CN104005802A - 压缩空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统包括：储能组件、储气装置、水泵和释能组件。其中：储气装置为预存水的密闭容器。水泵，设置于水源至储气装置的管路上。储能组件包括：电动机；压气机组，包括至少1台压气机，其转轴与电动机的转轴相连接，其出气口通过阀门与储气装置的进气口相连接。释能组件包括：发电机；膨胀机组，包括至少1台膨胀机，其转轴与发电机的转轴相连接，其进气口通过阀门与储气装置的出气口相连接。本发明压缩空气储能系统中，膨胀机组和压气机组都是在恒压下工作，储能系统效率高、安全性好。

Description

压缩空气储能系统

技术领域

本发明涉及电力存储技术领域，特别是一种压缩空气储能系统。

背景技术

近年来，我国电力电网中的大型机组不断增多，电力系统的自身功率调节能力受到限制，且系统负荷的峰谷比不断增大，为了保证电网安全、经济地运行，必须建设电力储能系统。特别是风电大规模发展，由于其间歇性的特点，使得电网的安全受到威胁，为了更加高效利用风能等可再生能源，必须具备电力储能系统与之匹配。

目前，大规模电力储能系统技术有抽水储能和压缩空气储能，抽水储能技术受到地形限制，而传统压缩空气储能技术的储气装置中压力是变化的，在压缩过程中储气装置压力不断增高，而在膨胀过程中压力不断下降，使压气机和膨胀机很难稳定工作，并造成大量能量损失。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种压缩空气储能系统。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种压缩空气储能系统。该压缩空气储能系统包括：储能组件、储气装置、水泵和释能组件，其中：储气装置为预存水的密闭容器；水泵，设置于水源至储气装置的管路上；储能组件包括：电动机；压气机组，包括至少1台压气机，其转轴与电动机的转轴相连接，其出气口通过阀门与储气装置的进气口相连接，在电动机的驱动下，该压气机组将空气压入储气装置进行存储，储气装置中的水被压缩空气排出至水源；释能组件包括：发电机；膨胀机组，包括至少1台膨胀机，其转轴与发电机的转轴相连接，其进气口通过阀门与储气装置的出气口相连接，储气装置的压缩空气通过膨胀机做功并带动发电机发电，同时水泵将水注入储气装置内，填补压缩空气排出的体积。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明压缩空气储能系统具有以下有益效果：

(1)利用储气装置中的水量控制储气装置内部压力恒定，使得储能系统在储能过程和释能过程中压气机组和膨胀机组一直工作在恒压环境下，从而解决传统压缩空气储能中储气装置中压力变化的问题，由于膨胀机组和压气机组都是在恒压下工作，所以储能系统效率高、安全性好；

(2)利用级间冷却装置冷却压气机进气、级间加热装置加热膨胀机进气，减少压缩过程耗功，增加膨胀过程出功，提高系统效率；

(3)该压缩空气储能系统还有储能周期不受限制，适用于各种类型的电源，对环境友好等优点，具有广阔的使用前景。

附图说明

图1为本发明第一实施例压缩空气储能系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例压缩空气储能系统的结构示意图；

图3为本发明第三实施例压缩空气储能系统的结构示意图；

图4为本发明第四实施例压缩空气储能系统的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-电动机；            12-储气装置；

28-水泵；             23-发电机；

2-低压压气机；        6-高压压气机；

18-高压膨胀机；       22-低压膨胀机；

31-水轮机发电机组；   35-可逆式水泵水轮机组；

37-低压压气机；       41-中压压气机；        45-高压压气机；

52-高压膨胀机；       56-中压膨胀机；        60-低压膨胀机；

4、8、39、43-冷却器；    16、20、54、58-加热器

10、14、25、29、33-阀门

3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、24、26、27、30-管线；

32、34、36-管线；    38、40、42、44、53、55、57、59-管线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明压缩空气储能系统在电力低谷、可再生能源发电冗余时，通过压气机将空气压入储气装置，同时将储气装置中水排出保持储气装置恒压，从而将电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰、电力事故、可再生能源发电不符合要求时，储气装置中高压空气在加热器中吸热后通过膨胀机带动发电机发电，同时用水泵把水注入储气装置中以维持储气室的压力不变，从而提供了一种效率高，安全性高的储能系统。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种压缩空气储能系统。请参照图1，该压缩空气储能系统采用两级压缩、级间冷却和两级膨胀、级间加热，包括：电动机1，低压压气机2，高压压气机6，高压膨胀机18，低压膨胀机22，冷却器(4、8)，加热器(16、20)，阀门(10、14、25、29)，管线(3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、24、26、27、30)，储气装置12，发电机23，水泵28。

电动机1的驱动电源是常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种的组合。

电动机1与压气机组的共有传动轴联接。低压压气机2经管线3、冷却器4和管线5与高压压气机6相连通。高压压气机6经管线7、冷却器8、管线9、阀门10及管线11与储气装置12相连通。

