CN115839554A - 一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热化学‑光热补充的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、光热‑热化学转换单元和压缩空气释能单元。本发明可将电网中富余的电能分别转化为压力势能，且引入太阳能作为补充热源，将光能转化为热能和化学能。在储能过程中提升了能量品位，提高了系统的输出功，有利于解决太阳能供给不稳定性和周期性问题。

Description

一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统。

背景技术

大规模储能技术中常见的方式有抽水储能、电化学储能和压缩空气储能等。其中，压缩空气储能具有储能容量大、运行成本较低、使用寿命长等优点，极具商业发展潜力和价值，近年来发展迅速。传统压缩空气储能系统基本工作原理源于燃气轮机系统，系统分为储能和释能两个工作过程，当电网负荷处于低谷期，利用多余的电力来驱动压缩机组，产生高压空气并存储起来。当电网负荷处于高峰期时，存储的高压空气进入燃烧室与化石燃料(如天然气、石油等)混合燃烧，生成高压高温的烟气，驱动透平机组做功。

在可再生能源方面，随着人们对生态保护和低碳生活的意识增强，以及世界范围内化石能源的日益减少。开发使用绿色可再生能源，高效利用化石能源以及减少环境污染已成为世界各国的共识。太阳能作为一种典型的可再生能源取之不尽用之不竭，将太阳能作为补充热源加入到压缩空气储能系统中是一种可行的办法。但将太阳能直接用作对进入透平前的压缩空气进行加热，在太阳能利用过程中存在受天气和时间的条件限制具有波动性和不连续性问题。且太阳辐照时间段与用电高峰期（即压缩空气储能系统释能阶段）存在错位问题，例如日出后一段时间内光照充足但电网的用电需求量并不大，而在日落后的一段时间内缺乏光照但电网的用电需求量依然很大。

综合上述分析，可再生能源利用和压缩空气储能系统的运行过程中，存在以下问题：

首先，煤炭利用过程中的甲醇、二甲醚等液体燃料产量较大。

其次，可再生能源太阳能易受天气和时间影响，存在不稳定性和周期性问题，存在太阳辐照与电网高负荷时段存在错位问题。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，能有效解决上述太阳能易受天气和时间影响、不稳定和与电网需求侧不匹配的问题，同时可减少传统化石燃料的使用。

技术方案：一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、光热-热化学转换单元和压缩空气释能单元，所述压缩空气储能单元包括电动机组、压缩机组、高压储气装置和换热器，所述电动机组与压缩机组连接，所述压缩机组的出气口与换热器的进气口连接，所述换热器的出气口与高压储气装置的进气口连接；所述光热-热化学转换单元包括液体燃料储罐、第一进料泵、太阳能热化学反应装置、气液分离器和合成气储气装置，所述液体燃料储罐的第一出口经第一进料泵与太阳能热化学反应装置的进口连接，所述太阳能热化学反应装置的出口与气液分离器的进口连接，所述气液分离器的气体出口与合成气储气装置的进口连接，所述气液分离器的液体出口与液体燃料储罐的进口连接；所述压缩空气释能单元包括发电机组、透平、燃烧室、回热器，所述发电机组与透平连接，所述透平的进气口与燃烧室的出气口连接，所述回热器的第一进口与透平的乏气出口连接，所述回热器的第二进口与高压储气装置的出气口连接，所述回热器的第二出口与燃烧室的第一进气口连接，所述燃烧室的第二进气口与合成气储气装置的出气口连接。

优选的，所述压缩空气储能单元还包括冷却装置，所述冷却装置的换热流体经过换热器热交换后回流至冷却装置。

优选的，所述系统还包括压缩热能化学转换单元，所述压缩热能化学转换单元包括液体燃料储罐、压缩热能热化学反应装置、合成气储气装置、第二进料泵、气液分离器，所述液体燃料储罐的第二出口经第二进料泵与压缩热能热化学反应装置的进口连接，所述压缩热能热化学反应装置的出口与气液分离器的进口连接。

