CN117605634B - 一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统及方法，涉及储能发电技术领域，解决的技术问题为“如何提供一种有效提高系统效率且安全的发电系统”，所述系统包括依次连接的储能子系统、太阳能储热子系统以及透平发电子系统；所述储能子系统包括依次连接的电动机、压气机和空气储罐；所述太阳能储热子系统包括太阳能集热器和太阳能换热器，所述太阳能集热器和太阳能换热器通过导热油循环回路连接；该系统用电低谷时利用电网低谷负荷电能压缩储压缩空气，在用电高峰时释放压缩空气，并且利用回收的压缩热以及太阳能为进入透平前的空气加热增湿，具有系统效率高、做功能力大、环境友好、运行模式灵活、对工程地址条件要求低的特点。

Description

一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统及方法

技术领域

本发明涉及储能发电技术领域。

背景技术

虽然可再生能源在我国快速发展，可再生能源比重不断增加，但是可再生能源有一个严重的缺点，即不可预测性。电力储能技术是解决上述问题的有效方法。

压缩空气储能技术是一种大规模的储能技术，具有无污染、储能容量大、工作寿命长等优点，但是传统压缩空气储能系统依赖于化石能源，且没有利用压缩过程产生的压缩热，因此系统效率较低，且存在一定的环境污染。因此充分利用热缩热能、以及外部的太阳能可以有效提高系统效率以及做功能力。

公开号为CN206545528U的专利文献提出了一种非节流增湿增焓的压缩空气储能系统及控制方法，其特点是利用闪蒸技术为空气增湿。但是该系统并没有解决透平末级液化问题，对系统安全运行存在一定的影响。

因此，如何提供一种有效提高系统效率且安全的发电系统及方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统及方法，该系统用电低谷时利用电网低谷负荷电能压缩储压缩空气，在用电高峰时释放压缩空气，并且利用回收的压缩热以及太阳能为进入透平前的空气加热增湿，具有系统效率高、做功能力大、环境友好、运行模式灵活、对工程地址条件要求低的特点。

基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：

1、一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统，所述系统包括依次连接的储能子系统、太阳能储热子系统以及透平发电子系统；所述储能子系统包括依次连接的电动机、压气机和空气储罐；所述太阳能储热子系统包括太阳能集热器和太阳能换热器，所述太阳能集热器和太阳能换热器通过导热油循环回路连接；

所述系统还包括水储热子系统，所述水储热子系统包括冷水罐和热水罐，所述冷水罐与热水罐之间通过饱和器以及多个换热器连接形成水循环回路，所述多个换热器包括与所述压气机出口连接的压气换热器、与所述透平发电子系统连接的透平换热器以及与所述饱和器出气口连接的饱和换热器；所述饱和器入气口与所述空气储罐出口连接，所述饱和换热器出口与所述太阳能换热器进气口连接。

进一步地，所述太阳能集热器出口与所述太阳能换热器导热油入口连接，所述太阳能换热器导热油出口与所述太阳能集热器入口连接。

进一步地，所述热水罐出口分为三条支路，其中两条支路分别与所述饱和换热器以及所述透平换热器的入水口连接，另一条支路与所述饱和器入水口连接，所述饱和换热器出水口、所述透平换热器出水口与所述饱和器出水口汇合后与所述冷水罐入口连接。

进一步地，所述压气储能子系统包括第一压气机和第二压气机，所述压气换热器包括第一压气换热器和第二压气换热器，所述第一压气机、第一压气换热器、第二压气机、第二压气换热器依次连接，所述第二压气换热器的出气口与所述空气储罐入口连接。

进一步地，所述透平发电子系统包括第一透平、第二透平和发电机，所述第一透平、透平换热器、第二透平以及发电机依次连接，所述第一透平与所述太阳能换热器出气口连接，所述第一透平和第二透平的出气口与大气相连。

