CN110550375B

CN110550375B - 蓄热式压缩空气储能装置

Info

Publication number: CN110550375B
Application number: CN201910707824.5A
Authority: CN
Inventors: 梅生伟; 薛小代; 张学林; 张通; 陈来军
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: CN110550375A

Abstract

本发明涉及储能技术领域，提供了一种蓄热式压缩空气储能装置。该装置包括强化块体和形成于山体的腔洞，强化块体堵塞在腔洞的洞口，腔洞内自强化块体至腔洞的洞底的方向依次设有第一分流器和第二分流器，第二分流器将腔洞位于第一分流器与腔洞洞底之间的空间分隔成蓄热腔和储气腔；蓄热腔临近强化块体设置，蓄热腔内填充有蓄热材料；强化块体横向贯穿开设有与第一分流器连通的第一通道，第一通道上设有阀门。本发明不仅实现了热能存储和势能存储的一体化设计，大幅降低了整个装置的复杂程度，而且还降低了成本和占地面积。此外，本发明采用强化块体封堵在腔洞的洞口，既保证了腔洞的气密性和强度，又满足了高压储气安全和高效的需求。

Description

蓄热式压缩空气储能装置

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种蓄热式压缩空气储能装置。

背景技术

压缩空气储能是一种新型蓄能蓄电技术。储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。1978年，德国建成世界第一座示范性压缩空气蓄能电站，紧跟其后的是美国、日本和以色列。压缩空气储能发电系统的工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，系统储能即利用富余的电能驱动空气压缩机压缩空气，将电能以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰、发电量不足时，系统释能即储气装置将存储的压缩空气释放出来，压缩空气与燃料在燃烧室中混合燃烧，燃烧生成的高温气体在透平膨胀机中膨胀做功并带动发电机发电，由此便完成了电能—空气势能—电能的转化。

现有的绝热压缩空气储能系统摒弃了通过消耗燃料来提升压缩空气做功能力的技术路线，在储能阶段将富余的电能转换为热能和空气势能分别存储，在释能阶段利用系统自身存储的热能加热透平膨胀机进气。可见，绝热压缩空气储能系统在储能阶段将热能和势能分别独立存储，而在释能阶段又将热能和势能进行耦合，既满足了透平膨胀机对于入口温度的要求，又避免了碳排放。由于，目前绝热压缩空气储能系统存储势能时需要设立专门的压力容器来存储压缩空气，同时存储热能时又需要设置专门的蓄热器和换热器组，因此绝热压缩空气储能系统结构复杂、成本高、占地面积大。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本发明的目的是提供一种蓄热式压缩空气储能装置，以解决现有绝热压缩空气储能系统结构复杂、成本高、占地面积大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种蓄热式压缩空气储能装置，该装置包括强化块体和形成于山体的腔洞，所述强化块体堵塞在所述腔洞的洞口，所述腔洞内自所述强化块体至所述腔洞的洞底的方向依次设有第一分流器和第二分流器，所述第二分流器将所述腔洞位于所述第一分流器与所述腔洞洞底之间的空间分隔成蓄热腔和储气腔；所述蓄热腔临近所述强化块体设置，所述蓄热腔内填充有蓄热材料；所述强化块体横向贯穿开设有与所述第一分流器连通的第一通道，所述第一通道上设有阀门。

其中，所述第一通道的内壁、所述蓄热腔的侧壁以及所述第一分流器和所述第二分流器背向所述蓄热腔的一侧均铺设有保温绝热层，铺设在所述第二分流器上的保温绝热层开设有用于连通所述第二分流器与所述储气腔的第二通道。

其中，所述第一分流器抵靠在所述强化块体上，所述第二分流器背向所述蓄热腔的一侧设有支撑墙，所述支撑墙上开设有用于连通所述第二分流器与所述储气腔的通气口。

其中，所述第一通道设于所述强化块体的下部。

其中，所述腔洞为自然腔洞或人造腔洞。

其中，所述蓄热材料呈颗粒状。

其中，所述强化块体由水泥浇筑而成。

其中，所述强化块体呈锥形结构，所述强化块体的大端朝向所述第一分流器设置；所述腔洞的洞口开设为与所述强化块体相适应的锥形洞。

其中，所述强化块体的外壁均布有锯齿状凸起，所述腔洞的内壁开设有与所述锯齿状凸起配合的锯齿状凹槽。

本发明充分利用了形成于山体的腔洞，将蓄热腔和储气腔集成在腔洞中，不仅实现了热能存储和势能存储的一体化设计，大幅降低了整个装置的复杂程度，而且还降低了成本和占地面积。此外，本发明采用强化块体封堵在腔洞的洞口，既保证了腔洞的气密性和强度，又满足了高压储气安全和高效的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的一种蓄热式压缩空气储能装置的结构示意图。

