CN113328572A - 一种储能装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及新能源设备技术领域，公开了一种储能装置及其应用方法，包括压气源系统，其特征在于：还包括高压储能系统和高压反应系统，所述高压储能系统位于所述压气源系统与所述高压反应系统之间，所述高压储能系统包括至少两个相连通的储能容器，所述储能容器中储存多元多相复合工质。储能工质具有普适性好的优点。

Description

一种储能装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及新能源设备技术领域，具体涉及一种储能装置及其应用方法。

背景技术

处于21世纪的现代人类，其生产、生活、交流均无时无刻离不开能源的使用，但迄今大量使用的石油、煤炭等化石能源，又造成全球的气候急剧变化与生态环境的恶化，已经严重地威胁到人类的生存环境，所以加强全球合作来解决全球能源供给体系的转型升级目标，就是全面采用清洁能源或可持续使用的“绿色能源”来取代化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能、核能等，这些可再生能源的使用基本上全部都要先行转化为电能，才能方便使用。目前，电能应用在各个领域，存在储存难的问题。

电能至今仍难以方便经济地大规模地加以储存，现有技术中有通过压缩空气储能的方法，如公开号为CN201810581748.3的专利，公开了一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，利用工质（二氧化碳或其它）变相体积变化巨大的特性能够实现一定程度的压缩空气定压储能，工质（二氧化碳或其它）变相过程中伴随着大量的热量释放和吸收，也具有相当可观的热能和冷能。但因其结构复杂，热量极易被传导流失，存储能有限，且转换电能效率低。

又如公开号为CN201110091069.6 的专利，公开了一种压缩空气车辆发动机的连接方法及其装置，包括大功率或小功率空气压缩机、储气罐、加热装置、二过程发动机、汽轮机、排气管等，通过管道依次连接使之与大气形成以压缩空气为工质的热量循环，或者接地连接发电机和蓄电池形成以电荷为工质的电力循环，启动小功率空气压缩机提供压缩空气，通过输出气阀门控制压缩空气释放量，使压缩空气在加热装置处获得增大的能量。但其储能工质普适性差。

发明内容

本发明目的在于提供一种储能装置，以解决储存工质普适性差的问题。

本发明的又一目的在于提供一种储能装置的应用方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。

一种储能装置，包括压气源系统，其特征在于：还包括高压储能系统和高压反应系统，所述高压储能系统位于所述压气源系统与所述高压反应系统之间，所述高压储能系统包括至少两个相连通的储能容器，所述储能容器中储存多元多相复合工质。

为了提升储能量，同时有利于推动多元多相复合工质进入所述高压反应系统，所述压气源系统的输出气压值P_o≥25MPa。

为了便于多元多相复合工质的储存，保证所述储能容器的密闭性，同时提高所述储能容器的安全性，所述储能容器之间通过管路连通，管路上设置有第一控制阀。所述储能容器与所述高压反应系统管路连通，管路上设置有第三控制阀。

为了保证多元多相复合工质顺利释放能量，同时防止装置变形，所述高压反应系统包括预热管、反应筒和电源，所述预热管设置在所述反应筒内部，所述预热管连接所述电源。

为了使多元多相复合工质充分电解和电冶释放能量，所述高压反应系统还包括电热塞和火花塞，所述电热塞和火花塞位于所述反应筒内，所述电热塞和火花塞连接所述电源。

为了优化释能方式，所述反应筒的输出管路内设置有定压单向阀，所述定压单向阀用于调节反应装置内压力大小，压力越大产生的脉冲能量越大，输出的能量越多。

为了加固所述储能容器，防止管路结冰堵塞，增强其稳定性，所述储能容器安置在恒温储能井中，所述储能容器上端设置有上密封件，下端设置有下密封件，中部设置至少2个加固套。

为了控制所述储能容器添加多元多相复合工质，同时保证所述储能容器的密闭性，所述储能容器上的进料口设置有第二控制阀。

所采用的应用方法步骤是：

第一步：用压缩空气或液化空气作为0号工质，发电时其压强不小于25MPa，车用时其压强不小于100MPa。

第二步：将0号工质、气态工质、液态工质和固态工质通过配伍通式：D=O+B₀+（A_n+B_n+C_n）进行配伍，其中至少选择A_n、B_n和C_n中的任意两种。

D——先确定多元多相复合工质的配伍比例；

O——0号工质，即压缩空气作为基本储能工质，其压强P₀≥25MPa，并强力压入所选液态工质中；

B₀——液态寄主增能工质，用于与其他工质形成溶液、气溶体、乳液、浆料等，其它多元多相复合工质都依托在B₀工质中，并共同储存在一处，采用生物乙醇水溶液（含乙醇70％以上）、双氧水溶液（含H₂O₂为30％）、液氨水溶液（含NH₃为70％）、植物油、水等用作B₀组；

