CN114439564A - 一种光热增强的压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气储能技术领域，具体涉及一种光热增强的压缩空气储能系统及方法。所述光热增强的压缩空气储能系统包括：空气压缩支路、空气膨胀支路、压缩热支路、光热支路以及回热支路，所述光热支路包括依次串联的中温循环泵和光热集热装置，所述中温循环泵的输入端与所述高温蓄热装置连通，所述光热集热装置的输出端与所述高温蓄热装置连通；所述回热支路包括依次串联的高温循环泵和回热换热器的高温侧流道，所述高温循环泵的输入端与所述高温蓄热装置连通，所述回热换热器的高温侧流道的输出端与所述低温蓄热装置连通。本发明提供的光热增强的压缩空气储能系统及方法，能够降低压缩过程中的功耗，并增加了可再生能源的消纳途径和消耗能力。

Description

一种光热增强的压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明涉及空气储能技术领域，具体涉及一种光热增强的压缩空气储能系统及方法。
背景技术
储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。压缩空气储能系统是一种新型大规模储能技术，工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，消耗电能驱动空气压缩机，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰时，储气装置将存储的压缩空气释放出来，在透平膨胀机中膨胀做功并带动发电机发电；根据上述原理，压缩空气储能系统能够完成电能—空气势能—电能的转化。
传统的压缩空气储能系统在释能发电时，需要首先将空气和天然气混合燃烧，利用生成的高温烟气进行膨胀做功，因而存在天然气依赖性及二次碳排放问题。绝热压缩空气储能对传统压缩空气储能系统进行了优化改进，通过采用大压比准绝热压缩过程，在压缩过程中将空气压缩至高温后存储高温(高品位)压缩热能，并将其用于加热膨胀机进气，从而替代天然气的燃烧加热，消除了天然气依赖性和二次碳排放；然而，大压比准绝热压缩将导致压缩过程功耗增大，限制了系统效率的提升。
储能的另一用途是平滑风、光等可再生能源出力的波动性，从而促进可再生能源消纳。然而，常规压缩空气储能系统均采用单一的电输入工作模式，一定程度上限制的可再生能源的消纳途径。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中压缩过程中功耗较大、可再生能源的消纳途径受限的缺陷，从而提供一种光热增强的压缩空气储能系统及方法。
本发明提供的光热增强的压缩空气储能系统，包括：
空气压缩支路，包括依次串联的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧流道以及储气装置；
空气膨胀支路，包括依次串联的储气装置、回热换热器的低温侧流道以及空气膨胀机；
压缩热支路，包括依次串联的低温蓄热装置、低温循环泵、蓄热换热器的低温侧流道以及高温蓄热装置；
光热支路，包括依次串联的中温循环泵和光热集热装置，所述中温循环泵的输入端与所述高温蓄热装置连通，所述光热集热装置的输出端与所述高温蓄热装置连通；
回热支路，包括依次串联的高温循环泵和回热换热器的高温侧流道，所述高温循环泵的输入端与所述高温蓄热装置连通，所述回热换热器的高温侧流道的输出端与所述低温蓄热装置连通。
可选的，所述蓄热换热器的高温侧流道与所述储气装置之间还串联有气液分离器。
可选的，所述压缩热支路、光热支路以及回热支路内充装有同种热载体。
可选的，所述空气压缩支路包括由所述空气压缩机和蓄热换热器的高温侧流道形成的压缩组合，压缩组合的数量为两个或多个，且不同压缩组合之间相互串联或并联。
可选的，所述空气膨胀支路包括由回热换热器的低温侧流道和空气膨胀机形成的膨胀组合，膨胀组合的数量为两个或多个，且不同膨胀组合之间相互串联或并联。
