CN204610203U - 一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了属于压缩空气蓄能领域的一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统，本系统由压缩空气蓄能子系统、压缩热蓄热子系统、透平发电子系统及太阳能蓄热子系统4个子系统组成。本系统不使用化石燃料，将压缩热蓄热作为低温热源，太阳能蓄热作为再热高温热源，从储气室释放的冷空气经两级加热后，进入透平进行膨胀做功，并带动发电机发电，电能输送至电网。本系统对大规模电能储存、能源高效利用和环境保护起到了巨大的积极作用，有益于提高电网深度调峰性能。

Description

一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统
技术领域
 本实用新型属于压缩空气蓄能领域，特别提出一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统。
背景技术
压缩空气蓄能（CAES）是一种大规模储能技术，主要实现对电网有效调峰、可再生能源高效利用，具有效率高、成本低、储能规模大、环境影响小等特点。传统CAES原理为运用电网低谷的电能或者电网无法消纳的可再生能源为动力，带动压气机压缩空气并储存在储气室中；当电网处于峰负荷，高压空气从储气室被释放，通常与天然气等化石燃料在燃烧室中混合燃烧，高温高压燃气进入透平进行膨胀做功，从而带动发电机发电。化石燃料的使用相应的带来了环境污染问题，所以无需燃料的绝热CAES吸引了越来越多的研究者进行相继探索，绝热CAES是将压缩热储存起来，这部分热量在电网高峰时用来加热透平进口空气，避免了化石燃料的使用，实现了能源的高效利用。
太阳能资源是世界上分布最广泛的取之不尽、用之不竭的可再生能源，我国也将大力倡导、支持太阳能发电。太阳能光热发电是其中一种发展较为成熟的发电技术，但太阳能辐射的不稳定性和不连续性给光热发电带来很多问题，另外由于受技术、设备所限，与传统火电机组相比，现有的光热发电站的规模较小，所以在现有发电技术的条件下，将太阳能发电与其他形式的发电技术结合将对提高能源利用效率起到积极的作用。
绝热CAES中压气机的高压比使得出口空气的温度较高，蓄热温度由此较高，系统的效率可达70%左右，而传统CAES中的压气机压比都较小，所以本实用新型提出将绝热CAES与太阳能蓄热集成，降低压气机压比，将压缩储热为低温热源，太阳能蓄热作为再热高温热源，在不使用化石能源的情况下实现对电网有效调峰、对可再生能源的更加高效利用。
发明内容
所述绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统分为4个子系统：压缩空气蓄能子系统、压缩热蓄热子系统、透平发电子系统及太阳能蓄热子系统。系统以压缩热储热为低温热源，太阳能蓄热为再热高温热源。所述压缩空气蓄能子系统采用两级压缩，两级冷却方式；所述压缩热蓄热子系统采用两级蓄热；透平发电子系统采用两级透平膨胀，每级透平采用两级加热；太阳能蓄热子系统采用槽式太阳能蓄热方式。
所述压缩空气蓄能子系统由原动机、低压压气机、高压压气机串联连接，低压压气机输出通过第一级冷却器与高压压气机连接，高压压气机输出经第二级冷却器后进入储气室。
所述压缩热蓄热子系统中，第一级冷却器和第二级冷却器的输出与低温热罐连接，低温热罐输出分流经第一级低温加热器和第二级低温加热器后与低温冷罐连接，低温冷罐输出分流至第一级冷却器和第二级冷却器。
所述透平发电子系统由高压透平、低压透平及发电机同轴连接组成：从储气室被释放的空气依次流经第一级低温加热器及第一级高温加热器进入高压透平膨胀做功，高压透平输出与第二级低温加热器连接后再与第二级高温加热器连接，第二级高温加热器输出进入低压透平膨胀做功后排出。
所述太阳能蓄热子系统包括集热场、高温热罐、高温冷罐、换热器。蓄热阶段：传热介质（导热油等）在泵27作用下，经集热场吸收太阳能升温，通过阀门15进入换热器，同时高温冷罐中的蓄热介质（熔融盐等）在泵23作用下进入换热器与传热介质换热，吸热后的储热介质经阀门20储存在高温热罐中，完成蓄热过程，放热后的传热介质经阀门29、26流入泵27，进入下一循环。放热阶段：传热介质在泵24作用下流经阀门25、29进入换热器，之后流至阀门16，同时，高温热罐中的蓄热介质在泵21作用下进入换热器中加热传热介质，放热后的蓄热介质经阀门22进入高温冷罐；或传热介质经阀门25、28进入集热场后经阀门15流至阀门16。阀门16出口分流至高温加热器加热空气，放热后的传热介质经泵24作用进入下一循环。
