CN115773164A - 一种等温压缩空气增效储能***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等温压缩空气增效储能***，一种等温压缩空气增效储能***包括压缩/膨胀装置、电动发电机、储能装置、冷却塔、集热管阵列和控制装置，所述压缩装置为往复式多级压缩/膨胀装置，所述电动发电机作为电动机和发电机工作，所述电动发电机与所述压缩装置相连接，所述储能装置包括储气装置和储热装置，所述储气装置与所述压缩/膨胀装置相连接，所述冷却塔通过循环水管道对所述压缩/膨胀装置换热，所述集热管阵列与所述储热装置相连通，所述控制装置与所述压缩/膨胀装置和所述电动发电机电连接。本发明提供的一种等温压缩空气增效储能***具备储能效率高、充分利用低温热资源、电‑电转换效率高的优点。

Description

一种等温压缩空气增效储能***和方法

技术领域

本发明涉及光伏电站储能技术领域，尤其涉及一种等温压缩空气增效储能***和方法。

背景技术

目前光伏发电技术的成熟与大规模应用，使得光伏发电量在我国能源体系的占比迅速提高，但是光伏发电自身的间歇性与不稳定性给电网的安全稳定运行和调节能力带来了巨大的挑战，因此大规模光伏电站的储能***成为了光伏大规模应用的必需，具有十分重要的意义。光伏电站的选址本身具有优良的光资源，但大多地理位置偏僻，亟需一种***简单、易于运行并可充分利用光资源的储能***。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种等温压缩空气增效储能***，该等温压缩空气增效储能***具有储能效率高、充分利用低温热资源、电-电转换效率高的优点。

根据本发明实施例的一种等温压缩空气增效储能***，等温压缩空气增效储能***包括压缩/膨胀装置、电动发电机、储能装置、冷却塔、集热管阵列和控制装置，所述压缩装置为往复式多级压缩/膨胀装置，所述电动发电机作为电动机和发电机工作，所述电动发电机与所述压缩装置相连接，所述储能装置包括储气装置和储热装置，所述储气装置与所述压缩/膨胀装置相连接，所述冷却塔通过循环水管道对所述压缩/膨胀装置换热，所述集热管阵列与所述储热装置相连通，所述控制装置与所述压缩/膨胀装置和所述电动发电机电连接。

根据本发明实施例的一种等温压缩空气增效储能***具有储能效率高、充分利用低温热资源、电-电转换效率高的优点。本申请利用对等温型压缩机/膨胀机对空气或其他气体进行压缩储存，通过冷却换热实现空气的近等温高效压缩和存储，并获取光热资源并存储在热水中。在释能时，利用热水加热空气，以增效的方式，通过压缩空气的膨胀释放能量，实现高效的电能存储与释放。

在一些实施例中，所述压缩/膨胀装置包括多个往复式压缩/膨胀机，所述往复式压缩/膨胀机包括曲轴、多个气缸和活塞，所述气缸通过阀门与空气管道相连接，所述空气管道与所述储气装置相连接，所述气缸的筒壁外侧设有气缸水套，所述气缸水套与所述循环水管道相连接。

在一些实施例中，所述曲轴的曲柄与多个所述活塞可枢转地相连，所述曲轴带动多个所述活塞在对应的所述气缸中作往复运动，所述曲轴与所述电动发电机传动连接。

在一些实施例中，所述气缸与相邻气缸之间设置间冷缓冲罐，所述间冷缓冲罐包括气侧和水侧，所述气侧与所述空气管道相连，所述水侧的进口通过循环水管道与所述冷却塔的出口相连，所述水侧的出口通过循环水管道与所述冷却塔的进口相连。