可选的，还包括：
空气调节支路，包括依次串联的高温蓄热装置、辅助循环泵、储气装置、压力调节装置以及低温蓄热装置。
可选的，所述回热换热器的低温侧流道和所述蓄热换热器的高温侧流道皆连通在所述储气装置的中部，所述辅助循环泵连通在所述储气装置的顶部，所述压力调节装置连通在储气装置的底部。
可选的，所述储气装置内设有喷淋机构，所述辅助循环泵适于将所述高温蓄热装置内的热载体输送至所述喷淋机构内，所述储气装置的底部与所述压力调节装置连通。
本发明提供的光热增强的压缩空气储能方法，具体如下：
空气压缩过程中，空气压缩机产生的热压缩空气进入蓄热换热器的高温侧流道与同时由低温蓄热装置进入的低温热载体换热；冷却后的压缩空气进入储气装置存储，升温后的热载体进入高温蓄热装置存储；
具备日照条件时，所述高温蓄热装置中的热载体进入光热集热器中进一步加热后再次返回所述高温蓄热装置，并多次循环加热；
空气膨胀过程中，所述高温蓄热装置中的热载体进入回热换热器的高温侧流道中，加热来自所述储气装置的压缩空气；压缩空气升温后进入所述空气膨胀机中膨胀做功，热载体放热降温后进入所述低温蓄热装置中存储。
可选的，在空气从储气装置进入空气膨胀机内膨胀做功的同时，将高温蓄热装置内的热载体泵送至储气装置内，通过所述热载体携带热量使得储气装置内的温度升高，并且通过控制进入储气装置内热载体的流量维持所述储气装置内的气压恒定；热载体在所述储气装置内放热后，通过压力调节装置调节压力后进入低温蓄热装置内存储。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的光热增强的压缩空气储能系统及方法，设有光热支路，光热支路包括依次串联的中温循环泵和光热集热装置，所述中温循环泵的输入端与所述高温蓄热装置连通，所述光热集热装置的输出端与所述高温蓄热装置连通。高温蓄热装置内的热载体能够利用太阳能光热进一步提升蓄热温度，从而显著提升空气膨胀机的进气温度，提升空气膨胀机的做功能力；同时，由于采用了高温光热进一步提升膨胀进气温度，可允许压缩过程采用较小压比的准绝热压缩过程，从而降低压缩机功耗，提升系统效率；此外，通过耦合太阳能光热，该系统还可直接输入太阳能光热进行存储，拓宽了传统单一的电输入模式，增加了可再生能源的消纳途径和消耗能力。
2.本发明提供的光热增强的压缩空气储能系统及方法，设有空气调节支路，空气调节支路可将高温蓄热器内的热载体泵送至储气装置内，利用热载体所携带的热量实现储气装置内温度的升高。根据气态状态方程，当体积不变时，为抵消质量下降而引起的压力下降，可通过提升气体温度实现。因此，根据热载体的温度通过合理控制进入储气装置内热载体的流量，从而能够保证储气装置内压力的恒定，从而保证放气过程中压力恒定，进而使空气膨胀机入口压力恒定，提升运行性能和系统效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中压缩空气储能系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中带有空气调节支路的压缩空气储能系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、空气压缩机；2、蓄热换热器；3、气液分离器；4、储气装置；5、回热换热器；6、空气膨胀机；7、低温蓄热装置；8、低温循环泵；9、高温蓄热装置；10、中温循环泵；11、光热集热装置；12、高温循环泵；13、辅助循环泵；14、压力调节装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
