CN112283068B - 一种压缩空气储能供能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压缩空气储能供能装置，装置包括压缩机、电动机、膨胀机、发电机、储气室、高温储热罐、低温储热罐、换热器组和节流阀组，在所述储气室、高温储热罐、低温储热罐和传输管道上设置绝热层或保温层。装置充分利用太阳能、风能等清洁能源的富余能源，在能量产生和转换过程中实现零碳排放，不造成环境污染，有助于构建低碳、清洁、环保的综合能源体系。充分考虑不同品位热能的梯级蓄能和梯级利用，其中高品位(高温)热能可用于先进绝热压缩空气储能透平发电、产生高温蒸汽等，中品位(中温)热能用于居民供暖，低品位(低温)热能用于吸收制冷，能有效提高能源综合利用效率。

Description

一种压缩空气储能供能装置
技术领域
本发明涉及多能源利用技术，尤其涉及一种压缩空气储能供能装置。
背景技术
能源路由器是综合能源系统的智能化枢纽节点设备，通过耦合能量流和信息流，利用通信技术、优化技术、先进计算技术等实现智能能量转换、优化调度和控制。能源路由器是信息和能源深度耦合的复杂信息物理系统，其既可作为能源单元，承担多种形式能源产生、转换、存储、分配等任务；又是信息单元，具备数据采集、信息交互、智能调控、自愈保护等功能。先进绝热压缩空气储能具备冷热电三联供能力，同时无需外部燃料补燃，可实现零碳排放，且储能效率高，使用寿命长，可作为核心设备构建清洁能源路由器。
然而，目前能源路由器的能源形式和转换方式较为单一，且缺少统一的系统架构，难以为未来信息与能量密切交互，多形式能源深度耦合的能源互联网的构建提供支撑。因此，亟需一种能够满足多种形式能源高效存储和转化的清洁能源路由器。
如何综合设计清洁能源路由器的信息-物理耦合系统架构，优化的设计流程如何体现以满足多种形式能源的高效存储和转化，是清洁能源路由器顶层设计需要考虑的重点内容。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压缩空气储能供能装置，其能解决上述问题。
本发明的目的：充分挖掘能源梯级利用潜力，发挥多能协同互补优势，提高系统能量综合利用效率和新能源消纳率，实现综合能源系统安全、经济、高效运行。
为实现上述目的采用的技术方案如下。
一种压缩空气储能供能装置，装置包括压缩机、电动机、膨胀机、发电机、储气室、高温储热罐、低温储热罐、换热器组和节流阀组，其中，富余电能向电动机供电，电动机与所述压缩机驱动连接，压缩机的出气端经第一换热器和第一节流阀后与所述储气室可控的连通；压缩机在电动机驱动下将空气压缩并存储在所述储气室中；储气室通过第二节流阀和第二换热器后与膨胀机驱动连接，膨胀机的输出端与所述发电机驱动连接，所述发电机在膨胀机驱动下生成输出电能并可控的向电用户供电；膨胀机的出气端与第三换热器热交换，并根据膨胀机出气端温度与环境温度的不同，经第三换热器后向外提供冷能或中品位热能；经第一换热器的蓄热介质将压缩机处产生的压缩热作为高品位热能收集并存储在高温储热罐中；高温储热罐的一侧与所述第二换热器连通并由所述第二换热器向高温储热罐提供高品位热能；第二换热器的一端下游与第四换热器连通以向热用户提供中品位热能；所述高温储热罐的输出端还通过第五换热器向热用户提供高品位热能，第五换热器下游与第六换热器连通并向热用户提供中品位热能；所述第四换热器和第六换热器的下游端与低温储热罐连通，并将低品位热能储存在所述低温储热罐中；所述储气室还通过一个第三节流阀开度可调的向气用户提供压缩空气。
优选的，所述富余电能包括低谷电、弃风电、和/或弃光电。
优选的，所述蓄热介质包括导热油。
优选的，装置还通过外部热源向所述高温储热罐提供高品位热能。
优选的，所述外部热源包括光热集热器和/或热泵。
优选的，在所述储气室、高温储热罐、低温储热罐和传输管道上设置绝热层或保温层。
优选的，所述高品位热能用于先进绝热压缩空气储能透平发电和/或产生工业蒸汽，所述中品位热能用于居民供暖和生活热水，所述低品位热能用于吸收制冷，以此提高能源综合利用效率。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)装置充分利用太阳能、风能等清洁能源的富余能源，在能量产生和转换过程中实现零碳排放，不造成环境污染，有助于构建低碳、清洁、环保的综合能源体系。