在一些实施例中，所述气缸顶部设有电控喷嘴，所述电控喷嘴通过高压喷水管道与高压水泵的出口相连接，所述高压水泵的入口与所述冷却塔的出口相连。

在一些实施例中，所述集热管阵列的进口通过循环水泵与所述冷却塔的出口相连接，所述集热管阵列的出口与所述储热装置的入口相连接。

在一些实施例中，所述储热装置的出口与热水泵的入口相连接，所述热水泵的出口与增效加热器相连接，所述增效加热器与所述冷却塔相连。

在一些实施例中，所述增效加热器具有冷水侧和热水侧两个流动空间，所述增效加热器的热水侧入口与所述热水泵的出口相连接，所述增效加热器的热水侧出口与所述冷却塔相连，所述增效加热器的冷水侧出口与所述循环水泵的入口相连，所述冷却塔的出口通过所述循环水管道与增效加热器的冷水侧入口相连通，所述循环水泵的出口通过所述循环水管道与所述气缸水套的进口相连。

在一些实施例中，所述气缸水套的出口通过所述循环水管道与所述冷却塔的入口相连，所述气缸水套的进口通过循环水管道与所述循环水泵的出口相连。

根据本发明实施例的一种等温压缩空气增效储能***的运行方法，等温压缩空气增效储能***的运行方法包括以下步骤：开启水循环***，启动循环水泵、高压水泵和冷却塔，在气缸水套和间冷缓冲罐之间形成水循环；

储能压缩，电动发电机以电动机方式运行，将来自光伏电站的电能转换成机械能驱动压缩装置的曲轴旋转带动活塞对空气进行多级压缩；

控制***控制气缸的进气、压缩、排气，并控制向气缸加水，来自气缸的气水混合物排出气缸进入间冷缓冲罐，低压级的气缸的排气进入间冷缓冲罐经过冷却水换热后进入下一级的气缸，直至最后一级的气缸排出进入最后一级的间冷缓冲罐后进入储气罐；

释能膨胀，电动发电机以发电机方式运行，启动热水泵，热水储罐的热水通过增效加热器加热循环并回流至冷却塔，循环水泵和高压水泵的水温升高，高压空气从储气罐经过多级气缸完成多级膨胀，高压空气带动曲轴旋转进而带动电动发电机发电。

附图说明

图1是根据本发明实施例中一种等温压缩空气增效储能***的结构示意图。

附图标记：1、电动发电机；2、曲轴；3、气缸；4、活塞；5、进气阀；6、排气阀；7、空气管道；8、电控喷嘴；9、循环水泵；10、高压水泵；11、气缸水套；12、循环水管道；13、高压喷水管道；14、间冷缓冲罐；15、集热管阵列；16、热水储罐；17、热水泵；18、增效加热器；19、冷却塔；20、储气罐；21、控制装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

等温压缩空气或其他气体的储能***是一种十分有利的选择，并且等温压缩储能***能够充分利用低温热资源以提高储能***的效率。对于当前的技术发展与论证而言，等温压缩空气***具有极高的储能循环***效率，因此对于大规模光伏电站等清洁能源发电***，采用等温压缩空气储能非常显著的优越性和巨大的发展潜力。

根据本发明实施例的一种等温压缩空气增效储能***，如图1所示，等温压缩空气增效储能***包括压缩/膨胀装置、电动发电机1、储能装置、冷却塔19、集热管阵列15和控制装置21，压缩装置为往复式多级压缩/膨胀装置，电动发电机1作为电动机和发电机工作，电动发电机1与压缩装置相连接，储能装置包括储气装置和储热装置，储气装置与压缩/膨胀装置相连接，冷却塔19通过循环水管道12对压缩/膨胀装置换热，集热管阵列15与储热装置相连通，控制装置21与压缩/膨胀装置和电动发电机1电连接。电动发电机1是一台具备既可以作电动机，又可以作发电机工作的设备。冷却塔19其作用为将冷却水换热至环境温度，并为等温压缩空气增效储能***提供足够的水源。储气装置包括用来储存高压压缩空气的储气罐20，储气罐20由多个钢制压力容器或耐压钢管组成，储气装置可以是采用可承压的地下盐穴或矿井等替代。控制装置21可以采用单片机或PLC等，控制装置21主要控制等温压缩空气增效储能***的设备启停和运行流程，控制装置21根据压缩/膨胀装置的运行状态控制压缩/膨胀装置的进气、排气和其他时序。

