一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统及运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统及运行方法，系统包括跨临界二氧化碳热机发电单元，中低温热源供应单元、用于储气和储热的双罐结构、用于连接发电机释能的膨胀单元，跨临界二氧化碳热机发电单元，用于吸收双罐结构提供的热量进行发电；双罐结构用于存储从中低温热源吸收的热量和换热器提供的热量以及被压缩的空气势能；自然冷量利用装置用于存储夜间自然冷量来冷却水轮机出口水流；中低温热源供应单元用于向跨临界二氧化碳热机发电单元提供热源；实现了采用水蒸气补压的恒压型抽水压缩空气储能系统的连续工作；在原有储存压力势能的基础上增加了对中低温热能的存储利用，提高储能密度；提高了系统的循环效率。的循环效率。的循环效率。

【技术实现步骤摘要】
一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统及运行方法


[0001]本专利技术涉及物理储能
，具体为一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统及运行方法。

技术介绍

[0002]随着能源紧缺和环境问题的日益突出，大力发展可再生能源引起广泛的关注。然而风能、太阳能等可再生能源具有随机性和波动性，利用这些能源发电并入电网会给电网带来巨大的冲击，这也导致近年来弃风、弃光现象严重。储能技术被认为有效解决这一问题的重要途径。当前应用比较成熟的大规模储能技术有抽水蓄能技术(PHS)和压缩空气储能技术(CAES)，而抽水蓄能技术受地理条件限制较大，传统压缩空气储能技术需要较大的体积的储气洞穴，这就限制了两种技术的应用。王焕然团队提出一种新型无水坝抽水蓄能技术，将传统压缩空气储能CAES与PHS相结合，试图从原理上解决了已有CAES所存在的缺陷，突破制约大规模物理储能技术推广应用的技术瓶颈。
[0003]通常，对于储能系统来说，储存的高压气体随着膨胀过程压力不断降低，导致水轮机一直处于变工况运行，这也导致了电能输出存在波动性。在恒定压力下的膨胀可以部分地解决该问题。之前有学者提出在释能过程中，通过补入水蒸汽来维持恒压的方法。但该方法在释能过程结束后罐内会存在较高温度和压力的空气和水蒸气混合物，若不进行冷凝利用会导致下一次压缩储能过程难以进行。
[0004]另一方面，昼夜温差大的地区丰富的夜间自然冷量却很少被利用。根据热力学第二定律，降低低温热源温度，可以有效提高系统循环效率。如果把夜间冷量收集收集起来大规模应用于热力循环系统的低温热源端，会有较好的能源利用效率。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统运行方法，实现了采用水蒸气补压的恒压型抽水压缩空气储能系统的连续工作。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，包括第一高压罐、第二高压罐、双罐换热器以及跨临界二氧化碳热机发电单元，第一高压罐和第二高压罐的入水口和出水口分别连通储水装置，第一高压罐和第二高压罐进出气口相互连通，双罐换热器设置在第一高压罐和第二高压罐进出气口连通的路径上，储水装置至第一高压罐和第二高压罐入水口的路径经过双罐换热器；跨临界二氧化碳热机发电单元设置在第一高压罐和第二高压罐出水口至储水装置的路径上，用于吸收第一高压罐和第二高压罐的热量进行发电；第一高压罐和第二高压罐出水口分别连通各自的进气口，并且第一高压罐和第二高压罐出水口至各自进气口的管路上沿介质流向设置循环泵和加热器；双罐换热器至第一高压罐和第二高压罐的进水口管路上设置蓄热器，第一高压罐顶部与双罐换热器热端进口连通，双罐换热器热端出口与第二高压罐顶部连通，第一高
压罐与蓄热器的冷端出口连通；第二高压罐与蓄热器的冷端出口连通；蓄热器热端与中低温热源输出端连通。
[0007]中低温热源为工业余热/废热、地热或太阳能热系统。
[0008]双罐换热器采用热管换热器；第一高压罐和第二高压罐规格相同且采用耐高温耐腐蚀材料制成，第一高压罐和第二高压罐外部由绝热材料包裹。
[0009]跨临界二氧化碳热机发电单元包括二氧化碳泵、二氧化碳换热器、二氧化碳冷凝器以及二氧化碳透平；
[0010]二氧化碳泵出口通过管路与二氧化碳换热器冷端进口连通，二氧化碳换热器的冷端出口与二氧化碳透平的进口连通，二氧化碳透平的出口通过管路与二氧化碳冷凝器热端进口连通，二氧化碳冷凝器热端出口通过管路与二氧化碳泵的进口连通，二氧化碳冷凝器热端出口与二氧化碳泵的进口之间设置二氧化碳循环开关阀，二氧化碳透平连接有发电机。
