CN116961039A - 一种双壳式近等温压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双壳式近等温压缩空气储能系统及方法，系统包括空气压缩系统和双罐式近等温压缩空气系统；空气压缩系统的出气口分别连通双罐式近等温压缩空气系统中的第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐的气体入口；第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐均采用双壳式储气罐，内设置高压储气室，外侧为中压水气共容室；高压储气室出口依次连接蓄热器和膨胀机，膨胀机连接另一个双壳式储气罐的中压水气共容室，中压水气共容室的出水口设水轮机；中压水气共容室的出气口设膨胀机；第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐水路连通；在中压水气共容室中空气压缩时，减少压缩过程中温度升高，提高系统储能密度及效率，避免高压储气室受到较大的交变应力。

Description

一种双壳式近等温压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种双壳式近等温压缩空气储能系统及方法。

背景技术

压缩空气储能技术是一种将电能转化为压缩空气的形式进行储存的技术，以便在需要时释放出来，转化为电能供应给电网。这种技术具有很多优点，如高效、环保、可靠等，因此在能源领域得到了广泛的关注和应用。

压缩空气储能技术是一种新兴的能源储存技术，它可以将电能转化为压缩空气的形式进行储存，以便在需要时释放出来，转化为电能供应给电网。这种技术具有很多优点，如高效、环保、可靠等，因此在能源领域得到了广泛的关注和应用。

压缩空气储能技术已经在很多领域得到了广泛的应用。其中，最主要的应用领域是电力系统。在电力系统中，压缩空气储能技术可以用来平衡电网负荷，提高电网的稳定性和可靠性。此外，压缩空气储能技术还可以用于储存风能、太阳能等可再生能源，以便在需要时释放出来，转化为电能供应给电网。未来，随着技术的不断进步和成本的不断降低，压缩空气储能技术将会得到更广泛的应用，成为未来能源储存的主要技术之一。

随着压缩空气储能技术的不断发展和应用，储气罐作为压缩空气储能系统的核心组件之一，也在不断地发展和改进。未来，随着技术的不断进步和成本的不断降低，储气罐将会变得更加大型化、高压化，以满足压缩空气储能系统的不断发展和应用需求。

总之，压缩空气储能技术是一种非常有前途的能源储存技术。它具有高效、环保、可靠等优点，已经在电力系统等领域得到了广泛的应用。未来，随着技术的不断进步和成本的不断降低，压缩空气储能技术将会得到更广泛的应用，成为未来能源储存的主要技术，但仍然存在储能效率、储能密度低和储气装置造价高问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种双壳式近等温压缩空气储能系统。不但可以降低压缩空气储能系统造价，提高储能装置能量转化效率和储能密度，而且能够解决用户负荷多元化需求、近等温压缩时空气温度仍有一定升高导致储能密度降低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双壳式近等温压缩空气储能系统，包括空气压缩系统和双罐式近等温压缩空气系统；双罐式近等温压缩空气系统包括第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐；空气压缩系统的出气口分别连通第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐的气体入口；第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐均采用双壳式储气罐，双壳式储气罐内设置高压储气室，外侧为中压水气共容室；高压储气室出口依次连接蓄热器和膨胀机，膨胀机出口连接另一个双壳式储气罐的中压水气共容室进气口，中压水气共容室的出水口设置水轮机；中压水气共容室的出气口设置膨胀机；中压水气共容室的出气口还连通另一个双壳式储气罐中高压储气室的进气口；膨胀机和水轮机均连接发电机；第一双壳式储气罐的进水口和出水口经过水泵对应连接第二双壳式储气罐的出水口和进水口。

高压储气室外壁通过若干固定肋连接和外层壳体，高压储气室通过高压空气通道直接连通外部，中低压空气通道开设在外侧壳体顶部。

空气压缩系统包括第一电动机、第一压缩机和蓄热器，第一电动机用于驱动第一压缩机，第一压缩机的出气口连接蓄热器的热侧入口，蓄热器的热侧出口作为空气压缩系统的出气口。

中压水气共容室的出气口处膨胀机的出口连接冷量用户。

第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐中均设置压力传感器；第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐中分别设置液位传感器。

