CN105257354B - 压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源*** - Google Patents

Abstract

一种压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，涉及新能源利用***工程领域。可分为两个子***，子***之一：压缩空气膨胀气轮发电子***；子***之二：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***。其目的：1.寻找新的技术路线，尽可能缩短能量转换链条；2.采用新的互补储能方式，提高新能源利用总效率。具有四大特点。

Description

压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***

技术领域

本发明涉及新能源利用***工程领域，主要是将各种能量形式充分利用，缩短能量转换链条采用新的互补储能方式，提高总效率。

背景技术：

现有的风光互补技术是先将风能和光能转化为电能，由于风光发电固有的间歇性和波动性，电网的可靠性降低给需要稳定运行的输电、用电带来极***烦。为此目前比较常用的解决方法有两种：一是挖掘现有电站的调峰能力，二是采用代价极高的蓄电池来储能。

第一种方法，遇到的麻烦是：风电厂在强风时可瞬间达到供电高峰，而在无风时则会停止发电，同样当乌云遮挡光伏阵列时电池板的输出或会减少几十万瓩，这样大的波动影响供电的稳定和电能质量威胁电网的安全，若出现这两者同时供能不足的情况，仅靠现有火电站、水电站等的调峰远远不够，为此仍然需要建造大量的可靠能源调峰电站作为“备份”，极大的抬升了利用清洁能源的代价。

第二种方法，经济性更差，只适合于卫星、测量、通信基站等高价值低电量无人值守的地方，无法大规模存电供电，近来全国多地曝出曾经风光无限的互补路灯频频“罢工”，2013年12月4日，信息时报报道《万元节能路灯中看不中用“瞎了”好几条路》。2014年03月24日，武汉晚报报道《太阳能路灯“遭遇尴尬”装得起用不起》装一盏风电灯平均要花5千--1万，不过让使用单位最纠结的并不完全是昂贵的初装费，如果一次性投入后只需很少的维护费，不少单位还是乐意做这“一劳永逸的买卖”的。可问题是每隔1-3年就得换的蓄电池，贵的要花2000多。安装风光互补路灯更贵要2万多。解放公园算了一笔账要342年后才能收回成本。其实这些问题的最关键点就是：储能的化学蓄电池造价高且老化衰退过快，造成的“木桶短板效应”拖累了风光互补行业。

与风电路灯特性最接近最容易参照的就是压缩空气储能车辆。相近的实例是央视报道的乌拉圭发明家“阿芒多”发明的压缩空气自行车，其性能和性价比优于电动自行车(电动自行车耗电量与风电路灯相当)，他的成功为小型压缩空气储能指明了方向。其他大规模压缩空气储能的发电站，已经在欧美成功运行，但美中不足的是，他们储存的压缩空气是用已经发出来的电能去开动空压机转化来的，且产生了压缩空气后没有直供用户使用，又再次转化为电，反复转化浪费能量。

发明内容

本发明的目的是：

1.寻找新的技术路线，尽可能缩短能量转换链条；

2.采用新的互补储能方式，提高新能源利用总效率。

本发明所采用的技术方案：

参照附图1。压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，可分为两个子***。

子***之一：压缩空气膨胀气轮发电子***。该***由：风车(1)、滑片空压机(2)、塔筒超长气缸汽缸蒸汽空压机(3)、太阳能加热锅炉(4)、蓄能热水池(5)、压缩空气地下洞库(6)、压缩空气膨胀气轮发电机(8)、冷库/冰柜(9)、换热器/氯乙烷冷凝器(10)、压缩空气地下洞库的空气输入管道(13)、压缩空气地下洞库的空气输出管道(14)、压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道(15)、压缩空气膨胀气轮发电机组的输出管道(16)、双层真空管锅炉水循环泵(17)、阀门1(19)、阀门2(20)、塔筒空压机单向进气阀门(21)、塔筒空压机单向排气阀门(22)、风车空压机单向进气阀门(23)、风车空压机单向排气阀门(24)、空气滤清器(25)、压缩空气地下洞库的放气阀门(26)、压缩空气地下洞库的排水阀门(27)、压缩空气地下洞库的排水管道(28)等组成。

