CN114458572A - 一种重力与压缩空气相结合的储能系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种重力与压缩空气相结合的储能系统及其工作方法，属于能量存储技术领域。该系统包括塔吊、重块、空气压缩单元、蓄冷换热器、储气室、空气膨胀单元和发电机。塔吊将重块抬升消耗电能，重块在空气压缩单元自由下落压缩空气；经空气压缩单元后的高压热空气通过蓄冷换热器后变为高压冷空气，再通过储能管路进入储气室，储能管路上的加热体会根据温度传感器测试温度来决定是否加热，以保证储能管路和进气阀不会被冻住；储气室出口通过释能管路与空气膨胀单元进口连接，空气膨胀单元出口与发电机连接，在高温高压的空气冲击下使得发电机发电。其中重块与空气压缩单元之间设有密封装置，且重块下方设有内含缓冲装置的盲孔。本发明将压缩空气储能和重力势能储能相结合，兼具压缩空气储能能量密度高和重力储能布置灵活且效率高的优点，实现优势互补，能够保证电网更加安全、稳定、可靠、环保，起到削峰填谷的作用。

Description

一种重力与压缩空气相结合的储能系统及其工作方法

技术领域

本发明属于能量存储技术领域，尤其涉及一种重力与压缩空气相结合的储能系统及其工作方法。

背景技术

近年来，随着我国可再生能源的大力发展，其发电间歇性、波动性等特点所带来的不良影响逐渐凸显，部分电源构成和负荷水平不均衡的地区出现较高的弃风和弃光率，造成大量的电能浪费，也给电网的稳定运行带来重大挑战。为了保证电力供需之间的稳定性、安全性和经济性，亟需储能技术的大力发展，储能技术是提高电力系统调节能力、提升清洁能源消纳和存储能力的重要举措，是构建以新能源为主体的新型电力系统的重要支撑，对促进清洁低碳、安全高效的能源体系建设意义重大。

目前我国储能技术取得了重大进展，特别是新型储能基本实现了由研发示范向商业化初期过渡。根据储能对象的能量形式将储能技术分为物理储能、电化学储能和储热储氢三类，其中物理储能包括抽水储能、压缩空气、飞轮、重力势能、超级电容器、超导磁储能等；电化学储能有锂离子电池、钠硫电池、液流电池等。

电网削峰填谷和可再生能源接入需要长时间的储能，而满足长时间存储条件的储能技术主要有抽水蓄能、重力储能和压缩空气储能。其中，抽水储能的工作原理是利用高度落差的特点将水从低处转移到高处，将电能转化为势能保存起来；在需要发电时，高处的水由于重力效应通过导流槽流至水轮发电机发电。其优点是电能转换灵活，启动时间小；缺点是不容易选择其电站的位置，且对周边生态环境的影响较大，投资也大。重力储能的运行原理与抽水储能类似，只是将流动的水变为固态重块实现储能，它的优点在于：可实现大规模储能、储能效率高(80％-90％)、响应时间短、运行时间长(30-50年)、建造成本低、布置灵活；但是它的缺点有：能量密度低(0.2-0.4Wh/kg)、单位模块功率小。压缩空气储能的原理主要是在用电低谷时通过压缩机将空气压缩并储存在储气罐中，把电能转化为空气的势能；在用电高峰时，把气罐中的空气释放驱动透平机发电。它的主要优点在于：装机容量大、建设和运行成本低、储能周期不受限制、能量密度高；缺点在于技术效率稍低。

结合国内外现有的研究、示范以及商业化成果，压缩空气储能技术所用的核心部件—压缩机，具有高压比、大流量、宽工况工作和极间冷却等较为苛刻的要求，使得压缩机的设计制造困难，效率较低且造价也高。而重力势能储能技术由于抬起的重物较重，在抬升过程中可能会由于风电场风速下降而产生的电量不足，导致无法将其继续抬升，则必须一个控制装置避免其回落，这就对发电的可控性提出更高的要求，同时采用重块的能量密度远小于压缩空气的能量密度。

