一种以空气及水为储能工质的联合储能系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种以空气及水为储能工质的联合储能系统及方法，所述系统包括空气压缩储能单元、空气膨胀释能单元、水储能单元、水释能单元、释能逻辑判断单元和热储存循环回路；本发明专利技术基于气、水共容舱以及蓄热/换热器的优化匹配，利用压缩/不可压缩流体的做功特性，将高压空气存储的压力能分阶段释放进行连续发电：优先利用水轮机释放发电，剩余带压空气吸收压缩热后再通过空气膨胀机做功，实现压缩储能过程中所储的压力能、热能的分类梯级高效利用，相比传统压缩空气储能技术，本发明专利技术有效提高了储能系统的电转换效率及对电网调控的快速响应能力，无补然、无污染、是实现清洁、高效、经济大规模储能的有效途径。

Combined energy storage system and method using air and water as energy storage working medium

The invention discloses a method for using air and water as energy storage and storage medium energy system and method, the system includes a compressed air energy storage unit, air expansion unit, water storage unit, water release unit, logic unit and heat storage loop can release to release the gas in BenQ; and water tank and heat exchanger / optimization matching, using the work characteristic of compression / incompressible fluid, high pressure air storage pressure can be released in stages of continuous power: give priority to the use of turbine power release, residual air with pressure absorption compression heat after air expander work, cascade classification to achieve compression energy stored in the process of pressure energy and heat efficiency, compared with the traditional compressed air energy storage technology, the invention can effectively improve the power conversion efficiency of energy storage system and the rapid response of power regulation However, no ability, no pollution, is an effective way to achieve clean, efficient and economical large-scale energy storage.

【技术实现步骤摘要】
一种以空气及水为储能工质的联合储能系统及方法
本专利技术属于大型电能物理储能领域，特别涉及一种以压缩空气储能技术为基础，结合利用水蓄能/释能的方式实现大规模、高效的联合储能系统。
技术介绍
