CN102797613B - 一种抽水压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽水压缩空气储能系统，涉及电力存储技术，该系统在用电低谷时通过水泵将水从蓄水池压入气压罐使罐内气体受到压缩，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰时，气压罐中高压空气将水压出，经输水管道驱动水轮机并带动发电机发电。本发明的系统利用气压罐工作特点，使抽水储能和压缩空气储能系统微型化，从而解决了大规模抽水储能系统和传统压缩空气储能系统对地理条件的依赖问题。同时具有造价低、不受储能周期限制、适用于各种类型电源、对环境友好等特点，具有广阔的应用前景。

Description

一种抽水压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及电力存储技术领域，特别是一种抽水压缩空气储能系统。

背景技术

长期以来，为满足不断增加的电力负荷要求，电力部门不得不根据最大负荷要求建设发电能力。这一方面造成了大量发电能力的过剩和浪费，另一方面，电力部门又不得不在用电高峰时段限制用电。因此迫切需要经济、稳定、可靠、高效的电力储能系统与之相配套并改善系统负荷峰谷差异过大的情况。特别对于核电站等仅能高位运行的电力系统，电力储能系统的需求就更为迫切。更为重要的是，电力储能系统是将风能、太阳能等间歇式能源“拼接”起来，提高可再生能源(具有间歇性特点)利用率的有效手段。同时，电力储能系统还是分布式能源系统的关键技术。分布式能源系统采用大量小型分布式电力系统代替常规大型集中式电力系统，具有能源综合利用、热效率高、低污染等优点，但同时由于线路、运行等原因造成的系统故障率会高于常规大型集中式电力系统。并且，由于系统的容量较小，系统负荷的波动也将大幅增加，因此，采用电力储能系统作为负荷平衡装置和备用电源是分布式能源系统必须考虑的措施。

目前已有电力存储技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导储能、飞轮储能和电容器储能等，但由于容量、储能周期、能量密度、充放电效率、寿命、运行费用、环保等原因，目前已在大型商业系统中运行的只有抽水储能和压缩空气储能两种。

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。抽水储能系统具有技术成熟、效率高、储能容量大、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，大规模抽水储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造大规模抽水储能系统受到了越来越大的限制。

传统压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统，在用电低谷将空气压入储气室中，从而将电能转化为空气内能存储起来；在用电高峰将高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。传统压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率较高和单位投资相对较小等优点；但是压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮氧化物、硫化物和二氧化碳等，不符合绿色能源发展要求；更为致命的是，传统压缩空气储能系统也需要特定的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，从而大大限制了传统压缩空气储能系统的应用范围。

目前，急需解决大型抽水储能系统和传统储能系统面临的主要问题，即对特殊地理条件的依赖问题。

发明内容

本发明的目的是公开一种抽水压缩空气储能系统，在用电低谷时通过水泵将水从蓄水池压入气压罐使罐内气体受到压缩，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰时，气压罐中高压空气将水压出，经输水管道驱动水轮机并带动发电机发电。本发明系统充分利用气压罐的工作特点，使抽水储能和压缩空气储能系统微型化，从而解决了大规模抽水储能和传统压缩空气储能系统对地理条件的依赖问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种抽水压缩空气储能系统，包括抽水储能机组、气压罐、蓄水池、阀门及输水管道；其中：

抽水储能机组至少有一电动机、一水泵、一水轮机、一发电机，蓄水池经输水管道、第一阀门与抽水储能机组的水泵入口相通连，水泵出口经输水管道经气压罐入口与内腔相通连；

气压罐出口经输水管道、多个阀门、抽水储能机组的水轮机与蓄水池相通连；

电动机驱动轴与水泵转轴固接，水轮机驱动轴与发电机转轴固接；

其工作流程为：

储能时，启动电动机驱动水泵将水从蓄水池经输水管道、阀门压入气压罐压缩空气存储；释能时，气压罐中的高压空气将水压出，经输水管道、阀门驱动水轮机，水轮机带动发电机发电。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述多个阀门，为二个，分别设在抽水储能机组的水轮机两侧，第二阀门位于水轮机上游，第三阀门位于水轮机下游。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述抽水储能机组，为四机式或三机式抽水储能机组，储能时，第一阀门开启，第二阀门、第三阀门、水轮机、发电机关闭；释能时，第二阀门、第三阀门开启，第一阀、电动机、水泵关闭。

