CN112855292B - 液化空气储能-温差发电耦合系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种液化空气储能‑温差发电耦合系统及其工作方法。该系统包括：空气压缩装置、空气液化装置、液态空气加压气化装置、空气膨胀装置、温差发电装置及储热蓄冷装置。其工作方法为：在储能阶段，空气压缩装置、空气液化装置和储热蓄冷装置处于工作状态，消耗外部电能实现空气液化存储及压缩热回收；在释能阶段，为超临界工作模式，液态空气加压气化装置、空气膨胀装置、温差发电装置以及储热蓄冷装置处于工作状态，通过空气膨胀装置和温差发电装置向外供电，并完成液态空气气化潜热回收。本发明在液化空气储能系统中引入半导体温差发电装置，利用压缩余热和膨胀余冷驱动温差发电装置输出额外电能，不仅可以提升系统运行效率，还可以减少废热排放。

Description

液化空气储能-温差发电耦合系统及其工作方法
技术领域
本发明属于能量存储及余热回收技术领域，涉及一种压缩空气储能系统，具体涉及一种液化空气储能-温差发电耦合系统及其工作方法。
背景技术
液化空气储能技术是最有应用前景的大规模储能技术之一，不仅具备显著的调峰调频能力，还可以实现风力发电、光伏发电等可再生能源的非稳态存储和平稳输出。在液化空气储能系统工作过程中，由于可用冷能有限而无法实现100％空气液化，使得储能阶段产生的压缩热量无法在释能阶段完全消耗，造成大量的热量损失，不仅对系统的全周期运行效率造成不利影响，还会产生环境热污染。
为了解决压缩热富余而造成储能系统效率低的问题，通常可以引入外部循环，利用多余的压缩热驱动动力装置产生额外的能量输出，如：有机朗肯循环和kalina循环等，但是外部动力循环的引入不仅会造成系统复杂度的显著增加，而且还会大大增加系统的设备投资和运行维护成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不仅可以回收压缩余热输出额外电能，并且极大节省设备新增投资成本和维护成本的液化空气储能-温差发电耦合系统及其工作方法。
为达到上述目的，本发明的系统包括空气压缩装置、空气液化装置、液态空气加压气化装置、空气膨胀装置、温差发电装置及储热蓄冷装置；
所述空气压缩装置包括至少一级空气压缩机及其级后空气冷却器，所述空气液化装置包括至少一个冷箱和一个液态空气储罐，所述液态空气加压气化装置包括一低温液体泵和至少一个空气气化器，所述空气膨胀装置包括至少一级空气膨胀机及其级前空气再热器，所述温差发电装置包括至少一级半导体发电模块及其冷热端换热器，所述储热蓄冷装置包括一高温储热罐、一常温储热罐和一低温蓄冷罐；
所述空气压缩机的进气口与环境大气连通，空气压缩机排气口经级后空气冷却器热端与冷箱热端入口相连，所述冷箱热端出口与液态空气储罐相连，所述液态空气储罐气体出口经冷箱第一冷端与大气连通，液体出口与低温液体泵入口相连；
所述低温液体泵出口与空气气化器冷端入口相连，所述空气气化器冷端出口与级前空气再热器冷端入口相连，级前空气再热器冷端出口经空气膨胀机与温差发电装置中的冷端换热器入口相连，所述温差发电装置的冷端换热器出口与大气连通；
所述常温储热罐出口经级后空气冷却器冷端与高温储热罐相连，高温储热罐出口分为两个支路，一支路经温差发电装置中的热端换热器回到常温储热罐，另一支路经级前空气再热器热端回到常温储热罐，储热罐中介质通过管路与循环泵构成闭式循环；
所述低温蓄冷罐与冷箱第二冷端通过管路与循环泵组成一闭式循环，所述低温蓄冷罐和空气气化器热端通过管路与循环泵组成一闭式循环。
所述高温储热罐和低温蓄冷罐以及液态空气储罐均设置有隔热保温层，所述常温储热罐工作温度为环境温度。
所述高温/常温储热罐中储热介质为液态工质，并根据空气压缩机出口温度确定工质。