从目前的科技发展水平来看，压缩空气储能技术(CAES)和抽水蓄能技术是能够实现电能大规模储存仅有的两种技术。压缩空气储能技术在国外已有30年以上的应用和发展历史，今天仍在安全运行。代表电站有美国的阿拉巴马州电力公司在麦金托什(McIntosh)地区兴建的压缩空气储能电站和德国的Huntorf压缩空气储能电站。根据国外压缩空气储能电站热力系统的技术特点和发展历史，其以燃气轮机技术为基础。主要原理是利用电厂的富余电力将空气进行压缩并存储在地下储气室中，当需要时再将高压空气释放，利用透平对外做功。现有压缩空气储能系统一般需要补燃，或者虽可以不补燃，但需利用压缩空气在常温常压状态下膨胀到低温(-150℃左右)，这使得系统的总能量转换效率低、经济性差、响应时间慢。抽水蓄能技术具有转换效率高、响应时间快等特点，但对地上地理环境选址要求苛刻。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以空气及水为储能工质的联合储能系统及方法，以解决传统压缩空气储能响应时间慢、电能转化效率低的问题；本专利技术以压缩空气储能技术为基础，结合利用水蓄能/释能的方式实现大规模、高效的联合储能；本专利技术实现了对能量的分类利用，且不要补燃、无污染。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，包括空气压缩储能单元、空气膨胀释能单元、水储能单元、水释能单元、释能逻辑判断单元和热储存循环回路；空气压缩储能单元包括压缩机组和驱动压缩机组的压缩机组电机；压缩机组的出口连接地下大型高压储气矿洞；空气膨胀释能单元包括膨胀机组和连接膨胀机组的膨胀机组发电机；水储能单元包括水泵机组、水泵机组电机和储水矿洞侧开关阀门，其中，水泵机组的进口通过储水矿洞侧开关阀门与大型地下常压储水矿洞下部连通，水泵机组的出口通过管路与大型地下高压气、水共储矿洞上部连通；水泵机组连接水泵机组电机；水释能单元包括水轮机机组、水轮机机组发电机和气、水共储矿洞侧开关阀门，其中，水轮机的进口通过管路和气、水共储矿洞侧开关阀门与大型地下高压气、水共储矿洞下部连通，水轮机机组的出口通过管路与地下大型高压储气矿洞上部连通；水轮机机组连接水轮机机组发电机；释能逻辑判断单元包括逻辑判断控制器、逻辑联动气路阀门和逻辑联动水路阀门；逻辑联动气路阀门通过管道连接地下大型高压储气矿洞和膨胀机组；逻辑联动水路阀门通过管道连接地下大型高压储气矿洞和大型地下高压气、水共储矿洞；逻辑判断控制器连接地下大型高压储气矿洞的压力-电信号变送器、逻辑联动气路阀门和逻辑联动水路阀门；逻辑判断控制器用于根据设定的切换压力值与地下大型高压储气矿洞内的压力值进行逻辑判断，控制逻辑联动气路阀门和逻辑联动水路阀门开合；热储存循环回路，用于存储空气压缩储能单元压缩空气时产生的热量，并在空气膨胀释能单元工作时，释放能量加热驱动空气膨胀释能单元工作的空气。进一步的，热储存循环回路包括低压级冷却器、中压级冷却器、高压级冷却器、低压级换热器、中压级换热器、高压级换热器、相变蓄热器和循环泵；相变蓄热器中载热介质由冷端出口经管道及第四阀门进入循环泵，再经第五阀门后分别通过低压级冷却器、中压级冷却器、高压级冷却器的冷流体侧后经管路及第二单向阀回流至相变蓄热器的热端入口并将压缩热进行存储，蓄热器中的载热介质由热端出口经管路及第三阀门通过循环泵输送，经第六阀门后分别通入低压级换热器、中压级换热器、高压级换热器的热流体侧后经管路及第三单向阀进入相变蓄热器冷端入口。进一步的，压缩机组包括依次串联的低压级压缩机、中压级压缩机和高压级压缩机；低压级压缩机的进气口通过管路与大气连通，低压级压缩机产生的中压气体通过低压级冷却器换热后，经气体管路通入中压级压缩机的进气口；中压级压缩机产生的中压气体穿过中压级冷却器换热后，经气体管路通入高压级压缩机的进气口；高压级压缩机产生的高压气体穿过高压级冷却器换热后，经气体管路及第一阀门通入地下大型高压储气矿洞储存。进一步的，膨胀机组包括依次串联的低压级膨胀机、中压级膨胀机和高压级膨胀机；高压级膨胀机的进气口通过管路、高压换热器、节流稳压阀门及逻辑联动气路阀门与地下大型高压储气矿洞连通，高压级膨胀机产生的中压气体穿过中压换热器换热后，经气体管路通入中压级膨胀机的进气口；中压级膨胀机产生的中压气体穿过低压级换热器换热后，经气体管路通入所述低压级膨胀机的进气口；低压级膨胀机产生的常压气体，经气体管路通入大气；膨胀机组工作过程中带动膨胀机组发电机发电。进一步的，低压级压缩机、中压级压缩机及高压级压缩机由压缩机组电机同轴驱动；低压级膨胀机、中压级膨胀机及高压级膨胀机同轴驱动膨胀机组发电机。进一步的，地下大型高压储气矿洞的底部和大型地下高压气、水共储矿洞的顶部之间还通过带有第二阀门及单向阀的管道连通。