CN109404133A - 压缩空气储能系统及其使用方法 - Google Patents

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张通
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Abstract

本发明涉及储能领域，提供了一种压缩空气储能系统及其使用方法。该系统包括储气单元、储氢单元和发电单元；储气单元包括压气机以及与压气机的出口连通的储气室，储氢单元包括电解槽以及与电解槽的氢气出口连通的储氢室，发电单元包括燃烧器、透平机和发电机；储气室和储氢室分别通过储气阀和储氢阀与燃烧器的进口连通，燃烧器的出口通过透平机与发电机连接。本发明基于压气机功率大、电解槽功率可变的特点，通过根据可再生能源电源的出力实时控制调整压气机和电解槽的运行状态，就可使压气机和电解槽在储能时分别消纳可再生能源电源出力平稳部分和尖峰部分的电能，不仅能实现可再生能源电力绿色、高效的存储再生，而且还不会产生任何二次碳排放。

Description

压缩空气储能系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能系统及其使用方法。
背景技术
全球面临着能源和环境的双重压力，为了协调社会的发展与自然环境保护的关系，大力发展可再生能源、增加可再生能源在能源格局中的占比已经成为各界人士的共识。但是，可再生能源中可用度最高、开发利用技术也最为成熟的太阳能和风能具有不可短期预测的波动性和间歇性，这种波动性和间歇性也成为了光伏电站、风电站出力特性的固有缺陷。而电网在运行和调度时对接入电源的出力平稳指标要求极其严格，尤其是大容量的接入电源，其突发的电压或频率波动将给电网的安全运行带来灾难性的破坏。因此，随着可再生能源电源装机量的激增，诸如弃风、弃光现象总是频发。
目前，储能技术是平抑和稳定可再生能源的波动的主要途径。储能技术包括抽水蓄能技术、飞轮储能技术、电池组储能技术、压缩空气储能技术和氢燃料电池储能技术。其中，抽水蓄能技术因受到水源和地理条件限制，从而无法根据实际需求进行建设；飞轮储能技术因受材料和机械结构的限制，从而储能容量不大；电池组储能技术因使用寿命较短，从而投资成本较高；压缩空气储能技术因采用高压空气作为储能技术介质，因此能量密度较小，需要将空气透平的进气温度加热到较高水平才能保障系统的综合能效。氢燃料电池储能技术利用水电解制氢的原理制取氢气和氧气，然后利用氢气和氧气的电化学反应实现电能再生，但其实际上电解水制氢的能量利用效率不足35％。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全、高效的压缩空气储能系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种压缩空气储能系统，该系统包括储气单元、储氢单元和发电单元；所述储气单元包括压气机以及与所述压气机的出口连通的储气室，所述储氢单元包括电解槽以及与所述电解槽的氢气出口连通的储氢室，所述发电单元包括燃烧器、透平机和发电机；所述储气室和所述储氢室分别通过储气阀和储氢阀与所述燃烧器的进口连通，所述燃烧器的出口通过所述透平机与所述发电机连接。
其中，所述储气单元还包括压气变压器和驱动电机，所述压气变压器通过所述驱动电机与所述压气机连接。
其中，所述储氢单元还包括制氢变压器和逆变器，所述制氢变压器通过所述逆变器与所述电解槽连接。
其中，所述发电单元还包括并网变压器，所述透平机通过所述发电机与所述并网变压器连接。
其中，所述储氢单元还包括净化室，所述电解槽通过所述净化室与所述储氢室连通。
其中，所述储气单元还包括冷却器、回热器、蓄热器、蓄冷器、蓄热阀和蓄冷阀；所述压气机通过所述冷却器的高温侧与所述储气室的进口连通，所述储气室的出口通过所述回热器的低温侧与所述燃烧器连通；所述蓄热器、所述蓄冷阀、所述回热器的高温侧、所述蓄冷器、所述蓄热阀和所述冷却器的低温侧首尾依次连接、以形成回热循环回路。
其中，所述储气阀、所述储氢阀、所述蓄冷阀和所述蓄热阀为电动阀。
其中，还包括控制器，所述压气机、所述电解槽、所述燃烧器、所述储气阀、所述储氢阀、所述蓄冷阀和所述蓄热阀分别与所述控制器电连接。
