CN117760244A - 一种液态空气储能系统及其控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态空气储能系统及其控制方法和控制装置，涉及液态空气储能技术领域。其中，液态空气储能系统，包括：由N个冷罐并联构成的冷罐组；在充电过程中，M个冷罐具有冷能并参与释冷，其它Z个冷罐回收来自液态空气分离器的气相冷能；在放电过程中，参与释冷的M‑Z个冷罐进行储冷，累加气相冷能回收的Z个冷罐，恢复至M个冷罐具有冷能，并以此循环；其中，N≥3，N＞M＞Z＞0。本发明实施例中通过设置多个冷罐组成的冷罐组，并严格控制冷罐组中参与充放电的冷罐数量，配合充电过程中自液态空气分离器的气相冷能充分回收，有效地减少了充放电过程中冷能损失，降低了冷能品质下降速率，提高液态空气储能系统的充放电效率和经济效益。

Description

一种液态空气储能系统及其控制方法和控制装置

技术领域

本发明涉及液态空气储能技术领域，尤其涉及一种液态空气储能系统及其控制方法和控制装置。

背景技术

液态空气储能(LAES，LiquidAir Energy Storage)作为新型储能技术中的一种，其原理是利用价格低廉的谷电，吸收环境中的空气，将其压缩冷却直至液体进行存储，而在用电高峰时再从罐中释放液态空气升压升温，进入膨胀机做功发电，实现谷电峰用，可以在电网调峰中起到重要作用。

蓄冷罐是液态空气储能系统中极为重要的冷能交换装备，其在充电过程中通过释放自身冷能实现压缩空气的冷却，又在放电过程中回收来自液态空气释放所产生的冷能进行回收，以此循环往复；但当前蓄冷罐的冷能交换存在能量转换效率低，存储的冷能品质下降速率快，需要反复补充冷能的频率高，从而影响液态空气储能系统的充放电效率和经济效益。

发明内容

为克服上述现有技术之不足，本发明提供一种液态空气储能系统，以解决现有技术中蓄冷罐冷能品质下降快，补充冷能的频率高的问题。

在一些说明性实施例中，所述液态空气储能系统，包括：液态空气罐、冷罐组、热罐、压缩机、膨胀机、低温膨胀机和液态空气分离器；其中，压缩机、热罐、冷罐组、低温膨胀机、液态空气分离器和液态空气罐之间构成充电气流路径与流向，液态空气罐、冷罐组、热罐和膨胀机之间构成放电气流路径与流向；

其中，所述冷罐组由N个冷罐并联构成；在充电过程中，M个冷罐具有冷能并参与释冷，其它Z个冷罐回收来自所述液态空气分离器的气相冷能；在放电过程中，参与释冷的M-Z个冷罐进行储冷，累加所述气相冷能回收的Z个冷罐，恢复至M个冷罐具有冷能，并以此循环；其中，N≥3，N＞M＞Z＞0。

在一些可选地实施例中，在充电过程中，具有冷能的M个冷罐同时或依次在所述充电气流路径中参与释冷，Z个冷罐同时或依次回收来自所述液态空气分离器的气相冷能；在放电过程中，参与释冷的M-Z个冷罐同时或依次在所述放电气流路径中进行储冷。

在一些可选地实施例中，所述冷罐上设有贯穿罐体的管路，所述冷罐的内壁和所述管路的外壁之间的罐体空间内堆积固体介质，常温或者深冷的高压空气进入所述管路内部的管路空间，通过所述管路的管壁与所述固体介质交换冷能；其中所述管路用于外部连通。

