CN204877561U - 一种利用低温冷能存储电能的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种利用低温冷能存储电能的新型储能系统，涉及能量储存技术。储能时，它通过消耗电能驱动带级间冷却的压缩机组Ⅰ和膨胀机组Ⅰ，产生低温冷能并存储在冷能存储器内；释能时，工作流体吸收冷能存储器内的低温冷能后，经压缩机组Ⅱ后压力升高，经过高温热交换器吸收太阳能储热或工业余热后，通过膨胀机组Ⅱ驱动发电机发电。本实用新型的利用低温冷能存储电能的新型储能系统具有成本低、热电转换效率高、适用于各种电站(包括太阳能、风能等可再生能源电站)、不产生温室气体、可回收中低温(热值)废热等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及绿色能源技术领域，基于低温冷能存储、储热和动力循环的有机整合，能有效实现电能、热能和冷能高效存储与利用的新型储能系统。
背景技术
随着可再生能源(风能、太阳能等)的日益普及,以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求,电力储能系统的重要性日益凸显。大规模电力储能技术可以有效解决电力生产与使用中峰谷差的矛盾；可以解决风力发电、太阳能、潮汐能等间歇式能源发电不稳定性；当分布式能源系统遇到了局部的线路故障时，电力储能系统可以提供不间断的电源供应。
目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、热泵储能、蓄电池储能、超导磁能和飞轮储能等。
抽水储能系统在用电低谷通过水泵将水从低位水库送到高位水库，从而将电能转化为水的势能存储起来；在用电高峰，水从高位水库排放至低位水库驱动水轮机发电。抽水储能具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期不受限制等优点，是目前广泛使用的电力储能系统。但是需要优越的地理条件建造水库和水坝，建设周期较长、初期投资巨大、而且会带来生态问题。
压缩空气储能在用电低谷，将空气压缩(4-8Mpa)并存于储气室中，将电能转化为空气的压力能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，经回热器预热后，进入燃气轮机燃烧室燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高和投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能系统也需要特殊的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，限制了压缩空气储能系统的应用范围。并且需要依赖燃烧化石燃料提供热源，燃烧产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。
蓄电池储能将电能转换为电池的化学能存储起来，具有对负荷反应快、容易同多种电站组合及能够增加电力系统的稳定性等优点，适合作为电力系统储能设备。但是，目前的蓄电池技术仍存在价格昂贵、使用寿命短、能量密度低和废弃物化学污染难于消除等缺点。虽然蓄电池在短时间和小容量备用电源中得到应用，但仍无法满足大型电力储能系统的要求。
超导储能技术将电流导入环形电感线圈，由于该环形电感线圈由超导材料制成，因此电流在线圈内可以无损失地不断循环，直到导出为止。超导磁能储能系统具有极高的充放电效率和快速反应时间，但价格非常昂贵，约为其他类型储能系统数十至数百倍，不适于大规模大型电力储能系统中的大规模应用。
飞轮储能是将电能转换为飞轮的机械能进行存储，但是存在能量密度低和轴承损失等问题。目前飞轮和电容储能系统存在造价高、储能容量小、自耗散严重等问题，不能满足电力储能系统的要求。
热泵储能技术是近年来新兴的储能技术，该技术利用一组高效可逆的热机将电能同时转化为热能和冷能并存储于两个绝热容器中。由于热泵储能技术需要同时存储高温热能和低温冷能，尤其高温热能存储的所需压力的条件较高，需要大体积的高压容器，因此该技术的造价较高。
储热技术是解决热供需双方在时间和空间上矛盾的关键技术，已经大规模应用于在太阳能热利用和工业余热利用中。储热技术一般可分为显热储热、潜热储热和化学储热三类。目前显热储热技术比较成熟，潜热储热尚处于商用示范阶段，化学储热技术处于实验室研究阶段。储热技术的成本较低，具有较大发展潜力，但是利用储热技术用于储电主要受热能/电能转换效率的限制，整体储能效率不高。
