CN113550802A - 一种压缩空气储能系统的储气装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气储能技术，具体为一种压缩空气储能系统的储气装置及方法。本发明装置包括电动机、空气压缩机、第一换热器、第二换热器、空气膨胀机、发电机、蓄热器、进气管道、排气管道、储气囊组和坑井；所述坑井内部充满压力溶液，底部固定设置储气囊组；所述储气囊组至少包括一个储气囊；所述储气囊通过进气管道依次与设在坑井外的第一换热器、空气压缩机和电动机连接，通过排气管道依次与设置在坑井外的第二换热器、空气膨胀机和发电机连接；所述第一换热器的放热侧和第二换热器的吸热侧通过蓄热器连通设置；所述储气囊与进气管道和排气管道的连接处分别设有进气密封阀和排气密封阀。本发明设计合理，结构简单，适用范围广，运行稳定可靠。

Description

一种压缩空气储能系统的储气装置及方法

技术领域

本发明涉及空气储能技术，具体为一种压缩空气储能系统的储气装置及方法。

背景技术

风能和太阳能等可再生能源发电技术存在间歇性和波动性的问题，随着风能和太阳能装机比例的提高和传统电力峰谷差值的增长，部分地区出现了“弃风”和“弃光”。解决这一问题的有效方法是采用电力储能系统，储能技术种类众多，但到目前为止，与电网匹配度较高，可实现大规模储能的储能技术主要是抽水蓄能电站技术和压缩空气储能电站。

抽水蓄能电站技术成熟、循环效率高、储能容量大、周期长。但是建造抽水蓄能电站要求有较大落差的水库和相应的水坝，受地质条件和需要大量水等条件的制约，适合建造抽水蓄能电站的地点越来越少，目前只有200多座抽水蓄能电站在运行。压缩空气储能系统可建造单机装机100MW以上的大型电站，仅次于抽水蓄能电站，具有储能周期长、单位储能投资小、寿命长的优点。传统的压缩空气储能系统利用岩石洞穴、废弃盐穴和废弃矿井等作为储气装置，对地理环境依赖性较大，且在发电过程中需要消耗天然气等化石能源。利用风能太阳能等可再生能源的发电技术结合压缩空气储能可以实现绿色清洁稳定的发电模式。

现有压缩空气储能主要是利用海底盐穴或是陆地的洞穴储气，该方案有较大的环境限制，储能密度偏低、压缩和透平设备长期偏离设计工况运行，难以广泛利用，急需一种新型储能储气方式。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种压缩空气储能系统的储气装置及方法，设计合理，结构简单，适用范围广，运行稳定可靠。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种压缩空气储能系统的储气装置，包括电动机、空气压缩机、第一换热器、第二换热器、空气膨胀机、发电机、蓄热器、进气管道、排气管道、储气囊组和坑井；

所述坑井内部充满压力溶液，底部固定设置储气囊组；

所述储气囊组至少包括一个储气囊；所述储气囊通过进气管道依次与设置在坑井外的第一换热器、空气压缩机和电动机连接，通过排气管道依次与设置在坑井外的第二换热器、空气膨胀机和发电机连接；

所述第一换热器的放热侧和第二换热器的吸热侧通过蓄热器连通设置。

进一步的，所述储气囊与进气管道和排气管道的连接处分别设置有进气密封阀和排气密封阀；当储气囊数量大于一个时，每个储气囊的进气口通过进气密封阀与进气管道连通，出气口通过排气密封阀与排气管道连通。

更进一步的，所述储气囊由气囊膜高频焊接形成密闭的储气空间，直径范围为15m-25m，气囊膜外部包裹有采用环形阵列布置的气囊加强筋，构成储气囊的外部骨架结构；所述气囊膜加强筋通过固定铰链固定在坑井底部。

再进一步的，所述气囊加强筋上布置应力传感器；所述气囊加强筋在储气囊未充气时，处于伸直状态，在储气囊充气后，处于弯曲的弓形状态。

再进一步的，所述气囊膜采用强度PVC涂层布或杂环芳香族聚酰胺纤维布料；所述气囊加强筋采用玻璃纤维或碳纤维增强的环氧树脂或PPS树脂制成；所述固定铰链均采用钛合金或双相不锈钢制成。

再进一步的，所述进气密封阀和排气密封阀分别穿过气囊膜设置在储气囊底部。

进一步的，所述坑井深度大于30米；所述压力溶液为密度大于3g/cm³的液体。

进一步的，所述进气管道和出气管道均采用钛合金或双相不锈钢材料制成。

一种压缩空气储能系统的储气方法，包括如下步骤：

步骤一，当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，机组将超出电网要求的功率通过电动机带动空气压缩机对气体做工，将常温常压空气压缩后得到高温高压气体送入进气管道；

