CN115875244A - 一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统及储能方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统及储能方法，其中压缩空气储能系统中包括至少两个水气共容室；其中至少一个水气共容室中充满压力液体，其余水气共容室中用于存储高压空气；水气共容室之间压力液体相互流通。恒压全容量释能型压缩空气储能系统在储能工况时可直接将高压空气存储在水气共容室内无能量转换损失；恒压全容量释能型压缩空气储能系统在释能工况时，利用压力液体在存储高压空气的多个水气共容室内循环流通，将高压空气恒压全容量释放，实现利用少量的压力液体在水气共容室之间循环，显著减少势能资源供应。

Description

一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统及储能方法

技术领域

本申请涉及存储领域技术领域，尤其涉及一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统及储能方法。

背景技术

随着新能源大规模利用，储能已成为全球能源转型进程中不可或缺的环节，尤其在大规模新能源基地等场景下，更需要大规模、长时、高效、低成本储能技术支撑。在众多储能技术中，普遍认为压缩空气储能系统是最具竞争力的大规模电力储能技术路线之一。

相关压缩空气储能技术可以分为恒压式储能和变压式（或恒容式）储能两类，恒压式储能和变压式（或恒容式）储能的主要区别在于，前者在运行过程中可以保持储气室内空气压力不变，维持储气室稳定性的同时，提高了储能系统的能量转换效率和电能输出品质，因此，恒压式储能是压缩空气储能电站建设的理想模式。但是，为保证压缩空气储能系统的恒压输出，则需要采用液体静压系统定压，如海水底恒压、地下储库水库恒压等，不但对项目所在地的地质条件提出了严格的要求，还极大地增加了系统的建设投资成本，导致运行经济性较差。例如，CN114718684A公开了一种重力液压压缩空气储能系统和方法，其中包括储气库、液压竖井、液压管路和液压旁路，储气库中填充有压力液体，液压竖井中活动插接有重力压块，重力压块外壁与液压竖井内壁之间密封连接有密封膜；重力压块、密封膜以及液压竖井中位于重力压块和密封膜下方的空间围成储液腔；液压管路的进液端和出液端分别与储气库和储液腔相连，且液压管路设置高压水泵；液压旁路的进液端和出液端分别与储液腔和储气库相连。上述的相关技术中，储能系统在储能工况时，由压缩机向储气库内充入高压空气，高压空气和高压水泵一起将液压液体排入液压井内以抬升重力压块；其在释能工况时，由水轮机和膨胀机组同时带动发电机发电。其中，因液压竖井所需重力规模巨大导致储能系统的建设投资巨大；此外，储能系统运行时压力液体的体量所需也较大，造成巨大水资源浪费；而储气库也需要较大体积同时容纳压力液体和高压空气，使得建筑投资成本进一步增大，故相关技术中储能系统的工程实用性差、运行经济性较低。

但是，如果储能系统为变压式运行，例如释能压力逐渐降低，则储能系统将被迫采用节流恒压或者滑压运行等模式，将导致储能效率较低。而储能系统在较低压力的工况下运行时，储气室内的压缩空气整体利用率较低，无法将压缩空气全部释能做功。同时，为保证储能系统的释能效果，则需要扩大储气室的建筑规模，增加了项目投资成本，制约了大规模压缩空气储能技术的推广应用。因此，如何提供一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统及储能方法，在能够保证储能效率的情况下，增强压缩空气储能系统的工程实用性；同时减小压缩空气储能系统的建筑规模以降低投资成本，提高储能系统的运行经济性，最终达到压缩空气恒压全容量释放是亟需解决的技术问题。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统及储能方法，其中压缩空气储能系统中包括多级联用的水气共容室，其中至少一个水气共容室中充满压力液体，其余水气共容室中用于存储高压空气，多个水气共容室呈分布式设置且压力液体相互流通。在一些方案中，恒压全容量释能型压缩空气储能系统在储能工况时，可直接将高压空气进行存储在水气共容室内无能量转换损失；压缩空气储能系统在释能工况时，利用压力液体在相互连通的水气共容室内循环流通，将存储高压空气的多个水气共容室内的高压空气恒压全容量释放，实现利用少量压力液体在水气共容室之间循环显著减少势能资源供应。