进一步的，所述压缩热能化学转换单元还包括导热油储罐，所述导热油储罐流出的导热油依次经过换热器和压缩热能热化学反应装置作用后回流至导热油储罐。

进一步的，所述第一进料泵和第二进料泵均为液体燃料泵。

优选的，所述电动机组通过离合器与压缩机组连接。

优选的，所述发电机组通过离合器与透平连接。

优选的，所述回热器与高压储气装置连接的管道上设有第一阀门，所述燃烧室与合成气储气装置连接的管道上设有第二阀门。

优选的，所述太阳能热化学反应装置为线性太阳能聚光集热装置。

优选的，所述回热器设有气体排放口。

有益效果：首先，本发明系统引入太阳能光热-热化学转换单元作为补充热源，通过太阳能聚光集热装置将光能转化为热能，以此为热源驱动吸热的热化学反应，产生合成气，提升能量品位，合成气可用来对释能过程中透平入口气体进行补燃升温，提高系统输出功；

其次，本发明系统将太阳能转化为化学能，产生合成气储存在储罐中，可解决太阳能时间上供给不稳定性和周期性的问题，可通过调节合成气在燃烧室的燃烧量，保证系统的整体平稳运行，还可解决太阳辐照时段与电网需求侧不匹配的问题。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图中序号：1、电动机组，2、压缩机组，3、换热器，4、冷却装置，5、高压储气装置，6、第一阀门，7、回热器，8、燃烧室9、透平，10、发电机组，11、合成气储罐，12、第二阀门，13、气液分离器，14、液体燃料罐，15、第一进料泵，16、太阳能热化学反应装置，17、压缩热能热化学反应装置，18、第二进料泵，19、导热油储罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：

实施例1

如图1所示，一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、光热-热化学转换单元和压缩空气释能单元，所述压缩空气储能单元，用于将电网富余电能转换成空气的压力势能并储存于高压储气装置中；所述光热-热化学转换单元，用于将光能转换为热能作为系统的补充热源，热量用于将液体燃料加热为高温蒸汽和驱动吸热的热化学反应，将热能进一步转化为化学能；所述压缩空气释能单元，用于将储存于高压储气装置中的压力势能和合成气储罐中的化学能转换成稳定的输出功，驱动发电机产生电能输出；

所述压缩空气储能单元包括电动机组1、压缩机组2、换热器3、冷却装置4和高压储气装置5，电动机组1通过离合器与压缩机组2连接，用电能驱动压缩机组2工作，压缩机组2分为进气口和出气口，空气经压缩机组2压缩后，温度升高，压缩机组2出口连接换热器3，压缩后的高温空气进入换热器3与冷却装置4中换热流体进行换热后进入高压储气装置5。

光热-热化学转换单元包括：液体燃料罐14、第一进料泵15、太阳能热化学反应装置16、气液分离器13、合成气储气装置11，液体燃料经第一进料泵15进入太阳能热化学反应装置16，太阳能热化学反应装置16为线性太阳能聚光集热装置，将吸收的光能转化为热能，用于为内部流动的液体燃料提供热化学反应所需的热量，太阳能热化学反应装置16出口流体进入气液分离器13，合成气气体进入合成气储气装置11，未反应的反应物重新进入液体燃料罐14。

压缩空气释能单元包括：回热器7、燃烧室8、透平9和发电机组10，高压储气装置5中的高压气体经第一阀门6进入到回热器7中预热，在回热器7中与透平9的高温乏气进行热交换。预热后的高压空气进入燃烧室8中进行进一步升温，燃烧室8中采用合成气储气装置11中的合成气进行补燃，燃料流量通过第二阀门12的开度进行调节。燃烧室8中的高温高压空气进入透平9，驱动透平9做功，带动发电机组10进行发电。

该系统的具体工作过程为：

在用电需求较低时，将电网富余的电能或可再生能源产生的多余电能输入到电动机组1，电动机组1带动压缩机组2将周围环境中的空气压缩至高压状态，压缩产生的高压空气具有较高温度，进入换热器3中进行冷却后进入高压储气装置5中；

太阳能热化学反应装置16为线性太阳能聚光集热装置与管式化学反应器的耦合，在有太阳辐照时，通过吸热管外表面的选择性吸收涂层，将光能转化为热能。为管内的吸热化学反应提供反应热，产生合成气，太阳能热化学反应装置16出口流体进入气液分离器13，合成气气体进入合成气储气装置11，未反应的反应物重新进入液体燃料罐14。

在用电需求较高时，高压储气装置5中的压缩空气通过第一阀门6进入回热器7中进行预热，回热器7中的热侧流体为透平9出口的高温乏气，预热后的压缩空气进入燃烧室8与合成气储气装置11中的合成气混合进行补燃升温，升温后的压缩空气进入透平9做功，驱动发电机组10发电。

