CN112283069A - 一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，该系统包括光伏/光热发电系统、压缩空气系统、蓄热系统、空气透平发电机组以及储能控制系统；光伏/光热发电系统基于常规的光伏/光热电站；压缩空气系统包括电动机、空气过滤器等；蓄热系统包括冷水储罐、辅热装置等；空气透平发电机组包括空气透平、发电机以及加热器；本发明充分利用了光伏/光热电站中光伏阵列/集热场所占用的土地，突破了大规模储气洞穴对压缩空气储能电站选址的限制，可以有效提高光伏/光热电站的储能容量，降低光伏/光热电站的功率波动；本发明解决了传统压缩空气储能电站在低储能时系统效率过低的问题，优化了释能过程中发电功率逐渐减小对电网的影响。

Description

一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站
技术领域
本发明属于新能源发电领域，特别涉及一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站。
背景技术
近年来，随着环境保护的压力逐渐增大，光伏和光热发电技术得到了迅速的发展，其在整个能源市场所占的比例越来越大。然而光伏和光热电站最大的不足是发电的间歇性与波动性，这给大规模光伏和光热电站并网带来了极大的挑战。目前解决方法之一是建设储能电站，现有和光伏/光热电站结合的储能电站基本都是电池储能电站，其容量小，放电功率也较小，一般小于10MW，发电持续时间仅为2～3小时。其次，由于太阳光能量密度较低，导致光伏和光热电站占地面积巨大，如每年发电量6000～7100万千瓦时的光伏电站占地达到100W平方米，使得土地问题成为光伏行业的三大难题之一。
压缩空气储能电站储能容量大，可以大幅提高现有电池储能光伏和光热电站的储能比，且储能容量越大，单位储能容量的投资成本越低。但压缩空气储能电站最大的限制是需要巨大的储气室。例如美国某压缩空气储能电站，其压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW，在连续压缩41h后可发电26h，但其需要56万m3的储气室(利用了地下岩穴作为储气室)存储高压空气，大大限制了其推广应用。另一方面，在传统非补燃式压缩空气储能电站中，当充能时间较短时，储气室中空气压力较低，导致空气透平发点机组效率比设计工况降低50％以上，且随着释能过程的进行，空气压力逐渐下降，导致透平发电机组的功率逐渐降低，影响了释能发电的稳定性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，充分利用了光伏/光热电站中光伏阵列/集热场所占用的土地，同时降低了大规模储气洞穴对压缩空气储能电站选址的限制，可以有效提高光伏/光热电站的储能容量，降低光伏/光热电站的功率波动；在此基础上，本发明提出的压缩空气储能系统解决了传统压缩空气储能电站在低储能时系统效率过低的问题，优化了释能过程中发电功率逐渐减小对电网的影响。
本发明采用如下技术方案来实现：
一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，包括光伏/光热发电系统、压缩空气系统、蓄热系统、空气透平发电机组以及储能控制系统；其中，光伏/光热发电系统基于常规的光伏/光热电站，其采用晶硅板/聚光镜等采光装置，将太阳光能最终转换为电能，光伏/光热发电系统的光伏阵列/集热场建于压缩空气储气区顶部；压缩空气系统包括电动机、空气过滤器、压缩机、稳流罐、冷却器以及压缩空气储气区；蓄热系统包括冷水储罐、辅热装置、热水储罐、冷却水泵、冷却器、回水泵以及加热器；空气透平发电机组包括空气透平、发电机以及加热器；
电动机与压缩机同轴连接，空气过滤器入口与大气连通，出口与压缩机相连，压缩机出口依次与稳流罐、冷却器空气侧入口相连，冷却器空气侧出口依次通过充气主管道、储气区总阀、储气分区支管道、储气分区阀与储气分区中的储气室相连；高压空气主阀和空气透平发电机组的加热器气侧入口相连，经空气透平做功后排入大气；蓄热系统中，冷水储罐出口经过冷却水泵、冷却器、辅热装置，最终和热水储罐入口相连，热水储罐出口依次经过加热器、回水泵与冷水储罐入口相连；空气透平发电机组的高压空气入口连接压缩空气储气区的高压空气主阀，电气侧接入升压变压器；储能控制系统连接压缩空气系统和蓄热系统中的各传感器监测点以及阀门等执行机构，实现对压缩空气储能的运行监测及控制。
本发明进一步的改进在于，结合光伏/光热电站的有利光照条件，在蓄热系统中设置聚光型辅热装置，以提高热水储罐的水温，进一步提高空气透平发电机组效率。
本发明进一步的改进在于，压缩空气储气区根据需要分割为多个储气分区；储能时，每个储气分区由储气分区阀独立控制进行高压空气存储；在释能发电时，每个储气分区由储气分区阀独立控制向空气透平发电机组提供高压空气。
