CN205225461U - 低温液态空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低温液态空气储能系统，其包括储能单元、释能单元及储存液体预冷工质的工质储存单元，所述储能单元包括依次连接的压缩机组、第一换热器组、节流阀和液体储罐，所述释能单元包括依次连接的低温泵、第二换热器组及膨胀机组，所述低温泵和所述液体储罐相连接，所述工质储存单元连接于所述第一换热器组和所述第二换热器组之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。所述低温液态空气储能系统采用液体预冷工质作为蓄冷工质，以换热器作为冷量交换设备，在换热器内部可实现非常小的传热温差，减小传热过程中的损失，有利于提高系统储能效率。

Description

低温液态空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种采用液体预冷工质的低温液态空气储能系统。

背景技术

随着社会的快速发展，人类对电能的使用和依赖变得越来越大。电能属于二次能源，是由其他形式的能量转换而来，主要有火力发电、水力发电、核电、风力发电、太阳能发电等。目前发电比例最大的是燃煤、天然气等化石能源，然而由于化石能源的不可再生性，将面临资源耗尽。随着可再生能源的普及和利用，环保的发电形式逐步成熟，然而由于可再生能源的间歇性和反调峰特性，一直难以达到大规模集中利用；同时受到自然环境的约束，一部分能源利用效率低下，例如目前我国风电的平均弃风率已高达15％以上。

因此迫切需要提高电能质量，大力发展相关电力储能技术，储能技术对电网负荷起到削峰填谷的改善，提供电力系统供电的稳定性，储能技术可应用于大规模可再生能源并网、能源互联网的智能调控、应急电源等方向。目前已有的储能技术有电池储能、抽水蓄能、压缩空气等，电池储能由于循环寿命有限，储能量小，生产和后处理过程存在污染，所以现在大储能容量的抽水蓄能和压缩空气被成熟应用。

抽水蓄能需要足够的地势差，建设水库，对生态和周边环境影响较大；而压缩空气相比于抽水蓄能，对自然环境的苛刻要求稍小，空气可存储于报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中。传统的压缩空气储能是采用补燃形式存在，配合燃气轮机使用。当电力负荷低时，利用多余电量将空气压缩至储气装置中进行存储，完成储能阶段；当电力负荷高时，从储气装置中释放高压空气，进入燃气轮机燃烧室与燃料混合燃烧，然后驱动透平机组发电，完成释能阶段。但是，传统压缩空气储能依赖于化石燃料的使用，不符合低碳排放、可再生发展要求。国内外学者针对其进行改进，提出了多种非补燃形式，通过回收储存利用压缩过程产生的压缩热，避免外界热源燃烧，但其依然存在储能密度低，需要克服大容积储气室的不足之处。

为克服储气空间限制的问题，近些年来国内外学者相继开展液态空气储能技术的研究，与压缩空气储能相比，其核心部分在于空气液化过程，将压缩空气液化后通入储液罐储存。目前已提出的方案主要是蓄冷器与节流阀的组合，高压空气在蓄冷器中与蓄冷介质直接接触或非直接接触换热；储能时，蓄冷器对高压空气进行冷却；释能时，储存液态空气升温过程中释放的冷量。目前研究提到的蓄冷介质有两类，一类是固体显热蓄冷介质，如岩石、混凝土、陶瓷等，利用蓄冷介质显热储存冷量，但在液化-储存-膨胀过程中，由于固体介质的不可逆传热损失过大，导致蓄冷效率无法满足整体液化要求；另一类是固液相变潜热蓄冷介质，如氨及其水溶液、盐类水溶液、醇类及其水溶液中的一种或几种，但目前还没有把它们作为从室温到液氮温区的相变储热材料。因此迫切需要基于高效蓄冷的低温液态空气储能系统。

实用新型内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本实用新型提供一种采用液体液体预冷工质的低温液态空气储能系统。

一种低温液态空气储能系统，其包括储能单元、释能单元及储存液体预冷工质的工质储存单元，所述储能单元包括依次连接的压缩机组、第一换热器组、节流阀和液体储罐，所述释能单元包括依次连接的低温泵、第二换热器组及膨胀机组，所述低温泵和所述液体储罐相连接，所述工质储存单元连接于所述第一换热器组和所述第二换热器组之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