储气装置12经管线24、阀门25和管线26与水源相连通。水泵28的一端经管线27连接至水源，另一端经阀门29、管线30与储气装置12相连通。

储气装置12经管线13、阀门14、管线15、加热器16、管线17连接至高压膨胀机18，高压膨胀机18经管线19、加热器20、管线21连接至低压膨胀机22。发电机23与膨胀机组(高压膨胀机18和低压膨胀机22)的共有传动轴联接。

以下介绍本实施例压缩空气储能系统的储能过程和释能过程：

(1)在初始状态下，储气装置内充满高压水，水压与储气装置存储时压力相同。或是储气装置内有部分高压水和部分高压空气，且两者压力为储气装置的存储时压力；

(2)储能时，阀门10、25打开，阀门14、29关闭，电动机1利用低谷电带动压气机组，空气在低压压气机2压缩升温升压，压缩后的空气经管线3进入冷却器4进行冷却，冷却后的空气经管线5进入高压压气机6继续压缩并升温升压，其出口空气经管线7、冷却器8、管线9、阀门10及管线11进入储气装置12存储。储气装置12的水经管线24、阀门25和管线26排出以保持储气装置12中压力恒定，储能结束，关闭阀门10、25。

空气在压缩过程中温度会升高。而温度较高的空气会使压缩过程电动机的耗功增加，降低储能效率。因此在储能过程中，冷却器4、8的主要作用为对压缩后的空气进行冷却。

本实施例压缩空气储能系统通过控制压气机流量和级间冷却温度可以调节储能能力。具体来讲：压气机(2、6)为负载和转速可控的压气机。冷却器(4、8)为冷却温度可控的冷却器。控制压气机流量，是通过调节压气机负载、开停部分压气机或调节压气机转速来实现。

本实施例压缩空气储能系统在储能时，根据压气机的流量控制排出储气装置中水的流量。具体来讲：储气装置内总的体积V_tot是恒定的，等于高压空气的体积V_气和高压水的体积V_水之和，在一定时间内，高压气体的体积增加δV_气，高压水的体积减少δV_水，为了保持储气室恒压，则δV_气＝δV_水，δV_气是由压气机的流量决定的，δV_水能确定排出水的流量，因此是由压气机的流量来控制排除水的流量。

(3)释能时，水泵28启动，阀门14、29打开，阀门10、25关闭，储气装置12内的高压空气经管线13、阀门14及管线15进入加热器16，由加热器16进行加热后的高压空气经管线17进入高压膨胀机18膨胀降温，高压膨胀机18的出口空气经管线19进入加热器20，由加热器20加热后的空气经管线21进入低压膨胀机22继续膨胀做功。低压膨胀机和高压膨胀机输出的轴功带动发电机23发电。释能结束，阀门14、29关闭。

空气在膨胀做功过程中进口温度越高，对外输出的轴功就越大。因此在膨胀做功过程中，加热器16、20的主要作用为对进入膨胀机的空气进行升温。

通过控制膨胀机流量和级间加热温度调节发电能力。具体来讲：膨胀机(18、22)为转速可控的膨胀机。加热器(16、20)为加热温度可控的加热器。控制膨胀机流量，是通过开停部分膨胀机或调节膨胀机转速来实现。

本实施例压缩空气储能系统在释能时，根据膨胀机的流量控制水泵注入储气装置中水的流量。具体来讲：储气装置内总的体积V_tot是恒定的，等于高压空气的体积V_气和高压水的体积V_水之和，在一定时间内，高压气体排除的体积δV_气，水泵注入的高压水体积δV_水，为了保持储气室恒压，则δV_水＝δV_气，δV_气是由膨胀机的流量决定的，δV_水能确定水泵注入排出水的流量，因此是由膨胀机的流量来控制水泵注入水的流量。

一般情况下，储能和释能过程不同时进行，储能时，阀门10、25同时打开，阀门14、29关闭，阀门25的开度由压气机组流量控制。释能时，阀门10、25关闭，阀门14、29打开，水泵流量由膨胀机组流量控制，以保持储气装置12内恒压。阀门25作用是在储能阶段保持储气装置内恒压，水泵作用是在释能阶段保持存储装置恒压。恒定的压力值是由储能密度决定的，并受限于压气机的工作范围、膨胀机的工作范围和储气装置能承受的最大压力等。

通过以上说明可知，本实施例中，通过水泵和阀门调节，可以使得压气机和膨胀机都在恒定的压力下工作，可以提高压气机和膨胀机的工作效率，避免了压气机和膨胀机在变工况下工作从而能够提高储能系统的工作效率和稳定性

