CN115306686B - 一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，包括：压缩空气储罐，所述压缩空气储罐内一端盛放压缩空气，另一端盛放二氧化碳，所述压缩空气储罐内部设置有密封隔膜或密封袋用于隔开二氧化碳和压缩空气；二氧化碳储罐，其与压缩空气储罐连通；空气压缩系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换；空气膨胀系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换。本发明有效解决了系统密封问题，同时使压缩空气储能系统按恒压工况工作，可以极大得提高压缩空气储能系统的效率。

Description

一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，属于压缩空气储能技术领域。
背景技术
随着能源环境问题的日益突出，风能、太阳能等可再生能源受到越来越多的重视，但是由于可再生能源的波动性、随机性以及现有电网的调峰能力不足等问题给可再生能源的发展带来了巨大的挑战。压缩空气储能系统是一种能量存储系统，作为电厂和电网之间的过渡系统，可以解决光伏和风电等不稳定可再生能源发电并网难的问题，能够平滑电网的负荷波动，提高电网的安全性和可调控性，从而提高能源利用率。压缩空气储能系统利用低谷电，将空气压缩并密封储存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，推动汽轮机发电。
按照储气方式的不同，压缩空气储存系统可以分为恒压式和变压式(或恒容式)两类，主要区别在于前者在运行过程中可以保持储气室内空气压力不变，压力不变既可以保持储气室的稳定性，还可以提高能量转换效率和电能输出品质。因此，恒压式压缩空气储能系统是压缩空气储能电站建设的理想模式。目前大型压缩空气储能系统多采用液体静压系统定压，如海水底恒压、地下储库水库恒压，不但对项目所在地的条件提出了严格的要求，还极大地增加了系统的投资。小型压缩空气储能系统多采用恒容式压缩空气储能系统，提高系统效率的方法主要集中在提高设备运行效率、控制压缩机进口及膨胀机进口温度等方面，小型恒压式压缩空气储能系统的研究较少，且主要采用机械恒压的方法，而机械恒压对系统的密封要求极为严苛。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，有效解决了系统密封问题，同时使压缩空气储能系统按恒压工况工作，可以极大得提高压缩空气储能系统的效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，包括：
压缩空气储罐，所述压缩空气储罐内一端盛放压缩空气，另一端盛放二氧化碳，所述压缩空气储罐内部设置有密封隔膜或密封袋用于隔开二氧化碳和压缩空气，所述压缩空气储罐上分别设有压缩空气进口、压缩空气出口、二氧化碳进口和二氧化碳出口；
二氧化碳储罐，所述压缩空气储罐的二氧化碳进口和二氧化碳出口分别连接至二氧化碳储罐的进气口和出气口；
空气压缩系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N≥2，其中第一级空气压缩机的进气口连接至大气，第N级空气压缩机的出气口连接至压缩空气储罐的压缩空气进口；
空气膨胀系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括工作压力逐渐减小的M级空气膨胀机，M≥2，其中第一级空气膨胀机的进气口连接至压缩空气储罐的压缩空气出口，第M级空气膨胀机的出气口连接至大气。
进一步的，所述密封隔膜或密封袋为橡胶隔膜或橡胶袋。
进一步的，所述压缩空气储罐内盛有二氧化碳的一端设有二氧化碳冷却器，所述二氧化碳储罐内设有二氧化碳加热器。
进一步的，所述空气压缩系统中的N级空气压缩机之间串联连接，相邻两级空气压缩机之间设有一个或多个换热器；
所述空气膨胀系统中的M级空气膨胀机之间串联连接，相邻两级空气膨胀机之间设有一个或多个换热器。
进一步的，所述压缩空气储罐设有一个或多个，所述压缩空气储罐之间并联连接。
进一步的，还包括系统空冷器或冷却塔，所述二氧化碳冷却器与系统空冷器或冷却塔连接。
进一步的，还包括高温储罐和中温储罐，用于盛放换热介质；所述二氧化碳加热器与中温储罐连接；空气膨胀机之间的换热器与高温储罐连接。
进一步的，每相邻两级空气压缩机之间设有三级换热器，第一级换热器连接高温储罐，第二级换热器连接中温储罐，第三级换热器连接系统空冷器或冷却塔。
进一步的，所述高温储罐和中温储罐均通过循环控制单元与换热器连通。
本发明的有益效果为：
1)本发明引入二氧化碳相变定压系统，通过橡胶袋或橡胶隔膜将二氧化碳与压缩空气隔离，橡胶袋或橡胶隔膜基本不承受外部压力，有效解决了系统密封问题，同时使压缩空气储能系统按恒压工况工作，极大得提高了压缩空气储能系统的效率；
