CN116816636A - 液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统和方法，储能储气系统包括液态空气储能单元、空气分离单元和至少一个气体储存装置。液态空气储能单元包括第一压缩机、至少一个换热器、节流阀和液态空气储罐，空气分离单元包括空分装置、至少一个储液装置和至少一个储气装置，液态空气储罐与空气分离单元相连，储液装置出口与气体储存装置入口一一对应地相连，且流出储液装置的液态气体能够通过换热器吸收压缩空气的热量以升温。本发明提出的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统通过将液态空气储能单元与空气分离单元充分耦合，充分利用了装置，避免重复建设，减少了设备成本，拓展了产业链，提高了系统的经济性。

Description

液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统和方法
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统和方法。
背景技术
液态空气储能技术是指将压缩空气经降温、节流或膨胀之后液化，可大幅提高空气密度，降低储气体积，从而提高储能密度。低温空气分离技术是将液化的空气按照各组分的不同沸点，精馏出氮(沸点-196℃)、氧(沸点-183℃)、氩(-186℃)以及其它稀有气体。氮和氧可直接应用或作为工业原料气，稀有气体则具有很高的战略价值和经济价值。相关技术中的液态空气储能系统与低温空气分离系统中均具有液化空气的进程，存在重复建设的问题，经济性不高。
发明内容
本发明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，本发明的实施例提出一种经济性好的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统。本发明的实施例还提出一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法。
本发明实施例的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，包括液态空气储能单元，所述液态空气储能单元包括第一压缩机、至少一个换热器、节流阀和液态空气储罐，所述第一压缩机用于压缩空气，所述第一压缩机出口与所述换热器热侧进口相连，所述换热器热侧出口经过所述节流阀与所述液态空气储罐相连；空气分离单元，所述空气分离单元包括空分装置、至少一个储液装置和至少一个储气装置，所述液态空气储罐与所述空气分离单元相连，所述空气分离单元用于对液态空气进行分离，所述储液装置用于储存分离的液态气体，所述储气装置用于储存分离的气体；至少一个气体储存装置，所述储液装置出口与所述气体储存装置入口一一对应地相连，且流出所述储液装置的液态气体能够通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量以升温。
本发明实施例提出的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统通过将液态空气储能单元与空气分离单元充分耦合，从而充分利用了装置，避免重复建设，减少了设备成本，拓展了产业链，提高了系统的经济性。还将空气分离出的液态气体进行预处理变为气态并进行储存，丰富了系统产物。
在一些实施例中，所述储能储气系统还包括冷却器，所述换热器包括第一换热器和第二换热器，所述第一压缩机与所述第一换热器进口相连，所述第一换热器出口与所述冷却器进口相连，所述冷却器出口与所述第二换热器进口相连。
在一些实施例中，储能储气系统包括低温储热罐、高温储热罐和第三换热器，所述低温储液罐与至少一个所述换热器的冷侧进口相连，所述换热器冷侧出口与所述高温储液罐相连，所述高温储液罐与所述第三换热器热侧进口相连，所述第三换热器热侧出口与所述低温储热罐相连，所述液态气体流经所述第三换热器的冷侧以吸收热量。
在一些实施例中，所述储液装置为多个，所述第三换热器为并联的多个，多个所述储液装置与多个所述第三换热器一一对应。
在一些实施例中，所述换热器中的至少一者为储冷换热器，所述液态气体流经所述储能换热器以使所述储能换热器储存冷量。
在一些实施例中，所述储液装置为多个，所述储冷换热器为并联的多个，多个所述储液装置与多个所述储冷换热器一一对应。
在一些实施例中，所述储液装置包括液氮储罐和液氧储罐，所述气体储存装置包括氮气储存装置和氧气储存装置。
在一些实施例中，所述储能储气系统包括至少一个透平和至少一个发电机，所述储液装置、所述透平、所述发电机与所述气体储存装置一一对应，液态空气吸热升温汽化后进入所述透平膨胀做功，所述透平用于驱动所述发动机发电，所述透平的出气口与所述气体储存装置相连。
在一些实施例中，所述储液装置包括液氮储罐，所述气体储存装置包括氮气储存装置；所述储能储气系统还包括氢气储存装置和合成氨单元，所述合成氨单元包括第一混合室和氨反应器，所述氮气储存装置和所述氢气储存装置均与所述第一混合室进口相连，所述第一混合室用于向所述氨反应器提供氮氢混合气体。
在一些实施例中，所述储能储气系统还包括氢气储存装置和合成甲醇单元，所述合成甲醇单元包括第二混合室和甲醇反应器，所述氢气储存单元与所述第二混合室相连，所述第二混合室用于向所述甲醇反应器提供氢-二氧化碳混合气体。