可见，当前已有的电力储能系统均存在不同的缺点，迫切需要一种成本低、效率高、寿命长的新型储能系统，而且这种储能系统需要具备不受地理条件的限制、适用于各种类型电站和对环境友好等特点。
实用新型内容
本实用新型公开了一种利用低温冷能存储电能的新型储能系统，利用低温冷能存储的方式有效解决了传统储能转换效率低的问题。此储能系统具有效率高、成本低、使用寿命长和不受地理条件的限制等特点，以解决电力生产与使用中峰谷差的问题，并解决风能、太阳能等可再生能源的间歇性、不稳定性等因素导致其发电对电网的不良影响。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
一种利用低温冷能存储电能的储能系统，该储能系统带有用于工作气体的储能回路和释能回路，其特征在于，
--所述储能回路包括发电机、带级间冷却的压缩机组Ⅰ、膨胀机组Ⅰ和冷能存储器，且其中：所述压缩机组Ⅰ和膨胀机组Ⅰ相互连接，所述压缩机组Ⅰ的出口侧工作气体管路接入膨胀机组Ⅰ的进口管路，膨胀机组Ⅰ的出口管路接入所述冷能存储器的蓄冷侧低温进口管路，所述冷能存储器的蓄冷侧高温出口管路与压缩机组Ⅰ的入口侧工作气体管路连接，形成相对于环境封闭的工作气体回路；
--所述释能回路包括电动机、压缩机组Ⅱ、膨胀机组Ⅱ、冷能存储器和高温热交换器，所述释能回路中的冷能存储器与所述储能回路中的冷能存储器为同一部件，且其中所述压缩机组Ⅱ和膨胀机组Ⅱ相互连接，且其中所述压缩机组Ⅱ的出口侧工作气体管路与高温热交换器工作气体侧进口管路相连接，高温热交换器工作气体侧出口管路与膨胀机组Ⅱ的入口管路相连接，膨胀机组Ⅱ的出口管路接入所述冷能存储器的释冷侧低温进口管路，所述冷能存储器的释冷侧高温出口管路与压缩机组Ⅱ的入口管路相连接，形成相对于环境封闭的工作气体回路。
优选地，所述释能回路还包括高温传蓄热流体回路，所述高温传蓄热流体回路与所述高温热交换器的高温侧相连接，使得所述工作气体在所述高温热交换器的工作气体侧内通过吸收来自所述高温热交换器的高温侧中传蓄热流体的热量加热。
优选地，所述高温传蓄热流体回路包括高温换热器、低温存储器、集热器和高温存储器，所述高温传蓄热流体回路中的高温换热器与所述释能回路中的高温换热器为同一部件，且其中所述高温换热器的高温侧进口与所述高温存储器的出口连通，所述高温换热器的高温侧出口与所述低温存储器的进口连通，所述低温存储器的出口经所述集热器后与所述高温存储器的进口连通。
优选地，所述储能回路中，所述的带级间冷却的压缩机组Ⅰ由不少于2级压缩机组成，所述工作气体在经过压缩机机组Ⅰ的每级压缩机压缩之后，进入级间换热器换热。
优选地，所述高温热交换器为板式、板翅式、壳管式、螺旋板式、套管式换热器的一种或至少2种的组合。
优选地，所述所述传蓄热流体的热能来自于钢铁、热电等工业余热、废热或太阳能热。
优选地，所述传蓄热流体的热能来自于太阳能热，集热器为太阳能集热器。
优选地，所述冷能存储器内部还设有换热装置，液化天然气和空分行业的低温气体通过换热装置，低温气体的低温冷能被冷能存储器内的储冷介质吸收并存储下来。
优选地，所述的压缩机组Ⅰ、压缩机组Ⅱ中的各级压缩机由1级或至少2级串联而成，各级压缩机是活塞式、轴流式、离心式、螺杆式或混合式；所述的膨胀机组Ⅰ、膨胀机组Ⅱ由1级或至少2级膨胀机串联而成，各级膨胀机是活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式。
优选地，所述储能回路、和/或释能回路、和/或高温传蓄热流体回路中，设置有阀门和/或泵送设备。
本实用新型的优点在于:
1、本实用新型将电能转化为常压下低温冷能存储，低温冷能存储装置结构简单、储冷材料便宜易得、储冷容器成本低、储冷装置使用寿命长，消除了已有电力储能系统存在的储能设备成本高、储能周期短、寿命短和环境污染等缺点，非常适合于长时间大容量的电力存储。
2、本实用新型的低温冷能存储电能的系统具有电能-冷能转化效率高、利用低温冷源提高了太阳热能、工业余热能的做功能力，具有储能系统整体高的优点。并且低温冷能存储装置的冷能耗散率很低，可以实现长时间高效的电力存储。
3、本实用新型的低温冷能存储电能的系统具有适用于各种电站(包括太阳能、风能等可再生能源电站)、不产生温室气体、可回收中低温(热值)废热等优点。
附图说明
图1为本实用新型的低温冷能存储电能的系统实施例1结构示意图；
图2为本实用新型的低温冷能存储电能的系统实施例2结构示意图；
图3为本实用新型的低温冷能存储电能的系统实施例3结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，为本实用新型的低温冷能存储电能的系统实施例1，包括储能回路102、释能回路103和太阳能储热子系统。
