CN110578567B - 一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属新能源利用领域，涉及一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统。系统通过空气压缩机多级压缩产生高压压缩空气，高压压缩空气通过多级透平膨胀机进行发电，借助一种特殊的压缩空气储气罐，可以实现压缩空气的定压释能。其具体实现方式为：本发明利用工质（二氧化碳或其它）汽液变相体积变化巨大这一物理特性，借助内部带有隔离气囊或活塞的一种特殊的高压储气罐，当高压储气罐内的压力降低到特定的设计压力时，压缩空气能够被工质汽体（二氧化碳或其它）产生的压力下持续定压排出，直到储存的压缩空气耗尽。

Description

一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统

技术领域

本发明属新能源利用领域，涉及一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，该系统通过利用一种新的储能方法能够大幅提升压缩空气储能发电效率。

背景技术

随着人类对全球变暖的担忧和化石燃料的匮乏，全球可再生能源开发利用发展迅速。可再生能源（风能、太阳能、海洋能等）的大规模开发利用越来越普及，但是可再生能源存在间歇性、不确定性等缺陷。可再生能源电能的波动性对电网会造成较大的冲击，影响电网的安全性，所以可再生能源等利用率很低，存在大量的弃风弃光现象造成大量的浪费。储能技术可以将波动性、间歇性的可再生能源转变为稳定的可控的优质能源。储能发电技术中物理储能有个巨大的优势，使用寿命长，功率大等优势。但目前的物理储能发电都存在不同程度的缺点，抽水储能电站对地理条件有着特殊的要求，且其建设周期长成本高昂，不能很好的普及。压缩空气储能对地理条件无特殊要求，建造成本和响应速度与抽水蓄能电站相当，使用寿命长，储能容量大，是一种具有推广应用前景的大规模储能技术。目前压缩空气储能方法分为定容储能和定压储能。定容储能一种是利用天然的地下洞穴通过改造作为储气空间，另一个办法是利用高压压缩空气罐作为储气空间。定容储能在释放能量的时候需要经过减压至预定的较低的压力，在减压的过程中浪费了大量的能量，所以效率较低。定压储能目前主要是利用水的静压特性实现在海底或深水中建立储能系统，利用水的静压特性保证释能过程中储气室的压力的恒定。定压储能由于可以利用更高的压力释能，因此具有更高的效率。然而,目前在深水中建立压缩空气储能系统存在很多难以解决的技术难题，同时也存在成本高和受到地理环境的限制的问题。目前已有的多级回热无补燃压缩空气储能系统由于回热过程的热损失转换效率仍然较低。

本发明利用工质（二氧化碳或其它）汽液变相体积变化巨大这一物理特性，提出了一种压缩空气定压储能发电系统。该系统中的定压释能部分利用了一种特殊的高压储气罐，当高压储气罐内的压力降低到特定的设计压力时，能够在该压力下持续运行，直到储存的压缩空气耗尽。从而能获得更高的能量转换效率。本发明由于存在工质变相，在工质变相过程中有大量的热能和冷能产生，这些冷能可以加入到压缩空气的回热系统中用于压缩机级前冷却和级间冷却，降低压缩机吸入的空气温度，降低压缩机功耗而产生的热量可以对进入透平的压缩空气进行加热，可以补充普通压缩空气储能系统在回热过程中的热损失，进一步提高效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用压缩空气复合工质（二氧化碳或其它）变相的储能发电系统。该发电系统的定压释能部分是利用一种特殊的压缩空气储气罐，该储气罐可以实现两种气体的隔离而允许同时通入压缩空气和其它工质（二氧化碳或其它）。在压缩空气储能阶段，当储气罐中通入压缩空气后会压缩储气罐中的工质（二氧化碳或其它），通过压缩空气的增压和与热量交换，实现工质（二氧化碳或其它）液化。由于液态工质（二氧化碳或其它）与常温气态工质有近几百倍的体积差，因此当通入的压缩空气产生的压力超过工质（二氧化碳或其它）的临界液化压力值时，储气罐中的气体工质（二氧化碳或其它）会被压入一个体积很小的储液罐中，为压缩空气腾出储气空间。在压缩空气释能阶段，当储气罐的压力降到设定值后，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐到储气罐的阀门，通过与环境进行热量交换从环境中吸热升温，液态工质汽化增压重新压回储气罐，使储气罐的压力维持在某一设定的压力下，持续释能，直到压缩空气彻底排空。由于该系统具有一定的定压释放压缩空气的能力，且压缩空气能够被全部排空，因此具有更高的储能密度和储能发电效率。

