CN117386571A - 一种光热驱动的压缩空气储能系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光热驱动的压缩空气储能系统及方法，涉及空气储能技术领域，该系统包括一种光热驱动的压缩空气储能系统，包括光热驱动压缩单元、热能存储单元和膨胀发电单元，所述光热驱动压缩单元包括内部存储有液体工质的光热集热器和膨胀压缩器，所述光热集热器与冷凝器及增压泵顺时针闭环连接，所述膨胀压缩器一侧依次连接冷却器和储气库、另一侧连接低压气源单元；所述热能存储单元包括蓄热器，所述蓄热器分别连接冷凝器、冷却器和换热器，所述膨胀发电单元包括依次串联的储气库、换热器和空气膨胀机。本发明通过光热直接驱动空气压缩，可以一定程度上降低高温压缩机的需求和依赖性。
Description
技术领域
本发明涉及空气储能技术领域，尤其是一种光热驱动的压缩空气储能系统及方法。
背景技术
太阳能为清洁可再生能源的重要组成部分，当前主要利用形式为光伏发电、光热供热和光热发电。其中，光伏发电是利用光电材料直接将太阳辐射转化为电能的方法，技术成熟、应用广泛，但该技术受自然日照条件影响严重，发电功率及电压波动性较强，大规模并网接入时可能对电网的稳定性造成严重影响，因而时常出现并网受限和弃光电现象。光热供热包括各种通过太阳能集热实现光热利用的方法，例如最常见的太阳能热水器，通过热水的存储，可以满足24小时甚至更长时间的连续光热供热，但仅能满足热能需求，缺乏较强的灵活性。光热发电基于光热供热和热力发电发展而来，利用太阳能光热加热流动工质后驱动动力轮机做功发电，通过载热介质存储，光热发电技术具备连续供能能力，且电能的供应具有更强的灵活性。
但当前光热发电用于驱动动力轮机的工质一般为水-水蒸气体系，水耗量较大，且系统形式较为单一。
储能作为另一种支撑双碳愿景实现及新型电力系统构建的关键技术，也已进入研发和应用的重要时期，其中大规模长时储能技术的需求尤为迫切。先进绝热压缩空气储能作为大规模长时储能技术的一种，通过空气压缩耗电、空气膨胀发电的原理实现储能运行。具体来讲，在压缩储能过程中，空气压缩机消耗外部电能并吸入环境空气，将其压缩至高温高压状态后与蓄换热工质进行热量交换，放热降温后的高温压缩空气进入下级压缩机继续增压或储气库中存储，吸热升温后的蓄换热工质则进入蓄热器中存储；在膨胀释能过程中，系统存储的压缩空气首先与存储的高温蓄换热工质进行热量交换，重新获得热能并成为高温高压空气后进入空气膨胀机中膨胀做功，并驱动发电机输出电能，降温降压后再次与高温蓄换热工质换热或排入环境。上述空气膨胀过程中，压缩空气进入空气膨胀机时的温度与其做功能力呈正比，也即温度越高、单位质量空气能够产生的电能越多，系统的能效越高，因而应尽量提升蓄换热工质的蓄热温度，也即提升空气压缩机的压缩排气温度。先进绝热压缩空气储能的系统能效与空气压缩机排气温度呈正相关，而受限于压缩机材料及工艺，高温压缩机技术难度较大、成本昂贵，一定程度上限制了该技术的推广应用。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种光热驱动的压缩空气储能系统及方法，为太阳能光热利用和大规模长时储能提供了更加丰富的技术选项，通过光热直接驱动空气压缩，可以一定程度上降低高温压缩机的需求和依赖性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种光热驱动的压缩空气储能系统，包括光热驱动压缩单元、热能存储单元和膨胀发电单元，所述光热驱动压缩单元包括内部存储有液体工质的光热集热器和膨胀压缩器，所述光热集热器与冷凝器及增压泵顺时针闭环连接，所述膨胀压缩器一侧依次连接冷却器和储气库、另一侧连接低压气源单元；所述热能存储单元包括蓄热器，所述蓄热器分别连接冷凝器、冷却器和换热器，所述膨胀发电单元包括依次串联的储气库、换热器和空气膨胀机。