所述低温蓄冷罐中的蓄冷介质为单相工作状态，所述冷箱和空气气化器的数量相等。
所述空气压缩机、低温液体泵由能够根据负荷波动进行转速调节的变频电机驱动做功，空气膨胀机与发电机同轴相连，向外输出电能。
所述储热蓄冷装置上均安装有循环泵与流量调节阀。
所述温差发电装置中的半导体发电模块与实现直流电能存储的可充放电电池相连，或者与逆变器相连进行并网发电。
所述温差发电装置包括半导体发电模块以及位于半导体发电模块两侧的热端换热器和冷端换热器，且在半导体发电模块与热端换热器、冷端换热器之间还设置有热端导热部件和冷端导冷部件。
本发明的液化空气储能-温差发电耦合工作方法如下，包括储能阶段和释能阶段，所述储能阶段消耗外部电能，通过空气压缩装置、空气液化装置、储热蓄冷装置实现空气液化存储及压缩热回收，所述释能阶段为超临界工作模式，其通过液态空气加压气化装置、储热蓄冷装置将液态空气加压至16～20MPa并完成空气气化及冷能回收，最后通过空气膨胀装置和温差发电装置向外供电。
在储能阶段，通过储热介质的流量调整将级后空气冷却器出口空气冷却至环境温度，储热介质被加热至高温并存储在高温储热罐中，其中，高温储热介质温度Thtf及总量qm,tot由如下公式计算：
Thtf＝Tair,o-△Tcooler
Figure BDA0002909637030000031
式中Tair,o、△Tcooler分别为空气压缩机出口温度和级后空气冷却器最小换热温差，其中，△Tcooler的取值范围为2～5℃；qm,i和N分别为第i级级后空气冷却器内储热介质流量和空气压缩机工作级数；
在释能阶段，级前空气再热器热端工质流量qm1、温差发电装置中热端换热器流量qm2和出口温度Tw,o，以及温差发电装置的工作温度Th、Tc参数通过参数优化方法进行确定，以获得最大系统效率η；其数学优化模型如下：
目标函数：maxη(qm1,qm2,Th,Tc)
Figure BDA0002909637030000032
约束条件：Th＝Tw,o-△T
Tc＝Tair,m+△T
式中Tair,m、△T分别为空气中间温度及夹点温差，其中，Tair,m通过温差发电装置中冷端换热器能量守恒计算得到，△T的取值范围为3～10℃；同时，储能系统及温差发电装置的工作特性方程作为上述优化模型的物理约束条件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明引入绿色能源技术—半导体温差发电技术来回收液化空气储能系统的多余压缩热，对外输出额外电能，结构简单紧凑、绿色安全、场地占用少、安装便捷，并且避免了新动力部件的增加，可极大减少投资和运行维护成本；可提升压缩热利用率，减少压缩废热排放对环境造成的不利影响；充分利用压缩余热和膨胀余冷，半导体温差发电装置冷端换热器与级前空气再热器串联运行，可降低空气再热过程的换热温差和不可逆损失；释能阶段采用超临界工作模式，可以通过消耗少量液体泵功而极大提高释能阶段的对外输出做功能力，可进一步提升空气膨胀装置和温差发电装置的输出功率，显著提升系统性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的两级压缩两级膨胀方案示意图。
图3为本发明的前置温差发电装置方案示意图。
图4为本发明的温差发电装置示意图。
图中：1、第一级空气压缩机，1.1、第二级空气压缩机，2、第一级级后空气冷却器，2.1、第二级级后空气冷却器，3、冷箱，4、液态空气储罐，5、低温液体泵，6、空气气化器，7、第一级级前空气再热器，7.1、第二级级前空气再热器，8、第一级空气膨胀机，8.1、第二级空气膨胀机，9、第一级半导体温差发电装置，9.1、第二级半导体温差发电装置，9.1.1、热端换热器，9.1.2、热端导热部件，9.1.3、半导体发电模块，9.1.4、冷端导冷部件，9.1.5、冷端换热器，10、可充放电电池，11、高温储热罐，12、常温储热罐，13、低温蓄冷罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