(2)装置可实现多种形式能源灵活转换、协调互补，满足用户多样化能源需求。不仅可为工业和居民用户提供不同温度等级的热能/冷能供应，同时能提供不同压力等级的洁净压缩空气供应，实现冷-热-电-气(工业用压缩空气)联供；
(3)装置充分考虑不同品位热能的梯级蓄能和梯级利用，其中高品位(高温)热能可用于先进绝热压缩空气储能透平发电、产生高温蒸汽等，中品位(中温)热能用于居民供暖，低品位(低温)热能用于吸收制冷，能有效提高能源综合利用效率。
附图说明
图1为本发明一种压缩空气储能供能装置的示意图。
图中：
100、压缩机；200、电动机；300、膨胀机；400、发电机；500、储气室； 600、高温储热罐；700、低温储热罐；
1、第一换热器；2、第二换热器；3、第三换热器；4、第四换热器；5、第五换热器；6、第六换热器；
11、第一节流阀；12、第二节流阀；13、第三节流阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
一种压缩空气储能供能装置，参见图1，装置包括压缩机100、电动机200、膨胀机300、发电机400、储气室500、高温储热罐600、低温储热罐700、换热器组和节流阀组。
其中，富余电能(包括低谷电、弃风电、和/或弃光电)向电动机200供电，电动机200与所述压缩机100驱动连接，压缩机100的出气端经第一换热器1 和第一节流阀11后与所述储气室500可控的连通。
压缩机100在电动机200驱动下将空气压缩并存储在所述储气室500中。储气室500通过第二节流阀12和第二换热器2后与膨胀机300驱动连接，释能过程中，高压空气从储气室500中释放出来，被高温储热罐600内蓄热介质加热后、即通过(第二换热器2)进入膨胀机做功。膨胀机300、即透平的输出端与所述发电机400驱动连接，发电机400在膨胀机300驱动下生成输出电能，并可控的向电用户供电。
第二换热器2出口蓄热介质温度较高，这部分中品位热能可经第四换热器4 对外供热。不同系统设计和运行参数下透平出口空气温度不同，根据透平出口空气与环境温度的大小关系，透平出口空气可经第三换热器3对外供热或供冷。该装置也可以利用光热集热器等作为高温储热罐热能的扩展输入，所产生的高品位热能可进一步提高透平入口空气温度。高温储热罐600内剩余高品位热能可依次通过串联的第五换热器5、第六换热器6对外提供高温蒸汽和居民供暖。
具体的，膨胀机300的出气端(参见图1中的透平排气侧)与第三换热器3 热交换，并根据膨胀机300出气端温度与环境温度的不同，经第三换热器3后向外提供冷能或中品位热能。
经第一换热器1的导热油等的蓄热介质将压缩机100处产生的压缩热作为高品位热能收集并存储在高温储热罐600中。
高温储热罐600的一侧与所述第二换热器2连通并提供高品位热能。第二换热器2的一端下游与第四换热器4向热用户提供中品位热能；所述高温储热罐600的输出端还通过第五换热器5向热用户提供高品位热能，第五换热器5 下游与第六换热器6连通并向热用户提供中品位热能；所述第四换热器4和第六换热器6的下游端与低温储热罐700连通，并将低品位热能储存在所述低温储热罐700中。
储气室500内的高压空气还可对外提供工业用洁净压缩空气，具体的，储气室500通过一个第三节流阀13开度可调的向气用户提供压缩空气，通过调整出口的第三节流阀13开度以满足不同压力空气需求。
进一步的，装置还通过外部热源向所述高温储热罐600提供高品位热能。
进一步的，所述外部热源包括光热集热器和/或热泵。
进一步的，在所述储气室500、高温储热罐600、低温储热罐700和传输管道上设置绝热层或保温层。
不同等级热能的分配：高品位热能用于先进绝热压缩空气储能透平发电和/ 或产生工业蒸汽，所述中品位热能用于居民供暖和生活热水，所述低品位热能用于吸收制冷，以此提高能源综合利用效率。