步骤二，高温高压气体通过进气管道在第一换热器内与蓄热器中的换热介质发生热交换，将热量传递给低温蓄热介质后变为低温高压气体并进入坑井中储气囊组的储气囊内；

步骤三，储气囊在低温高压空气的作用下膨胀变大，当储气量增加到最大值，关闭空气压缩机；

步骤四，当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，打开空气膨胀机，低温高压气体进入排气管道，在第二换热器内与蓄热器中的高温蓄热介质进行热交换，变为高温高压气体；

步骤五，高温高压气体经由排气管道进入空气膨胀机空气透平做功，最终带动发电机发电。

进一步的，当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，开启进气密封阀，排气密封阀关闭，低温高压气体进入储气囊内，当气囊加强筋上的应力传感器达到弯曲应力最大值时，储气量增加到最大值，关闭进气密封阀；当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，开启排气密封阀，进气密封阀关闭，储气囊内的低温高压气体排出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明装置通过在充满压力溶液的井坑内设置储气囊进行储气，利用超出电网要求的功率带动压缩机将常温常压空气压缩成高温高压空气，并经过蓄热器内的蓄热介质将高温高压气体的热量交换给蓄热介质储存，将形成的低温高压气体通过进气管道送入储气囊内，再在需要时将储气囊内的低温高压气体通过蓄热器内的高温蓄热介质使低温高压气体变为高温高压气体并通过排气管道送出储气囊进行做功，填补功率缺口，从而能有效利用坑井内恒定高压环境使得所储空气保持恒定压力和释放能量时保持恒定功率，解决了制约压缩空气储能的储气地形问题，又可以提高压缩空气储能系统的输出稳定性；同时，本发明储气装置中的储气压力可根据坑井中的压力溶液的液位不同而改变，满足0.8MPa至10MPa的变化需求，当释放气体做功时，储气装置中的气体压力保持恒定，提高了空气储能的能量密度与稳定性，相比于刚性容器，成本低廉，可靠性高，不受陆上空间限制，寿命长灵活性高。

进一步，本发明装置通过设置进气密封阀和排气密封阀来控制储气囊内的气体量，操作方便，高效快捷；同时，在储气囊数量大于一个时，将每个储气囊并联，且储气囊的进气口和出气口分别与进气管道和排气管道连通，能有效确保储气和排气过程流畅高效，整体性较强。

进一步，本发明装置采用的储气囊直径范围为15m-25m，可以针对不同储气量，采用上述的小储气囊多个布置的方式，灵活方便，安全可靠；同时采用环形阵列布置的加强筋构成储气囊外部骨架结构，以增加储气囊的抗压能力和拉力，并设置固定铰链将储气囊固定在坑井底部，有效提高储气囊的稳定可靠性。

进一步，本发明装置通过设置应力传感器来测量储气囊多点应力，从而气囊加强筋的状态随之变化，方便简单，安全可靠。

进一步，本发明装置将气囊加强筋采用玻璃纤维或碳纤维增强的环氧树脂或PPS树脂制成，该种材质比重小，比强度高，耐腐蚀性强，在酸、碱、有机溶剂及海水中均很稳定。

进一步，本发明装置中坑井内的压力溶液采用密度大于3g/cm³的大密度液体，使用大密度且物化性质稳定的压力溶液减少坑井深度，安全可靠。

进一步，本发明装置通过将进气管道、出气管道和固定铰链均采用钛合金或双相不锈钢材质制成，有效提高材料的耐腐蚀能力。

附图说明

图1为本发明实施例中所述装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中所述储气囊的结构示意图。

图3为图2中局部B的放大结构示意图。

图中：电动机1，空气压缩机2，第一换热器3，第二换热器4，空气膨胀机5，发电机6，蓄热器7，进气管道8，排气管道9，坑井10，储气囊11，压力溶液12，气囊膜13，固定铰链14，气囊加强筋15，进气密封阀16，排气密封阀17。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种压缩空气储能系统的储气装置，如图1、图2和图3所示，包括电动机1、空气压缩机2、第一换热器3、第二换热器4、空气膨胀机5、发电机6、蓄热器7、进气管道8、排气管道9、坑井10、储气囊组、压力溶液12、气囊膜13、固定铰链14、气囊加强筋15、进气密封阀16和排气密封阀17；