进一步地，所述电动机与所述第一压气机通过压气传动轴连接。

进一步地，所述第二透平与所述发电机通过透平传动轴连接。

进一步地，所述压气机的压比为8，排气流量为108kg/s，效率为88%，转速为5094rpm；

所述空气储罐的容积为310000m3，表面积为5000m2，最大储气压力为7200kPa，最低放气压力为4200kPa。

进一步地，所述饱和器出气口空气温度为422K，所述饱和器出口空气压力为3953kPa。

2、一种应用上述系统实现的太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电方法，包括：

用电负荷低谷时，利用电网电能驱动所述电动机，所述电动机带动所述压气机将空气压缩至高压状态，所述空气经过所述压气换热器换热后储存于所述空气储罐中；

用电负荷高峰时，所述空气储罐释放高压空气，所述高压空气经过所述饱和器加热增湿，再依次经过所述饱和换热器和太阳能换热器加热，最终进入所述透平发电子系统做功发电。

本发明提供的太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统及方法，至少包括如下有益效果：

（1）本发明提供的系统在用电低谷时利用电网低谷负荷电能压缩储压缩空气，在用电高峰时释放压缩空气，并且利用回收的压缩热以及太阳能为进入透平前的空气加热增湿，推动透平发电做功，不仅充分吸收系统热缩热，还增加了做功工质的质量流量，又充分利用了太阳能，具有系统效率高、做功能力大、环境友好、运行模式灵活、对工程地址条件要求低的特点；

（2）本发明提供的系统利用热水罐中的热水作为饱和器的进口高温水，利用饱和器的工作特性为空气加热增湿，增加了做功空气的温度与质量流量，提高了系统循环效率以及做工能力，储能效率高；

（3）本发明提供的系统利用压缩热以及太阳能资源，无需化石燃料的应用，具有清洁无污染的特性，对环境友好，无污染；

（4）本发明提供的系统充分利用太阳能为透平进口空气加热，增加了工质的做功能力，系统发电量有所提高，并且，湿空气液化会对叶片造成一定伤害，系统利用太阳能加热湿空气，使其温度升高，避免湿空气中水分液化对机组造成影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统一种实施例的结构示意图。

附图标记：1-电动机，2-第一压气机，3-第一压气换热器，4-第二压气机，5-第二压气换热器，6-冷水罐，7-空气储罐，8-饱和器，9-太阳能集热器，10-太阳能换热器，11-饱和换热器，12-第一透平，13-透平换热器，14-第二透平，15-热水罐，16-发电机。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

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一个或者更多个该特征。在本申请中“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”“连通”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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申请中的具体含义。

实施例一：

参见图1，在一些实施例中，提供一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统，所述系统包括依次连接的储能子系统、太阳能储热子系统以及透平发电子系统。

其中，所述储能子系统包括依次连接的电动机1、压气机和空气储罐7以及相应的阀门和管道。所述太阳能储热子系统包括太阳能集热器9和太阳能换热器10，所述太阳能集热器9和太阳能换热器10通过导热油循环回路连接。

所述系统还包括水储热子系统，所述水储热子系统包括冷水罐6和热水罐15以及相关阀门和管道，所述冷水罐6与热水罐15之间通过饱和器8以及多个换热器连接形成水循环回路，所述多个换热器包括与所述压气机出口连接的压气换热器、与所述透平发电子系统连接的透平换热器13以及与所述饱和器8出气口连接的饱和换热器11，上述换热器均为空气-水换热器。所述饱和器8入气口与所述空气储罐7出口连接，所述饱和换热器11出口与所述太阳能换热器10进气口连接。

需要说明的是，饱和器8是系统的关键组件，饱和器8内部压缩空气与饱和器8内的热水逆流接触，高温水从饱和器8顶部向下流经填料层，并与底部进入的压缩空气逆流接触，加湿过程中同时发生热量传递与质量传递，实现对压缩空气的加热与增湿。所述热水罐15出口通过管道与饱和器8入水口连接，饱和器8出水口与冷水罐6相连通，从而利用热水罐15中的热水为进入透平前的空气增湿加热，使得进入透平的空气的质量流量增加，系统效率以及做功能力增大。

