CN114810258B - 一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，属于储能技术领域，其中压缩空气储能系统包括：第一电动机、第一压缩机、蓄热器、蓄冷器、第二电动机、第二压缩机、第三压缩机、第四压缩机、第一发电机、第一膨胀机、第二膨胀机、第三膨胀机、第四膨胀机、第二发电机；定压储气装置；第三浸没换热器。本发明提供的储能系统，定压储气装置适于放置在水下，通过水下压力实现整个系统的储能与释能。当定压储气装置固定在水下时，只要其深度没有变化，在进行储能时，压缩空气会克服水的压力，将水排开，存储在定压储气装置内，释能时，在水压的作用下压缩空气从定压储气装置内排出，释放时由于水压恒定，故无需经过减压阀进行减压。

Description

一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统。
背景技术
压缩空气储能，是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。即利用空气作为储能介质，通过电能与高压低温空气内能的相互转化，实现电能的储存和管理。在电网负荷低谷期，利用电能不断地将空气进行压缩，并将压缩后的空气储存起来，等到电网负荷高峰期时进行释放。
压缩空气储能系统通常将高压压缩空气存储在容积固定的盐洞、矿洞以及人造刚性容器中。存储的压缩空气在释放时需要经过减压阀进行节流减压减至预定的较低压力，在节流减压过程中浪费了大量的有用能。
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高压压缩空气存储在容积固定的岩洞、矿洞以及人造刚性容器中，释放时需要经过减压阀进行节流减压，在节流过程中浪费有用能的缺陷，从而提供一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种压缩空气储能系统，包括：
第一电动机、第一压缩机、蓄热器、第二电动机、第二压缩机、第三压缩机、第四压缩机、第一发电机、第一膨胀机、第二膨胀机、第三膨胀机、第四膨胀机、第二发电机；
所述第一电动机、第一压缩机和第一膨胀机通过轴结构连接，第一发电机、第四膨胀机和第四压缩机通过轴结构连接，第二电动机、第二压缩机和第三压缩机通过轴结构连接，第二膨胀机、第三膨胀机和第二发电机通过轴结构连接；
所述第一压缩机、蓄热器、第二压缩机与第三压缩机依次连通，所述第三压缩机的出口与所述第二膨胀机的入口连通，所述第二膨胀机与第三膨胀机连通，所述第三膨胀机的出口与蓄热器连通；
定压储气装置，适于放置在水下，所述定压储气装置与所述第三压缩机和第二膨胀机之间的管路连通；
第三浸没换热器设置在所述定压储气装置与第三压缩机和第二膨胀机连通的管路上。
可选的，所述定压储气装置为柔性容器。
可选的，所述定压储气装置为柔性储能包。
可选的，所述定压储气装置放于水面下0－2000米。
可选的，还包括有空气干燥机，设置在所述第一压缩机的进口管路上。
可选的，所述第一压缩机和第一膨胀机之间的轴结构上设有第一离合器。
可选的，所述第四膨胀机与第四压缩机之间的轴结构上设有第二离合器。
可选的，所述第二压缩机与第三压缩机之间连通有第一沉浸式换热器；
所述第二膨胀机与第三膨胀机之间连通有第二沉浸式换热器；
所述定压储气装置与压缩空气储能系统之间设有第三沉浸式换热器。
还提供了热泵储电耦合系统，包括上述的压缩空气储能系统，还包括：
蓄冷器、换热器；
所述蓄冷器分别与第四膨胀机的出口、第四压缩机的进口连通，所述第四压缩机的出口与第四膨胀机的进口分别与所述蓄热器连通，且所述第四压缩机的出口与所述蓄热器连通的管路上设有换热器。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，第一电动机、第一压缩机和第一膨胀机通过轴结构连接，第一发电机、第四膨胀机和第四压缩机通过轴结构连接，第二电动机、第二压缩机和第三压缩机通过轴结构连接，第二膨胀机、第三膨胀机和第二发电机通过轴结构连接；第一压缩机、蓄热器、第二压缩机与第三压缩机依次连通，第三压缩机的出口与第二膨胀机的入口连通，第二膨胀机与第三膨胀机连通，定压储气装置与第三压缩机和第二膨胀机之间的管路连通，并且定压储气装置适于放置在水下，通过水下压力实现整个系统的储能与释能。当定压储气装置固定在水下时，只要其深度没有变化，在进行储能时，压缩空气会克服水的压力，将水排开，存储在定压储气装置内，释能时，在水压的作用下压缩空气从定压储气装置内排出，释放时由于水压恒定，故无需经过减压阀进行减压。
2.本发明提供的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，定压储气装置为柔性容器，具体为柔性储能包，柔性储能包在没有储能时处于干瘪状态，储能过程中会逐渐鼓起，将周围的水排开，直至柔性储能包完全鼓起，存满压缩空气；在释能过程中，柔性储能包在水下压力的作用下会将持续压缩空气挤出并排放至第三膨胀机，使第三膨胀机持续做功带动第二发电机进行发电。
3.本发明提供的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，定压储气装置放于水面下0－2000米，随着深度的加深，水压会逐渐增加，可以根据所需的水压决定定压储气装置的深度。