[0011]第一高压罐和第二高压罐的出水口分别连通二氧化碳换热器热端进口，二氧化碳换热器的热端出口沿介质流向设置发电释能膨胀单元和自然冷量利用装置；发电释能膨胀单元的出水口连通自然冷量利用装置的进水口，自然冷量利用装置包括冷量吸收段、热量回收段、中间储能段；冷量吸收段用于吸收外界冷量，热量回收段用于吸收热水的热量，中间储能段用于存储冷量吸收段的冷量或热量回收段的热量，中间储能段设置在冷量吸收段和热量回收段之间；发电释能膨胀单元包括水轮机和发电机，水轮机连接发电机，水轮机的出水口连通自然冷量利用装置的进水口。
[0012]中间储能段包括换热器壳体和相变储能材料，换热器壳体形成容纳相变储能材料的封闭空间，相变储能材料设置在换热器壳体中，换热器壳体外部由绝热材料包裹，冷量吸收段包括冷凝器热管，热量回收段包括蒸发器热管和蒸发器壳体，蒸发器壳体形成循环水流通通道，蒸发器热管的蒸发段设置在蒸发器壳体中，蒸发器热管的冷凝段设置在换热器壳体中，蒸发器壳体上开设热水进口和冷水出口，热水进口连通水轮机的出口；冷水出口连通跨临界二氧化碳热机发电单元中的二氧化碳冷凝器的冷端进口，二氧化碳冷凝器的冷端出口连通储水装置的进水口。
[0013]蒸发器热管和冷凝器热管均为重力式热管，竖直布置；热管上布置有翅片。
[0014]相变储能材料采用相变温度为
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15～20℃的固
‑
液相变材料。
[0015]本专利技术还提供一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统的运行方法，
[0016]初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，第一次储/释能过程如下：
[0017](1)储能阶段，从储水装置出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器吸收从第二高压罐流入第一高压罐的气体热量，经过蓄热器吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，使得罐中气体被压缩，当第一高压罐中水位充至目标位置时，停止充水，继续向第二高压罐中充水，直至第二高压罐充满水，此时高压罐中的气体已全部进入第一高压罐中，完成储能过程；
[0018](2)释能阶段，从第一高压罐底部流出的水一部分通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温，另一部分水经循环泵泵入加热器加热成过热蒸汽进入第一高压罐补充压力；同时进入跨临界二氧化碳热机发电单元中的水加热超临界二氧化碳进行发电；当第一高压罐中的水全部流出后，从第一高压罐顶部出来的高温空气和水蒸气混合物经双罐换热器，水
蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第二高压罐中，推动第二高压罐的水从罐体底部流出，通过跨临界二氧化碳热机发电单元降温后，进入储水装置，直至第二高压罐中的水完全流出后，完成释能过程；
[0019]下一个储/释能过程如下，
[0020](1)储能阶段，从储水装置出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器吸收从第一高压罐流入第二高压罐的气体的热量，经过蓄热器吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，压缩罐中气体，当第二高压罐中水位充至目标位置时，停止充水；继续向第一高压罐中充水，直至第一高压罐充满水，在此过程中，从第一高压罐顶部出来的高温的水蒸气和空气混合物经过双罐换热器，水蒸气完全冷凝成液态水，低温空气和液态水进入第二高压罐中，直至第一高压罐中的气体全部进入第二高压罐中，完成储能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，包括第一高压罐(1)、第二高压罐(2)、双罐换热器(15)以及跨临界二氧化碳热机发电单元，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的入水口和出水口分别连通储水装置(23)，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)进出气口相互连通，双罐换热器(15)设置在第一高压罐(1)和第二高压罐(2)进出气口连通的路径上，储水装置至第一高压罐(1)和第二高压罐(2)入水口的路径经过双罐换热器(15)；跨临界二氧化碳热机发电单元设置在第一高压罐(1)和第二高压罐(2)出水口至储水装置的路径上，用于吸收第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的热量进行发电；第一高压罐(1)和第二高压罐(2)出水口分别连通各自的进气口，并且第一高压罐(1)和第二高压罐(2)出水口至各自进气口的管路上沿介质流向设置循环泵和加热器；双罐换热器(15)至第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的进水口管路上设置蓄热器(14)，第一高压罐(1)顶部与双罐换热器(15)热端进口连通，双罐换热器(15)热端出口与第二高压罐(2)顶部连通，第一高压罐(1)与蓄热器(14)的冷端出口连通；第二高压罐(2)与蓄热器(14)的冷端出口连通；蓄热器(14)热端与中低温热源输出端连通。