CN111706414B - 利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法 - Google Patents

利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法，以克服现有等温压缩空气储能系统因采用单罐体结构压力容器不具备近似等压放电能力的问题。本发明基于等温压缩空气储能技术基本原理，采用不溶于水的可凝气体作为储能工质和双罐体结构压力容器等措施，借助液体活塞和喷雾冷却等手段，并使用液力机械代替气动机械，来实现利用可凝气体相变行为的等温压缩气体储能系统的近似等压放电，为特殊负荷提供近似稳定的功率输出，对提高压缩气体储能技术性能、拓宽压缩气体储能技术应用领域等方面具有重要现实意义。

Description

利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法
技术领域
本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法。
背景技术
随着化石能源储量的不断枯竭和环境污染问题的日益严重，绿色低碳的可再生能源受到了极大关注。然而，由于可再生能源的间断性和波动性特点，其并网问题较为突出，使得现阶段“弃风、弃光、限电”等现象普遍存在。储能技术可实现波动性可再生能源的时空管理，有助于提高可再生能源的并网容量等级。
传统压缩空气储能作为一种基于燃气轮机循环的储能技术，具有响应速度快、部分负荷性能好、功率等级与能量等级范围宽等特点。自其被提出以来，经过多年的技术发展与革新，已经发展成为囊括多种热力学实现形式，使用多种工作介质的储能技术体系。目前主要包括非绝热压缩空气储能、绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能、液化空气储能、超临界压缩空气储能以及基于替代性工质的压缩气体储能技术等实现形式。
压缩空气储能技术的功率/能量等级范围较宽，其诞生的初衷是为了提高波动性可再生能源的并网容量等级和平衡电力系统峰谷差，这使得压缩空气储能系统被自然冠以大规模、电网级的特点，这是该技术进行应用的主要形式。同时，规模相对较小的压缩空气储能系统可作为微能源网的核心，可在边远无市电地区以可再生能源为电源来提供电能或多能联供服务。可见，不同规模的压缩空气储能系统均具备输入侧和输出侧的高随机性特点，即输入为波动性可再生电能，输出为随用户需求变化的随机负荷功率。因此，在这种情况下，压缩空气储能系统的主要任务就是在高随机性环境下为发电侧和用户侧提供调度灵活性。
然而，小规模的压缩空气储能系统也可作为应急电源，为特殊负荷(如通讯基站、数据中心等)提供诸如恒定功率等应急供电需求。等温压缩空气储能因其工作过程的特殊性，现阶段难以实现规模化，属于一种典型的小规模压缩空气储能技术，在应急电源领域具备好的应用前景与潜力。
现阶段的等温压缩空气储能系统以空气为储能介质，采用水泵和水轮机等液压机械代替压气机和透平等气动机械，并使用单罐体液压蓄能器结构与液体活塞来对空气进行缓慢压缩与膨胀，使得整个过程温度近似恒定。在系统中，空气和水共存于单罐体内，并在空气与水的交界面形成液体活塞。在储能时，对空气的压缩正是通过水泵将环境水泵送入单罐体，使得液体活塞上移来实现，故水泵的压头为单罐体内空气压力；在释能时，鉴于单罐体内空气压力与外界环境压力之间存在压差，将推动液体活塞下移，使得水流出罐体进入水轮机输出功率，故该压差为水轮机水头。
这种类型系统存在以下主要问题：
第一，该类系统因采用单罐体液压蓄能器结构，使得在释能过程中罐体内空气的压力将随着膨胀过程的进行而逐渐降低，进而导致水轮机的水头降低，流经水轮机的水流量和输出功率也同时降低，不能实现近似等压放电，不能给特殊负荷提供近似稳定的输出功率，限制了该系统的应用范围。
