CN114592932B - 一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法 - Google Patents

一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法，所述系统包括：空气压缩机的出口经第一换热器的第一流道与高压储气罐的进口相连通；高压储气罐的出口经第二控制阀与涡流管的高压工质进口相连通；涡流管的高温工质出口一路依次经第五控制阀、制热换热器的第一流道与大气相连通，另一路依次经第六控制阀、有机工质蒸发器的第二流道与大气相连通；储热罐的出口依次经第四控制阀、有机工质蒸发器的第一流道与储冷罐的进口相连通；储冷罐的出口依次经第二控制阀、第一换热器的第二流道与储热罐的进口相连通。本发明可实现储能系统的冷、热、电三联产，具有储能效率高、系统体积小、环境友好等优点。

Description

一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，特别涉及一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法。
背景技术
储能技术的应用能够在很大程度上解决新能源发电的波动性与间歇性等弊端，有效地解决了移峰填谷的难题，近年来受到越来越多的重视。
目前，现有传统储能技术主要包括：抽水蓄能、压缩空气储能以及电化学储能；从规模等级、占地面积以及建设成本等方面来看，抽水蓄能、压缩空气储能技术均具有一定的局限性，不适合小型化建设，无法实现能源的分布式供应；而电化学储能技术虽然能够小型化，但是却具有安全性较低以及易造成环境污染等弊端。
此外，传统的储能技术基本以电能输出为主，无法满足用户对冷、热等多种能源的综合需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的储能系统，可实现储能系统的冷、热、电三联产，具有储能效率高、系统体积小、环境友好等优点。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统，包括：空气压缩机、第一换热器、高压储气罐、涡流管、制冷换热器、制热换热器、有机工质蒸发器、储冷罐和储热罐；
所述空气压缩机的进口管路上设置有第一控制阀；
所述空气压缩机的出口经所述第一换热器的第一流道与所述高压储气罐的进口相连通；所述高压储气罐的出口经第二控制阀与所述涡流管的高压工质进口相连通；
所述涡流管的低温工质出口经所述制冷换热器的第一流道与大气相连通；所述涡流管的高温工质出口一路依次经第五控制阀、所述制热换热器的第一流道与大气相连通；所述涡流管的高温工质出口另一路依次经第六控制阀、所述有机工质蒸发器的第二流道与大气相连通；
所述储热罐的出口依次经第四控制阀、所述有机工质蒸发器的第一流道与所述储冷罐的进口相连通；所述储冷罐的出口依次经第二控制阀、所述第一换热器的第二流道与所述储热罐的进口相连通。
本发明系统的进一步改进在于，还包括：有机工质泵、有机工质透平和有机工质冷凝器；
所述有机工质透平的出口依次经所述有机工质冷凝器、所述有机工质泵以及所述有机工质蒸发器的第三流道与所述有机工质透平的进口相连通。
本发明系统的进一步改进在于，所述储冷罐、所述储热罐中的储能介质为饱和水或导热油。
本发明系统的进一步改进在于，所述空气压缩机的出口的压力范围为500～700kPa。
本发明系统的进一步改进在于，所述涡流管包括：高压工质进口、进口喷嘴、涡流室、锥形塞、高温工质出口和低温工质出口；
所述涡流管使用时，高压空气由高压工质进口进入进口喷嘴，在进口喷嘴中膨胀加速后延切线方向进入涡流室，在涡流室中形成涡流；涡流内外层流体因角速度不同造成摩擦与换热，形成外热内冷的两股气流；热气流从高温工质出口排出涡流室，冷气流被锥形塞阻塞回流，由低温工质出口排出涡流室。
本发明提供的一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统的控制方法，包括以下步骤：
初始状态下，关闭所有控制阀；
当用户处于用电低谷时，打开第一控制阀和第二控制阀；常温常压的空气进入空气压缩机中，利用富裕电力驱动空气压缩机对空气进行压缩，升压后的空气在第一换热器中换热降温，将热量传递给来自储冷罐中的低温储热介质，降温后的常温高压空气进入高压储气罐内进行储存，升温后的储热介质被储存在储热罐内。
本发明方法的进一步改进在于，还包括以下步骤：