蓄热器的热侧连接太阳能光热系统、工业锅炉的蒸汽系统、熔盐储热系统或空气压缩系统。

蓄热器的冷侧入口、中压水气共容室的出气口、膨胀机的进气口、水泵的出口和入口、水轮机的入口和出口均设置阀门。

基于本发明所述双壳式近等温压缩空气储能系统的近等温压缩空气储能方法，

储能时：空气压缩系统将空气压缩后通入双罐式近等温压缩空气系统进一步压缩，具体的，双壳式储气罐中装有设定量的水，压缩后的空气进入第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐，第一双壳式储气罐和第二双壳式储气罐压力达到设定值后，水泵将第一中压水气共容室的水送入第二中压水气共容室中压缩空气，第二中压水气共容室压力达到预设值后；空气进入第一高压储气室中，第一高压储气室中空气压力进一步升高，第二中压水气共容室中液位达到设定值时，停止进气；水泵将第二中压水气共容室的水送入第一中压水气共容室，第一中压水气共容室压力达到预设值后，空气进入第二高压储气室，第二高压储气室中空气压力进一步升高，第二中压水气共容室中液位达到设定值时，停止进气；

释能时：第一高压储气室中的高压空气升温后进入膨胀机做功带动发电机发电，做功后的气体进入第二中压水气共容室，第二中压水气共容室中的水驱动水轮机带动发电机发电，第一中压水气共容室中的低压气体进入膨胀机做功带动发电机发电，所述膨胀机输出低温空气；进入第二中压水气共容室的空气流量与离开第二中压水气共容室水的流量相等，第二中压水气共容室中空气压力维持恒定，离开第一中压水气共容室的空气流量与进入第一中压水气共容室的水流量相等；

当第一中压水气共容室中液位达到设定值时，第二高压储气室中的高压空气升温后进入膨胀机做功带动发电机发电，做功后的气体进入第一中压水气共容室，第一中压水气共容室中的水驱动水轮机带动发电机发电，第二中压水气共容室中的低压气体进入膨胀机做功带动发电机发电，所述膨胀机输出低温空气；进入第一中压水气共容室的空气流量与离开第一中压水气共容室水的流量相等，第一中压水气共容室中空气压力维持恒定，离开第二中压水气共容室的空气流量与进入第二中压水气共容室的水流量相等。

膨胀机输出的低温空气向外部提供冷量。

通过太阳能光热系统、工业锅炉的蒸汽系统、熔盐储热系统或空气压缩系统向蓄热器供热。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

双壳式储气罐主要由中压水气共容室、高压储气室组成，位于内部的高压储气室在储能时，由于高压储气室内的空气温度低于中压水气共容室中空气温度，在中压水气共容室中空气压缩时，能够进一步减少压缩过程中的温度升高，提高系统的储能密度及效率，同时能够避免高压储气室受到较大的交变应力；中压水气共容室中空气与高压储气室同时作用在高压储气室壁面上，能够抵消掉一部分压力，节省高压储气室的材料；释能时，高压储气室中高压空气利用压缩空气和太阳能所获得的热量变为高温高压状态，再通过膨胀机产生电能的同时，得到一定压力的气体，避免了节流阀的使用，驱动水轮机在恒压条件下运行，稳定输出电能。

进一步的，将压缩机压缩空气产生的热量直接进行利用，减少系统能量的浪费，提高能源利用率，提高系统的整体效率。

进一步的，释能时，从中压水气共容室进入膨胀机的中压常温空气进入膨胀机驱动发电机产生电能的同时，出口的低温空气可以进一步为用户提供冷量。

进一步的，中压水气共容室外的固定肋具有固定和增强换热双重作用，固定肋边缘与中压水气共容室和高压储气室接触处圆角过渡，能有效防止应力集中，提高双壳式储气罐的使用寿命。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明一种双壳式近等温压缩空气储能系统的结构示意图。