如今，随着国家“西电东送”战略的发展，如何克服现有长时间储能技术中对地域、空间和气候条件的限制，同时能够解决西部地区能源消纳问题，避免新能源发电的功率峰值与负荷峰值在时间上重合度较低的问题，最终实现新能源发电可靠并网已经成为亟需解决的问题。

发明内容

在为了克服上述现有技术中存在的一系列缺陷，本发明的目的在于提供一种重力与压缩空气相结合的储能系统及其工作方法，该系统将压缩空气储能和重力储能优势互补，保证电网更加安全、稳定、可靠、环保，起到削峰填谷的作用。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种重力与压缩空气相结合的储能系统，其特征在于，包括塔吊、重块、气缸、密封端盖、蓄冷换热器、储能管路、储气室、空气膨胀单元和发电机。

塔吊将重块抬升到一定高度，让其在气缸内自由下落压缩空气；气缸与蓄冷换热器连接导出高压冷空气，蓄冷换热器出口通过储能管路与储气室进口连接，储能管路上的加热体会根据温度传感器测试温度来决定是否加热；储气室出口通过释能管路与空气膨胀单元进口连接，空气膨胀单元出口与发电机连接，在高温高压的空气冲击下使得发电机发电。重块设置在气缸上部且密封端盖在气缸下部，共同构成压缩空气单元；重块与气缸之间设有密封装置，且重块下方还设有盲孔，盲孔内设有缓冲装置。

优选地，密封装置为活塞密封圈，由若干气环和油环组成，这样既能保证密封性能良好，又可以使得滑动摩擦力有效。

优选地，缓冲装置由缓冲弹簧和缓冲板组成，缓冲弹簧一端与重块连接，另一端与缓冲板连接。

优选地，密封端盖制作成内凹的圆台状，其上部连接有支撑柱和测距装置，支撑柱和密封端盖是一体的，测距装置与自动锁紧装置相连，使得密封端盖在没有达到距离阈值时不会因内部气压作用使其脱落。同时在支撑柱周围还加装了蜂窝聚水器，水雾凝结在蜂窝聚水器会变成较大水滴下落，使压缩空气受水汽影响尽可能小。

优选地，支撑柱与缓冲装置在同一条轴线上，且支撑柱形状大小与重块上的盲孔恰好吻合，可避免重块直接撞击位于气缸底部的密封端盖，以保证其使用寿命。

优选的，重块在气缸内压缩空气会得到高压热空气，该气体可通过蓄冷换热器变为高压冷空气，这可以减小压缩空气的体积，使储气室存储更多压缩空气。

优选地，空气膨胀单元包括若干级膨胀机，且各级之间设有外部热源，在外部热源的作用下空气膨胀单元效率更高，同时对环境更友好。

优选地，储能管路上设有含温度传感器的单向进气阀,整个管路被加热体和隔热材料覆盖，加热体会根据温度传感器测试温度来决定是否加热，以保证储能管路和进气阀不会被冻住。同时储能管路向气缸倾斜，使得在储能管路中的水不会进入储气罐，保证储气罐内空气的干燥度。且加热体的热量可由外部热源提供，使系统更加集约高效。

优选地，释能管路上设有流量检测装置、压力检测装置和调节阀，这些装置均与该储能系统控制单元连接，能够根据检测到的气体参数及时调整系统的输出功率，实现自动控制进气量和出气量，达到发电稳定以及可靠并网。

优选地，气缸处在竖直方向，与水平面垂直，同时与重块和密封端盖处于同一轴线，使得重力完全做功而没有其他分量。

优选地，在压缩空气排到储气室过程中，重块会逐渐下落，当测距装置感应到重块与密封端盖的距离达到阈值时，自动锁紧装置会解锁，重块与密封端盖由于重力原因一同下落，之后需要将重块移出气缸竖直方向外，塔吊再将其提升，同时密封端盖需要重新安装在气缸下部并自动锁紧。