至此，本发明第一实施例压缩空气储能系统介绍完毕。

在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了另一种压缩空气储能系统。请参照图2，本实施例压缩空气储能系统的主体结构与实施例1相同，区别仅在于储气装置中水排出管线上增加了一个水轮机发电机组31。储气装置12经管线24、阀门25与水轮机发电机组31相连通，水轮机发电机组31经管线26与水源相连通。通过该水轮机发电机组31可以回收高压水的能量。

以下介绍本实施例压缩空气储能系统的储能过程和释能过程：

(1)在初始状态下，储气装置内充满高压水，水压与储气装置存储气体时压力相同。或是储气装置内有部分高压水和部分高压空气，且两者压力为储气装置的存储时压力；

(2)储能时，打开阀门10、25，关闭阀门14、29，电动机1利用低谷电带动压气机组，空气在低压压气机2压缩升温升压，压缩后的空气经管线3进入冷却器4，冷却后的空气经管线5进入高压压气机6继续压缩并升温升压，其出口空气经冷却器8、阀门10及管线7、9、11进入储气装置12存储，同时储气装置12的水经管线24、阀门25进入水轮机发电机组26做功回收高压水的能量，然后经过管线26排出，储能结束，关闭阀门10、25。

(3)释能时，启动水泵28，打开阀门14、29，关闭阀门10、25，储气装置12内的高压空气经管线13、15及阀门14进入加热器16，加热后的高压空气经管线17进入高压膨胀机18膨胀降温，其出口空气经管线19进入加热器20，加热后的空气经管线21进入低压膨胀机22继续膨胀做功并带动发电机21发电。释能结束，阀门14、29关闭。

通过以上说明可知，本实施例中，通过水轮机发电机机组，可以回收高压水的能量，从而能够提高储能系统效率。

至此，本发明第二实施例压缩空气储能系统介绍完毕。

在本发明的第三个示例性实施例中，还提供了另一种压缩空气储能系统。请参照图3，本实施例压缩空气储能系统的气流通道结构与第一实施例相同，只是储气装置12与水源之间的水流通道结构不同，储气装置12和水源之间只有一条通路。储气装置12通过管线32与阀门33相连通，阀门33经管线34与可逆式水泵水轮机组35相连通，可逆式水泵水轮机组35经管线36与水源相连通。

以下介绍本实施例压缩空气储能系统的储能过程和释能过程：

(1)在初始状态下，储气装置内充满高压水，水压与储气装置存储气体时压力相同。或是储气装置内有部分高压水和部分高压空气，且两者压力为储气装置的存储时压力。

(2)储能时，打开阀门10、33，关闭阀门14，电动机1利用低谷电带动压气机组，空气在低压压气机2压缩升温升压，压缩后的空气经管线3进入冷却器4，冷却后的空气经管线5进入高压压气机6继续压缩并升温升压，其出口空气经冷却器8、阀门10及管线7、9、11进入储气装置12存储，同时储气装置12的水经管线32、34、阀门33进入可逆式水泵水轮机组35做功回收高压水的能量，然后经过管线36排出，储能结束，关闭阀门10、33；

(3)释能时，启动可逆式水泵水轮机组35，打开阀门33，将水注入储气装置12，关闭阀门10，打开阀门14，储气装置12内的高压空气经管线13、15及阀门14进入加热器16，加热后的高压空气经管线17进入高压膨胀机18膨胀降温，其出口空气经管线19进入加热器20，加热后的空气经管线21进入低压膨胀机22继续膨胀做功并带动发电机23发电。释能结束，阀门14、33关闭。

通过以上说明可知，本实施例中，通过可逆式水泵水轮机组，可以水泵和水轮发电机组两路管线合并为一路，从而能够使系统更加简单。

至此，本发明第三实施例压缩空气储能系统介绍完毕。

在本发明的第四个示例性实施例中，还提供了另一种压缩空气储能系统。请参照图4，该压缩空气储能系统的主体结构与第一实施例相同，但它采用三级压缩、级间冷却及三级膨胀、级间加热代替第一实施例中的两级压缩、级间冷却及两级膨胀、级间加热。压气机组包括：低压压气机37，中压压气机41和高压压气机45。低压压气机37和中压压气机41之间设置管线38、冷却器39、管线40。中压压气机41和高压压气机45之间设置管线42、冷却器43和管线44。膨胀机组包括：高压膨胀机52，中压膨胀机56，低压膨胀机60。高压膨胀机52和中压膨胀机56之间设置管线53、加热器54和管线55。中压膨胀机56和低压膨胀机60之间设置管线57、加热器58和管线59。

以下介绍本实施例压缩空气储能系统的储能过程和释能过程：

(1)在初始状态下，储气装置内充满高压水，水压与储气装置存储气体时压力相同。或是储气装置内有部分高压水和部分高压空气，且两者压力为储气装置的存储时压力；

(2)储能时，关闭阀门14、29，打开阀门10、25，空气经过低压压气机37、冷却器39、中压压气机41、冷却器43、高压压气机45、冷却器8、阀门10及管线38、40、42、44、7、9、11进入储气装置12进行存储，储气装置12中水经管线24、26和阀门25排出，储能结束，关闭阀门10、25；