为实现上述目的，本发明还提供了一种压缩空气储能系统的使用方法，该方法包括以下步骤：
储能时：
S1.1、判断可再生能源的电源出力是否低于预定阈值，若是则执行步骤S1.2，若否则执行步骤S1.3；
S1.2、接通电解槽进行电解制氢，同时使压气机低速空转，并跳转执行步骤S1.1；
S1.3、接通所述电解槽进行电解制氢，同时使所述压气机高速旋转进行压气，并跳转执行步骤S1.1；
发电时：
S2.1、打开储气阀和储氢阀，并跳转执行步骤S2.2；
S2.2、燃烧器点火，并跳转执行步骤S2.3；
S2.3、判断发电机的输出电压是否达到预定电压，若是则跳转执行步骤S2.4；
S2.4、将所述发电机接入电网。
本发明结构简单、安装便捷，基于压气机功率大、成本低以及电解槽功率可变的特点，通过根据可再生能源电源的出力实时控制调整压气机和电解槽的运行状态，就可使压气机和电解槽在储能时分别消纳可再生能源电源出力平稳部分和尖峰部分的电能，不仅能实现可再生能源电力绿色、高效的存储再生，而且还不会产生任何二次碳排放。
附图说明
图1是本发明实施例1中的一种压缩空气储能系统的结构示意图；
图2是本发明实施例1中可再生能源的电源出力曲线示意图；
图3是本发明实施例1中的另一种压缩空气储能系统的结构示意图。
附图标记：
1-1、压气机；1-2、储气室；1-3、储气阀；1-4、压气变压器；
1-5、驱动电机；1-6、蓄冷器；1-7、蓄热阀；1-8、冷却器；
1-9、蓄热器；1-10、蓄冷阀；1-11、回热器；2-1、电解槽；
2-2、储氢室；2-3、储氢阀；2-4、氢气变压器；2-5、逆变器；
2-6、净化室；3-1、燃烧器；3-2、透平机；3-3、发电机；
3-4、并网变压器。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种压缩空气储能系统，该系统包括储气单元、储氢单元和发电单元；储气单元包括压气机1-1以及与压气机1-1的出口连通的储气室1-2，储氢单元包括电解槽2-1以及与电解槽2-1的氢气出口连通的储氢室2-2，发电单元包括燃烧器3-1、透平机3-2和发电机3-3；储气室1-2和储氢室2-2的出口分别通过储气阀1-3和储氢阀2-3与燃烧器3-1的进口连通，燃烧器3-1的出口通过透平机3-2与发电机3-3连接。
如图2所示，由于受到自然条件的影响，可再生能源电源的实际出力具有明显的无规律波动。其中，虚线表示预定阈值即可再生能源电源所能达到的稳定出力水平。
因此，储能时可根据可再生能源电源的出力实时控制调整压气机1-1和电解槽2-1的运行状态，具体地：
若可再生能源的电源出力低于预定阈值，也就是说，当可再生能源的电源出力位于图2中A、C或E部分时，接通电解槽2-1进行电解制氢，同时使压气机1-1低速空转。此时，压气机1-1不产生压缩气体，而由于电解槽2-1在电能不稳定时也能正常工作，因此在接通电解槽2-1后电解槽2-1的正极开始产生氧气，负极开始产生氢气。随着电解的不断进行，电解槽2-1内产生的氢气就会逐渐通过电解槽2-1的氢气出口流入储氢室2-2。
若可再生能源的电源出力不低于预定阈值，也就是说，当可再生能源的电源出力位于图2中B或D部分时，就可利用B或D部分虚线以下的电能驱动压气机1-1进行压气，同时利用B或D部分虚线以上的电能驱动电解槽2-1电解制氢。具体地，接通电解槽2-1进行电解制氢，同时使压气机1-1高速旋转进行压气。此时，随着压气机1-1的持续旋转，其产生的高温高压的压缩空气便逐渐流入储气室1-2。与此同时，随着电解的不断进行，电解槽2-1内产生的氢气也随之通过电解槽2-1的氢气出口流入储氢室2-2。
需要说明的是，在电解槽2-1电解过程中，电解槽2-1正极产生的氧气可通过电解槽2-1的氧气出口进行收集存储以供他用。
发电时：
首先，打开储气阀1-3和储氢阀2-3，由此在压差驱动下储存在储气室1-2内的压缩空气和储存在储氢室2-2内的氢气便沿着各自的管道逐渐流入燃烧器3-1；接着，燃烧器3-1点火、以使进入燃烧器3-1中的氢气和压缩空气在燃烧器3-1内混合燃烧。而燃烧产生的高温高压的烟气则会进入透平机3-2膨胀做功，进而带动发电机3-3输出电力。当发电机3-3的输出电压达到预定电压时，就可将发电机3-3接入电网。