结合图1所示，本实施例提供的光热增强的压缩空气储能系统法，包括：空气压缩支路，包括依次串联的空气压缩机1、蓄热换热器2的高温侧流道以及储气装置4；空气膨胀支路，包括依次串联的储气装置4、回热换热器5的低温侧流道以及空气膨胀机6；压缩热支路，包括依次串联的低温蓄热装置7、低温循环泵8、蓄热换热器2的低温侧流道以及高温蓄热装置9；光热支路，包括依次串联的中温循环泵10和光热集热装置11，中温循环泵10的输入端与高温蓄热装置9连通，光热集热装置11的输出端与高温蓄热装置9连通；回热支路，包括依次串联的高温循环泵12和回热换热器5的高温侧流道，高温循环泵12的输入端与高温蓄热装置9连通，回热换热器5的高温侧流道的输出端与低温蓄热装置7连通。其中，蓄热换热器2和回热换热器5皆由高温侧流道和低温侧流道组成。
本实施例中，空气压缩机1由电动机驱动；其他实施例中，空气压缩机1也可由气动机、液动机等其他机构驱动。
本实施例中，压缩热支路、光热支路以及回热支路内充装有同种热载体，因为压缩热支路和光热支路中的热载体要在高温蓄热装置9内混合，如果填充不同种热载体，经过几次循环后也会混合均匀，相当于同种热载体。具体的，热载体可以是液态工质，也可以是可流动性颗粒蓄热工质。
本实施例中，光热集热装置11采用槽式加热器；其他实施例中，光热集热器还可以采用塔式、菲涅尔式或碟式等其他形式的光热集热器。
下面对本实施例的压缩空气储能系统的储能过程进行详细阐述。
储能包括空气压缩储能和光热集热储能两个过程，为热电联储模式。空气压缩储能和光热集热储能两个过程可同时或分时进行。
空气压缩储能过程中，空气压缩机1在电动机的驱动下运转，吸入环境空气并将其压缩成为高温高压的压缩空气；该高温高压的压缩空气随后进入蓄热换热器2的高温侧流道中，同时低温蓄热装置7中的低温热载体在低温循环泵8的驱动下进入蓄热换热器2的低温侧流道与其换热，压缩空气降温后继续向下游流动，随后进入储气装置4中存储备用；热载体吸热升温后进入高温蓄热装置9中存储备用。
光热集热储能过程中，高温蓄热装置9中的热载体在中温循环泵10的驱动下进入光热集热装置11中，被加热升温后返回高温蓄热装置9中，如此循环加热。
下面对本实施例的压缩空气储能系统的释能过程进行详细阐述。
释能过程主要为空气膨胀发电过程。
空气膨胀发电过程中，储气装置4释放存储的压缩空气，首先进入回热换热器5的低温侧流道，同时高温蓄热装置9中的高温热载体在高温循环泵12的驱动下进入回热换热器5的高温侧流道与其换热，压缩空气吸热升温后继续向下游流动，降温后的热载体则进入低温蓄热装置7中存储备用；升温后的压缩空气进入空气膨胀机6中膨胀做功，进一步驱动发电机或其他机构对外输出能量。
此外，本实施例的压缩空气储能系统还可以利用高温蓄热装置9盈余的热能直接对外提供不同温度的热量供应，实现系统的热电联供。
作为一种改进实施例：蓄热换热器2的高温侧流道与储气装置4之间还串联有气液分离器3。因为压缩空气降温后可能析出液体，低温压缩空气可通过气液分离器3除水后再进入储气装置4中存储备用。
作为一种改进实施例：空气压缩支路包括由空气压缩机1和蓄热换热器2的高温侧流道形成的压缩组合，压缩组合的数量为两个或多个，且不同压缩组合之间相互串联或并联，可进一步提高空气膨胀机6的做功能力。
作为一种改进实施例：空气膨胀支路包括由回热换热器5的低温侧流道和空气膨胀机6形成的膨胀组合，膨胀组合的数量为两个或多个，且不同膨胀组合之间相互串联或并联。
结合图2所示，作为一种改进实施例:压缩空气储能系统还包括：
空气调节支路，包括依次串联的高温蓄热装置9、辅助循环泵13、储气装置4、压力调节装置14以及低温蓄热装置7。
本改进实施例中，将回热换热器5的低温侧流道和蓄热换热器2的高温侧流道皆连通在储气装置4的中部，将辅助循环泵13连通在储气装置4的顶部，将压力调节装置14连通在储气装置4的底部。辅助循环泵13泵送至储气装置4内的热载体从储气装置4的顶部散落，利于与储气装置4内部的空气充分混合，便于提升空气的温度；并且，放热后的热载体在重力的作用下从储气装置4的底部进入气压调节装置；另外，放热后的热载体集中在储气装置4的底部，而气体出入口设置在储气装置4的中部，避免了热载体跟随压缩空气进入空气膨胀机6。其他实施例中，也可将辅助循环泵13连通在储气装置4的底部，同样也可将压力调节装置14连通在储气装置4的中部或顶部，通过泵将热载体抽至压力调节装置14。