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述膨胀压缩器包括依次设置的膨胀腔体A、隔热活塞B和压缩腔体C，所述隔热活塞B能够在膨胀腔体A和压缩腔体C之间自由运动，所述膨胀腔体A与光热集热器之间设置有第一单向阀V1，所述膨胀腔体A与冷凝器之间设置有第二单向阀V2，所述压缩腔体C与低压气源单元之间设置有第三单向阀V3，所述压缩腔体C与冷却器之间设置有第四单向阀V4。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述蓄热器和冷凝器之间、蓄热器和冷却器之间分别设置有第二低温循环泵和第一低温循环泵，所述蓄热器和换热器之间设置有高温循环泵。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述光热集热器内部存储的液体工质为水、二氧化碳或者混合工质的任一种。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述隔热活塞B与膨胀压缩器的壁面之间具有良好气密性，且隔热活塞B由隔热性能较好的耐压材料加工而成。
本发明技术方案的进一步改进在于：一种光热驱动的压缩空气储能方法，包括储能模式和释能模式，所述储能模式中光热驱动压缩单元与热能存储单元同步运行，所述光热驱动压缩单元中，光热集热器中的液体工质吸收太阳辐射后进入膨胀压缩器压缩，压缩空气进入冷却器中降温冷却后，最终进入储气库中存储；所述热能存储单元中，部分低温载热介质在第二低温循环泵的驱动下，由蓄热器中进入冷凝器中吸热升温，然后返回蓄热器中存储，同时，另一部分低温载热介质在第一低温循环泵的驱动下进入冷却器中与来自膨胀压缩器中压缩腔体C的高温压缩空气换热，吸热升温后返回蓄热器中存储；所述释能模式中热能存储单元和膨胀发电单元运行，所述膨胀发电单元中，储气室释放存储的压缩空气进入换热器中，同时，热能存储单元中的高温载热介质也在高温循环泵的驱动下由蓄热器进入换热器中，压缩空气吸收热量后进入空气膨胀机中降压做功，驱动空气膨胀机附属的发电机输出电力，降温降压后的空气直接排入环境，而降温后的载热介质则进入蓄热器中存储。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述储能模式中，蓄热器中的低温载热介质进入冷凝器为水蒸气的冷凝提供冷能，冷凝器中产生的冷凝水随后在增压泵的驱动下重新进入光热集热器中。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述光热驱动压缩单元中膨胀压缩器的工作过程如下：
光热集热器中吸收太阳辐射后，光热集热器中的液体工质吸热气化，光热集热器中压力升高至第一单向阀V1设定开启值后，第一单向阀V1打开，高压水蒸气进入膨胀压缩器中的膨胀腔体A中，推动隔热活塞B向上运动，压缩腔体C中的低压空气进而被压缩，在压缩腔体C中压力与储气库中压力压差达到第四单向阀V4设定开启值后，第四单向阀V4打开，压缩空气进入冷却器中降温冷却后，最终进入储气库中存储；
此时，第一单向阀V1关闭、第二单向阀V2打开，膨胀腔体A中水蒸气通过第二单向阀V2进入冷凝器中降温冷凝，从而在冷凝器-膨胀腔体A中形成低压区，进而隔热活塞B在压缩腔体C残余压缩空气的驱动下向下运动，随后压缩腔体C中压力降低、第四单向阀V4随之关闭，同时第三单向阀V3打开，低压空气在内外压差的驱动下由低压气源单元进入压缩腔体C；隔热活塞B到达下止点位置后，第二单向阀V2关闭、第一单向阀V1开启，光热集热器中的高压水蒸汽再次进入膨胀腔体A中，驱动隔热活塞B向上运行并使压缩腔体C中的低压空气压缩升压，同时第三单向阀V3闭合，在压缩腔体C中压力与储气库中压力之差再次达到第四单向阀V4开启条件后，压缩腔体C中压缩空气再次进入冷却器中降温冷却后，最终进入储气库中存储；
通过上述过程的连续进行，储气库中的气量逐渐增加、压力逐渐增加，压缩腔体C的排气压力也逐渐提升以满足第四单向阀V4开启条件，膨胀腔体A的进气量逐渐提升，也即第一单向阀V1的开启时长逐渐提升。