所述绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统方法为：电网处于低负荷时，富余电能带动原动机以驱动高压压气机和低压压气机压缩空气，并储存入储气室中，高压压气机和低压压气机出口空气的热量由蓄热介质吸收并储存入低温热罐中；当电网处于峰负荷时，冷空气从储气室被释放，经第一级低温加热器被来自低温热罐中的蓄热介质加热，后进入第一级高温加热器吸收来自太阳能或太阳能蓄热的热量，高温高压空气进入高压透平进行膨胀做功。高压透平的排气再经第二级低温加热器吸收储存的压缩热，再经第二级高温加热器吸收来自太阳能或者太阳能蓄热的热量，后进入低压透平膨胀，并带动发电机发电，电能输送至电网。
所述太阳能蓄热子系统方法：白天电网处于峰负荷时，传热介质在泵24的作用下通过阀门25和阀门28（阀门26、29关闭）进入集热场吸收太阳能，高温传热介质经阀门15和阀门16后分流进入高温加热器加热空气；白天电网不处于峰负荷，即发电子系统不运作时，太阳能子系统只蓄热而不向外供热：阀门16、25、28关闭，传热介质在泵27的作用下进入集热场，被加热后经阀门15进入换热器，同时在泵23作用下高温冷罐中的储热介质（熔融盐等）流经换热器，吸热后的储热介质进入高温热罐储存起来，完成储热过程；晚上或白天太阳能不充足而电网处于峰负荷时，阀门15、26、28关闭，传热介质在泵24作用下经阀门25、29进入换热器吸热，同时储热介质从高温热罐在泵21的作用下进入换热器换热后进入高温冷罐，传热介质吸热后经阀门16后分流进入两级高温加热器加热空气。
所述太阳能蓄热子系统方法：白天电网处于峰负荷时，传热介质在泵24的作用下通过阀门25和阀门28（阀门26、29关闭）进入集热场吸收太阳能，高温传热介质经阀门15和阀门16后分流进入高温加热器加热空气；白天电网不处于峰负荷，即发电子系统不运作时，太阳能子系统只蓄热而不向外供热：阀门16、25、28关闭，传热介质在泵27的作用下进入集热场，被加热后经阀门15进入换热器，同时在泵23作用下高温冷罐中的储热介质（熔融盐等）流经换热器，吸热后的储热介质进入高温热罐储存起来，完成储热过程；晚上或白天太阳能不充足而电网处于峰负荷时，阀门15、26、28关闭，传热介质在泵24作用下经阀门25、29进入换热器吸热，同时储热介质从高温热罐在泵21的作用下进入换热器换热后进入高温冷罐，传热介质吸热后经阀门16后分流进入两级高温加热器加热空气。
所述透平发电子系统采用两级透平膨胀，每级透平采用两级加热。空气从储气室中被释放后依次经第一级低温加热器被加热至150-200℃，之后经第一级高温加热器后进行再热至360-390℃，高温高压空气进入高压透平进行膨胀，高压透平排气经第二级低温加热器后温度升高到150-200℃，经第二级高温加热器再热至360-390℃后进入低压透平膨胀做功，并带动发电机发电，电能输送至电网。
所述压缩空气蓄能子系统采用两级压缩，两级冷却：由原动机带动低压压气机和高压压气机压缩空气并储存入储气室中，两级压气机出口空气分别被第一级冷却器和第二级冷却器中的蓄热介质冷却。储气室一般为废弃矿井、过期油气井、沉降的海底储气罐、山洞。
 本实用新型合理的将绝热压缩空气蓄热和太阳能蓄热有机的集成，完全不使用化石燃料，透平进口空气不需要与化石燃料混合燃烧，而是以压缩储热为低温热源，太阳能蓄热作为再热高温热源，提高集成系统的能源利用效率。
附图说明
  图1是绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统示意图。图中1-原动机，2-低压压气机，3-第一级冷却器，4-高压压气机，5-第二级冷却器，6-储气室，7-第一级低温加热器，8-第一级高温加热器，9-高压透平，10-第二级低温加热器，11-第二级高温加热器，12-低压透平，13-发电机，14-集热场，15-阀门，16-阀门，17-高温热罐，18-换热器，19-高温冷罐，20-阀门，21-泵，22-阀门，23-泵，24-泵，25-阀门，26-阀门，27-泵，28-阀门，29-阀门，30-低温冷罐，31-低温热罐。
