CN114738061A - 一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、太阳能辅热系统、卡琳娜循环系统，其中压缩空气储能系统由压缩机、冷却器、储气室、膨胀机、换热器、储冷罐、储热罐组成，太阳能辅热系统由太阳能集热器、储热罐和储冷罐组成，卡琳娜循环系统由蒸发器、分离器、汽轮机、冷凝器、泵、换热器组成；将换热后流回到太阳能辅热系统储冷罐的部分导热油用于分离卡琳娜循环中的混合液，将储能系统未利用的压缩热用于加热第一汽轮机出口的液态氨，增置泵和第二汽轮机，将第二汽轮机出口的液氨与分离器出来的稀氨水混合后吸收膨胀机尾部空气余热，充分利用系统余热，实现了能量的梯级利用，提高了系统储能效率。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体而言，涉及一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统。
背景技术
人口的快速增长和工业的不断发展导致石油等不可再生能源的快速消耗，以及化石燃料等常规能源的可预见枯竭。同时，化石能源在短时间内的大量消耗也带来了一系列环境问题，导致全球环境不断恶化，影响着人类的身心健康。为了经济的长期稳定发展和全球环境问题的缓解，许多国家都在不断提高清洁能源发电的比重，可再生能源也在不断大规模开发，如太阳能、风力发电、海洋发电、地热发电等。但是，可再生能源电力受天气条件影响较大，具有不稳定特性，不能长期提供稳定的电力。此外，这种不稳定、间歇性的电力大规模并入电网会引发一系列运行问题，甚至影响电网的正常运行。因此，可再生能源弃电现象较为严重，造成较大的能源和经济损失。电力储能系统有效的解决了上述可再生能源发电存在的问题。
在若干电力储能技术中，压缩空气储能（CAES）由于仅储气室的建造受到较小的地理条件的限制，效率较高，且能够满足商业应用的要求，是较为理想的大容量储能技术。随着技术的发展，有学者提出了先进绝热压缩空气储能技术，该技术利用储热介质储存和释放空气的压缩热，在保证空气做功能力的基础上，用空气透平代替了燃气轮机，使整个系统无污染气体的排放。考虑到可再生能源的利用，有学者提出了太阳能辅热式压缩空气储能储能系统，有效解决了太阳能热发电的波动性等问题，且提高了系统储能效率。
但是，现有的太阳能辅热式压缩空气储能系统在运行过程中会产生大量压缩热，这部分压缩热由于换热器传热温差的限制，不能够完全传递给释能过程的压缩空气，且太阳能辅热系统吸收的太阳能热量也并未得到完全利用，所以系统热量未被完全利用，进而导致系统运行效率降低和储热系统中的储热介质温度上升，会对系统下一次运行产生不利影响，同时膨胀机组尾部空气直接排放到空气中也会造成能源浪费。
本发明提出一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，将换热后流回到太阳能辅热系统储冷罐的部分导热油用于分离卡琳娜循环中的混合液，将储能系统未利用的压缩热用于加热第一汽轮机出口的液态氨，增置泵和第二汽轮机，将第二汽轮机出口的液氨与分离器出来的稀氨水混合后吸收膨胀机尾部空气余热，充分利用系统余热，实现了能量的梯级利用，提高了系统储能效率。
发明内容
一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、太阳能辅热系统、卡琳娜循环系统，其中压缩空气储能系统由低压压缩机(1)、高压压缩机(2)、冷却器1(3)、冷却器2(4)、储冷罐1(6)、储热罐1(5)、储气室(7)、节流阀(8)、换热器1(9)、换热器2(10)、换热器3(11)、换热器4(12)、高压膨胀机(13)、低压膨胀机(14)组成，太阳能辅热系统由太阳能集热器(18)、储冷罐2(17)和储热罐2(16)、阀1(16)、阀2(17)组成，卡琳娜循环系统由蒸发器(22)、分离器(23)、第一汽轮机(24)、第二汽轮机(27)、冷凝器(28)、泵1(21)、泵2(25)、换热器5(20)、换热器6(26)组成。
作为本发明优选的，所述压缩空气储能系统，在储能过程产生压缩热，在释能过程释放压缩热，但压缩热并未完全利用，将其用于加热第一汽轮机出口的液态氨，充分利用了系统余热，实现了能量的梯级利用，提高了系统储能效率。
作为本发明优选的，所述压缩空气储能系统中膨胀做功后的空气进入换热器5(20)为第二汽轮机出口的液氨与分离器出来的稀氨水混合液提供热量，提高系统余热利用率进而提高系统储能效率。
作为本发明优选的，所述太阳能辅热系统，将给压缩空气储能系统换热后流回到太阳能辅热系统储冷罐中的部分导热油通过蒸发器进入卡琳娜循环系统传递热量给水氨混合液，充分利用了导热油吸收的太阳能热量，同时使导热油储热温度降低，降低对下一次循环产生影响。
作为本发明优选的，所述太阳能辅热系统采用储热罐2(16)储存太阳能充足时过剩的热量，在太阳能缺乏时，利用储热罐储存的热量发电。
作为本发明优选的，所述卡琳娜循环系统，增置了泵2(25)和第二汽轮机(27)，泵2(25)将第一汽轮机出口(24)的液态氨进行升压，第二汽轮机(27)用于膨胀升温升压过后的氨气做功并带动发电机输出电力，且输出电量足以抵消泵耗功对系统所带来的系统整体发电量下降的问题。