A_n——气态工质，即除空气以外的，凡可燃的气体燃气或不可燃烧但可使气体增压的增能工质；

B_n——液态工质，B₀+B_n的总量，应能装满所述储能容器容积的90％左右；

C_n——固态工质，制成乳状、浆状使用。

第三步：对所述储能容器进行压气，用于发电时，所述压气源系统将压强P₀≥25MPa的压缩空气输进所述压气源系统连接的所述储能容器中；用于车辆驱动时，所述压气源系统将压强P₀≥100MPa的压缩空气输进所述压气源系统连接的所述储能容器中。

第四步：开启电源，对预热管和电热塞预热，预热时间为12秒-40秒。

第五步：打开所述第一控制阀，将多元多相复合工质输入至所述反应筒中进行反应，从而驱动发动机和/或发电机，进行能源输出。

有益效果：（1）可大量地分散储存电能，且通过配伍后用于储能的多元多相复合工质多种多样，容易推广普及应用，其普遍适用性好，若我国在约60万个行政村中建设一座2000千瓦的多元多相复合工质储能发电站，则全国将有十二亿千瓦的常年电能储备，随时可以启用，有力地促进电力产业的绿色转型，每一次加料可运行八天左右。

（2）有利于汽车产业的转型，人类应用能源的最大的两个方面，一个是用于发电，二个是用于机动车行驶，若采用本发明，可加快汽车产业的转型，有利于可持续发展，利用空气储存的物理能加上多元多相复合工质的化学能提供续航动力，一次加料行驶1000公里以上，其续航能力大大提升。

（3）可实现煤电的转型，我国在2021年底预计有发电装机容量23.7亿万瓦，其中有化石燃料发电12.5亿千瓦级煤电，日本政府在2020年底提出的绿色增长战略中，预计在2040年实现纯氨燃料发电，2050年实现温室气体净零排放的目标，而在我国，若采用本发明的装置及方法来取代燃煤升级转型，就可超越日本15年，在2035年达到温室气体的净零排放。

（4）有利于油、汽钻井产业的转型，而本发明的深井恒温储能井，其钻井部分的工程，则正好接合利用已成熟的石油钻井技术，找到一个新型而持久的产业转型用武之地，可以长期持续地保持钻井行业的规模化繁荣，以及几十万人的永久就业。

（5）有利于空气压缩机产业和爆轰储能材料产业兴起，工质采用液氢、双氧水、液氨、TNT、硝酸铵、硝酸钙等十多种爆轰储能材料，都可以通过一定的理化反应释放出巨大的能量，我国目前，每年消耗的煤炭、石油有几十亿吨之多，替代其十分之一，也有每年几亿吨的巨大数量，足以支撑起一个新兴的爆轰储能材料产业。

（6）有效助力应对全球气候变化，本发明的装置和方法能够获得规模化普及应用，则必将十分有效地助力于人类应对地球气候快速恶化的问题。

（7）有利于高强度管材行业兴起，高压储能系统和高压反应系统的工作环境严苛，承压强度要求高，在我国现有条件下，能生产耐压140MPa的页岩气钻探压裂液管，若我国现有2亿多辆机动车的绿色升级，则需要2亿多套储能装置，可形成一个产业群。

附图说明

图1是实施例中的储能装置结构示意图。

附图标记：1、压气源系统；2、高压储能系统；3、高压反应系统；4、第一控制阀；5、储能容器；6、上密封件；7、下密封件；8、反应筒；9、电热塞；10、预热管；11、第二控制阀；12、火花塞；13、定压单向阀；14、发动机；15、联轴节；16、发电机；17、电源；18、加固套；19、第三控制阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例

如图1所示，一种储能装置，包括压气源系统1、高压储能系统2和高压反应系统3，所述压气源系统1可采用空气压缩机或液化空气罐，所述压气源系统1管路连接所述高压储能系统2，所述高压储能系统2管路连接所述高压反应系统3，所述高压储能系统2包括至少两个相连通的储能容器5，所述储能容器5中装填多元多相复合工质，所述储能容器5可更换，所述压气源系统1输出气压P_o≥25MPa，所述高压反应系统3又连接发动机14。上述方案用于车辆驱动时，所述压气源系统1采用液化空气罐，所述液化空气罐输出气压P₀≥100MPa；发电用时，在上述方案的基础上，所述压气源系统1采用空气压缩机，所述空气压缩机输出气压P₀≥25MPa，所述发动机14通过联轴节15连接所述发电机16，所述发动机14采用二行程活塞式发动机或涡轮式发动机，所述发动机14内工作压强一般为1.5 MPa-3.5MPa。