第二，该系统中使用空气作为储能介质，在整个储能与释能过程中不发生相变过程，在同等功率/能量等级下需要更大的储气容积，降低了系统的储能密度。
等温压缩空气储能技术因其技术的特殊性，现阶段难以实现规模化，属于典型的小规模压缩空气储能技术，其潜在的应用场合主要是同波动性可再生能源组成微能源网，实现用户的电能供应或多能联供。但目前主流的等温压缩空气储能技术均采用单罐体液压蓄能器结构，使得系统在释能时不能提供近似等压膨胀，无法获取近似稳定的输出功率，这就限制了这种小规模储能技术作为应急电源为特殊负荷供能的可能性。另外，等温压缩空气储能技术使用空气作为储能介质，在整个过程中不发生相变过程，限制了该类系统的性能提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明实现了小规模压缩气体储能技术的近似等压放电，不仅可有效提升等温压缩气体储能技术的性能，还能够拓宽等温压缩气体储能技术的应用领域。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统，包括第一压力容器和第二压力容器，第一压力容器和第二压力容器中均设置有水及不溶于水的可凝气体，第一压力容器和第二压力容器中的可凝气体均以液相和气相同时存在，且液相和气相的交界面分别形成第一液体活塞和第二液体活塞；
第一压力容器和第二压力容器之间通过设置有第一控制阀门的压力容器连接管道连接，第一压力容器和第二压力容器分别配置有能够从底部循环水至顶部喷淋的第一喷雾系统和第二喷雾系统；
还包括蓄水池，蓄水池下部出口端依次通过主水泵、逆止阀以及第二控制阀门连接至第一压力容器底部，主水泵上连接有电动机；蓄水池顶部入口依次通过水轮机第四控制阀门、第三控制阀门连接至第二压力容器底部，水轮机上连接有发电机。
进一步地，第一喷雾系统包括第一循环水泵，第一循环水泵的入口端通过管线连接至第一压力容器底部，第一循环水泵的出口端通过管线连接至第一雾化喷嘴，第一雾化喷嘴设置于第一压力容器顶部。
进一步地，第二喷雾系统包括第二循环水泵，第二循环水泵的入口端通过管线连接至第二压力容器底部，第二循环水泵的出口端通过管线连接至第二雾化喷嘴，第二雾化喷嘴设置于第二压力容器顶部。
进一步地，压力容器连接管道的一端通过引水口插入至第一压力容器的水层中，另一端连接至第二压力容器的顶部。
进一步地，水轮机下部入口依次通过第五控制阀门和第三控制阀门连接至第二压力容器底部。
进一步地，所述蓄水池顶部开口，为环境压力储水系统。
利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能方法，在储能阶段，逆止阀和第二控制阀门打开，其余阀门均关闭，电能驱动电动机旋转，带动主水泵将蓄水池中的水经逆止阀和第二控制阀门送至第一压力容器中，使得第一压力容器中的水位和第一液体活塞上升，对气相可凝气体进行压缩，气相可凝气体发生气-液相变而液化，第一压力容器内的可凝气体干度降低，同时，第一喷雾系统启动，将水从第一压力容器的底部抽至第一压力容器的顶部均匀喷淋，利用喷雾液滴吸收可凝气体的压缩过程热，实现近似等温压缩过程；
