CN114592939A - 一种光热压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气储能系统技术领域，具体涉及一种光热压缩空气储能系统。包括：空气压缩支路，其包括依次串联的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧流道及储气装置；空气膨胀支路，其包括依次串联的储气装置、回热换热器的低温侧流道及空气膨胀机；压缩热支路，其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、中温蓄热装置；光热支路，其包括依次串联的中温蓄热装置、中温循环泵、光热集热装置、高温蓄热装置、高温循环泵及回热换热器的高温侧流道；回热换热器的高温侧流道的出口端与低温蓄热装置连通。本系统能够降低能耗、增加可再生能源的消纳途径。

Description

一种光热压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明涉及空气储能系统技术领域，具体涉及一种光热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。

储能的另一用途是通过储能平滑风、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储能工作模式，一定程度上限制了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空气储能系统能耗高以及限制可再生能源的消纳途径的缺陷，从而提供一种光热压缩空气储能系统及方法。

本发明提供的光热压缩空气储能系统，包括：

空气压缩支路，其包括依次串联的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧流道及储气装置；

空气膨胀支路，其包括依次串联的储气装置、回热换热器的低温侧流道及空气膨胀机；

压缩热支路，其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、中温蓄热装置；

光热支路，其包括依次串联的中温蓄热装置、中温循环泵、光热集热装置、高温蓄热装置、高温循环泵及回热换热器的高温侧流道；

所述回热换热器的高温侧流道的出口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，所述空气压缩机由电动机驱动。

可选的，所述压缩热支路与所述光热支路中填充有同种热载体。

可选的，所述空气压缩支路包括相互串联的两个或多个由所述空气压缩机和蓄热换热器的高温侧流道形成的组合。

可选的，所述空气膨胀支路包括相互串联的两个或多个由回热换热器的低温侧流道和空气膨胀机形成的组合。

本发明提供的光热压缩空气储能方法：

空气压缩时，空气压缩机产生的热压缩空气进入蓄热换热器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储存，升温后的热载体进入中温蓄热装置存储；

具备日照条件时，所述中温蓄热装置中的热载体进入光热集热装置中进一步加热，生成的高温热载体进入高温蓄热装置中存储；

空气膨胀时，所述高温蓄热装置中的高温热载体进入回热换热器中，加热来自所述储气装置的压缩空气；所述压缩空气升温后进入空气膨胀机中膨胀做功，所述高温热载体放热降温后进入所述低温蓄热装置中存储。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的光热压缩空气储能系统及方法，设有压缩热支路和光热支路且两者通过中温蓄热装置解耦，热载体经过压缩热支路中的蓄热换热器提高温度，进入中温蓄热装置储存，待具备日照条件时，再使中温蓄热装置中的热载体经过光热支路中的光热集热装置进一步加热，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进气温度、提升空气膨胀机做功能力；

2.本发明提供的光热压缩空气储能系统及方法，由于采用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；

3.本发明提供的光热压缩空气储能系统及方法，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纳能力。

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为本发明实施例中光热压缩空气储能系统的示意图。

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、中温蓄热装置；10、中温循环泵；11、光热集热装置；12、高温蓄热装置；13、高温循环泵。

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

参照图1，本发明实施例提供一种光热压缩空气储能系统，包括：

空气压缩支路，其包括依次串联的空气压缩机1、蓄热换热器2的高温侧流道及储气装置4；空气膨胀支路，其包括依次串联的储气装置4、回热换热器5的低温侧流道及空气膨胀机6；压缩热支路，其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、中温蓄热装置9；光热支路，其包括依次串联的中温蓄热装置9、中温循环泵10、光热集热装置11、高温蓄热装置12、高温循环泵13及回热换热器5的高温侧流道；回热换热器5的高温侧流道的出口端与低温蓄热装置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，压缩热循环回路与光热循环回路中填充有同种热载体，热量随热载体输送至不同位置。

本实施例中，光热集热装置11为图1所示的槽式集热器；其他实施例中，光热集热装置11还可为塔式、菲涅尔式、碟式等其他形式的光热集热装置。

下面对本实施例的光热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：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压缩空气；该高温压缩空气随后进入蓄热换热器2的高温侧流道，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的低温侧流道进行换热，高温压缩空气降温形成低温压缩空气，低温压缩空气继续向下游流动，进入储气装置4存储备用；低温热载体吸热升温后形成中温热载体，进入中温蓄热装置9中存储备用。