根据本发明实施例的一种等温压缩空气增效储能***具有储能效率高、充分利用低温热资源、电-电转换效率高的优点。本申请利用对等温型压缩机/膨胀机对空气或其他气体进行压缩储存，通过冷却换热实现空气的近等温高效压缩和存储，并获取光热资源并存储在热水中。在释能时，利用热水加热空气，以增效的方式，通过压缩空气的膨胀释放能量，实现高效的电能存储与释放。

在一些实施例中，压缩/膨胀装置包括多个往复式压缩/膨胀机，往复式压缩/膨胀机包括曲轴2、多个气缸3和活塞4，气缸3通过阀门与空气管道7相连接，空气管道7与储气装置相连接，气缸3的筒壁外侧设有气缸水套11，气缸水套11与循环水管道12相连接。

具体地，往复式多级压缩/膨胀装置的各压缩级由多个相同的气缸3与活塞4组成，不同级的压缩级的气缸3和活塞4的数量可不同，不同级的压缩级的气缸3行程相同，越高压力的压缩级的缸径越小，保持一致的活塞4推力。气缸3的顶部即气缸3远离曲轴2的一端设置阀门，阀门包括两个电磁阀，在压缩与膨胀过程中分别作为进气阀5和排气阀6，进气阀5和排气阀6与空气管道7相连接。气缸水套11的进口通过循环水管道12与循环水泵9的出口相连接，气缸水套11的出口通过循环水管道12回流至冷却塔19。

在一些实施例中，曲轴2的曲柄与多个活塞4可枢转地相连，曲轴2带动多个活塞4在对应的气缸3中作往复运动，曲轴2与电动发电机1传动连接。

具体地，各气缸3为固定的，各活塞4与曲轴2上的曲柄相铰接，曲轴2旋转时即可产生各活塞4的往复运动，实现压缩（膨胀）过程。

在一些实施例中，气缸3与相邻气缸3之间设置间冷缓冲罐14，间冷缓冲罐14包括气侧和水侧，气侧与空气管道7相连，水侧的进口通过循环水管道12与冷却塔19的出口相连，水侧的出口通过循环水管道12与冷却塔19的进口相连。

具体地，相邻压缩机的气缸3之间和最后一级压缩级与储气装置的储气罐20之间都设置间冷缓冲罐14，间冷缓冲罐14采用气水热交换器，气水热交换器分为气侧，间冷缓冲罐14作用是将上一级的压缩气体冷却到环境温度或者将膨胀的气体加热同时减小相邻压缩级的排气与进气的压力波动。

在一些实施例中，气缸3顶部设有电控喷嘴8，电控喷嘴8通过高压喷水管道13与高压水泵10的出口相连接，高压水泵10的入口与所述冷却塔19的出口相连。

具体地，电控喷嘴8可以是一个也可以是多个，电控喷嘴8与高压喷水管道13相连，控制装置21与电控喷嘴8电连接并控制电控喷嘴8将高压水通过雾化的方式喷入气缸3，高压水泵10向高压喷水管道13提供高压水，电控喷嘴8的喷水压力需要高于各个压缩级的最高工作压力。高压水泵10一般采用容积式泵如柱塞泵。

在一些实施例中，集热管阵列15的进口通过循环水泵9与冷却塔19的出口相连接，集热管阵列15的出口与储热装置的入口相连接。

具体地，集热管阵列15是真空集热管组成的集热器阵列，集热管阵列15由循环水泵9提供冷水，加热后流入储热装置的热水储罐16内存储，热水储罐16为具有良好保温作用的常压储水容器，一般可以是玻璃钢或金属支撑，存储低于100℃的热水。