在释能阶段，第一控制阀门、第三控制阀门和第四控制阀门打开，其余阀门均关闭，因第二压力容器内工作压力大于大气压，使得第二压力容器内部的可凝气体膨胀，第二液体活塞下移，推动第二压力容器下部的液态水经第三控制阀门和第四控制阀门流入水轮机，驱动发电机输出电功率，流出水轮机的水继续流入蓄水池进行回收，以循环利用，随着第二压力容器内的气体膨胀，其内部压力降低导致第二压力容器内的部分液相可凝性气体发生液-气相变而气化；同时，因第一压力容器和第二压力容器中的压力差，第一压力容器中的水通过压力容器连接管道流入第二压力容器中，对第二压力容器进行补水，以弥补第二压力容器中可凝气体膨胀后的压力损失，使得第二压力容器内部气体的膨胀与补水压缩达到准动态平衡，维持第二压力容器内部的可凝气体压力近似稳定，用以实现近似等压放电过程；另外，在此过程中，第一喷雾系统和第二喷雾系统均运行，分别将水从第一压力容器的底部抽至第一压力容器的顶部均匀喷淋，将水从第二压力容器的底部抽至第二压力容器的顶部均匀喷淋，利用喷雾液滴补充可凝气体膨胀时的热量损失，实现近似等温膨胀过程。
进一步地，第一喷雾系统包括第一循环水泵，第一循环水泵的入口端通过管线连接至第一压力容器底部，第一循环水泵的出口端通过管线连接至第一雾化喷嘴，第一雾化喷嘴设置于第一压力容器顶部，当第一喷雾系统工作时，启动第一循环水泵，将水从第一压力容器的底部抽取口经第一雾化喷嘴从第一压力容器的顶部均匀喷淋。
进一步地，第二喷雾系统包括第二循环水泵，第二循环水泵的入口端通过管线连接至第二压力容器底部，第二循环水泵的出口端通过管线连接至第二雾化喷嘴，第二雾化喷嘴设置于第二压力容器顶部，当第二喷雾系统工作时，启动第二循环水泵，将水从第二压力容器的底部抽取口经第二雾化喷嘴从第二压力容器的顶部均匀喷淋。
进一步地，水轮机下部入口依次通过第五控制阀门和第三控制阀门连接至第二压力容器底部，在释能阶段，若需要输出更高功率等级的电功率，则同时打开第四控制阀门和第五控制阀门，提高流经水轮机的流量以增大功率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出的利用可凝气体相变的近似等压放电型等温压缩气体储能系统具备以恒定功率输出的应急电源功能，可采用波动性可再生能源(风能、太阳能、波浪能、潮汐能等)为输入，为边远无市电且生态脆弱地区(山区、牧区或海岛)的特殊负荷提供稳定电能供应，形成可靠的纯绿色电能供应系统，避免了在该类地区使用性能易受环境条件限制且会对环境造成污染的蓄电池等应急供电设备。
进一步地，本发明在结构上采用双罐体液压蓄能器的配置代替单罐体液压蓄能器，使得压缩储能过程和膨胀释能过程在两个不同的压力容器罐体内进行，并可在释能时，通过双罐体间的连接管道利用储能压力容器对释能压力容器的气体压力进行动态补偿，以抵消释能压力容器因气体膨胀所带来的压力降低，使得近似等压膨胀过程的实现具备可行性。
进一步地，本发明在储能介质上采用可凝气体代替空气，在压缩过程中利用其气-液相变行为来实现(近似)等温过程以避免或减少热量传递损失，进而提高系统储能效率；同时，也可在膨胀过程中利用其液-气相变行为来实现(近似)等压过程以降低对储气容积的需求，进而提高储能密度，还可以通过选用临界压力低的可凝气体来降低储罐的耐压等级，本发明采用可凝气体作为储能工质有助于提高系统性能，本发明系统基于等温压缩空气储能系统的基本原理，利用液体活塞和喷雾冷却等手段，并采用不溶于水的可凝气体作为储能工质和双罐体液压蓄能器结构，来实现基于可凝气体相变行为的近似等压放电的等温压缩气体储能系统，以满足作为应急电源时为特殊负荷提供恒定电功率的需求，使得压缩气体储能技术的应用领域得以扩宽。
附图说明
图1为本发明利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统示意图。
其中：1、第一压力容器；2、第一循环水泵；3、第一雾化喷嘴；4、引水口；5、第一液体活塞；6、第二压力容器；7、第二循环水泵；8、第二雾化喷嘴；9、第二液体活塞；10、压力容器连接管道；11、第一控制阀门；12、第二控制阀门；13、第三控制阀门；14、电动机；15、主水泵；16、蓄水池；17、发电机；18、水轮机；19、逆止阀；20、第四控制阀门；21、第五控制阀门。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