本实用新型一较佳实施方式中，所述压缩机组包括多台串联的压缩机，所述膨胀机组包括多台串联的膨胀机。

本实用新型一较佳实施方式中，所述压缩机和所述膨胀机均为螺杆式、活塞式或离心式。

本实用新型一较佳实施方式中，所述工质储存单元包括多对蓄冷器，所述第一换热器组和所述第二换热器组具有数量相同、且一一对应通过一对所述蓄冷器连接的低温换热器。

本实用新型一较佳实施方式中，所述低温换热器为翅板式换热器或绕管式换热器。

本实用新型一较佳实施方式中，所述液体储罐的液体侧、所述第一换热器组及所述压缩机组通过低温管道连通形成低温空气返流通道。

本实用新型一较佳实施方式中，所述液体预冷工质以显热形式回收和再利用冷量。

本实用新型一较佳实施方式中，所述液体预冷工质为R123制冷剂、丙烷、戊烷或其组合。

本实用新型一较佳实施方式中，所述低温液态空气储能系统中的压缩压力范围为30bar-150bar。

相对于现有技术，本实用新型提供的低温液态空气储能系统采用液体预冷工质作为蓄冷工质，以低温换热器作为冷量交换设备，由此在低温换热器内部可以实现非常小的传热温差，减小传热过程中的损失，有利于提高低温液态空气储能系统的储能效率。

附图说明

图1为本实用新型提供的低温液态空气储能系统的组成示意图；

图2为图1所示低温液态空气储能系统的工作状态示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本实用新型一较佳实施例提供一种低温液态空气储能系统，其包括储能单元10、释能单元20及储存液体预冷工质的工质储存单元30，所述储能单元10包括依次连接的压缩机组11、第一换热器组13、节流阀15和液体储罐17，所述释能单元20包括依次连接的低温泵21、第二换热器组23及膨胀机组25，所述低温泵21和所述液体储罐17相连接，所述工质储存单元30连接于所述第一换热器组13和所述第二换热器组23之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

本实施例中，所述压缩机组11包括多台串联的压缩机111，所述膨胀机组25包括多台串联的膨胀机251。

优选地，所述压缩机111和所述膨胀机251均为螺杆式、活塞式或离心式。

本实施例中，所述低温液态空气储能系统中的压缩压力范围为30bar-150bar。

本实施例中，所述工质储存单元30包括多对蓄冷器，所述第一换热器组13和所述第二换热器组23具有数量相同、且一一对应通过一对所述蓄冷器连接的低温换热器。具体地，所述工质储存单元30包括多个冷态蓄冷器31和数量相同的多个热态蓄冷器33；所述第一换热器组13包括多个第一低温换热器131，所述第二换热器组23包括多个第二低温换热器231。所述第一低温换热器131、所述热态蓄冷器33、所述第二低温换热器231和所述冷态蓄冷器33一一对应，并通过管道顺序连通形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

优选地，所述第一低温换热器131和所述第二低温换热器231均为翅板式换热器或绕管式换热器。由此，可以利用所述第一低温换热器131和所述第二低温换热器231的大换热面积来实现小温差高效换热。

本实施例中，所述液体储罐17的液体侧、所述第一换热器组13及所述压缩机组11通过低温管道连通形成低温空气返流通道。具体地，低温管道从所述液体储罐17的液体侧将低温空气导出，依次通过多个所述第一低温换热器131后返回所述压缩机组11，优选地，低温空气返回所述压缩机组11中第三台压缩机的入口。可以理解的是，低温空气在返流通过所述多个第一低温换热器131时逐级对高压空气进行冷却降温，由此可以有效的提高高压空气的换热降温效率，进而提高所述储能单元10的储冷效率。

本实施例中，所述液体预冷工质以显热形式回收和再利用冷量，其为多种工质组合，以保证在工作状态下不发生凝固和气化，具体地，所述液体预冷工质为R123制冷剂、丙烷、戊烷或其组合。

可以理解的是，所述低温液态空气储能系统的工作状态包括储能阶段(即储能流程)和释冷阶段(即释冷流程)。

储能阶段时，所述压缩机组11出口的高压空气依次经过所述第一换热器组13中的多个第一低温换热器131，分别与所述工质储存单元30中的多种不同的液体预冷工质进行热量交换，逐步冷却之后进入所述节流阀15继续降温降压，节流液化后进入所述液体储罐17存储；释能阶段时，所述液体储罐17内的低温液态空气由所述低温泵21抽出，依次经过所述第二换热器组23中的多个第二低温换热器231，分别与所述工质储存单元30中之前吸收热量的多种不同的液体预冷工质换热，升温后进入所述膨胀机组25膨胀做功。

具体地，请参阅图2，为所述低温液态空气储能系统的工作状态示意图，

首先，空气从所述压缩机组11的第一台压缩机的入口进入，经过多台串联的压缩机压缩后，高压空气从所述压缩机组11的最后一台压缩机的出口流出。其后，流出的高压空气依次顺序经过第一换热器1、第一换热器2、……、第一换热器n，分别与蓄冷工质1、蓄冷工质2、……蓄冷工质n进行热量交换，逐步冷却之后从所述节流阀15的进口进入所述节流阀15继续降温降压，节流液化后进入所述液体储罐17存储。此过程即储能阶段(即储能流程)。