在一些实施例中，所述储能储气系统包括电解水单元，所述电解水单元包括电解池，所述电解池与所述氢气储存装置相连。
在一些实施例中，所述合成氨单元还包括第二压缩机、氮氢储存装置和氨储存装置，所述第一混合室与所述第二压缩机进气口相连，所述第二压缩机用于压缩氮氢混合气体，所述第二压缩机出气口与所述氮氢储存装置进气口相连，所述氮氢储存装置出气口与所述氨反应器进气口相连，所述氨储存装置用于储存所述氨反应器生成的氨。
在一些实施例中，所述合成甲醇单元还包括第三压缩机、氢-二氧化碳储存装置和甲醇储存装置，所述第二混合室与所述第三压缩机进气口相连，所述第三压缩机用于压缩氢-二氧化碳混合气体，所述第三压缩机出气口与所述氢-二氧化碳储存装置进气口相连，所述氢-二氧化碳储存装置出气口与所述甲醇反应器进气口相连，所述甲醇储存装置用于储存所述甲醇反应器生成的甲醇。
本发明第二方面实施例提供了一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气方法包括：在所述供电模式，电能驱动所述第一压缩机压缩空气；在所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中。
在一些实施例中，所述储能储气系统包括发电单元，所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式。
在一些实施例中，所述发电单元为光伏发电单元或风电单元。
本发明第三方面实施例提供了一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气系统包括发电单元，所述储能储气方法包括：所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元为所述电解池提供电解所需电能；所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中。
本发明第三方面实施例提供了一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气系统包括发电单元，所述储能储气方法包括：所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元驱动所述第二压缩机压缩氮氢混合气体，压缩的氮氢混合气体储存在所述氮氢储存装置中，所述氨反应器能够从所述氮氢储存装置提取气体进行合成氨反应；所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中，所述氨反应器能够从所述氮氢储存装置提取气体进行合成氨反应。
本发明第四方面实施例提供了一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气系统包括发电单元，所述储能储气方法包括：所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元驱动第三压缩机压缩氢-二氧化碳混合气体，压缩的氢-二氧化碳混合气体储存在所述氢-二氧化碳储存装置中，所述甲醇反应器能够从所述氢-二氧化碳储存装置提取气体进行合成甲醇反应；所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中，所述甲醇反应器能够从所述氢-二氧化碳储存装置提取气体进行合成甲醇反应。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例提供的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统。
图2是根据本发明另一个实施例提供的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统。
图3是根据本发明再一个实施例提供的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面根据图1-图3描述本发明实施例提供的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统。储能储气系统包括液态空气储能单元、空气分离单元和至少一个气体储存装置。液态空气储能单元包括第一压缩机10、至少一个换热器、节流阀16和液态空气储罐17，第一压缩机10用于压缩空气，第一压缩机10的出口与换热器热侧进口相连，换热器热侧出口经过节流阀16与液态空气储罐17相连。第一压缩机10出口流出的压缩空气在换热器中发生热交换，释放热量后温度降低，低温的压缩空气从换热器热侧出口流出，并经过节流阀16后液化，液化后的液化空气储存在液态空气储罐17中，完成空气液化过程。
空气分离单元包括空分装置22、至少一个储液装置和至少一个储气装置，液态空气储罐17与空分装置22相连，空分装置22用于对液态空气进行分离，将液态空气分为若干种液态气体和若干种稀有气体，储液装置用于储存分离的液态气体，储气装置用于储存分离的气体。储液装置出口与气体储存装置入口一一对应地相连，且流出储液装置的液态气体能够通过换热器吸收压缩空气的热量以升温。