4.本发明提供的热泵储电耦合系统及热泵储电耦合系统，通过设置蓄冷器和换热器，并将蓄冷器和换热器连接在压缩空气储能系统内的管路上，实现热泵储电系统与压缩空气储能系统耦合，仅使用一个压缩空气存储装置，可以在热泵储电与压缩空气储能之间进行切换。
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为本发明实施例提供的一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、第一电动机；2、第一压缩机；3、第一膨胀机；4、第一发电机；5、第四膨胀机；6、第四压缩机；7、第一离合器；8、蓄冷器；9、蓄热器；10、第二离合器；11、空气干燥机；12、第二电动机；13、第二压缩机；14、第三压缩机；15、第一沉浸式换热器；16、第二膨胀机；17、第三膨胀机；18、第二发电机；19、第二沉浸式换热器；20、第三沉浸式换热器；21、定压储气装置；22、换热器；101、第一阀门；102、第二阀门；103、第三阀门；104、第四阀门；105、第五阀门；106、第六阀门；107、第七阀门；108、第八阀门；109、第九阀门；110、第十阀门；111、第十一阀门；112、第十二阀门；113、第十三阀门；114、第十四阀门；115、第十五阀门；116、第十六阀门；117、第十七阀门。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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
本实施例提供了压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统的一种具体的实施方式，如图1所示，包括：
第一电动机1、第一压缩机2、蓄热器9、第二电动机12、第二压缩机13、第三压缩机14、第四压缩机6、第一发电机4、第一膨胀机3、第二膨胀机16、第三膨胀机17、第四膨胀机5、第二发电机18；
第一电动机1、第一压缩机2和第一膨胀机3通过轴结构连接，第一发电机4、第四膨胀机5和第四压缩机6通过轴结构连接，第二电动机12、第二压缩机13和第三压缩机14通过轴结构连接，第二膨胀机16、第三膨胀机17和第二发电机18通过轴结构连接；
第一压缩机2、蓄热器9、第二压缩机13与第三压缩机14依次连通，第三压缩机14的出口与第二膨胀机16的入口连通，第二膨胀机16与第三膨胀机17连通，第三膨胀机17的出口与蓄热器9连通；
定压储气装置21，适于放置在水下，定压储气装置21与第三压缩机14和第二膨胀机16之间的管路连通；
第三浸没换热器20设置在定压储气装置21与第三压缩机14和第二膨胀机16连通的管路上。
本实施例中，定压储气装置21为柔性容器。具体的，定压储气装置21为柔性储能包。
具体的，柔性储气装置为安装在水底相对柔软容积可变的容器，可以安装在淡水湖、水库或者海洋。
本实施例中，定压储气装置21放于水面下0－2000米，优选为200－500米，可以满足20－50bar的压力。
本实施例中，还包括有空气干燥机11，设置在第一压缩机2的进口管路上。
第一压缩机2和第一膨胀机3之间的轴结构上设有第一离合器7。
第四膨胀机5与第四压缩机6之间的轴结构上设有第二离合器10。
第二压缩机13与第三压缩机14之间连通有第一沉浸式换热器15；第二膨胀机16与第三膨胀机17之间连通有第二沉浸式换热器19；定压储气装置21与压缩空气储能系统之间设有第三沉浸式换热器20。
本实施例中，每级压缩机压缩比在1－10之间；每级膨胀机的膨胀比在1－10之间。
本实施例中，压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统中的管路上设有多个阀门，阀门分布如图1所示。
压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统实现压缩空气储能的工作原理：
储能过程中将第一阀门101、第四阀门104、第七阀门107、第八阀门108、第九阀门109、第十三阀门113和第十五阀门115开启，关闭其他阀门。控制第一离合器7使第一压缩机2和第一膨胀机3断开连接；启动第一电动机1驱动第一压缩机2进行压缩，环境中常压空气经过空气干燥机11去除水分和灰尘后，经过第一压缩机2压缩后呈高温中压态，高温中压态空气经过蓄热器9将热量存储在蓄热介质中，蓄热器9输出常温中压态空气，常温中压态空气在第二电动机12驱动的第二压缩机13压缩升温后进入第一沉浸式换热器15冷却至常温中压态，常温中压态空气进一步进入第三压缩机14压缩升温后进入第三沉浸式换热器20冷却至常温高压态，常温高压态空气进入放置于水下的定压储气装置21内并存储。
释能过程中，将第二阀门102、第六阀门106、第八阀门108、第九阀门109、第十阀门110、第十四阀门114和第十六阀门116打开，关闭其他阀门。控制第二离合器10使第四压缩机6和第四膨胀机5断开连接；定压储气装置21的高压空气释放出来，经过第三沉浸式换热器20温度升至常温，常温高压空气进入第二膨胀机16做功，第二膨胀机16输出低温中压态空气，低温中压态空气经过第二沉浸式换热器19升温至常温中压态，常温中压态空气进入第三膨胀机17做功，第二膨胀机16和第三膨胀机17驱动第二发电机18发电；第三膨胀机17输出常温常压态空气，经蓄热器9换热后转换为高温中压态，高温中压态空气进入第四膨胀机5做功，使第一发电机4发电，第四膨胀机5排出的常温常压态空气经第十阀门110、第二阀门102和管道排放至环境中。
