CN117328965A - 一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统及方法，所述压缩空气储能装置系统包括光热模块、光伏模块和压缩空气储能模块；所述压缩空气储能模块包括依次连接的空气压缩装置、气水换热装置、储气装置、回热装置、固体加热装置、熔盐加热装置和透平；所述气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置相连；所述熔盐加热装置与光热模块的熔盐储存装置相连；所述固体加热装置与光伏模块连接。本发明所述的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统的负荷响应速率快，系统能量效率高，突破了压缩空气储能系统的电‑电效率低于电化学储能的技术瓶颈，应用范围广阔。
Description
技术领域
本发明涉及压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统及方法。
背景技术
相比于抽水蓄能和电化学储能，压缩空气储能存在系统电电转换效率低和电网响应速度慢的问题。通过多能互补方式补偿压缩空气储能的这两点短板，产品竞争力将大大提高，将迎来更大的发展机遇。
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但上述压缩空气储能系统的能量效率仍然较低。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统及方法，通过将光热模块、光伏模块和压缩空气储能模块进行耦合，共用熔盐系统，利用压缩空气储能模块的压缩热来预热光热模块的凝结水，实现了压缩空气储能系统能量效率从60％～70％提升至80％左右，应用前景广阔。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统，所述压缩空气储能装置系统包括光热模块、光伏模块和压缩空气储能模块；
所述压缩空气储能模块包括依次连接的空气压缩装置、气水换热装置、储气装置、回热装置、固体加热装置、熔盐加热装置和透平；
所述气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置相连；
所述熔盐加热装置与光热模块的熔盐储存装置相连；
所述固体加热装置与光伏模块连接。
本发明提供的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统中压缩空气储能模块内的熔盐加热装置与光热模块的熔盐储存装置相连，将光热模块的高温熔盐作为热源用于压缩空气储能模块，大大提高压缩空气储能透平前温，提高压缩空气储能模块的效率；所述压缩空气储能模块中依次连接的空气压缩装置和气水换热装置，所述气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置相连，通过气水换热装置将压缩热传递给光热模块的凝结水，用于凝结水预热。
而且，本发明提供的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统中设置了固体加热装置，在释能过程中可防止熔盐降温过多而凝结，大幅度提高了压缩空气储能模块的响应速度，实现了弃电及光伏快速升负荷过程电能的储存，及释能过程的热量稳定输出。
本发明提供的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统无需设置储热罐和储冷罐，减少了储热过程的热量损失，整个装置系统设计紧凑，价格低廉，控制过程易于实现，具有很好的可靠性与经济性。
本发明所述光热模块和光伏模块是两个独立的模块，其中固体加热装置与光伏模块连接，用于消纳光伏弃电。
优选地，所述空气压缩装置包括间冷式压缩机。
优选地，所述空气压缩装置的段数为3～7段，例如可以是3段、4段、5段、6段或7段。
优选地，所述气水换热装置的数量为3～7台，例如可以是3台、4台、5台、6台或7台。
优选地，所述空气压缩装置的段数与气水换热装置的台数相同。
本发明所述空气压缩装置各级的排气温度相近，通过气水换热装置回收压缩热，用于加热光热模块的凝结水，排气温度可以匹配光热模块的需求进行调整。
优选地，所述熔盐加热装置的数量为2台或3台。
优选地，所述透平的段数为2段或3段。
优选地，所述熔盐加热装置的台数与透平的段数相同。
优选地，所述透平与回热装置相连，这样透平做功后的空气回流至回热装置将余热传递给回热装置内高压低温空气。
优选地，所述压缩空气储能模块还包括空气过滤装置。
优选地，所述空气过滤装置与空气压缩装置相连。
第二方面，本发明还提供一种耦合光热光伏的压缩空气储能方法，所述压缩空气储能方法采用第一方面所述的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统进行；
所述压缩空气储能方法包括储能过程和释能过程；
所述储能过程包括：空气进入空气压缩装置压缩后，进入气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置内的凝结水换热后被冷却，再进入储气装置存储；
所述释能过程包括：
储气装置内的空气依次经回热装置、固体加热装置和熔盐加热装置加热后，进入透平做功发电。