作为本发明优选的，所述卡琳娜循环系统，增置了换热器5(20)和换热器6(26)，分别吸收了压缩空气储能系统中温压缩热量和膨胀机组尾部空气低温热量，且蒸发器吸收了高温导热油的热量，充分利用了系统各部分余温，不仅实现了能量的梯级利用，同时提高了系统储能效率。
作为本发明优选的，所述压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或混合式的结构形式；所述的膨胀机为活塞式、向心式、轴流式、螺杆式或混合式的结构形式；所述太阳能辅热系统，太阳能集热器组采用槽型抛物面聚光集热器。
作为本发明优选的，所述太阳能辅热系统以及压缩空气储能系统均采用空气作为工作介质，采用Dowtherm A导热油作为储热介质，所述卡琳娜循环系统采用水氨混合液作为循环工质，冷凝器采用冷却水作为冷却工质。
本发明的有益效果在于：
本发明提出一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，将换热后流回到太阳能辅热系统储冷罐的部分导热油用于分离卡琳娜循环中的混合液，将储能系统未利用的压缩热用于加热第一汽轮机出口的液态氨，增置泵和第二汽轮机，将第二汽轮机出口的液氨与分离器出来的稀氨水混合后吸收膨胀机尾部空气余热，充分利用系统余热，实现了能量的梯级利用，提高了系统储能效率。
附图说明
图1是本发明的系统原理图；
图中，1、低压压缩机，2、高压压缩机，3、冷却器1，4、冷却器2，5、储热罐1，6、储冷罐1，7、储气室，8、节流阀，9、换热器1，10、换热器2，11、换热器3，12、换热器4，13、高压膨胀机，14、低压膨胀机，15、储冷罐2，16、阀1，17、阀2，18、太阳能集热器，19、储热罐2，20、换热器5，21、泵1，22、蒸发器，23、分离器，24、第一汽轮机，25、泵2，26、换热器6，27、第二汽轮机，28、冷凝器，M、电动机，G、发电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步说明，如图1所示，太阳能辅热式压缩空气储能系统储能时，低压压缩机(1)与高压压缩机(2)同轴连接，低压压缩机(1)出口连接冷却器1(3)进口，冷却器1(3)出口连接高压压缩机(2)进口，高压压缩机(2)出口连接冷却器2(4)进口，冷却器2(4)出口连接储气室(7)。其具体运行原理为：常温常压空气进入低压压缩机(1)压缩至高温低压经冷却器1(3)冷却后进入高压压缩机(2)，高压压缩机(2)将空气压缩至高温高压后进入冷却器2(4)进行冷却换热后进入储气室(7)。其中，空气作为工作介质，导热油作为循环介质且导热油来自于储冷罐1(6)。
太阳能辅热式压缩空气储能系统释能时，对于压缩空气储能系统，储气室(7)出口连接节流阀(8)，节流阀出口(8)连接换热器1(9)进口，换热器1(9)出口连接换热器3(11)进口，换热器3(11)出口连接高压膨胀机(13)进口，高压膨胀机(13)出口连接换热器2(10)进口，换热器2(10)出口连接换热器4(12)进口，换热器4(12)出口连接低压膨胀机(14)进口，低压膨胀机(14)出口连接换热器5(20)进口，换热器5(10)出口连通大气。其具体运行原理为：从储气室流出的低温低压空气流经节流阀后依次被换热器1(9)、换热器3(11)加热后进入高压膨胀机(13)膨胀做功，做功后的空气再依次被换热器2(10)、换热器4(12)加热后进入低压膨胀机(14)膨胀做功并带动发电机。其中，空气作为工作介质，导热油作为循环介质且换热器1(9)、换热器3(11)中导热油来自于储热罐1(5)，换热器2(10)、换热器4(12)导热油来自于储热罐2(19)。
对于太阳能辅热系统，当太阳能充足时，第一次循环时，阀2打开，阀3关闭，储冷罐2(19)出口连接太阳能集热器(18)进口，太阳能集热器(18)出口连接储热罐2(19)进口，储热罐2(19)中的导热油进入分别换热器3(11)和换热器4(12)，换热后导热油流回进入储冷罐2(15)，此时导热油温度仍较高，吸收的太阳能热量未被完全利用，导热油储热温度升高，会对下一次循环产生影响，故此时阀3打开，部分导热油继续进入太阳能集热(18)吸收太阳能热量，部分导热油通过蒸发器(22)进入卡琳娜系统；当太阳能不足且需要释能部分继续工作时，若所需发电量较大则打开阀1(16)关闭阀2(17)，利用储热罐2中导热油储存的热量给系统提供热量，若所需发电量较小，则可同时打开阀1(16)和阀2(17)。
卡琳娜系统工作时，阀2(17)打开，泵1(21)出口连接蒸发器进口，蒸发器(22)出口连接分离器(23)入口，分离器(23)将气液分离，气体进入第一汽轮机(24)，第一汽轮机(24)出口连接泵2(25)进口，泵2(25)出口连接换热器6(26)进口，换热器6(26)出口连接第二汽轮机(27)进口，第二汽轮机(27)出口产生的液体与从分离器(23)出来的液体混合后进入换热器5(20)，换热器5(27)出口连接冷凝器(28)进口，冷凝器(28)出口连接泵1(21)进口，泵1(21)出口连接蒸发器进口。其具体运行原理为：从阀2(17)流出的部分导热油通过蒸发器(22)进入卡琳娜系统，将热量传递给卡琳娜循环的水氨混合液，混合液蒸发进入分离器(23)进行气液分离，蒸汽部分进入第一汽轮机(24)膨胀增压做功，将第一汽轮机(24)出口的液态氨利用泵2升压并利用压缩空气储能部分未利用的压缩热将其加热，升温升压后的氨气继续进入第二汽轮机(27)膨胀做功并发电，发电过后的液态氨与从分离器(23)出来的液体稀氨水混合物混合后进入换热器5(20)共同吸收膨胀机组尾部空气的余热，然后依次进入冷凝器(28)和泵1(21)完成一个循环。