参见图1，本发明的液化空气储能-温差发电耦合系统，包括空气压缩机1、级后空气冷却器2、冷箱3、液态空气储罐4、低温液体泵5、空气气化器6、级前空气再热器7、空气膨胀机8和温差发电装置9等主要部件，同时还包括高温储热罐11、常温储热罐12和一个低温蓄冷罐13。本实施例的适用工况为：空气膨胀机8的排气温度较低，并且不得高于环境温度，以保证温差发电装置的高效运行。
空气压缩机1的进气口与环境大气连通，空气压缩机1的排气口依次与级后空气冷却器2热端、冷箱3热端相连，最终以两相形式进入液态空气储罐4，液态空气储罐4气体出口经冷箱3第一冷端后与大气连通；液态空气储罐4液体出口与低温液体泵5入口相连，之后依次与空气气化器6冷端、级前空气再热器7冷端、空气膨胀机8和温差发电装置9中的冷端换热器9.1.5入口相连，温差发电装置9的冷端换热器9.1.5出口与大气连通。在循环泵的驱动作用下，常温储热罐12中的储热介质进入级后空气冷却器2冷端完成取热后进入高温储热罐11，高温储热罐11中的储热介质分别进入温差发电装置9中的热端换热器9.1.1和级前空气再热器7热端完成释热后返回常温储热罐12完成循环。低温蓄冷罐13分别与冷箱3第二冷端和空气气化器6热端通过管路与循环泵组成两个相互独立的闭式循环，其中冷箱3和空气气化器6二者数量保持一致。
高温储热罐11和低温蓄冷罐13以及液态空气储罐4均设置有隔热保温层，常温储热罐12工作温度为环境温度。高温储热罐11和常温储热罐12中的储热介质为液态工质，并根据空气压缩机出口温度确定工质；低温蓄冷罐13中的蓄冷介质为单相工作状态。储热蓄冷装置上均安装有循环泵与流量调节阀。空气压缩机1和低温液体泵5由能够根据负荷波动进行转速调节的变频电机驱动做功；变频电机和储热蓄冷装置中的循环泵在外部电力供应下工作，消耗电能。空气膨胀机8与发电机同轴相连，向外输出电能。
温差发电装置9包括半导体发电模块9.1.3以及位于半导体发电模块9.1.3两侧的热端换热器9.1.1和冷端换热器9.1.5，且在半导体发电模块9.1.3与热端换热器9.1.1、冷端换热器9.1.5之间还设置有热端导热部件9.1.2和冷端导冷部件9.1.4(参见图4)。其中，半导体发电模块9.1.3与实现直流电能存储的可充放电电池10相连，或者与一逆变器相连进行并网发电。
本发明的液化空气储能-温差发电耦合工作方法为：包括储能阶段和释能阶段。在储能阶段，空气压缩机1、级后空气冷却器2、冷箱3、液态空气储罐4、高温储热罐11、常温储热罐12和低温蓄冷罐13以及储热蓄冷介质循环泵同时工作，消耗外部电能实现空气液化存储及压缩热回收；在释能阶段，为工作压力为16～20MPa的超临界工作模式，低温液体泵5、空气气化器6、级前空气再热器7、空气膨胀机8、温差发电装置9、高温储热罐11、常温储热罐12和低温蓄冷罐13以及储热蓄冷介质循环泵同时工作，完成液态空气气化冷能回收，空气膨胀机8带动发电机向外输出电能，温差发电装置9产生电能用于对可充放电电池10进行充电或者通过逆变器并入电网。
其中，在储能阶段，通过储热介质的流量调整将级后空气冷却器2出口空气冷却至环境温度，储热介质被加热至高温并存储在高温储热罐11中，其中，高温储热介质温度Thtf及总量qm,tot由如下公式计算：
Thtf＝Tair,o-△Tcooler
Figure BDA0002909637030000061
