CN106091576A - 一种耦合太阳能光热技术的深冷液化空气储能方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法和系统，所述方法包括以下步骤：步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；还包括：步骤3：收集并储存太阳能光热，使用所述太阳能光热和所述步骤1中所收集的热能共同为所述步骤2提供高温条件。

Description

一种耦合太阳能光热技术的深冷液化空气储能方法和系统

技术领域

本发明涉及液化空气的储能技术领域，具体涉及一种耦合光热结合深冷液态空气的储能方法和一种光热储能发电系统。

背景技术

深冷液化空气储能技术是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式，液态空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、占地小不依赖于地理条件等优点。储能时，电能将空气压缩、冷却并液化，同时存储该过程中释放的热能，用于释能时加热空气；释能时，液态空气被加压、气化，推动膨胀发电机组发电，同时存储该过程的冷能，用于储能时冷却空气。但现有的深冷液态空气储能系统存在以下缺陷：1、深冷液态空气储能系统的效率较低，现有技术中液态空气气化过程中使用的热能来自于气态空气压缩成液态空气时释放的热能，由于热能在收集、存储和传递的过程中有着较大的损耗，因此使得现有的深冷液态空气储能系统的液态空气气化的转化率较低，不能满足使用需求，现有技术中解决此问题的方式为增加储热换热设备，如大型洞穴式储气室等，这样就大大增加了系统的造价和占地面积，并且大型洞穴式储气室等也容易受到地震等地质灾害的影响。2、另外受限于热能的传递效率，液态空气气化的气化速率较低，动态响应速度慢，往往不能及时的驱动发电机组进行发电。

深冷液态空气储能系统往往与电站结合使用，在将电能以液态空气的形式储存起来的以后，需要投入大量的热能才能使液态空气完成气化，现有的深冷液态空气储能系统中，气态空气压缩成液化空气过程中收集热能的过程中受限于热能流失和存储率限制，往往需要另外通过燃烧矿物等形式提供热能的供应，因此不仅运行成本较高，而且存在一定的环境污染。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中深冷液化空气储能系统中运行成本较高，而且存在一定环境污染的技术缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法，包括以下步骤：

步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；

步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；

还包括：

步骤3：收集并储存太阳能光热，使用所述太阳能光热和所述步骤1中所收集的热能共同为所述步骤2提供高温条件。

上述的耦合光热结合深冷液态空气的储能方法中，将所述太阳能光热和所述步骤1中收集的热能一同或分别储存。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法中，将所述太阳能光热和所述步骤1中收集的热能与换热流体进行热交换，所述换热流体将其携带的热能释放至进行步骤2的环境中。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法中，所述换热流体为水。

本发明还提供一种太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，包括：

能量输入装置，用于为储能系统中输入能量；

第一空气压缩装置，受所述能量输入装置驱动将气态空气进行一级压缩；

空气净化装置，对一级压缩的所述气态空气进行净化；

第二空气压缩装置，受所述能量输入装置驱动对经过一级压缩的所述气态空气进行二级压缩成液态空气，并收集；

热能回收装置，对二级压缩过程中产生的热能进行收集，并在气化过程中将收集的热量输入到气化装置中；气化装置，对液态空气加压，并接收所述热能回收装置提供的热能，以使液态空气气化；

冷能回收装置，对所述气化装置中液态空气气化过程中产生的冷能进行收集，并能够将收集的冷能输出至第一空气压缩装置中；

光热电站原动机，受所述液态空气气化驱动做功发电；

还包括耦合光热装置，所述耦合光热装置用于收集太阳能光热，并将收集到的热能输出至液态空气，为所述液态空气气化提供高温环境。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统中，所述热能回收装置为至少一个储热罐，所述储热罐连接所述耦合光热装置和所述热能回收装置。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统中，还包括换热装置，所述换热装置分别连接所述储热罐和气化装置；所述换热装置内存储有换热流体，所述储热罐中的热能与所述换热流体发生热交换，所述换热流体将其携带的热能输出至所述气化装置中。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统中，所述能量输入装置为电动机，其将电能转化为机械能并带动所述第一空气压缩装置和第二空气压缩装置和液化装置做功。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统中，所述第一空气压缩装置为低压压缩机；