本实施例中还包括：蓄冷器8、换热器22；蓄冷器8分别与第四膨胀机5的出口、第四压缩机6的进口连通，第四压缩机6的出口与第四膨胀机5的进口分别与蓄热器9连通，且第四压缩机6的出口与蓄热器9连通的管路上设有换热器22。
压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统实现热泵储电的工作原理：
热泵储电储能过程，将第三阀门103、第四阀门104、第五阀门105、第七阀门107、第八阀门108、第九阀门109和第十二阀门112打开，关闭其他阀门。控制第一离合器7使第一压缩机2和第一膨胀机3恢复连接；启动第一电动机1驱动第一压缩机2进行压缩，回路中的气体经过第一压缩机2压缩至高温中压态，经过蓄热器9将热量存储在蓄热介质中至常温中压态，常温中压态气体进入第一膨胀机3做功，产生的一部分功通过轴结构传给第一压缩机2，第一膨胀机3出口的低温低压态气体进入蓄冷器8，经过蓄冷器8将冷能存储在蓄冷介质中至常温常压态重新进入循环。
热泵储电释能过程：将第三阀门103、第六阀门106、第八阀门108、第九阀门109、第十阀门110、第十一阀门111和第十七阀门117打开，关闭其他阀门。控制第二离合器10使第四压缩机6和第四膨胀机5恢复连接；蓄热器9出口的高温中压气体进入第四膨胀机5做功，产生的一部分功通过轴结构传给第四压缩机6，一部分功用于驱动第一发电机4发电；第四膨胀机5出口的常温低压气体进入蓄冷器8，经过蓄冷器8吸收存储的低温冷能至低温低压态，蓄冷器8出口的低温低压态气体进入第四压缩机6压缩升温至常温中压态，进一步进入换热器22使得温度稳定在常温，换热器22出口的常温中压态气体进入蓄热器9吸收存储在蓄热器9蓄热介质的热能转换为高温中压态重新进入循环。
热泵储电系统通过与压缩空气储能系统产生的热能进行能量互换，在进行能量转换时可以与压缩空气储能系统相互切换使用，使用灵活，并且可以实现快速启动与快速响应调节。
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 (8)

1.一种压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，包括：第一电动机(1)、第一压缩机(2)、蓄热器(9)、第二电动机(12)、第二压缩机(13)、第三压缩机(14)、第四压缩机(6)、第一发电机(4)、第一膨胀机(3)、第二膨胀机(16)、第三膨胀机(17)、第四膨胀机(5)、第二发电机(18)；
所述第一电动机(1)、第一压缩机(2)和第一膨胀机(3)通过轴结构连接，第一发电机(4)、第四膨胀机(5)和第四压缩机(6)通过轴结构连接，第二电动机(12)、第二压缩机(13)和第三压缩机(14)通过轴结构连接，第二膨胀机(16)、第三膨胀机(17)和第二发电机(18)通过轴结构连接；
所述第一压缩机(2)、蓄热器(9)、第二压缩机(13)与第三压缩机(14)依次连通，所述第三压缩机(14)的出口与所述第二膨胀机(16)的入口连通，所述第二膨胀机(16)与第三膨胀机(17)连通，所述第三膨胀机(17)的出口与蓄热器(9)连通；
定压储气装置(21)，适于放置在水下，所述定压储气装置(21)与所述第三压缩机(14)和第二膨胀机(16)之间的管路连通；
第三浸没换热器(20)设置在所述定压储气装置(21)与第三压缩机(14)和第二膨胀机(16)连通的管路上；
还包括：
蓄冷器(8)、换热器(22)；
所述蓄冷器(8)分别与第四膨胀机(5)的出口、第四压缩机(6)的进口连通，所述第四压缩机(6)的出口与第四膨胀机(5)的进口分别与所述蓄热器(9)连通，且所述第四压缩机(6)的出口与所述蓄热器(9)连通的管路上设有换热器(22)。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，所述定压储气装置(21)为柔性容器。
3.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，所述定压储气装置(21)为柔性储能包。
4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，所述定压储气装置(21)放于水面下0-2000米。
5.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，还包括有空气干燥机(11)，设置在所述第一压缩机(2)的进口管路上。
6.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，所述第一压缩机(2)和第一膨胀机(3)之间的轴结构上设有第一离合器(7)。
7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，所述第四膨胀机(5)与第四压缩机(6)之间的轴结构上设有第二离合器(10)。
8.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统及热泵储电耦合系统，其特征在于，所述第二压缩机(13)与第三压缩机(14)之间连通有第一沉浸式换热器(15)；
所述第二膨胀机(16)与第三膨胀机(17)之间连通有第二沉浸式换热器(19)。
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