本发明提供的耦合光热光伏的压缩空气储能方法利用固体加热装置将压缩空气预热到熔盐凝结点以上，在释能过程中不会出现熔盐降温过多而凝结。通过将光热模块和压缩空气储能模块耦合，将压缩空气储能装置系统的能量效率从60％～70％提升至80％左右。
优选地，所述储能过程中空气先经过空气过滤装置，再进入空气压缩装置压缩。
优选地，所述空气压缩装置的额定总功率为10～200MW，例如可以是10MW、20MW、50MW、80MW、100MW、150MW或200MW等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述空气压缩装置利用光伏模块的电能进行工作。
优选地，所述固体加热装置利用光伏模块的弃电加热并储热。
优选地，所述透平的发电功率为10～200MW，例如可以是10MW、20MW、50MW、80MW、100MW、150MW或200MW等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述透平出口的空气进入回热装置。
作为本发明优选的技术方案，所述压缩空气储能方法包括储能过程和释能过程；
所述储能过程包括：空气经空气过滤装置过滤后进入空气压缩装置压缩，再进入气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置内的凝结水换热后被冷却，进入储气装置存储；所述空气压缩装置的额定总功率为10～200MW；所述空气压缩装置利用光伏模块的发电高峰电能进行工作；
所述释能过程包括：
储气装置内的空气依次经回热装置、固体加热装置和熔盐加热装置加热后，进入透平做功发电；所述透平出口的空气进入回热装置；
所述固体加热装置利用光伏模块的弃电加热并储热；
所述透平的发电功率为10～200MW。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统中配置了具有储换热一体化的固体加热装置，用于回收多余的光伏弃电，利用不稳定的光伏弃电加热固体加热装置，储存热量用于释能过程中预热高压空气，开拓弃电利用新场景，有利于提高压缩空气储能负荷响应速率；
(2)本发明提供的一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统中光热模块和压缩空气储能模块的熔盐储热共用，通过提高透平前温，大幅度提高压缩空气储能模块的电-电效率，突破压缩空气储能模块的电-电效率低于电化学储能的技术瓶颈，提高压缩空气储能产品的市场竞争力；
(3)本发明提供的一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统通过气水换热装置将压缩热传递给光热模块的凝结水，用于凝结水预热，实现空气压缩装置产生的热能被光热模块再次利用；
(4)本发明提供的一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统将系统能量效率从60％～70％提升至80％左右，适合大范围推广应用。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式中耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统的结构示意图。
图中：1-空气压缩装置；2-气水换热装置；3-空气过滤装置；4-固体加热装置；5-回热装置；6-第一熔盐加热装置；7-第二熔盐加热装置；8-第一透平；9-第二透平；10-储气装置；11-光热模块。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是，在本发明的描述中，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
作为本发明的一个具体实施方式，提供一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统，其结构示意图如图1所示。
所述压缩空气储能装置系统包括光热模块、光伏模块和压缩空气储能模块；
所述压缩空气储能模块包括依次连接的空气压缩装置1、气水换热装置2、储气装置10、回热装置5、固体加热装置4、熔盐加热装置和透平；
所述气水换热装置2与光热模块的凝结水储存装置相连；
所述熔盐加热装置与光热模块的熔盐储存装置相连；
所述固体加热装置4与光伏模块连接。光伏模块未在图1中示出。
所述空气压缩装置包括间冷式压缩机；所述空气压缩装置的数量为7段，其中前4段为第一组，同轴连接，并与第一电动机相连，后3段为第二组，同轴连接，并与第二电动机相连；
所述气水换热装置的数量为7台；所述空气压缩装置与气水换热装置依次间隔相连。
所述熔盐加热装置的数量为2台，分别为第一熔盐加热装置6和第二熔盐加热装置7；
所述透平的数量为2段，分别为第一透平8和第二透平9。
所述第一熔盐加热装置6、第一透平8、第二熔盐加热装置7和第二透平9依次连接。
所述第二透平9与回热装置5相连。
所述压缩空气储能模块还包括空气过滤装置3；所述空气过滤装置3与空气压缩装置1相连。
作为本发明的一个具体实施方式，还提供一种耦合光热光伏的压缩空气储能方法，所述压缩空气储能方法采用上述的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统进行；