在一些实施例中，储热装置的出口与热水泵17的入口相连接，热水泵17的出口与增效加热器18相连接，增效加热器18与冷却塔19相连。

具体地，热水泵17的出口与增效加热器18的热水侧入口相连接，增效加热器18的热水侧入口与冷却塔相连接。

在一些实施例中，增效加热器18具有冷水侧和热水侧两个流动空间，增效加热器18的热水侧入口与热水泵17的出口相连接，增效加热器18的热水侧出口与冷却塔19相连，增效加热器18的冷水侧出口与循环水泵9的入口相连，冷却塔19的出口通过循环水管道12与增效加热器18的冷水侧入口相连通，循环水泵9的出口通过循环水管道12与气缸水套11的进口相连。

具体地，增效加热器18为一台水水换热器，增效加热器18分为冷水侧和热水侧两个流动空间。热水泵17将来自热水储罐16的热水输送至增效加热器18内，冷却塔19将冷却水通过循环水管道12送入增效加热器18内实现水水换热，换热完成后的水通过循环水泵9送入气缸水套11，增效加热器18加热循环水并流回冷却塔19提高了高压水泵10和循环水泵9泵送的水温。

在一些实施例中，气缸水套11的出口通过循环水管道12与冷却塔19的入口相连，气缸水套11的进口通过循环水管道12与循环水泵9的出口相连。

具体地，气缸水套11的通过循环水管道12与冷却塔19形成水循环，循环水泵9为水循环提供动力。

根据本发明实施例的一种等温压缩空气增效储能***的运行方法，等温压缩空气增效储能***的运行方法包括以下步骤：

开启水循环***，启动循环水泵9、高压水泵10和冷却塔19，在气缸水套11和间冷缓冲罐14之间形成水循环；完成准备工作。

储能压缩，电动发电机1以电动机方式运行，将来自光伏电站的电能转换成机械能驱动压缩装置的曲轴2旋转带动活塞4对空气进行多级压缩；在储能压缩过程中，电动发电机1作为电动机运行将光伏电站多余的电能用来驱动曲轴2旋转，活塞4作往复运动对空气进行多级压缩。

控制***控制气缸3的进气、压缩、排气，并控制向气缸3加水，来自气缸3的气水混合物排出气缸3进入间冷缓冲罐14，低压级的气缸3的排气进入间冷缓冲罐14经过冷却水换热后进入下一级的气缸3，直至最后一级的气缸3排出进入最后一级的间冷缓冲罐14后进入储气罐20；控制装置21对电磁阀进行控制，完成各个气缸3的进气、压缩、排气步骤，控制装置21控制电控喷嘴8将水雾喷入气缸3内，水和气体的混合物一起排出气缸3进入间冷缓冲罐14。低压级的排气进入间冷缓冲罐14，在冷却水的换热下经过压缩升温的气体被冷却至环境温度，然后进入下一级继续压缩，直至从最后一级压缩机排出，再经过最后一级间冷缓冲罐14，最终储存在储气罐20中。在储能过程中，还可以同时投运集热管阵列15，由循环水泵9提供冷水，经过集热管阵列15被加热后，流入热水储罐16储存。

释能膨胀，电动发电机1以发电机方式运行，启动热水泵17，热水储罐16的热水通过增效加热器18加热循环并回流至冷却塔19，循环水泵9和高压水泵10的水温升高，高压空气从储气罐20经过多级气缸3完成多级膨胀，高压空气带动曲轴2旋转进而带动电动发电机1发电。气缸水套11、间冷缓冲罐14和电控喷嘴8配合加热气缸3中膨胀过程中的空气，通过空气的膨胀带动曲轴2旋转，经过电动发电机1发电送入电网，实现增效释能。在一些实施例中，储能、释能过垂死的的集热管阵列15不运行，***完成储能、释能过程，***仅在释能过程以近等温膨胀做工，不产生增效效益。