具体实施方式
  下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本实用新型。
  所述绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统分为4个子系统：压缩空气蓄能子系统、压缩热蓄热子系统、透平发电子系统及太阳能蓄热子系统。
  所述压缩空气蓄能子系统由原动机1、低压压气机2、高压压气机4串联连接，低压压气机2输出通过第一级冷却器3与高压压气机连接，高压压气机4输出经第二级冷却器5后进入储气室6。
所述压缩热蓄热子系统中，第一级冷却器3和第二级冷却器5的输出与低温热罐31连接，低温热罐31输出分流经第一级低温加热器7和第二级低温加热器10后与低温冷罐30连接，低温冷罐30输出分流至第一级冷却器3和第二级冷却器5。
  所述透平发电子系统由高压透平9、低压透平12及发电机13同轴连接组成：从储气室被6释放的空气依次流经第一级低温加热器7及第一级高温加热器8进入高压透平9膨胀，高压透平9输出与第二级低温加热器10连接后再与第二级高温加热器11连接，第二级高温加热器11输出进入低压透平12膨胀做功后排出。
 所述太阳能蓄热子系统包括集热场14、高温热罐17、高温冷罐19、换热器18。蓄热阶段：传热介质（导热油等）在泵27作用下，经集热场14吸收太阳能升温，通过阀门15进入换热器18，同时高温冷罐中的蓄热介质（熔融盐等）在泵23作用下进入换热器18与传热介质换热，吸热后的储热介质经阀门20储存在高温热罐17中，完成蓄热过程。放热阶段：传热介质在泵24作用下流经阀门25、29进入换热器18，后流至阀门16，同时，高温热罐17中的蓄热介质在泵21作用下进入换热器18中加热传热介质，放热后的蓄热介质经阀门22进入高温冷罐19；或传热介质经阀门25、28进入集热场14，后经阀门15流至阀门16。阀门16出口分流至高温加热器8、11加热空气，放热后的传热介质经泵24作用进入下一循环。
 所述绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统方法为：当电网处于低负荷或电网对可再生能源发电量的消纳能力不足时，以富足的电能或者可再生能源发电量为动力，带动原动机1以驱动低压压气机2和高压压气机4压缩空气，并储存入储气室6中，低压压气机2和高压压气机4出口空气的热量由蓄热介质（液体蓄热）吸收并储存入低温热罐31中；当电网处于峰负荷时，冷空气从储气室6被释放，经第一级低温加热器7吸收压缩热储热而温度升高，后进入第一级高温加热器8吸收来自太阳能或太阳能蓄热的热量，高温高压空气进入高压透平9进行膨胀做功。高压透平9的排气再经第二级低温加热器10吸收储存的压缩热，再经第二级高温加热器11吸收来自太阳能或者太阳能蓄热的热量，进入低压透平12膨胀，并带动发电机发电，电能输送至电网。
  所述太阳能蓄热子系统中，传热介质可直接从集热场吸收太阳能或吸收高温热罐中的太阳能蓄热：白天电网处于峰负荷时，传热介质在泵24的作用下通过阀门25和阀门28（阀门26、29关闭）进入集热场14吸收太阳能，高温传热介质经阀门15和阀门16后分流进入高温加热器8、11加热空气；白天电网不处于峰负荷，即发电子系统不运作时，太阳能子系统只蓄热而不向外供热：阀门16、25、28关闭，传热介质在泵27的作用下进入集热场14，被加热后经阀门15进入换热器18，同时在泵23作用下高温冷罐19中的蓄热介质（熔融盐等）流经换热器18，吸热后的储热介质进入高温热罐17储存起来，完成储热过程；晚上或白天太阳能不充足而电网处于峰负荷时，阀门15、26、28关闭，传热介质在泵24作用下经阀门25、29进入换热器18吸热，同时储热介质在泵21的作用下从高温热罐17进入换热器18换热后进入高温冷罐19，传热介质吸热后经阀门16后分流进入两级高温加热器8、11加热空气。
  所述透平发电子系统采用两级透平膨胀，每级透平采用两级加热。空气从储气室6中被释放后依次经第一级低温加热器7被加热至150-200℃，之后经第一级高温加热器8后进行再热至360-390℃，高温高压空气进入高压透平9进行膨胀，高压透平9排气经第二级低温加热器10后温度升高到150-200℃，经第二级高温加热器11再热至360-390℃后进入低压透平12膨胀做功，并带动发电机13发电，电能输送至电网。