所述储能容器5之间通过管路连通，管路上设置有第一控制阀4，所述储能容器5与所述高压反应系统3管路连通，管路上设置有所述第三控制阀19，便于多元多相复合工质的储存，保证所述储能容器的密闭性，同时提高所述储能容器的安全性。

所述高压反应系统3包括反应筒8、电热塞9、火花塞12、预热管10和电源17，所述预热管10设置在所述反应筒8内部，所述预热管10下端开口并连通所述反应筒8的反应区间，所述反应筒8筒壁上设置有所述电热塞9和火花塞12，所述电热塞9和火花塞12连接所述电源17，保证多元多相复合工质顺利释放能量，同时防止装置变形，通过电解和电冶的方式，能充分燃烧多元多相复合工质，使其释放大量能力而增强续航能力。

所述储能容器5上分别设置有进料口，所述进料口设置有第二控制阀11，便于控制所述储能容器5添加多元多相复合工质，同时保证所述储能容器5的密闭性。

所述反应筒8的输出管路上设置有定压单向阀13，优化了用能方式和释能进程，同时也可用于发电，所述定压单向阀13用于调节反应筒8内压力大小，压力越大产生的脉冲能量越大，输出的能量越多。

所述储能容器5安置在深井恒温储能井中，发电时装地上，车用时装车上，因发电时气流量大，气体绝热膨胀，易使管路结冰堵塞，故常年在地下的恒温储能井中，可防止结冰，所述储能容器5上端设置有上密封件6，下端设置有下密封件7，中部设置多个加固套18，有效的加固了所述储能容器5，增强其稳定性。

一种储能容器的应用方法的步骤如下：

第一步：压缩空气作为0号工质，发电时其压强不小于25MPa，车用时其压强不小于100MPa，0种工质的主要功能，一、储能载体；二、输料动力；三、为发动机14提供动力，利用压缩空气储存物理能，0种工质提供的气压动力等于燃气轮发动机上所耗总功率三分之二的压气功率，从而增大发动机14的输出功率。

第二步：为了使储能的工质选择面广、不受地域限制、容易推广应用，优选采用绿色的多元多相复合工质材料，将单工质改为多元多相复合工质，即除了采用高压的压缩空气0号工质来储能以外，还采用了多种优选后的储能物料作增能工质，与压缩空气共同组成了本发明采用的多元多相复合工质。其所可采用的成份有气态工质、液态工质、固态工质三大类，其中A_n类气态工质有（1号工质到4号工质，共4种）：

1号工质是生物质热裂解气：其裂解气成份主要是CO和H₂，其中的碳全部都是来源于植物光合作用过程中向空气等量吸收的碳，故生物气的燃烧不会增加大气中CO₂温室气体的含量，也是一种清洁燃料，其燃点为610℃左右，热值为2152 MJ/m³，空燃比（体积比）=2.38:1。

2号工质是沼气：是由生物质发酵而获得，也是清洁燃料，燃点645℃左右，热值为21.52 MJ/m³，空燃比（体积比）=9.5:1。

3号工质是页岩气：我国现有已探明储量达7500亿立方米，储能丰富，主成份为甲烷（CH₄）在其燃烧所释放的热能中，H的释能占54％，C的释能只占45％（煤炭燃烧释能100％是靠燃炭，故污染严重），所以在过渡时期，页岩气和天然气也算半清洁燃料，其燃点为550℃-750℃左右，热值为39 MJ/m³。

4号工质是氢气（或液氢）：H₂其热值为121 MJ/Kg（或10.88 MJ/m²若系绿色电解水所获得或其他绿能方式所获得），H₂即是绿氢，也就是清洁能源，其燃点为530℃，其空燃比为2.38:1（体积比）。

B _n类液态工质有（5号到9号工质，共5种）：

5号工质是生物质乙醇：是一种绿色清洁燃料，其热值约26.78 MJ/Kg，燃点为400℃，分子式为C₂H₆O，能与水互溶，也是一种溶剂，能溶多种物质，如TNT、硝酸铵、氨等，其空燃比=7 m³空气：1 kg乙醇。

6号工质是水：此处的水是作溶剂使用，也可以参与工质中的部份物理化学反应，使之释放能量，例如可溶解硝酸铵、硝酸钙、硝酸铝、氨、双氧水。

7号工质是生物质油：如各种植物油、动物油、生物质热解油等，其一般燃点为350℃左右，热值为30MJ/kg-40MJ/kg，它们也都是属于绿色清洁燃料，可以制成各种乳化油。