本发明系统添加了光热-热化学反应单元，将可再生能源太阳能与压缩空气储能系统进行耦合，可有效提高压缩空气储能系统的输出功且绿色环保。使用聚光集热装置将光能转换为热能，为太阳能热化学反应装置中吸热的热化学反应提供了反应热，使时间上不连续不稳定的太阳能以化学能的形式储存。当天气情况较差或无光照时，可继续使用合成气补燃，在一定时间内系统的运行不受光照条件变化的影响，使系统平稳运行，且可解决太阳辐照时段与电网需求侧不匹配的问题。

实施例2

如图2所示，一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，包括压缩空气储能单元、压缩热能热化学转换单元、光热-热化学转换单元和压缩空气释能单元，所述压缩空气储能单元，用于将电网富余电能转换成空气的压力势能并储存于高压储气装置中；所述压缩热能热化学转换单元用于将压缩机压缩空气过程中产生的压缩热能转化为化学能，产物合成气储存于合成气储气装置中；所述光热-热化学转换单元，用于将光能转换为热能作为系统的补充热源，热量用于将液体燃料加热为高温蒸汽和驱动吸热的热化学反应，将热能进一步转化为化学能；所述压缩空气释能单元，用于将储存于高压储气装置中的压力势能和合成气储罐中的化学能转换成稳定的输出功，驱动发电机产生电能输出；

所述压缩空气储能单元包括电动机组1、压缩机组2、换热器3、导热油储罐4和高压储气装置5，电动机组1通过离合器与压缩机组2连接，用电能驱动压缩机组工作，压缩机组2分为进气口和出气口，空气经压缩机组2压缩后，温度升高，压缩机组2出口连接换热器3，高温空气进入换热器3与导热油储罐4中导热油进行换热后进入高压储气装置5。

所述压缩热能热化学转换单元包括：压缩热能热化学反应装置17、第二进料泵18、液体燃料罐14、合成气储气装置11和气液分离器13，液体燃料经过第二进料泵18进入压缩热能热化学反应装置17中，利用导热油的热量驱动吸热的热化学反应进行，压缩热能热化学反应装置17的出口与气液分离器13连接，经气液分离后，合成气气体进入合成气储气装置11，未反应的液体燃料重新回到液体燃料罐14。

光热-热化学转换单元包括：第一进料泵15、太阳能热化学反应装置16、与压缩热能热化学转换单元共用的液体燃料罐14、合成气储气装置11、气液分离器13，液体燃料经第一进料泵15进入太阳能热化学反应装置16，太阳能热化学反应装置16为线性太阳能聚光集热装置，将吸收的光能转化为热能，用于为内部流动的液体燃料提供热化学反应所需的热量，太阳能热化学反应装置16出口与经气液分离器13连接，经液分离器13后合成气气体进入合成气储气装置11，未反应的液体燃料重新进入液体燃料罐14。

压缩空气释能单元包括：回热器7、燃烧室8、透平9和发电机组10，高压储气装置5中的高压气体经第一阀门6进入到回热器7中预热，在回热器7中与透平9的高温乏气进行热交换。预热后的高压空气进入燃烧室8中进行进一步升温，燃烧室8中采用合成气储气装置11中的合成气进行补燃，燃料流量通过第二阀门12的开度进行调节。燃烧室8中的高温高压空气进入透平9，驱动透平9做功，带动发电机组10进行发电。

该系统的具体工作过程为：

在用电需求较低时，将电网富余的电能或可再生能源产生的多余电能输入到电动机组1，电动机组1带动压缩机组2将空气压缩至高压状态，压缩产生的高压空气具有较高温度，进入换热器3与导热油储罐4中的导热油进行换热，将热量传递给导热油后进入高压储气装置5中；

压缩过程中的压缩热以导热油为载体，进入压缩热能热化学反应装置17中为其中的吸热化学反应提供热量，第二进料泵18将液体燃料罐14中的液体燃料作为反应物输送到压缩热能热化学反应装置17中，在压缩热能热化学反应装置17中将压缩热能转化为化学能，提升了能量品位；

太阳能热化学反应装置16为线性太阳能聚光集热装置与管式化学反应器的耦合，在有太阳辐照时，通过吸热管外表面的选择性吸收涂层，将光能转化为热能，加热管内经第一进料泵15输送的液体燃料，将其变为蒸汽，且为管内的吸热化学反应提供反应热，产生合成气；