一种微型抽水压缩空气储能系统，包括抽水储能机组、气压罐、蓄水池、阀门及输水管道；其中：

抽水储能机组为可逆式抽水储能机组，包括可逆式电动-发电机、可逆式水泵-水轮机，可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接；

可逆式抽水储能机组经输水管道、多个阀门分别与气压罐内腔、蓄水池相通连；

其工作流程为：

储能时，开启多个阀门，启动可逆式电动-发电机驱动水泵将水从蓄水池经输水管道、多个阀门压入气压罐压缩空气存储；释能时，开启多个阀门，气压罐中的高压空气将水压出，经输水管道、多个阀门驱动可逆式水泵-水轮机，水轮机带动发电机发电。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述多个阀门，为二个，分别设在抽水储能机组的两侧，第二阀门位于抽水储能机组上游，第三阀门位于抽水储能机组下游。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述启动电动机的电源是常规电站低谷(低价)电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述储能过程在电力低谷(低价)、可再生能源发电冗余时启用；释能过程在用电高峰(高价)、电力事故、可再生能源发电不符合要求时启用。

所述的抽水压缩空气储能系统，其当有多台水泵、水轮机或可逆式水泵-水轮机时，多台水泵、水轮机或者可逆式水泵-水轮机为串联形式或者并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述气压罐，为立式或卧式的气囊式、隔膜式、全置换式的其中之一。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述蓄水池，安装在地上或地下。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述水泵、可逆式水泵-水轮机，其水泵是叶轮式泵或容积式泵；其水轮机是反击式水轮机或冲击式水轮机。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述叶轮式泵，为轴流式、混流式或离心式其中之一；容积式泵，为齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵或滑片泵其中之一。

所述的抽水压缩空气储能系统，其所述反击式水轮机，为轴流式、混流式、斜流式或贯流式其中之一；冲击式水轮机，为水斗式、斜击式或双击式其中之一。

所述的抽水压缩空气储能系统，其储能时，通过控制水泵的流量、关停部分水泵来调节储能能力；释能时，通过控制水轮机的流量、关停部分水轮机来调节发电能力。

本发明的优点在于：利用气压罐的工作特点，使抽水储能和压缩空气储能系统微型化，从而解决了大规模抽水储能和传统压缩空气储能系统对地理条件的依赖问题。同时具有造价低、不受储能周期限制、适用于各种类型电源、对环境友好等特点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例1结构示意图；

图2为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例2结构示意图；

图3为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例3结构示意图；

图4为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例4结构示意图；

图5为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例5结构示意图；

图6为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例6结构示意图；

图7为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例7结构示意图；

图8为本发明抽水压缩空气储能系统的实施例8结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种抽水压缩空气储能系统，它在用电低谷通过水泵将水从蓄水池压入气压罐使罐内气体受到压缩，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，气压罐中高压空气将水压出，经输水管道驱动水轮机并带动发电机发电。它利用气压罐工作特点，使抽水储能和压缩空气储能系统微型化，从而解决了大规模抽水储能系统和传统压缩空气储能系统对地理条件的依赖问题。同时具有造价低、不受储能周期限制、适用于各种类型电源、对环境友好等特点，具有广阔的应用前景。

实施例：

图1是本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例1。本发明的四机式抽水压缩空气储能系统，其采用四机式抽水储能机组，气压罐为立式气囊式。其中，蓄水池1，输水管道2、4、6、8、10、11、13，四机式抽水储能机组5，阀门3、9、12和气压罐7。四机式抽水储能机组包括电动机、水泵、水轮机和发电机；电动机与水泵的传动轴固接，发电机与水轮机的传动轴固接。