附图标记：

1、强化块体；1.1、第一通道；1.2、锯齿状凸起；2、第一分流器；3、第二分流器；4、蓄热腔；5、储气腔；6、蓄热材料；7、保温绝热层；7.1、第二通道；8、支撑墙；8.1、通气口。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“内”、“外”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。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种蓄热式压缩空气储能装置，该装置包括强化块体1和形成于山体的腔洞，强化块体1堵塞在腔洞的洞口，腔洞内自强化块体1至腔洞的洞底的方向依次设有第一分流器2和第二分流器3，第二分流器3将腔洞位于第一分流器2与腔洞洞底之间的空间分隔成蓄热腔4和储气腔5；蓄热腔4临近强化块体1设置，蓄热腔4内填充有蓄热材料6；强化块体1横向贯穿开设有与第一分流器2连通的第一通道1.1，第一通道1.1上设有阀门。其中，腔洞可以为自然腔洞，也可以为人造腔洞即人工在山体上挖掘的腔洞。

储能时：将外部高温气源与第一通道1.1连通，并打开阀门。此时外部高温气源排出的高温高压气体便通过第一通道1.1流向第一分流器2。高温高压气体经第一分流器2分配后均匀的流入蓄热腔4，流经蓄热腔4的高温高压气体不断与蓄热腔4内的蓄热材料6换热，高温高压气体将自身热量传递给蓄热材料6后转变为高压低温气体。高压低温气体再通过第二分流器3流入储气腔5进行存储。随着外部高温气源排出的高温高压气体源源不断地流入蓄热腔4，蓄热材料6存储的热量也随之增多。可见在整个储能阶段，热能不断存储在蓄热腔4中，势能不断存储在储气腔5中。储能结束时，关闭阀门并断开外部高温气源与第一通道1.1即可。需要说明的是，关闭阀门，停止供气后蓄热腔4内的压力与储气腔5内的压力相同，而由于蓄热材料6的存在蓄热腔4内流动阻力大，因此储气腔5内存储在高压低温气体不会倒流回蓄热腔4。

释能时：将外部用气负荷与第一通道1.1连通，并打开阀门。此时，蓄热腔4与外部用气负荷连通，储气腔5内的压力大于蓄热腔4内的压力，储气腔5内存储的高压低温气体经第二分流器3分配后均匀的流入蓄热腔4，流经蓄热腔4的高压低温气体不断与蓄热腔4内的蓄热材料6换热，高压低温气体从蓄热材料6吸收热量后转变为高温高压气体。高温高压气体再依次通过第一分流器2和第一通道1.1流入外部用气负荷，由此就完成了热能和势能的耦合。

需要说明的是，上述所述的外部高温气源可以但不限于是压缩机，外部用气负荷可以但不限于是透平膨胀机。

可见，该装置充分利用了形成于山体的腔洞，将蓄热腔4和储气腔5集成在腔洞中，不仅实现了热能存储和势能存储的一体化设计，大幅降低了整个装置的复杂程度，而且还降低了成本和占地面积。此外，该装置采用强化块体1封堵在腔洞的洞口，既保证了腔洞的气密性和强度，又满足了高压储气安全和高效的需求。

进一步地，为了降低高温高压气体在第一通道1.1内流动时沿途的漏热量，第一通道1.1的内壁铺设有保温绝热层7。与此同时，为了降低蓄热腔4的漏热量，蓄热腔4的侧壁以及第一分流器2和第二分流器3背向蓄热腔4的一侧均铺设有保温绝热层7，铺设在第二分流器3上的保温绝热层7开设有用于连通第二分流器3与储气腔5的第二通道7.1。

