CN115263454B - 一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置及其使用方法，储能装置由低压压缩机、液压泵、压缩‑蓄热耦合式压缩机、液压马达、储气罐、蓄热装置、膨胀‑蓄冷耦合式膨胀机、蓄冷装置和低压膨胀机构成。本发明引入压缩‑蓄热耦合式压缩机和膨胀‑蓄冷耦合式膨胀机，通过使用蓄能液体储存空气压缩时产生的热，在膨胀时将储存的热释放，代替燃料补热，实现了零碳排，同时使压缩和膨胀过程接近等温，提高了压缩空气储能系统的效率，并且使用液体压缩可以达到更高的压力，降低了空气需要的储存体积，降低了压缩空气储能的成本，提高了储存经济性。

Description

一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，更具体地说，涉及一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置及其使用方法。

背景技术

近年来，随着二氧化碳排放不断增长，环境污染问题日益严峻。中国提出力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。为实现该目标，应加快构建以新能源为主的新型电力系统，可再生能源作为新能源的重要组成部分，在技术上和成本上最具竞争力，如风能和太阳能。但是可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，要提高电网稳定性，我们需要储能技术来调整能源供需之间的关系。压缩空气储能技术具有规模大，环境友好，使用寿命长，储能容量大的优点，具有广阔的应用前景。

在部分国家，压缩空气储能系统已经被用于电网用来稳定电力系统。德国的Huntorf电站将压缩空气储存于地下600米的天然洞穴中，机组可连续充气8小时，连续发电2小时，储能系统需燃烧化石燃料补充热能使空气膨胀发电，排放二氧化碳，污染环境，且系统总效率仅为42％。美国的McIntosh电站建成于1991年，改进之处在于可以回收燃气排气的余热，对膨胀机入口压缩空气进行预热，减少25％的燃气消耗。2010年德国航天技术中心等部门启动了具有热能储存的压缩空气储能系统的项目，采用热交换代替燃料燃烧补热，但在压缩过程和与换热器的热交换过程中会产生热量的损失，与燃烧相比，需要更大更复杂的空气储存系统，成本高。

在未来，如何做到摒弃燃料补热，实现运行过程中无燃烧和零碳排，并且效率高的压缩空气储能系统，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置及其使用方法，以提高压缩空气储能系统的效率，降低压缩空气储能的成本和提高储存经济性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置，包括低压压缩机、液压泵、压缩-蓄热耦合式压缩机、液压马达、储气罐、蓄热装置、膨胀-蓄冷耦合式膨胀机、蓄冷装置和低压膨胀机；

压缩-蓄热耦合式压缩机由第一汇流板、第一阵列式散热管和第二汇流板组成；第一阵列式散热管由若干根结构相同且并联连接的散热管组成，上下端与第一汇流板和第二汇流板串联；膨胀-蓄冷耦合式膨胀机由第三汇流板、第二阵列式散热管和第四汇流板组成；第二阵列式散热管由若干根结构相同且并联连接的散热管组成，上下端与第三汇流板和第四汇流板串联；

第一汇流板和第三汇流板上均设有进气口和排气口，进气口和排气口对称设置在第一汇流板、第三汇流板的侧壁上；第一液压泵和第一液压马达对称连接在第二汇流板的侧壁上，第二液压泵和第二液压马达对称连接在第四汇流板的侧壁上；

低压压缩机的进口连通大气，出口通过第一开关阀连接第一汇流板的进气口，第一汇流板的排气口通过第二开关阀连接储气罐的高压空气入口，储气罐的高压空气出口通过第三开关阀连接第三汇流板的进气口，第三汇流板的排气口通过第四开关阀连接低压膨胀机的进口，低压膨胀机的出口连通大气；

蓄冷装置中的蓄能液体低于环境温度，蓄热装置中的蓄能液体高于环境温度；蓄冷装置的出口通过第一液压泵连接第二汇流板的入口，第二汇流板的出口通过第一液压马达连接蓄热装置的入口，蓄热装置的出口通过第二液压泵连接第四汇流板的入口，第四汇流板的出口通过第二液压马达连接蓄冷装置的入口。

优选地，第一阵列式散热管和第二阵列式散热管中散热管的排列方式为顺排或叉排。

优选地，低压压缩机、低压膨胀机采用螺杆式、离心式或轴流式的非往复式结构。

本发明基于上述装置的一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能方法，包括低压压缩过程、气液增压蓄热过程、气液膨胀蓄冷过程和低压膨胀过程；