本发明技术方案的进一步改进在于：当太阳辐照强度变化时，通过膨胀压缩器实现太阳辐射能量的最大限度利用，当太阳辐照减弱时，通过降低第一单向阀V1开启时间间隔或降低开启频率的方式使光热集热器内的温度和压力进一步上升以抵消太阳辐照的不足，或者在正常运行情况下提升光热集热器内部的温度和压力；当太阳辐照增强时，缩短第一单向阀V1的开启时间间隔或提高开启频率的方式加快光热集热器内的高温高压水蒸气泄放，通过加快空气压缩的方式消耗水蒸气，进而避免光热集热器内温度和压力的累积。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明提供的一种光热驱动的压缩空气储能系统及方法，为太阳能光热利用和大规模长时储能提供了更加丰富的技术选项，通过光热直接驱动空气压缩，可以一定程度上降低高温压缩机的需求和依赖性；
2、本发明通过光热集热及液体工质气化膨胀，驱动空气压缩过程并存储压缩空气；同时通过光热集热加热载热介质并存储，从而实现光热直接驱动的压缩空气储能；
3、本发明通过调节光热驱动压缩装置的排气压力，满足定容储气装置进气压力连续上升的运行需求。
附图说明
图1是本发明系统原理图；
其中，1、光热集热器，2、膨胀压缩器，A、膨胀腔体，B、隔热活塞，C、压缩腔体，3、冷凝器，4、增压泵，5、冷却器，6、储气库，7、换热器，8、空气膨胀机，9、蓄热器，10、低压气源单元，11-1、第一低温循环泵，11-2、高温循环泵，12、第二低温循环泵。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种光热驱动的压缩空气储能系统，包括光热驱动压缩单元、热能存储单元和膨胀发电单元，光热驱动压缩单元包括光热集热器1、膨胀压缩器2、冷凝器3、增压泵4、冷却器5、储气库6、低压气源单元10以及第一单向阀门V1～第一单向阀门V4，光热集热器1内部存储有液体工质，液体工质为水、二氧化碳或者混合工质的任一种。光热集热器1的一端分别连接膨胀压缩器2和冷凝器3，光热集热器1、冷凝器3及增压泵4顺时针闭环连接，膨胀压缩器2包括依次设置的膨胀腔体A、隔热活塞B和压缩腔体C，隔热活塞B能够在膨胀腔体A和压缩腔体C之间自由运动，隔热活塞B与膨胀压缩器2的壁面之间具有良好气密性，且隔热活塞B由隔热性能较好的耐压材料加工而成。膨胀腔体A依次连接冷却器5和储气库6，压缩腔体C连接低压气源单元10。膨胀腔体A与光热集热器1之间设置有第一单向阀V1，膨胀腔体A与冷凝器3之间设置有第二单向阀V2，压缩腔体C与低压气源单元10之间设置有第三单向阀V3，压缩腔体C与冷却器5之间设置有第四单向阀V4。
热能存储单元包括冷凝器3、冷却器5、换热器7、蓄热器9，蓄热器9分别连接冷凝器3、冷却器5和换热器7，蓄热器9和冷凝器3之间、蓄热器9和冷却器5之间分别设置有第二低温循环泵12和第一低温循环泵11-1，蓄热器9和换热器7之间设置有高温循环泵11-2。
膨胀发电单元包括依次串联的储气库6、换热器7和空气膨胀机8。
本发明的光热驱动的压缩空气储能系统在应用时，包括储能模式和释能模式两个运行模式，其应用方法如下：
储能模式中光热驱动压缩单元与热能存储单元同步运行。
当前主流的光热集热器包括槽式、菲涅尔式和塔式等，均适用于本发明，但本发明仅以塔式光热集热器为例。储能时，光热集热器1吸收太阳辐射后，其中的液体工质（可为水、二氧化碳、混合工资等多种液态工质，本发明中以水为例）水吸热气化，液体工质在吸收光热热能升温气化后密度大大降低，因而光热集热器1内压力急剧上升，光热集热器1中压力升高至第一单向阀V1设定开启值（例如5MPa）后，该阀打开，高压水蒸气进入膨胀压缩器2的膨胀腔体A中，推动隔热活塞B向上运动，压缩腔体C中的低压空气进而被压缩，在压缩腔体C中压力与储气库6中压力压差达到第四单向阀V4设定开启值（例如0.1MPa）后，该阀打开，压缩空气进入冷却器5中降温冷却后，最终进入储气库6中存储。
