一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)以用戶的熱量和冷量需求為主要目標(biāo)，利用了壓縮氣體產(chǎn)生的過(guò)程熱和氣體膨脹造成的低溫冷量完成熱和冷的供給，同時(shí)輔助輸出一定電量。該系統(tǒng)以稀有氣體為工質(zhì)，借助稀有氣體氣態(tài)-超臨界狀態(tài)-氣態(tài)的狀態(tài)變化，有效降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，減少了儲(chǔ)能系統(tǒng)成本，且保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性；同時(shí)利用閥門(mén)切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)數(shù)的變化，控制系統(tǒng)的冷熱電輸出量，以實(shí)現(xiàn)冷和熱量供給與需求的平衡。該系統(tǒng)可以與風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源聯(lián)合使用，在運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生其他污染物，有較好的節(jié)能和環(huán)保效益。
【專利說(shuō)明】一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及儲(chǔ)能技術(shù)與分布式供能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說(shuō)，是一種以壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)，利用稀有氣體的跨臨界特性實(shí)現(xiàn)以供熱、冷為主，供電為輔的分布式能源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電、熱、冷是維持人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的三種重要的能量形式。一般而言，電能是人類社會(huì)最核心的能源，同時(shí)也是供應(yīng)量最為充足的能量形式，電能不僅可以直接供應(yīng)用戶，還可以利用其他裝置轉(zhuǎn)化為熱能或者冷能。而隨著人類生活水平的提高，人類對(duì)生活舒適度的要求升高，因此對(duì)熱和冷的需求急劇增加。雖然電能可轉(zhuǎn)化為熱能或冷能，但該過(guò)程造成的能量品位的降低造成了能源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，優(yōu)先考慮滿足用戶的熱能和冷能需求是未來(lái)分布式供能系統(tǒng)能源利用的一項(xiàng)重要目標(biāo)。
[0003]壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是上世紀(jì)五六十年代發(fā)展起來(lái)的一種以燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的能量存儲(chǔ)技術(shù)，目前已被一些學(xué)者發(fā)掘出其用于分布式供能領(lǐng)域的潛力。主要的方法是將空氣進(jìn)行壓縮，利用化石燃料加熱壓縮空氣完成膨脹做功發(fā)電，透平機(jī)出口溫度較高的空氣(400-600K)分別進(jìn)行制冷和供熱。該方式有效利用了透平機(jī)出口空氣的廢熱，減少了能量的浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)的整體效率。但其對(duì)化石燃料的利用也不可避免地造成了環(huán)境污染問(wèn)題。因此，如何減少或避免儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)化石能源的利用而實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供也是儲(chǔ)能技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0004]在傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)中，壓氣機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)程熱，但該部分熱量一般都被冷卻水帶走而浪費(fèi)掉；若將壓力較高，溫度較低的空氣進(jìn)行膨脹，不僅可以得到一定的電量輸出，同時(shí)膨脹機(jī)出口空氣溫度較低，理論上可用于制冷。因此壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在不利用化石燃料而實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供的可能性。不過(guò)，對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的介質(zhì)——空氣而言，其來(lái)源方便，儲(chǔ)量充足，且有一定的可壓縮性，但由于其密度較小，臨界壓力、溫度較高，當(dāng)需要壓縮至較高壓力時(shí)會(huì)造成透平機(jī)械的設(shè)計(jì)復(fù)雜化和困難化，而在未達(dá)到超臨界狀態(tài)下需要的存儲(chǔ)容積亦較大，因此造成儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難、成本較高。