本发明进一步的改进在于，当对压缩空气储能系统输出功率稳定性要求高时，配备两套空气透平发电机组，并使两套空气透平发电机组分别使用不同的储气分区，在释能发电时，两套空气透平发电机组对应的储气分区的放气周期相差0.5个周期。
本发明进一步的改进在于，使用非补燃压缩空气储能系统作为光伏或光热电站的储能系统，压缩空气储能系统所需的压缩空气储气区与光伏阵列共用土地，其中储气分区中储气室的高度根据储气量需求设置为0.5-3.5m。
本发明进一步的改进在于，当储气室高度低时，使用钢筋混凝土结合钢衬建设；当高度高时，在储气室内设置高压储气罐。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，能够大幅提高光储联合发电系统的储能容量，解决了光伏/光热发电间歇性和波动性对电网的冲击，同时，具备一定的储能调峰能力。
进一步的，本发明提出的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其储能系统中的压缩空气储气区利用了光伏/光热电站的光伏阵列/集热场占用的土地，解决了压缩空气储能需要大规模储气室而导致选址困难的问题。
进一步的，通过建设压缩空气储气分区，在储能过程中分别对每个储气分区逐个存储压缩空气，确保每个储气分区中压缩空气参数都能达到设计参数。解决了低储能时，空气透平机组发电效率过低的问题。
进一步的，通过建设压缩空气储气分区，在此基础上，可以配备两套空气透平发电机组，并使两套空气透平发电机组分别使用不同的储气分区。在释能发电时，两套空气透平发电机组(双机组)对应的储气分区的放气周期相差0.5个周期，从而提高发电功率的稳定性。
进一步的，结合光伏/光热电站的有利光照条件，在蓄热系统中设置聚光型辅热装置，提高热水储罐的水温，进一步提高空气透平发电机组发电效率。
本发明提供的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，充分利用了光伏/光热电站中光伏阵列/集热场所占用的土地，降低了大规模储气洞穴对压缩空气储能电站选址的限制，可以有效提高光伏/光热电站的储能容量，降低光伏/光热电站的功率波动；此外，本发明提出的压缩空气储能系统解决了传统压缩空气储能电站在低储能时系统效率过低的问题，优化了释能过程中发电功率逐渐减小对电网的影响。
附图说明
图1是压缩空气系统、蓄热系统、空气透平发电机组示意图。
图2是压缩空气储气分区结构示意图。
图3是输出功率随释能时间的变化规律示意图。
附图标记说明：
1为冷水储罐，2为电动机，3为空气过滤器，4为压缩机，5为稳流罐，6为辅热装置，7为热水储罐，8为冷却水泵，9为冷却器，10为压缩空气储气区，11为回水泵，12为发电机，13为空气透平，14为加热器，101为储气区总阀，102为储气分区支管道，103为储气分区阀，104为充气主管道，105为高压空气主阀，106为储气分区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明提供的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，包括光伏发电系统、压缩空气系统、蓄热系统、空气透平发电机组以及储能控制系统；其中光伏发电系统基于常规的光伏电站，其光伏阵列建于压缩空气储气区10顶部；压缩空气系统包括电动机2、空气过滤器3、压缩机4、稳流罐5、冷却器9、压缩空气储气区10以及相应的连接管道；蓄热系统包括冷水储罐1、辅热装置6、热水储罐7、冷却水泵8、冷却器9、回水泵11、加热器14以及相应的连接管道；空气透平发电机组主要由空气透平13、发电机12以及加热器14组成；
参照图1和图2，电动机2与压缩机4同轴连接，空气过滤器3入口与大气连通，出口与压缩机4相连，压缩机4出口依次与稳流罐5、冷却器9空气侧入口相连，冷却器9空气侧出口依次通过充气主管道104、储气区总阀101、储气分区支管道102、储气分区阀103与储气分区106中的储气室相连；高压空气主阀105和空气透平发电机组的加热器14气侧入口相连，经空气透平13做功后排入大气；蓄热系统中，冷水储罐1出口经过冷却水泵8、冷却器9、辅热装置6，最终和热水储罐7入口相连，热水储罐7出口依次经过加热器14、回水泵11与冷水储罐1入口相连；空气透平发电机组的高压空气入口连接压缩空气储气区10的高压空气主阀105，电气侧接入升压变压器；储能控制系统连接压缩空气系统和蓄热系统中的各传感器监测点以及阀门等执行机构，实现对压缩空气储能的运行监测及控制。
参照图1，利用光伏电站的有利光照条件，在蓄热系统中设置聚光型辅热装置6，提高热水储罐的水温，进一步提高空气透平发电机组发电效率。