光热集热储能过程：中温蓄热装置9中的中温热载体在中温循环泵10的驱动下进入光热集热装置11中，被加热升温后形成高温热载体，高温热载体进入高温蓄热装置12中存储备用。

下面对本实施例的光热压缩空气储能系统的释能过程进行详细阐述：

释能包括空气膨胀发电和供热两个过程，为热-电联供模式。空气膨胀发电和供热过程可同时或分时进行，也可根据实际应用场景选择是否使系统具备供热功能。

空气膨胀发电过程：储气装置4释放存储的低温压缩空气，首先进入回热换热器5的低温侧流道，同时高温蓄热装置12中的高温热载体在高温循环泵13的驱动下进入回热换热器5的高温侧流道进行换热，低温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；升温后的压缩空气继续进入空气膨胀机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。

供热过程：主要通过中温蓄热装置9或高温蓄热装置12实现。中温蓄热装置9或高温蓄热装置12利用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。

作为一种改进方案：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除水后在进入储气装置4中存储备用。

作为一种改进方案：空气压缩支路包括相互串联的两个或多个由空气压缩机1和蓄热换热器2的高温侧流道形成的组合，可进一步提高空气膨胀机6的做功能力。

作为一种改进方案：空气膨胀支路包括相互串联的两个或多个由回热换热器5的低温侧流道、光热再热器的低温侧流道和空气膨胀机6形成的组合，可进一步提高空气膨胀机6的做功能力。

实施例二

本发明实施例还提供一种光热压缩空气储能方法：

空气压缩时，空气压缩机1产生的热压缩空气进入蓄热换热器2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储存，升温后的热载体进入中温蓄热装置9存储；

具备日照条件时，中温蓄热装置9中的热载体进入光热集热装置11中进一步加热，生成的高温热载体进入高温蓄热装置12中存储；

空气膨胀时，高温蓄热装置12中的高温热载体进入回热换热器5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，高温热载体放热降温后进入低温蓄热装置7中存储。

本发明将绝热压缩空气储能与光热储能耦合起来，利用太阳能光热进一步提升空气膨胀机6进气温度，能够显著提升空气膨胀机6做功能力；同时，由于采用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，从而降低空气压缩机1功耗，进而提升系统效率；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纳能力。

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 (7)

1.一种光热压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

空气压缩支路，其包括依次串联的空气压缩机(1)、蓄热换热器(2)的高温侧流道及储气装置(4)；

空气膨胀支路，其包括依次串联的储气装置(4)、回热换热器(5)的低温侧流道及空气膨胀机(6)；

压缩热支路，其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、中温蓄热装置(9)；

光热支路，其包括依次串联的中温蓄热装置(9)、中温循环泵(10)、光热集热装置(11)、高温蓄热装置(12)、高温循环泵(13)及回热换热器(5)的高温侧流道；

所述回热换热器(5)的高温侧流道的出口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所述的光热压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩机(1)由电动机驱动。

4.根据权利要求3所述的光热压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩热支路与所述光热支路中填充有同种热载体。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光热压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩支路包括相互串联的两个或多个由所述空气压缩机(1)和蓄热换热器(2)的高温侧流道形成的组合。

6.根据权利要求1-4任一项所述的光热压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气膨胀支路包括相互串联的两个或多个由回热换热器(5)的低温侧流道和空气膨胀机(6)形成的组合。

7.一种光热压缩空气储能方法，其特征在于：

空气压缩时，空气压缩机(1)产生的热压缩空气进入蓄热换热器(2)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)储存，升温后的热载体进入中温蓄热装置(9)存储；

具备日照条件时，所述中温蓄热装置(9)中的热载体进入光热集热装置(11)中进一步加热，生成的高温热载体进入高温蓄热装置(12)中存储；

空气膨胀时，所述高温蓄热装置(12)中的高温热载体进入回热换热器(5)中，加热来自所述储气装置(4)的压缩空气；所述压缩空气升温后进入空气膨胀机(6)中膨胀做功，所述高温热载体放热降温后进入所述低温蓄热装置(7)中存储。

Images