变，太阳能、风能等可再生能源电力在总的电力供应中所占的比例越来越高。但是，由于可再生能源电力存在间歇性和不稳定性等固有缺陷，在实际应用中其可靠性及灵活性大大降低，限制了可再生能源电力的并网发电。因此，发展电力储能技术是平抑电网峰谷差、提高可再生能源上网率的重要途径。目前，除抽水蓄能技术以外，压缩空气储能技术是唯一能够实现大规模电力储能的技术。
大多数压缩空气储能电站以盐洞、废弃矿井、岩石洞穴等为基础建造大型储气室，对于地质条件的特殊要求使压缩空气储能系统的发展和应用得到限制。利用地下含水层作为压缩空气储能系统的储气室，能够摆脱压缩空气储能系统对地质条件的依赖。同时，根据我国地质的基本情况，东部经济发达地区地下广泛分布高渗透、高孔隙度且含盐量较高的地下含水层，为发展含水层储能技术提供了良好的条件。
同时，将传统的压缩空气储能系统与冷热电联供系统耦合，不仅能够实现能源的梯级利用，而且使系统的整体效率得到大幅度提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种压缩空气储能方法及储能系统，利用地下含水层作为储存压缩空气的储气室，摆脱了地质条件对压缩空气储能系统发展的限制，避免节流阀对压缩空气的节流作用，系统效率大幅度提高；将传统的压缩空气储能系统与冷热电联供相结合，实现能源的梯级利用。
本发明的目的是这样实现的：
一种压缩空气储能方法，包括：合理选取高渗透率、高孔隙度的地下含水层作为压缩空气储能系统的储气室，摆脱地质条件对系统的限制；利用地下含水层作为储气室，使储气室出口压缩空气压力近似不变，储气室出口不再安装节流阀，与传统压缩空气储能系统相比，避免了节流损失；在储能过程中，压气机工作过程中产生的压缩热在冷却器内被来自热网换热器的换热介质(导热油)吸收，被加热的换热介质在热网换热器内与热网供水换热，被加热后的热网供水去往热用户供热；压缩空气释能过程中，利用低品位热源加热低品位热源换热器内的换热工质(水)，进而利用加热后的工质加热透平的级前进汽，以大幅度提高压缩空气的做功能力；透平机组的乏气进入溴化锂吸收式制冷机，作为制冷机的高温热源，通过制冷机向外供冷。
优选的，本发明一种压缩空气储能系统，作为重要组成部件之一的压气机不限于两级压缩，也可以为三级压缩或更多级压缩，且各级压缩级之间均布置换热器以吸收压缩热；重要组成部件之一的透平不限于两级膨胀，也可以为三级或更多级膨胀，且各级膨胀级之间均布置换热器并利用低温余热加热各级前的压缩气体。
优选的，选取地下含水层时，充分考虑含水层的含盐量，尽量利用不能饮用的咸水层作为储气层，节约淡水资源；
优选的，在进行压缩空气的注入之前，通过向地下含水层注入缓冲气，提高压缩空气的采收率(在不发生串气及内部泄漏的情况下，压缩空气的采收率为100％)；
优选的，由于压气机排气温度高于水的沸点温度，所以选择利用导热油(热载体油)作为介质以吸收压缩过程产生的压缩热，同时系统的热效率也得到了提高；
优选的，来源于太阳能、工业余热和生物质能等提供的一种或几种低品位热源，首先加热低品位热源换热器内的高品质的水，利用加热后的水进一步加热进入透平机组前的压缩空气；
本发明一种压缩空气储能系统，与传统压缩空气储能系统相比，系统的热力性能明显提高：
传统压缩空气储能系统中，储气室为恒容盐穴、废弃矿井等刚性容器，内部压缩空气经过储能、静置(储释能间隔)、释能三个阶段。为了研究储气室内的热力特性，建立传统储气室热力学模型：
忽略储气室运行过程中的漏气、储气室壁面温度恒定，储气室工作过程中的能量守恒方程为：
δQ＝dU+houtδmout-hinδmin+δW
式中，δQ-储气室内空气与壁面换热量；dU-储气室空气热力学能变化；hin、hout-进、出储气室空气焓值；δmin、δmout-进、出储气室的空气质量；δW-储气室内空气对环境做功。
由于传统压缩空气储能系统为容积恒定的刚性容器，所以δW为0。
在储能阶段，储气室热力学模型可以简化为：
δQ＝dU-hinδmin
即d(mu)＝hind m+hA(Trw-T)dt
式中，m-储气室内空气质量；u-储气室内单位质量空气热力学能；hin-储气室入口空气焓值；h-储气室内空气与壁面的对流换热系数；A-储气室表面积；Trw-储气室壁面温度；T-储气室内空气温度。
在静置阶段，储气室热力学模型可以简化为：
d(mu)＝hA(Trw-T)dt
在释能阶段，储气室热力学模型可以简化为：
δQ＝dU+houtδmout
即d(mu)＝houtd m+hA(Trw-T)dt
本发明一种压缩空气储能系统，由于以地下含水层作为储气室，储气室可以简化为压力恒定、容积不断变化的热力学模型：