根据本申请的第一个方面提出了一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统，包括：

至少两个水气共容室；其中至少一个所述水气共容室中充满压力液体，其余所述水气共容室中用于存储高压空气；所述水气共容室之间压力液体相互流通；

压缩机组，所述压缩机组连接所述水气共容室的气体通口，用于向所述水气共容室中通入高压空气；及

膨胀机组，所述膨胀机组连接所述水气共容室的所述气体通口，以使所述水气共容室中储存的高压空气通入所述膨胀机组中做功发电。

在一些实施例中，所述水气共容室上设置有与所述水气共容室连通的压力平衡件；所述压力平衡件用于在所述水气共容室中的压力液体流出时平衡所述水气共容室的内外气压。

在一些实施例中，所述压力平衡件包括连通管；所述连通管一端与所述水气共容室连接，另一端设置有连通阀；通过所述连通阀的开关实现所述水气共容室的内外气压平衡或密封。

在一些实施例中，所述水气共容室的液体通口之间利用液压管路连通；所述液压管路上设置多个液泵组件以及多个液阀；相邻的所述水气共容室之间均设置有所述液泵组件，且每一所述水气共容室的液体通口处均设置有所述液阀。

在一些实施例中，所述液泵组件用于将所述水气共容室中的压力液体转移至存储高压空气的所述水气共容室中，其包括液泵以及与所述液泵连接的控制阀。

在一些实施例中，所述水气共容室的所述气体通口之间利用气压管路连通；所述气压管路上设置多个气阀；每一所述气阀对应设置在所述气体通口处。

在一些实施例中，所述压力平衡件和所述气体通口均设置在所述水气共容室的顶部；所述液体通口设置在所述水气共容室的底部。

根据本申请的第二个方面提出了一种恒压全容量释能的压缩空气储能方法，该方法采用上述任意一项实施例中所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统进行压缩空气储能。

在一些实施例中，初始阶段中至少一个水气共容室内充满压力液体；包括如下过程：

储能工况时，压缩机组将空气压缩生成高压空气并送入剩余的所述水气共容室内；

释能工况时，至少一个所述水气共容室内的压力液体同时向充满高压空气的所述水气共容室内输入压力液体，直至所述水气共容室内压力液体完全驱替高压空气；同时所述水气共容室内的高压空气全部进入膨胀机组内膨胀做功。

在一些实施例中，初始阶段一个水气共容室内充满压力液体；释能工况时，所述水气共容室内的压力液体向相邻的充满高压空气的所述水气共容室内输入直至压力液体完全驱替高压空气；同时所述水气共容室内高压空气进入膨胀机组推动膨胀机组做功。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一实施例提出的压缩空气储能系统的结构框图；

图2是本申请一实施例提出的水气共容室的分布连接示意图；

图3是本申请另一实施例提出的水气共容室的分布连接示意图；

图4是本申请一实施例提出的水气共容室的结构示意图；

图5是本申请另一实施例提出的水气共容室的结构示意图；

图6是本申请一实施例提出的恒压全容量释能的压缩空气储能方法流程图；

图中，1000、压缩空气储能系统；1、水气共容室；11、气体通口；12、液体通口；13、压力平衡件；131、通气孔；132、连通管；133、连通阀；2、压缩机组；3、膨胀机组；4、液压管路；5、液泵组件；51、液泵；52、控制阀；6、液阀；7、气压管路；8、气阀。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面详细描述本申请的示例，示例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的示例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

图1本申请一实施例提出的压缩空气储能系统1000的结构框图。根据本申请的第一个方面提出了一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000如图1所示，包括：至少两个相互连通的水气共容室1，压缩机组2和膨胀机组3。在至少两个相互连通的水气共容室1中，其中至少一个水气共容室1中充满压力液体，其余水气共容室1中用于存储高压空气；可理解的，其中水气共容室1为型材制成的具有一定容纳体积的密封容器，其具有较强的支撑力和密封性可用于绝热存储液体和气体。

示例的，水气共容室1可为两个或者超过两个的多个，且水气共容室1之间相互连通。换言之，水气共容室1上设置有用于进出高压空气的气体通口11和用于进出压力液体的液体通口12如图4和图5所示，其中压力液体至少充满一个水气共容室1，压力液体可在水气共容室1之间相互流通。如图所示，水气共容室1可为两个，一个水气共容室1内存储高压空气，另一个水气共容室1内存满压力液体，即至少一个水气共容室1内存满压力液体。其中水气共容室1上设置气体通口11和液体通口12，可知的根据高压空气与压力液体的流通特性，液体通口12可设置在水气共容室1的底部，气体通口11可设置在水气共容室1的顶部。