该装置富余电能来源于风电、光伏、先进绝热压缩空气储能透平发电系统以及上游电网的低谷电；高品位热源来自光热集热器、先进绝热压缩空气储能压缩热回收、和/或热泵，中品位热源来自热泵产热、先进绝热压缩空气储能膨胀侧换热器出口蓄热介质和供热侧首级换热器出口蓄热介质热量、以及较高温度的透平排气，冷源来自电制冷器、吸收式制冷器和先进绝热压缩空气储能透平低温排气。
为实现能量梯级利用，不同品位热能储存于不同温度热罐中，其中高品位 (高温)热能可用于先进绝热压缩空气储能透平发电、产生工业蒸汽等，中品位(中温)热能用于居民供暖、提供生活热水等，低品位(低温)热能用于吸收制冷，可有效提高能源综合利用效率。
进一步的，本发明还提供了一种基于上述一种压缩空气储能供能装置的控制系统，系统包括上述装置和控制单元，控制器通过调节装置的运行参数，如压缩空气储能装置的膨胀机、压缩机、电动机的进气温度、节流阀出口压力、用电功率和状态、用热功率和状态、储热装置储放热功率和运行状态、热泵产热功率等，对冷、热、电、气等多能流进行统一调度和协同优化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本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本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种压缩空气储能供能装置，其特征在于：装置包括压缩机(100)、电动机(200)、膨胀机(300)、发电机(400)、储气室(500)、高温储热罐(600)、低温储热罐(700)、换热器组和节流阀组，
其中，富余电能向电动机(200)供电，电动机(200)与所述压缩机(100)驱动连接，压缩机(100)的出气端经第一换热器(1)和第一节流阀(11)后与所述储气室(500)可控的连通；压缩机(100)在电动机(200)驱动下将空气压缩并存储在所述储气室(500)中；
储气室(500)通过第二节流阀(12)和第二换热器(2)后与膨胀机(300)驱动连接，膨胀机(300)的输出端与所述发电机(400)驱动连接，所述发电机(400)在膨胀机(300)驱动下生成输出电能并可控的向电用户供电；
膨胀机(300)的出气端与第三换热器(3)热交换，并根据膨胀机(300)出气端温度与环境温度的不同，经第三换热器(3)后向外提供冷能或中品位热能；
经第一换热器(1)的蓄热介质将压缩机(100)处产生的压缩热作为高品位热能收集并存储在高温储热罐(600)中；
高温储热罐(600)的一侧与所述第二换热器(2)连通并由所述第二换热器(2)向高温储热罐(600)提供高品位热能；第二换热器(2)的一端下游与第四换热器(4)连通以向热用户提供中品位热能；
所述高温储热罐(600)的输出端还通过第五换热器(5)向热用户提供高品位热能，第五换热器(5)下游与第六换热器(6)连通并向热用户提供中品位热能；
所述第四换热器(4)和第六换热器(6)的下游端与低温储热罐(700)连通，并将低品位热能储存在所述低温储热罐(700)中；
所述储气室(500)还通过一个第三节流阀(13)开度可调的向气用户提供压缩空气。
2.根据权利要求1所述的储能供能装置，其特征在于：所述富余电能包括低谷电、弃风电、和/或弃光电。
3.根据权利要求1所述的储能供能装置，其特征在于：所述蓄热介质包括导热油。
4.根据权利要求1所述的储能供能装置，其特征在于：装置还通过外部热源向所述高温储热罐(600)提供高品位热能。
5.根据权利要求4所述的储能供能装置，其特征在于：所述外部热源包括光热集热器和/或热泵。
6.根据权利要求1所述的储能供能装置，其特征在于：在所述储气室(500)、高温储热罐(600)、低温储热罐(700)和传输管道上设置绝热层或保温层。
7.根据权利要求1所述的储能供能装置，其特征在于：所述高品位热能用于先进绝热压缩空气储能透平发电和/或产生工业蒸汽，所述中品位热能用于居民供暖和生活热水，所述低品位热能用于吸收制冷，以此提高能源综合利用效率。
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