8号工质是双氧水：即H₂O₂，它可与水或乙醇以任何比例混合，在有触媒（是“催化剂”的另一种称谓，作用是为了改变某些化学进程的速率，这里可指银或二氧化锰）作用时，剧烈反应：n•H₂O₂→n•H₂O（蒸汽）+n•O₂-699.9KJ/mol反应温度需至少是200℃，其沸点为1514℃，比水的沸点高，（也可以代替压缩空气作0种工质使用，H₂O₂汽化后，其体积增大到3300倍）。

9号工质是液氨：即NH₃，其点火温度为651℃，可燃极限（体积百分比）为15％-28％，热值为18.8MJ/kg，在温度为850℃-900℃，有镍基催化剂作用下进行热分解的反应为：2NH₃→N₂+3H₂-92.5KJ，其中H₂占体积75％，N₂只占体积25％，可溶于水、乙醇，液态氨在常温25℃时，加压到1MPa则液化，其密度为603kg/m³，其空燃比=3.7:1。

C_n类固态工质有：即利用各种固态的可爆炸物质，来进行复合增能的功效（从10号工质到17号工质，共8种），其具体应用方法分为二种。

第一种是溶解使用的爆炸增能工质，即可以溶解于液态工质（如乙醇、水、植物油、双氧水、液氨等）的各种可爆炸物质，即有：

10号工质是TNT（三硝基甲苯），可溶于乙醇，引爆点240℃，热值3MJ/kg，仅相当于汽油热值43MJ/kg的7％，但其爆燃速度达8000米/秒，其动力性和稳定性也好。

11号工质是硝酸铵（ NH₄NO₃），可溶于水、乙醇，燃点为210℃时分解为H₂O和N₂O。

12号工质是硝酸钙Ca(NO₃)₂•4H₂O，溶于水，和乙醇在132℃时开始分解放出氧气。

13号工质是硝酸钾KNO₃，溶于水和稀乙醇，在400℃时分解并放出氧。

第二种是浆状使用的爆炸增能工质，即不能溶解于液态工质的可爆炸物质，即有：

14号工质是水铝浆：即先将水与铝粉制成乳浆状，再行使用，在运行中的反应式为：2A1+3H₂O→A1₂O₃+3H₂-1669,7KJ/mol•Al 反应温度在660℃左右，2H₂+O₂→2H₂O—放出高热。

15号工质是水镁浆：即将水与镁粉制成浆状，其在工作运行中的反应为：Mg+2H₂O→Mg（OH）₂+H₂—831.83KJ/mol•Mg反应温度需至少是287℃，2H₂+O₂→H₂O—放出高热。

16号工质是硝棉浆：即“硝酸纤维素”，它不溶于水或纯乙醇，其爆炸性很强常用于制无烟火药，胶质发射药等，此工质需预先磨制成醇硝棉浆或乳水硝棉浆后，再行使用。

17号工质是硝粉浆：即硝化淀粉，不溶于水，有略小于硝酸纤维素的爆炸性。在使用前也需先制成醇硝粉浆或乳水硝粉浆，再行投入运用。

多元多相复合工质的各个成份之间的成份配伍，配伍通式 D=O+B₀+（A_n+B_n+C_n）。

D——先确定多元多相复合工质的配伍比例；

O——0号工质，即高压强空气作为基本储能工质，其压强P₀≥25MPa，并强力压入所选液态工质中；

B₀——液态寄主增能工质，用于与其他工质形成溶液、气溶体、乳液、浆料等，其它多元多相复合工质都依托在B₀工质中，并共同储存在一处，采用生物乙醇水溶液（含乙醇70％以上）、双氧水溶液（含H₂O₂为30％）、液氨水溶液（含NH₃为70％）、植物油、水等用作B₀组；

A_n——气态工质，即除空气以外的，凡可燃的气体燃气或不可燃烧但可使气体增压的增能工质，在工质配伍中掺加入1种或几种；

B_n——液态工质，B₀+B_n的总量，应能装满所述储能容器5容积的90％左右，可以加入一种或几种；

C_n——固态工质，可以加入一种或几种，制成乳状，浆状加入。

通式运用：①选择余地大，按照通式规则，只有0种空气工质必须保留以外，其余的17种工质都可以作出适当的选择。②实用条件：即工质配伍方案的确定，必须从当时当地的实有条件出发，不可脱离现实条件。③调节范围大：根椐需要，在设备系统不变时，只通过调节配伍成份或比例，就可以使发动功率进行大幅度的增减，甚至成倍数的增减。