需要说明的是，本申请实施例中水气共容室1的设置可因地制宜，在修筑选址之处具有较大的空间和较优的地质情况时，可对全部的水气共容室1进行集中设置；但是在修筑选址之处的地质情况不适宜时，可将水气共容室1进行模块化分散设置，以期扩大恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000的普适性，有利于恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000的推广使用。

本实施例中压缩机组2连接水气共容室1的气体通口11，用于向水气共容室1中通入高压空气；膨胀机组3也连接水气共容室1的气体通口11，以使水气共容室1中储存的高压空气通入膨胀机组3中做功发电，可参考如图2和图3所示；其中压缩机组2和膨胀机组3均为本领域常规设置，不再赘述。

因此本实施例中恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000的结构简单易实现且成本低，其在储能工况阶段时，压缩机组2将空气压缩生成高压空气送入未存储压力液体的水气共容室1内即可，实现了直接将高压空气进行存储无能量转换损失；其在释能工况阶段时，利用少量的压力液体输入存储高压空气的水气共容室1内将存储的高压空气输出至膨胀机组3推动膨胀机组3做功。因此本申请可利用少量的压力液体在相互连通的多个水气共容室内循环流动，将存储在水气共容室内高压空气便捷高效稳定的恒压全容量输出，达到高压空气全部利用相较于相关技术可减小压缩空气容量40%以上。此外，通过压力液体在多个水气共容室1内的循环流动可减少压力液体储备量，相较于相关技术压力液体的储备量减少了90%以上，极大优化了人工水气共容室1压缩空气储能的建设规模和投资成本，推动了大规模压缩空气储能技术的经济可行性。

在一些实施例中，水气共容室1上设置有与水气共容室1连通的压力平衡件13；压力平衡件13用于在水气共容室1中的压力液体流出时平衡水气共容室1内外气压。

其中在水气共容室1上设置有压力平衡件13，其中压力平衡件13与水气共容室1连通，用于平衡水气共容室1内外气压。可知的，在水气共容室1内充满压力液体时，当压力液体流通转移时为实现压力液体的顺利流出，并防止对水气共容室1造成结构损伤，可在水气共容室1上设置平衡水气共容室1内外压的压力平衡件13，在水气共容室1的内外压力相同时，可实现水气共容室1内的压力液体顺利转移。

示例的如图4所示，可通过在水气共容室1上开设通气孔131，实现水气共容室1的内外压力相同。但为保证水气共容室1的存储密封性，在一些实施例中如图5所示，压力平衡件13包括连通管132；其中连通管132为两端开放的管道结构，其与水气共容室1为一体成型件，连通管132的一端固定在水气共容室1的顶部，另一端设置有连通阀133，连通阀133可根据恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000的工况关闭或打开，在连通阀133关闭的情况下实现水气共容室1的密封；在连通阀133打开的情况下实现水气共容室1的内外气压平衡。

在一些实施例中，水气共容室1的液体通口12之间利用液压管路4连通；液压管路4上设置多个液泵组件5以及多个液阀6；相邻的水气共容室1之间均设置有液泵组件5，且每一水气共容室1的液体通口12处均设置有液阀6。

本实施例中各水气共容室1的液体通口12之间利用液压管路4连通如图4和图5所示，其中液压管路4为爪状结构并包括主流管道和多个分支流道；其中每一分支流道的两端分别连通主流管道和水气共容室1的液体通口12。在本实施例中液阀6与分支流道配对使用，即一个分支流道上对应一个液阀6，用于控制分支流道的流量以及分支流道是否流通或封闭。而液泵组件5设置在相邻分支流道之间的主流管道上，用于泵送水气共容室1内的压力液体，并配合分支流道上的液阀6，实现压力液体在不同的水气共容室1内流通转移。示例的，液泵组件5包括液泵51以及与液泵51连接的控制阀52，其中根据压力液体的流通方向，控制阀52位于液泵51的上游。可知的液泵51可为转移水气共容室1内的压力液体提供输送力，而控制阀52可控制流经该主流管道处的压力液体的流量，其中压力液体的流量可以为0。

