CN105736056A - 液态空气储能*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液态空气储能***，其包括依次顺序连接的压缩机组、第一低温换热器、节流阀、液体储罐、低温泵、第二低温换热器及膨胀机组，所述第一低温换热器和所述第二低温换热器之间通过储存单温区液体预冷工质的蓄冷器实现连接，形成所述单温区液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。所述液态空气储能***采用宽温区单一液体预冷工质，以低温换热器作为冷量交换设备，可在低温换热器内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高***储能效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源储存技术领域，尤其涉及一种采用宽温区单一液体预冷工质的液态空气储能***。
背景技术
能源是人类生存的物质基础，人类社会的发展离不开能源，但由于对不可再生能源——化石能源的严重依赖，人类未来将面临资源耗尽和环境问题，因此大力发展可再生能源是解决的途径之一。目前风能、太阳能是技术上较为成熟的新能源形式，但其具有间歇性和不稳定性的特点，例如在弱风时风力发电不足，太阳能在阴雨天气和夜晚无法使用，因此需要电力储能技术对能量进行存储，提供电力***供电的稳定性。
目前技术上可行的大规模储能技术包括抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能等。抽水蓄能需要建设大坝，易对生态造成一定影响，并且水电站建设周期长和初期投资大。电池储能虽然能量密度高，但储能量小、循环寿命短、单位成本高，生产和后处理过程会造成环境污染。传统的压缩空气储能***则不是一套独立的技术，需与燃气轮机电站配套使用，当处于电力低谷时，利用多余电量将空气压缩至地下洞穴或废弃洞井中进行存储，完成储能阶段；当处于电力高峰时，高压空气被释放出来，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。但传统压缩空气储能***需受特定的地理条件限制，并且依赖化石燃料燃烧提供热量，导致大量废气排放。国内外学者对其进行研究改进，提出多种非补燃形式，通过回收储存利用压缩过程产生的压缩热，在膨胀过程中使用，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。
近些年来，国内外学者相继开展液态空气储能技术的研究，空气以液态形式存储于储罐中，不受地理环境限制，能量密度大。但时，目前提出的液化方案中，一般蓄冷装置中采用石子、混凝土等固体作为填充床来储存冷量，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。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种采用宽温区单一液体预冷工质的液态空气储能***。
一种液态空气储能***，其包括依次顺序连接的压缩机组、第一低温换热器、节流阀、液体储罐、低温泵、第二低温换热器及膨胀机组，所述第一低温换热器和所述第二低温换热器之间通过储存单温区液体预冷工质的蓄冷器实现连接，形成所述单温区液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
本发明一较佳实施方式中，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。
本发明一较佳实施方式中，所述蓄冷器包括第一储罐和第二储罐，所述第一储罐和所述第二储罐之间通过低温管道连接。
本发明一较佳实施方式中，所述液体预冷工质液相温区为300K-77K。
本发明一较佳实施方式中，所述预冷工质第一储罐和第二储罐均为单个储罐，所述第一低温换热器和第二低温换热器均为单个换热器。
所述液体储罐的气体侧、所述第一低温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。
所述单温区液体预冷工质以显热形式储存冷量。
所述第一低温换热器、所述第二低温换热器及所述蓄冷器通过低温管道连通。
本发明一较佳实施方式中，所述液体储罐的气体侧、所述第一低温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。由此，所述液态空气储能***在液化过程(即储能阶段)得到的液态空气作为做功工质，在膨胀过程(即释能阶段)返流重新将冷量释放给***，并由单温区液体预冷工质回收，将冷量反馈给液化过程，即可通过提高蓄冷器效率来达到提高整体***效率的目的；同时，由于单温区液体预冷工质在宽温区下进行热量吸收与冷量回收，从而可以有效降低第一低温换热器和第二低温换热器的使用成本。
相对于现有技术，本发明提供的液态空气储能***采用宽温区单一液体预冷工质，以低温换热器作为冷量交换设备，可在低温换热器内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高***储能效率。
附图说明
图1为本发明提供的低温液态空气储能***的组成示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。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，本发明一较佳实施例提供一种液态空气储能***，其包括依次顺序连接的压缩机组10、第一低温换热器20、节流阀30、液体储罐40、低温泵50、第二低温换热器60及膨胀机70，所述第一低温换热器20和所述第二低温换热器60之间通过储存单温区液体预冷工质的蓄冷器80实现连接，形成所述单温区液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。