下面对本改进实施例的空气增压过程进行详述：空气增压过程伴随空气膨胀过程同步进行。空气膨胀过程开始后，随着储气装置4内气量的减少，内部压缩空气呈现压力降低的趋势，此时辅助循环泵13驱动高温蓄热器内的高温热载体进入储气装置4中加热存储的压缩空气。根据理想气体状态方程，在储气体积不变时，可通过提升储气温度抵消放气引起的储气压力下降，因此，通过合理调节控制辅助循环泵13泵送的高温热载体的流量，可实现储气装置4内气压的稳定控制。高温热载体在储气装置4内放热后，在储气装置4内部压力的作用下进入压力调节装置14，压力调节装置14调节热载体的压力，使该压力与低温蓄热器内的压力相当，然后将热载体输送至低温蓄热器内。
本改进实施例的压缩空气储能系统，设有空气调节支路，空气调节支路可将高温蓄热器内的热载体泵送至储气装置4内，利用热载体所携带的热量实现储气装置4内温度的升高。根据气态状态方程，当体积不变时，为抵消质量下降而引起的压力下降，可通过提升气体温度实现。因此，根据热载体的温度通过合理控制进入储气装置4内热载体的流量，从而能够保证储气装置4内压力的恒定，从而保证放气过程中压力恒定，进而使空气膨胀机6入口压力恒定，提升运行性能和系统效率。
进一步的，储气装置4内设有喷淋机构，辅助循环泵13适于将高温蓄热装置9内的热载体输送至喷淋机构内，储气装置4的底部与压力调节装置14连通。喷淋机构可以使得热载体雾化，表面积增大，从而使热载体与压缩空气充分接触换热，进一步提升换热效率、减小热量损失。其他实施例中，也可在储气装置4内设置间壁式换热器等，以实现热载体与压缩空气的充分换热。
实施例二
本发明实施例提供一种光热增强的压缩空气储能方法，具体如下：
空气压缩过程中，空气压缩机1产生的热压缩空气进入蓄热换热器2的高温侧流道与同时由低温蓄热装置7进入的低温热载体换热；冷却后的压缩空气进入储气装置4存储，升温后的热载体进入高温蓄热装置9存储；
具备日照条件时，高温蓄热装置9中的热载体进入光热集热器中进一步加热后再次返回高温蓄热装置9，并多次循环加热；
空气膨胀过程中，高温蓄热装置9中的热载体进入回热换热器5的高温侧流道中，加热来自储气装置4的压缩空气；压缩空气升温后进入空气膨胀机6中膨胀做功，热载体放热降温后进入低温蓄热装置7中存储。
在上述实施例的基础上，本方法还包括以下步骤：
在空气从储气装置4进入空气膨胀机6内膨胀做功的同时，将高温蓄热装置9内的热载体泵送至储气装置4内，通过热载体携带热量使得储气装置4内的温度升高，并且通过控制进入储气装置4内热载体的流量维持储气装置4内的气压恒定；热载体在储气装置4内放热后，通过压力调节装置14调节压力后进入低温蓄热装置7内存储。细节的，具体如何通过热载体的流量以维持储气装置4的气压恒定，是本领域人员容易设计或经过多次实验能够得出的。保证储气装置4内压力的恒定，从而能够保证放气过程中压力恒定，进而使空气膨胀机6入口压力恒定，提升运行性能和系统效率。
本发明提供的光热增强的压缩空气储能系统及方法，高温蓄热装置9内的热载体能够利用太阳能光热进一步提升蓄热温度，从而显著提升空气膨胀机6的进气温度，提升空气膨胀机6的做功能力；同时，由于采用了高温光热进一步提升膨胀进气温度，可允许压缩过程采用较小压比的准绝热压缩过程，从而降低压缩机功耗，提升系统效率；此外，通过耦合太阳能光热，该系统还可直接输入太阳能光热进行存储，拓宽了传统单一的电输入模式，增加了可再生能源的消纳途径和消耗能力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，包括：
空气压缩支路，包括依次串联的空气压缩机(1)、蓄热换热器(2)的高温侧流道以及储气装置(4)；
空气膨胀支路，包括依次串联的储气装置(4)、回热换热器(5)的低温侧流道以及空气膨胀机(6)；