另外，考虑到储热和释能过程中蓄热腔4内的蓄热材料会受到压力和温度造成的双重应力，为了避免蓄热材料6在该双重应力的往复加载下发生坍塌，第一分流器2抵靠在强化块体1上，第二分流器3背向蓄热腔4的一侧设有支撑墙8，支撑墙8上开设有用于连通第二分流器3与储气腔5的通气口8.1。由此第一分流器2受到强化块体1的约束便无法朝远离第二分流器3的方向移动，而第二分流器3受到支撑墙8的约束则无法朝远离第一分流器2的方向移动，从而填充在第一分流器2与第二分流器3之间的蓄热材料6便无法发生坍塌。此外，为了提高换热效率，保证蓄热腔4内蓄热材料6之间自然形成间隙，蓄热材料6优选呈颗粒状。由此当高温高压气体或高压低温气体通过蓄热腔4时就会充满蓄热材料6之间的间隙，充斥在间隙内的气体便能充分与蓄热材料6换热。

优选地，第一通道1.1设于强化块体1的下部。这样设置的好处在于，由于热气流向上走，因此通过将第一通道1.1设于强化块体1的下部，储能时高温高压气体通过第一通道1.1流向第一分离器时就会自动向上流动，进而就可使蓄热腔4的进气更加均匀。

优选地，强化块体1呈锥形结构，强化块体1的大端朝向第一分流器2设置也就是说，强化块体1的小端朝外设置；腔洞的洞口开设为与强化块体1相适应的锥形洞。需要说明的是，此处的所述的外是以腔洞的洞底为参考，趋近洞底的方向为内，远离洞底的方向为外。这样设置的好处在于：一方面、当腔洞内压力上升时作用在强化块体1大端的压力就会通过强化块体1的锥面传递给腔洞壁面，避免强化块体1被顶出或者压裂。另一方面、由于腔洞的洞口为与强化块体1相适应的锥形洞，而强化块体1的大端朝内、小端朝外，也就是说，强化块体1的纵向截面尺寸朝外逐渐减小，因此受到腔洞洞口侧壁的约束强化块体1难以被顶出。其中，强化块体1可由固化剂固化加工而成，例如强化块体1由水泥浇筑而成。当然，强化块体1也可以由砖块堆砌而成。

另外，为了进一步提高强化块体1与腔洞侧壁之间的密封性，强化块体1的外壁均布有锯齿状凸起1.2，腔洞的内壁开设有与锯齿状凸起1.2配合的锯齿状凹槽。由此，通过锯齿状凸起1.2和锯齿状凹槽的配合，可以延长强化块体1与腔洞侧壁之间接触面的长度进而增大沿程阻力，避免腔洞内气体从强化块体1与腔洞侧壁之间的间隙泄露出去。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，包括强化块体和形成于山体的腔洞，所述强化块体堵塞在所述腔洞的洞口，所述强化块体呈锥形结构，所述腔洞的洞口开设为与所述强化块体相适应的锥形洞，所述强化块体的外壁均布有锯齿状凸起，所述腔洞的内壁开设有与所述锯齿状凸起配合的锯齿状凹槽；所述腔洞内自所述强化块体至所述腔洞的洞底的方向依次设有第一分流器和第二分流器，所述强化块体的大端朝向所述第一分流器设置，所述第二分流器将所述腔洞位于所述第一分流器与所述腔洞洞底之间的空间分隔成蓄热腔和储气腔；所述蓄热腔临近所述强化块体设置，所述蓄热腔内填充有蓄热材料；所述强化块体横向贯穿开设有与所述第一分流器连通的第一通道，所述第一通道上设有阀门。

2.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，所述第一通道的内壁、所述蓄热腔的侧壁以及所述第一分流器和所述第二分流器背向所述蓄热腔的一侧均铺设有保温绝热层，铺设在所述第二分流器上的保温绝热层开设有用于连通所述第二分流器与所述储气腔的第二通道。

3.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，所述第一分流器抵靠在所述强化块体上，所述第二分流器背向所述蓄热腔的一侧设有支撑墙，所述支撑墙上开设有用于连通所述第二分流器与所述储气腔的通气口。

4.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，所述第一通道设于所述强化块体的下部。

5.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，所述腔洞为自然腔洞或人造腔洞。

6.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，所述蓄热材料呈颗粒状。

7.根据权利要求1所述的蓄热式压缩空气储能装置，其特征在于，所述强化块体由水泥浇筑而成。