CN110274150A - 一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置及其方法，将电能以能的形式储存于压缩空气。将压缩空气储存于‑60℃至‑10℃间低温的压力容器。一般将压力容器浸入储存于低温且隔热的蓄冷罐或洞穴的冷却液中。考虑真实气体的物性，为改善对压力容器的利用，将空气以100bar至300bar间的压力储存，以降低储存单位能所需压力容器的成本。为进一步改善对压力容器的利用，采用静压补偿方法维持压力容器内压力的稳定。本发明所述的高压空气储存的方法可与基于常温近等温过程到高温近等温过程等多种空气压缩和膨胀方法配合使用。在空气充入压力容器时，采用换热器将冷却液中部分冷量传递至空气。当空气从压力容器排出时，冷量从空气反向传递回冷却液。

Description

一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置及其方法
技术领域：
本发明属于储能领域，具体涉及一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置及其方法。
背景技术：
随着可再生能源发电在电网传输电力中的占比不断提高，可再生能源并网的成本对其总成本的影响不断增大。储能越来越重要其主要原因是：
(a)调整电力的供需匹配；
(b)减小电力传输系统的波动。
储能系统的3个关键因素是：
(i)可接受的成本；
(ii)长寿命(使用年限和充放电次数)；
(iii)合理的充放电效率。
压缩空气储能适用于高充放电效率且寿命长。通常将高压空气储存在已有地下洞穴(天然和人工建造)，从而，高压空气储存的成本低，由于不考虑节省压力容器的成本，系统设计简化。但如果将高压空气存储于压力容器中，压力容器的成本占储能系统总成本的40％。因此，降低高压空气储存成本，提高压缩空气储能系统的经济性，具有重要的意义。本发明提供了一种降低压缩空气储能系统成本的方法。
在专利EP/2687702A1中，发明人公布了一种降低压缩空气系统成本的方法。储存单位能，采用储热器的成本远低于压力容器，因此，该专利为减少压力容器的用量，提出以热的形式将大部分能储存于储热器、降低成本。
本发明采用了与上述不同的技术路线——提供低成本的高压空气储存装置和方法，以提高压缩空气储能系统的经济性。本发明利用了空气的真实气体效应，根据真实气体效应，在0℃以下、空气液化温度78K以上，高压下真实气体的密度大幅高于理想气体定律得到的密度。在合理的压力下，空气储存的经济性可大幅提升。
另外有专利提出将冷的利用与压缩空气储能系统结合。WO 2015/015184A2提出将空气储存于常温或接近常温。当高压空气从压力容器释放时，空气经膨胀得到冷量，并将部分冷量存入冷却液储存器。高压空气中储存的能大部分转换为冷存入该冷却液储存器，并在系统内循环，仅其余的小部分能转换为电能。反过来，当高压空气存入压力容器时，冷却液储存器中的冷量释放出来，对空气冷却后，低温空气进入压缩机，压缩后空气的温度接近环境温度。上述专利公布的压缩空气储能方法，与采用常温空气进入压缩机、并在压缩后对空气冷却的储能方法相比，相同质量的空气，储存的电能更少。综上，采用WO2015/015184A2，与传统的常温进气多级压缩和后冷却系统相比，储存相同质量的高压空气，更少的净电能进入储能系统，并实现存储和释放。
本发明提出将压缩空气储存在低于0℃的低温。采用蓄冷器使压缩空气保持低温。当高压空气从压力容器释放时，空气的温度首先经换热上升至常温、然后经储热器加热至高温后进行多级膨胀。在一些应用案例中，采用回热器将部分热量传递给从压力容器释放、并在多级膨胀前的空气。
随着冷量进/出本发明系统的净能可以忽略不计。由于热量从外界泄漏进入蓄冷器，少量的冷持续消耗，需持续从外界补充等量的冷使蓄冷器保持初始温度。这部分从外界泄漏进入的热量(以及冷的损失)可以通过改善隔热措施而得到控制。
当高压空气释放时，空气中的冷量传递至初始温度为常温的换热流体，并将换热流体存入隔热的蓄冷器中。
与常温压缩空气储存相比，本发明采用相同容积的压力容器，以高压空气的形式储存更多的能。本发明考虑空气的真实气体效应，公布了一组储存压力和储存温度的组合条件，最大化压力容器的利用率。由于压力容器的成本在压缩空气储能系统中占比大，改善压力容器的利用率，有利于降低系统的总成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置及其方法，用于降低压缩空气储能系统的成本。同时，提供了一种提高压缩空气储存经济性的方法。空气以高压和常温(或接近常温)的状态进入和排出高压空气储存装置，并在装置内部改变并优化空气储存的状态。