具体运作如下：太阳照射在“太阳能反射镜”(4-1)上，“虚拟的太阳聚焦光线”(4-2)聚焦在“双层真空管锅炉”(4-3)的底部，“双层真空管锅炉”(4-3)里的水被加热沸腾，水蒸汽经“蒸汽输出管道”(4-4)输出，此时，打开“阀门1”(19)，关闭“阀门2”(20)，“塔筒空压机单向进气阀门”(21)会自动关闭，水蒸汽进入“塔筒超长汽缸蒸汽空压机”(3)的底部，蒸汽压力将“塔筒超长汽缸蒸汽空压机内的活塞”(3-2)从“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的缸体”(3-1)底部推向顶部，则“塔筒空压机单向排气阀门”(22)会被气流自动顶开，将气缸内的空气挤压排入保温输气管(3-3)。有风时，“风车”(1)启动，带动“滑片空压机”(2)运作，“滑片空压机”(2)排出的热空气将自动顶开“风车空压机单向排气阀门”(24)，借道和共用“塔筒超长汽缸蒸气压缩机的保温输气管”(3-3)输送，经连接管道从上表层进入“蓄能热水池”(5)盘旋向下与水进行热交换，使得上表层水很热逐渐向下降温，冷却后的压缩空气进入“压缩空气地下洞库”(6)。

当“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的活塞”(3-2)从“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的缸体”(3-1)底部被水蒸汽推着快要到顶部时，关闭“阀门1”(19)，“塔筒空压机单向排气阀门”(22)将会被气压自动顶开，“塔筒空压机单向进气阀门”(21)则会自动关闭，“塔筒超长汽缸蒸汽空压机的活塞”(3-2)依靠惯性冲到顶部把缸内空气挤压排出，此时打开“阀门2”(20)，活塞被自身重力向下拉，从“塔筒超长汽缸蒸汽空压机缸体”(3-1)的顶部滑落到底部，同时将“塔筒超长汽缸蒸汽空压机活塞”(3-2)下面，即“塔筒超长汽缸蒸汽空压机缸体”(3-1)内的乏蒸汽排出，经“水蒸汽冷凝管道”(4-5)输往蓄能热水池(5)，此时管道内的乏蒸汽被冷凝成温水，再通过“双层真空管锅炉水循环泵”(17)输送，重新将水加入“双层真空管锅炉”(4-3)。

重复偱环上述步骤，可将大量空气加压排入“压缩空气地下洞库”(6)，空气中的水分在压缩和降温后凝结为水时，打开“压缩空气地下洞库的排水阀门”(27)后，水可从“压缩空气地下洞库的排水管道”(28)排出；需要压缩空气时打开“压缩空气地下洞库的放气阀门”(26)，压缩空气经“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)，并经“冷库/冰柜”(9)、“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)加温，再通过“压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道”(15)，进入“压缩空气膨胀气轮发电机组”(8)进行发电，发电后的“洁净清凉尾气”经“压缩空气膨胀气轮发电机组的输出管道”(16)，输往厂房、楼房室内降温换气。

子***之二：低沸点工质汽化膨胀汽轮机发电子***。由：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组(7)、蓄能热水池(5)、换热器/冷凝器(10)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道(11)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道(12)、低沸点工质循环泵(18)等组成。

具体运作如下：氯乙烷(或其他卤代烷等)在管道中进入“蓄能热水池”(5)下部，盘旋向上换热加温，由液态变成汽态，经“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)输入到“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组”(7)，进行发电；尾汽通过“换热器/冷凝器”(10)，被冷凝成液态，经“低沸点工质循环泵”(18)输送，再进入“蓄能热水池”(5)加温。反复循环运行，进行发电。

本发明的特点：

1、以最简洁的手段采集太阳能量中风的动能和光的热能，不将这些能量第一顺序的去转化为不易储存的电能，而是转化为容易储存的压缩空气，并可直供用户使用，也能按需转化为高峰电。

2、将装备的潜能充分利用，把经过在航母上运行多年被实践证明效率很高的弹射器，联想和移植到风车高大塔筒富裕空闲的内部空间来运行，节省了装备和土地投资。

3、回收和储存保温所有余热，可直供用户热水。增加一套余热综合利用装置，既回收压缩余热，也利用膨胀产生的巨冷，按照冷量的温度梯度来巧妙利用，最靠前的深冷给冷库，中间的冷凝低沸点工质蒸汽、连带把水工质蒸汽冷凝为温水，最后的凉气直供楼房室内降温换气，冷热互相平衡，减少了蒸汽循环做功对海洋江河的强烈依赖，使得以水、低沸点工质等做介质的大规模风光互补装置适应能力极大提高，既可在江河海边亦可挺进沙漠。