本发明的目的还在于公开了上述重力与压缩空气相结合的储能系统的工作方法，包括下列步骤：

S1)储能时，关闭释能管路，塔吊将重块提升到气缸的正上方，同时锁紧密封端盖，然后重块自由下落压缩空气，打开进气阀使经过蓄冷换热器处理后的高压冷空气通过储能管路进入储气室。该过程先将电能转化为重块的重力势能，而后重力势能转变为动能压缩空气，最终以压缩空气能存储。

S2)释能时，开启释能管路，关闭进气阀，压缩空气经外部热源加热膨胀后，再经释能管路进入空气膨胀单元恒压做功，带动发电机发电，将压缩空气能转化为电能。

进一步地，重块为方便制造的圆柱体，且如此形状的周向密封便于实现，材质可采用密度高的混凝土或铅以减小体积，同时节约成本。

进一步地，选择合适蓄冷材料可以控制经蓄冷换热器出来的高压冷空气温度，为了避免出口处结冰，只将温度控制到稍高于零度即可。

进一步地，各级膨胀机的外部热源可用太阳能集热或燃烧生物质能来获得，使能量利用率更高，同时避免燃烧天然气等造成环境污染。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明的一种重力与压缩空气相结合的储能系统，通过塔吊、重块、气缸、密封端盖、蓄冷换热器、储气室、空气膨胀单元和发电机组合，将压缩空气储能和重力储能优势互补，相比于单独的压缩空气储能系统，减少了空压机的使用，降低了压缩空气流的损失；储能管路上的各类装置使得进气阀不会被冻住，减小了压缩过程中水汽的影响；采用了太阳能外部热源补热的方式提高膨胀机的效率，避免了环境污染。相比于单独的重力储能系统，大大提高了系统储能密度，减轻了重块质量。本发明的系统可灵活布置，不受地形条件限制，具有大容量、低成本(重块和空气取材方便)、使用寿命长(防缓冲和密封装置的设置)、能量利用率高、安全性高、调节速度快(利用压缩空气储能的调节速度)等优点，能够保证电网稳定，起到削峰填谷的作用。特别适合西部干旱缺水的地区。

2)本发明公开的一种重力与压缩空气相结合的储能系统的工作方法，储能阶段直接利用重块压缩空气，由于底部采用了可拆卸的密封装置，实现了重块的回收。实际上可以制造多个半径相同高度不同的重块，半径一致是为了实现良好的气密性，高度不同则质量不同，可以根据风电场不同的风速而产生的电量来选择提升不同质量的重块，进而实现压缩空气的连续性，最终实现能源消纳。

附图说明

图1为本发明的重力与压缩空气相结合的储能系统整体结构示意图。

图中附图标记为： 1-塔吊；2-重块；3-密封装置；4-缓冲装置；5-气缸；6-密封端盖；7-支撑柱；8-测距装置； 9-自动锁紧装置；10-蜂窝聚水器；11-蓄冷换热器；12-单向进气阀；13-温度传感器；14-加热体；15-隔热材料；16-储气室；17-外部热源；18-空气膨胀单元；19-发电机。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术实施方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步详细的描述。在附图中，自始至终相同的标号表示相同或类似功能的装置元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，其所描述的内容以及方位性的词语也不能局限于实施例，而是对本发明的详细解释而不是限定：

本发明的一个广泛的实施例中，一种重力与压缩空气相结合的储能系统，其特征在于，所述储能系统包括包括塔吊1、重块2、气缸5、密封端盖6、蓄冷换热器11、储气室16、空气膨胀单元17和发电机18。塔吊1将重块2抬升到一定高度，让其在气缸5内自由下落压缩空气；气缸5与蓄冷换热器11相连导出高压冷空气，该气体通过储能管路进入储气室16 中，储气室16出口通过释能管路与空气膨胀单元18进口连接，空气膨胀单元18出口与发电机19连接，在高温高压的空气冲击下使得发电机19发电。