本发明实施例提出的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统通过将液态空气储能单元与空气分离单元耦合，从而充分利用了装置，避免重复建设，减少了设备成本，拓展了产业链，提高了系统的经济性。还将空气分离出的液态气体进行预处理变为气态并进行储存，丰富了系统产物。
在一些实施例中，储能储气系统还包括冷却器13，换热器包括第一换热器(例如图1中的12)和第二换热器(例如图1中的14和15)，第一压缩机10与第一换热器热侧进口相连，第一换热器热侧出口与冷却器13进口相连，冷却器13出口与第二换热器进口相连，压缩空气分别经过第一换热器、冷却器13和第二换热器，温度逐级递减，最终降至约-180℃，经过节流阀16降压后液化，温度降为约-193℃，液化后空气进入液态空气储罐17保温储存。
在一些实施例中，储能储气系统包括低温储热罐18、高温储热罐20和第三换热器(例如图中的41和46)，低温储液罐18与至少一个换热器的冷侧进口相连，换热器冷侧出口与高温储液罐20相连，高温储液罐20与第三换热器热侧进口相连，第三换热器热侧出口与低温储热罐18相连，液态气体流经第三换热器的冷侧以吸收热量。
如图1所示，低温储液罐18可以与第一换热器12的冷侧进口相连，第一换热器12的冷侧出口与高温储液罐20相连，即第一换热器12的冷侧的储热介质来自于低温储热罐18，储热介质进入第一换热器12的冷侧吸收压缩空气的热量，温度升高后进入高温储液罐20储存，高温储液罐20的高温储热介质进入第三换热器的热侧，与冷侧的液态气体热交换释放热量后降温，降温后的储热介质回到低温储液罐18中储存。通过如上设置，可以将液态空气中的冷量进行储存在低温储液罐18中，也可以将第一换热器12热侧的热量储存在高温储液罐20内，并在需要的时候进行储热介质的流通，以在第一换热器12中换热，或在第三换热器中换热。
进一步地，根据第一换热器12热侧空气温度的不同，可以选择不同的储热介质，储热温度在200℃以内时可采用高压水，在约100-400℃范围内可以采用导热油，在约200-600℃范围内可以采用熔融盐。
在一些实施例中，换热器中的至少一者为储冷换热器，液态气体流经储能换热器以使储能换热器储存冷量。储冷换热器具有储冷和换热双重功能。如图1所示，第二换热器可以为储冷换热器(例如图1中的14和15)，储冷换热器内具有储冷介质，储冷介质可以储存冷量。通过如上设置，可以将液态气体(例如液氮和液氧)中的冷量预先储存在储冷换热器中，以吸收储冷换热器中的空气的热量，使空气降温。
可选地，储冷换热器为堆积床换热器或填充床换热器，其中的储冷介质可以是固体材质或相变材质。
在一些实施例中，如图1所示，储液装置(如图1中的23和24)为多个，第三换热器(例如图中的41和46)为并联的多个，储冷换热器(例如图1中的14和15)为并联的多个，多个储液装置、多个储冷换热器与多个第三换热器一一对应。
在一些实施例中，储能储气系统还包括至少一个透平和至少一个发电机，储液装置、透平、发电机与气体储存装置一一对应，液态空气经过储冷换热器和第三换热器吸热升温汽化后变为高温高压气体，高温高压气体进入透平膨胀做功，透平用于驱动发动机发电，透平的出气口与气体储存装置相连，透平排出的低压气体储存在相应的气体储存装置内，气体储存装置中的气体可以进行后续应用或售卖。发电机发电可以供工业或居民使用。
可选地，如图1所示，储液装置包括液氮储罐23和液氧储罐24，气体储存装置包括氮气储存装置26和氧气储存装置49，储冷换热器包括第一储冷换热器14和第二储冷换热器15，第三换热器包括氮气换热器41和氧气换热器46，透平包括第一透平42和第二透平47，发电机包括第一发电机43和第二发电机48。
液氮储罐23流出的液氮流经第一储冷换热器14进行换热，降低第一储冷换热器14内储冷介质的温度，液氮吸收储冷介质的热量后汽化，随之进入氮气换热器41的冷侧吸收热量，变为高温高压的氮气，然后进入第一透平42膨胀做功，驱动第一发电机43发电，第一透平42排出的低压氮气进入氮气储存装置26储存。
液氧储罐24流出的液氧流经第二储冷换热器15进行换热，降低第二储冷换热器15内储冷介质的温度，液氧吸收储冷介质的热量后汽化，随之进入氧气换热器46的冷侧吸收热量，变为高温高压的氧气，然后进入第二透平47膨胀做功，驱动第二发电机48发电，第二透平47排出的低压氧气进入氧气储存装置49储存。
在一些实施例中，储液装置包括液氮储罐23，气体储存装置包括氮气储存装置26，储能储气系统还包括氢气储存装置8和合成氨单元，合成氨单元包括第一混合室27、第二压缩机28、氮氢储存装置30、氨反应器31和氨储存装置32。氮气储存装置26和氢气储存装置8均与第一混合室进27进口相连，氮气储存装置26中的氮气与氢气储存装置8中的氢气按照一定的比例进入第一混合室27中混合。第一混合室27与第二压缩机28进气口相连，第一混合室27中的氮氢混合气体进入第二压缩机28，第二压缩机28用于压缩氮氢混合气体。第二压缩机28出气口与氮氢储存装置30进气口相连，压缩后的氮氢混合气体压力升高至合成氨反应所需的压力，进入氮氢储存装置30内储存。氮氢储存装置30出气口与氨反应器31进气口相连，氮氢混合气体进入氨反应器31后经催化反应合成氨，产物氨进入氨储存装置32内储存，氨储存装置32用于储存氨反应器31生成的氨。通过设置氮氢储存装置30可以储存足够的供氨反应的高压氮氢混合气体，使氨反应器31中的氨反应过程可昼夜连续运行。