储能时，空气经低压压缩过程和气液增压蓄热过程，将能量储存后，进入储气罐；

低压压缩过程：大气吸入低压压缩机,空气压缩后得到低压空气排出；

气液增压蓄热过程，包括以下步骤：

(1)进气过程：第一开关阀打开，第二开关阀关闭，低压空气经第一汇流板充入压缩-蓄热耦合式压缩机内，空气推动第一阵列式散热管内的蓄能液体向下运动，蓄能液体通过驱动第一液压马达转动，将高于环境温度的蓄能液体排入蓄热装置；

(2)压缩蓄热过程：第一开关阀和第二开关阀均关闭，第一液压泵从蓄冷装置中将低于环境温度的蓄能液体从第二汇流板注入压缩-蓄热耦合式压缩机内，第一阵列式散热管中的液位上升，对空气进行压缩，随着压缩过程进行，第一阵列式散热管内空气温度上升，空气与蓄能液体和第一阵列式散热管接触，空气中的压缩热以对流换热传递至第一阵列式散热管和蓄能液体，随着液位上升，蓄能液体与第一阵列式散热管的接触面积逐渐增加，蓄能液体向第一阵列式散热管传递冷量，使对应散热管温度降低，第一阵列式散热管向蓄能液体传递热量，将空气压缩热传递至蓄能液体，蓄能液体温度升高，压缩过程的大部分热量被传递至蓄能液体中；

(3)排气过程：第一开关阀关闭，第二开关阀打开，排出高压空气，充入储气罐；

释能时，储气罐中的高压空气排出，经气液膨胀蓄冷过程和低压膨胀过程，将储存的能量释放；

气液膨胀蓄冷过程，包括以下步骤：

(1)进气过程：第三开关阀打开，第四开关阀关闭，高压空气从储气罐中经第三汇流板充入膨胀-蓄冷耦合式膨胀机内，蓄能液体通过驱动第二液压马达转动排入蓄冷装置；

(2)膨胀蓄冷过程：第三开关阀和第四开关阀都关闭，高于环境温度的蓄能液体占据了大部分膨胀-蓄冷耦合式膨胀机的内部空间，并与第二阵列式散热管和空气接触，蓄能液体对第二阵列式散热管和空气传递热量使温度上升，随着空气膨胀温度降低，空气通过对流换热向第二阵列式散热管和蓄能液体传递冷量，使温度降低，将空气膨胀的冷量传递至蓄能液体，高压空气膨胀压力降低和体积增加，推动蓄能液体向下运动，驱动第二液压马达转动将高压空气中储存的能量释放，膨胀过程大部分的冷量被传递至蓄能液体中；

(3)排气过程：第三开关阀关闭，第四开关阀打开，第二液压泵从蓄热装置中将高于环境温度的蓄能液体从第四汇流板注入，充满膨胀-蓄冷耦合式膨胀机，将低压空气排入低压膨胀机；

低压膨胀过程：低压空气驱动低压膨胀机将低压空气中储存的能量释放，空气膨胀后得到常压空气排出。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明引入压缩-蓄热耦合式压缩机和膨胀-蓄冷耦合式膨胀机，通过大比表面积的阵列式散热管增大换热面积，在压缩蓄热过程中，压缩时低于环境温度的蓄能液体对第一阵列式散热管和空气传递冷量，使空气在压缩过程中接近等温压缩，提高压缩效率，空气对流换热将压缩热传递至第一阵列式散热管和蓄能液体，第一阵列式散热管将压缩热传递至蓄能液体，大部分压缩热被蓄能液体吸收，蓄能液体温度升高后存入蓄热装置。在膨胀蓄冷过程中，高于环境温度的蓄能液体向第二阵列式散热管和空气传递热量，空气膨胀温度降低，蓄能液体和第二阵列式散热管向空气传递热量，摒弃燃料补热，使空气膨胀接近等温膨胀，提高膨胀效率，空气对流换热将膨胀产生的冷量传递至第二阵列式散热管和蓄能液体，第二阵列式散热管将膨胀的冷量传递至蓄能液体，大部分膨胀产生的冷量被蓄能液体吸收，蓄能液体温度降低后存入蓄冷装置。