忽略储气室运行过程中的漏气且地下储气室储气气囊壁温恒定，储气室工作过程中的能量守恒方程为：
δQ＝dU+houtδmout-hinδmin+δW
式中，δQ-储气室内空气与气囊边界换热量；dU-储气室空气热力学能变化；hin、hout-进、出储气室空气焓值；δmin、δmout-进、出储气室的空气质量；δW-储气室内空气对环境做功。
由于本发明一种压缩空气储能系统为压力恒定、容积不断变化的刚性容器，所以δW不为0。
在储能阶段，储气室热力学模型可以简化为：
δQ＝dU-hinδmin+δW
即d(mu)＝hind m+h·dA(Trw-T)dt-P·dV
式中，m-储气室内空气质量；u-储气室内单位质量空气热力学能；hin-储气室入口空气焓值；h-储气室内空气与壁面的对流换热系数；A-储气室表面积；Trw-储气室储气气囊壁温；T-储气室内空气温度。
在静置阶段，储气室热力学模型可以简化为：
d(mu)＝hA(Trw-T)dt
在释能阶段，储气室热力学模型可以简化为：
δQ＝dU+houtδmout+δW
即d(mu)＝houtd m+hA(Trw-T)dt+P·dV
与传统压缩空气储能系统相比，本发明一种压缩空气储能系统压气机耗功明显降低，系统储能效率提高。
传统压缩空气储能系统压气机在工作过程中，压气机最高工作压力随储能过程的进行不断变化，采用变压比模型计算压气机耗功，以两级压缩为例，根据相关文献，压气机消耗的总功为：
Wc-压气机消耗的总功；wc1、wc2-两级压缩过程消耗的功；p0-环境压力；Vstor、Tstor-储气室体积与压力；Tin，i-第i级压气机进口空气温度；βc，i-第i级压气机压比；k-多变指数；ηc，i-第i级压气机效率。
本发明一种压缩空气储能系统，除压缩初始阶段外，压气机出口压力即为地下含水层中储气室压力，压气机出口压力近似为定值。在储能过程中，压气机的压比恒定，压气机消耗的总功为：
Wc＝∫(wc1+wc2)dm
其中，wc1、wc2仍为两级压缩过程消耗的功。由于压气机压比恒定，可参照压气机性能曲线选择压气机的型号，合理分配各级压比，使各级压气机均能保持在额定效率附近运行。
因此，与传统压缩空气储能系统相比，本发明所述压缩空气储能系统的各级压气机均能在额定效率下运行，压气机的效率明显提高。由于在压缩空气储能系统中，压气机的耗功是影响其储能效率的重要参数，压气机效率的提高会使压缩空气储能系统的储能效率得到较大提升。
此外，在传统压缩空气储能系统中，为使进入透平的压缩空气压力恒定，需要在储气室出口设置节流阀进行压力调节。在实际工作过程中，由于扰动和摩擦的不可逆性，导致绝热节流是一个典型的不可逆绝热过程，节流后工质的焓值不变，压力下降，熵值增加，做功能力下降。本发明一种压缩空气储能系统与传统系统相比，避免了系统的节流损失，利用h-s图分析得，传统压缩空气储能系统经过节流降压后压缩空气的节流损失可近似为：
Δh＝h1-h2
其中，Δh-压缩空气节流过程做功能力损失；h1-不经过节流降压阀门直接膨胀至设计压力状态点焓值；h2-经过节流降压阀门后膨胀至设计压力状态点焓值。
太阳能、生物质能、工业废热等低品位热源在进行储能效率计算时作为可免费获得的能源，提高了系统的储能效率；在透平内做功后的乏气可作为溴化锂吸收式制冷机的热媒介质，利用乏气中的废热将混合溶液中的制冷剂水从溴化锂水溶液中蒸发出来，实现废热的再利用，使系统的能源利用率得到发幅度提高。
综上，本发明一种压缩空气储能系统与传统压缩空气储能系统相比，系统中压气机耗功、储能效率以及能源利用率等性能参数明显提升。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、利用地下含水层作为储存压缩空气的储气室：我国东部沿海地区地下存在广泛的地下含水层，利用地下含水层作为储气室摆脱了以往利用地下岩穴等地质储存压缩空气的特殊地质限制。
2、本发明一种压缩空气储能方法，利用地下含水层作为储存压缩空气的储气室，能够保证在系统释能过程中，储气室出口压缩空气压力近似不变，避免了传统压缩空气储能系统中节流阀的节流降压作用造成的节流损失，系统的效率大幅度提升。
3、本发明利用压缩空气产生的压缩热向热网供热，利用低品位热源加热透平级前进气，并利用透平的排气作为溴化锂吸收式制冷机的热源，实现能量的梯级利用，既减少了废热直接向大气的排放，能源的利用率也大幅度提高。
4、本发明所述一种压缩空气储能系统能够有效利用太阳能、工业余热、生物质能等低品位热源，也可以利用弃风电或后夜电等其它形式提供的热源作为低品位热源换热器的能量来源，提高了能源的利用率，同时能够提高可再生能源的上网率。