作为一种较优的实施方式，所述太阳能集热器9出口与所述太阳能换热器10导热油入口连接，所述太阳能换热器10导热油出口与所述太阳能集热器9入口连接。太阳能集热器9可以为饱和器8出口的湿空气进一步加热，此方式有助于提高湿空气的做功能力，避免末级叶片水蚀现象的产生，有助于提高系统做功能力，保证系统安全运行。

作为一种较优的实施方式，所述热水罐15出口分为三条支路，其中两条支路分别与所述饱和换热器11以及所述透平换热器13的入水口连接，另一条支路与所述饱和器8入水口连接，所述饱和换热器11出水口、所述透平换热器13出水口与所述饱和器8出水口汇合后与所述冷水罐6入口连接。

作为一种较优的实施方式，所述压气储能子系统包括第一压气机2和第二压气机4，所述压气换热器包括第一压气换热器3和第二压气换热器5，所述第一压气机2、第一压气换热器3、第二压气机4、第二压气换热器5依次连接，第一压气机2和第二压气机4之间设有级间换热器，即上述第一压气换热器3，第二压气机4的出口连接级后换热器，即上述第二压气换热器5。所述第二压气换热器5的出气口与所述空气储罐7入口连接。

作为一种较优的实施方式，所述透平发电子系统包括第一透平12、第二透平14和发电机16，所述第一透平12、透平换热器13、第二透平14以及发电机16依次连接，所述第一透平12与所述太阳能换热器10出气口连接，所述第一透平12和第二透平14的出气口与大气相连。

作为一种较优的实施方式，所述电动机1与所述第一压气机2通过压气传动轴连接。

作为一种较优的实施方式，所述第二透平14与所述发电机16通过透平传动轴连接。

作为一种较优的实施方式，所述空气储罐7出口设有节流降压阀门。

所述的一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统的运行模式包括储能模式和释能模式：用电负荷低谷时，本实施例所述系统开启储能模式，此时系统利用电网低谷电能驱动电动机1，电动机1带动压气机组将空气压缩至高压状态，同时高压空气经换热器换热后储存于储气室中；用电负荷高峰时，本实施例所述系统开启释能模式，此时储气室释放高压空气，高压空气首先经过饱和器8加热增湿，又经空气水换热器以及太阳能换热器10进一步加热进入透平做功，同时，两级透平见又设级间换热器，为湿空气提质，提高了系统做功能力。

本发明涉及一种大规模储能的绝热压缩空气储能电站，此类电站具有储能容量大、发电功率高的特点，无论是储能功率还是发电功率都能达到100 MW等级，可满足特高压直流输电的储能需求。在一种具体应用场景中，采用大型的地下盐穴作为空气储罐，空气储罐的容积为310000 m3，表面积为5000 m2，最大储气压力为7200 kPa，最低放气压力为4200kPa。此外，系统采用空气透平，其设计工况下排气流量为417kg/s，系统效率为82%。系统额定设计工况参数如下，其中，压气机参数参见表1。

表1

其他设计参数如环境温度、环境压力、太阳能集热器、饱和器、换热器等设计条件参见表2。储能过程设计工况及计算数据参见表3，释能过程设计工况及计算数据参见表4。

表2

表3

表4

实施例二：

在一些实施例中，提供一种应用上述系统实现的太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电方法，包括：

用电负荷低谷时，利用电网电能驱动所述电动机1，所述电动机1带动所述压气机将空气压缩至高压状态，所述空气经过所述压气换热器换热后储存于所述空气储罐7中；

用电负荷高峰时，所述空气储罐7释放高压空气，所述高压空气经过所述饱和器8加热增湿，再依次经过所述饱和换热器11和太阳能换热器10加热，最终进入所述透平发电子系统做功发电。