在一些实施例中，水气共容室1的气体通口11之间利用气压管路7连通；气压管路7上设置多个气阀8；每一气阀8对应设置在气体通口11处。

本实施例中各水气共容室1的气体通口11之间利用气压管路7连通如图3-图5所示，其中气压管路7可示例为爪状结构，气压管路7包括主管道和多个分支管道；其中每一分支管道的两端分别连通主管道和水气共容室1的气体通口11，其中气阀8与分支管道配对使用，即一个分支管道上对应一个气阀8，用于控制分支管道内的高压空气流量，其中高压空气的流量可以为0。示例的，在恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000不同工况下，气阀8的打开和关闭情况分别为以下情景：当压缩空气储能系统1000在储能工况阶段时，存储有压力液体的水气共容室1的气阀8全部关闭，其余所有的水气共容室1的气阀8均打开。当压缩空气储能系统1000在释能工况阶段时，接收压力液体的水气共容室1上的气阀8打开，其余的水气共容室1上的气阀8均关闭。

根据本申请的第二个方面提出了一种恒压全容量释能的压缩空气储能方法如图6所示，该方法采用上述任意一项实施例中的恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000进行压缩空气储能；包括以下步骤：S1:初始阶段中至少一个水气共容室1内充满压力液体。其中S2:储能工况时，压缩机组2将空气压缩生成高压空气送入未存储压力液体的水气共容室1内；S3:释能工况时，至少一个水气共容室1内的压力液体同时向充满高压空气的水气共容室1内输入压力液体，直至水气共容室内压力液体完全驱替高压空气；同时水气共容室1内的高压空气全部进入膨胀机组3推动膨胀机组3做功。

其中，至少一个水气共容室1内充满压力液体可理解为一个、两个或多个水气共容室1内充满压力液体，其中因本实施例中的恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000主要用于存储高压空气实现储能，因此在应用中需要保证较多的水气共容室1用于存储高压空气，存储压力液体的水气共容室1不宜较多，而剩余的未存储压力液体的水气共容室1则用于存储高压空气。

示例的如图2所示，水气共容室1为三个，为便于描述，按照图中的从右到左的方向依次对三个水气共容室1为一号、二号和三号；其中初始阶段中一号水气共容室1内存储压力液体；二号和三号水气共容室1内为空，用于存储高压空气；在储能工况时，打开二号和三号水气共容室1上的气阀8，保持一号水气共容室1上的气阀8关闭同时保持一号、二号和三号水气共容室1上的液阀6和连通阀133关闭，压缩机组2将空气压缩生成高压空气送入二号和三号水气共容室1内。

释能工况时，打开一号水气共容室1上的液阀6和连通阀133，并打开二号水气共容室1上的液阀6和气阀8以及一号和二号水气共容室1之间的液泵51和控制阀52，一号水气共容室1内的压力液体逐渐转移至二号水气共容室1内；同时二号水气共容室1内的高压空气进入膨胀机组3推动膨胀机组3做功直至二号水气共容室1内充满压力液体。循环该过程，使得二号水气共容室1内的压力液体逐渐全部转移至三号水气共容室1内，最终完成利用少量的压力液体在多个水气共容室1循环流通将存储的高压空气恒压全容量释放，显著减少势能资源供应。

利用以下案例说明本实施例，相关技术中其中100MW×10h压缩空气储能系统1000的储气室中10Mpa滑压运行至7Mpa，需要储气容量约30万立方米；采取本实施例中的方案同样的发电功率下，本实施例中的水气共容室1仅需储气容量约10万立方米，假设水气共容室1容纳量为1000立方米，则需要100个用于容纳高压空气的水气共容室1并配置1-5个1000立方米用于容纳压力液体的水气共容室1，可减小压缩空气容量40%以上；同时通过压力液体循环应用，减少压力液体储备量，相较于相关技术压力液体的储备量减少了90%以上；大幅度节约了人工水气共容室1压缩空气储能的建设规模和投资成本和压力液体的储备量，极大推动了大规模压缩空气储能技术的经济可行性，且整体恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000的能量损耗仅为液泵51输送压力液体的损耗。