该发明的有益效果是：利用工质（二氧化碳或其它）变相体积变化巨大的特性能够实现一定程度的压缩空气定压储能，可以大幅度提升压缩空气的储能发电效率。工质（二氧化碳或其它）变相过程中伴随着大量的热量释放和吸收，也即具有相当可观的热能和冷能。产生的冷能用于压缩空气的冷却降温系统中去，降低压缩机吸入的空气和压缩空气的温度，可以降低压缩机功耗，提高压缩空气的压缩效率。释放的热能利用到压缩空气的回热系统，能够提高压缩空气的温度，弥补压缩空气本身在多级回热过程中的热量损失，提高释能发电效率。该储能发电技术可以大幅提高压缩空气的储能转换效率，提升压缩空气应用前景，提供一种更清洁高效的物理储能解决方案。

具体的，该系统利用了一种特殊的压缩空气储气罐，该储气罐可以实现两种气体的隔离而允许同时通入压缩空气和气体工质（二氧化碳或其它），储气罐有各自独立的压缩空气和工质（二氧化碳或其它）出入口。该压缩空气储能系统的最高压力应超过工质（二氧化碳或其它）的临界压力。压缩空气储能前先通过储气罐气体工质（二氧化碳或其它）出入口充入一定压力的气体工质（二氧化碳或其它），气体工质形成的压力即为压缩空气释能阶段的最终压力。在压缩空气储能阶段，压缩空气通过压缩空气出入口进入储气罐，随着储气罐的压缩空气不断充入，储气罐的压力不断升高，储气罐内的气体工质（二氧化碳或其它）不断被压缩，储气罐的内气体工质（二氧化碳或其它）所占的体积越来越小，压缩空气越来越多。当储气罐内的压力接近或达到储气压力的上限时，开启气体工质（二氧化碳或其它）通往工质（二氧化碳或其它）储液罐的阀门，气体工质（二氧化碳或其它）经换热器减压阀，进入工质（二氧化碳或其它）储液罐。由于高压气态工质（二氧化碳或其它）突然减压降温，于是部分气态工质（二氧化碳或其它）开始液化。储气罐内压缩空气继续增多，罐内压力增大，气态工质（二氧化碳或其它）被不断压入工质（二氧化碳或其它）储液罐内液化。随着储液罐的工质（二氧化碳或其它）的气液两相流不断充入，储液罐内温度升高，为保证工质（二氧化碳或其它）充分液化，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐的罐体自身的冷却降温系统，使气态工质（二氧化碳或其它）充分液化。随着储气罐内的高压压缩空气不断的充入，工质（二氧化碳或其它）所占的罐体容积不断减少，二氧化碳最终被排空。压缩空气储能阶段完成。在压缩空气释能阶段，压缩空气不断的从储气罐送入透平释能，储气罐内压力不断降低，当储气罐压力接近初始压力时，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐通往储气罐的阀门，同时开启储气罐的加温增压系统，升高工质（二氧化碳或其它）储液罐的压力。储液罐内的二氧化碳通过减压阀，不断的通过储气罐工质（二氧化碳或其它）出入口进入储气罐，储气罐内的压缩空气在恒定的压力下不断被排出做功释能。当储气罐内的压缩空气被全部排空，释能阶段完成。由于工质（二氧化碳或其它）在压缩空气储能和释能阶段有热泵效应，可以放出或吸收大量的热量，可以产生大量的热能和冷能。产生的冷能用于压缩空气的冷却降温系统中去，降低压缩机吸入的空气和压缩空气的温度，可以降低压缩机功耗，提高压缩空气的压缩效率。放出的热量通过加入到压缩空气回热系统中去，能够提高压缩空气的温度，弥补压缩空气回热过程中的热量损失，提高释能发电效率。

下面结合附图对本发明做较为详细的描述。

附图说明

图1是本发明所述的一种实现回收蒸汽凝结热的低温发电系统的结构示意图。

其中：1为空气压缩机、2压缩空气进气阀门、3为高压储气罐、4为隔离活塞（或隔离气囊）、5为阀门开关、6为节流减压阀、7为工质充入阀、8为工质（二氧化碳或其它）储液罐、9为工质（二氧化碳或其它）储液罐自身换热系统、10为透平膨胀机、11为低温罐、12为中温罐、13为阀门、14为阀门、15为高温罐、16压缩空气排气阀门、17为放散阀门。