图2为第一双壳式储气罐5的剖面图。

图3为双壳式储气罐内部结构立体图。

图4为双壳式储气罐中固定肋的局部放大图。

其中，1、第一电动机；2、第一压缩机；3、第一蓄热器；4、第一闸阀；5、第一双壳式储气罐；6、第二双壳式储气罐；7、第二闸阀；8、第三闸阀；9、第四闸阀；10、第一三通阀；11、第五闸阀；12、第六闸阀；13、第七闸阀；14、水轮机；15、第一发电机；16、第八闸阀；17、第一膨胀机；18、第九闸阀；19、第十闸阀；20、水泵；21、第十一闸阀；22、第二三通阀；23、第十二闸阀；24、第二蓄热器；25、第二膨胀机；26、第二发电机；27、第十三闸阀；28、第三蓄热器；29、第三膨胀机；30、第二发电机；31、第四膨胀机；32、第一压力传感器；33、第二压力传感器；34、第三发电机；35、第四发电机；36、第一液位传感器；37、第二液位传感器；38、第十四闸阀；39、第十五闸阀；51、第一高压储气室；52、第一中压水气共容室；53、进水口；54、出水口；55、固定肋；56、高压空气通道；57、中低压空气通道；58、支座；61、第二高压储气室；62、第二中压水气共容室。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种双壳式近等温压缩空气储能系统，包括第一电动机1、第一压缩机2、第一蓄热器3、第一闸阀4、第一双壳式储气罐5、第二双壳式储气罐6、第二闸阀7、第三闸阀8、第四闸阀9、第一三通阀10、第五闸阀11、第六闸阀12、第七闸阀13、水轮机14、第一发电机15、第八闸阀16、第一膨胀机17、第九闸阀18、第十闸阀19、水泵20、第十一闸阀21、第二三通阀22、第十二闸阀23、第四蓄热器24、第二膨胀机25、第二发电机26、第十三闸阀27、第三蓄热器28、第三膨胀机29、第二发电机30、第四膨胀机31、第一压力传感器32、第二压力传感器33、第三发电机34、第四发电机35、第一液位传感器36、第二液位传感器37、第十四闸阀38、第十五闸阀39。

第一电动机1连接第一压缩机2再通过第一蓄热器3和第一闸阀4连接第一双壳式储气罐5和第二双壳式储气罐6；第三发电机34通过第四膨胀机31连接第一双壳式储气罐5；第四发电机35通过第一膨胀机17连接第二双壳式储气罐6。

第一双壳式储气罐5中第一高压储气室51通过第一三通阀10的一侧连接第十三闸阀27、第三蓄热器28、第三膨胀机29、第二双壳式储气罐6中的第二中压水气共容室62，第二发电机30连接第三膨胀机29，第一双壳式储气罐5中第一高压储气室51通过第一三通阀10的另一侧连接第四闸阀9和第二双壳式储气罐6中的第二中压水气共容室62；第二双壳式储气罐6中第二高压储气室61通过第二三通阀22的一侧连接第十二闸阀23、第四蓄热器24、第二膨胀机25、第一双壳式储气罐5中的第一中压水气共容室52，第二发电机26连接第二膨胀机25，第二双壳式储气罐6中第二高压储气室61通过第二三通阀22的另一侧连接第十一闸阀21和第一双壳式储气罐5中的第一中压水气共容室52。

第一双壳式储气罐5中的第一中压水气共容室52通过第二闸阀7、水泵20和第三闸阀8连接第一双壳式储气罐6中的第二中压水气共容室62；第二双壳式储气罐6中的第二中压水气共容室62通过第五闸阀11、水泵20和第六闸阀12连接第一双壳式储气罐5中的第一中压水气共容室52；

第一双壳式储气罐5中的第一中压水气共容室52通过第七闸阀13、水轮机14和第八闸阀16连接第二双壳式储气罐6中的第二中压水气共容室62，第一发电机15连接水轮机14；第二双壳式储气罐6中的第二中压水气共容室62通过第九闸阀18、水轮机14和第十闸阀19连接第一双壳式储气罐5中的第一中压水气共容室52。

蓄热器的热量来源有太阳能和压缩空气所释放的压缩热，也可以采用工业锅炉的蒸汽系统或熔盐储热系统为蓄热器提供热量。

固定肋连接高压储气室和中压水气共容室，能够进一步降低中压水气共容室中空气压缩时的温度升高，以及固定高压储气室；高压储气室通过高压空气通道直接连通外部，中低压空气通道开设在外侧壳体顶部；双壳式储气罐的底部设置支座8，支座8为中空圆台形底座；支座8能稳定支撑双壳式储气罐，同时为进水口和出水口提供安装管道的空间。