同時(shí)由于空氣內(nèi)部組分復(fù)雜，在以低溫狀態(tài)下進(jìn)行膨脹制冷時(shí)容易出現(xiàn)液化和組分分離情況，影響系統(tǒng)的運(yùn)行安全，這是以空氣為存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行冷熱電聯(lián)供的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題。因此，如果儲(chǔ)能技術(shù)能以密度較大，且容易實(shí)現(xiàn)超臨界狀態(tài)的純氣體為工質(zhì)，就可以避免上述問(wèn)題的發(fā)生。
[0005]以稀有氣體為代表的惰性氣體是滿足上述要求的一種工質(zhì)選擇。稀有氣體一般利用空氣分離技術(shù)作為副產(chǎn)物從空氣中分離，在常溫和常壓下稀有氣體均無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭，化學(xué)性質(zhì)幾乎都是惰性的，其臨界參數(shù)如表I中所示?？梢钥闯?，稀有氣體的臨界壓力較小，當(dāng)壓縮至60atm且溫度為環(huán)境溫度時(shí)，稀有氣體即可變?yōu)槌R界狀態(tài)，其密度也比同狀態(tài)下的壓縮空氣大幾十倍至幾百倍，同時(shí)兼有氣體和液體的雙重特性，具有更好的流動(dòng)性和傳輸特性?？紤]到稀有氣體的上述優(yōu)秀的物理和化學(xué)特性，當(dāng)以壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)，以任意一種稀有氣體為存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，不僅可以利用稀有氣體的高密度特性降低如透平機(jī)械、換熱器、儲(chǔ)氣罐等系統(tǒng)核心部件的設(shè)計(jì)難度，減小儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)規(guī)模，大大降低系統(tǒng)的研發(fā)成本與維護(hù)成本，還也可以避免低溫空氣膨脹造成的空氣液化和組分分離問(wèn)題進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性和可操作性。
[0006]表1惰性氣體臨界參數(shù)
[0007]
【權(quán)利要求】
1.一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，包括:稀有氣體供應(yīng)單元、稀有氣體壓縮儲(chǔ)能單元、稀有氣體膨脹釋能單元、載熱介質(zhì)循環(huán)回路，其特征在于， 所述稀有氣體供應(yīng)單元包括常壓稀有氣體存儲(chǔ)器(I); 所述稀有氣體壓縮儲(chǔ)能單元包括低壓級(jí)壓氣機(jī)(2)、中壓級(jí)壓氣機(jī)(3)、高壓級(jí)壓氣機(jī)(4)及高壓氣體儲(chǔ)氣罐(22)，其中， -所述低壓級(jí)壓氣機(jī)(2 )的進(jìn)氣口通過(guò)管路與所述常壓稀有氣體存儲(chǔ)器(I)的出氣口連通，所述低壓級(jí)壓氣機(jī)(2)產(chǎn)生的高壓氣體穿過(guò)低壓級(jí)冷卻器(8)的熱流體側(cè)后，一部分經(jīng)帶有壓縮端低壓級(jí)開(kāi)關(guān)閥(14)的氣體管路通入所述高壓氣體儲(chǔ)氣罐(22)，另一部分經(jīng)帶有壓縮端低壓級(jí)速啟/速關(guān)閥(17)的氣體管路通入所述中壓級(jí)壓氣機(jī)(3)的進(jìn)氣口， 一所述中壓級(jí)壓氣機(jī)(3)產(chǎn)生的高壓氣體穿過(guò)中壓級(jí)冷卻器(9)的熱流體側(cè)后，一部分經(jīng)帶有壓縮端中壓級(jí)開(kāi)關(guān)閥(15)的氣體管路通入所述高壓氣體儲(chǔ)氣罐(22)，另一部分經(jīng)帶有壓縮端中壓級(jí)速啟/速關(guān)閥(18)的氣體管路通入所述高壓級(jí)壓氣機(jī)(4)的進(jìn)氣口， 一所述高壓級(jí)壓氣機(jī)(4)產(chǎn)生的高壓氣體穿過(guò)高壓級(jí)冷卻器(10)的熱流體側(cè)后，經(jīng)帶有壓縮端高壓級(jí)開(kāi)關(guān)閥(16)的氣體管路通入所述高壓氣體儲(chǔ)氣罐(22); 所述稀有氣體膨脹釋能單元包括高壓級(jí)膨脹機(jī)(41)、中壓級(jí)膨脹機(jī)(42)及低壓級(jí)膨脹機(jī)(43)，其中， 一所述高壓氣體儲(chǔ)氣罐(22)儲(chǔ)存的高壓氣體，一部分經(jīng)設(shè)有膨脹端高壓級(jí)開(kāi)關(guān)閥(32)的氣體管路通入高壓級(jí)換熱器(38)的冷流體側(cè)后通入所述高壓級(jí)膨脹機(jī)(41)，另一部分經(jīng)設(shè)有膨脹端高壓級(jí)速啟/速關(guān)閥(35)的氣體管路通入所述高壓級(jí)膨脹機(jī)(41)， 一所述高壓級(jí)膨脹機(jī)(41)膨脹后的氣體，一部分經(jīng)帶有膨脹端中壓級(jí)開(kāi)關(guān)閥(33)的氣體管路通入儲(chǔ)冷罐(50)，另一部分經(jīng)帶有膨脹端中壓級(jí)速啟/速關(guān)閥(36)的氣體管路通入中壓級(jí)換熱器(39)的冷流體側(cè)后進(jìn)入所述中壓級(jí)膨脹機(jī)(42)， 