可以理解的是，未液化的高压冷空气则依次顺序经过第一换热器n、……、第一换热器2、第一换热器1返回至所述压缩机组11，本实施例中，返回的高压冷空气从所述压缩机组11中的第三台压缩机的入口进入，并与经过第一、二台压缩机压缩的空气一起进入后面多台串联的压缩机压缩后从所述压缩机组11的最后一台压缩机的出口流出。

可以理解的是，从所述液体储罐17返回的未液化的高压冷空气可有效地对所述压缩机组11中压缩的空气进行预冷，由此，可以充分地提高储能阶段的冷却液化效率，并最终提高所述低温液态空气储能系统的效率。

释能阶段时，所述液体储罐17存储的低温液体(即低温液态空气)由所述低温泵21抽出并流入所述低温泵21，加压后从出口流出，依次流经第二换热器n、……、第二换热器2、第二换热器1进行换热升温形成高压空气，期间低温液体分别将冷量释放给蓄冷工质n、……、蓄冷工质2、蓄冷工质1，冷量以显热形式储存；高压空气从第二换热器1出来后从外界热源的入口进入进行加热，之后流出并从所述膨胀机组25的入口进入所述膨胀机组25进一步膨胀，并对外输出膨胀功。

一般情况下，液态空气储能的液化过程与膨胀过程为分时进行的。液化时，压缩机组11工作，低温泵21、膨胀机组25关闭，蓄冷工质1、蓄冷工质2、……、蓄冷工质n分别在第一换热器1、第一换热器2、……、第一换热器n流动释放冷量，将空气冷却；膨胀时，与之相反，低温泵21、膨胀机组25工作，压缩机组11关闭，液态空气通过低温泵21加压，蓄冷工质n、……、蓄冷工质2、蓄冷工质1分别在第二换热器n、……、第二换热器2、第二换热器1流动储存冷量，空气升温经热源加热后进入膨胀机组25做功。

可以理解的是，由于在液化过程与膨胀过程中间还有间隔静置过程，因此放置液态空气的液体储罐17要考虑低温绝热性能，做好保温措施。

本实施例中，储能流程即所述低温液态空气储能系统的液化过程，所述压缩机组11中的多台压缩机111将外界进气以及返流空气(即未液化的高压冷空气)压缩至高压状态，此时需要将空气从高温下降至低温，温区跨度大，需要多种液体预冷工质逐一冷却，选取工质时需保证两者各自的沸腾与凝固温度间隔较大，并且在工作状态下始终保持液态，以显热形式回收和再利用冷量，因此，本实施例中每一种蓄冷工质(蓄冷工质1、蓄冷工质2、蓄冷工质3……蓄冷工质n)均采用两个蓄冷器(即冷态蓄冷器31和热态蓄冷器33)存储，之间通过管道连接，并可用泵或氮气加压使其在两罐间流动。

相对于现有技术，本实用新型提供的低温液态空气储能系统采用液体预冷工质作为蓄冷工质，以低温换热器作为冷量交换设备，由此在低温换热器内部可以实现非常小的传热温差，减小传热过程中的损失，有利于提高低温液态空气储能系统的储能效率。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种低温液态空气储能系统，其特征在于，包括储能单元、释能单元及储存液体预冷工质的工质储存单元，所述储能单元包括依次连接的压缩机组、第一换热器组、节流阀和液体储罐，所述释能单元包括依次连接的低温泵、第二换热器组及膨胀机组，所述低温泵和所述液体储罐相连接，所述工质储存单元连接于所述第一换热器组和所述第二换热器组之间，形成所述液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。

2.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述压缩机组包括多台串联的压缩机，所述膨胀机组包括多台串联的膨胀机。

3.如权利要求2所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述压缩机和所述膨胀机均为螺杆式、活塞式或离心式。

4.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述工质储存单元包括多对蓄冷器，所述第一换热器组和所述第二换热器组具有数量相同、且一一对应通过一对所述蓄冷器连接的低温换热器。

5.如权利要求4所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温换热器为翅板式换热器或绕管式换热器。

6.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述液体储罐的液体侧、所述第一换热器组及所述压缩机组通过低温管道连通形成低温空气返流通道。

7.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述液体预冷工质以显热形式回收和再利用冷量。

8.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述液体预冷工质为R123制冷剂、丙烷、戊烷或其组合。

9.如权利要求1所述的低温液态空气储能系统，其特征在于，所述低温液态空气储能系统中的压缩压力范围为30bar-150bar。