式中Tair,o、△Tcooler分别为空气压缩机出口温度和级后空气冷却器最小换热温差，其中，△Tcooler的取值范围为2～5℃；qm,i和N分别为第i级级后空气冷却器内储热介质流量和空气压缩机工作级数；
在释能阶段，级前空气再热器7热端工质流量qm1、温差发电装置9中热端换热器9.1.1流量qm2和出口温度Tw,o，以及温差发电装置9的工作温度Th、Tc参数通过参数优化方法进行确定，以获得最大系统效率η；其数学优化模型如下：
目标函数：maxη(qm1,qm2,Th,Tc)
Figure BDA0002909637030000062
约束条件：Th＝Tw,o-△T
Tc＝Tair,m+△T
式中Tair,m、△T分别为空气中间温度及夹点温差，其中，Tair,m通过温差发电装置中冷端换热器能量守恒计算得到，△T的取值范围为3～10℃；同时，储能系统及温差发电装置的工作特性方程作为上述优化模型的物理约束条件。
实施例2：
图2为本发明采用两级压缩两级膨胀方案的耦合系统示意图，其相比实施例1的改进之处在于：空气压缩装置由第一级空气压缩机1、第一级级后空气冷却器2、第二级空气压缩机1.1和第二级级后空气冷却器2.1组成，且顺次连接，第二级级后空气冷却器2.1热端出口与冷箱3热端入口相连；空气膨胀装置和温差发电装置由第一级级前空气再热器7、第一级空气膨胀机8、第一级温差发电装置9、第二级级前空气再热器7.1、第二级空气膨胀机8.1和第二级温差发电装置9.1组成，且顺次连接，第二级温差发电装置9.1的冷端换热器出口与大气连通；空气压缩机组和空气膨胀机组均采用等压比工作方案。系统工作方法同实施例1，在此不再赘述。
实施例3：
图3为本发明的前置温差发电装置方案示意图，其相比实施例2的改进之处在于：最后一级空气膨胀机出口不再设置温差发电装置，但是在第一级级前空气再热器入口设置温差发电装置；空气气化器6出口依次与第一级温差发电装置9冷端换热器、第一级级前空气再热器7冷端、第一级空气膨胀机8、第二级温差发电装置9.1冷端换热器、第二级级前空气再热器7.1冷端和第二级空气膨胀机8.1相连，第二级空气膨胀机8.1出口与大气连通。系统工作方法同实施例1，在此不再赘述。本实施例适用于：最后一级空气膨胀机8.1的排气温度与环境温度相当或者略高于环境温度。
本发明在液化空气储能系统中引入半导体温差发电装置，利用压缩余热和膨胀余冷驱动温差发电装置输出额外电能，不仅可以提升系统运行效率，还可以减少废热排放，实现更加清洁高效的能量存储和转换。

Claims (10)

1.一种液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：包括空气压缩装置、空气液化装置、液态空气加压气化装置、空气膨胀装置、温差发电装置及储热蓄冷装置；
所述空气压缩装置包括至少一级空气压缩机及其级后空气冷却器，所述空气液化装置包括至少一个冷箱和一个液态空气储罐，所述液态空气加压气化装置包括一低温液体泵和至少一个空气气化器，所述空气膨胀装置包括至少一级空气膨胀机及其级前空气再热器，所述温差发电装置包括至少一级半导体发电模块及其冷热端换热器，所述储热蓄冷装置包括一高温储热罐、一常温储热罐和一低温蓄冷罐；
所述空气压缩机的进气口与环境大气连通，空气压缩机排气口经级后空气冷却器热端与冷箱热端入口相连，所述冷箱热端出口与液态空气储罐相连，所述液态空气储罐气体出口经冷箱第一冷端与大气连通，液体出口与低温液体泵入口相连；
所述低温液体泵出口与空气气化器冷端入口相连，所述空气气化器冷端出口与级前空气再热器冷端入口相连，级前空气再热器冷端出口经空气膨胀机与温差发电装置中的冷端换热器入口相连，所述温差发电装置的冷端换热器出口与大气连通；
所述常温储热罐出口经级后空气冷却器冷端与高温储热罐相连，高温储热罐出口分为两个支路，一支路经温差发电装置中的热端换热器回到常温储热罐，另一支路经级前空气再热器热端回到常温储热罐，储热罐中介质通过管路与循环泵构成闭式循环；