(3)释能时，关闭阀门10、25，打开阀门14、29，高压空气经过阀门14、加热器16和管线13、15、17进入高压膨胀机52膨胀做功，然后通过管线53进入加热器54加热，再通过管线55进入中压膨胀机56做功，然后经管线57进入加热器58加热，加热后的空气经管线59进入低压膨胀机60做功，同时水经管线27、水泵28、阀门29和管线30进入储气装置12填补高压空气排出的体积，以保持储气装置12中恒压。

通过以上说明可知，本实施例中，通过三级压缩、级间冷却及三级膨胀，可以提高高压气体的压力，从而能够增加储能系统的能量密度。

至此，本发明第四实施例压缩空气储能系统介绍完毕。

通过上述四个实施例的说明，本领域技术人员应当对本发明压缩空气储能系统有了清楚的认识。

本发明中，水源可以为大海、湖、水库、江、河流或人工水池。储气装置、压气机、膨胀机、冷却器、加热器、阀门等均为通用的部件。储气装置可以为密闭洞穴或人造压力容器。压气机或膨胀机为活塞式、轴流式、斜流式、离心式、螺杆式其中的一种或多种的组合。级联的压气机或膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式。在分轴并联形式中，各压气机或膨胀机的分轴与主驱动轴动连接。水泵为叶轮式泵或容积式泵。叶轮式泵为轴流式、混流式或离心式泵其中的一种或多种的组合。容积式泵，为齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵或滑片泵其中的一种或多种的组合。冷却器或加热器为以下群组中一种或多种的组合：套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、混合式和沉浸蛇管式。而压气机组中压气机的数目、膨胀机组中膨胀机的数目可以为1台或多台。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：储能组件、储气装置、水泵和释能组件，其中：

所述储气装置为预存水的密闭容器；

所述水泵，设置于水源至储气装置的管路上；

所述储能组件包括：电动机；压气机组，包括至少1台压气机，其转轴与所述电动机的转轴相连接，其出气口通过阀门与所述储气装置的进气口相连接，在所述电动机的驱动下，该压气机组将空气压入所述储气装置进行存储，所述储气装置中的水被压缩空气排出至水源；

所述释能组件包括：发电机；膨胀机组，包括至少1台膨胀机，其转轴与所述发电机的转轴相连接，其进气口通过阀门与所述储气装置的出气口相连接，储气装置的压缩空气通过膨胀机做功并带动发电机发电，同时水泵将水注入储气装置内，填补压缩空气排出的体积。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

冷却器，设置于所述压气机组和储气装置之间，该冷却器将压气机组输出的压缩空气进行冷却后，将其送入储气装置；

加热器，设置于所述储气装置和膨胀机组之间，该加热器将储气装置输出的空气进行加热后，送入膨胀机组。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机组包括以共轴串联形式或分轴并联形式连接的至少2台压气机。

4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机为负载和转速可控的压气机。

5.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，相邻的2台压气机之间设置冷却温度可控的冷却器。

6.如权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机组中压气机的数目为2台或3台。

7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机组包括以共轴串联形式或分轴并联形式连接的至少2台膨胀机。

8.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机为转速可控的膨胀机。

9.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，相邻的2台膨胀机之间设置加热温度可控的加热器。

10.如权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述膨胀机组中膨胀机的数目为2条或3台。

11.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：

水轮发电机组，设置于储气装置与水源之间的管路上。

12.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气装置与水源之间的管路为：

一条双向管路，或

两条单向管路，分别为储气装置至水源的单向管路和水源至储气装置的单向管路。

13.根据权利要求2或9所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述加热器的热源为工业废热、余热、大气环境、太阳能热或蓄热装置。

14.根据权利要求2、5或9所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述冷却器或加热器为以下群组中一种或多种的组合：套管式、管壳式、夹套式、蓄热式、混合式和沉浸蛇管式。

15.如权利要求1至12中任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气装置为：密闭洞穴或人造压力容器。

16.如权利要求1至12中任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压气机或膨胀机为以下类型中一种或多种的组合：活塞式、轴流式、斜流式、离心式和螺杆式。

17.如权利要求1至12中任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述水源是：大海、湖、水库、江、河流或人工水池。

18.如权利要求1至12中任一项所述的恒压压缩空气储能系统，其特征在于，所述水泵为：叶轮式泵或容积式泵；

所述叶轮式泵为轴流式、混流式或离心式泵其中的一种或多种的组合；

所述容积式泵，为齿轮泵、螺杆泵、罗茨泵或滑片泵其中的一种或多种的组合。