2)本发明的恒压式压缩空气储存系统在工作压力下稳定工作，通过二氧化碳的相变实现容积变化从而控制蓄、释能过程压缩空气的存储量，极大得提高了压缩空气存储系统的利用率；
3)选取二氧化碳作为相变稳压物质，在7.0MPa下，二氧化碳的相变温度为28.66℃，相变温度较高，在蓄能过程中能够采用冷却塔、空冷器等设备冷却，充分利用环境冷量；
4)现有的小型压缩空气储能系统在空气压缩过程中蓄存的热能均大于释能过程中加热压缩空气所需要的热能，只有当多余热能能够获得充分利用时，才能保证系统的效率。本发明在释能阶段，二氧化碳相变稳压系统需要吸热汽化，增加了蓄存热能的消纳，减少了外供热量，即使在没有热能消纳的场所，系统仍能保持较高的效率；
5)压缩过程设置多级换热器，根据热能品质梯级利用，高品位热能用于加热膨胀机入口压缩空气，提高系统的发电量，低品位热能用于加热液体二氧化碳使其蒸发，实现压缩空气储气系统排气压力的恒定。
附图说明
图1为本发明所述基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统结构示意图；其中
1-压缩空气储罐，2-二氧化碳储罐，3-二氧化碳冷却器，4-二氧化碳加热器，5-压缩空气，6-气态二氧化碳，7-液态二氧化碳，8-一级空气压缩机，9-二级空气压缩机，10-三级空气压缩机，11-四级空气压缩机，12-四级空气膨胀机，13-三级空气膨胀机，14-四级空气膨胀机，15-一级空气膨胀机，16-高温储罐，17-中温储罐，18,19-循环控制单元，20-空冷器或冷却塔，21-换热器，22-一级换热器，23-二级换热器，24-三级换热器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，包括：
压缩空气储罐1，所述压缩空气储罐1内一端盛放压缩空气5，另一端盛放二氧化碳，所述压缩空气储罐1内的二氧化碳为气态二氧化碳6。所述压缩空气储罐1内部设置有密封隔膜或密封袋用于隔开二氧化碳和压缩空气5，所述密封隔膜或密封袋可选为橡胶隔膜或橡胶袋，由于压缩空气内压与二氧化碳气相空间压力相平衡，橡胶袋或橡胶隔膜基本不承受应力，有效解决了系统密封问题。所述压缩空气储罐1上分别设有压缩空气进口、压缩空气出口、二氧化碳进口和二氧化碳出口。
一种可选的实施方式，所述压缩空气储罐1设有一个或多个，当压缩空气储罐1设有多个时，所述压缩空气储罐1之间并联连接。
二氧化碳储罐2，所述压缩空气储罐1的二氧化碳进口和二氧化碳出口分别连接至二氧化碳储罐2的进气口和出气口。
一种可选的实施方式，所述压缩空气储罐1内盛有二氧化碳的一端设有二氧化碳冷却器3，所述二氧化碳储罐2内设有二氧化碳加热器4。
本发明利用二氧化碳相变来维持储能和释能过程中压缩空气工作压力的恒定。压缩空气储罐1内置储气橡胶袋或橡胶隔膜，压缩空气内压与二氧化碳气相空间压力相平衡，橡胶袋或橡胶隔膜基本不承受应力。在储能和释能过程中通过二氧化碳的相态转变，依次增大或减小压缩空气体积，以保障储能和释能过程中压缩空气的压力恒定。在储能过程中，占据压缩空气储罐1空间的气态二氧化碳被冷却液化，回流到二氧化碳储罐2的液相空间，保证压缩空气储罐的压力恒定；在释能过程中，通过加热二氧化碳储罐2中的液态二氧化碳使之部分汽化，占据原有压缩空气的空间，从而保障压缩空气在释能过程中的压力基本恒定，杜绝了恒容式系统节流带来的压力能损失。
所述压缩空气储能系统还包括空气压缩系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N为≥2的正整数，其中第一级空气压缩机8的进气口连接至大气，第N级空气压缩机的出气口连接至压缩空气储罐1的压缩空气进口。一种可选的实施方式，所述空气压缩系统中，空气压缩机选用四级。
所述压缩空气储能系统还包括空气膨胀系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括工作压力逐渐减小的M级空气膨胀机，M为≥2的正整数，其中第一级空气膨胀机15的进气口连接至压缩空气储罐1的压缩空气出口，第M级空气膨胀机的出气口连接至大气。一种可选的实施方式，所述空气膨胀系统中，空气膨胀机选用四级。
一种可选的实施方式，所述压缩空气储能系统还包括系统空冷器或冷却塔20，所述二氧化碳冷却器3与系统空冷器或冷却塔20连接。本发明选取二氧化碳作为相变稳压物质，在7.0MPa下，二氧化碳的相变温度为28.66℃，相变温度较高，在蓄能过程中能够采用冷却塔、空冷器等设备冷却，可以充分利用环境冷量。
一种可选的实施方式，所述压缩空气储能系统还包括高温储罐16和中温储罐17，用于盛放换热介质，如水。所述高温储罐16和中温储罐17均通过循环控制单元18,19与换热器连通。
一种可选的实施方式，所述空气压缩系统中的N级空气压缩机之间串联连接，相邻两级空气压缩机之间设有一个或多个换热器，本实施例中在相邻两级空气压缩机之间设置了三级换热器。其中，第一级换热器22连接高温储罐16，第二级换热器23连接中温储罐17，第三级换热器24连接系统空冷器或冷却塔20。