所述低温蓄冷罐与冷箱第二冷端通过管路与循环泵组成一闭式循环，所述低温蓄冷罐和空气气化器热端通过管路与循环泵组成一闭式循环。
2.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述高温储热罐和低温蓄冷罐以及液态空气储罐均设置有隔热保温层，所述常温储热罐工作温度为环境温度。
3.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述高温/常温储热罐中储热介质为液态工质，并根据空气压缩机出口温度确定工质。
4.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述低温蓄冷罐中的蓄冷介质为单相工作状态，所述冷箱和空气气化器的数量相等。
5.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述空气压缩机、低温液体泵由能够根据负荷波动进行转速调节的变频电机驱动做功，空气膨胀机与发电机同轴相连，向外输出电能。
6.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述储热蓄冷装置上均安装有循环泵与流量调节阀。
7.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述温差发电装置中的半导体发电模块与实现直流电能存储的可充放电电池相连，或者与逆变器相连进行并网发电。
8.根据权利要求1所述的液化空气储能-温差发电耦合系统，其特征在于：所述温差发电装置包括半导体发电模块以及位于半导体发电模块两侧的热端换热器和冷端换热器，且在半导体发电模块与热端换热器、冷端换热器之间还设置有热端导热部件和冷端导冷部件。
9.一种如权利要求1所述系统的液化空气储能-温差发电耦合工作方法，其特征在于：包括储能阶段和释能阶段，所述储能阶段消耗外部电能，通过空气压缩装置、空气液化装置、储热蓄冷装置实现空气液化存储及压缩热回收，所述释能阶段为超临界工作模式，其通过液态空气加压气化装置、储热蓄冷装置将液态空气加压至16～20MPa并完成空气气化及冷能回收，最后通过空气膨胀装置和温差发电装置向外供电。
10.根据权利要求9所述的液化空气储能-温差发电耦合工作方法，其特征在于：在储能阶段，通过储热介质的流量调整将级后空气冷却器出口空气冷却至环境温度，储热介质被加热至高温并存储在高温储热罐中，其中，高温储热介质温度Thtf及总量qm,tot由如下公式计算：
Thtf＝Tair,o-△Tcooler
Figure FDA0002909637020000031
式中Tair,o、△Tcooler分别为空气压缩机出口温度和级后空气冷却器最小换热温差，其中，△Tcooler的取值范围为2～5℃；qm,i和N分别为第i级级后空气冷却器内储热介质流量和空气压缩机工作级数；
在释能阶段，级前空气再热器热端工质流量qm1、温差发电装置中热端换热器流量qm2和出口温度Tw,o，以及温差发电装置的工作温度Th、Tc参数通过参数优化方法进行确定，以获得最大系统效率η；其数学优化模型如下：
目标函数：maxη(qm1,qm2,Th,Tc)
约束条件：
Figure FDA0002909637020000032
式中Tair,m、△T分别为空气中间温度及夹点温差，其中，Tair,m通过温差发电装置中冷端换热器能量守恒计算得到，△T的取值范围为3～10℃；同时，储能系统及温差发电装置的工作特性方程作为上述优化模型的物理约束条件。
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