根据本发明实施例的等温压缩空气增效储能***的运行方法的技术优势与上述等温压缩空气增效储能***的技术优势相同，此处不再赘述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，包括：

压缩/膨胀装置，所述压缩装置为往复式多级压缩/膨胀装置；

电动发电机，所述电动发电机作为电动机和发电机工作，所述电动发电机与所述压缩装置相连接；

储能装置，所述储能装置包括储气装置和储热装置，所述储气装置与所述压缩/膨胀装置相连接；

冷却塔，所述冷却塔通过循环水管道对所述压缩/膨胀装置换热；

集热管阵列，所述集热管阵列与所述储热装置相连通；

控制装置，所述控制装置与所述压缩/膨胀装置和所述电动发电机电连接。

2.根据权利要求1所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述压缩/膨胀装置包括多个往复式压缩/膨胀机，所述往复式压缩/膨胀机包括曲轴、多个气缸和活塞，所述气缸通过阀门与空气管道相连接，所述空气管道与所述储气装置相连接，所述气缸的筒壁外侧设有气缸水套，所述气缸水套与所述循环水管道相连接。

3.根据权利要求2所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述曲轴的曲柄与多个所述活塞可枢转地相连，所述曲轴带动多个所述活塞在对应的所述气缸中作往复运动，所述曲轴与所述电动发电机传动连接。

4.根据权利要求2所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述气缸与相邻气缸之间设置间冷缓冲罐，所述间冷缓冲罐包括气侧和水侧，所述气侧与所述空气管道相连，所述水侧的进口通过循环水管道与所述冷却塔的出口相连，所述水侧的出口通过循环水管道与所述冷却塔的进口相连。

5.根据权利要求2所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述气缸顶部设有电控喷嘴，所述电控喷嘴通过高压喷水管道与高压水泵的出口相连接，所述高压水泵的入口与所述冷却塔的出口相连。

6.根据权利要求2所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述集热管阵列的进口通过循环水泵与所述冷却塔的出口相连接，所述集热管阵列的出口与所述储热装置的入口相连接。

7.根据权利要求6所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述储热装置的出口与热水泵的入口相连接，所述热水泵的出口与增效加热器相连接，所述增效加热器与所述冷却塔相连。

8.根据权利要求7所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述增效加热器具有冷水侧和热水侧两个流动空间，所述增效加热器的热水侧入口与所述热水泵的出口相连接，所述增效加热器的热水侧出口与所述冷却塔相连，所述增效加热器的冷水侧出口与所述循环水泵的入口相连，所述冷却塔的出口通过所述循环水管道与增效加热器的冷水侧入口相连通，所述循环水泵的出口通过所述循环水管道与所述气缸水套的进口相连。

9.根据权利要求2所述的一种等温压缩空气增效储能***，其特征在于，所述气缸水套的出口通过所述循环水管道与所述冷却塔的入口相连，所述气缸水套的进口通过循环水管道与所述循环水泵的出口相连。

10.一种等温压缩空气增效储能***的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

开启水循环***，启动循环水泵、高压水泵和冷却塔，在气缸水套和间冷缓冲罐之间形成水循环；

储能压缩，电动发电机以电动机方式运行，将来自光伏电站的电能转换成机械能驱动压缩装置的曲轴旋转带动活塞对空气进行多级压缩；

控制***控制气缸的进气、压缩、排气，并控制向气缸加水，来自气缸的气水混合物排出气缸进入间冷缓冲罐，低压级的气缸的排气进入间冷缓冲罐经过冷却水换热后进入下一级的气缸，直至最后一级的气缸排出进入最后一级的间冷缓冲罐后进入储气罐；

释能膨胀，电动发电机以发电机方式运行，启动热水泵，热水储罐的热水通过增效加热器加热循环并回流至冷却塔，循环水泵和高压水泵的水温升高，高压空气从储气罐经过多级气缸完成多级膨胀，高压空气带动曲轴旋转进而带动电动发电机发电。

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