本发明首次提出利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统与方法，在提升等温压缩气体储能技术性能的同时，来实现该类型系统的近似等压放电，为特殊负荷提供近似稳定的功率输出。基于等温压缩气体储能技术的基本原理，借助液体活塞和喷雾冷却等手段，使用液力机械代替气动机械，并采用不溶于水的可凝气体作为储能工质和双罐体结构，来实现基于可凝气体相变行为的近似等压放电的等温压缩气体储能系统。将双罐体结构压力容器、水泵/电动机组、水轮机/发电机组、蓄水池、压力容器连接管道及相关阀门与管道等部件进行集成，构建基于可凝气体相变行为的近似等压放电型等温压缩气体储能系统。
双罐体结构压力容器(下文分别称为A侧压力容器和B侧压力容器)是储存储能介质的场所，其中间由带有控制阀门的压力容器连接管道连接；A侧压力容器通过阀门和水泵/电动机组与蓄水池连通，用于储能过程；B侧压力容器通过阀门和水轮机/发电机组与蓄水池连通，用于释能过程。另外，每个压力容器均配置有喷雾系统，由循环水泵和雾化喷嘴组成，从压力容器底部循环水至顶部喷淋，用于储能/释能过程中的热量吸收/热量补充。系统在运行前，双罐体结构压力容器内均预先存有一定数量的水和可凝气体，压力容器内的初始压力为可凝气体在环境温度下的饱和压力，可凝气体具有初始干度，以液相和气相同时存在，且可凝气体液相与气相交界面为液体活塞。
在压缩储能阶段，A侧压力容器与蓄水池间控制阀门打开，电能驱动水泵/电动机组，将蓄水池中的水泵送至A侧压力容器中，使得该压力容器内的水位上升，液体活塞上升，对气相可凝气体进行压缩，从而使得气相可凝气体发生气-液相变行为而液化，可凝气体干度降低。同时，该压力容器配置的喷雾系统启动，利用喷雾系统的循环水泵将该压力容器底部的水抽取至其顶部通过雾化喷嘴均有喷淋，利用喷雾液滴吸收可凝气体的压缩过程热，实现近似等温压缩。
在膨胀释能阶段，两个压力容器间的压力容器连接管道上控制阀门打开而连通，B侧压力容器与蓄水池间控制阀门打开，由于B侧压力容器内部气体压力高于环境压力，B侧压力容器内部的可凝气体膨胀，液体活塞下移，推动B侧压力容器下部的水流出进入水轮机/发电机组输出电功率，流出水轮机的水进入蓄水池进行回收。随B侧压力容器内的气体膨胀，其内部压力降低导致B侧压力容器内的部分液相可凝气体发生液-气相变而气化。与此同时，因A侧压力容器和B侧压力容器的压力差，A侧压力容器中的水从其内部引水口流经压力容器连接管道从顶部流入B侧压力容器，对B侧压力容器进行补水，以弥补B侧压力容器中可凝气体膨胀后的压力损失，可使得B侧压力容器内部气体的膨胀与补水压缩达到准动态平衡，维持B侧压力容器内部的可凝气体压力近似稳定，用以实现近似等压放电过程。另外，在此过程中，双罐体压力容器配套的喷雾系统均运行，启动循环水泵，将水从压力容器底部抽取后经雾化喷嘴从其顶部的雾化喷嘴均匀喷淋，利用喷雾液滴补充可凝气体膨胀时的热量损失，实现近似等温膨胀过程。
下面结合附图对本发明的实施过程作进一步描述：
参见图1，一种利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统，该系统由配置有喷雾系统的双罐体压力容器、压力容器连接管道、蓄水池、主水泵/电动机组、水轮机/发电机以及相配套阀门与管道等组成。喷雾系统包含循环水泵和雾化喷嘴。蓄水池为开口系统，属环境压力储水系统。压力容器连接管道及系统中其他管道均有具体设计尺寸以保证系统满足功率需求。
在系统运行前，每个压力容器内部都预先存有一定数量的水和可凝气体。压力容器内的初始压力为可凝气体在环境温度下的饱和压力，可凝气体具有初始干度，以液相和气相同时存在，且液相与气相交界面被称为液体活塞。