当用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀和第二控制阀，打开第三控制阀和第四控制阀；高压储气罐内的高压空气进入涡流管膨胀，并分离为冷气流、热气流；冷气流进入制冷换热器内吸热升温，为用户提供冷源，升温后的空气排入大气。
本发明方法的进一步改进在于，还包括以下步骤：
当用户有供热需求时，打开第五控制阀，高温空气进入制热换热器放热降温，为用户提供热源；当用户没有供热需求时，关闭第五控制阀、打开第六控制阀，高温空气进入有机工质蒸发器内，与来自储热罐内的高温储热介质共同加热蒸发有机工质；降温后的空气排入大气，降温后的储热介质回到储冷罐内储存。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
针对现有储能技术的不足，本发明具体提供了一种小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统，可实现储能系统的冷、热、电三联产，具有储能效率高、系统体积小、环境友好等优点。
具体的，本发明通过结合涡流管以及有机朗肯循环子系统提出的储能系统参数需求低、结构简单紧凑、设备体积小，能够有效降低系统成本，适用于家庭等小型用能单位，系统适用范围广，储能效率高，可灵活实现能源的分布式供应。本发明提出的储能系统主要工质为空气，工质来源广且不计成本。同时，空气在系统内不会受污染，利用完的空气能够直接排入大气，灵活方便且不会对环境造成污染，大大提高了系统的适用范围。
另外，本发明结合涡流管与有机朗肯循环子系统，能够实现冷、热、电三联产，且能够通过控制阀门开度，调整三类能量的产出比例，灵活满足用户的各种需求，有效提升系统的储能效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例的一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中，涡流管的结构示意图；
图中，1、空气压缩机；2、第一换热器；3、高压储气罐；4、涡流管；5、制冷换热器；6、制热换热器；7、有机工质蒸发器；8、储冷罐；9、储热罐；10、有机工质泵；11、有机工质透平；12、有机工质冷凝器；
13、第一控制阀；14、第二控制阀；15、第三控制阀；16、第四控制阀；17、第五控制阀；18、第六控制阀；
19、进口喷嘴；20、涡流室；21、锥形塞；22、高温工质出口；23、低温工质出口；24、高压工质进口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例公开的一种小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统，包括：空气压缩机1、第一换热器2、高压储气罐3、涡流管4、制冷换热器5、制热换热器6、有机工质蒸发器7、储冷罐8和储热罐9。此外，还包括第一控制阀13、第二控制阀14、第三控制阀15、第四控制阀16、第五控制阀17和第六控制阀18。
本发明实施例的系统中，常温常压空气经第一控制阀13进入空气压缩机1，空气压缩机1的出口连接至第一换热器2的第一流道进口，第一换热器2的第一流道出口连接至高压储气罐3的进口，完成空气的压缩与储存。储冷罐8的出口通过第二控制阀14连接至第一换热器2的第二流道进口，第一换热器2的第二流道出口连接至储热罐9的进口，完成热量的储存。解释性的，以上各部件构成整个系统的储能部分。
另外，高压储气罐3的出口通过第三控制阀15连接至涡流管4的高压工质进口24，涡流管4的低温工质出口23连接至制冷换热器5的第一流道进口，制冷换热器5的第一流道出口连接至大气。涡流管4的高温工质出口22分为两路，一路通过第五控制阀17连接至制热换热器6的第一流道进口，制热换热器6的第一流道出口连接至大气；另一路通过第六控制阀18连接至有机工质蒸发器7的第二流道进口，有机工质蒸发器7的第二流道出口连接至大气，完成空气的膨胀与能量利用。
再有，储热罐9的出口通过第四控制阀16连接至有机工质蒸发器7的第一流道进口，有机工质蒸发器7的第一流道出口连接至储冷罐8的进口，完成热量的释放。解释性的，以上各部件构成整个释能部分。
本发明实施例提供了一种小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统，通过结合涡流管4以及有机朗肯循环子系统，可实现储能系统的冷、热、电三联产，具有储能效率高、系统体积小、环境友好等优点。