本发明指出在-10℃到-60℃范围的低温、在100bar到300bar范围的压力下，高压缩空气储存的经济性最高。所述压力和温度范围的组合与真实气体的物性相适应。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，将压力容器浸入蓄冷罐内的缓存冷却液中保持低温，采用高效的隔热器件以及小功率的热量传输器件，使蓄冷罐内的缓存冷却液保持低温。
所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，采用静压补偿系统使压力容器中的空气保持压力恒定或接近恒定，当空气从压力容器释放时，静压补偿液泵入压力容器；反过来，当空气存入压力容器时，静压补偿液从压力容器释放；气囊、膜以及其它类似的隔离表面设置在压力容器内部，最小化压缩空气在静压补偿液中的溶解。
所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，所述的静压补偿液与缓存冷却液不是同一液体，静压补偿液存入独立放置在蓄冷罐内部的静压补偿罐中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的一种用于压缩空气储能的系统原理图；
图2是本发明提出的高压空气储存装置及其方法的原理图；
图3是本发明高压空气子系统能储存过程空气、冷量以及两种冷却液的流动方向图；
图4是本发明高压空气子系统能释放过程空气、冷量以及两种冷却液的流动方向图。
图5是本发明二级压缩和膨胀系统原理图
图6是本发明多级压缩和膨胀系统原理图
1:大气 8a:静压补偿液
2a:压缩供应器 8b:出口
2b:膨胀供应器 9:高压空气汇流器
3:高品位储热器 10:静压补偿汇流器
4:低品位储热器 11:静压补偿泵
5:高压储气装置 12:缓存低温泵
6a:导流阀 13:气-液换热器
6b:导流阀 14:外部储罐
7:蓄冷罐 15:压力容器
7a:缓存冷却液 15a:气囊
7b:出口 16:热泵
7c:隔热材料 17:高压空气
8:静压补偿罐 18:冷量
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种压缩空气储能系统，包括用于空气压缩的压缩供应器2a、用于空气膨胀的膨胀供应器2b，通常与压缩供应器2a是同一器件。在蓄能阶段，所述的压缩空气储能系统从大气1吸气；在释能阶段，系统向大气1排气。高品位储热器3设置在压缩供应器2a和膨胀供应器2b的高压侧，用于储存压缩热。
在蓄能阶段，常温空气经低品位储热器4预热至中温后进入压缩供应器2a。如果压缩供应器2a和膨胀供应器2b不是同一个器件，1个或更多的导流阀6a和6b调整气流方向。空气在压缩供应器2a中压缩时空气温度上升，然后，高温空气流经并将高品位热量传递至高品位储热器3，高温空气的温度回降至中温，然后，中温空气流经并将剩余的热量传递至小型低品位储热器4，最后，常温高压空气存入高压储气装置5。
在释能阶段，高压空气从高压储气装置5释放，首先流经并从小型低品位储热器4中吸热至中温，然后，进入高品位储热器3继续吸热至高温，然后，流经并在膨胀供应器2b中膨胀、释放膨胀功。空气从膨胀供应器2b排出后的温度仍然高于环境温度，然后，中温空气流经并将热量传递至低品位储热器4，最后，常温常压空气释放至大气1，空气回到蓄能前的状态。
所述的高压储气装置5是本发明的主要创新内容，装置中(或者由所述的装置构成的压缩空气储能系统中)储存相同的能，付出更低的成本。
所述的压缩空气储能系统仅是本发明公布的高压空气储存装置的一种应用情况。所述的压缩空气储能系统仅采用单级压缩和单级膨胀，但容易组合得到多级压缩和膨胀系统。图5和图6是本发明应用于多级压缩和膨胀情况的系统原理图。所述的压缩空气储能系统包含小型低品位储热器4，在一些应用案例中可以省去，特别是当压缩和膨胀级数较少时。压缩供应器2a和膨胀供应器2b可以是等温的，在整个压力变化过程中保持空气温度逼近环境温度，此时，高品位储热器3和低品位储热器4都可省去。
所述的高压储气装置5，包括蓄冷罐7。在蓄冷罐7中设置一个或者多个压力容器15，一个或多个静压补偿罐8(可选)。缓存冷却液7a存入蓄冷罐7中。压力容器15浸入缓存冷却液7a中，使压力容器15以及蓄冷罐7内其它器件的温度保持与缓存冷却液7a基本相等的低温。温度的范围在-10℃和-60℃之间。缓存冷却液7a的选取确保在所述的温度范围是液态以及保持低粘性。一般情况，缓存冷却液7a的选取确保在常压且温度上升至接近或者超过高压储气装置5运行的最高温度时是液态。最高温度通常是40℃或低于40℃。