图1所示的储能回路包括：膨胀机1、冷能存储器2、第一级压缩机3、第一级压缩机换热器4、第二级压缩机5、第二级压缩机换热器6、第三级压缩机7和第三级压缩机换热器8。工作气体如图1中带箭头的实线所示通过这些组件进行循环。电动机9的转轴与膨胀机1和压缩机3、5、7的转轴相连接。此外，冷却液体18、19、20分别连接在换热器4、6、8中。
储能循环的运行流程为：首先，电能通过电动机9转变为机械能驱动膨胀机1和压缩机组101运转，自冷能存储器2排出的常温低压的工作气体，依次进入第一级压缩机3、第一级压缩机换热器4、第二级压缩机5、第二级压缩机换热器6、第三级压缩机7和第三级压缩机换热器8转变为常温高压的工作气体进入膨胀机1中，高压的工作气体经过膨胀机1膨胀后转变为低压低温的工作气体，膨胀机1排出的低压低温的工作气体，流经冷能存储器2时发生换热，冷能存储在冷存储器2中，常温低压的工作气体自冷存储器2排出进入压缩机3，形成闭合回路。气体膨胀过程所做功输出至轴上，电动机9、膨胀机1所做的功共同驱动压缩机组101运转，消耗的电能为压缩机耗功与膨胀机出功的差值，存储下来的为冷存储器2中的冷能。
图1所述的释能回路103包括发电机13、膨胀机12、冷能存储器2、压缩机10和高温换热器11。工作气体如图1中带箭头的实线所示通过这些组件进行循环。发电机13的转轴与膨胀机12和压缩机10的转轴相连接。此外，太阳能高温传蓄热流体循环22通过高温换热器11与工作气体换热。
释能循环的运行流程为：首先，自膨胀机12中排出低压常温的工作气体，流经冷存储器2时发生换热，冷存储器2中的低温冷能释放出来，冷存储器2排出的低压低温的工作气体进入压缩机10后，排出常温高压的工作气体。工作气体进一步通过高温换热器11后排出高温高压的工作气体，进入膨胀机12，形成闭合回路。释能循环系统中的耗能部件为压缩机10，做功部件为膨胀机12，产生的电能为膨胀机出功与压缩机耗功的差值，释能过程中消耗的冷存储器2中的冷能和太阳热能，产生的是电能。
充能循环过程中，低能流密度的低温热能聚集为高能流密度的中高温热能，并向太阳能经集热器提供热能，来自存储器14中的储热流体在集热器中吸热，变为高温传热流体储存在高温存储器16中。释能循环过程中，高温传蓄热流体经过高温换热器11冷却后存储在低温存储器14中，完成一次储热释热循环。
实施例2：
如图2所示，为本实用新型的低温冷能存储电能与风力发电耦合的系统实施例2，包括储能回路104、释能回路103和太阳能储热子系统。
图2所示的储能回路104包括：膨胀机1、冷能存储器2、第一级压缩机3、第一级压缩机换热器4、第二级压缩机5、第二级压缩机换热器6、第三级压缩机7和第三级压缩机换热器8。工作气体如图1中带箭头的实线所示通过这些组件进行循环。风力发电系统的风轮25与变速箱26相连接，变速箱26的转轴与膨胀机1和压缩机3、5、7的转轴相连接。此外，冷却液体18、19、20分别连接在换热器4、6、8中。实施例2的储能时的气体循环与实施例1的储能回路相同，此处不再赘述。储能循环中，消耗的风力能为压缩机耗功与膨胀机出功的差值，存储下来的为冷存储器2中的冷能。
实施例2的释能循环时的气体循环与实施例1的释能循环相同，此处不再赘述。
实施例3：
如图3所示，为本实用新型的低温冷能存储电能与工业余热和余冷能相耦合的系统实施例3，包括储能回路102、释能回路105。
实施例3的储能循环时的气体循环与实施例1的储能循环相同。储能循环中，电动机9、膨胀机1所做的功共同驱动压缩机组101运转，消耗的电能为压缩机耗功与膨胀机出功的差值，存储下来的为冷存储器2中的冷能。此外，在储能循环过程中和充/释能的间歇，来自与液化天然气或空分系统等的工业余冷流体23进入冷能存储器2，将冷流体的低温冷能被冷能存储器2中的储冷介质所吸收，用于在释能过程中产生电能。
图3所述的释能循环105包括电动机13、膨胀机12、冷能存储器2、压缩机10和高温换热器11。工作气体如图3中带箭头的实线所示通过这些组件进行循环。发电机13的转轴与膨胀机12和压缩机10的转轴相连接。此外，来自钢铁、热电领域的工业余热循环22通过高温换热器11与工作气体换热。实施例3的释能循环时的气体循环与实施例1的释能循环相同。释能循环系统中的耗能部件为压缩机10，做功部件为膨胀机12，产生的电能为膨胀机出功与压缩机耗功之差，释能过程中消耗的充能循环产生的冷能、工业余冷和工业余热，产生的是电能。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
Claims (10)
1.一种利用低温冷能存储电能的储能系统，该储能系统带有用于工作气体的储能回路(102)和释能回路(103)，其特征在于，