在一些可选地实施例中，所述固体介质选用天然岩石、人造石材、金属颗粒、金属化合物颗粒中的一种或多种。

在一些可选地实施例中，所述罐体空间内为真空环境。

在一些可选地实施例中，所述液态空气储冷系统，还包括：一个或多个阀体，用于控制所述冷罐组中每个冷罐在充电过程和/或放电过程中的转换与导通状态。

在一些可选地实施例中，所述液态空气储冷系统，还包括：设于所述放电气流路径上的低温泵，用于将来自所述液态空气罐中的液态空气加压送入所述冷罐。

本发明的另一个目的在于提供一种液态空气储能系统的控制方法，应用于上述液态空气储能系统。

在一些说明性实施例中，所述液态空气储能系统的控制方法，包括：

充电时，控制冷罐组中具有冷能的M个冷罐接入充电气流路径进行释冷，以及控制冷罐组中不具有冷能的Z个冷罐与液态空气分离器的气相出口连通进行储冷；

放电时，控制冷罐组中在充电时参与释冷的M-Z个冷罐接入放电气流路径进行储冷，使放电结束后恢复M个冷罐具有冷能。

本发明的再一个目的在于提供一种液态空气储能系统的控制装置，应用于上述液态空气储能系统。

在一些说明性实施例中，所述液态空气储能系统的控制装置，包括：

充电控制模块，用于充电时，控制冷罐组中具有冷能的M个冷罐接入充电气流路径进行释冷，以及控制冷罐组中不具有冷能的Z个冷罐与液态空气分离器的气相出口连通进行储冷；

放电控制模块，用于放电时，控制冷罐组中在充电时参与释冷的M-Z个冷罐接入放电气流路径进行储冷，使放电结束后恢复M个冷罐具有冷能。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明实施例中通过设置多个冷罐组成的冷罐组，并严格控制冷罐组中参与充放电的冷罐数量，配合充电过程中自液态空气分离器的气相冷能充分回收，有效地减少了充放电过程中冷能损失，降低了冷能品质下降速率，提高液态空气储能系统的充放电效率和经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例中的液态空气储能系统的结构示例；

图2是本发明实施例中的液态空气储能系统充电开始前的冷罐组状态示意图；

图3是本发明实施例中的液态空气储能系统的充电气流路径及流向示意图；

图4是本发明实施例中的液态空气储能系统充电结束后(放电开始前)的冷罐组状态示意图；

图5是本发明实施例中的液态空气储能系统的放电气流路径及流向示意图；

图6是本发明实施例中的液态空气储能系统放电结束后(充电开始前)的冷罐组状态示意图；

图7是本发明实施例中的液态空气储能系统的控制方法的流程示例；

图8是本发明实施例中的液态空气储能系统的控制装置的结构示例。

附图标记：

液态空气罐LAD、冷罐组CDG、冷罐CD、热罐HD、压缩机C、膨胀机E、低温膨胀机CE和液态空气分离器LAS、低温泵CP。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。

除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。

本发明实施例中公开了一种液态空气储能系统，具体地，如图1-6所示，图1是本发明实施例中的液态空气储能系统的结构示例；图2-6是本发明实施例中的液态空气储能系统的充电起始阶段、充电过程阶段、充电结束阶段的状态示意图；其中，虚线路径表示断路，实线路径表示连通。

该液态空气储能系统，包括：液态空气罐LAD、冷罐组CDG、热罐HD、压缩机C、膨胀机E、低温膨胀机CE和液态空气分离器LAS；其中，压缩机C、热罐HD、冷罐组CDG、低温膨胀机CE、液态空气分离器LAS和液态空气罐LAD之间构成充电气流路径与流向，液态空气罐LAD、冷罐组CDG、热罐HD和膨胀机E之间构成放电气流路径与流向；

参见图3，在充电过程中，充电气流路径开启，放电气流路径关闭，充电气流流向为压缩机C→热罐HD→冷罐组CDG→低温膨胀机CE→液态空气分离器LAS→液态空气罐LAD，由压缩机C产生高温高压空气，流经热罐HD进行热能交换，将高温高压空气中的压缩热能转移至热罐HD中，而经过换热降温后的常温高压空气再流经冷罐组CDG进行冷能交换，通过冷罐组CDG内储存的冷能对此时的常温高压空气进一步冷却降温转换为深冷高压空气，产生的深冷高压空气再经过低温膨胀机CE的绝热膨胀得到液态空气气液混合物，最后通过液态空气分离器LAS将液态空气导入液态空气罐LAD中存储；

参见图5，在放电过程中，充电气流路径关闭，放电气流路径开启，放电气流流向为液态空气罐LAD→冷罐组CDG→热罐HD→膨胀机E，由液态空气罐LAD释放液态空气，实现液态空气的再气化，再气化后的深冷高压空气流经冷罐组CDG进行冷能交换，回收深冷高压空气中的气化冷能，使深冷高压空气转换为常温高压空气，而此时的常温高压空气再经过热罐HD进行热能交换，使常温高压空气吸收热罐HD内存储的热能进一步升温膨胀，最后在膨胀机E中做功发电；