本发明实施例的系统中，储冷罐8、储热罐9中的储能介质示例性可选择饱和水或导热油。本发明实施例的系统中，示例性可选的，空气压缩机1的出口压力为500～700kPa。
本发明实施例的系统中，还包括，有机朗肯循环子系统；所述有机朗肯循环子系统包括：有机工质泵10、有机工质蒸发器7、有机工质透平11和有机工质冷凝器12；其中，有机工质泵10出口连接至有机工质蒸发器7的第三流道进口，有机工质蒸发器7的第三流道出口连接至有机工质透平11的进口，有机工质透平11的出口连接至有机工质冷凝器12的进口，有机工质冷凝器12的出口连接至有机工质泵10的进口。
本发明实施例中，有机朗肯循环子系统与释能部分共同工作：有机工质经有机工质泵10增压后进入有机工质蒸发器7内吸热蒸发，蒸发后的气态有机工质进入有机工质透平11内膨胀做功，驱动发电机发电，膨胀后的有机工质经有机工质冷凝器12冷凝为液态并重新进入有机工质泵10。
请参阅图2，本发明实施例的系统中，涡流管4包括：高压工质进口24、进口喷嘴19、涡流室20、锥形塞21、高温工质出口22和低温工质出口23。其工作原理为：高压气体由高压工质进口24进入进口喷嘴19，在进口喷嘴19中膨胀加速后延切线方向进入涡流室20，在涡流室20中形成涡流。涡流内外层流体因角速度不同造成摩擦与换热，形成外热内冷的两股气流。其中，热气流从高温工质出口22排出涡流室20，冷气流被锥形塞21阻塞回流，由低温工质出口23排出涡流室20。
本发明实施例中，可以通过控制涡流管4的进出口调阀，实现对冷热流体比例、温度的控制。
本发明实施例的一种小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统的控制方法，具体包括以下步骤：
初始状态下，关闭所有六个阀门；
当用户处于用电低谷时，关闭第三控制阀15、第四控制阀16、第五控制阀17、第六控制阀18，打开第一控制阀13、第二控制阀14，小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统的储能部分进行工作；常温常压的空气进入空气压缩机1中，利用富裕电力驱动空气压缩机1对空气进行压缩，升压后的空气在第一换热器2换热降温，将热量传递给来自储冷罐8中的低温储热介质，降温后的常温高压空气进入高压储气罐3内进行储存，升温后的储热介质被储存在储热罐9内。至此完成空气的压缩与热量储存。
另外，当用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀13、第二控制阀14，打开第三控制阀15、第四控制阀16，小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统的释能部分进行工作；高压储气罐3内的高压空气进入涡流管4膨胀，并分离为冷、热两股气流。其中，低温空气进入制冷换热器5内吸热升温，为用户提供冷源，升温后的空气排入大气。当用户有供热需求时，打开第五控制阀17，关闭第六控制阀18，高温空气进入制热换热器6放热降温，为用户提供热源；当用户没有供热需求时，关闭第五控制阀17、打开第六控制阀18，高温空气进入有机工质蒸发器7内，与来自储热罐9内的高温储热介质共同加热蒸发有机工质，驱动有机朗肯循环子系统工作。降温后的空气排入大气，降温后的储热介质回到储冷罐8内储存。至此完成空气的膨胀与能量的利用。
本发明实施例优选的，可以采用多个涡流管并联的方式提升系统制冷量与制热量，灵活满足用户需求。
本发明的控制方法能够实现：在用电低谷时利用低谷电力储存能量，并在用电高峰时完成冷、热、电三种能量的释放，系统工作稳定灵活，具有较高的储能效率。
本发明实施例公开技术方案的关键发明点为，通过将涡流管、有机朗肯循环与压缩空气储能系统结合，实现了冷、热、电三联产，解决了传统压缩空气储能系统仅能用于发电的局限性。同时，空气压力在0.7MPa即可满足涡流管的工作要求，当空气流量达到2.8m3/min时，即可产生1.8kW冷量，完全满足普通家庭一间卧室的冷量需求。较低的压力要求降低了空气压缩机的设计难度与储存难度，可以将传统压缩空气储能系统用于储气的地下岩穴替换为具有一定承压能力的气瓶，大大降低了压缩空气储能系统的建造成本与占地面积；较低的流量要求大大降低了各设备的体积，系统结构更加紧凑，能够有效实现系统的模块化制造与安装，进一步降低了系统的建设成本的同时提升了系统的布置灵活性。
综上所述，本发明实施例具体提供了一种小型化冷、热、电三联产压缩空气储能系统及其控制方法，能够实现能量的储存与释放，降低用户用电成本。具体优点包括：