--所述储能回路(102)包括发电机(9)、带级间冷却的压缩机组Ⅰ(101)、膨胀机组Ⅰ(1)和冷能存储器(2)，且其中：所述压缩机组Ⅰ(101)和膨胀机组Ⅰ(1)相互连接，所述压缩机组Ⅰ(101)的出口侧工作气体管路接入膨胀机组Ⅰ(1)的进口管路，膨胀机组Ⅰ(1)的出口管路接入所述冷能存储器(2)的蓄冷侧低温进口管路，所述冷能存储器(2)的蓄冷侧高温出口管路与压缩机组Ⅰ(101)的入口侧工作气体管路连接，形成相对于环境封闭的工作气体回路；
--所述释能回路(103)包括电动机(13)、压缩机组Ⅱ(10)、膨胀机组Ⅱ(12)、冷能存储器(2)和高温热交换器(11)，所述释能回路(103)中的冷能存储器与所述储能回路(102)中的冷能存储器为同一部件，且其中所述压缩机组Ⅱ(10)和膨胀机组Ⅱ(12)相互连接，且其中所述压缩机组Ⅱ(10)的出口侧工作气体管路与高温热交换器(11)工作气体侧进口管路相连接，高温热交换器(11)工作气体侧出口管路与膨胀机组Ⅱ(12)的入口管路相连接，膨胀机组Ⅱ(12)的出口管路接入所述冷能存储器(2)的释冷侧低温进口管路，所述冷能存储器(2)的释冷侧高温出口管路与压缩机组Ⅱ(10)的入口管路相连接，形成相对于环境封闭的工作气体回路。
2.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述释能回路(103)还包括高温传蓄热流体回路，所述高温传蓄热流体回路与所述高温热交换器(11)的高温侧相连接，使得所述工作气体在所述高温热交换器(11)的工作气体侧内通过吸收来自所述高温热交换器(11)的高温侧中传蓄热流体(22)的热量加热。
3.根据权利要求2所述的储能系统，其特征在于，所述高温传蓄热流体回路包括高温换热器(11)、低温存储器(14)、集热器(15)和高温存储器(16)，所述高温传蓄热流体回路中的高温换热器与所述释能回路(103)中的高温换热器为同一部件，且其中所述高温换热器(11)的高温侧进口与所述高温存储器(16)的出口连通，所述高温换热器(11)的高温侧出口与所述低温存储器(14)的进口连通，所述低温存储器(14)的出口经所述集热器(15)后与所述高温存储器(16)的进口连通。
4.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述储能回路(102)中，所述的带级间冷却的压缩机组Ⅰ(101)由不少于2级压缩机(3，5，7)组成，所述工作气体在经过压缩机机组Ⅰ的每级压缩机(3，5，7)压缩之后，进入级间换热器(4，6，8)换热。
5.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述高温热交换器(11)为板式、板翅式、壳管式、螺旋板式、套管式换热器的一种或至少2种的组合。
6.根据权利要求2所述的储能系统，其特征在于，所述所述传蓄热流体(22)的热能来自于钢铁、热电等工业余热、废热或太阳能热。
7.根据权利要求6所述的储能系统，其特征在于，所述传蓄热流体(22)的热能来自于太阳能热，集热器为太阳能集热器(15)。
8.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述冷能存储器(2)内部还设有换热装置，液化天然气和空分行业的低温气体通过换热装置，低温气体的低温冷能被冷能存储器(2)内的储冷介质吸收并存储下来。
9.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于：所述的压缩机组Ⅰ(101)、压缩机组Ⅱ(10)中的各级压缩机由1级或至少2级串联而成，各级压缩机是活塞式、轴流式、离心式、螺杆式或混合式；所述的膨胀机组Ⅰ(1)、膨胀机组Ⅱ(12)由1级或至少2级膨胀机串联而成，各级膨胀机是活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式。
10.根据权利要求2所述的储能系统，其特征在于，所述储能回路(102)、和/或释能回路(103)、和/或高温传蓄热流体回路中，设置有阀门和/或泵送设备。
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| CN112128086A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-25 | 华南理工大学 | 一种浮力反馈式水力恒压储释能系统及方法 |
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