在一些实施例中，储能储气系统还包括氢气储存装置8和合成甲醇单元，合成甲醇单元包括第二混合室33、第三压缩机35、氢-二氧化碳储存装置37、甲醇反应器38和甲醇储存装置39。氢气储存单元8与第二混合室33相连，第二混合室33具有二氧化碳入口34。氢气储存单元8中的氢气进入第二混合室33，二氧化碳通过二氧化碳入口34进入第二混合室33，氢气和二氧化碳按照一定比例混合为氢-二氧化碳混合气体，氢-二氧化碳混合气体储存在第二混合室33中。第二混合室33与第三压缩机35进气口相连，氢-二氧化碳混合气体进入第三压缩机35中压缩，第三压缩机35出气口与氢-二氧化碳储存装置37进气口相连，压缩后的氢-二氧化碳混合气体储存在氢-二氧化碳储存装置37中，氢-二氧化碳储存装置37出气口与甲醇反应器38进气口相连，氢-二氧化碳储存装置37中的氢-二氧化碳混合气体进入甲醇反应器38中，经催化反应合成甲醇，产物甲醇进入甲醇储存装置39内储存。通过设置氢-二氧化碳储存装置37可以储存足够的供甲醇反应的高压氢-二氧化碳混合气体，使甲醇反应器38中的甲醇反应过程可昼夜连续运行。
在一些实施例中，储能储气系统包括电解水单元，电解水单元包括电解池4、氢气储存装置8和氧气储存囊7，电解池4与氢气储存装置8和氧气储存罐7中的每一者相连。电解池4具有进水口6，水从进水口6进入电解池4，被电解为氧气和氢气，氧气进入氧气储气囊7中储存，后续可以售卖或作为工业原料气，氢气进入氢气储气装置8中储存，可以部分售卖，部分作为下一步合成氨和合成甲醇的原料气。
在一些实施例中，储能储气系统包括发电单元，发电单元可以发电，发电单元发电能够驱动第一压缩机10压缩空气，还能够驱动第二压缩机28和第三压缩机35以及为电解池4供电。发电单元可以为新能源发电单元，例如光伏发电单元或风电单元。需要说明的是，在其他实施例中，第一压缩机10、第二压缩机28、第三压缩机35和电解池4所需电能可以来自于电网。
在一些实施例中，如图1所示，发电单元为光伏发电单元，光伏发电单元包括光伏板2、变压器3和逆变器5，太阳光1照射至光伏板2产生直流电，一部分直流电通过变压器3为电解池4供电，另一部分直流电通过逆变器5变为交流电，可以供第一压缩机10、第二压缩机28、第三压缩机35使用，或其他工业设备或居民使用。
本发明实施例还提供了一种基于上述任一项实施例中的储能储气系统的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，储能储气系统具有供电模式和止供电模式，储能储气方法包括：
在供电模式，电能驱动第一压缩机10压缩空气，压缩空气经换热器和节流阀后变为液态空气储存在液态空气储能单元17中，空分装置22对液态空气进行分离，将分离出的液态气体和气体分别储存在储液装置和储气装置中；
在止供电模式，储液装置的液态气体流出，并通过换热器吸收压缩空气的热量后升温，汽化后储存在相应的气体储存装置中。
在一些实施例中，储能储气系统包括发电单元，发电单元发电，储能储气系统处于供电模式，发电单元驱动第一压缩机10压缩空气，发电单元不发电，储能储气系统处于止供电模式。作为示例，如图1所示，发电单元为光伏发电单元，日间且太阳光充分时，发电单元发电，储能储气系统处于供电模式，夜间没有太阳光或日间太阳光不充分时，发电单元不发电，储能储气系统处于止供电模式。或者，发电单元为风电单元，风力充分时，风电单元发电，储能储气系统处于供电模式，风力不充分时，风电单元不发电，储能储气系统处于止供电模式。
在一些实施例中，发电单元发电时还为电解池4提供电解所需电能，电解池电解4生成氢气和氧气，氢气储存在氢气储存装置8中，氧气储存在氧气储存囊7中。
在一些实施例中，发电单元发电时还驱动第二压缩机28压缩氮氢混合气体，压缩的氮氢混合气体储存在氮氢储存装置30中，氨反应器31能够从氮氢储存装置30提取气体进行合成氨反应。发电单元不发电时，氨反应器31能够从氮氢储存装置30提取气体进行合成氨反应。也就是说，无论发电单元发电与否，合成氨反应均可持续进行。发电单元为光伏发电单元时，日间发电驱动第二压缩机28，压缩的氮氢混合气体储存在氮氢储存装置30中，氮氢储存装置30中的氮氢混合气体除了满足日间合成氨所需的混合气体外，还可以满足夜间合成氨所需的混合气体，以使合成氨反应持续进行。
在一些实施例中，发电单元发电时还驱动第三压缩机35压缩氢-二氧化碳混合气体，压缩的氢-二氧化碳混合气体储存在氢-二氧化碳储存装置37中，甲醇反应器38能够从氢-二氧化碳储存装置37提取气体进行合成甲醇反应。发电单元不发电时，甲醇反应器38能够从氢-二氧化碳储存装置37提取气体进行合成甲醇反应。也就是说，无论发电单元发电与否，合成甲醇反应均可持续进行。发电单元为光伏发电单元时，日间发电驱动第三压缩机35，压缩的氢-二氧化碳混合气体储存在氢-二氧化碳储存装置37中，氢-二氧化碳储存装置37中的氢-二氧化碳混合气体除了满足日间合成甲醇所需的混合气体外，还可以满足夜间合成甲醇所需的混合气体，以使合成甲醇反应持续进行。
下面以图1中的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统为例描述基于该储能储气系统的储能储气方法。
