CN112855301A - 基于空气水合物的储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于空气水合物的储能方法，该方案包括以下步骤：通过两段式压缩装置将空气逐步压缩到第二设定压力值形成高温高压的压缩空气；通过换热器与高温高压的压缩空气换热，换热器将热量传递到储热罐进行储热；换热后的压缩空气通入第一膨胀机膨胀至第一设定压力值并与储罐中的回流液汇合；汇合后的流体通过水合物反应器生成空气水合物；通过第一分离器将空气水合物分离出的水与空气水合物通过储罐存储，本方案所用介质为空气和水等无毒无味、不可燃的安全、环保工质；储能过程中回收利用了压缩空气显热，能源效率较高；压缩空气与水在低温下生成水合物，可以在较低的压力下储存压缩空气，有利于提高储能密度，降低储存设施的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气水合物储能技术领域，具体涉及一种基于空气水合物的储能方法。
背景技术
生产、生活中，电力的生产和消费常常不能同步，存在负荷的高峰和低谷，例如工、商业建筑，在上、下班时段存在显著的用电负荷差，居民住宅建筑，也有日夜负荷差、季节性负荷差；而太阳能、风能等可再生能源发电，也存在受天气影响、与电网负荷需求不能同步的问题，因此，电力储能已成为能源领域的重要课题。
目前电力储能技术繁多，物理储能是其中一大类。抽水蓄能是一种大规模电力储能技术，属于物理储能，其不足是需要特殊的地理条件；利用压缩空气储能是另一种物理储能技术。此项技术需要庞大的储气设施，建立在地面上的储气容器工作压力高，制造成本高，还需要较大的占地空间。而化学储能技术如锂电池，需要比较稀缺的锂资源，目前成本较高，且有燃烧起火隐患。
基于上述背景，本发明提出一种利用空气水合物的储能方法，以期克服上述不足，为高效、紧凑、安全的电力储能技术提供新的方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种基于空气水合物的储能方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于空气水合物的储能方法包括以下步骤：
S100：通过两段式压缩装置将空气逐步压缩到第二设定压力值形成高温高压的压缩空气；
S200：通过换热器与高温高压的压缩空气换热，所述换热器将热量传递到储热罐进行储热；
S300：换热后的压缩空气通入第一膨胀机膨胀至第一设定压力值并与储罐中的回流液汇合，其中第一设定压力值小于第二设定压力值；
S400：汇合后的流体通过水合物反应器生成空气水合物；
S500：通过第一分离器将空气水合物分离出的水与空气水合物通过所述储罐存储。
工作原理及有益效果：1、本方案所采用的介质为空气和水等无毒无味、不可燃的安全、环保工质，无化学储能技术的燃烧起火隐患，安全性能高；
2、通过压缩空气来产生热量，能源效率高，相比于现有技术仅仅只是通过压缩空气储能，本方案将压缩后的空气与水在低温下生成空气水合物，可以在较低的压力下储存压缩空气，显著提高储能密度，降低储存设施的成本和占地面积；
3、空气水合物可再次进行分解，可循环利用，浪费的水资源极少，更加环保；
4、采用多级压缩空气的方式，相比单个压缩设备工作，可显著提高压缩效率和速度，对于压缩设备的性能要求较低。
进一步地，其中两段式压缩装置控制步骤为：
S110：通过所述第一分离器分离出第一压缩空气，通过补气压缩机排出第二压缩空气，将第一压缩空气和第二压缩空气汇合通入第一压缩机压缩至第一设定压力后排出至第二压缩机；
S120：通过第二压缩机将压缩到第一设定压力后的压缩空气继续压缩，压缩到第二设定压力后排出至换热器。上述步骤，可方便地通过外界补充空气，且先将两处的压缩空气先统一压缩到第一设定压力后，再通过第二亚压缩机进行压缩，可在第二压缩机工作的时候，同步进行第一压缩机和补气压缩机的工作，无需像单一压缩机那样需要等待压缩工作完成才能进行补气，显著提高了工作效率和空气的压缩量。
进一步地，其中所述储罐中的水由第三循环泵驱动，与所述第一膨胀机排出的低温压缩空气汇合后再次进入水合物反应器。此设置，通过第三循环泵可方便地将储罐中的水进行驱动循环。
进一步地，所述储热罐中设有载热剂，所述载热剂通过第一循环泵驱动，从所述储热罐底部排出，进入所述换热器加热后从储热罐顶部进入形成循环。此设置，通过第一循环泵可方便载热剂形成循环，并高效地进行换热。
进一步地，还包括以下释放能量步骤：
S600：通过第二泵将所述储罐中的水和空气水合物送入加热器；
S700：通过加热器将空气水合物分解为水和空气，形成气水混合物并通入第二分离器；
S800：通过所述第二分离器将水和空气分离；
S900：分离出的水通过第一泵送入所述储罐，分离出的空气通入过热器进行再次加热后送入第二膨胀机，通过所述第二膨胀机将空气膨胀做功，带动发电机发电。采用上述步骤，可高效地释放能量，通过放电机发电，并将分离出的水和部分空气进行回收，循环利用，显著降低了资源浪费，更加环保，基本只需要补充空气即可。