一所述中壓級(jí)膨脹機(jī)(42)膨脹后的氣體，一部分經(jīng)帶有膨脹端低壓級(jí)開(kāi)關(guān)閥(34)的氣體管路通入儲(chǔ)冷罐(50 )，另一部分經(jīng)帶有膨脹端低壓級(jí)速啟/速關(guān)閥(37 )的氣體管路通入低壓級(jí)換熱器(40 )的冷流體側(cè)后進(jìn)入所述低壓級(jí)膨脹機(jī)(43 )， -所述低壓級(jí)膨脹機(jī)(43 )膨脹后的氣體通過(guò)儲(chǔ)冷罐(50 )后流入常壓稀有氣體存儲(chǔ)器(O; 所述載熱介質(zhì)循環(huán)回路包括載熱介質(zhì)供應(yīng)罐(23)、儲(chǔ)熱罐(24)，所述載熱介質(zhì)供應(yīng)罐(23)中的載熱介質(zhì)經(jīng)管路分別通入低壓級(jí)冷卻器(8)、中壓級(jí)冷卻器(9)、高壓級(jí)冷卻器(10)的冷流體側(cè)后進(jìn)入所述儲(chǔ)熱罐(24)，所述儲(chǔ)熱罐(24)中的載熱介質(zhì)經(jīng)管路分別通入高壓級(jí)換熱器(38 )、中壓級(jí)換熱器(39 )、低壓級(jí)換熱器(40 )的熱流體側(cè)后進(jìn)入所述載熱介質(zhì)供應(yīng)罐(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述載熱介質(zhì)供應(yīng)罐(23 )通過(guò)一共同的低溫載熱介質(zhì)供應(yīng)管路將載熱介質(zhì)分送至低壓級(jí)冷卻器(8)、中壓級(jí)冷卻器(9)、高壓級(jí)冷卻器(10)的冷流體側(cè)，位于所述低壓級(jí)冷卻器(8)和中壓級(jí)冷卻器(9)之間的供應(yīng)管路上設(shè)有中壓級(jí)冷卻器開(kāi)關(guān)閥(19)，位于所述中壓級(jí)冷卻器(9)和高壓級(jí)冷卻器(10)之間的供應(yīng)管路上設(shè)有高壓級(jí)冷卻器開(kāi)關(guān)閥(20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)熱罐(24 )通過(guò)一共同的高溫載熱介質(zhì)供應(yīng)管路將載熱介質(zhì)分送至高壓級(jí)換熱器(38)、中壓級(jí)換熱器(39)、低壓級(jí)換熱器(40)的熱流體側(cè)，所述供應(yīng)管路上串接有高壓級(jí)換熱器開(kāi)關(guān)閥(47)、中壓級(jí)換熱器開(kāi)關(guān)閥(48)、低壓級(jí)換熱器開(kāi)關(guān)閥(49)，其中，所述高壓級(jí)換熱器開(kāi)關(guān)閥(47)設(shè)置在所述儲(chǔ)熱罐(24)和高壓級(jí)換熱器(38)之間的供應(yīng)管路上，所述中壓級(jí)換熱器開(kāi)關(guān)閥(48)設(shè)置在所述高壓級(jí)換熱器(38)和中壓級(jí)換熱器(39)之間的供應(yīng)管路上，所述低壓級(jí)換熱器開(kāi)關(guān)閥(49)設(shè)置在所述中壓級(jí)換熱器(39)和低壓級(jí)換熱器(40)之間的供應(yīng)管路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述低壓級(jí)冷卻器(8)的熱流體側(cè)出口處的管路上設(shè)有壓縮端低壓級(jí)止回閥(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述中壓級(jí)冷卻器(9)的熱流體側(cè)出口處的管路上設(shè)有壓縮端中壓級(jí)止回閥(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓級(jí)冷卻器(10)的熱流體側(cè)出口處的管路上設(shè)有壓縮端高壓級(jí)止回閥(13)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓氣體儲(chǔ)氣罐(22)的進(jìn)氣口處的管路上設(shè)有安全閥(21)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓級(jí)膨脹機(jī)(41)的出氣口處的管路上設(shè)有膨脹端中壓級(jí)止回閥(30)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述 以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述中壓級(jí)膨脹機(jī)(42)的出氣口處的管路上設(shè)有膨脹端低壓級(jí)止回閥(31)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)冷罐(50)和稀有氣體存儲(chǔ)器(I)之間的氣體管路上設(shè)有減壓閥(55)，和/或過(guò)濾器(56)，和/或干燥器(57)。
【文檔編號(hào)】F25B41/04GK203518328SQ201320530346
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】楊科, 張遠(yuǎn), 李雪梅, 徐建中 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所