如图1所示，储能储气系统包括光伏发电单元、电解水单元、液态空气储能单元、空气分离单元、合成氨单元、合成甲醇单元、氮气储存装置26和氧气储存装置49。储能储气系统还包括低温储热罐18、高温储热罐20、若干换热器、若干电动机、若干发电机和若干泵等，此处不一一赘述，可详见图1。
在白天且有充分太阳光2的情况下，光伏发电单元发电，储能储气系统处于供电模式，在夜晚或阴天太阳光2不充分的情况下，光伏发电单元不发电，储能储气系统处于止供电模式。需要说明的是，储能储气系统的供电模式是指光伏发电单元能够为各个单元系统供电的工况，储能储气系统的止供电模式是指光伏发电单元无法发电，不能够为各个单元系统供电的工况，分别对应光伏发电单元的日间发电模式和夜间不发电模式。在储能储气系统的止供电模式下，第一透平42和第二透平48仍然可以做功，并通过第一发电机43和第二发电机48向外界发电。
在其他实施例中，光伏发电单元可以被其他新能源发电系统代替，例如风电单元。当发电单元为风电单元的情况下，在风力充足时，风电单元发电，向各个单元系统提供电能，储能储气系统处于供电模式；在风力不足时，风电单元不发电，无法向各个单元系统供电，储能储气系统处于止供电模式。
具体地，如图1所示，在日间有太阳光1的情况下，太阳光1照射至光伏板2产生直流电，一部分直流电通过变压器3为电解水单元的电解池4供电，另一部分直流电通过逆变器5变为交流电，供工业设备或居民使用。
在电解池4中，水从进水口6进入电解池4，被电解为氧气和氢气，氧气进入氧气储气囊7中储存，后续可以售卖或作为工业原料气，氢气进入氢气储气装置8中储存，可以部分售卖，部分作为下一步合成氨和合成甲醇的原料气。
从逆变器5输出的交流电一部分为第一电动机9供电，第一电动机9驱动第一压缩机10运转，将空气从空气进口11吸入，空气被压缩后温度和压力升高，然后进入第一换热器12的热侧，向冷侧的储热介质释放热量后温度降低，之后压缩空气进入冷却器13，温度进一步降至接近环境温度。可选地，冷却器中13的冷却介质是水。从冷却器13流出的空气分成两路，分别进入第一储冷换热器14和第二储冷换热器15，空气在两个储冷换热器中被低温的储冷介质降温至约-180℃，从两个储冷换热器流出的空气汇合后，经节流阀16降压后开始液化，温度降为约-193℃，液化后空气进入液态空气储罐17保温储存。
第一换热器12冷侧的储热介质来自于低温储热罐18，在第一泵19的驱动下，低温储热罐18中的低温储热介质进入第一换热器12的冷侧，吸收热量温度升高后进入高温储热罐20内储存。
第一储冷换热器14和第二储冷换热器15内部具有储冷介质，低温的储冷介质释放冷量用以冷却空气后，自身温度升高，变为高温的储冷介质。
在第二泵21的驱动下，液态空气从液态空气储罐17流至空分装置22；在空分装置22中通过精馏等一系列操作，液态空气被分离成液氮、液氧和稀有气体。其中液氮储存至液氮储罐23中，液氧储存至液氧储罐24中，稀有气体如氦、氖、氩、氪、氙分别储存至各自储气装置中。需要说明的是，图1中储气装置25作为示意只画出一个，实际每种稀有气体均可根据工业需求进行单独储存。可选地，储气装置25为气瓶或气囊。
氮气和氢气混合后可通过哈伯法制氨。氮气储存装置26中的氮气来自于前一个夜间模式的透平排气，与氢气储存装置8中的氢气按照一定比例进入第一混合室27中混合，混合气进入第二压缩机28，第二压缩机由第二电动机29驱动，第二电动机29的电能来自于逆变器5输出的交流电。混合气被压缩后压力升高至合成氨反应所需的压力，然后进入氮氢储存装置30内储存，氮氢储存装置30中的部分混合气进入氨反应器31中，经催化反应合成氨，产物氨进入氨储存装置32内储存。
需要说明的是，上述氮气和氢气的气量可供合成氨的反应昼夜连续运行，并且，在日间供电模式下，氮氢储气装置30中得到的高压混合气体除满足日间合成氨反应之外所需原料气，还可满足夜间合成氨反应所需原料气，因此，使用日间光伏发电单元驱动第二压缩机28，得到了可昼夜使用的高压混合气体。
氢气和二氧化碳可以合成甲醇。氢气储气装置8中的氢气进入第二混合室33，同时，二氧化碳气体从第二混合室33的二氧化碳进口34进入，氢气与二氧化碳按照一定比例混合，混合气进入第三压缩机35，第三压缩机35由第三电动机36驱动，第三电动机36的电能来自逆变器5输出的交流电。氢气和二氧化碳的混合气被压缩后压力升高至合成甲醇反应所需的压力，然后进入氢-二氧化碳储存装置37内储存。氢-二氧化碳储存装置37中的部分混合气进入甲醇反应器38中，经催化反应合成甲醇，产物甲醇进入甲醇装置39内储存。
需要说明的是，上述氢气和二氧化碳的气量可供合成甲醇的反应昼夜连续运行，并且，在日间供电模式下，氢-二氧化碳储存装置37中得到的高压混合气体除满足日间合成甲醇反应之外所需原料气，还可满足夜间合成甲醇反应所需原料气，因此，使用日间光伏发电单元驱动第三压缩机35，得到了可昼夜使用的高压混合气体。
综上，在日间供电模式下本系统提供和所获得的产物可以有：(1)光伏板2产生的电能；(2)电解池4中电解水反应产生的氧气；(3)电解池4中电解水反应产生的氢气；(4)低温储热罐18中的低温储热介质被加热为高温储热介质并储存在高温储热罐20中；(5)第一储冷换热器14和第二储冷换热器15中的低温储冷介质被加热为高温储冷介质；(6)空气分离出的液氮；(7)空气分离出的液氧；(8)空气分离出的稀有气体；(9)氮氢储气装置30中储存的氮气和氢气的高压混合气；(10)氢-二氧化碳储存装置37中储存的高压混合气；(11)合成的氨；(12)合成的甲醇。