进一步的，大型地下常压储水矿洞的上部通过管路及常压保持阀门与大气连通。进一步的，逻辑联动水路阀门与大型地下高压气、水共储矿洞之间的管路上设有节流稳压阀门。一种以空气及水为储能工质的联合储能方法，基于所述的一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，包括以下步骤：储能阶段：空气压缩储能单元利用电能压缩空气，并将压缩空气存储在地下大型高压储气矿洞中进行空气储能，使地下大型高压储气矿洞中的压力高于设定的切换压力值；水储能单元利用电能，通过水泵机组将大型地下常压储水矿洞中的水抽入大型地下高压气、水共储矿洞中进行水储能；释能第一阶段：逻辑判断控制器判断地下大型高压储气矿洞内的压力值大于设定的切换压力值，控制控制逻辑联动气路阀门闭合，逻辑联动水路阀门打开；地下大型高压储气矿洞中的高压空气经过逻辑联动水路阀门和节流稳压阀门节流降压为恒定压力空气，推动大型地下高压气、水共储矿洞中水经管道推动水轮机机组做功，驱动水轮机机组发电机；水轮机机组出口水经管道回流至大型地下常压储水矿洞；释能第二阶段：逻辑判断控制器检测到地下大型高压储气矿洞内的压力值小于或等于设定的切换压力值，控制控制逻辑联动气路阀门打开；地下大型高压储气矿洞中的高压空气经过逻辑联动气路阀门和节流稳压阀门节流降压，进入空气膨胀释能单元的膨胀机组带动膨胀机组发电机发电，待膨胀机组工作稳定发电时，关闭逻辑联动水路阀门，水轮机机组停机；其中，储能阶段空气压缩储能单元压缩空气时产生的热量存储在热储存循环回路的蓄热器中，并在空气膨胀释能单元工作时，释放热量加热驱动空气膨胀释能单元工作的空气。一种以空气及水为储能工质的联合储能方法，包括以下步骤：储能阶段：利用电能压缩空气，并将压缩空气存储在地下大型高压储气矿洞中进行空气储能，使地下大型高压储气矿洞中的压力高于设定的切换压力值；利用电能通过水泵机组将大型地下常压储水矿洞中的水抽入大型地下高压气、水共储矿洞中进行水储能；释能第一阶段：判断地下大型高压储气矿洞内的压力值大于设定的切换压力值，使地下大型高压储气矿洞中的高压空气经过节流稳压阀门节流降压为恒定压力空气，推动大型地下高压气、水共储矿洞中水经管道推动水轮机机组做功，驱动水轮机机组发电机；水轮机机组出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，其特征在于，包括空气压缩储能单元、空气膨胀释能单元、水储能单元、水释能单元、释能逻辑判断单元和热储存循环回路；空气压缩储能单元包括压缩机组和驱动压缩机组的压缩机组电机(4)；压缩机组的出口连接地下大型高压储气矿洞(21)；空气膨胀释能单元包括膨胀机组和连接膨胀机组的膨胀机组发电机(17)；水储能单元包括水泵机组(31)、水泵机组电机(32)和储水矿洞侧开关阀门(33)，其中，水泵机组(31)的进口通过储水矿洞侧开关阀门(33)与大型地下常压储水矿洞(34)下部连通，水泵机组(31)的出口通过管路与大型地下高压气、水共储矿洞(27)上部连通；水泵机组(31)连接水泵机组电机(32)；水释能单元包括水轮机机组(29)、水轮机机组发电机(30)和气、水共储矿洞侧开关阀门(28)，其中，水轮机(29)的进口通过管路和气、水共储矿洞侧开关阀门(28)与大型地下高压气、水共储矿洞(27)下部连通，水轮机机组(29)的出口通过管路与地下大型高压储气矿洞(34)上部连通；水轮机机组(29)连接水轮机机组发电机(30)；释能逻辑判断单元包括逻辑判断控制器(23)、逻辑联动气路阀门(20)和逻辑联动水路阀门(22)；逻辑联动气路阀门(20)通过管道连接地下大型高压储气矿洞(21)和膨胀机组；逻辑联动水路阀门(22)通过管道连接地下大型高压储气矿洞(21)和大型地下高压气、水共储矿洞(27)；逻辑判断控制器(23)连接地下大型高压储气矿洞(21)的压力‑电信号变送器、逻辑联动气路阀门(20)和逻辑联动水路阀门(22)；逻辑判断控制器(23)用于根据设定的切换压力值与地下大型高压储气矿洞(21)内的压力值进行逻辑判断，控制逻辑联动气路阀门(20)和逻辑联动水路阀门(22)开合；热储存循环回路，用于存储空气压缩储能单元压缩空气时产生的热量，并在空气膨胀释能单元工作时，释放能量加热驱动空气膨胀释能单元工作的空气。...