主要工作原理描述如下：
在储能阶段，仅第一压力容器1参与运行。此时，逆止阀19和第二控制阀门12打开，其余阀门均关闭。电能驱动电动机14旋转，带动主水泵15将蓄水池16中的水经逆止阀19和第二控制阀门12所示顺序的管道泵送至第一压力容器1中，使得第一压力容器1中的水位和第一液体活塞5上升，对气相可凝气体进行压缩，气相可凝气体发生气-液相变而液化，第一压力容器1内的可凝气体干度降低。同时，喷雾系统启动第一循环水泵2，将水从第一压力容器1的底部抽取口经第一雾化喷嘴3从第一压力容器1的顶部均匀喷淋，利用喷雾液滴吸收可凝气体的压缩过程热，实现近似等温压缩过程。
在释能阶段，第一压力容器1和第二压力容器6均参与运行。此时，第一控制阀门11、第三控制阀门13和第四控制阀门20打开，其余阀门均关闭。因第二压力容器6内工作压力大于大气压，使得第二压力容器6内部的可凝气体膨胀，第二液体活塞9下移，推动第二压力容器6下部的液态水经第三控制阀门13和第四控制阀门20顺序的管路流入水轮机18，驱动发电机17输出电功率，流出水轮机18的水继续流入蓄水池16进行回收，以循环利用。随着第二压力容器6内的气体膨胀，其内部压力降低导致第二压力容器6内的部分液相可凝性气体发生液-气相变而气化。同时，因第一压力容器1和第二压力容器6中的压力差，第一压力容器1中的水从其内部引水口4流进压力容器连接管道10，经第一控制阀门11后从顶部流入第二压力容器6中，对第二压力容器6进行补水，以弥补第二压力容器6中可凝气体膨胀后的压力损失，可使得第二压力容器6内部气体的膨胀与补水压缩达到准动态平衡，维持第二压力容器6内部的可凝气体压力近似稳定，用以实现近似等压放电过程。另外，在此过程中，两套喷雾系统均运行，启动第一循环水泵2，将水从第一压力容器1的底部抽取口经第一雾化喷嘴3从第一压力容器1的顶部均匀喷淋，启动第二循环水泵7，将水从第二压力容器6的底部抽取口经第二雾化喷嘴8从第二压力容器6的顶部均匀喷淋，利用喷雾液滴补充可凝气体膨胀时的热量损失，实现近似等温膨胀过程。
在释能阶段，若需要输出更高功率等级的电功率，可以同时打开第四控制阀门20和第五控制阀门21，来提高流经水轮机18的流量以增大功率。
另外，本实施例中的双罐体压力容器结构也可以为双组多个压力容器；实施例中的水也可被其他介质如导热油等替代；实施例中的喷雾系统中也可串接换热器，利用其他介质对系统的热量进行吸收或补充，以精确实现等温过程。
上述仅对本发明的实施例加以说明，但并不能作为本发明的全部保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或等比例缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能方法，采用利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能系统，包括第一压力容器(1)和第二压力容器(6)，第一压力容器(1)和第二压力容器(6)中均设置有水及不溶于水的可凝气体，第一压力容器(1)和第二压力容器(6)中的可凝气体均以液相和气相同时存在，且液相和气相的交界面分别形成第一液体活塞(5)和第二液体活塞(9)；第一压力容器(1)和第二压力容器(6)之间通过设置有第一控制阀门(11)的压力容器连接管道(10)连接，第一压力容器(1)和第二压力容器(6)分别配置有能够从底部循环水至顶部喷淋的第一喷雾系统和第二喷雾系统；还包括蓄水池(16)，蓄水池(16)下部出口端依次通过主水泵(15)、逆止阀(19)以及第二控制阀门(12)连接至第一压力容器(1)底部，主水泵(15)上连接有电动机(14)；蓄水池(16)顶部入口依次通过水轮机(18)第四控制阀门(20)、第三控制阀门(13)连接至第二压力容器(6)底部，水轮机(18)上连接有发电机(17)；