进一步地，所述储热罐中的载热剂通过第二循环泵送入过热器，通过所述过热器将所述第二分离器中流出的压缩空气加热并使其中的液体完全蒸发。此设置，无需额外的加热设备，空气加热所需要的热量均通过压缩空气得到，显著节省了电能，且可将压缩空气中混杂的液体全部蒸发为气态，减少对第二膨胀机的影响，因此液体转换成气态需要吸收热量。
进一步地，所述载热剂从过热器流出后进入加热器，通过所述加热器将来自所述储罐的空气水合物分解，载热剂在所述加热器中放热后温度降低，密度增大，进入所述储热罐底部。此设置，可利用前序步骤产生的热量，通过载热剂为加热器提供热量，使得空气水合物可在高温下分解分水和空气，而载热剂可循环使用，显著减少了能源浪费，更加环保，且放热后的载热剂密度增大后可在储热罐内存储更多。
进一步地，所述水合物反应器中设有螺旋管，且通过在螺旋管内加热添加剂将压缩空气、水及添加剂在螺旋管内流动、反应从而生成空气水合物。此设置，通过螺旋管可显著增加反应空间和反应速度，其中空气水合物的反应合成原理为现有技术。
进一步地，所述添加剂为十二烷基硫酸钠或环戊烷或四氢呋喃的其中一种或多种。通过上述的几种添加剂，可显著提高空气和水的反应速度，快速生成空气水合物，从而降低对于水合物反应器的体积要求。
进一步地，通过所述第一分离器将空气水合物分离出未反应的空气，并回传到所述第一压缩机进行再次压缩。此设置，可循环利用空气，显著降低了能源浪费。
附图说明
图1是本发明储能方法的流程示意图；
图2是本发明释放能量方法的流程示意图；
图3是本发明一种实施例的结构示意图。
图中，1、第一压缩机；2、第二压缩机；3、第一膨胀机；4、换热器；5、第一循环泵；6、储热罐；7、第二循环泵；8、过热器；9、第二膨胀机；10、第二分离器；11、第一泵；12、加热器；13、第二泵；14、储罐；15、第三泵；16、第一分离器；17、水合物反应器；18、第三循环泵；19、补气压缩机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示，本基于空气水合物的储能方法包括以下步骤：
S100：通过两段式压缩装置将空气逐步压缩到第二设定压力值形成高温高压的压缩空气，其中通过所述第一分离器16分离出第一压缩空气，通过补气压缩机19排出第二压缩空气，将第一压缩空气和第二压缩空气汇合通入第一压缩机1压缩至第一设定压力后排出至第二压缩机2，通过第二压缩机2将压缩到第一设定压力后的压缩空气继续压缩，压缩到第二设定压力后排出至换热器4。上述步骤，可方便地通过外界补充空气，且先将两处的压缩空气先统一压缩到第一设定压力后，再通过第二亚压缩机进行压缩，可在第二压缩机2工作的时候，同步进行第一压缩机1和补气压缩机19的工作，无需像单一压缩机那样需要等待压缩工作完成才能进行补气，显著提高了工作效率和空气的压缩量；
S200：通过换热器4与高温高压的压缩空气换热，所述换热器4将热量传递到储热罐6进行储热，所述储热罐6中设有载热剂，所述载热剂通过第一循环泵5驱动，从所述储热罐6底部排出，进入所述换热器4加热后从储热罐6顶部进入形成循环。此设置，通过第一循环泵5可方便载热剂形成循环，并高效地进行换热；
S300：换热后的压缩空气通入第一膨胀机3膨胀至第一设定压力值并与储罐14中的回流液汇合，其中第一设定压力值小于第二设定压力值；
S400：汇合后的流体通过水合物反应器17生成空气水合物，所述水合物反应器17中设有螺旋管，且通过在螺旋管内加热添加剂将压缩空气、水及添加剂在螺旋管内流动、反应从而生成空气水合物。此设置，通过螺旋管可显著增加反应空间和反应速度，其中空气水合物的反应合成原理为现有技术，所述添加剂为十二烷基硫酸钠或环戊烷或四氢呋喃的其中一种或多种。通过上述的几种添加剂，可显著提高空气和水的反应速度，快速生成空气水合物，从而降低对于水合物反应器17的体积要求，其中添加剂的浓度为0.01～0.05％，各设备的操作温度在～20-15℃之间。
S500：通过第一分离器16将空气水合物分离出的水与空气水合物通过所述储罐14存储，通过所述第一分离器16将空气水合物分离出未反应的空气，并回传到所述第一压缩机1进行再次压缩。此设置，可循环利用空气，显著降低了能源浪费。
还包括以下释放能量步骤：
S600：通过第二泵13将所述储罐14中的水和空气水合物送入加热器12；
S700：通过加热器12将空气水合物分解为水和空气，形成气水混合物并通入第二分离器10；
S800：通过所述第二分离器10将水和空气分离；
S900：分离出的水通过第一泵11送入所述储罐14，分离出的空气通入过热器8进行再次加热后送入第二膨胀机9，通过所述第二膨胀机9将空气膨胀做功，带动发电机发电。采用上述步骤，可高效地释放能量，通过放电机发电，并将分离出的水和部分空气进行回收，循环利用，显著降低了资源浪费，更加环保，基本只需要补充空气即可。