所述的蓄冷罐7有出口7b，使罐内与罐外没有明显压差。蓄冷罐7采用隔热材料7c包裹，减小从环境向罐内泄漏的热量。热泵16产生冷量补偿热量的泄漏。如果隔热材料7c的效果足够好，热泵16的体积和功率都很小。
所述的压力容器15是存入压缩空气和静压补偿液8a的高压容器。静压补偿泵11驱动静压补偿液8a经静压补偿汇流器10进入压力容器15，对压力容器15的压力进行补偿，使容器中空气的压力基本保持不变。静压补偿泵11一般采用正排量式泵。当压力容器15充入高压空气时，静压补偿液8a从高压侧输送至低压侧，此前驱动其进入压力容器15所消耗的功，大部分可从此时反向流动的静压补偿液8a中回收。静压补偿泵11有明确的输出压力和功率的需求。输出压力确保压力容器保持(恒定的)储存压力的设计值。输出功率确保在空气以最大速率从容器释放时压力维持稳定。因此，静压补偿泵11的输出功率与压缩空气储能系统的输出功率相关。所述的压缩空气储能系统与静压补偿泵11的输出功率之比的范围是4：1到20:1，取决于除静压补偿泵11之外的压缩空气储能系统的设计。当储存压力提高和在高品位储热器3中储存更多的热能时，输出功率比将提高。具有多级压缩(膨胀)中间冷却(加热)的系统易于达到高输出功率比。
所述的出口8b设置在静压补偿罐8上，使罐内与罐外没有明显的压差。
在本发明的一些应用实例中，静压补偿罐8可全部去掉。仅当静压补偿液8a与缓存冷却液7a不是同一液体时，需要使用静压补偿罐8。是否选择在压力容器15中使用气囊15a将压缩空气与静压补偿液8a隔离，取决于空气在静压补偿液8a中的溶解是否严重。
所述的缓存冷却液7a流经的液体回路，由蓄冷罐7、缓存低温泵12、气-液换热器13和外部储罐14构成。外部储罐14存入部分接近常温的缓存冷却液7a。缓存低温泵12驱动缓存冷却液7a在正反两个方向流动。在多数本发明实施例中，由于缓存低温泵12两侧连接的器件内的压力接近常压，不需要在缓存低温泵12的进出口产生过大的压力差。提高缓存低温泵12进出口的压差仅仅是为了补偿流体在所述液体回路中流动产生的压力损失。
高压空气回路由压力容器15、高压空气汇流器9和气-液换热器13构成。空气可在该回路中沿正反两个方向流动。
图3标识了高压空气子系统能储存过程空气、冷量以及两种冷却液的流动方向。此处采用图1标识的压缩空气储能系统，仅用于解释高压储气装置5的工作原理，压缩空气储能系统的其它设计也可与高压储气装置5联合使用，且工作原理相似。在蓄能阶段，高压储气装置5与剩余部分压缩空气储能装置的工作原理分开说明。
从大气1中吸入的常压p0和常温T0的空气，首先进入低品位储热器4吸热，温度达到TL>T0，然后，进入压缩供应器2a，空气压缩之后以远高于TL的温度TH离开压缩供应器2a。之后，高压空气进入并将部分热量存入至高品位储热器3后，温度下降至TL。之后，高压空气进入并将部分热量存入小型低品位储热器4，温度进一步下降至常温T0。高压空气进入高压储气装置5。
常温高压空气17经高压空气汇流器9进入高压储气装置5。空气流经并在气-液换热器13中冷却至远低于T0的储存温度TS。少部分从蓄冷罐7中泵出、进入外部储罐14的缓存冷却液7a将冷量18传递至空气。其余大部分缓存冷却液7a仍储存在蓄冷罐7中，即便是在系统蓄满能量时。为了达到最优运行，泵入气-液换热器13液体的热质量(m×cp)应与进入气-液换热器13另一侧高压空气的热质量匹配。冷却后的高压空气进入压力容器15并将静压补偿液8a排出。静压补偿液8a从高压侧至低压侧流经静压补偿泵11,驱动泵反向运动做功。静压补偿液8a从泵排出后的压力接近常压，然后，经静压补偿汇流器10进入静压补偿罐8。
图4标识了高压空气子系统能释放过程空气、冷量以及两种冷却液的流动方向。此处采用图1标识的压缩空气储能系统，仅用于解释高压储气装置5的工作原理，压缩空气储能系统的其它设计也可与高压储气装置5联合使用，且工作原理相似。在释能阶段，高压储气装置5与剩余部分压缩空气储能装置的工作原理分开说明。
低温高压空气经高压空气汇流器9从压力容器15释放。空气流经气-液换热器13换热后，其温度从储存温度TS上升至常温T0。空气中的冷量18传递至缓存冷却液8a。然后，常温高压空气17进入其余部分的压缩空气储能系统，并将能释放出来。
所述的静压补偿泵11驱动静压补偿液8a，从静压补偿罐8，经静压补偿汇流器10，进入压力容器15，使压力容器15排气时保持内部压力基本不变。所有(或接近所有)的压缩空气可从压力容器15中排出，使压力容器15储存能的能力充分利用。
所述的常温缓存冷却液7a从外部储罐14进入气-液换热器13，以回收高压空气中的冷量18后，其温度降低至储存温度TS，然后，进入蓄冷罐7。