在夜间，光伏发电单元不发电，储能储气系统处于止供电模式。液氮储罐23中的液氮被第三泵40驱动并升压，流入第一储冷换热器14，在其中冷却储冷介质，储冷介质温度降低，以备在日间运行中冷却空气。液氮吸收储冷介质的热量后汽化，随之进入氮气换热器41的冷侧吸收热量，变为高温高压的氮气，然后进入第一透平42膨胀做功，驱动第一发电机43发电，所发出的电能可供夜间工业或居民使用，第一透平42排出的低压氮气进入氮气储气装置26储存，以备次日日间使用。
液氧储罐24中的液氧被第四泵45驱动并升压，流入第二储冷换热器15，在其中冷却储冷介质，储冷介质温度降低，以备在日间运行中冷却空气。液氧吸收储冷介质的热量后汽化，随之进入氧气换热器46的冷侧吸收热量，变为高温高压的氧气，然后进入第二透平47膨胀做功，驱动第二发电机48发电，所发出的电能可供夜间工业或居民使用，第二透平48排出的低压氧气进入氧气储存装置49储存，后续可以售卖或作为工业原料气。
在第三泵44的驱动下，高温储热罐20内的储热介质分两路，一路进入氮气换热器41的热侧，向冷侧的氮气释放热量后温度降低，然后进入低温储热罐18内储存；另一路进入氧气换热器46的热侧，向冷侧的氧气释放热量后温度降低，然后进入低温储热罐18内储存。
夜间模式下，氮氧储存装置30中仍储存有氮气和氢气的高压混合气，继续合成氨的反应以持续制氨，过程与日间模式相同；类似地，氢-二氧化碳储存装置37中仍储存有氢气和二氧化碳的高压混合气，继续合成甲醇的反应以持续制甲醇，过程与日间模式相同。
综上，在夜间止供电模式下本系统提供和所获得的产物可以有：(1)第一透平42驱动第一发电机43发出的电能；第二透平47驱动第二发电机49发出的电能；(2)第一透平42做功后排出的氮气；(3)第二透平47做功后排出的氧气；(4)高温储热罐20中的高温储热介质被冷却为低温储热介质并储存在低温储热罐18中；(5)第一储冷换热器14和第二储冷换热器15高温储冷介质被冷却为低温储冷介质；(6)合成的氨；(7)合成的甲醇。
上述日间流程和夜间流程组成循环，在太阳光充分的条件下，本系统可实现离网运行，昼夜供电、氧气、氮气、氢气、氨、甲醇等产物种类的部分或全部。本系统可以仅提供原料气如氧气、氮气或氢气，也可将原料气合成为氨或甲醇再对外提供。如需要低压原料气，可从各储存装置中获取；如需要高压原料气，可从氮氢储存装置30和氢-二氧化碳储存装置37中获取。
可选地，本系统中所述的储存装置可以为储气囊、储气罐或储液罐等，可节约储存成本，还可以布置在光伏板2下方，尽可能减少系统占地。
需要说明的是，在夜间光伏单元不发电的情况下，如果透平(第一透平42和第二透平47)已经开始启动做功，则发电机(第一发电机43和第二发电机48)已经可以产生电能，电能也可以供应系统中的各个泵所需用电。在一些实施例中，泵可以是气动的，或者用锂电池进行启动。
进一步地，可以利用日间夜间重叠时间，也就是在临近夜间的时间段，光伏发电单元还可以发电供应泵运行，同时透平已启动做功，此时可以将系统中各个泵的供电从光伏板切换到透平，以使泵能够始终保持运行。
综上所述，本实施例运行可分为供电模式和止供电模式。供电模式下(日间)：光伏单元发电；液态空气储能单元储热，并液化空气；空气分离单元将液态空气分离为液氮、液氧以及稀有气体，并将液氮、液氧储存供夜间使用；电解水单元产出氧气和氢气，并可将氢气储存，供夜间使用；氮气与氢气通过合成氨单元制氨；氢气与二氧化碳通过合成甲醇单元制取甲醇。止供电模式下(夜间)，液氮与液氧吸收日间储存的热量，汽化后驱动透平发电；合成氨与合成甲醇的过程也利用储气持续进行。
因此，本实施例提出的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统和储能储气方法，将液态空气储能、空气分离、制氢、合成氨、合成甲醇等技术有机结合，并采用新能源光伏为系统提供电力，尤其适用于离网条件。一方面可以消纳光伏发电，解决“弃光”问题，另一方面也将产业链扩展至化工领域，发展氨能满足更多的应用场景。此外，绿氢还可与二氧化碳合成甲醇，实现CCUS(碳捕获、利用与封存)，产出的甲醇可以作为燃料和化工原料。并且，本实施例可在日间光伏发电时，充分利用日间电能将待化学反应的混合气体压缩并储存，并实现离网持续运行。
如图2所示，本发明还提供了另一个实施例中的储能储气系统。图2中示出的储能储气系统的大部分组成与图1示出的储能储气系统类似，此处仅描述区别部分。
如图2所示，储能储气系统还包括整流器51，并通过整流器51与电网母线50相连，本实施例中的储能储气系统可利用电网母线50向本系统提供交流电，一部分交流电通过整流器51后变为直流电，经变压器3后为电解池4供电，另一部分交流电可为本系统的压缩机等用电设备供电。使储能储气系统与电网连接，可以使得在谷电阶段对应储能储气系统的供电模式，峰电阶段对应储能储气系统的止供电模式，使光伏单元与电网互补，实现储能储气系统的可靠稳定运行。
因此，本实施例中的储能储气系统还可以在常规电网下进行应用，而不受光伏容量的限制。
如图3所示，本发明还提供了另一个实施例中的储能储气系统。图2中示出的储能储气系统的大部分组成与图2示出的储能储气系统类似，此处仅描述区别部分。