可见，该系统结构简单、操作便捷，基于压气机1-1功率大、成本低以及电解槽2-1功率可变的特点，通过根据可再生能源电源的出力实时控制调整压气机1-1和电解槽2-1的运行状态，就可使压气机1-1和电解槽2-1在储能时分别消纳可再生能源电源出力平稳部分和尖峰部分的电能，不仅能实现可再生能源电力绿色、高效的存储再生，而且还不会产生任何二次碳排放。
进一步地，为了稳定压气机1-1和电解槽2-1的输入电压，延长其使用寿命，储气单元还包括压气变压器1-4和驱动电机1-5，压气变压器1-4通过驱动电机1-5与压气机1-1连接。储氢单元还包括制氢变压器2-4和逆变器2-5，制氢变压器2-4通过逆变器2-5与电解槽2-1连接。由此，储能时通过接通压气变压器1-4和制氢变压器2-4就可启动压气机1-1和电解槽2-1。具体地，当接通压气变压器1-4时，压气变压器1-4就可通过驱动电机1-5驱动压气机1-1旋转。当接通制氢变压器2-4时，逆变器2-5就可将制氢变压器2-4传导的交流电整流为直流电后供给电解槽2-1，进而电解槽2-1就可进行电解制氢。
进一步地，发电单元还包括并网变压器3-4，透平机3-2通过发电机3-3与并网变压器3-4连接。
另外，如图3所示，为了提高进入燃烧器3-1的氢气的纯度，储氢单元还包括净化室2-6，电解槽2-1通过净化室2-6与储氢室2-2连通。由此，电解槽2-1电解产生的氢气从其氢气出口排出后先进入净化室2-6，经过净化室2-6净化增压后再流入储氢室2-2。
进一步地，储气单元还包括冷却器1-8、回热器1-11、蓄热器1-9、蓄冷器1-6、蓄热阀1-7和蓄冷阀1-10；压气机1-1通过冷却器1-8的高温侧与储气室1-2的进口连通，储气室1-2的出口通过回热器1-11的低温侧与燃烧器3-1连通；蓄热器1-9、蓄冷阀1-10、回热器1-11的高温侧、蓄冷器1-6、蓄热阀1-7和冷却器1-8的低温侧首尾依次连接、以形成回热循环回路。其中，储气阀1-3、储氢阀2-3、蓄冷阀1-10和蓄热阀1-7优选为电动阀。
储能时，驱动压气机1-1高速旋转的同时，打开蓄热阀1-7、关闭蓄冷阀1-10和储气阀1-3。环境大气经压气机1-1压缩后其压力和温度同时升高，高温高压的压缩空气先进入冷却器1-8的高温侧与流经冷却器1-8低温侧的低温液体工质进行换热，经过降温后的压缩空气则流入储气室1-2存储起来以备发电阶段使用，升温后的液体工质则流入蓄热器1-9存储起来以备发电阶段使用。
发电时，打开蓄冷阀1-10和储气阀1-3、关闭蓄热阀1-7。此时，存储在蓄热器1-9中的高温液体工质便通过蓄冷阀1-10逐渐流入回热器1-11的高温侧，与此同时，储存在储气室1-2内的中温压缩空气则逐渐通过储气阀1-3流入回热器1-11的低温侧。流经回热器1-11的中温压缩空气在回热器1-11内吸收高温液体工质释放的热量后就可转变成高温压缩空气流入燃烧器3-1，而放热降温后的低温液体工质则重新流入蓄冷器1-6。
这样设置的好处在于：一方面、冷却器1-8通过利用蓄冷器1-6所储冷量来冷却储气室1-2进气，就可降低储气室1-2整体的进气温度，进而就可降低储气室1-2的平均储气温度、提高储气室1-2的实际储气量，使其放气时长延长、系统容量增加。另一方面、回热器1-11通过利用蓄热器1-9所储热量来加热储气室1-2排气，就可提高燃烧器3-1的进气温度，从而不仅可提高系统热能的利用率，而且还能提升压缩空气的做功能力。
进一步地，为了实现自动化控制，该系统还包括控制器，压气机1-1、电解槽2-1、燃烧器3-1、储气阀1-3、储氢阀2-3、蓄冷阀1-10和蓄热阀1-7分别与控制器电连接。
实施例2
本发明还提供了一种压缩空气储能系统的使用方法，该方法包括以下步骤：
储能时：
S1.1、判断可再生能源的电源出力是否低于预定阈值，若是则执行步骤S1.2，若否则执行步骤S1.3，也就是说，当可再生能源的电源出力位于图2中A、C或E部分时执行步骤S1.2，当可再生能源的电源出力位于图2中B或D部分时行步骤S1.3；
S1.2、接通电解槽2-1进行电解制氢，同时使压气机1-1低速空转，并跳转执行步骤S1.1；此时，压气机1-1不产生压缩气体，而由于电解槽2-1在电能不稳定时也能正常工作，因此在接通电解槽2-1后电解槽2-1的正极开始产生氧气，负极开始产生氢气。随着电解的不断进行，电解槽2-1内产生的氢气会逐渐通过电解槽2-1的氢气出口流入储氢室2-2。