具体地，所述储热罐6中的载热剂通过第二循环泵7送入过热器8，通过所述过热器8将所述第二分离器10中流出的压缩空气加热并使其中的液体完全蒸发。此设置，无需额外的加热设备，空气加热所需要的热量均通过压缩空气得到，显著节省了电能，且可将压缩空气中混杂的液体全部蒸发为气态，减少对第二膨胀机9的影响，因此液体转换成气态需要吸收热量。
具体地，所述载热剂从过热器8流出后进入加热器12，通过所述加热器12将来自所述储罐14的空气水合物分解，载热剂在所述加热器12中放热后温度降低，密度增大，进入所述储热罐6底部。此设置，可利用前序步骤产生的热量，通过载热剂为加热器12提供热量，使得空气水合物可在高温下分解分水和空气，而载热剂可循环使用，显著减少了能源浪费，更加环保，且放热后的载热剂密度增大后可在储热罐6内存储更多。
在本实施例中，各设备的操作压力均在0.1～4.5Mpa之间。
本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
尽管本文较多地使用了第一压缩机1、第二压缩机2、第一膨胀机3、换热器4、第一循环泵5、储热罐6、第二循环泵7、过热器8、第二膨胀机9、第二分离器10、第一泵11、加热器12、第二泵13、储罐14、第三泵15、第一分离器16、水合物反应器17、第三循环泵18、补气压缩机19等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于空气水合物的储能方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过两段式压缩装置将空气逐步压缩到第二设定压力值形成高温高压的压缩空气；
通过换热器与高温高压的压缩空气换热，所述换热器将热量传递到储热罐进行储热；
换热后的压缩空气通入第一膨胀机膨胀至第一设定压力值并与储罐中的回流液汇合，其中第一设定压力值小于第二设定压力值；
汇合后的流体通过水合物反应器生成空气水合物；
通过第一分离器将空气水合物分离出的水与空气水合物通过所述储罐存储。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，其中两段式压缩装置控制步骤为：
通过所述第一分离器分离出第一压缩空气，通过补气压缩机排出第二压缩空气，将第一压缩空气和第二压缩空气汇合通入第一压缩机压缩至第一设定压力后排出至第二压缩机；
通过第二压缩机将压缩到第一设定压力后的压缩空气继续压缩，压缩到第二设定压力后排出至换热器。
3.根据权利要求1所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，其中所述储罐中的水由第三循环泵驱动，与所述第一膨胀机排出的低温压缩空气汇合后再次进入水合物反应器。
4.根据权利要求3所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，所述储热罐中设有载热剂，所述载热剂通过第一循环泵驱动，从所述储热罐底部排出，进入所述换热器加热后从储热罐顶部进入形成循环。
5.根据权利要求4所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，还包括以下释放能量步骤：
通过第二泵将所述储罐中的水和空气水合物送入加热器；
通过加热器将空气水合物分解为水和空气，形成气水混合物并通入第二分离器；
通过所述第二分离器将水和空气分离；
分离出的水通过第一泵送入所述储罐，分离出的空气通入过热器进行再次加热后送入第二膨胀机；
通过所述第二膨胀机将空气膨胀做功，带动发电机发电。
6.根据权利要求5所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，所述储热罐中的载热剂通过第二循环泵送入过热器，通过所述过热器将所述第二分离器中流出的压缩空气加热并使其中的液体完全蒸发。
7.根据权利要求6所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，所述载热剂从过热器流出后进入加热器，通过所述加热器将来自所述储罐的空气水合物分解，载热剂在所述加热器中放热后温度降低，密度增大，进入所述储热罐底部。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，所述水合物反应器中设有螺旋管，且通过在螺旋管内加热添加剂将压缩空气、水及添加剂在螺旋管内流动、反应从而生成空气水合物。
9.根据权利要求8所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，所述添加剂为十二烷基硫酸钠或环戊烷或四氢呋喃的其中一种或多种。
10.根据权利要求2所述的一种基于空气水合物的储能方法，其特征在于，通过所述第一分离器将空气水合物分离出未反应的空气，并回传到所述第一压缩机进行再次压缩。
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