典型的，两个水气共容室1内充满压力液体，如图3所示，水气共容室1为四个为便于描述，按照图中的从右到左的方向依次对三个水气共容室1为一号、二号、三号和四号；其中一号和二号水气共容室1内充满压力液体；三号和四号水气共容室1内用于存储高压空气；在储能工况时，打开三号和四号水气共容室1上的气阀8，保持一号和二号水气共容室1上的气阀8关闭同时保持一号、二号、三号和四号水气共容室1上的液阀6和连通阀133关闭，压缩机组2将空气压缩生成高压空气送入三号和四号水气共容室1内。

本实施例中的压缩空气储能系统1000释能工况时，打开一号和二号水气共容室1上的液阀6和连通阀133，并同时打开三号和四号水气共容室1上的液阀6和气阀8以及所有水气共容室1之间的液泵51和控制阀52，一号和二号水气共容室1内的压力液体逐渐全部转移至三号和四号水气共容室1内；同时三号和四号水气共容室1内的高压空气全部进入膨胀机组3推动膨胀机组3做功，该实施例适用于在短时间内需要大量高压空气释放做功的情况下。

因此，本申请实施例中恒压全容量释能型压缩空气储能系统1000在储能工况时，可直接将高压空气进行存储在水气共容室内无能量转换损失；压缩空气储能系统1000在释能工况时，利用压力液体在相互连通的水气共容室内循环流通，将存储高压空气的多个水气共容室内的高压空气恒压全容量释放，实现利用少量压力液体在水气共容室之间循环显著减少势能资源供应。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，包括：

至少两个水气共容室；其中至少一个所述水气共容室中充满压力液体，其余所述水气共容室中用于存储高压空气；所述水气共容室之间压力液体相互流通；

压缩机组，所述压缩机组连接所述水气共容室的气体通口，用于向所述水气共容室中通入高压空气；及

膨胀机组，所述膨胀机组连接所述水气共容室的所述气体通口，以使所述水气共容室中储存的高压空气通入所述膨胀机组中做功发电。

2.根据权利要求1所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，所述水气共容室上设置有与所述水气共容室连通的压力平衡件；所述压力平衡件用于在所述水气共容室中的压力液体流出时平衡所述水气共容室的内外气压。

3.根据权利要求2所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，所述压力平衡件包括连通管；所述连通管一端与所述水气共容室连接，另一端设置有连通阀；通过所述连通阀的开关实现所述水气共容室的内外气压平衡或密封。

4.根据权利要求2或3所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，所述水气共容室的液体通口之间利用液压管路连通；所述液压管路上设置多个液泵组件以及多个液阀；相邻的所述水气共容室之间均设置有所述液泵组件，且每一所述水气共容室的液体通口处均设置有所述液阀。

5.根据权利要求4所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，所述液泵组件用于将所述水气共容室中的压力液体转移至存储高压空气的所述水气共容室中，所述液泵组件包括液泵以及与所述液泵连接的控制阀。

6.根据权利要求4所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，所述水气共容室的所述气体通口之间利用气压管路连通；所述气压管路上设置多个气阀；每一所述气阀对应设置在所述气体通口处。

7.根据权利要求4所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统，其特征在于，所述压力平衡件和所述气体通口均设置在所述水气共容室的顶部；所述液体通口设置在所述水气共容室的底部。

8.一种恒压全容量释能的压缩空气储能方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-7任意一项所述的恒压全容量释能型压缩空气储能系统进行压缩空气储能。

9.根据权利要求8所述的恒压全容量释能的压缩空气储能方法，其特征在于，初始阶段中至少一个水气共容室内充满压力液体；包括如下过程：

储能工况时，压缩机组将空气压缩生成高压空气并送入剩余的所述水气共容室内；

释能工况时，至少一个所述水气共容室内的压力液体同时向充满高压空气的所述水气共容室内输入压力液体，直至所述水气共容室内压力液体完全驱替高压空气；同时所述水气共容室内的高压空气全部进入膨胀机组内膨胀做功。

10.根据权利要求9所述的恒压全容量释能的压缩空气储能方法，其特征在于，初始阶段一个水气共容室内充满压力液体；释能工况时，所述水气共容室内的压力液体向相邻的充满高压空气的所述水气共容室内输入直至压力液体完全驱替高压空气；同时所述水气共容室内高压空气进入膨胀机组推动膨胀机组做功。

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