压缩热支路，包括依次串联的低温蓄热装置(7)、低温循环泵(8)、蓄热换热器(2)的低温侧流道以及高温蓄热装置(9)；
光热支路，包括依次串联的中温循环泵(10)和光热集热装置(11)，所述中温循环泵(10)的输入端与所述高温蓄热装置(9)连通，所述光热集热装置(11)的输出端与所述高温蓄热装置(9)连通；
回热支路，包括依次串联的高温循环泵(12)和回热换热器(5)的高温侧流道，所述高温循环泵(12)的输入端与所述高温蓄热装置(9)连通，所述回热换热器(5)的高温侧流道的输出端与所述低温蓄热装置(7)连通。
2.根据权利要求1所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热换热器(2)的高温侧流道与所述储气装置(4)之间还串联有气液分离器(3)。
3.根据权利要求1所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩热支路、光热支路以及回热支路内充装有同种热载体。
4.根据权利要求1所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩支路包括由所述空气压缩机(1)和蓄热换热器(2)的高温侧流道形成的压缩组合，压缩组合的数量为两个或多个，且不同压缩组合之间相互串联或并联。
5.根据权利要求4所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀支路包括由回热换热器(5)的低温侧流道和空气膨胀机(6)形成的膨胀组合，膨胀组合的数量为两个或多个，且不同膨胀组合之间相互串联或并联。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：
空气调节支路，包括依次串联的高温蓄热装置(9)、辅助循环泵(13)、储气装置(4)、压力调节装置(14)以及低温蓄热装置(7)。
7.根据权利要求6所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，所述回热换热器(5)的低温侧流道和所述蓄热换热器(2)的高温侧流道皆连通在所述储气装置(4)的中部，所述辅助循环泵(13)连通在所述储气装置(4)的顶部，所述压力调节装置(14)连通在储气装置(4)的底部。
8.根据权利要求7所述的光热增强的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气装置(4)内设有喷淋机构，所述辅助循环泵(13)适于将所述高温蓄热装置(9)内的热载体输送至所述喷淋机构内，所述储气装置(4)的底部与所述压力调节装置(14)连通。
9.一种光热增强的压缩空气储能方法，其特征在于：
空气压缩过程中，空气压缩机(1)产生的热压缩空气进入蓄热换热器(2)的高温侧流道与同时由低温蓄热装置(7)进入的低温热载体换热；冷却后的压缩空气进入储气装置(4)存储，升温后的热载体进入高温蓄热装置(9)存储；
具备日照条件时，所述高温蓄热装置(9)中的热载体进入光热集热器中进一步加热后再次返回所述高温蓄热装置(9)，并多次循环加热；
空气膨胀过程中，所述高温蓄热装置(9)中的热载体进入回热换热器(5)的高温侧流道中，加热来自所述储气装置(4)的压缩空气；压缩空气升温后进入所述空气膨胀机(6)中膨胀做功，热载体放热降温后进入所述低温蓄热装置(7)中存储。
10.根据权利要求9所述的光热增强的压缩空气储能方法，其特征在于：
在空气从储气装置(4)进入空气膨胀机(6)内膨胀做功的同时，将高温蓄热装置(9)内的热载体泵送至储气装置(4)内，通过所述热载体携带热量使得储气装置(4)内的温度升高，并且通过控制进入储气装置(4)内热载体的流量维持所述储气装置(4)内的气压恒定；热载体在所述储气装置(4)内放热后，通过压力调节装置(14)调节压力后进入低温蓄热装置(7)内存储。
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