【技术特征摘要】
1.一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，其特征在于，包括空气压缩储能单元、空气膨胀释能单元、水储能单元、水释能单元、释能逻辑判断单元和热储存循环回路；空气压缩储能单元包括压缩机组和驱动压缩机组的压缩机组电机(4)；压缩机组的出口连接地下大型高压储气矿洞(21)；空气膨胀释能单元包括膨胀机组和连接膨胀机组的膨胀机组发电机(17)；水储能单元包括水泵机组(31)、水泵机组电机(32)和储水矿洞侧开关阀门(33)，其中，水泵机组(31)的进口通过储水矿洞侧开关阀门(33)与大型地下常压储水矿洞(34)下部连通，水泵机组(31)的出口通过管路与大型地下高压气、水共储矿洞(27)上部连通；水泵机组(31)连接水泵机组电机(32)；水释能单元包括水轮机机组(29)、水轮机机组发电机(30)和气、水共储矿洞侧开关阀门(28)，其中，水轮机(29)的进口通过管路和气、水共储矿洞侧开关阀门(28)与大型地下高压气、水共储矿洞(27)下部连通，水轮机机组(29)的出口通过管路与地下大型高压储气矿洞(34)上部连通；水轮机机组(29)连接水轮机机组发电机(30)；释能逻辑判断单元包括逻辑判断控制器(23)、逻辑联动气路阀门(20)和逻辑联动水路阀门(22)；逻辑联动气路阀门(20)通过管道连接地下大型高压储气矿洞(21)和膨胀机组；逻辑联动水路阀门(22)通过管道连接地下大型高压储气矿洞(21)和大型地下高压气、水共储矿洞(27)；逻辑判断控制器(23)连接地下大型高压储气矿洞(21)的压力-电信号变送器、逻辑联动气路阀门(20)和逻辑联动水路阀门(22)；逻辑判断控制器(23)用于根据设定的切换压力值与地下大型高压储气矿洞(21)内的压力值进行逻辑判断，控制逻辑联动气路阀门(20)和逻辑联动水路阀门(22)开合；热储存循环回路，用于存储空气压缩储能单元压缩空气时产生的热量，并在空气膨胀释能单元工作时，释放能量加热驱动空气膨胀释能单元工作的空气。2.根据权利要求1所述的一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，其特征在于，热储存循环回路包括低压级冷却器(5)、中压级冷却器(6)、高压级冷却器(7)、低压级换热器(14)、中压级换热器(15)、高压级换热器(16)、相变蓄热器(10)和循环泵(40)；相变蓄热器(10)中载热介质由冷端出口经管道及第四阀门(39)进入循环泵(40)，再经第五阀门(42)后分别通过低压级冷却器(5)、中压级冷却器(6)、高压级冷却器(7)的冷流体侧后经管路及第二单向阀(36)回流至相变蓄热器(10)的热端入口并将压缩热进行存储，蓄热器(10)中的载热介质由热端出口经管路及第三阀门(38)通过循环泵(40)输送，经第六阀门(43)后分别通入低压级换热器(14)、中压级换热器(15)、高压级换热器(16)的热流体侧后经管路及第三单向阀(37)进入相变蓄热器(10)冷端入口。3.根据权利要求2所述的一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，其特征在于，压缩机组包括依次串联的低压级压缩机(1)、中压级压缩机(2)和高压级压缩机(3)；低压级压缩机(1)的进气口通过管路与大气连通，低压级压缩机(1)产生的中压气体通过低压级冷却器(5)换热后，经气体管路通入中压级压缩机(2)的进气口；中压级压缩机(2)产生的中压气体穿过中压级冷却器(6)换热后，经气体管路通入高压级压缩机(3)的进气口；高压级压缩机(3)产生的高压气体穿过高压级冷却器(7)换热后，经气体管路及第一阀门(8)通入地下大型高压储气矿洞(21)储存。4.根据权利要求3所述的一种以空气及水为储能工质的联合储能系统，其特征在于，膨胀机组包括依次串联的低压级膨胀机(11)、中压级膨胀机(12)和高压级膨胀机(13)；高压级膨胀机(13)的进气口通过管路、高压换热器(16)、节流稳压阀门(19)及逻辑联动气路阀门(20)与地下大型高压储气矿洞(21)连通，高压级膨胀机(13)产生的中压气体穿过中压换热器(15)换热后，经气体管路通入中压级膨胀机(12)的进气口；中压级膨胀机(12)产生的中压气体穿过低压级换热器(14)换...

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