如图3所示，储能储气系统不包括光伏板2，系统通过整流器51与电网母线50相连，通过电网对系统供电，本实施例提供的储能储气系统可应用于在常规电网下。利用电网母线50向本系统提供交流电，一部分交流电通过整流器51后变为直流电，经变压器3后为电解池4供电，另一部分交流电可为本系统的压缩机等用电设备供电。
综上所述，本发明解决了我国太阳能资源丰富但电网薄弱地区的电能、气体、氨、甲醇等产物的持续供应问题，拓展并集成产业链，实现多元供能，满足丰富的应用场景。通过技术单元耦合，提高系统经济性，对于提高效率、节能减排、能源安全等均具有重要意义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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相连或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等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发明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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (19)

1.一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，包括：
液态空气储能单元，所述液态空气储能单元包括第一压缩机、至少一个换热器、节流阀和液态空气储罐，所述第一压缩机用于压缩空气，所述第一压缩机出口与所述换热器热侧进口相连，所述换热器热侧出口经过所述节流阀与所述液态空气储罐相连；
空气分离单元，所述空气分离单元包括空分装置、至少一个储液装置和至少一个储气装置，所述液态空气储罐与所述空气分离单元相连，所述空气分离单元用于对液态空气进行分离，所述储液装置用于储存分离的液态气体，所述储气装置用于储存分离的气体；
至少一个气体储存装置，所述储液装置出口与所述气体储存装置入口一一对应地相连，且流出所述储液装置的液态气体能够通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量以升温。
2.根据权利要求1所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述储能储气系统还包括冷却器，所述换热器包括第一换热器和第二换热器，所述第一压缩机与所述第一换热器进口相连，所述第一换热器出口与所述冷却器进口相连，所述冷却器出口与所述第二换热器进口相连。
3.根据权利要求1或2所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，包括低温储热罐、高温储热罐和第三换热器，所述低温储液罐与至少一个所述换热器的冷侧进口相连，所述换热器冷侧出口与所述高温储液罐相连，所述高温储液罐与所述第三换热器热侧进口相连，所述第三换热器热侧出口与所述低温储热罐相连，所述液态气体流经所述第三换热器的冷侧以吸收热量。
4.根据权利要求3所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述储液装置为多个，所述第三换热器为并联的多个，多个所述储液装置与多个所述第三换热器一一对应。
5.根据权利要求1或2所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述换热器中的至少一者为储冷换热器，所述液态气体流经所述储能换热器以使所述储能换热器储存冷量。
6.根据权利要求5所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述储液装置为多个，所述储冷换热器为并联的多个，多个所述储液装置与多个所述储冷换热器一一对应。
7.根据权利要求5或6所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述储液装置包括液氮储罐和液氧储罐，所述气体储存装置包括氮气储存装置和氧气储存装置。
8.根据权利要求1-2、4或6所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，包括至少一个透平和至少一个发电机，所述储液装置、所述透平、所述发电机与所述气体储存装置一一对应，液态空气吸热升温汽化后进入所述透平膨胀做功，所述透平用于驱动所述发动机发电，所述透平的出气口与所述气体储存装置相连。
9.根据权利要求1所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，
所述储液装置包括液氮储罐，所述气体储存装置包括氮气储存装置；
所述储能储气系统还包括氢气储存装置和合成氨单元，所述合成氨单元包括第一混合室和氨反应器，所述氮气储存装置和所述氢气储存装置均与所述第一混合室进口相连，所述第一混合室用于向所述氨反应器提供氮氢混合气体。
10.根据权利要求1所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述储能储气系统还包括氢气储存装置和合成甲醇单元，所述合成甲醇单元包括第二混合室和甲醇反应器，所述氢气储存单元与所述第二混合室相连，所述第二混合室用于向所述甲醇反应器提供氢-二氧化碳混合气体。