S1.3、接通电解槽2-1进行电解制氢，同时使压气机1-1高速旋转进行压气，并跳转执行步骤S1.1；此时，随着压气机1-1的持续旋转，其产生的高温高压的排气便逐渐流入储气室1-2。与此同时，随着电解的不断进行，电解槽2-1内产生的氢气也随之通过电解槽2-1的氢气出口流入储氢室2-2。
发电时：
S2.1、打开储气阀1-3和储氢阀2-3，并跳转执行步骤S2.2；，此时在压差驱动下储存在储气室1-2内的压缩空气和储存在储氢室2-2内的氢气便沿着各自的管道流入燃烧器3-1。
S2.2、燃烧器3-1点火、以使进入燃烧器3-1中的氢气和压缩空气在燃烧器3-1内混合燃烧。而燃烧产生的高温高压的烟气则会进入透平机3-2膨胀做功，进而带动发电机3-3输出电力。
S2.3、判断发电机3-3的输出电压是否达到预定电压，若是则跳转执行步骤S2.4；
S2.4、将发电机3-3接入电网。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括储气单元、储氢单元和发电单元；所述储气单元包括压气机以及与所述压气机的出口连通的储气室，所述储氢单元包括电解槽以及与所述电解槽的氢气出口连通的储氢室，所述发电单元包括燃烧器、透平机和发电机；所述储气室和所述储氢室分别通过储气阀和储氢阀与所述燃烧器的进口连通，所述燃烧器的出口通过所述透平机与所述发电机连接。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气单元还包括压气变压器和驱动电机，所述压气变压器通过所述驱动电机与所述压气机连接。
3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储氢单元还包括制氢变压器和逆变器，所述制氢变压器通过所述逆变器与所述电解槽连接。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述发电单元还包括并网变压器，所述透平机通过所述发电机与所述并网变压器连接。
5.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储氢单元还包括净化室，所述电解槽通过所述净化室与所述储氢室连通。
6.根据权利要求1至5任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气单元还包括冷却器、回热器、蓄热器、蓄冷器、蓄热阀和蓄冷阀；所述压气机通过所述冷却器的高温侧与所述储气室的进口连通，所述储气室的出口通过所述回热器的低温侧与所述燃烧器连通；所述蓄热器、所述蓄冷阀、所述回热器的高温侧、所述蓄冷器、所述蓄热阀和所述冷却器的低温侧首尾依次连接、以形成回热循环回路。
7.根据权利要求6所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气阀、所述储氢阀、所述蓄冷阀和所述蓄热阀为电动阀。
8.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括控制器，所述压气机、所述电解槽、所述燃烧器、所述储气阀、所述储氢阀、所述蓄冷阀和所述蓄热阀分别与所述控制器电连接。
9.一种压缩空气储能系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
储能时：
S1.1、判断可再生能源的电源出力是否低于预定阈值，若是则执行步骤S1.2，若否则执行步骤S1.3；
S1.2、接通电解槽进行电解制氢，同时使压气机低速空转，并跳转执行步骤S1.1；
S1.3、接通所述电解槽进行电解制氢，同时使所述压气机高速旋转进行压气，并跳转执行步骤S1.1；
发电时：
S2.1、打开储气阀和储氢阀，并跳转执行步骤S2.2；
S2.2、燃烧器点火，并跳转执行步骤S2.3；
S2.3、判断发电机的输出电压是否达到预定电压，若是则跳转执行步骤S2.4；
S2.4、将所述发电机接入电网。
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