压缩热能热化学反应装置17和太阳能热化学反应装置16的出口与气液分离器13连接，将合成气与未反应的液体燃料分离，合成气进入合成气储气装置11，未反应的液体燃料重新回到液体燃料罐14。

在用电需求较高时，高压储气装置5中的压缩空气通过第一阀门6进入回热器7中进行预热，回热器7中的热侧流体为透平9出口的高温乏气。预热后的压缩空气进入燃烧室8与合成气储气装置11中的合成气混合进行补燃升温，升温后的压缩空气进入透平9做功，驱动发电机组10发电。

本发明系统添加了压缩热能热化学转换单元，将压缩空气过程中产生的压缩热转化为高品位化学能，即将压缩空气产生的热量用于驱动吸热的热化学反应；

本发明系统添加了光热-热化学反应单元，将可再生能源太阳能与压缩空气储能系统进行耦合，可有效提高压缩空气储能系统的输出功且绿色环保。使用聚光集热装置将光能转换为热能，为太阳能热化学反应装置中吸热的热化学反应提供了反应热，使时间上不连续不稳定的太阳能以化学能的形式储存。当天气情况较差或无光照时，可继续使用合成气补燃，在一定时间内系统的运行不受光照条件变化的影响，使系统平稳运行，也可解决太阳辐照时段与电网需求侧错位的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：包括压缩空气储能单元、光热-热化学转换单元和压缩空气释能单元，

所述压缩空气储能单元包括电动机组（1）、压缩机组（2）、高压储气装置（5）和换热器（3），所述电动机组（1）与压缩机组（2）连接，所述压缩机组（2）的出气口与换热器（3）的进气口连接，所述换热器（3）的出气口与高压储气装置（5）的进气口连接；

所述光热-热化学转换单元包括液体燃料储罐（14）、第一进料泵（15）、太阳能热化学反应装置（16）、气液分离器（13）和合成气储气装置（11），所述液体燃料储罐（14）的第一出口经第一进料泵（15）与太阳能热化学反应装置（16）的进口连接，所述太阳能热化学反应装置（16）的出口与气液分离器（13）的进口连接，所述气液分离器（13）的气体出口与合成气储气装置（11）的进口连接，所述气液分离器（13）的液体出口与液体燃料储罐（14）的进口连接；

所述压缩空气释能单元包括发电机组（10）、透平（9）、燃烧室（8）、回热器（7），所述发电机组（10）与透平（9）连接，所述透平（9）的进气口与燃烧室（8）的出气口连接，所述回热器（7）的第一进口与透平（9）的乏气出口连接，所述回热器（7）的第二进口与高压储气装置（5）的出气口连接，所述回热器（7）的第二出口与燃烧室（8）的第一进气口连接，所述燃烧室（8）的第二进气口与合成气储气装置（11）的出气口连接。

2.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述压缩空气储能单元还包括冷却装置（4），所述冷却装置（4）的换热流体经过换热器（3）热交换后回流至冷却装置（4）。

3.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：还包括压缩热能化学转换单元，所述压缩热能化学转换单元包括液体燃料储罐（14）、压缩热能热化学反应装置（17）、合成气储气装置（11）、第二进料泵（18）、气液分离器（13），所述液体燃料储罐（14）的第二出口经第二进料泵（18）与压缩热能热化学反应装置（17）的进口连接，所述压缩热能热化学反应装置（17）的出口与气液分离器（13）的进口连接。

4.根据权利要求3所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述压缩热能化学转换单元还包括导热油储罐（19），所述导热油储罐（19）流出的导热油依次经过换热器（3）和压缩热能热化学反应装置（17）作用后回流至导热油储罐（19）。

5.根据权利要求3所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述第一进料泵（15）和第二进料泵（18）均为液体燃料泵。

6.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述电动机组（1）通过离合器与压缩机组（2）连接。

7.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述发电机组（10）通过离合器与透平（9）连接。

8.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述回热器（7）与高压储气装置（5）连接的管道上设有第一阀门（6），所述燃烧室（8）与合成气储气装置（11）连接的管道上设有第二阀门（12）。

9.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述太阳能热化学反应装置（16）为线性太阳能聚光集热装置。

10.根据权利要求1所述的一种热化学-光热补充的压缩空气储能系统，其特征在于：所述回热器（7）设有气体排放口。

Images