本发明使用蓄能液体储存空气压缩时产生的热，在膨胀时将储存的热释放，代替燃烧，使压缩和膨胀过程接近等温，提高系统效率，并且使用液体压缩可以达到更高的压力，降低空气需要的储存体积。

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做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明提出的一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能系统原理图；

图2是本发明提出的低压压缩过程和气液增压蓄热过程的运动方向图；

图3是本发明提出的低压膨胀过程和气液膨胀蓄冷过程的运动方向图；

图中：

1-大气；2-低压压缩机；3-第一开关阀；4-压缩-蓄热耦合式压缩机；4a-第一汇流板；4b-第一阵列式散热管；4c-第二汇流板；5-蓄能液体；6-第二开关阀；7-第一液压马达；8-储气罐；9-蓄热装置；10-第二液压泵；11-第三开关阀；12-膨胀-蓄冷耦合式膨胀机；12a-第三汇流板；12b-第二阵列式散热管；12c-第四汇流板；13-第二液压马达；14-蓄冷装置；15-第一液压泵；16-第四开关阀；17-低压膨胀机。

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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。

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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置，其包括低压压缩机2、液压泵、压缩-蓄热耦合式压缩机4、液压马达、储气罐8、蓄热装置9、膨胀-蓄冷耦合式膨胀机12、蓄冷装置14和低压膨胀机17。

压缩-蓄热耦合式压缩机4由第一汇流板4a、第一阵列式散热管4b和第二汇流板4c组成；第一阵列式散热管4b由若干根结构相同且并联连接的散热管组成，上下端与第一汇流板4a和第二汇流板4c串联。

膨胀-蓄冷耦合式膨胀机12由第三汇流板12a、第二阵列式散热管12b和第四汇流板12c组成；第二阵列式散热管12b由若干根结构相同且并联连接的散热管组成，上下端与第三汇流板12a和第四汇流板12c串联。

进一步地，第一阵列式散热管4b和第二阵列式散热管12b中散热管的排列方式为顺排或叉排。

第一汇流板4a和第三汇流板12a上均设有进气口和排气口，进气口和排气口对称设置在第一汇流板4a、第三汇流板12a的侧壁上。

第一液压泵15和第一液压马达7对称连接在第二汇流板4c的侧壁上，第二液压泵10和第二液压马达13对称连接在第四汇流板12c的侧壁上。

低压压缩机2的进口连通大气1，出口通过第一开关阀3连接第一汇流板4a的进气口，第一汇流板4a的排气口通过第二开关阀6连接储气罐8的高压空气入口，储气罐8的高压空气出口通过第三开关阀11连接第三汇流板12a的进气口，第三汇流板12a的排气口通过第四开关阀16连接低压膨胀机17的进口，低压膨胀机17的出口连通大气1。

蓄冷装置14中的蓄能液体5低于环境温度，蓄热装置9中的蓄能液体5高于环境温度；蓄冷装置14的出口通过第一液压泵15连接第二汇流板4c的入口，第二汇流板4c的出口通过第一液压马达7连接蓄热装置9的入口，蓄热装置9的出口通过第二液压泵10连接第四汇流板12c的入口，第四汇流板12c的出口通过第二液压马达13连接蓄冷装置14的入口。

进一步地，本发明实施例中的低压压缩机2、低压膨胀机17采用螺杆式、离心式或轴流式等非往复式结构。

本发明实施例基于上述装置的一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能方法，参考图2、图3，包括低压压缩过程、气液增压蓄热过程、气液膨胀蓄冷过程和低压膨胀过程；

储能时，空气经低压压缩过程和气液增压蓄热过程，将能量储存后，进入储气罐8；

低压压缩过程：大气1吸入低压压缩机2，空气压缩后得到低压空气排出；

气液增压蓄热过程，包括以下步骤：

(1)进气过程：第一开关阀3打开，第二开关阀6关闭，低压空气经第一汇流板4a充入压缩-蓄热耦合式压缩机4内，空气推动第一阵列式散热管4b内的蓄能液体5向下运动，蓄能液体5通过驱动第一液压马达7转动，将高于环境温度的蓄能液体5排入蓄热装置9；