蓄水池1与四机式抽水储能机组5经输水管道2、4、11、13及阀门3、12相通连，四机式抽水储能机组5与气压罐7经输水管道6、8、10及阀门9相通连。

储能时，阀门3打开，阀门9、12关闭，低谷(低价)电驱动四机式抽水储能机组5，将水通过输水管道2、4、6压入气压罐7使罐内气体受到压缩。储能过程结束，阀门3关闭。释能时，阀门9、12打开，阀门3关闭，气压罐7中高压空气将水经输水管道8、10、11、13及阀门9、12送到蓄水池1，并驱动四机式抽水储能机组5发电。释能过程结束，阀门9、12关闭。

一般情况下，储能和释能过程不同时运行，储能时，四机式抽水储能机组5的水泵和电动机工作，水轮机和发电机关闭；释能时则相反，四机式抽水储能机组5的水轮机和发电机工作，水泵和电动机关闭。

图2是本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例2。本发明的三机式抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例1相同，但采用三机式抽水储能机组代替实施例1中的四机式抽水储能机组。其中，蓄水池1，输水管道2、4、6、8、10、11、13，三机式抽水储能机组5，阀门3、9、12和气压罐7。三机式抽水储能机组包括水轮机、水泵和可逆式电动-发电机；水泵和水轮机与可逆式电动-发电机的传动轴固接。

蓄水池1与三机式抽水储能机组5经输水管道2、4、11、13及阀门3、12相通连，三机式抽水储能机组5与气压罐7经输水管道6、8、10及阀门9相通连。

储能时，阀门3打开，阀门9、12关闭，低谷(低价)电驱动三机式抽水储能机组5，将水通过输水管道2、4、6压入气压罐7使罐内气体受到压缩。储能过程结束，阀门3关闭。释能时，阀门9、12打开，阀门3关闭，气压罐7中高压空气将水经输水管道8、10、11、13及阀门9、12送到蓄水池1，并驱动三机式抽水储能机组5发电。释能过程结束，阀门9、12关闭。

一般情况下，储能和释能过程不同时运行，储能时，三机式抽水储能机组5的水泵和电动机工作，水轮机和发电机关闭；释能时则相反，三机式抽水储能机组5的水轮机和发电机工作，水泵和电动机关闭。

图3是本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例3。本发明的可逆式抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例1相同，但采用可逆式抽水储能机组代替实施例1中的四机式抽水储能机组。其中，蓄水池1，输水管道8、10、11、13，可逆式抽水储能机组5，阀门9、12和气压罐7。可逆式抽水储能机组包括可逆式电动-发电机和可逆式水泵-水轮机；可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接。

蓄水池1与可逆式抽水储能机组5经输水管道11、13及阀门12相通连，抽水储能机组5与气压罐7经输水管道8、10及阀门9相通连。

储能时，阀门9、12打开，低谷(低价)电驱动可逆式抽水储能机组5，将水通过输水管道13、11、10、8及阀门12、9压入气压罐7使罐内气体受到压缩。储能过程结束，阀门9、12关闭。释能时，阀门9、12打开，气压罐7中高压空气将水经输水管道8、10、11、13及阀门9、12送到蓄水池1，并驱动可逆式抽水储能机组5发电。释能过程结束，阀门9、12关闭。

一般情况下，储能和释能过程不同时运行，储能时，可逆式抽水储能机组5在水泵-电动机模式下工作；释能时则相反，可逆抽水储能机组5在水轮机-发电机模式下工作。

图4是本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例4。本发明的可逆式抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例3相同，但采用隔膜式气压罐和代替实施例3中气囊式气压罐，隔膜将气压罐分为上下两部分。其中，蓄水池1，输水管道8、10、11、13，可逆式抽水储能机组5，阀门9、12和气压罐14。可逆式抽水储能机组包括可逆式电动-发电机和可逆式水泵-水轮机；可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接。

该系统的各部件连接状态、储能及释能过程还有抽水蓄能机组的工作模式与实施例3基本相同。

可逆式抽水储能机组也可为四机式抽水储能机组或者三机式抽水储能机组，其主体结构分别与实施例1、2相同。

图5为本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例5。本发明的可逆式抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例4相同，但在隔膜式气压罐中隔膜将气压罐分为左右两部分。其中，蓄水池1，输水管道8、10、11、13，可逆式抽水储能机组5，阀门9、12和气压罐15。可逆式抽水储能机组包括可逆式电动-发电机和可逆式水泵-水轮机；可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接。