所述第二空气压缩装置和液化装置为高压压缩机。

上述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统中，所述光热电站原动机为蒸汽轮机、燃气轮机或斯特林机中的一种或任意两种或三种。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的耦合太阳能光热技术的深冷液化空气储能方法中，通过将太阳能光热收集后为步骤2提供高温条件，从而有效的提高了也太空气的气化速率，并且太阳能光热的收集和输送成本较低，相比于其他补充热能的方式，太阳能光热显然根据经济优势。

2.本发明提供的耦合太阳能光热技术的深冷液化空气储能系统中，将光热储能发电系统将深冷液化空气储能系统和光热电站结合使用，通过光热电站的引入解决了深冷液化空气储能系统的用热需求；而通过深冷液化空气储能系统解决了光热电站受太阳辐射波动性、随机性影响的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例2中的耦合太阳能光热技术的深冷液化空气储能方法和系统的原理示意图。

附图标记说明：

1-能量输入装置；2-第一空气压缩装置；3-空气净化装置；4-第二空气压缩装置和液化装置；6-气化装置；7-光热电站原动机；8-耦合光热装置；9-冷能回收装置；12-储热罐；13-换热装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种深冷液化空气的储能方法，包括以下步骤：

步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，并收集所述液态空气，收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；

步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；

步骤3：收集并储存太阳能光热，使用所述太阳能光热和所述步骤1中所收集的热能共同为所述步骤2提供高温条件。

上述实施方式是本实施例的核心技术方案，通过收集并存储

光热电站受太阳辐射的波动性和随机性影响，往往不能持续稳定输电，本实施例的光热储能发电系统将深冷液化空气储能系统和光热电站结合使用，通过光热电站的引入解决了深冷液化空气储能系统的用热需求；而通过深冷液化空气储能系统解决了光热电站受太阳辐射波动性、随机性影响的问题。

将液态空气进行气化的过程中，所需要的热能较多，导致液态空气气化效率较慢，为了解决此问题，本实施例中步骤3通过收集取之不尽的太阳能光热作为热能源，液态空气气化过程中所需要的热能一部来源于步骤1中收集的热能，另一部分则来源于太阳能光热。本实施例中，通过步骤3将太阳能光热收集后为步骤2提供高温条件，从而有效的提高了也太空气的气化速率，并且太阳能光热的收集和输送成本较低，相比于其他补充热能的方式，太阳能光热显然根据经济优势。

进一步的，所述步骤3中还包括将所述太阳能光热和所述步骤1中收集的热能一同或分别存储。例如，太阳能光热和步骤1中收集的热能可以是分别进行存储，使用时再讲两者的热能混合/分别输出；也可以是将太阳能光热和步骤1中收集的热能共同存储，使用时再将两者的热能一同输出。

为了提高热交换效率，所述步骤3中还包括：将所述太阳能光热和所述步骤1中收集的热能与换热流体进行热交换，所述换热流体再将其携带的热能释放至进行步骤2的环境中。其中，所述换热流体优选为水，在实际使用中，太阳能光热和步骤1中所收集的热能一同将水由液态迅速加热至气态，再讲高温水蒸气一同通入到进行所述步骤2的环境中。接下来水蒸气能够将其自身携带的热量交换给液态空气，促使液态空气迅速气化，而后将水蒸气和液态空气气化得到的气态空气一同输出，两者的混合气体将带动做功装置做功从而完成发电。本实施中优选使用换热流体为水的原因在于：一方面水的比热容较大，由液态变为气态的过程中能够携带较多的热能；另一方面液态水无污染且容易获取，高温水蒸气可以和液态空气气化后得到的气态空气一同输出给做功装置，能够辅助液态空气做功。