具体实施方式

该系统如图所示（为了更清楚的表述本系统的热循环的利用，图中未标示普通的压缩空气储能发电系统本身的系统多级回热循环，但实际本系统是包含压缩空气本身的多级回热循环的）,空气压缩机1对空气进行多级压缩同时进行多级换热降温,产生的高压压缩空气经进气阀门2进入高压储气罐3内。高压储气罐3具有可以隔离压缩空气和气体工质（二氧化碳或其它）的4隔离活塞（或隔离气囊），使高压储气罐3可以实现两种气体的隔离而允许同时通入压缩空气和气体工质（二氧化碳或其它）。压缩空气储能前，先关闭阀门开关2打开阀门开关5，充入一定压力的气体工质（二氧化碳或其它），这个压力即是压缩空气释能阶段的最终压力。本发明所述一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统的最终压缩空气的设计压力应超过所选用工质的临界压力。在储能阶段打开压缩空气阀门2关闭阀门开关5，使压缩空气进入高压储气罐3。随着压缩空气的不断充入，储气罐内的压力不断升高，工质气体（二氧化碳或其它）不断被压缩。当高压储气罐3内的压力达到或接近设计压力上限时，打开阀门5，使工质气体（二氧化碳或其它）返回工质（二氧化碳或其它）储液罐8。期间通过换热系统与节流减压阀6使工质气体（二氧化碳或其它）减压降温，从而液化。随着工质（二氧化碳或其它）储液罐8中工质的气液两相流不断充入，工质（二氧化碳或其它）储液罐8内温度升高，为保证工质充分液化开启工质（二氧化碳或其它）储液罐8的罐体自身的换热系统9降温减压，使工质充分液化。以二氧化碳为例，因其液化临界温度为31℃，因此可利用较低环境温度的介质进行冷却。随着高压储气罐3内的压缩空气不断充入，工质（二氧化碳或其它）所占的罐体容积不断减少，高压储气罐3内的工质最终被排空，压缩空气储能阶段完成。为减少不能液化的压缩空气混入工质储液罐，工质储液罐上设置放散阀17，用于放散混入工质储液罐中空气。相应的，如果放散阀17放散出了工质气体（二氧化碳或其他），工质气体可以工质充入阀7得到补充。在压缩空气释能阶段，开启压缩空气排气阀门16，压缩空气不断的从高压储气罐3送入透平膨胀机10中释能发电，高压储气罐3内压力不断降低。当储气罐压力接近或达到设计压力时，开启工质通往高压储气罐3的阀门5，工质（二氧化碳或其它）储液罐8罐体自身的换热系统9加温增压，使工质充分汽化膨胀做功，不断的进入高压储气罐3，高压储气罐3内的压缩空气在恒定的压力下不断被排出，高压储气罐3内的压缩空气最终被全部排空，压缩空气释能阶段完成。

压缩储能阶段和释能阶段通过换热系统可以实现余热回收——在压缩蓄能初期，低温罐11内的低温介质流过空气压缩机1的级前和级间对空气和压缩空气进行冷却，之后流入中温罐12。在压缩储能后期，工质（二氧化碳或其它）通过节流减压阀6流入工质（二氧化碳或其它）储液罐8。此时打开阀门13关闭阀门14，中温罐12内的冷却介质流过节流减压阀6前面的换热器为工质（二氧化碳或其它）高温气体降温，被加热了介质流入高温罐15中储存起来。在压缩空气释能阶段，高温罐内15中的高温介质液体对透平膨胀机10中的压缩空气进行加热，提高发电效率。经透平膨胀机10级间换热后流入中温罐12。在释能阶段后期，工质（二氧化碳或其它）气体通过节流减压阀6进入高压储气罐3。工质（二氧化碳或其它）气体因为减压阀的作用膨胀降温，此时中温罐12的介质流过节流减压阀6前面的换热器为工质（二氧化碳或其它）高温气体加热，被冷却了的介质流入低温罐11中储存起来。至此一个工作循环完成。

在储能阶段后期，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐8罐体本身换热系统的冷却功能，对工质（二氧化碳或其它）汽体进行降压液化。以二氧化碳为例，因其液化临界温度为31℃，因此罐体本身的冷却系统可利用低于31℃的环境中的介质进行冷却。在释能阶段后期，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐8罐体本身换热系统的加热功能，对工质（二氧化碳或其它）液体进行汽化升压。由于释能阶段工质处在亚临界状态，因此罐体本身的加热系统仍然可以利用环境中的介质进行加热，从而节约能源。不单如此，值得说明的是，交换的冷能可以用于有制冷需求的建筑中的中央空调。