所述压缩机组10包括多台串联的压缩机11，所述膨胀机组70包括多台串联的膨胀机71。本实施例中，所述压缩机11和所述膨胀机71均为螺杆式、活塞式或离心式。
本实施例中，所述第一低温换热器20和所述第二低温换热器60均为翅板式低温换热器或绕管式低温换热器。由此，可以利用所述第一低温换热器20和所述第二低温换热器60的大换热面积来实现小温差高效换热。
所述蓄冷器80包括第一储罐81和第二储罐82，所述第一储罐81和所述第二储罐82内均储存以显热形式储存冷量的所述单温区液体预冷工质。本实施例中，所述第一储罐81和所述第二储罐82之间通过低温管道连接。具体地，所述第一低温换热器20、所述第一储罐81、所述第二储罐82及所述第二低温换热器60通过低温管道依次顺序连接，由此，所述第一低温换热器20、所述第一储罐81、所述第二储罐82及所述第二低温换热器60即共同连通形成所述单温区液体预冷工质以液相循环流动、换热和储存的通道。进一步地，可通过泵或氮气加压使所述单温区液体预冷工质在所述第一储罐81和所述第二储罐82之间流动。
本实施例中，所述液体储罐80的气体侧、所述第一低温换热器20及所述压缩机组10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80的气体侧将低温空气导出，通过所述第一低温换热器20后返回所述压缩机组10。优选地，低温空气返回所述压缩机组10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第一低温换热器20时，可对高压空气进行冷却降温，由此可以为所述第一低温换热器20补充冷量，进而有效的提高高压空气的换热降温效率。
可以理解的是，所述液态空气储能***的工作状态包括液化过程(即储能阶段)和膨胀过程(即释能阶段)。
液化过程中，所述压缩机组10中的多个压缩机11将外界进气以及返流空气逐级压缩至高压。此过程需要将空气状态从高温低压变为低温高压，此温区跨度非常大，本实施例采用多元混合工质或将单一工质加压改变其沸点，选取工质时需保证其在常温-液氮温区内始终保持液态，不发生相变，以显热形式回收和再利用冷量。
经过所述压缩机组10压缩得到的高压空气首先进入所述第一低温换热器20，被单温区液体预冷工质和返流空气冷却，然后经过所述节流阀30后节流得到液态空气，并储存于所述液态储罐40内，所述液态储罐40内空气侧的气态空气则作为返流空气，通过所述第一低温换热器20，补充冷量。
膨胀过程中，所述液体储罐40中的液态空气，经过所述低温泵50加压，进入所述第二低温换热器60进行热交换，将冷量释放给所述单温区液体预冷工质，冷量以显热形式储存；经过所述第二低温换热器60后的的高压空气经过外界热源加热，进入所述膨胀机组70的多个膨胀机71逐级膨胀，对外输出膨胀功，并最终带动发电机(图未示)发电。
本实施例中，所述液态空气储能***的液化过程和膨胀过程是分时进行的。具体地，液化时，所述低温泵50和所述膨胀机组70关闭，所述压缩机组10工作，所述单温区液体预冷工质在所述第一低温换热器20内流动释放冷量，对压缩空气进行冷却；膨胀时，与之相反，所述压缩机组10关闭，所述低温泵50和所述膨胀机组70工作，所述液体储罐40中的液态空气通过所述低温泵50加压进入所述第二低温换热器60进行热交换，所述单温区液体预冷工质在所述第二低温换热器60内流动储存冷量，高压空气升温并经热源加热进入所述膨胀机组70做功。
可以理解的是，由于分时进行而存在间隔静置过程，因此用于存储液态空气的液体储罐40应采取保温措施，尽可能保证与外界绝热。
相对于现有技术，本发明提供的液态空气储能***采用宽温区单一液体预冷工质，以第一低温换热器20和第二低温换热器60作为冷量交换设备，可在第一低温换热器20和第二低温换热器60内部实现非常小的传热温差，减小传热过程中损失，从而有利于提高***储能效率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种液态空气储能***，其特征在于，包括依次顺序连接的压缩机组、第一低温换热器、节流阀、液体储罐、低温泵、第二低温换热器及膨胀机组，所述第一低温换热器和所述第二低温换热器之间通过储存单温区液体预冷工质的蓄冷器实现连接，形成所述单温区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***，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1所述的低温液态空气储能***，其特征在于，所述蓄冷器包括第一储罐和第二储罐，所述第一储罐和所述第二储罐之间通过低温管道连接。
4.如权利要求1所述的低温液态空气储能***，其特征在于，所述液体预冷工质液相温区为300K-77K。
5.如权利要求1所述的低温液态空气储能***，其特征在于，所述预冷工质第一储罐和第二储罐均为单个储罐，所述第一低温换热器和第二低温换热器均为单个换热器。
6.如权利要求1所述的低温液态空气储能***，其特征在于，所述液体储罐的气体侧、所述第一低温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***，其特征在于，所述单温区液体预冷工质以显热形式储存冷量。
8.如权利要求1所述的低温液态空气储能***，其特征在于，所述第一低温换热器、所述第二低温换热器及所述蓄冷器通过低温管道连通。
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