实施例2

本实施例提供一种光热储能发电系统，以下结合图1对本实施例的储能系统进行详细的说明：

本实施例的光热储能发电系统包括：

能量输入装置1，即电动机，其将电能转化为机械能并带动第一空气压缩装置2和第二空气压缩装置4做功，其中第一空气压缩装置2为低压压缩机；第二空气压缩装置4为高压压缩机。具体地，第一空气压缩装置2对受能量输入装置1驱动将气态空气进行一级压缩，此时经过一级压缩的空气仍为气态，而后被一级压缩后的气体通过空气净化装置3净化后再进行二级压缩，第二空气压缩装置和液化装置4将经过净化后的空气在低温高压的环境下压缩成液态空气，并将液态空气收集，例如收集到储室、罐体等装置中。在二级压缩过程进行的同时，热能回收装置对二级压缩过程中产生的热能进行收集储存。能量输入装置1即电动机所消耗的机械能，转化为了液态空气的内能，由此完成了能量的储存过程。

此外，本实施例的光热储能发电系统还包括：

耦合光热装置8，耦合光热装置8用于收集太阳能光热，并将收集到的热能输出至液态空气，为所述液态空气气化提供高温环境。耦合光热装置8强太阳能光热收集后为液态空气气化提供高温条件，从而有效的提高了也太空气的气化速率，并且太阳能光热的收集和输送成本较低，相比于其他补充热能的方式，太阳能光热显然根据经济优势。具体地，耦合光热装置8中收集的热能可以和上述气态空气压缩过程中收集的热能一同储存在热能回收装置当中，再在液态空气气化过程中，将热能通过换热装置13进行热交换。

能量的释放过程为：

液态空气储存在液化空气储罐中，液态空气通过深冷泵输出至气化装置6中，所述气化装置6优选为蒸发器。气化装置6能够对液态空气加压，从而促使液态空气发生气化膨胀，于此同时，由于储热罐和所述气化装置6通过换热装置13相连，将储能过程中收集的热能和耦合光热装置8收集的热能交换给液态空气，从而促进液态空气气化速率的提升，并提高气态空气的焓值，提高所述气态空气的做功效率和动态响应速度。

在液态空气气化的同时，冷能回收装置9对液态空气气化所产生的冷能进行收集，由于冷能回收装置9和第二空气压缩装置4之间通过换冷器相连，冷能回收装置9中收集到的冷能能够用于储能过程中，第一空气压缩装置2和第二空气压缩装置4内。进一步，液态空气气化成气态以后，能够驱动膨胀机组7膨胀做功，从而完成了释能过程。

作为一种优选的实施方式，所述热能回收装置为至少一个储热罐，所述储热罐12连接所述耦合光热装置8和所述热能回收装置。换热装置13分别连接所述储热罐12和气化装置6；所述换热装置13内存储有换热流体，所述储热罐12中的热能与所述换热流体发生热交换，所述换热流体将其携带的热能输出至所述气化装置6中。

在实际工作过程中，液态空气是通过多次膨胀过程完成气化的，例如，本实施例中使用的光热点原动机7为蒸汽轮机、燃气轮机或斯特林机中的一种或任意两种或三种。换热装置13即可同上述蒸汽轮机、燃气轮机或斯特林机相连接，为液态空气完成气化提供热能。

现有技术中，光热电站受太阳辐射的波动性和随机性影响，往往不能持续稳定输电，本实施例的光热储能发电系统将深冷液化空气储能系统和光热电站结合使用，通过光热电站的引入解决了深冷液化空气储能系统的用热需求；而通过深冷液化空气储能系统解决了光热电站受太阳辐射波动性、随机性影响的问题。