4、冷、热、气、电综合利用及装备之间功能和空间的借用，极大的提高了整套装置的技术效率和经济效益。

附图说明

图1：压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***示意图。

图2：蓄能热水池里的蒸汽冷凝器、压缩空气冷却器、氯乙烷蒸发器等换热盘管管道来往迴旋示意图。

图3：蓄能热水池里的管道“品字”排列的侧视示意图。

图4：换热器/氯乙烷冷凝器、冰柜的管道来往迴旋示意图。

图中：1：风车；2：滑片空压机：3：塔筒超长汽缸蒸汽空压机；3-1：塔筒超长汽缸蒸汽空压机的缸体；3-2：塔筒超长汽缸蒸汽空压机的活塞；3-3：塔筒超长汽缸蒸汽空压机的输气管；4：太阳能加热锅炉；4-1：太阳能反射镜；4-2：虚拟的太阳聚焦光线；4-3：双层真空管锅炉；4-4：水蒸汽流输出管道；4-5：水蒸汽冷凝管道；5：蓄能热水池；6：压缩空气地下洞库；7：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组；8：压缩空气膨胀气轮发电机组；9：换热器/冷凝器；10：冷库/冰柜；11：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道；12：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道；13：压缩空气地下洞库的空气输入管道；14：压缩空气地下洞库的空气输出管道；15：压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道：16：压缩空气膨胀气轮发电机组的输出管道；17：双层真空管锅炉水循环泵；18：低沸点工质循环泵；19：阀门1；20：“阀门2”；21：塔筒空压机单向进气阀门；22：塔筒空压机单向排气阀门；23：风车空压机单向进气阀门；24：风车空压机单向排气阀门；25：空气滤清器；26：压缩空气地下洞库的放气阀门；27：压缩空气地下洞库的排水阀门；28：压缩空气地下洞库的排水管道。

图中表示：气体(水蒸汽或氯乙烷蒸汽等)及流动方向，表示：液体(水或液化氯乙烷等)及流动方向。

具体实施方式

具体实施例：压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，可分成：“压缩空气膨胀气轮发电子***”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***”，两个子***的构成、运作方式，已在上述的“技术方案”中叙述，因为是具体实施例，需要补充以下几点：

一、在“压缩空气膨胀气轮发电子***”中的“太阳能加热锅炉”(4)加入的是：水；在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***”中加入的是：氯乙烷(或其他卤代烷)。

二、水在加温状态下是水蒸汽，在冷凝状态下是液态水；氯乙烷(或其他卤代烷)在加温状态下是汽态，在冷凝状态下是液态。

三、“压缩空气膨胀气轮发电子***”与“低沸点工质汽化膨胀气轮发电子***”共用一个“蓄能热水池”(5)，即：“压缩空气地下洞库的空气输入管道”(13)、“水蒸汽冷凝管道”(4-5)、“低沸工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)，这三根管道均通过“蓄能热水池”(5)，如图1所示。

四、上述的三根管道在“蓄能热水池”(5)是来往迴旋排列(如图2所示)，且三根管道仅在水池的中上部呈“品”字排列，如图3所示。“水蒸汽冷凝管”(4-5)从水池上表面盘旋到中层即离开水池，“压缩空气地下洞库的空气输入管道”(13)和“低沸工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道”(11)将盘旋到水池底部。

五、“压缩空气膨胀气轮发电子***”与“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***”共用一个“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)，“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***”的氯乙烷(或其他卤代烷)在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)中流动，“压缩空气膨胀气轮发电子***”的气体则通过“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)，经“冷库/冰柜”(9)后，输入到“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)的整个空间，气体在“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)的管道外流动换热，然后经“压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道”(15)，输入到“压缩空气膨胀气轮发电机组”(8)，如图1、图4所示。

六、“压缩空气地下洞库的空气输出管道”(14)在“冷库/冰柜”(9)中是来往迴旋排列，如图4所示。

七、“低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道”(12)在“换热器/氯乙烷冷凝器”(10)中是来往迴旋排列，如图4所示。