(2)压缩蓄热过程：第一开关阀3和第二开关阀6均关闭，第一液压泵15从蓄冷装置14中将低于环境温度的蓄能液体5从第二汇流板4c注入压缩-蓄热耦合式压缩机4内，第一阵列式散热管4b中的液位上升，对空气进行压缩，随着压缩过程进行，第一阵列式散热管4b内空气温度上升，空气与蓄能液体5和第一阵列式散热管4b接触，空气中的压缩热以对流换热传递至第一阵列式散热管4b和蓄能液体5，随着液位上升，蓄能液体5与第一阵列式散热管4b的接触面积逐渐增加，蓄能液体5向第一阵列式散热管4b传递冷量，使对应散热管温度降低，第一阵列式散热管4b向蓄能液体5传递热量，将空气压缩热传递至蓄能液体5，蓄能液体5温度升高，压缩过程的大部分热量被传递至蓄能液体5中；

(3)排气过程：第一开关阀3关闭，第二开关阀6打开，排出高压空气，充入储气罐8；

释能时，储气罐8中的高压空气排出，经气液膨胀蓄冷过程和低压膨胀过程，将储存的能量释放；

气液膨胀蓄冷过程，包括以下步骤：

(1)进气过程：第三开关阀11打开，第四开关阀16关闭，高压空气从储气罐8中经第三汇流板12a充入膨胀-蓄冷耦合式膨胀机12内，蓄能液体5通过驱动第二液压马达13转动排入蓄冷装置14；

(2)膨胀蓄冷过程：第三开关阀11和第四开关阀16都关闭，高于环境温度的蓄能液体5占据了大部分膨胀-蓄冷耦合式膨胀机12的内部空间，并与第二阵列式散热管12b和空气接触，蓄能液体5对第二阵列式散热管12b和空气传递热量使温度上升，随着空气膨胀温度降低，空气通过对流换热向第二阵列式散热管12b和蓄能液体5传递冷量，使温度降低，将空气膨胀的冷量传递至蓄能液体5，高压空气膨胀压力降低和体积增加，推动蓄能液体5向下运动，驱动第二液压马达13转动将高压空气中储存的能量释放，膨胀过程大部分的冷量被传递至蓄能液体5中；

(3)排气过程：第三开关阀11关闭，第四开关阀16打开，第二液压泵10从蓄热装置9中将高于环境温度的蓄能液体5从第四汇流板12c注入，充满膨胀-蓄冷耦合式膨胀机12，将低压空气排入低压膨胀机17；

低压膨胀过程：低压空气驱动低压膨胀机17将低压空气中储存的能量释放，空气膨胀后得到常压空气排出。

通过采用本发明实施例的装置及方法，空气工作在低压和高压两种状态，空气工作在低压时，采用工业压缩机和膨胀机；空气工作在高压时，有气液增压蓄热和气液膨胀蓄冷两个工作状态，系统在气液增压蓄热过程中，第一阵列式散热管内空气压缩温度上升，空气和第一阵列式散热管向蓄能液体传递压缩热，蓄能液体温度升高后流入蓄热装置储存，高压空气储存能量后进入储气罐；储气罐中的高压空气排出，经过气液膨胀蓄热过程，将储存的能量释放，第二阵列式散热管内空气膨胀温度降低，空气和第二阵列式散热管向蓄能液体传递冷量，蓄能液体温度降低后流入蓄冷装置储存。

本发明通过使用蓄能液体储存空气压缩时产生的热，在膨胀时将储存的热释放，代替燃料补热，实现了零碳排，同时使压缩和膨胀过程接近等温，提高了压缩空气储能系统的效率，并且使用液体压缩可以达到更高的压力，降低了空气需要的储存体积，降低了压缩空气储能的成本，提高了储存经济性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能方法，其特征在于，基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能装置包括低压压缩机、液压泵、压缩-蓄热耦合式压缩机、液压马达、储气罐、蓄热装置、膨胀-蓄冷耦合式膨胀机、蓄冷装置和低压膨胀机；

压缩-蓄热耦合式压缩机由第一汇流板、第一阵列式散热管和第二汇流板组成；第一阵列式散热管由若干根结构相同且并联连接的散热管组成，上下端与第一汇流板和第二汇流板串联；膨胀-蓄冷耦合式膨胀机由第三汇流板、第二阵列式散热管和第四汇流板组成；第二阵列式散热管由若干根结构相同且并联连接的散热管组成，上下端与第三汇流板和第四汇流板串联；

第一汇流板和第三汇流板上均设有进气口和排气口，进气口和排气口对称设置在第一汇流板、第三汇流板的侧壁上；第一液压泵和第一液压马达对称连接在第二汇流板的侧壁上，第二液压泵和第二液压马达对称连接在第四汇流板的侧壁上；