其余部分压缩空气储能系统中，来自高压储气装置5的压力为pS、温度T0的空气，首先从低品位储热器4中吸收少量低品位热量，温度从T0上升至TL。然后，继续进入高品位储热器3，并从中吸热，温度继续上升至TH。然后，该高压空气进入膨胀供应器2b、膨胀做功释放能后，压力从pS下降至常压p0且温度从TH下降至中温TL。该常压空气进入低品位储热器4并将余热存入其中，最后，常温常压空气回到大气1。
最佳储存压力和温度：本发明通过储存温度TS和储存压力pS的选取实现高压储气装置和方法的优化。最优的储存状态取决于具体的压缩空气储能系统配置，以及取决于压力容器15、气囊15a(如果采用气囊结构)和缓存冷却液8a的设计。但是，在所有的案例中，储存温度将处于-10℃到-60℃的范围内且储存压力将处于100bar到300bar的范围内。真实气体的物性使高压空气的储存工况在所述的范围内时达到最优。

Claims (11)

1.一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，其特征在于：由一个或多个压力范围在100bar至300bar间的压力容器及其外置构件组成，外置构件使压力容器及其内部空气的温度保持在-10℃至-60℃之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，其特征在于：所述的外置构件由蓄冷罐构成，蓄冷罐内存入缓存冷却液，并将压力容器浸入缓存冷却液中，蓄冷罐外置隔热器件，并设置热泵等热量传输器件，将从外界泄漏进入缓存冷却液的热量排出。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，其特征在于：包含一个静压补偿子系统，由可双向运行的正排量式泵构成，当所述的压力容器排气时，正排量式泵驱动静压补偿液在储存压力条件下进入压力容器，当所述的压力容器进气时，从压力容器排出的静压补偿液驱动正排量式泵做功。
4.根据权利要求3所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，其特征在于：气囊、膜以及其它类似的隔离表面设置在所述的压力容器内部，减小空气在所述的静压补偿液中的溶解。
5.根据权利要求3或4所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，其特征在于：所述的静压补偿液与缓存冷却液不是同一液体，静压补偿液存入独立放置在蓄冷罐内部的静压补偿罐中。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存装置，其特征在于：包含气-液换热器和小功率泵，当空气进入所述的压力容器时，所述的小功率泵将缓存冷却液从蓄冷罐泵出，流经所述的气-液换热器，将与空气量成一定比例的缓存冷却液中的冷量传递至空气，使空气冷却；当空气从所述的压力容器排出时，缓存冷却液回流至蓄冷罐，空气中的冷量传递回缓存冷却液。
7.根据一种用于压缩空气储能的高压空气储存方法，其特征在于：将空气储存在100bar到300bar范围的压力、在-10℃到-60℃范围的低温，以提高压缩空气储存的经济性。
8.根据权利要求7所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存方法，其特征在于：采用蓄冷罐储存缓存冷却液，将储存压缩空气的压力容器浸入缓存冷却液维持低温，采用隔热器件减小热量从外界向蓄冷罐内泄漏，采用热量传输器件，将经隔热器件泄漏进入蓄冷罐的热量排出。
9.根据权利要求7或8所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存方法，其特征在于：采用静压补偿使压力容器内的压力在小范围内波动，当压力容器排气时，向压力容器内补入液体，当压力容器进气时，将补入的液体排出。
10.根据权利要求9所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存方法，其特征在于：采用气囊、膜以及其它类似的隔离表面将压力容器内的空气与液体隔离，减小空气在液体中的溶解。
11.根据权利要求7-10所述的一种用于压缩空气储能的高压空气储存方法，其特征在于：采用换热器将冷量在空气与所述的缓存冷却液之间传递，在空气进入压力容器之前，冷量经换热器从缓存冷却液传递至空气，在空气从压力容器排出后，冷量经换热器从空气传递至缓存冷却液。
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