Claims (5)

1.一种压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，包括两个子***；子***之一：压缩空气膨胀气轮发电子***，由风车(1)、滑片空压机(2)、塔筒超长气缸汽缸蒸汽空压机(3)、太阳能加热锅炉(4)、蓄能热水池(5)、压缩空气地下洞库(6)、压缩空气膨胀气轮发电机(8)、冷库/冰柜(9)、换热器/氯乙烷冷凝器(10)、压缩空气地下洞库的空气输入管道(13)、压缩空气地下洞库的空气输出管道(14)、压缩空气膨胀气轮发电机的输入管道(15)、压缩空气膨胀气轮发电机的输出管道(16)、双层真空管锅炉水循环泵(17)、第一阀门(19)、第二阀门(20)、塔筒空压机单向进气阀门(21)、塔筒空压机单向排气阀门(22)、风车空压机单向进气阀门(23)、风车空压机单向排气阀门(24)、空气滤清器(25)、压缩空气地下洞库的放气阀门(26)、压缩空气地下洞库的排水阀门(27)、压缩空气地下洞库的排水管道(28)组成；子***之二：低沸点工质汽化膨胀汽轮机发电子***，由低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组(7)、蓄能热水池(5)、换热器/氯乙烷冷凝器(10)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道(11)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道(12)、低沸点工质循环泵(18)组成；其特征是：在压缩空气膨胀气轮发电子***中的太阳能加热锅炉(4)加入的是：水，在低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***中加入的是：氯乙烷或其他卤代烷；压缩空气膨胀气轮发电子***与低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***共用一个蓄能热水池(5)，即：压缩空气地下洞库的空气输入管道(13)、水蒸汽冷凝管道(4-5)、低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道(11)，这三根管道均通过蓄能热水池(5)；压缩空气膨胀气轮发电子***与低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***共用一个换热器/氯乙烷冷凝器(10)，即：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电子***的氯乙烷或其他卤代烷在低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道(12)中流动，压缩空气膨胀气轮发电子***的气体则通过压缩空气地下洞库的空气输出管道(14)，经冷库/冰柜(9)后，输入到换热器/氯乙烷冷凝器(10)的整个空间，气体在低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道(12)的管道外流动换热，然后经压缩空气膨胀气轮发电机组的输入管道(15)，输入到压缩空气膨胀气轮发电机组(8)。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，其特征是：由改进的圆柱形风车塔筒内置活塞形成的蒸汽机空压机一体机，其活塞在太阳锅炉蒸汽向上推动和重力向下复位时，会完成对空气的进气、压缩、排气循环；塔筒上方的风车轴输出的机械能直接带动旋转式滑片空压机运转；这两个空压机共同压缩的空气，沿着与塔筒平行排列的输气管来到地下的大水池，输气管在水面盘旋到水下，出水池进入压缩空气洞库；塔筒蒸汽机排出的乏蒸汽沿着管道进入水池，从水面盘旋到中部出水池，这两个管道都与水换热；液态低沸点冷工质沿管道从水池底部进入再盘旋向上到水面，逐步被加热为压力气态；三个管道盘旋形状一致又靠在一起，会形成品字形的截面，有利于互相换热并与水换热，在水池底部和上面分别储存冷和热；压缩空气膨胀气轮发电子***和低沸点工质汽化膨胀汽轮机发电子***，是平行排列又互相交融便于换热的，洞库出来的压缩空气经过气轮膨胀机后会制冷，此时把热的低沸点工质尾汽用管道导入压缩空气气轮机中段，盘旋换热加热空气，空气体积和压力增大后继续喷向大直径低压涡轮叶片，而低沸点工质则被冷凝为液态完成循环。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，其特征是：压缩空气地下洞库的空气输出管道(14)在冷库/冰柜(9)中是来往回旋排列。

4.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，其特征是：压缩空气地下洞库的空气输入管道(13)、水蒸汽冷凝管道(4-5)、低沸工质汽化膨胀汽轮发电机组的输入管道(11)，这三根管道在蓄能热水池(5)中是来往回旋排列，且三根管道在水池中呈品字排列。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能的风光互补冷热气电新能源***，其特征是：低沸点工质汽化膨胀汽轮发电机组的输出管道(12)在换热器/氯乙烷冷凝器(10)中是来往回旋排列。