其中，所述冷罐组CDG由N个冷罐CD并联构成，每个冷罐CD在充电气流路径和放电气流路径均可独立连通相应的装备；在充电过程中，M个冷罐CD具有冷能并参与释冷，其它Z个冷罐CD回收来自所述液态空气分离器LAD的气相冷能(气相冷能是指液态空气气液混合物在液态空气分离器LAD的气相出口导出的深冷高压空气中的冷能)；在放电过程中，参与释冷的M-Z个冷罐CD进行储冷，累加所述气相冷能回收的Z个冷罐，恢复至M个冷罐CD具有冷能，并以此循环；其中，N≥3，N＞M＞Z＞0。

示例性的，如图2-5所示，冷罐组CDG可由6个冷罐CD(如CD1、CD2、CD3、CD4、CD5、CD6)并联构成，在充电过程之前，参见图2，其中5个第一冷罐(CD1～CD5)为深冷状态，具有冷能，剩余1个第二冷罐(CD6)为常温状态；在充电过程中，参见图3，具有冷能的5个第一冷罐(CD1～CD5)参与释冷，在与常温高压空气进行充分的冷能交换之后，这5个第一冷罐(CD1～CD5)的冷能传递给高压空气，而自身从深冷转变为常温状态；而此前为常温状态的1个第二冷罐(CD6)则用来回收来自所述液态空气分离器的气相冷能，使自身从常温转变为深冷状态，从而在充电结束之后，参见图4，冷罐组中5个第一冷罐(CD1～CD5)为常温状态，1个第二冷罐(CD6)为深冷状态，保持并直至下一次的放电开始，在放电过程中，参见图5，降低参与冷能回收的冷罐数量，控制早先在充电过程中参与释冷的5个第一冷罐(CD1～CD5)中的4个(CD1～CD4)用来回收来自再气化的深冷高压空气中的冷能，使自身从常温状态转变为深冷状态，从而在放电结束之后，参见图6，冷罐组中具有4个冷罐(CD1～CD4)在本次放电过程中通过回收再气化的深冷高压空气中的冷能转变为深冷状态、以及1个冷罐(CD6)在上一次充电过程中通过回收液态空气分离器的气相冷能转变为深冷状态，再次回到5个冷罐(CD1～CD4、CD6)为深冷状态，1个冷罐(CD5)为常温状态，保持并直至下一次的充电开始，至此可往复循环后续的充放电过程。

本领域技术人员应该理解的是，上述示例仅为了本领域技术人员对本申请的主要思想可以快速理解，不应限制本申请的实际保护范围；只要满足上述N≥3，N＞M＞Z＞0的数量条件，即可满足本申请实施例中的液态空气储能系统的使用。

另外，本发明实施例中“高温”、“常温”、“深冷”的作用重点在于区分不同阶段的空气状态，对其具体温度值不做限定，只要满足“高温”＞常温＞深冷即可。

本发明实施例中首先充分回收在充电过程中液态空气分离器导出的气相冷能，有效的降低了冷能的损耗；其次，考虑到充放电过程中冷能传递交换中的损耗，在放电过程中，利用比早先参与释冷数量更少的冷罐进行冷能回收存储，从而有效地控制每个冷罐中的冷能品质，不会像传统单个大容量冷罐模式一样，出现冷能不足且大容量罐体内部温度趋同，造成冷罐内冷能品质大幅度降低的问题。

本发明实施例中通过设置多个冷罐组成的冷罐组，并严格控制冷罐组中参与充放电的冷罐数量，配合充电过程中自液态空气分离器的气相冷能充分回收，有效地减少了充放电过程中冷能损失，降低了冷能品质下降速率，提高液态空气储能系统的充放电效率和经济效益。

在一些实施例中，在充电过程中，具有冷能的M个冷罐同时或依次在所述充电气流路径中参与释冷，Z个冷罐同时或依次回收来自所述液态空气分离器的气相冷能；在放电过程中，参与释冷的M-Z个冷罐亦可同时或依次在所述放电气流路径中进行储冷。