本发明一种双壳式近等温压缩空气储能系统，储能时，初始时刻，除第一闸阀4、第四闸阀9、第一三通阀10、第十一闸阀21、第二三通阀22外其它阀门全部关闭，第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52、第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中均已注入一定液位的水，且液位相等。在第一电动机1的驱动下，空气经过第一压缩机2被压缩，压缩过程中产生的压缩热储存于第一蓄热器3中，被冷却后的空气经过第一闸阀4分别储存于第一双壳式储气罐5、第二双壳式储气罐6中；待第一压力传感器32、第二压力传感器33检测到第一双壳式储气罐5、第二双壳式储气罐6中空气压力达设定值时，第一闸阀4、第四闸阀9、第一三通阀10、第十一闸阀21、第二三通阀22关闭，第一电动机1、第一压缩机2停止工作，同时，第二闸阀7、第三闸阀8打开，水泵20工作，第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中的水在水泵20作用下进入第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62压缩空气；待第一压力传感器32检测到压力达到储气压力设定值时，第四闸阀9、第一三通阀10的a侧打开，空气进入第一双壳式储气罐5的第一高压储气室51中，此过程中进入第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中的水流量和从第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62流出的空气流量相等，此后第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中空气压力维持恒定，第一双壳式储气罐5的第一高压储气室51中空气压力进一步升高；待第二液位传感器37检测到第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中液位达到设定值时，第四闸阀9关闭，第一三通阀10的a侧关闭，第二闸阀7、第三闸阀8关闭，第五闸阀11、第六闸阀12打开，第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中的水在水泵20作用下进入第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52压缩空气；待第一压力传感器32检测到压力达到储气压力设定值时，第十一闸阀21、第二三通阀22的a侧打开，空气进入第二双壳式储气罐6的第二高压储气室61中，此过程中进入第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中的水流量和从第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52流出的空气流量相等，此后第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中空气压力维持恒定，第二双壳式储气罐6的第二高压储气室61中空气压力进一步升高；待第一液位传感器36检测到第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中液位达到设定值时，所有阀门关闭，水泵停止工作，储能过程结束。

本发明一种双壳式近等温压缩空气储能系统，释能时，第十二闸阀23打开，第二三通阀22的b侧打开，第二双壳式储气罐6的第二高压储气室61中高压空气通过第四蓄热器24加热后，通过第二膨胀机25驱动第二发电机26产生电能，然后进入第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中，第七闸阀13、第八闸阀16打开，第一双壳式储气罐5的第二中压水气共容室52中的水进入水轮机14驱动第一发电机15产生电能，第十五闸阀39打开，此时第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中的中低压气体进入第一膨胀机17，驱动第四发电机35产生电能，第一膨胀机17出口的低温空气为用户提供冷量，此过程中进入第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中的空气的流量与离开第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52的水流量相等，第一双壳式储气罐5的第一中压水气共容室52中空气压力维持恒定，同时离开第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62的空气流量与进入第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中水流量相等，空气压力维持恒定。

当第二双壳式储气罐6中第二液位传感器37检测到第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中液位达到设定值时，第十二闸阀23、第二三通阀22的b侧、第七闸阀13、第八闸阀16、第十五闸阀39关闭，第十四闸阀38打开，第十四闸阀38打开，此时第一双壳式储气罐5的第一高压储气室51中的中低压气体进入第四膨胀机31，驱动第三发电机34产生电能，第四膨胀机31出口的低温空气为用户提供冷量；待第一双壳式储气罐5中中压储气室52的压力到达与此时的第二双壳式储气罐6中中压储气室62压力相等时，第一三通阀10的b侧、第十三闸阀27打开，第一双壳式储气罐5的第一高压储气室51中高压空气通过第三蓄热器28加热后，通过第三膨胀机29驱动第二发电机30产生电能，然后进入第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中，第九闸阀18、第十闸阀19打开，第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中的水进入水轮机14驱动第一发电机15产生电能；当第一双壳式储气罐5中第一液位传感器36检测到第一双壳式储气罐5的第二中压水气共容室52中液位达到设定值时，储能过程结束，所有阀门关闭，设备停止工作，此过程中进入第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中的空气的流量与离开第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62的水流量相等，第二双壳式储气罐6的第二中压水气共容室62中空气压力维持恒定。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，包括空气压缩系统和双罐式近等温压缩空气系统；双罐式近等温压缩空气系统包括第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)；空气压缩系统的出气口分别连通第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)的气体入口；第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)均采用双壳式储气罐，双壳式储气罐内设置高压储气室，外侧为中压水气共容室；高压储气室出口依次连接蓄热器和膨胀机，膨胀机出口连接另一个双壳式储气罐的中压水气共容室进气口，中压水气共容室的出水口设置水轮机；中压水气共容室的出气口设置膨胀机；中压水气共容室的出气口还连通另一个双壳式储气罐中高压储气室的进气口；膨胀机和水轮机均连接发电机；第一双壳式储气罐(5)的进水口和出水口经过水泵对应连接第二双壳式储气罐(6)的出水口和进水口。