一种可选的实施方式，所述空气膨胀系统中的M级空气膨胀机之间串联连接，相邻两级空气膨胀机之间设有一个或多个换热器21，本实施例中在相邻两级空气膨胀机之间设置了1个换热器21。所述空气膨胀机之间的换热器21与高温储罐16连接。
本发明在空气压缩过程设置多级换热器，根据热能品质梯级利用，高品位热能用于加热空气膨胀机入口压缩空气，提高系统的发电量；低品位热能用于加热液态二氧化碳使其蒸发，实现压缩空气储气系统排气压力的恒定。
另外，现有的小型压缩空气储能系统在空气压缩过程中蓄存的热能均大于释能过程中加热压缩空气所需要的热能，只有当多余热能能够获得充分利用时，才能保证系统的效率。本发明在释能阶段，二氧化碳相变稳压系统需要吸热汽化，即二氧化碳加热器通过吸收中温储罐中的热实现液态二氧化碳到气态二氧化碳的相变，而中温储罐蓄存了空气压缩时的热能，因此通过设置二氧化碳相变系统，增加了蓄存热能的消纳，减少了外供热量，即使在没有热能消纳的场所，系统仍能保持较高的效率。
恒容式小型压缩空气储能系统的压缩空气储存系统往往需要在较大的压差下工作以满足储存压缩空气的需求，导致压缩空气储存系统容积增大且压缩空气储存系统易出现应力疲劳，极大增加了压缩空气储能系统的初投资并产生一定的安全隐患。
本发明所提供的恒压式压缩空气储存系统在工作压力下稳定工作，通过二氧化碳的相变实现容积变化从而控制蓄、释能过程压缩空气的存储量，极大得提高了压缩空气存储系统的利用率。在本发明系统工作过程中，压缩空气储罐1的储气量理论上为储气罐设计压力下所容纳的压缩空气量，克服了压缩空气储罐在工作压力区间内储气的弊端，极大地降低了压缩空气罐的容积，降低了压力容器的压力变化，以7MPa，30℃的存储条件计算，单位质量空气需要的储气罐容积将达到81.87m3/kg，极大得降低了压缩空气储罐的容积，有助于降低系统的初投资。
本发明采用二氧化碳相变定压系统，实现小型压缩空气储能系统的恒压运行，提高了压缩空气存储系统的容积利用率、改善了其运行条件，降低了系统运行过程中的压力能损失，同时引入热能梯级利用技术，能够将系统的运行效率电-电效率提高到60～70％，同时显著提高了系统的适用范围，其不受地理地质条件限制，该分布式压缩空气储能系统可广泛应用，能够满足可再生能源所需的储能需求，在未来电网系统中将具有广泛的应用场景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，其特征在于，包括：
压缩空气储罐，所述压缩空气储罐内一端盛放压缩空气，另一端盛放二氧化碳，所述压缩空气储罐内部设置有密封隔膜或密封袋用于隔开二氧化碳和压缩空气，所述压缩空气储罐上分别设有压缩空气进口、压缩空气出口、二氧化碳进口和二氧化碳出口；
二氧化碳储罐，所述压缩空气储罐的二氧化碳进口和二氧化碳出口分别连接至二氧化碳储罐的进气口和出气口；
空气压缩系统，利用电能将空气压缩，完成电能到空气压力能的转换，包括压缩压力逐渐增大的N级空气压缩机，N≥2，其中第一级空气压缩机的进气口连接至大气，第N级空气压缩机的出气口连接至压缩空气储罐的压缩空气进口；
空气膨胀系统，利用高压空气膨胀做功，完成空气压力能到机械能的转换，包括工作压力逐渐减小的M级空气膨胀机，M≥2，其中第一级空气膨胀机的进气口连接至压缩空气储罐的压缩空气出口，第M级空气膨胀机的出气口连接至大气；
所述压缩空气储罐内盛有二氧化碳的一端设有二氧化碳冷却器；所述二氧化碳储罐内设有二氧化碳加热器；
还包括系统空冷器或冷却塔，所述二氧化碳冷却器与系统空冷器或冷却塔连接；
还包括高温储罐和中温储罐，用于盛放换热介质；所述二氧化碳加热器与中温储罐连接；空气膨胀机之间的换热器与高温储罐连接；
所述空气压缩系统中N级空气压缩机之间串联连接，每相邻两级空气压缩机之间设有三级换热器，第一级换热器连接高温储罐，第二级换热器连接中温储罐，第三级换热器连接系统空冷器或冷却塔。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，其特征在于，所述密封隔膜或密封袋为橡胶隔膜或橡胶袋。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，其特征在于，
所述空气膨胀系统中的M级空气膨胀机之间串联连接，相邻两级空气膨胀机之间设有一个或多个换热器。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气储罐设有一个或多个，所述压缩空气储罐之间并联连接。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化碳相变稳压的压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温储罐和中温储罐均通过循环控制单元与换热器连通。
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