在一些实施例中，本发明实施例中的热罐HD与每个冷罐CD在充电气流路径和放电气流路径上的空气流向对调，构成充电气流路径和放电气流路径之间的复用气流路径。

示例性的，热罐HD具有两个气流端口，一个HDa和一个HDb，而冷罐CD具有两个气流端口，一个CDa和一个CDb，热罐HD的HDb端口与冷罐CD的CDa端口连通，在充电过程中，高压空气自热罐HD的HDa端口进入，通过HDb端口导出并进入冷罐CD的CDa端口，再通过CDb端口导出。在放电过程中，其气流流向对调，此时高压空气自冷罐CD的CDb端口进入，通过CDa端口导出并进入热罐HD的HDb端口，再通过HDa端口导出。

该实施例中的通过设计热罐HD和冷罐CD之间的复用气流路径，可以有效的简化系统结构，提升能量转换效率，降低装备及装配成本。

在一些实施例中，本发明实施例中的每个所述冷罐上设有贯穿罐体的管路，所述冷罐的内壁和所述管路的外壁之间的罐体空间内堆积固体介质，常温或者深冷的高压空气进入所述管路内部的管路空间，通过所述管路的管壁与所述固体介质交换冷能；其中所述管路具有两个端口，用于与外部装备连通。该实施例中的冷罐通过贯穿的管路与外部装备连通，例如与热罐、液态空气分离器的气相出口、低温膨胀机、液态空气罐等。

可选地，所述固体介质可选用天然岩石、人造石材、金属颗粒、金属化合物颗粒中的一种或多种。进一步地，冷罐的罐体空间内可为真空环境，配合固体介质可以有效的降低存储过程中的冷能损耗，提升能量转换效率。

本发明实施例中的热罐亦可采用上述管路及换热设计，同时对热罐的数量及连接结构不进行限制。

在一些实施例中，所述液态空气储冷系统，还可包括：一个或多个阀体，用于控制所述冷罐组中每个冷罐在充电过程和/或放电过程中的转换与导通状态。其中，阀体不限于二通阀、三通阀或其它多通阀，具体的阀体选型、数量、安装位置可根据实际需求而定，只要满足本申请中在充放电过程中对于冷罐组的上述控制即可。

示例性的，本发明实施例中提供了一种应用在液态空气储能系统中的阀体结构，包括：阀体V1～V15；其中，阀体V1～V15可选用三通阀；其中，阀体V1～V6可分别设置在每个冷罐CD与热罐HD之间，可用于控制每个冷罐CD与热罐HD之间的通断状态；V7～V12分别设置在每个冷罐CD、液态空气罐LAD、低温膨胀机CE和液态空气分离器LAS之间，可实现冷罐CD与液态空气罐LAD之间的通断状态(冷罐CD与低温膨胀机CE之间的通断状态)，以及冷罐CD与液态空气分离器LAS气相出口之间的通断状态；阀体V13设置在冷罐组CDG、液态空气罐LAD和低温膨胀机CE，可实现冷罐CD与液态空气罐LAD之间的通断状态(冷罐CD与低温膨胀机CE之间的通断状态)；阀体V14设置在冷罐组CDG、液态空气罐LAD和液态空气分离器LAS之间，可实现冷罐组CDG与液态空气罐LAD之间的通断状态，以及液态空气罐LAD和液态空气分离器LAS液相出口之间的通断状态；阀体V15设置在压缩机C、膨胀机E和热罐HD之间，可热罐HD与压缩机C之间的通断状态、以及热罐HD与膨胀机E之间的通断状态。

其中，在充放电过程中的通断状态的控制可通过上述实施例中的虚实线条路径获知，其中，虚线为关断，实线为导通，本发明实施例在此不再赘述。

在一些实施例中，所述液态空气储冷系统，还可包括：设于所述放电气流路径上的低温泵CP，用于将来自所述液态空气罐LAD中的液态空气加压送入所述冷罐组CDG。该实施例中通过设置低温泵，可以在放电过程中快速的实现液态空气的升压气化，从而提升系统放电效率。