该系统的各部件连接状态、储能及释能过程还有抽水蓄能机组的工作模式与实施例4基本相同。

可逆式抽水储能机组也可为四机式抽水储能机组或者三机式抽水储能机组，其主体结构分别与实施例1、2相同。

图6为本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例6。本发明的可逆式抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例4相同，但采用全置换式气压罐和代替实施例4中隔膜式气压罐，这样可以增加气压罐储水容量。其中，蓄水池1，管道8、10、11、13、17、19，可逆式抽水储能机组5，阀门9、12、18，气压罐16和气瓶20。可逆式抽水储能机组包括可逆式电动-发电机和可逆式水泵-水轮机；可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接。

阀门18是普通旋拧阀或持压阀；气瓶20是高压气瓶或中压气瓶。

蓄水池1与可逆式抽水储能机组5经管道11、13及阀门12相通连，抽水储能机组5与气压罐16经管道8、10及阀门9相通连，气压罐16与气瓶20经管道19、17及阀门18相通连。

储能时，阀门12、9、18打开，低谷(低价)电驱动可逆式抽水储能机组5，将水通过管道13、11、10、8及阀门12、9送入气压罐16，并使罐内气体经管道17、19及阀门18压入气瓶20中。储能过程结束，阀门12、9、18关闭。释能时，阀门18、9、12打开，气瓶20中的空气经管道19、17及阀门18将气压罐16中的水压出，并经管道8、10、11、13及阀门9、12送到蓄水池1，并驱动可逆式抽水储能机组5发电。释能过程结束，阀门18、9、12关闭。

系统中的可逆抽水储能机组的工作模式与实施例4相同。

可逆式抽水储能机组也可为四机式抽水储能机组或者三机式抽水储能机组，其主体结构分别与实施例1、2相同。

图7为本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例7。本发明的可逆式抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例4相同，但采用卧式隔膜式气压罐和代替实施例4中立式隔膜式气压罐。其中，蓄水池1，输水管道8、10、11、13，可逆式抽水储能机组5，阀门9、12和气压罐21。可逆式抽水储能机组包括可逆式电动-发电机和可逆式水泵-水轮机；可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接。

该系统的各部件连接状态、储能及释能过程还有抽水蓄能机组的工作模式与实施例4基本相同。

可逆式抽水储能机组也可为四机式抽水储能机组或者三机式抽水储能机组，其主体结构分别与实施例1、2相同。

气压罐还可以是气囊式或全置换式。

图8为本发明的抽水压缩空气储能系统的实施例8。本发明的地面蓄水池的抽水压缩空气储能系统，其主体结构与实施例4相同，蓄水池安装在地面上，采用立式隔膜式气压罐，隔膜将气压罐分为上下两部分。其中，蓄水池1，输水管道23、24、26、11、10、8，可逆式抽水储能机组5，阀门9、22、25，气压罐14，地基27。可逆式抽水储能机组包括可逆式电动-发电机和可逆式水泵-水轮机；可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接。

阀门22、25是单向阀，其流通方向如图8所示。

储能时，阀门9、25打开，阀门22关闭，低谷(低价)电驱动可逆式抽水储能机组5，将水通过管道24、26、11、10、8及阀门25、9压入气压罐14使罐内气体受到压缩。储能过程结束，阀门9、25关闭。释能时，阀门22、9打开，阀门25关闭，气压罐14内的空气将水经管道8、10、11、23及阀门9、22送到蓄水池1，并驱动可逆式抽水储能机组5发电。释能过程结束，阀门22、9关闭。

系统中的可逆抽水储能机组的工作模式与实施例4相同。

可逆式抽水储能机组也可为四机式抽水储能机组或者三机式抽水储能机组，其主体结构分别与实施例1、2相同。

气压罐结构也可为隔膜将气压罐分为左右部分的隔膜式、气囊式或全置换式，支承形式也可为卧式。

Claims (13)