重块2设置在气缸5上部且密封端盖6在气缸下部，三者共同构成压缩空气单元。重块2与气缸5之间留有一定间隙，可以保证重块2在气缸内有效且稳定地上下移动；同时还设有密封装置3，密封装置3可以是由若干气环和油环组成的活塞密封圈，这样既可以承受相应的气压并保持不漏气保证良好的密封性，又可以使得滑动摩擦力有效。重块2为方便制造的圆柱体，如此形状使得周向密封便于实现，材质可采用密度较高的混凝土或铅以减小体积，节约成本。此外，重块2的下方还设有盲孔，盲孔内设有缓冲装置4，缓冲装置4由缓冲弹簧和缓冲板组成，缓冲弹簧一端与重块2连接，另一端与缓冲板连接。

空气压缩单元出口与储气室15之间的储能管路连接有单向进气阀11，当重块2压缩空气达到要求时，打开进气阀让压缩空气经过蓄冷换热器11后排到储气室，且储气室内的空气不会进入到气缸内，此时将压缩空气储存在储气室16内，实现了压缩空气能的存储。在气缸5排气过程中重块2会逐渐下降，当密封端盖6上的测距装置8感应到重块2与密封端盖6间的距离达到阈值时，自动锁紧装置9将解锁，使得重块2与密封端盖6一同下落。同时，由于支撑柱7与缓冲装置4设置在同一条轴线上，且支撑柱形状大小与重块上的盲孔恰好吻合，大大减少了重块2与密封端盖6之间的碰撞，延长了各自的使用寿命。单向进气阀12上的温度传感器13测得储能管路上的温度降低到凝固点时，加热体14开始工作使得储能管路不会结冰，在倾斜角度的设计下储能管路中的水会回流到密封端盖6中。

重块2与密封端盖6将下落到气缸5正下方且在气缸高度范围外，之后将重块2与密封端盖6分离并将重块2移出气缸5的正下方，以便塔吊1将其向上吊起；同时将密封端盖6安装到气缸5的下方，并利用自动锁紧装置9使其紧扣在相应位置，以免在压缩空气过程中气缸5内部气压过大将端盖顶开。此过程实现了重块的回收利用，由于设置了若干个半径相同高度不同的重块2，还实现了储能过程的连续。

储气室16内的压缩空气根据释能管路上设有的流量检测装置、压力检测装置等检测到的各项参数及时由储能系统控制单元配合调节阀来调整系统的输出功率，实现自动控制出气量，储气室16排出高压低温压缩空气经过外部热源17加热在空气膨胀单元18变为更高压高温的气流，该气流直接带动涡轮旋转使得发电机19发电，最终达到发电稳定以及可靠并网。本发明的空气膨胀单元18比较灵活，根据实际并网需要，设置若干级膨胀机，且各级之间设有外部热源17，外部热源17可采用太阳能集热来获得，避免通过燃烧天然气等造成环境污染。

上述重力与压缩空气相结合的储能系统在工作时：

电网用电低谷时期，系统进行储能，关闭释能管路，塔吊1将重块2提升到气缸5的正上方，同时锁紧密封端盖6，然后重块2自由下落压缩空气，打开进气阀使经过蓄冷换热器11 的高压冷空气通过储能管路进入储气室16。该过程先将电能转化为重块的重力势能，而后重力势能转变为动能压缩空气，最终以压缩空气能存储。

电网用电高峰时期，系统进行释能，开启释能管路，关闭储能管路上的单向进气阀，压缩空气经外部热源17加热膨胀后，再经释能管路进入空气膨胀单元18恒压做功，带动发电机19发电，将压缩空气能转化为电能。