2.根据权利要求1所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，中低温热源为工业余热/废热、地热或太阳能热系统。3.根据权利要求1所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，双罐换热器(15)采用热管换热器；第一高压罐(1)和第二高压罐(2)规格相同且采用耐高温耐腐蚀材料制成，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)外部由绝热材料包裹。4.根据权利要求1所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，跨临界二氧化碳热机发电单元包括二氧化碳泵(18)、二氧化碳换热器(17)、二氧化碳冷凝器(19)以及二氧化碳透平(20)；二氧化碳泵(18)出口通过管路与二氧化碳换热器(17)冷端进口连通，二氧化碳换热器(17)的冷端出口与二氧化碳透平(20)的进口连通，二氧化碳透平(20)的出口通过管路与二氧化碳冷凝器(19)热端进口连通，二氧化碳冷凝器(19)热端出口通过管路与二氧化碳泵(18)的进口连通，二氧化碳冷凝器(19)热端出口与二氧化碳泵(18)的进口之间设置二氧化碳循环开关阀(25)，二氧化碳透平(20)连接有发电机。5.根据权利要求4所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，第一高压罐(1)和第二高压罐(2)的出水口分别连通二氧化碳换热器(17)热端进口，二氧化碳换热器(17)的热端出口沿介质流向设置发电释能膨胀单元和自然冷量利用装置(22)；发电释能膨胀单元的出水口连通自然冷量利用装置(22)的进水口，自然冷量利用装置(22)包括冷量吸收段、热量回收段、中间储能段；冷量吸收段用于吸收外界冷量，热量回收段用于吸收热水的热量，中间储能段用于存储冷量吸收段的冷量或热量回收段的热量，中间储能段设置在冷量吸收段和热量回收段之间；发电释能膨胀单元包括水轮机(21)和发电机，水轮机连接发电机，水轮机(21)的出水口连通自然冷量利用装置(22)的进水口。6.根据权利要求5所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，中间储能段包括换热器壳体(27)和相变储能材料(28)，换热器壳体(27)形成容纳相变储能材料(28)的封闭空间，相变储能材料(28)设置在换热器壳体(27)中，换热器壳体(27)外部由绝热材料包裹，冷量吸收段包括冷凝器热管(30)，热量回收段包括蒸发器热管(31)和蒸发器壳体(29)，蒸发器壳体(29)形成循环水流通通道，蒸发器热管(31)的蒸发段设置在蒸发器
壳体(29)中，蒸发器热管(31)的冷凝段设置在换热器壳体(27)中，蒸发器壳体(29)上开设热水进口(32)和冷水出口(33)，热水进口(32)连通水轮机(21)的出口；冷水出口(33)连通跨临界二氧化碳热机发电单元中的二氧化碳冷凝器(19)的冷端进口，二氧化碳冷凝器(19)的冷端出口连通储水装置(23)的进水口。7.根据权利要求6所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，蒸发器热管和冷凝器热管均为重力式热管，竖直布置；热管上布置有翅片。8.根据权利要求6所述的带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统，其特征在于，相变储能材料(28)采用相变温度为
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15～20℃的固
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液相变材料。9.一种带有储热的恒压型抽水压缩空气储能系统的运行方法，其特征在于，初始时刻两个高压罐中都预置有设定压力的空气，第一次储/释能过程如下：(1)储能阶段，从储水装置(23)出口流出的水经过加压，再经过双罐换热器(15)吸收从第二高压罐(2)流入第一高压罐(1)的气体热量，经过蓄热器(14)吸收中低温热源的热量进一步升温后，进入两个高压罐中，使得罐中气体被压缩，当第一高压罐(1)中水位充至目标位置时，停止充水，继续向第二高压罐(2)中充水，直至第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕然，陶飞跃，贺新，葛刚强，李丞宸，陈昊，李瑞雄，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：