本实施例提供的太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统及方法，在用电低谷时利用电网低谷负荷电能压缩储压缩空气，在用电高峰时释放压缩空气，并且利用回收的压缩热以及太阳能为进入透平前的空气加热增湿，推动透平发电做功，不仅充分吸收系统热缩热，还增加了做功工质的质量流量，又充分利用了太阳能，具有系统效率高、做功能力大、环境友好、运行模式灵活、对工程地址条件要求低的特点；本发明提供的系统利用热水罐中的热水作为饱和器的进口高温水，利用饱和器的工作特性为空气加热增湿，增加了做功空气的温度与质量流量，提高了系统循环效率以及做工能力，储能效率高；本发明提供的系统利用压缩热以及太阳能资源，无需化石燃料的应用，具有清洁无污染的特性，对环境友好，无污染；本发明提供的系统充分利用太阳能为透平进口空气加热，增加了工质的做功能力，系统发电量有所提高，并且，湿空气液化会对叶片造成一定伤害，系统利用太阳能加热湿空气，使其温度升高，避免湿空气中水分液化对机组造成影响。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电系统，其特征在于，所述系统包括依次连接的储能子系统、太阳能储热子系统以及透平发电子系统；所述储能子系统包括依次连接的电动机、压气机和空气储罐；所述太阳能储热子系统包括太阳能集热器和太阳能换热器，所述太阳能集热器和太阳能换热器通过导热油循环回路连接；

所述系统还包括水储热子系统，所述水储热子系统包括冷水罐和热水罐，所述冷水罐与热水罐之间通过饱和器以及多个换热器连接形成水循环回路，所述多个换热器包括与所述压气机出口连接的压气换热器、与所述透平发电子系统连接的透平换热器以及与所述饱和器出气口连接的饱和换热器；所述饱和器入气口与所述空气储罐出口连接，所述饱和换热器出气口与所述太阳能换热器进气口连接；

所述热水罐出口分为三条支路，其中两条支路分别与所述饱和换热器以及所述透平换热器的入水口连接，另一条支路与所述饱和器入水口连接，所述饱和换热器出水口、所述透平换热器出水口与所述饱和器出水口汇合后与所述冷水罐入口连接；

所述饱和器出气口空气温度为422K，所述饱和器出口空气压力为3953kPa；

所述压气机压比为8，排气流量为108kg/s，效率为88%，转速为5094rpm；

所述空气储罐的容积为310000m³，表面积为5000m²，最大储气压力为7200kPa，最低放气压力为4200kPa。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太阳能集热器出口与所述太阳能换热器导热油入口连接，所述太阳能换热器导热油出口与所述太阳能集热器入口连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压气储能子系统包括第一压气机和第二压气机，所述压气换热器包括第一压气换热器和第二压气换热器，所述第一压气机、第一压气换热器、第二压气机、第二压气换热器依次连接，所述第二压气换热器的出气口与所述空气储罐入口连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述透平发电子系统包括第一透平、第二透平和发电机，所述第一透平、透平换热器、第二透平以及发电机依次连接，所述第一透平与所述太阳能换热器出气口连接，所述第一透平和第二透平的出气口与大气相连。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述电动机与所述第一压气机通过压气传动轴连接。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二透平与所述发电机通过透平传动轴连接。

7.一种应用如权利要求1-6任一所述的系统实现的太阳能辅热湿空气压缩空气储能发电方法，其特征在于，包括：

用电负荷低谷时，利用电网电能驱动所述电动机，所述电动机带动所述压气机将空气压缩至高压状态，所述空气经过所述压气换热器换热后储存于所述空气储罐中；

用电负荷高峰时，所述空气储罐释放高压空气，所述高压空气经过所述饱和器加热增湿，再依次经过所述饱和换热器和太阳能换热器加热，最终进入所述透平发电子系统做功发电。