如图7所示，本发明的另一个目的在于提供一种液态空气储能系统的控制方法，可应用于上述液态空气储能系统。具体地，所述液态空气储能系统的控制方法，包括：

步骤S11、充电时，控制冷罐组中具有冷能的M个冷罐接入充电气流路径进行释冷，以及控制冷罐组中不具有冷能的Z个冷罐与液态空气分离器的气相出口连通进行储冷；

步骤S12、放电时，控制冷罐组中在充电时参与释冷的M-Z个冷罐接入放电气流路径进行储冷，使放电结束后恢复M个冷罐具有冷能。

其中，控制冷罐组中冷罐接入充放电过程中参与工作均可通过相应的阀体控制，实现管路的连通与关闭，而具体的阀体控制为现有技术，并非本申请的重点，在此不再赘述。

如图8所示，本发明的再一个目的在于提供一种液态空气储能系统的控制装置，应用于上述液态空气储能系统。具体地，所述液态空气储能系统的控制装置，包括：

充电控制模块10，用于充电时，控制冷罐组中具有冷能的M个冷罐接入充电气流路径进行释冷，以及控制冷罐组中不具有冷能的Z个冷罐与液态空气分离器的气相出口连通进行储冷；

放电控制模块20，用于放电时，控制冷罐组中在充电时参与释冷的M-Z个冷罐接入放电气流路径进行储冷，使放电结束后恢复M个冷罐具有冷能。

本发明实施例中的上述初始状态仅用以本领域技术人员可以更快的理解本发明的主要构思，本领域技术人员应该理解的是除上述初始条件外，还可以设置其它初始状态。

Claims (9)

1.一种液态空气储能系统，其特征在于，包括：液态空气罐、冷罐组、热罐、压缩机、膨胀机、低温膨胀机和液态空气分离器；其中，压缩机、热罐、冷罐组、低温膨胀机、液态空气分离器和液态空气罐之间构成充电气流路径与流向，液态空气罐、冷罐组、热罐和膨胀机之间构成放电气流路径与流向；

其中，所述冷罐组由N个冷罐并联构成；在充电过程中，M个冷罐具有冷能并参与释冷，其它Z个冷罐回收来自所述液态空气分离器的气相冷能；在放电过程中，参与释冷的M-Z个冷罐进行储冷，累加所述气相冷能回收的Z个冷罐，恢复至M个冷罐具有冷能，并以此循环；其中，N≥3，N＞M＞Z＞0。

2.根据权利要求1所述的液态空气储能系统，其特征在于，

在充电过程中，具有冷能的M个冷罐同时或依次在所述充电气流路径中参与释冷，Z个冷罐同时或依次回收来自所述液态空气分离器的气相冷能；

在放电过程中，参与释冷的M-Z个冷罐同时或依次在所述放电气流路径中进行储冷。

3.根据权利要求1所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述冷罐上设有贯穿罐体的管路，所述冷罐的内壁和所述管路的外壁之间的罐体空间内堆积固体介质，常温或者深冷的高压空气进入所述管路内部的管路空间，通过所述管路的管壁与所述固体介质交换冷能；其中所述管路用于外部连通。

4.根据权利要求3所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述固体介质选用天然岩石、人造石材、金属颗粒、金属化合物颗粒中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的液态空气储能系统，其特征在于，所述罐体空间内为真空环境。

6.根据权利要求1所述的液态空气储能系统，其特征在于，还包括：一个或多个阀体，用于控制所述冷罐组中每个冷罐在充电过程和/或放电过程中的转换与导通状态。

7.根据权利要求1所述的液态空气储能系统，其特征在于，还包括：设于所述放电气流路径上的低温泵，用于将来自所述液态空气罐中的液态空气加压送入所述冷罐。

8.一种液态空气储能系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的液态空气储能系统，包括：

充电时，控制冷罐组中具有冷能的M个冷罐接入充电气流路径进行释冷，以及控制冷罐组中不具有冷能的Z个冷罐与液态空气分离器的气相出口连通进行储冷；

放电时，控制冷罐组中在充电时参与释冷的M-Z个冷罐接入放电气流路径进行储冷，使放电结束后恢复M个冷罐具有冷能。

9.一种液态空气储能系统的控制装置，其特征在于，应用于权利要求1所述的液态空气储能系统，包括：

充电控制模块，用于充电时，控制冷罐组中具有冷能的M个冷罐接入充电气流路径进行释冷，以及控制冷罐组中不具有冷能的Z个冷罐与液态空气分离器的气相出口连通进行储冷；

放电控制模块，用于放电时，控制冷罐组中在充电时参与释冷的M-Z个冷罐接入放电气流路径进行储冷，使放电结束后恢复M个冷罐具有冷能。