综上所述，本发明提出一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，将换热后流回到太阳能辅热系统储冷罐的部分导热油用于分离卡琳娜循环中的混合液，将储能系统未利用的压缩热用于加热第一汽轮机出口的液态氨，增置泵和第二汽轮机，将第二汽轮机出口的液氨与分离器出来的稀氨水混合后吸收膨胀机尾部空气余热，充分利用系统余热，实现了能量的梯级利用，提高了系统储能效率。
尽管已经示出和描述了本发明的具体实施例,但本发明的保护范围并不局限于此，对于任何熟悉本领域的技术人员而言，可理解在不脱离本发明原理和精神的情况下对实施例进行多种变化、修改、替换和变形。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，包括压缩空气储能系统、太阳能辅热系统、卡琳娜循环系统，其特征在于：所述压缩空气储能系统由低压压缩机(1)、高压压缩机(2)、冷却器1(3)、冷却器2(4)、储冷罐1(6)、储热罐1(5)、储气室(7)、节流阀(8)、换热器1(9)、换热器2(10)、换热器3(11)、换热器4(12)、高压膨胀机(13)、低压膨胀机(14)组成，所述太阳能辅热系统由太阳能集热器(18)、储冷罐2(17)和储热罐2(16)、阀1(16)、阀2(17)组成，所述卡琳娜循环系统由蒸发器(22)、分离器(23)、第一汽轮机(24)、第二汽轮机(27)、冷凝器(28)、泵1(21)、泵2(25)、换热器5(20)、换热器6(26)组成。
2.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气储能系统，在储能过程产生压缩热，在释能过程释放压缩热，但压缩热并未完全利用，将其用于加热泵2(25)出口的氨气，充分利用了系统余热，实现了能量的梯级利用，提高了系统储能效率。
3.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气储能系统中膨胀做功后的空气进入换热器5(20)为第二汽轮机出口(27)的液氨与分离器(23)出来的稀氨水混合液提供热量，提高系统余热利用率进而提高系统储能效率。
4.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述太阳能辅热系统，将给压缩空气储能系统换热后流回到太阳能辅热系统储冷罐2(17)中的部分导热油通过蒸发器(22)进入卡琳娜循环系统传递热量给水氨混合液，充分利用了导热油吸收的太阳能热量，同时使导热油储热温度降低，降低对下一次循环产生影响。
5.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述太阳能辅热系统采用储热罐2(16)储存太阳能充足时过剩的热量，在太阳能缺乏时，利用储热罐储存的热量发电。
6.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述卡琳娜循环系统，增置了泵2(25)和第二汽轮机(27)，泵2(25)将第一汽轮机出口(24)的液态氨进行升压，第二汽轮机(27)用于膨胀升温升压过后的氨气做功并带动发电机输出电力，且输出电量足以抵消泵耗功对系统所带来的系统整体发电量下降的问题。
7.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述卡琳娜循环系统，增置了换热器5(20)和换热器6(26)，分别吸收了压缩空气储能系统中温压缩热量和膨胀机组尾部空气低温热量，且蒸发器(22)吸收了高温导热油的热量，充分利用了系统各部分余温，不仅实现了能量的梯级利用，同时提高了系统储能效率。
8.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式先进绝热压缩空气储能，其特征在于，所述压缩机为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或混合式的结构形式；所述的膨胀机为活塞式、向心式、轴流式、螺杆式或混合式的结构形式；所述太阳能辅热系统，太阳能集热器组采用槽型抛物面聚光集热器。
9.根据权利要求1所述的一种耦合卡琳娜循环的太阳能辅热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述太阳能辅热系统以及压缩空气储能系统均采用空气作为工作介质，采用Dowtherm A导热油作为储热介质，所述卡琳娜循环系统采用水氨混合液作为循环工质，冷凝器采用冷却水作为冷却工质。
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2022
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