此时，第一单向阀V1关闭、第二单向阀V2打开，膨胀腔体A中水蒸气通过第二单向阀V2进入冷凝器3中降温冷凝，从而在冷凝器3-膨胀腔体A中形成低压区，进而隔热活塞B在压缩腔体C残余压缩空气的驱动下向下运动，随后压缩腔体C中压力降低、第四单向阀V4随之关闭，同时第三单向阀V3打开，低压空气在内外压差的驱动下由低压气源单元10（环境或低压气源，低压气源单元10的排气压力低于本光热驱动压缩单元的光热驱动压缩单元，作为低压气源）进入压缩腔体C；隔热活塞B到达下止点位置后，第二单向阀V2关闭、第一单向阀V1开启，光热集热器1中的高压水蒸汽再次进入膨胀腔体A中，驱动隔热活塞B向上运行并使压缩腔体C中的低压空气压缩升压，同时第三单向阀V3闭合，在压缩腔体C中压力与储气库6中压力之差再次达到第四单向阀V4开启条件后，压缩腔体C中压缩空气再次进入冷却器5中降温、进入储气库6中存储。
上述过程中，蓄热器9中的低温载热介质进入冷凝器3为水蒸气的冷凝提供冷能，冷凝器3中产生的冷凝水随后在增压泵4的驱动下重新进入光热集热器1中。通过上述过程的连续进行，储气库6中的气量逐渐增加、压力逐渐增加，压缩腔体C的排气压力也应逐渐提升以满足第四单向阀V4开启条件，意味着膨胀腔体A的水蒸气进气量应逐渐提升，也即第一单向阀V1的开启时长应逐渐提升。上述过程可以通过压力连锁的控制器实现控制。
伴随光热驱动压缩单元的运行，热能存储单元同步运行。部分低温载热介质在第二低温循环泵12的驱动下，由蓄热器9中进入冷凝器3中吸热升温，然后返回蓄热器9中存储。同时，另一部分载热介质在第一低温循环泵11-1的驱动下进入冷却器5中与来自压缩腔体C中的高温压缩空气换热，吸热升温后返回蓄热器9中存储。
此外，当太阳辐照强度变化时，也可以通过膨胀压缩器2实现太阳辐射能量的最大限度利用。当太阳辐照减弱时，通过降低第一单向阀V1开启时间间隔（或降低开启频率）的方式使光热集热器1内的温度和压力进一步上升，以抵消太阳辐照的不足，该方式也可以用于在正常运行情况下提升光热集热器1内部的温度和压力。相应的，当太阳辐照增强时，可以缩短第一单向阀V1的开启时间间隔（或提高开启频率）的方式加快光热集热器1内的高温高压水蒸气泄放，通过加快空气压缩的方式消耗水蒸气，进而避免光热集热器1内温度和压力的累积。
本发明通过四个单向阀门的顺次开启、关闭，实现光热驱动压缩空气的方法，以及通过调节第一单向阀V1开启时长及膨胀腔体进气量实现压缩腔体排气压力的调节。
释能模式中，热能存储单元和膨胀发电单元运行。
膨胀发电单元中，储气室6释放存储的压缩空气进入换热器7中，同时，热能存储单元中的高温载热介质也在高温循环泵11-2的驱动下由蓄热器9进入换热器7中，压缩空气吸收热量后进入空气膨胀机8中降压做功，驱动空气膨胀机8附属的发电机输出电力，降温降压后的空气直接排入环境，而降温后的载热介质则进入蓄热器9中存储。
Claims (9)
1.一种光热驱动的压缩空气储能系统，其特征在于：包括光热驱动压缩单元、热能存储单元和膨胀发电单元，所述光热驱动压缩单元包括内部存储有液体工质的光热集热器（1）和膨胀压缩器（2），所述光热集热器（1）与冷凝器（3）及增压泵（4）顺时针闭环连接，所述膨胀压缩器（2）一侧依次连接冷却器（5）和储气库（6）、另一侧连接低压气源单元（10）；所述热能存储单元包括蓄热器（9），所述蓄热器（9）分别连接冷凝器（3）、冷却器（5）和换热器（7），所述膨胀发电单元包括依次串联的储气库（6）、换热器（7）和空气膨胀机（8）。
2.根据权利要求1所述的一种光热驱动的压缩空气储能系统，其特征在于：所述膨胀压缩器（2）包括依次设置的膨胀腔体A、隔热活塞B和压缩腔体C，所述隔热活塞B能够在膨胀腔体A和压缩腔体C之间自由运动，所述膨胀腔体A与光热集热器（1）之间设置有第一单向阀V1，所述膨胀腔体A与冷凝器（3）之间设置有第二单向阀V2，所述压缩腔体C与低压气源单元（10）之间设置有第三单向阀V3，所述压缩腔体C与冷却器（5）之间设置有第四单向阀V4。
3.根据权利要求2所述的一种光热驱动的压缩空气储能系统，其特征在于：所述蓄热器（9）和冷凝器（3）之间、蓄热器（9）和冷却器（5）之间分别设置有第二低温循环泵（12）和第一低温循环泵（11-1），所述蓄热器（9）和换热器（7）之间设置有高温循环泵（11-2）。
4.根据权利要求1所述的一种光热驱动的压缩空气储能系统，其特征在于：所述光热集热器（1）内部存储的液体工质为水、二氧化碳或者混合工质的任一种。