此外，解决深冷液化空气的储能转化率低、转化速率慢的技术手段往往是：利用压缩机的压缩热进行蓄热存储以提高用于膨胀发电的气体温度；需要增加储热换热设备，增加系统造价，而且由于压缩端对于高品位压缩热的需求造成设备造价提高，因此系统效率的提升成本进一步提高，压缩空气储能系统大型洞穴式储气室等会受到地震等地质灾害的影响。而本实施例中，通过耦合光热装置8的设置，使得液态空气的转化率和转化速率有显著提升，而不需要增加造价昂贵的储热换热设备，也显著降低了成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种耦合太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法，包括以下步骤：

步骤1：利用电能将气态空气在低温高压条件下转化为液态空气，收集所述液态空气，并收集该转化过程中释放的热能，被收集的所述热能用于为步骤2提供高温条件；

步骤2：将收集到的所述液态空气在高温高压条件下转化为气态空气，并收集该转化过程中释放的冷能，被收集的所述冷能用于为步骤1提供低温条件；

其特征在于，还包括：

步骤3：收集并储存太阳能光热，使用所述太阳能光热和所述步骤1中所收集的热能共同为所述步骤2提供高温条件。

2.根据权利要求1所述的耦合太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法，其特征在于：

所述步骤3还包括：将所述太阳能光热和所述步骤1中收集的热能一同或分别储存。

3.根据权利要求2所述的耦合太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法，其特征在于：

所述步骤3中收集并储存太阳能光热后，还：将所述太阳能光热和所述步骤1中收集的热能与换热流体进行热交换，所述换热流体将其携带的热能释放至进行步骤2的环境中。

4.根据权利要求2或3所述的耦合太阳能光热技术的深冷液态空气的储能方法，其特征在于：

所述换热流体为水。

5.一种耦合太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，包括：

能量输入装置(1)，用于为储能系统中输入能量；

第一空气压缩装置(2)，受所述能量输入装置(1)驱动将气态空气进行一级压缩；

空气净化装置(3)，对一级压缩的所述气态空气进行净化；

第二空气压缩装置(4)，受所述能量输入装置(1)驱动对经过一级压缩的所述气态空气进行二级压缩成液态空气，并收集；

热能回收装置，对二级压缩过程中产生的热能进行收集，并在气化过程中将收集的热量输入到气化装置(6)中；气化装置(6)，对液态空气加压，并接收所述热能回收装置提供的热能，以使液态空气气化；

冷能回收装置(9)，对所述气化装置(6)中液态空气气化过程中产生的冷能进行收集，并能够将收集的冷能输出至第一空气压缩装置(4)中；

光热电站原动机(7)，受所述液态空气气化驱动做功发电；

其特征在于：

还包括耦合光热装置(8)，所述耦合光热装置(8)用于收集太阳能光热，并将收集到的热能输出至液态空气，为所述液态空气气化提供高温环境。

6.根据权利要求5所述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，其特征在于：

所述热能回收装置为至少一个储热罐，所述储热罐(12)连接所述耦合光热装置(8)和所述热能回收装置。

7.根据权利要求6所述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，其特征在于：

还包括换热装置(13)，所述换热装置(13)分别连接所述储热罐(12)和气化装置(6)；所述换热装置(13)内存储有换热流体，所述储热罐(12)中的热能与所述换热流体发生热交换，所述换热流体将其携带的热能输出至所述气化装置(6)中。

8.根据权利要求5所述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，其特征在于：

所述能量输入装置(1)为电动机，其将电能转化为机械能并带动所述第一空气压缩装置(2)和第二空气压缩装置和液化装置(4)做功。

9.根据权利要求8所述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，其特征在于：

所述第一空气压缩装置(2)为低压压缩机；

所述第二空气压缩装置和液化装置(4)为高压压缩机。

10.根据权利要求5所述的太阳能光热技术的深冷液态空气的储能系统，其特征在于：

所述光热电站原动机(7)为蒸汽轮机、燃气轮机或斯特林机中的一种或任意两种或三种。