1.一种抽水压缩空气储能系统，包括抽水储能机组、气压罐、蓄水池、阀门及输水管道；其特征在于：

抽水储能机组至少有一电动机、一水泵、一水轮机、一发电机，蓄水池经输水管道、第一阀门与抽水储能机组的水泵入口相通连，水泵出口经输水管道经气压罐入口与内腔相通连；

气压罐出口经输水管道、多个阀门、抽水储能机组的水轮机与蓄水池相通连；其中，所述气压罐为立式或卧式的气囊式气压罐、隔膜式气压罐或全置换式气压罐；

电动机驱动轴与水泵转轴固接，水轮机驱动轴与发电机转轴固接；

其工作流程为：

储能时，启动电动机驱动水泵将水从蓄水池经输水管道、阀门压入气压罐压缩空气存储；释能时，气压罐中的高压空气将水压出，经输水管道、阀门驱动水轮机，水轮机带动发电机发电；

其中，储能时，通过控制水泵的流量、关停部分水泵来调节储能能力；释能时，通过控制水轮机的流量、关停部分水轮机来调节发电能力。

2.根据权利要求1所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述多个阀门，为二个，分别设在抽水储能机组的水轮机两侧，第二阀门位于水轮机上游，第三阀门位于水轮机下游。

3.根据权利要求1所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述多个阀门包括第二阀门和第三阀门，所述抽水储能机组，为四机式或三机式抽水储能机组，储能时，第一阀门开启，第二阀门、第三阀门、水轮机、发电机关闭；释能时，第二阀门、第三阀门开启，第一阀门、电动机、水泵关闭。

4.一种微型抽水压缩空气储能系统，包括抽水储能机组、气压罐、蓄水池、阀门及输水管道；其特征在于：

抽水储能机组为可逆式抽水储能机组，包括可逆式电动-发电机、可逆式水泵-水轮机，可逆式电动-发电机与可逆式水泵-水轮机的传动轴固接；

可逆式抽水储能机组经输水管道、多个阀门分别与气压罐内腔、蓄水池相通连；其中，所述气压罐为立式或卧式的气囊式气压罐、隔膜式气压罐或全置换式气压罐；

其工作流程为：

储能时，开启多个阀门，启动可逆式电动-发电机驱动水泵将水从蓄水池经输水管道、多个阀门压入气压罐压缩空气存储；释能时，开启多个阀门，气压罐中的高压空气将水压出，经输水管道、多个阀门驱动可逆式水泵-水轮机，水轮机带动发电机发电；

其中，储能时，通过控制水泵的流量、关停部分水泵来调节储能能力；释能时，通过控制水轮机的流量、关停部分水轮机来调节发电能力。

5.根据权利要求4所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述多个阀门，为二个，分别设在抽水储能机组的两侧，第二阀门位于抽水储能机组上游，第三阀门位于抽水储能机组下游。

6.根据权利要求1或4所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述启动电动机的电源是常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电或水电其中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述水电是潮汐发电。

8.根据权利要求1或4所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述储能过程在电力低谷、可再生能源发电冗余时启用；释能过程在用电高峰、电力事故、可再生能源发电不符合要求时启用。

9.根据权利要求1或4所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：当有多台水泵、水轮机或可逆式水泵-水轮机时，多台水泵、水轮机或者可逆式水泵-水轮机为串联形式或者并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

10.根据权利要求1或4所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述蓄水池，安装在地上或地下。

11.根据权利要求1或4所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述水泵、可逆式水泵-水轮机，其水泵是叶轮式泵或容积式泵；其水轮机是反击式水轮机或冲击式水轮机。

12.根据权利要求11所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述叶轮式泵，为轴流式、混流式或离心式其中之一；容积式泵，为齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵或滑片泵其中之一。

13.根据权利要求11所述的抽水压缩空气储能系统，其特征在于：所述反击式水轮机，为轴流式、混流式、斜流式或贯流式其中之一；冲击式水轮机，为水斗式、斜击式或双击式其中之一。