如图1和图3所示，所述储气囊组设置在坑井10底部，其包括至少一个储气囊11，当储气囊11数大于一个时，各个储气囊11之间彼此进气主管道并联；所述储气囊11直径15m-25m，其中最为经济的储气囊直径为20m，针对不同储气量，采用小储气囊11多个布置的方式；所述空气压缩机2与电动机1同轴相连，空气压缩机2出气口与第一换热器3气路入口相连，第一换热器3气路出口通过进气管道8连接进气密封阀16；所述排气管道9连接排气密封阀17并与第二换热器4相连，第二换热器4气路出口连接空气膨胀机5，空气膨胀机5气体出口连接发电机6；所述第一换热器3和第二换热器4之间设置蓄热器7；如图3所示，进气密封阀16、排气密封阀17与储气囊11底部相连，储气囊11底部与固定铰链14相连，固定铰链14另一端连接在坑井10的底部；

如图2所示，所述储气囊11由环形阵列的气囊加强筋15构成主结构以增加抗压能力和拉力，气囊膜13包裹在储气囊11的外侧；所述气囊膜13采用高强度PVC涂层布或杂环芳香族聚酰胺纤维布料；

优选的，所述坑井10深度大于30米，坑井10内充满压力溶液12；所述压力溶液12包括但不限于水淀粉浆液、多氟烷基磺酰亚胺离子液体等密度大于3g/cm³的大密度液体。

优选的，所述气囊加强筋15采用玻璃纤维或碳纤维增强的环氧树脂或PPS树脂，在未充气时，处于伸直状态，充气后，处于弯曲的弓形状态；气囊加强筋15上布置弯曲应力传感器。

优选的，所述进气管道8，出气管道9，固定铰链14均采用钛合金或双相不锈钢材质，提高材料的耐腐蚀能力。

优选的，所述蓄热器7设置在两个换热器之间的方式，即将蓄热器7连接在第一换热器3的放热侧和第二换热器4的吸热侧，能有效实现及时换热，从而确保压缩空气收集和排出的安全性，提高发电质量。

本发明装置采用电动机1、空气压缩机2、第一换热器3、进气管道8和进气密封阀16将压缩空气输入储气囊11，同时采用发电机6、空气膨胀机5、第二换热器4、排气管道9和排气密封阀17将压缩空气输出储气囊11，结构简单，整体性强。

在实际应用过程中，本发明装置的工作原理及步骤如下所述，

首先，当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，控制系统打开进气密封阀16，机组将超出电网要求的功率带动空气压缩机2对气体做工，将常温常压空气压缩得到高温高压气体进入进气管道8；高温高压气体通过进气管道8，开启蓄热器7内的液体泵，蓄热介质通过蓄热介质管道并经过第一换热器3的吸热侧流入第一换热器3内，与高温高压空气发生热交换，高温蓄热介质再回到蓄热器7内部储存，高温高压气体的热量传递给蓄热介质后变为低温高压气体；此时进气密封阀16处于开启状态，低温高压气体通过开启的进气密封阀16进入坑井10中储气囊组的储气囊11内；

其次，储气囊11在低温高压气体的作用下膨胀变大，当气囊加强筋15上的应力传感器达到弯曲应力最大值时，储气量增加到最大值，关闭进气密封阀16和空气压缩机2；

最后，当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，打开排气密封阀17和空气膨胀机5，储气囊11内储存的低温高压气体进入排气管道9，蓄热器7内部的液体泵开启，使储存在蓄热器7内的高温蓄热介质通过蓄热介质管道并经过第二换热器4的放热侧流入第二换热器4内，在第二换热器4内与低温高压气体进行热交换，低温高压气体吸收热量后变为高温高压气体，经由排气管道9进入空气膨胀机5做功，带动发电机6发电；当气囊加强筋15上的应力传感器达到弯曲应力降到最低时，关闭排气密封阀17和空气膨胀机5。

基于上述任意一种装置，本发明还提供一种重力压缩空气储能的储气方法，包括如下步骤：

步骤一，当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，机组将超出电网要求的功率通过电动机1带动空气压缩机2对气体做工，将常温常压空气压缩后得到高温高压气体送入进气管道8；

步骤二，高温高压气体通过进气管道8在第一换热器3内与蓄热器7中的换热介质发生热交换，将热量传递给低温蓄热介质后变为低温高压气体并进入坑井10中储气囊组的储气囊11内；

步骤三，储气囊11在低温高压空气的作用下膨胀变大，当储气量增加到最大值，关闭空气压缩机2；

步骤四，当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，打开空气膨胀机5，低温高压气体进入排气管道9，在第二换热器4内与蓄热器7中的高温蓄热介质进行热交换，变为高温高压气体；

