CN1225597C - 电热冷联产的压缩空气蓄能装置及方法 - Google Patents

Abstract

电热冷联产的压缩空气蓄能装置及方法，它是在压缩机与回热器间串联有储气室和空气—水热交换器，由储气室内的加热管将压缩空气携带的热能传递给热媒介质，通过空气—水热交换器的水通道向外界供热；在压缩机与冷量交换器间还联接有空气透平，从储气室流出的空气经空气—水热交换器的空气通道和回热器的热空气通道，被冷却后进入空气透平膨胀做功，带动发电机发电，将储存的空气压缩能转变为电能，同时，膨胀后的空气获得的低温通过冷量交换器的冷空气通道将冷量传递给用户，流出冷量交换器冷空气通道的空气再流经回热器的冷空气通道以冷却空气透平的进气，然后排向大气。

Description

电热冷联产的压缩空气蓄能装置及方法

一、技术领域

本发明涉及一种电能储存、利用的装置及方法，特别涉及一种电热冷联产的压缩空气蓄能装置及方法。

二、背景技术

目前所使用的压缩空气蓄能装置(Compressed Air Energy Storage)，简称为CAES，其结构如图1所示，在现有的这种蓄能模式里，发电机2也兼电动机2′的功能，它位于燃气透平3与压缩机1之间，以离合器与压缩机1和燃气透平3相连。在储能过程中，电动机2′与压缩机1相连，富余的电力通过电动机2′带动压缩机1向储气室6注入压缩空气，将电能转变为空气压缩能。在电能短缺，需补充发电的过程里，发电机2与燃气透平3相连，从储气室6中流出的空气经换热器5预热后，进一步在燃烧室4中加热，并与燃料燃烧后的产物一起进入燃气透平3做功，以带动发电机2。这样，在所补充燃料做功的同时，也释放出压缩空气所蓄电能。据美国电力科学研究院报告，现有的这种压缩空气蓄能(CAES)装置的能量转换规律是：0.8Kw·h的非高峰电能再加3794KJ的天然气，则能提供1Kw·h的高峰电能，即CAES的能量转换利用效率为54％。这明显低于抽水蓄能68～75％的能量转换利用效率。并且CAES系统中燃烧生成物的排放也造成一定的环境污染。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，能够显著提高蓄能过程中的能量转换利用效率，同时避免对环境造成有害气体排放的电热冷联产的压缩空气蓄能装置及方法。

为达到上述目的，本发明在压缩机与回热器间串联有储气室和空气—水热交换器，由储气室内的加热管将压缩空气携带的热能传递给热媒介质——水，通过空气—水热交换器的水通道向外界供热；在压缩机与冷量交换器间还联接有空气透平，从储气室流出的空气经空气—水热交换器的空气通道和回热器的热空气通道，被冷却后进入空气透平膨胀做功，带动发电机发电，将储存的空气压缩能转变为电能，同时，膨胀后的空气获得的低温通过冷量交换器的冷空气通道将冷量传递给用户，流出冷量交换器冷空气通道的空气再流经回热器的冷空气通道以冷却空气透平的进气，然后排向大气。

本发明的装置包括兼作电动机的发电机以及与电动机的输出端相联接的压缩机，压缩机的出口通过管道与储气室相联通，其特点是，在储气室和回热器之间还设置有空气—水热交换器，储气室内设置有加热管，加热管的入口端与水源相联通，出口端与空气—水热交换器的水通道入口端相联通，空气—水热交换器的空气通道入口端通过管道与压缩机相联通，出口端与回热器的热空气通道相联通，回热器的热空气通道出口端通过管道与空气透平的进气口相联通，空气透平的动力输出轴与发电机相连接，空气透平的出气口通过管道与冷量交换器的冷空气通道入口端相联接，冷量交换器的冷空气通道出口端通过管道又与回热器的冷空气通道入口端相联接；空气—水热交换器与压缩机相联的管道上设置有控制阀，储气室与压缩机相联接的管道上及储气室与空气—水热交换器相联接的管道上也分别设置有控制阀和控制阀。

由于本发明采用空气透平代替现有技术中的带有燃烧室的燃气透平，压缩空气在空气透平中膨胀输出发电动力的同时，还输出冷量，用于空调或冷冻；另外，经压缩机压缩后的空气温度可高达220℃，该低品位的热能也以提供热水供用户使用的方式加以利用。本发明在释放出所蓄电能的过程中实现了电热冷三联产，获取了供实用的热量、冷量，并且它们单独获取时需要的电能消耗被节省，因而显著提高蓄能——再释放过程中的能量转换利用效率，在这一过程里，对环境不造成任何污染。