所述压缩空气储能方法包括储能过程和释能过程；
所述储能过程包括：空气经空气过滤装置3过滤后进入空气压缩装置1压缩，再进入气水换热装置2与光热模块的凝结水储存装置内的凝结水换热后被冷却，进入储气装置10存储，储气装置的压力由6.6MPa升高至9.8MPa；所述空气压缩装置1的额定总功率为100MW；所述空气压缩装置1利用光伏模块的发电高峰电能进行工作；
所述释能过程包括：
储气装置10内的空气依次经回热装置5和固体加热装置4被预热至280℃，继续进入第一熔盐加热装置6加热至525℃后，进入第一透平8做功发电，继续进入第二熔盐加热装置7中再次加热后，进入第二透平9做功发电；
释能过程中储气装置10的压力从9.8MPa降低至6.6MPa；
所述固体加热装置4利用光伏模块的弃电加热并储热；
所述透平的发电功率为100MW；所述透平出口的空气进入回热装置。
本具体实施方式中耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统的能量效率为86％。
综上所述，本发明提供的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统中配置了具有储换热一体化的固体加热装置，用于回收多余的光伏弃电，利用不稳定的光伏弃电加热固体加热装置，储存热量用于释能过程中预热高压空气，开拓弃电利用新场景，有利于提高压缩空气储能负荷响应速率；所述光热模块和压缩空气储能模块的熔盐储热共用，通过提高透平前温，大幅度提高压缩空气储能模块的电-电效率，突破压缩空气储能模块的电-电效率低于电化学储能的技术瓶颈，提高了压缩空气储能产品的市场竞争力；而且将系统能量效率从60％～70％提升至80％左右，具有大规模推广应用前景。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统，其特征在于，所述压缩空气储能装置系统包括光热模块、光伏模块和压缩空气储能模块；
所述压缩空气储能模块包括依次连接的空气压缩装置、气水换热装置、储气装置、回热装置、固体加热装置、熔盐加热装置和透平；
所述气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置相连；
所述熔盐加热装置与光热模块的熔盐储存装置相连；
所述固体加热装置与光伏模块连接。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能装置系统，其特征在于，所述空气压缩装置包括间冷式压缩机；
优选地，所述空气压缩装置的段数为3～7段；
优选地，所述气水换热装置的数量为3～7台；
优选地，所述空气压缩装置的段数与气水换热装置的台数相同。
3.根据权利要求1或2所述的压缩空气储能装置系统，其特征在于，所述熔盐加热装置的数量为2台或3台；
优选地，所述透平的段数为2段或3段；
优选地，所述熔盐加热装置的台数与透平的段数相同。
4.根据权利要求1～3任一项所述的压缩空气储能装置系统，其特征在于，所述透平与回热装置相连。
5.根据权利要求1～4任一项所述的压缩空气储能装置系统，其特征在于，所述压缩空气储能模块还包括空气过滤装置；
优选地，所述空气过滤装置与空气压缩装置相连。
6.一种耦合光热光伏的压缩空气储能方法，其特征在于，所述压缩空气储能方法采用权利要求1～5任一项所述的耦合光热光伏的压缩空气储能装置系统进行；
所述压缩空气储能方法包括储能过程和释能过程；
所述储能过程包括：空气进入空气压缩装置压缩后，进入气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置内的凝结水换热后被冷却，再进入储气装置存储；
所述释能过程包括：
储气装置内的空气依次经回热装置、固体加热装置和熔盐加热装置加热后，进入透平做功发电。
7.根据权利要求6所述的压缩空气储能方法，其特征在于，所述储能过程中空气先经过空气过滤装置，再进入空气压缩装置压缩；
优选地，所述空气压缩装置的额定总功率为10～200MW。
8.根据权利要求6或7所述的压缩空气储能方法，其特征在于，所述空气压缩装置利用光伏模块的电能进行工作；
优选地，所述固体加热装置利用光伏模块的弃电加热并储热。
9.根据权利要求6～8任一项所述的压缩空气储能方法，其特征在于，所述透平的发电功率为10～200MW；
优选地，所述透平出口的空气进入回热装置。
10.根据权利要求6～9任一项所述的压缩空气储能方法，其特征在于，所述压缩空气储能方法包括储能过程和释能过程；
所述储能过程包括：空气经空气过滤装置过滤后进入空气压缩装置压缩，再进入气水换热装置与光热模块的凝结水储存装置内的凝结水换热后被冷却，进入储气装置存储；所述空气压缩装置的额定总功率为10～200MW；所述空气压缩装置利用光伏模块的发电高峰电能进行工作；
所述释能过程包括：
储气装置内的空气依次经回热装置、固体加热装置和熔盐加热装置加热后，进入透平做功发电；所述透平出口的空气进入回热装置；
所述固体加热装置利用光伏模块的弃电加热并储热；
所述透平的发电功率为10～200MW。
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