  所述压缩热蓄热子系统采用两级蓄热，低温冷罐30中的蓄热介质（液体蓄热）通过第一级冷却器3和第二级冷却器5吸收低压压气机2和高压压气机4出口的高温空气的热量，并储存入低温热罐31中；放热时，低温热罐31中的蓄热介质进入第一级低温加热器7和第二级低温加热器10分别加热储气室6释放的冷空气和高压透平9的排气，降温后的蓄热介质流入低温冷罐30进行下一个压缩热蓄热循环。
 所述压缩空气蓄能子系统采用两级压缩，两级冷却：由原动机1带动低压压气机2和高压压气机4压缩空气并储存入储气室6中，两级压气机出后的空气分别被第一级冷却器3和第二级冷却器5中的蓄热介质冷却。储气室6一般为废弃矿井、过期油气井、沉降的海底储气罐、山洞。
  本实用新型合理的将绝热压缩空气蓄热和太阳能蓄热有机的集成，完全不使用化石燃料，透平进口空气不需要与化石燃料混合燃烧，而是以压缩储热为低温热源，太阳能蓄热作为再热高温热源，提高一体化系统的能源利用效率。
 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统，分为4个子系统：压缩空气蓄能子系统、压缩热蓄热子系统、透平发电子系统及太阳能蓄热子系统；其特征在于当电网处于低负荷或电网对可再生能源发电量的消纳能力不足时，以富足的电能或者未被消纳的可再生能源发电量为动力，带动原动机（1）以驱动两级压气机压缩空气，并储存入储气室（6）中，低压压气机（2）和高压压气机（4）出口空气的热量由蓄热介质（液体蓄热）吸收并储存入低温热罐（31）中；当电网处于峰负荷时，冷空气从储气室（6）被释放，经第一级低温加热器（7）吸收压缩热蓄热而温度升高，后进入第一级高温加热器（8）吸收来自太阳能或太阳能蓄热的热量，高温高压空气进入高压透平（9）进行膨胀做功，高压透平（9）的排气再经第二级低温加热器（10）吸收储存的压缩热，再经第二级高温加热器（11）吸收来自太阳能或者太阳能蓄热的热量，进入低压透平膨胀做功，带动发电机发电，电能输送至电网。
2.根据权利要求1所述的一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统，其特征是所述压缩热蓄热子系统中第一级冷却器（3）和第二级冷却器（5）的输出与低温热罐（31）连接，低温热罐（31）输出分流经第一级低温加热器（7）和第二级低温加热器（10）后与低温冷罐（30）连接，低温冷罐（30）输出分流至第一冷却器（3）和第二级冷却器（5）。
3.根据权利要求1所述的一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统，其特征是所述太阳能蓄热子系统由集热场（14）、高温热罐（17）、高温冷罐（19）、换热器（18）组成；
蓄热阶段：传热介质（导热油等）在泵（27）作用下，经集热场（14）吸收太阳能升温，通过阀门（15）进入换热器（18），同时高温冷罐中的蓄热介质（熔融盐等）在泵（23）作用下进入换热器（18）与传热介质换热，吸热后的储热介质经阀门（20）储存在高温热罐（17）中，完成蓄热过程；
放热阶段：传热介质在泵（24）作用下流经阀门（25）、（29）进入换热器（18），后流至阀门（16），同时，高温热罐（17）中的蓄热介质在泵（21）作用下进入换热器（18）中加热传热介质，放热后的蓄热介质经阀门（22）进入高温冷罐（19）；或传热介质经阀门（25）、（28）进入集热场（14）后经阀门（15）流至阀门（16）；阀门（16）出口分流至高温加热器（8）、（11）加热空气，放热后的传热介质经泵（24）作用进入下一循环。
4.根据权利要求1所述的一种绝热压缩空气蓄能与太阳能集成的系统，其特征是所述透平发电子系统由高压透平（9）、低压透平（12）及发电机（13）同轴连接组成：从储气室（6）被释放的空气依次流经第一级低温加热器（7）及第一级高温加热器（8）进入高压透平（9）膨胀做功，高压透平（9）输出与第二级低温加热器（10）连接后再与第二级高温加热器（11）连接，第二级高温加热器（11）输出进入低压透平（12）膨胀做功后排出。
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