非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，电机连接压缩机机组和膨胀机机组；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室的入口，高压储气室的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；U型管换热器的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出入口连接压力泵的入口，压力泵的出口连接U型管换热器的入口。本发明专利技术系统运行效率高、运行经济性和环境友好性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物理储能
，特别涉及一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统。
技术介绍
压缩空气储能技术被公认为是解决电能大规模储存的最好技术之一，2009年被美国评为未来十大具有发展前景的技术之一。最近几年，西方发达国家(英国、澳大利亚、美国、日本、瑞士等)在该技术的开发方面取得了巨大的成就，其中美国的Lightsailenergy公司所提出的压缩空气储能技术获得了微软公司的巨额投资(17亿美元)。世界各国期望用该技术解决具有波动性和随机性特点的风电、光伏发电的并网问题，以及电网的“削峰填谷”问题。压缩空气储能技术在1949年被提出来，1978年在德国建成了世界上第一座商业运营电站，1991年美国建成了第二座商业运营电站；此后，世界各地相继开建了这样的电站和试验电站。压缩空气储能是一种基于燃气轮机的技术，其原理是将燃气轮机机组中的压缩机和透平分开[1]。在储能时，利用电能驱动压缩机将空气压缩并储存在高压容器之内，高压容器内气体的温度一般不超过80℃。在释能时，高压空气从容器内被释放出来，由于气体温度较低需首先进入燃烧室助燃，燃气进入涡轮膨胀并驱动涡轮做功发电，同时消耗大量的天然气[2]。近年来，GiuseppeGrazzini等人[3]提出了绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)，刘佳、陈海生等人[4]提出了超临界压缩空气储能系统，Mehmet等人[5]提出了超临界CO2储能系统，所有研究者的共同目的是为了解决储能系统中的加热问题，避免因加热带来的燃料消耗问题；另外，这些系统中膨胀空气的加热仍然处于膨胀机的进口之外，膨胀过程仍然属于绝热膨胀过程。综上所述，现有的所有压缩空气储能电站存在的主要问题是：发电过程中需要外界补充热能会引起大量燃料消耗、电转换效率不高、电转换成本高，致使该技术的推广应用受到限制。[1]IbrahimH.,IlincaA.,PerronJ.Energystoragesystems—Characteristicsandcomparisons[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2008,12(5):1221-1250.[2]BazmiA.A.,ZahediG.Sustainableenergysystems:Roleofoptimizationmodelingtechniquesinpowergenerationandsupply—Areview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2011,15(8):3480-3500.[3]LiuW.,LundH.,MathiesenB.V.Large-scaleintegrationofwindpowerintotheexistingChineseenergysystem[J].Energy,2011,36(8):4753-4760.[4]BlarkeM.B.,LundH.Theeffectivenessofstorageandrelocationoptionsinrenewableenergysystems[J].RenewableEnergy,2008,33(7):1499-1507.[5]ChenH.,CongT.N.,YangW.,etal.Progressinelectricalenergystoragesystem:Acriticalreview[J].ProgressinNaturalScience,2009,19(3):291-312.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，不但可以降低储能系统造价，提高储能装置能量转化效率，而且能够解决储能系统电能转换成本高、气体压缩热量利用率低、释能过程中燃料消耗以及干热岩采集过程中阻力大、换热效果差等问题，从而进一步提高系统的经济性。为达到以上目的，本专利技术采取如下技术方案予以实现的：非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，包括压缩机机组、电机、膨胀机机组、高压储气室、压力泵和U型管换热器；电机连接压缩机机组和膨胀机机组；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室的入口，高压储气室的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；U型管换热器的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出入口连接压力泵的入口，压力泵的出口连接U型管换热器的入口。进一步的，U型管换热器的出口设有第一阀门；间冷器与高压储气室的入口之间设有第二阀门；高压储气室的出口与第一再热器的第一流体入口之间设有第三阀门和节流阀。