2.根据权利要求1所述的双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，高压储气室外壁通过若干固定肋连接和外层壳体，高压储气室通过高压空气通道直接连通外部，中低压空气通道开设在外侧壳体顶部。

3.根据权利要求1所述的双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，空气压缩系统包括第一电动机(1)、第一压缩机(2)和蓄热器(3)，第一电动机(1)用于驱动第一压缩机(2)，第一压缩机(2)的出气口连接蓄热器(3)的热侧入口，蓄热器(3)的热侧出口作为空气压缩系统的出气口。

4.根据权利要求1所述的双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，中压水气共容室的出气口处膨胀机的出口连接冷量用户。

5.根据权利要求1所述的双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)中均设置压力传感器；第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)中分别设置液位传感器。

6.根据权利要求1所述的双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，蓄热器的热侧连接太阳能光热系统、工业锅炉的蒸汽系统、熔盐储热系统或空气压缩系统。

7.根据权利要求1所述的双壳式近等温压缩空气储能系统，其特征在于，蓄热器的冷侧入口、中压水气共容室的出气口、膨胀机的进气口、水泵的出口和入口、水轮机的入口和出口均设置阀门。

8.基于权利要求1-7任一项所述双壳式近等温压缩空气储能系统的近等温压缩空气储能方法，其特征在于，

储能时：空气压缩系统将空气压缩后通入双罐式近等温压缩空气系统进一步压缩，具体的，双壳式储气罐中装有设定量的水，压缩后的空气进入第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)，第一双壳式储气罐(5)和第二双壳式储气罐(6)压力达到设定值后，水泵(20)将第一中压水气共容室(52)的水送入第二中压水气共容室(62)中压缩空气，第二中压水气共容室(62)压力达到预设值后；空气进入第一高压储气室(51)中，第一高压储气室(51)中空气压力进一步升高，第二中压水气共容室(62)中液位达到设定值时，停止进气；水泵(20)将第二中压水气共容室(62)的水送入第一中压水气共容室(52)，第一中压水气共容室(52)压力达到预设值后，空气进入第二高压储气室(61)，第二高压储气室(61)中空气压力进一步升高，第二中压水气共容室(62)中液位达到设定值时，停止进气；

释能时：第一高压储气室(51)中的高压空气升温后进入膨胀机做功带动发电机发电，做功后的气体进入第二中压水气共容室(62)，第二中压水气共容室(62)中的水驱动水轮机(14)带动发电机发电，第一中压水气共容室(51)中的低压气体进入膨胀机做功带动发电机发电，所述膨胀机输出低温空气；进入第二中压水气共容室(62)的空气流量与离开第二中压水气共容室(62)水的流量相等，第二中压水气共容室(62)中空气压力维持恒定，离开第一中压水气共容室(52)的空气流量与进入第一中压水气共容室(52)的水流量相等；

当第一中压水气共容室(52)中液位达到设定值时，第二高压储气室(61)中的高压空气升温后进入膨胀机做功带动发电机发电，做功后的气体进入第一中压水气共容室(52)，第一中压水气共容室(52)中的水驱动水轮机(14)带动发电机发电，第二中压水气共容室(61)中的低压气体进入膨胀机做功带动发电机发电，所述膨胀机输出低温空气；进入第一中压水气共容室(52)的空气流量与离开第一中压水气共容室(52)水的流量相等，第一中压水气共容室(52)中空气压力维持恒定，离开第二中压水气共容室(62)的空气流量与进入第二中压水气共容室(62)的水流量相等。

9.根据权利要求8所述的近等温压缩空气储能方法，其特征在于，膨胀机输出的低温空气向外部提供冷量。

10.根据权利要求8所述的近等温压缩空气储能方法，其特征在于，通过太阳能光热系统、工业锅炉的蒸汽系统、熔盐储热系统或空气压缩系统向蓄热器供热。