11.根据权利要求9或10所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，包括电解水单元，所述电解水单元包括电解池，所述电解池与所述氢气储存装置相连。
12.根据权利要求9所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述合成氨单元还包括第二压缩机、氮氢储存装置和氨储存装置，所述第一混合室与所述第二压缩机进气口相连，所述第二压缩机用于压缩氮氢混合气体，所述第二压缩机出气口与所述氮氢储存装置进气口相连，所述氮氢储存装置出气口与所述氨反应器进气口相连，所述氨储存装置用于储存所述氨反应器生成的氨。
13.根据权利要求10所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，其特征在于，所述合成甲醇单元还包括第三压缩机、氢-二氧化碳储存装置和甲醇储存装置，所述第二混合室与所述第三压缩机进气口相连，所述第三压缩机用于压缩氢-二氧化碳混合气体，所述第三压缩机出气口与所述氢-二氧化碳储存装置进气口相连，所述氢-二氧化碳储存装置出气口与所述甲醇反应器进气口相连，所述甲醇储存装置用于储存所述甲醇反应器生成的甲醇。
14.一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，其特征在于，所述液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法基于权利要求1-13任一项所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气方法包括：
在所述供电模式，电能驱动所述第一压缩机压缩空气；
在所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中。
15.根据权利要求14所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，其特征在于，所述储能储气系统包括发电单元，所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式。
16.根据权利要求15所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，其特征在于，所述发电单元为光伏发电单元或风电单元。
17.一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，其特征在于，所述液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法基于权利要求11所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气系统包括发电单元，所述储能储气方法包括：
所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元为所述电解池提供电解所需电能；
所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中。
18.一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，其特征在于，所述液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法基于权利要求12所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气系统包括发电单元，所述储能储气方法包括：
所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元驱动所述第二压缩机压缩氮氢混合气体，压缩的氮氢混合气体储存在所述氮氢储存装置中，所述氨反应器能够从所述氮氢储存装置提取气体进行合成氨反应；
所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中，所述氨反应器能够从所述氮氢储存装置提取气体进行合成氨反应。
19.一种液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法，其特征在于，所述液态空气储能与空气分离耦合的储能储气方法基于权利要求13所述的液态空气储能与空气分离耦合的储能储气系统，所述储能储气系统具有供电模式和止供电模式，所述储能储气系统包括发电单元，所述储能储气方法包括：
所述发电单元发电，所述储能储气系统处于所述供电模式，所述发电单元驱动所述第一压缩机压缩空气，所述发电单元驱动第三压缩机压缩氢-二氧化碳混合气体，压缩的氢-二氧化碳混合气体储存在所述氢-二氧化碳储存装置中，所述甲醇反应器能够从所述氢-二氧化碳储存装置提取气体进行合成甲醇反应；
所述发电单元不发电，所述储能储气系统处于所述止供电模式，所述储液装置的液态气体流出，通过所述换热器吸收所述压缩空气的热量升温汽化后，储存在所述气体储存装置中，所述甲醇反应器能够从所述氢-二氧化碳储存装置提取气体进行合成甲醇反应。
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