用于发电时的工质配伍：

例1

采用0种工质：P₀≥25MPa的压缩空气。

B₀种工质，采用5号工质生物质乙醇，体积用量占储能容器5体积的63％。

B_n种工质：采用6号工质水，其用量占储能容器5体积的27％，其中（B₀+B_n）共占有储能容器5体积的90％，含水30％的乙醇可正常燃烧。

C_n种工质：采用11号工质硝酸铵（或用TNT代替），掺加量为B₀种工质质量的5%—10％（质量比），预先溶解在乙醇中。

即可得到：D=0种空气+5号生物乙醇+6号水+11号硝酸铵（或用TNT代替）。

例2

采用0种工质：为压缩空气，P₀=25MPa。

B₀种工质：为6号水（占储能容器5体积的20％）。

B_n种工质：为9号液氨（占储能容器5体积的60％）。

C_n种工质：为12号硝酸钙，可溶于水，掺加质量为B₀种工质质量的5%—10％。

即可得到：D=0种空气+6号水+9号液氨+12号硝酸钙。

用于机动车时的工质配伍：

例1

采用0种压缩空气，P₀≥100MPa。

B₀种工质：为8号工质双氧水（H₂O₂），占储能容器5体积的60％。

B_n种工质：为6号工质水，占储能容器5体积的40％。

C_n种工质：为16号工质硝酸纤维素，占水质量的10%—15％。

即得到：D=0种工质空气+8号工质双氧水+6号工质水+16号工质硝酸纤维素。

第三步：压气待用，对所述储能容器5进行压气，用于发电时，所述压气源系统1将压强P₀≥25MPa的压缩空气输进所述压气源系统1连接的所述储能容器5中；用于车辆驱动时，所述压气源系统1将压强P₀≥100MPa的压缩空气输进所述压气源系统1连接的所述储能容器5中。

第四步：开启所述电源17，提前12～40秒钟开启，使预热管10和电热塞9得到预热。

第五步：打开所述储能容器5与反应筒8之间的所述控制阀4将多元多相复合工质输入至所述反应筒8中进行反应，从而驱动所述发动机14和/或发电机16，进行能源输出。

Claims (10)

1.一种储能装置，包括压气源系统（1），其特征在于：还包括高压储能系统（2）和高压反应系统（3），所述高压储能系统（2）位于所述压气源系统（1）与所述高压反应系统（3）之间，所述高压储能系统（2）包括至少两个相连通的储能容器（5），所述储能容器（5）中储存多元多相复合工质。

2.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于：所述压气源系统（1）的输出气压值P_o≥25MPa。

3.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于：所述储能容器（5）之间通过管路连通，管路上设置有第一控制阀（4）。

4.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于：所述储能容器（5）与所述高压反应系统（3）管路连通，管路上设置有第三控制阀（19）。

5.根据权利要求1或4所述的储能装置，其特征在于：所述高压反应系统（3）包括预热管（10）、反应筒（8），所述预热管（10）设置在所述反应筒（8）内部。

6.根据权利要求5所述的储能装置，其特征在于：所述高压反应系统（3）还包括电热塞（9）和火花塞（12）， 所述电热塞（9）和火花塞（12）位于所述反应筒（8）内，所述电热塞（9）和火花塞（12）连接所述电源（17）。

7.根据权利要求6所述的储能装置，其特征在于：所述反应筒（8）的输出管路内设置有定压单向阀（13）。

8.根据权利要求1所述的储能装置，其特征在于：所述储能容器（5）安置在恒温储能井中，所述储能容器（5）上端设置有上密封件（6），下端设置有下密封件（7），中部设置多个加固套（18）。

9.根据权利要求8所述的储能装置，其特征在于：所述储能容器（5）上的进料口设置有第二控制阀（11）。

10.一种如权利要求1的储能装置的应用方法，其特征在于：

第一步：用压缩空气或液化空气作为0号工质，其压强不小于25MPa；

第二步：将0号工质、气态工质、液态工质和固态工质通过配伍通式D=O+B₀+（A_n+B_n+C_n）进行配伍，其中至少选择A_n、B_n和C_n中的任意两种，D——多元多相复合工质的配伍比例；O——0号工质；B₀——液态寄主增能工质；A_n——气态工质；B_n——液态工质；C_n——固态工质；

第三步：对所述储能容器（5）进行压气，所述压气源系统（1）将压强P₀≥25MPa的压缩空气输进所述压气源系统（1）连接的所述储能容器（5）中；

第四步：开启电源（17），预热时间为12秒-40秒；

第五步：进行能源输出。

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