低压压缩机的进口连通大气，出口通过第一开关阀连接第一汇流板的进气口，第一汇流板的排气口通过第二开关阀连接储气罐的高压空气入口，储气罐的高压空气出口通过第三开关阀连接第三汇流板的进气口，第三汇流板的排气口通过第四开关阀连接低压膨胀机的进口，低压膨胀机的出口连通大气；

蓄冷装置中的蓄能液体低于环境温度，蓄热装置中的蓄能液体高于环境温度；蓄冷装置的出口通过第一液压泵连接第二汇流板的入口，第二汇流板的出口通过第一液压马达连接蓄热装置的入口，蓄热装置的出口通过第二液压泵连接第四汇流板的入口，第四汇流板的出口通过第二液压马达连接蓄冷装置的入口；

一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能方法，包括低压压缩过程、气液增压蓄热过程、气液膨胀蓄冷过程和低压膨胀过程；

储能时，空气经低压压缩过程和气液增压蓄热过程，将能量储存后，进入储气罐；

低压压缩过程：大气吸入低压压缩机,空气压缩后得到低压空气排出；

气液增压蓄热过程，包括以下步骤：

（1）进气过程：第一开关阀打开，第二开关阀关闭，低压空气经第一汇流板充入压缩-蓄热耦合式压缩机内，空气推动第一阵列式散热管内的蓄能液体向下运动，蓄能液体通过驱动第一液压马达转动，将高于环境温度的蓄能液体排入蓄热装置；

（2）压缩蓄热过程：第一开关阀和第二开关阀均关闭，第一液压泵从蓄冷装置中将低于环境温度的蓄能液体从第二汇流板注入压缩-蓄热耦合式压缩机内，第一阵列式散热管中的液位上升，对空气进行压缩，随着压缩过程进行，第一阵列式散热管内空气温度上升，空气与蓄能液体和第一阵列式散热管接触，空气中的压缩热以对流换热传递至第一阵列式散热管和蓄能液体，随着液位上升，蓄能液体与第一阵列式散热管的接触面积逐渐增加，蓄能液体向第一阵列式散热管传递冷量，使对应散热管温度降低，第一阵列式散热管向蓄能液体传递热量，将空气压缩热传递至蓄能液体，蓄能液体温度升高，压缩过程的大部分热量被传递至蓄能液体中；

（3）排气过程：第一开关阀关闭，第二开关阀打开，排出高压空气，充入储气罐；

释能时，储气罐中的高压空气排出，经气液膨胀蓄冷过程和低压膨胀过程，将储存的能量释放；

气液膨胀蓄冷过程，包括以下步骤：

（1）进气过程：第三开关阀打开，第四开关阀关闭，高压空气从储气罐中经第三汇流板充入膨胀-蓄冷耦合式膨胀机内，蓄能液体通过驱动第二液压马达转动排入蓄冷装置；

（2）膨胀蓄冷过程：第三开关阀和第四开关阀都关闭，高于环境温度的蓄能液体占据了大部分膨胀-蓄冷耦合式膨胀机的内部空间，并与第二阵列式散热管和空气接触，蓄能液体对第二阵列式散热管和空气传递热量使温度上升，随着空气膨胀温度降低，空气通过对流换热向第二阵列式散热管和蓄能液体传递冷量，使温度降低，将空气膨胀的冷量传递至蓄能液体，高压空气膨胀压力降低和体积增加，推动蓄能液体向下运动，驱动第二液压马达转动将高压空气中储存的能量释放，膨胀过程大部分的冷量被传递至蓄能液体中；

（3）排气过程：第三开关阀关闭，第四开关阀打开，第二液压泵从蓄热装置中将高于环境温度的蓄能液体从第四汇流板注入，充满膨胀-蓄冷耦合式膨胀机，将低压空气排入低压膨胀机；

低压膨胀过程：低压空气驱动低压膨胀机将低压空气中储存的能量释放，空气膨胀后得到常压空气排出。

2.根据权利要求1所述的一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能方法，其特征在于，第一阵列式散热管和第二阵列式散热管中散热管的排列方式为顺排或叉排。

3.根据权利要求1所述的一种基于蓄热和蓄冷的压缩空气储能方法，其特征在于，低压压缩机、低压膨胀机采用螺杆式、离心式或轴流式的非往复式结构。