其特征在于，在储能阶段，逆止阀(19)和第二控制阀门(12)打开，其余阀门均关闭，电能驱动电动机(14)旋转，带动主水泵(15)将蓄水池(16)中的水经逆止阀(19)和第二控制阀门(12)送至第一压力容器(1)中，使得第一压力容器(1)中的水位和第一液体活塞(5)上升，对气相可凝气体进行压缩，气相可凝气体发生气-液相变而液化，第一压力容器(1)内的可凝气体干度降低，同时，第一喷雾系统启动，将水从第一压力容器(1)的底部抽至第一压力容器(1)的顶部均匀喷淋，利用喷雾液滴吸收可凝气体的压缩过程热，实现近似等温压缩过程；
在释能阶段，第一控制阀门(11)、第三控制阀门(13)和第四控制阀门(20)打开，其余阀门均关闭，因第二压力容器(6)内工作压力大于大气压，使得第二压力容器(6)内部的可凝气体膨胀，第二液体活塞(9)下移，推动第二压力容器(6)下部的液态水经第三控制阀门(13)和第四控制阀门(20)流入水轮机(18)，驱动发电机(17)输出电功率，流出水轮机(18)的水继续流入蓄水池(16)进行回收，以循环利用，随着第二压力容器(6)内的气体膨胀，其内部压力降低导致第二压力容器(6)内的部分液相可凝性气体发生液-气相变而气化；同时，因第一压力容器(1)和第二压力容器(6)中的压力差，第一压力容器(1)中的水通过压力容器连接管道(10)流入第二压力容器(6)中，对第二压力容器(6)进行补水，以弥补第二压力容器(6)中可凝气体膨胀后的压力损失，使得第二压力容器(6)内部气体的膨胀与补水压缩达到准动态平衡，维持第二压力容器(6)内部的可凝气体压力近似稳定，用以实现近似等压放电过程；另外，在此过程中，第一喷雾系统和第二喷雾系统均运行，分别将水从第一压力容器(1)的底部抽至第一压力容器(2)的顶部均匀喷淋，将水从第二压力容器(6)的底部抽至第二压力容器(6)的顶部均匀喷淋，利用喷雾液滴补充可凝气体膨胀时的热量损失，实现近似等温膨胀过程。
2.根据权利要求1所述利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能方法，其特征在于，第一喷雾系统包括第一循环水泵(2)，第一循环水泵(2)的入口端通过管线连接至第一压力容器(1)底部，第一循环水泵(2)的出口端通过管线连接至第一雾化喷嘴(3)，第一雾化喷嘴(3)设置于第一压力容器(1)顶部，当第一喷雾系统工作时，启动第一循环水泵(2)，将水从第一压力容器(1)的底部抽取口经第一雾化喷嘴(3)从第一压力容器(1)的顶部均匀喷淋。
3.根据权利要求1所述利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能方法，其特征在于，第二喷雾系统包括第二循环水泵(7)，第二循环水泵(7)的入口端通过管线连接至第二压力容器(6)底部，第二循环水泵(7)的出口端通过管线连接至第二雾化喷嘴(8)，第二雾化喷嘴(8)设置于第二压力容器(6)顶部，当第二喷雾系统工作时，启动第二循环水泵(7)，将水从第二压力容器(6)的底部抽取口经第二雾化喷嘴(8)从第二压力容器(6)的顶部均匀喷淋。
4.根据权利要求1所述利用可凝气体相变的准等压放电等温压缩储能方法，其特征在于，水轮机(18)下部入口依次通过第五控制阀门(21)和第三控制阀门(13)连接至第二压力容器(6)底部，在释能阶段，若需要输出更高功率等级的电功率，则同时打开第四控制阀门(20)和第五控制阀门(21)，提高流经水轮机(18)的流量以增大功率。
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