步骤五，高温高压气体经由排气管道9进入空气膨胀机5空气透平做功，最终带动发电机6发电。

其中，

当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，开启进气密封阀16，排气密封阀17关闭，低温高压气体进入储气囊11内，当气囊加强筋15上的应力传感器达到弯曲应力最大值时，储气量增加到最大值，关闭进气密封阀16；

当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，开启排气密封阀17，进气密封阀16关闭，储气囊11内的低温高压气体排出。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，包括电动机(1)、空气压缩机(2)、第一换热器(3)、第二换热器(4)、空气膨胀机(5)、发电机(6)、蓄热器(7)、进气管道(8)、排气管道(9)、储气囊组和坑井(10)；

所述坑井(10)内部充满压力溶液(12)，底部固定设置储气囊组；

所述储气囊组至少包括一个储气囊(11)；所述储气囊(11)通过进气管道(8)依次与设置在坑井(10)外的第一换热器(3)、空气压缩机(2)和电动机(1)连接，通过排气管道(9)依次与设置在坑井(10)外的第二换热器(4)、空气膨胀机(5)和发电机(6)连接；

所述第一换热器(3)的放热侧和第二换热器(4)的吸热侧通过蓄热器(7)连通设置。

2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述储气囊(11)与进气管道(8)和排气管道(9)的连接处分别设置有进气密封阀(16)和排气密封阀(17)；当储气囊(11)数量大于一个时，每个储气囊(11)的进气口通过进气密封阀(16)与进气管道(8)连通，出气口通过排气密封阀(17)与排气管道(9)连通。

3.根据权利要求2所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述储气囊(11)由气囊膜(17)高频焊接形成密闭的储气空间，直径范围为15m-25m，气囊膜(13)外部包裹有采用环形阵列布置的气囊加强筋(15)，构成储气囊(11)的外部骨架结构；所述气囊膜加强筋(15)通过固定铰链(14)固定在坑井(10)底部。

4.根据权利要求3所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述气囊加强筋(15)上布置应力传感器；所述气囊加强筋(15)在储气囊(11)未充气时，处于伸直状态，在储气囊(11)充气后，处于弯曲的弓形状态。

5.根据权利要求3或所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述气囊膜(13)采用强度PVC涂层布或杂环芳香族聚酰胺纤维布料；所述气囊加强筋(15)采用玻璃纤维或碳纤维增强的环氧树脂或PPS树脂制成；所述固定铰链(14)均采用钛合金或双相不锈钢制成。

6.根据权利要求3所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述进气密封阀(16)和排气密封阀(17)分别穿过气囊膜(13)设置在储气囊(11)底部。

7.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述坑井(10)深度大于30米；所述压力溶液(12)为密度大于3g/cm³的液体。

8.根据权利要求1所述的一种压缩空气储能系统的储气装置，其特征在于，所述进气管道(8)和出气管道(9)均采用钛合金或双相不锈钢材料制成。

9.一种压缩空气储能系统的储气方法，其特征在于，基于上述权利要求1-8任意一种所述装置，包括如下步骤：

步骤一，当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，机组将超出电网要求的功率通过电动机(1)带动空气压缩机(2)对气体做工，将常温常压空气压缩后得到高温高压气体送入进气管道(8)；

步骤二，高温高压气体通过进气管道(8)在第一换热器(3)内与蓄热器(7)中的换热介质发生热交换，将热量传递给低温蓄热介质后变为低温高压气体并进入坑井(10)中储气囊组的储气囊(11)内；

步骤三，储气囊(11)在低温高压空气的作用下膨胀变大，当储气量增加到最大值，关闭空气压缩机(2)；

步骤四，当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，打开空气膨胀机(5)，低温高压气体进入排气管道(9)，在第二换热器(4)内与蓄热器(7)中的高温蓄热介质进行热交换，变为高温高压气体；

步骤五，高温高压气体经由排气管道(9)进入空气膨胀机(5)空气透平做功，最终带动发电机(6)发电。

10.根据权利要求9所述的一种压缩空气储能系统的储气方法，其特征在于，

当系统所配套的风力发电或太阳能发电机组输出功率超过电网调度需求时，开启进气密封阀(16)，排气密封阀(17)关闭，低温高压气体进入储气囊(11)内，当气囊加强筋(15)上的应力传感器达到弯曲应力最大值时，储气量增加到最大值，关闭进气密封阀(16)；

当系统配套的发电机组功率低于电网需求值时，开启排气密封阀(17)，进气密封阀(16)关闭，储气囊(11)内的低温高压气体排出。

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