参照图2，压缩空气储气区10分隔为多个储气分区。在储能时，每个储气分区由储气分区阀103独立控制进行高压空气存储，当第一个储气分区压力达到设计压力时，储能控制系统操作第一个储气分区阀103关闭，并打开下一个储气分区阀103，进行储气分区的依次充气。储能过程随时可以停止与继续，部分储能时，优先开启已经达到设计储能参数状态的储气分区，保证在低储能时透平发电机组也能达到设计的发电效率；
因为该实施例压储气室高度较低，使用钢筋混凝土结合厚度为6mm的钢衬进行储气室建设，在保证安全的情况下，降低储气分区的建设成本。
参照图2，储气分区支管道从储气分区顶部引出，以获得更大的储能容量；但储气分支管道也可以从储气分区同一水平面引出，从而降低建设成本。
参照图3，给出了本发明与常规压缩空气储能电站发电输出功率随释能时间的变化规律。图中，机组1和机组2对应的曲线分别表示两套机组分别发电时的输出功率，实线实线表示双机组同时运行时输出的总功率，虚线实线表示常规使用大规模洞穴等作为储气室时发电机组的输出总功率。可以看出，双机组发电时，总的输出功率变化范围明显减小。需要说明的是，在实际的空气透平发电机组中，因为存在稳压阀等设备，其发电输出功率随释能时间的变化是非线性的，此处将其作为线性进行了简化处理。

Claims (6)

1.一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其特征在于，包括光伏/光热发电系统、压缩空气系统、蓄热系统、空气透平发电机组以及储能控制系统；其中，
光伏/光热发电系统基于常规的光伏/光热电站，其采用晶硅板/聚光镜等采光装置，将太阳光能最终转换为电能，光伏/光热发电系统的光伏阵列/集热场建于压缩空气储气区(10)顶部；压缩空气系统包括电动机(2)、空气过滤器(3)、压缩机(4)、稳流罐(5)、冷却器(9)以及压缩空气储气区(10)；蓄热系统包括冷水储罐(1)、辅热装置(6)、热水储罐(7)、冷却水泵(8)、冷却器(9)、回水泵(11)以及加热器(14)；空气透平发电机组包括空气透平(13)、发电机(12)以及加热器(14)；
电动机(2)与压缩机(4)同轴连接，空气过滤器(3)入口与大气连通，出口与压缩机(4)相连，压缩机(4)出口依次与稳流罐(5)、冷却器(9)空气侧入口相连，冷却器(9)空气侧出口依次通过充气主管道(104)、储气区总阀(101)、储气分区支管道(102)、储气分区阀(103)与储气分区(106)中的储气室相连；高压空气主阀(105)和空气透平发电机组的加热器(14)气侧入口相连，经空气透平(13)做功后排入大气；蓄热系统中，冷水储罐(1)出口经过冷却水泵(8)、冷却器(9)、辅热装置(6)，最终和热水储罐(7)入口相连，热水储罐(7)出口依次经过加热器(14)、回水泵(11)与冷水储罐(1)入口相连；空气透平发电机组的高压空气入口连接压缩空气储气区(10)的高压空气主阀(105)，电气侧接入升压变压器；储能控制系统连接压缩空气系统和蓄热系统中的各传感器监测点以及阀门等执行机构，实现对压缩空气储能的运行监测及控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其特征在于，结合光伏/光热电站的有利光照条件，在蓄热系统中设置聚光型辅热装置，以提高热水储罐的水温，进一步提高空气透平发电机组效率。
3.根据权利要求1所述的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其特征在于，压缩空气储气区(10)根据需要分割为多个储气分区；储能时，每个储气分区由储气分区阀独立控制进行高压空气存储；在释能发电时，每个储气分区由储气分区阀独立控制向空气透平发电机组提供高压空气。
4.根据权利要求3所述的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其特征在于，当对压缩空气储能系统输出功率稳定性要求高时，配备两套空气透平发电机组，并使两套空气透平发电机组分别使用不同的储气分区，在释能发电时，两套空气透平发电机组对应的储气分区的放气周期相差0.5个周期。
5.根据权利要求3所述的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其特征在于，使用非补燃压缩空气储能系统作为光伏或光热电站的储能系统，压缩空气储能系统所需的压缩空气储气区与光伏阵列共用土地，其中储气分区中储气室的高度根据储气量需求设置为0.5-3.5m。
6.根据权利要求3所述的一种基于非补燃式压缩空气储能的光储结合电站，其特征在于，当储气室高度低时，使用钢筋混凝土结合钢衬建设；当高度高时，在储气室内设置高压储气罐。
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