本发明的巧妙之处在于，利用工质（二氧化碳或其它）变相特性和内部带有隔离气囊或活塞的高压储气罐，实现一定程度的等压释能。当储能气罐降低到某一设定压力的时候就不再降低，能够在该压力下持续运行，直到储存的压缩空气排尽，从而能获得更高的能量转换效率。同时工质变相，在储能和释能阶段，有大量的热量和冷量产生，通过热循环系统，可以补充压缩空气本身多级回热过程中的热量损失，同时降低进入压缩机的空气温度，减少压缩机的功耗。本发明所用设备和技术大部分为现有的成熟的产品和技术，通过一定的研发和系统设计，能够较快的达到市场化的应用水平。

Claims (11)

1.一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：通过空气压缩机（1）多级压缩产生高压压缩空气，高压压缩空气通过多级透平膨胀机（10）进行发电，借助压缩空气储气罐（3），实现压缩空气的定压释能；该储气罐（3）的内部带有隔离气囊或活塞（4），使之可以实现气体之间的隔离而允许同时通入压缩空气和其它工质；以隔离气囊或活塞（4）为界，该储气罐（3）的压缩空气区与压缩空气进气阀门（2）和压缩空气排气阀门（16）相连，该储气罐（3）的其它工质区通过阀门（5）与工质储液罐（8）相连；该工质储液罐（8）具有自身换热系统（9）；在压缩空气储能阶段，低温罐（11）内的换热介质流过空气压缩机（1）的级前和级间对空气和压缩空气进行冷却，之后流入中温罐（12）；在压缩空气储能后期，其它工质通过节流减压阀（6）流入工质储液罐（8）；此时打开阀门A（13），关闭阀门B（14），中温罐（12）内的换热介质流过节流减压阀（6）前面的换热器为其它工质高温气体降温，换热介质温度升高，流入高温罐（15）中储存起来；与此同时，开启工质储液罐自身换热系统（9），对其它工质汽体进行降压液化；在压缩空气释能阶段，高温罐（15）中的换热介质液体对透平膨胀机（10）中的压缩空气进行加热，提高发电效率；经透平膨胀机（10）级间换热后流入中温罐（12）；在压缩空气释能后期，其它工质气体通过节流减压阀（6）进入储气罐（3）；其它工质气体膨胀降温，此时中温罐（12）的换热介质流过节流减压阀（6）前面的换热器为其它工质气体加热，而被冷却了的换热介质流入低温罐（11）中储存起来；与此同时,开启工质储液罐自身换热系统（9）对其它工质液体进行汽化升压。

2.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：最终压缩空气的设计压力应超过所选用其它工质的临界压力。

3.根据权利要求2所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：在储能阶段前即在储气罐的其它工质区充入能够产生该压力的其它工质气体。

4.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：该工质储液罐（8）与储气罐（3）相接的高压管道上装有节流减压阀（6）。

5.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于该工质储液罐（8）上设有放散阀（17），用于放散混入工质储液罐中的空气。

6.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于该工质储液罐（8）上设有工质充入阀（7），用于补充其它工质气体。

7.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：在压缩储能阶段打开压缩空气进气阀门（2）关闭阀门（5），使压缩空气进入储气罐（3）；当储气罐（3）内的压力达到或接近设计压力上限时，打开阀门（5），使其它工质气体返回工质储液罐（8），压缩空气充满整个储气罐（3），压缩储能阶段完成。

8.根据权利要求7所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：其它工质气体返回工质储液罐（8），在此过程中通过节流减压阀前的换热器与节流减压阀（6）使其它工质气体减压降温，同时开启工质储液罐自身换热系统（9）降温减压，使其它工质充分液化。

9.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，其特征在于：在压缩空气释能阶段，开启压缩空气排气阀门（16），压缩空气不断的从储气罐（3）送入透平膨胀机（10）中释能发电，储气罐（3）内压力不断降低；当储气罐压力接近或达到设计压力时，开启阀门（5），工质储液罐自身换热系统（9）加温增压，使其它工质充分汽化膨胀做功，不断的进入储气罐（3），储气罐（3）内的压缩空气在恒定的压力下不断被排出，储气罐（3）内的压缩空气最终被全部排空，压缩空气释能阶段完成。

10.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，工质储液罐自身换热系统（9），其特征在于选用的其它工质液化临界温度高于环境温度，通过利用环境温度的介质进行冷却液化。

11.根据权利要求1所述的一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，工质储液罐自身换热系统（9），其特征在于选用的其它工质汽化温度低于环境温度，通过利用环境温度的介质进行加热汽化。

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