附图说明
图1为传统压缩空气储能系统储气室模型；
图2为本发明一种压缩空气储能系统储气室模型；
图3为本发明一种压缩空气储能系统示意图；
图4为本发明系统中地下含水层储气室结构图；
具体实施方式
本发明一种压缩空气储能方法，包括：选择地下含水层作为压缩空气储能系统的储气室，储气层应满足高渗透率(大于100md)、高孔隙度(大于7％)的要求，储气层的上下盖层能够满足低渗透率、高盖层临界压力的要求，同时尽量选取较厚的盖层以防止压缩空气泄漏；在所述地下含水层中，利用含盐量较高的水质作为储存压缩空气的储气层，以尽量节约淡水资源；压缩空气储能过程中产生的压缩热在冷却器内被来自热网换热器的换热介质导热油吸收，被加热的高温导热油在热网换热器内与热网供水换热，加热后的热网供水去往热用户供热；压缩空气释能过程中，利用太阳能、工业废热、生物质能等低品位热源加热透平的级前进汽，提高进入透平的压缩空气的做功能力；透平机组的低温乏气进入溴化锂吸收式制冷机，作为溴化锂吸收式制冷机中使制冷剂水不断气化的热媒。
如图3所示，本发明一种压缩空气储能系统包括：电动机/发电机1.1，低压压气机1.2，级间冷却器1.3，高压压气机1.4，级后冷却器1.5，热网换热器1.6，地下含水层储气室1.7，级前加热器1.8，高压透平1.9，级间加热器1.10，低压透平1.11，低品位热源换热器1.12，制冷机1.13及连接管路等。
本实施例一种压缩空气储能系统的工作过程和工作原理为：
压缩空气储能部分：在储能过程中，利用电网波谷电能或可再生能源电力(如风电、水电、光伏发电等)驱动电动机1.1，使与电动机同轴联接的低压压气机1.2工作，将环境压力下的空气压缩为高温高压的气体，高温高压的空气经过级间冷却器1.3的冷却，进入高压压气机1.4进一步压缩，进一步压缩后的高温高压的压缩空气进入级后冷却器1.5，并在级后冷却器内冷却，经冷却后的压缩空气在地下含水层储气室1.7内存储；在释能过程中，储气室1.7释放的压缩空气进入级前加热器1.8的加热，然后进入高压透平1.9膨胀做功，做功后的压缩空气进入级间加热器1.10再次加热后，进入低压透平1.11膨胀做功，高压透平与低压透平与发电机1.1同轴联接，驱动发电机发电。
冷热电联产部分：在储能过程中，通过级间冷却器1.3与级后冷却器1.5吸收压缩过程中产生的压缩热，将导热油作为传热工质，在热网换热器1.6内利用压缩热加热热网供水并向用户供热；在释能过程中，利用工业废热、余热等低品位热源在低品位热源换热器1.12内加热介质水，介质水在级前换热器1.8及级间换热器1.10内加热透平级前的压缩空气；经过透平机组膨胀做功后的乏气进入溴化锂吸收式制冷机1.13，利用乏气作为使制冷剂水气化的热媒，气化后的制冷剂水经过冷却节流后，在溴化锂吸收式制冷机蒸发器内吸收冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的。
如图4所示，本发明一种压缩空气储能系统以地下含水层作为储存压缩空气的储气室。2.1为地表与上覆层之间的地下土层；2.2为紧接含水层之上的上覆层，上覆层基本不渗透，岩层足够厚且毛细突破压足够大；2.3为含水层，含水层的孔隙度及渗透率都较高，且含水层的压力适中；2.4为含水层之下的下覆层，其主要性质与上覆层相似；2.5为储存压缩空气的气囊，在系统储释能的循环中，若不考虑泄漏及串气等因素，储能过程的注气量与释能过程的抽气量相等(即采收率为100％)。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种压缩空气储能方法，其特征在于，包括将地下含水层作为压缩空气储能系统的储气室；压缩空气储能过程中的压缩热在冷却器内被来自热网换热器的换热介质水吸收，被加热的高温水在热网换热器内与热网供水换热，加热后的热网供水去往热用户供热；压缩空气释能过程中，利用低品位热源加热膨胀机的级前进汽，且透平机组的乏气进入制冷机，通过制冷机向外供冷。
2.根据权利要求书1所述的地下含水层，其特征在于，具有高渗透率与高孔隙度的性能。
3.根据权利要求书1所述的低品位热源换热器，其特征在于，利用太阳能、工业余热或生物质能等一种或几种低品位热源，加热进入透平级前的进气，提高能源的利用效率。
4.根据权利要求书1所述的制冷机，将透平排气作为热媒，使发生器中的制冷剂水蒸发，蒸发气化后的制冷剂经过冷却、节流后，在溴化锂吸收式制冷机蒸发器内吸收冷媒水的热量，从而达到降温制冷的目的。
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