四、附图说明

图1是现有技术的压缩空气蓄能装置的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图2，本发明包括兼作电动机的发电机2，发电机2的输出端与压缩机1相连接，发电机2的输入端与空气透平7相联接，压缩机1的出口通过管道与空气—水热交换器10的空气通道相联接，且在其管道上设置有控制阀13，储气室6通过控制阀12和控制阀14并联在压缩机1出口和空气—水热交换器10的空气通道入口之间，储气室6内设置有加热管11，加热管11的入口端与水源相联通，出口端与空气—水热交换器10的水通道入口端相联通，空气-水热交换器10的水通道出口端与用户相联，空气—水热交换器10的空气通道出口端与回热器9的热空气通道入口端相联通，回热器9的热空气通道出口端通过管道与空气透平7的进气口相联通，空气透平7的动力输出轴与发电机2相连接，空气透平7的出气口通过管道与冷量交换器8的冷空气通道入口端相联接，冷量交换器8的冷空气通道出口端又与回热器9的冷空气通道入口端相联接，冷量交换器8的热空气通道入口端与空调室相连接，其出口端也与空调室相连。

本发明在蓄能过程中，兼作发电机的电动机2与压缩机1相连，打开控制阀12，关闭控制阀13、14，压缩机1向储气室6注入压缩空气，从而使富余的电力转变为空气压缩能，压缩空气携带的热能，通过储气室6中的水加热管11传递给热媒介质——水，通过空气—水热交换器10的水通道向外界供热；在用电的高峰期，发电机2与空气透平7相连，关闭控制阀12，打开控制阀13、14，从储气室6流出的空气经空气——水热交换器10再次释放热能，并经回热器9进一步被冷却后进入空气透平7膨胀做功，带动发电机2发电，将储存的空气压缩能转变为电能输出，在此同时，膨胀后的空气获得了低温，在冷量交换器8中将冷量传递给来自空调室或冷库的冷媒，向用户供冷，然后经回热器9再次释放冷量，并最终排入大气。当控制阀12、14关闭，仅打开控制阀13时，流经压缩机1、空气透平7的空气流量相等，此时因压缩机耗功大于空气透平的膨胀功，发电机2处于电动机状态，系统仅向外界提供冷量与热能。

本发明采用一台功率为221.3Kw的压缩机，在非用电高峰时消耗221.3Kw·h的电能，将大气状态(20℃，0.1013Mpa)、3000Nm³的空气压缩至0.4559MPa，并使该数量空气温度升高至221℃，其向外界提供82℃热水，考虑一定的传热温差，则该数量空气被冷却至85℃时可向外界供热140Kw·h；并且在用电高峰时通过空气透平膨胀储存的压缩空气可获得101.8Kw·h的电能；同时膨胀后的空气获得-4.7℃的低温，它被用于空调时释放出冷量，温度若升至12℃，则可提供58.41Kw·h的冷量，如制冷系数以3计，获取该冷量需耗电

Kw·h。由此得本发明蓄能过程的能量转换利用效率＝ $\frac{140+101.8+58.41/3}{221.3}=1.181.$

本发明的能量转换利用效率是现有的CAES系统的能量转换利用效率的2.187倍；同时，因系统工质为空气，它在蓄能与提供电能、热能、冷量时不对环境形成任何污染。

Claims (3)

1、一种电热冷联产的压缩空气蓄能方法，其特征在于：在压缩机与回热器间串联有储气室和空气—水热交换器，由储气室内的加热管将压缩空气携带的热能传递给作为热媒介质的水，通过空气—水热交换器的水通道向外界供热；在压缩机与冷量交换器间还联接有空气透平，从储气室流出的空气经空气—水热交换器的空气通道和回热器的热空气通道，被冷却后进入空气透平膨胀做功，带动发电机发电，将储存的空气压缩能转变为电能，同时，膨胀后的空气获得的低温通过冷量交换器的冷空气通道将冷量传递给用户，流出冷量交换器冷空气通道的空气再流经回热器的冷空气通道以冷却空气透平的进气，然后排向大气。

2、一种电热冷联产的压缩空气蓄能装置，包括兼作电动机的发电机[2]以及与电动机[2]的输出端相联接的压缩机[1]，压缩机[1]的出口通过管道与储气室[6]相联通，其特征在于：在储气室[6]和回热器[9]之间还设置有空气—水热交换器[10]，储气室[6]内设置有加热管[11]，加热管[11]的入口端与水源相联通，出口端与空气—水热交换器[10]的水通道入口端相联通，空气—水热交换器[10]的空气通道入口端通过管道与压缩机[1]相联通，出口端与回热器[9]的热空气通道相联通，回热器[9]的热空气通道出口端通过管道与空气透平[7]的进气口相联通，空气透平[7]的动力输出轴与发电机[2]相连接，空气透平[7]的出气口通过管道与冷量交换器[8]的冷空气通道入口端相联接，冷量交换器[8]的冷空气通道出口端通过管道又与回热器[9]的冷空气通道入口端相联接。

3、根据权利要求2所述的电热冷联产的压缩空气蓄能装置，其特征在于：所说的空气—水热交换器[10]与压缩机[1]相联的管道上设置有控制阀[13]，储气室[6]与压缩机[1]相联接的管道上及储气室[6]与空气—水热交换器[10]相联接的管道上也分别设置有控制阀[12]和控制阀[14]。

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