上述的一个重力与压缩空气相结合的储能系统具体实施例，将压缩空气储能和重力储能优势互补，可灵活布置，不受地形条件限制，具有大容量(>100MW)、低成本(重块和空气取材方便，单位容量造价低)、使用寿命长(达30～50年)、能量利用率高(使用了外部热源)、调节速度快(利用压缩空气储能的调节速度)、安全性高、对环境友好等优点，能够保证电网稳定，起到削峰填谷的作用。特别适合西部干旱缺水的地区。

最后，需要说明的是，以上实施例所述仅为本发明的实施方式，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的相关技术人员可以参考所描述的实施例做进一步的修改完善或者对部分技术特征进行等效替换，只要不使相应技术方案的本质脱离本发明的技术精神，且并没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种重力与压缩空气相结合的储能系统，其特征在于，包括塔吊(1)、重块(2)、气缸(5)、密封端盖(6)、蓄冷换热器(11)、储气室(16)、空气膨胀单元(18)和发电机(19)，塔吊(1)将重块(2)抬升到一定高度，让其在气缸(5)内自由下落压缩空气；气缸(5)与蓄冷换热器(11)相连，再通过储能管路与储气室(16)进口连接，储气室(16)出口通过释能管路与空气膨胀单元(18)进口连接，空气膨胀单元(18)出口与发电机(19)连接；重块(2)设置在气缸(5)上部且密封端盖(6)在气缸(5)下部，共同构成压缩空气单元；重块(2)与气缸(5)之间设有密封装置(3)，且重块(2)下方还设有盲孔，盲孔内设有缓冲装置(4)。

2.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，密封装置(3)为活塞密封圈，由若干气环和油环组成。

3.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，缓冲装置(4)由缓冲弹簧和缓冲板组成，缓冲弹簧一端与重块(2)连接，另一端与缓冲板连接。

4.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，密封端盖(6)上部连接有支撑柱(7)和测距装置(8)，测距装置(8)与自动锁紧装置(9)相连，为了更好地聚集压缩空气过程中的水雾，密封端盖(6)制作成斜坡状，同时在支撑柱(7)周围还加装蜂窝聚水器(10)。

5.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，支撑柱(7)与缓冲装置(4)在同一条轴线上，且支撑柱形状大小与重块上的盲孔恰好吻合。

6.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，重块压缩空气得到的高压热空气可以通过蓄冷换热器(11)变为高压冷空气，再与储能管路连接。

7.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，储能管路上靠近蓄冷换热器的位置设有单向进气阀(12)，单向进气阀(12)上设有温度传感器(13),整个管路向气缸倾斜，同时被加热体(14)和隔热材料(15)覆盖。

8.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，空气膨胀单元(18)包括若干级膨胀机，且各级之间设有外部热源(17)。

9.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，释能管路上设有流量检测装置、压力检测装置和调节阀，这些装置均与该储能系统控制单元连接。

10.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，气缸(5)处在竖直方向，与水平面垂直。

11.根据权利要求1所述的重力与压缩空气相结合储能系统，其特征在于，当压缩空气排到储气室(16)后，重块(2)与密封端盖(6)一同下落后需要将重块(2)移出气缸(5)竖直方向外，塔吊(1)再将其提升。

12.根据权利要求1～11任意一项所述重力与压缩空气相结合储能系统的工作方法，其特征在于，包括：

储能时，关闭释能管路，塔吊(1)将重块(2)提升到气缸(5)的正上方，同时锁紧密封端盖(6)，然后重块(2)自由下落压缩空气，经蓄冷换热器处理后打开进气阀使压缩空气通过储能管路进入储气室(16)，该过程先将电能转化为重块(2)的重力势能，而后重力势能转变为动能压缩空气，最终以压缩空气能存储；

释能时，开启释能管路，关闭储能管路上的进气阀，压缩空气经外部热源(17)加热膨胀后，再经释能管路进入空气膨胀单元(18)恒压做功，带动发电机(19)发电，将压缩空气能转化为电能。

13.根据权利要求12所述的重力与压缩空气相结合储能系统的工作方法，其特征在于，在负荷低谷期进行储能，在负荷高峰期进行释能，实现可控并网发电。

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