5.根据权利要求2所述的一种光热驱动的压缩空气储能系统，其特征在于：所述隔热活塞B与膨胀压缩器（2）的壁面之间具有良好气密性，且隔热活塞B由隔热性能较好的耐压材料加工而成。
6.一种光热驱动的压缩空气储能方法，其特征在于：包括储能模式和释能模式，所述储能模式中光热驱动压缩单元与热能存储单元同步运行，所述光热驱动压缩单元中，光热集热器（1）中的液体工质吸收太阳辐射后进入膨胀压缩器（2）压缩，压缩空气进入冷却器（5）中降温冷却后，最终进入储气库（6）中存储；所述热能存储单元中，部分低温载热介质在第二低温循环泵（12）的驱动下，由蓄热器（9）中进入冷凝器（3）中吸热升温，然后返回蓄热器（9）中存储，同时，另一部分低温载热介质在第一低温循环泵（11-1）的驱动下进入冷却器（5）中与来自膨胀压缩器（2）中压缩腔体C的高温压缩空气换热，吸热升温后返回蓄热器（9）中存储；所述释能模式中热能存储单元和膨胀发电单元运行，所述膨胀发电单元中，储气室（6）释放存储的压缩空气进入换热器（7）中，同时，热能存储单元中的高温载热介质也在高温循环泵（11-2）的驱动下由蓄热器（9）进入换热器（7）中，压缩空气吸收热量后进入空气膨胀机（8）中降压做功，驱动空气膨胀机（8）附属的发电机输出电力，降温降压后的空气直接排入环境，而降温后的载热介质则进入蓄热器（9）中存储。
7.根据权利要求6所述的一种光热驱动的压缩空气储能方法，其特征在于：所述储能模式中，蓄热器（9）中的低温载热介质进入冷凝器（3）为水蒸气的冷凝提供冷能，冷凝器（3）中产生的冷凝水随后在增压泵（4）的驱动下重新进入光热集热器（1）中。
8.根据权利要求6所述的一种光热驱动的压缩空气储能方法，其特征在于：所述光热驱动压缩单元中膨胀压缩器（2）的工作过程如下：
光热集热器（1）中吸收太阳辐射后，光热集热器（1）中的液体工质吸热气化，光热集热器（1）中压力升高至第一单向阀V1设定开启值后，第一单向阀V1打开，高压水蒸气进入膨胀压缩器（2）中的膨胀腔体A中，推动隔热活塞B向上运动，压缩腔体C中的低压空气进而被压缩，在压缩腔体C中压力与储气库（6）中压力压差达到第四单向阀V4设定开启值后，第四单向阀V4打开，压缩空气进入冷却器（5）中降温冷却后，最终进入储气库（6）中存储；
此时，第一单向阀V1关闭、第二单向阀V2打开，膨胀腔体A中水蒸气通过第二单向阀V2进入冷凝器（3）中降温冷凝，从而在冷凝器（3）-膨胀腔体A中形成低压区，进而隔热活塞B在压缩腔体C残余压缩空气的驱动下向下运动，随后压缩腔体C中压力降低、第四单向阀V4随之关闭，同时第三单向阀V3打开，低压空气在内外压差的驱动下由低压气源单元（10）进入压缩腔体C；隔热活塞B到达下止点位置后，第二单向阀V2关闭、第一单向阀V1开启，光热集热器（1）中的高压水蒸汽再次进入膨胀腔体A中，驱动隔热活塞B向上运行并使压缩腔体C中的低压空气压缩升压，同时第三单向阀V3闭合，在压缩腔体C中压力与储气库（6）中压力之差再次达到第四单向阀V4开启条件后，压缩腔体C中压缩空气再次进入冷却器（5）中降温冷却后，最终进入储气库（6）中存储；
通过上述过程的连续进行，储气库（6）中的气量逐渐增加、压力逐渐增加，压缩腔体C的排气压力也逐渐提升以满足第四单向阀V4开启条件，膨胀腔体A的进气量逐渐提升，也即第一单向阀V1的开启时长逐渐提升。
9.根据权利要求6所述的一种光热驱动的压缩空气储能方法，其特征在于：当太阳辐照强度变化时，通过膨胀压缩器（2）实现太阳辐射能量的最大限度利用，当太阳辐照减弱时，通过降低第一单向阀V1开启时间间隔或降低开启频率的方式使光热集热器（1）内的温度和压力进一步上升以抵消太阳辐照的不足，或者在正常运行情况下提升光热集热器（1）内部的温度和压力；当太阳辐照增强时，缩短第一单向阀V1的开启时间间隔或提高开启频率的方式加快光热集热器（1）内的高温高压水蒸气泄放，通过加快空气压缩的方式消耗水蒸气，进而避免光热集热器（1）内温度和压力的累积。
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