进一步的，U型管换热器包括外管和设置于外管内的内管；外管为顶部设有入口的盲管；内管为中空的管道，内管的下端靠近外管的底部；外管的上端入口和内管之间的间隙作为U型管换热器的入口；内管的上端出口作为U型管换热器的出口。进一步的，U型管换热器埋于地下干热岩中，用于采集地热。进一步的，U型管金属换热器的内管的管壁涂有绝热材料层，防止热量散失；内管的管壁空腔内被抽真空。进一步的，膨胀机包括轴，轴上设有若干动叶，轴和动叶外周设有壳体，壳体的内壁中设有地热水换热流道，壳体外侧设有连接地热水换热流道的地热水入口和地热水出口；膨胀机的地热水入口连接前一个再热器的第二流体入口，地热水出口连接后一个再热器的第二流体出口；最后一个膨胀机的地热水出口连接最后一个再热器的第二流体出口。进一步的，膨胀机内气体的膨胀过程为非绝热膨胀。进一步的，在电能过剩时段，打开第二阀门，电能驱动电机旋转，此时电机作为电动机使用；电机通过旋转轴和联轴器驱动压缩机机组做功，压缩机机组将空气压缩至一定温度压力后，进入间冷器进行冷却至环境温度；同时间冷器产生的热量被直接供给给用户或进入溴化锂机组制冷为用户提供冷量；压缩机机组和高压储气室的入口温度相等。进一步的，在电网电能负荷高峰期，开启第三阀门、第一阀门，高压空气从高压储气室中流出，经过节流阀，气体压力降低到设定值后进入第一再热器，此时压力泵开始工作，作为第二流体的冷却水被压入U型金属换热管，冷却水从地面逐渐流向地下，同时进行换热，冷却水被加热为热流体；加热后的流体最终进入第一再热器和第一膨胀机的壳体内对空气进行加热，其中再热器内两种流体的流动为逆流式，膨胀机内为顺流式；被加热后的高压空气在膨胀机机组内进行非绝热膨胀做功，最后一个膨胀机的尾气直接排入大气。本专利技术一种非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，压缩机组是通过电机带动旋转，将空气压缩成为高压空气被储存在储气室内；间冷器被安装在压缩机之间，用来冷却高压空气，使空气进入下级压缩机时的温度和环境温度基本相同；该系统中间冷器产生的热量将直接提供给用户或通过溴化锂机组转变为冷量之后供用户使用，避免了空气压缩产生热量的存储问题以及高温压缩空气热量利用率低的问题；再热器被安装在膨胀机组之间，用来加热膨胀后的高压空气，使空气进入下段膨胀机时的温度保持在一个特定的温度值；膨胀机为非绝热膨胀机，被干热岩加热后的水通过气体透平膨胀机的机壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩机机组、电机(5)、膨胀机机组、高压储气室(6)、压力泵(14)和U型管换热器(16)；电机(5)连接压缩机机组和膨胀机机组；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室(6)的入口，高压储气室(6)的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；U型管换热器(16)的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出入口连接压力泵(14)的入口，压力泵(14)的出口连接U型管换热器(16)的入口。

【技术特征摘要】
1.非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，包括压缩机机组、电机(5)、膨胀机机组、高压储气室(6)、压力泵(14)和U型管换热器(16)；电机(5)连接压缩机机组和膨胀机机组；膨胀机机组由若干膨胀机串联而成，每个膨胀机前均设有一个再热器；压缩机机组的气体出口通过间冷器连接高压储气室(6)的入口，高压储气室(6)的出口连接第一再热器的第一流体入口；第一再热器的第一流体出口连接第一膨胀机的气体入口；前一个膨胀机的气体出口通过一个再热器连接后一个膨胀机的气体出口；最后一个膨胀机的气体出口连接大气；U型管换热器(16)的出口连接所有再热器的第二流体入口，所有再热器的第二流体出入口连接压力泵(14)的入口，压力泵(14)的出口连接U型管换热器(16)的入口。2.根据权利要求1所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，U型管换热器(16)的出口设有第一阀门(10)；间冷器与高压储气室(6)的入口之间设有第二阀门(20)；高压储气室(6)的出口与第一再热器的第一流体入口之间设有第三阀门(21)和节流阀(11)。3.根据权利要求1所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，U型管换热器(16)包括外管(23)和设置于外管(23)内的内管(22)；外管(23)为顶部设有入口的盲管；内管(22)为中空的管道，内管(22)的下端靠近外管(23)的底部；外管(23)的上端入口和内管(22)之间的间隙作为U型管换热器(16)的入口；内管(22)的上端出口作为U型管换热器(16)的出口。4.根据权利要求1所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，U型管换热器(16)埋于地下干热岩中，用于采集地热。5.根据权利要求3所述的非绝热气体膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，U型管金属换热器(16)的内管(22)的管壁涂有绝热材料层，防止热量散...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕然，李瑞雄，姚尔人，李梦，席光，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61