(1)本发明结合涡流管与有机朗肯循环子系统，能够实现冷、热、电三联产，并且能够通过控制阀门，调整各类能量的产出比例，灵活满足用户的各种需求；
(2)本发明提出的储能系统参数需求低、结构简单紧凑、设备体积小，能够有效降低系统成本，满足家庭等小型单位的需求，灵活实现能源的分布式供应；
(3)本发明提出的储能系统主要工质为空气，工质来源为大气，且空气在系统内不会受污染，利用完的空气能够直接排入大气，灵活方便且不会对环境造成污染，大大提高了系统的适用范围。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统，其特征在于，包括：空气压缩机(1)、第一换热器(2)、高压储气罐(3)、涡流管(4)、制冷换热器(5)、制热换热器(6)、有机工质蒸发器(7)、储冷罐(8)和储热罐(9)；
所述空气压缩机(1)的进口管路上设置有第一控制阀(13)；
所述空气压缩机(1)的出口经所述第一换热器(2)的第一流道与所述高压储气罐(3)的进口相连通；所述高压储气罐(3)的出口经第二控制阀(14)与所述涡流管(4)的高压工质进口(24)相连通；
所述涡流管(4)的低温工质出口(23)经所述制冷换热器(5)的第一流道与大气相连通；所述涡流管(4)的高温工质出口(22)一路依次经第五控制阀(17)、所述制热换热器(6)的第一流道与大气相连通；所述涡流管(4)的高温工质出口(22)另一路依次经第六控制阀(18)、所述有机工质蒸发器(7)的第二流道与大气相连通；
所述储热罐(9)的出口依次经第四控制阀(16)、所述有机工质蒸发器(7)的第一流道与所述储冷罐(8)的进口相连通；所述储冷罐(8)的出口依次经第二控制阀(14)、所述第一换热器(2)的第二流道与所述储热罐(9)的进口相连通；
其中，所述储冷罐(8)、所述储热罐(9)中的储能介质为饱和水或导热油；所述空气压缩机(1)的出口的压力大于等于500kPa且小于700kPa；
所述涡流管(4)包括：高压工质进口(24)、进口喷嘴(19)、涡流室(20)、锥形塞(21)、高温工质出口(22)和低温工质出口(23)；所述涡流管(4)使用时，高压空气由高压工质进口(24)进入进口喷嘴(19)，在进口喷嘴(19)中膨胀加速后延切线方向进入涡流室(20)，在涡流室(20)中形成涡流；涡流内外层流体因角速度不同造成摩擦与换热，形成外热内冷的两股气流；热气流从高温工质出口(22)排出涡流室(20)，冷气流被锥形塞(21)阻塞回流，由低温工质出口(23)排出涡流室(20)。
2.根据权利要求1所述的一种冷、热、电三联产压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：有机工质泵(10)、有机工质透平(11)和有机工质冷凝器(12)；
所述有机工质透平(11)的出口依次经所述有机工质冷凝器(12)、所述有机工质泵(10)以及所述有机工质蒸发器(7)的第三流道与所述有机工质透平(11)的进口相连通。
3.一种权利要求1所述的冷、热、电三联产压缩空气储能系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
初始状态下，关闭所有控制阀；
当用户处于用电低谷时，打开第一控制阀(13)和第二控制阀(14)；常温常压的空气进入空气压缩机(1)中，利用富裕电力驱动空气压缩机(1)对空气进行压缩，升压后的空气在第一换热器(2)中换热降温，将热量传递给来自储冷罐(8)中的低温储热介质，降温后的常温高压空气进入高压储气罐(3)内进行储存，升温后的储热介质被储存在储热罐(9)内；
当用户处于用电高峰时，关闭第一控制阀(13)和第二控制阀(14)，打开第三控制阀(15)和第四控制阀(16)；高压储气罐(3)内的高压空气进入涡流管(4)膨胀，并分离为冷气流、热气流；冷气流进入制冷换热器(5)内吸热升温，为用户提供冷源，升温后的空气排入大气；
当用户有供热需求时，打开第五控制阀(17)，高温空气进入制热换热器(6)放热降温，为用户提供热源；当用户没有供热需求时，关闭第五控制阀(17)、打开第六控制阀(18)，高温空气进入有机工质蒸发器(7)内，与来自储热罐(9)内的高温储热介质共同加热蒸发有机工质；降温后的空气排入大气，降温后的储热介质回到储冷罐(8)内储存。
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