專利名稱：電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電能儲存、利用的裝置及方法，特別涉及一種電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前所使用的壓縮空氣蓄能裝置(Compressed Air Energy Storage)，簡稱為CAES，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在現(xiàn)有的這種蓄能模式里，發(fā)電機(jī)2也兼電動機(jī)2′的功能，它位于燃?xì)馔钙?與壓縮機(jī)1之間，以離合器與壓縮機(jī)1和燃?xì)馔钙?相連。在儲能過程中，電動機(jī)2′與壓縮機(jī)1相連，富余的電力通過電動機(jī)2′帶動壓縮機(jī)1向儲氣室6注入壓縮空氣，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈮嚎s能。在電能短缺，需補(bǔ)充發(fā)電的過程里，發(fā)電機(jī)2與燃?xì)馔钙?相連，從儲氣室6中流出的空氣經(jīng)換熱器5預(yù)熱后，進(jìn)一步在燃燒室4中加熱，并與燃料燃燒后的產(chǎn)物一起進(jìn)入燃?xì)馔钙?做功，以帶動發(fā)電機(jī)2。這樣，在所補(bǔ)充燃料做功的同時，也釋放出壓縮空氣所蓄電能。據(jù)美國電力科學(xué)研究院報告，現(xiàn)有的這種壓縮空氣蓄能(CAES)裝置的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律是0.8Kw·h的非高峰電能再加3794KJ的天然氣，則能提供1Kw·h的高峰電能，即CAES的能量轉(zhuǎn)換利用效率為54％。這明顯低于抽水蓄能68～75％的能量轉(zhuǎn)換利用效率。并且CAES系統(tǒng)中燃燒生成物的排放也造成一定的環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，能夠顯著提高蓄能過程中的能量轉(zhuǎn)換利用效率，同時避免對環(huán)境造成有害氣體排放的電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能裝置及方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明在壓縮機(jī)與回?zé)崞鏖g串聯(lián)有儲氣室和空氣-水熱交換器，由儲氣室內(nèi)的加熱管將壓縮空氣攜帶的熱能傳遞給熱媒介質(zhì)——水，通過空氣-水熱交換器的水通道向外界供熱；在壓縮機(jī)與冷量交換器間還聯(lián)接有空氣透平，從儲氣室流出的空氣經(jīng)空氣-水熱交換器的空氣通道和回?zé)崞鞯臒峥諝馔ǖ?，被冷卻后進(jìn)入空氣透平膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將儲存的空氣壓縮能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時，膨脹后的空氣獲得的低溫通過冷量交換器的冷空氣通道將冷量傳遞給用戶，流出冷量交換器冷空氣通道的空氣再流經(jīng)回?zé)崞鞯睦淇諝馔ǖ酪岳鋮s空氣透平的進(jìn)氣，然后排向大氣。
本發(fā)明的裝置包括兼作電動機(jī)的發(fā)電機(jī)以及與電動機(jī)的輸出端相聯(lián)接的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的出口通過管道與儲氣室相聯(lián)通，其特點(diǎn)是，在儲氣室和回?zé)崞髦g還設(shè)置有空氣-水熱交換器，儲氣室內(nèi)設(shè)置有加熱管，加熱管的入口端與水源相聯(lián)通，出口端與空氣-水熱交換器的水通道入口端相聯(lián)通，空氣-水熱交換器的空氣通道入口端通過管道與壓縮機(jī)相聯(lián)通，出口端與回?zé)崞鞯臒峥諝馔ǖ老嗦?lián)通，回?zé)崞鞯臒峥諝馔ǖ莱隹诙送ㄟ^管道與空氣透平的進(jìn)氣口相聯(lián)通，空氣透平的動力輸出軸與發(fā)電機(jī)相連接，空氣透平的出氣口通過管道與冷量交換器的冷空氣通道入口端相聯(lián)接，冷量交換器的冷空氣通道出口端通過管道又與回?zé)崞鞯睦淇諝馔ǖ廊肟诙讼嗦?lián)接；空氣-水熱交換器與壓縮機(jī)相聯(lián)的管道上設(shè)置有控制閥，儲氣室與壓縮機(jī)相聯(lián)接的管道上及儲氣室與空氣-水熱交換器相聯(lián)接的管道上也分別設(shè)置有控制閥和控制閥。
由于本發(fā)明采用空氣透平代替現(xiàn)有技術(shù)中的帶有燃燒室的燃?xì)馔钙?，壓縮空氣在空氣透平中膨脹輸出發(fā)電動力的同時，還輸出冷量，用于空調(diào)或冷凍；另外，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后的空氣溫度可高達(dá)220℃，該低品位的熱能也以提供熱水供用戶使用的方式加以利用。本發(fā)明在釋放出所蓄電能的過程中實(shí)現(xiàn)了電熱冷三聯(lián)產(chǎn)，獲取了供實(shí)用的熱量、冷量，并且它們單獨(dú)獲取時需要的電能消耗被節(jié)省，因而顯著提高蓄能——再釋放過程中的能量轉(zhuǎn)換利用效率，在這一過程里，對環(huán)境不造成任何污染。
四

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的壓縮空氣蓄能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖2，本發(fā)明包括兼作電動機(jī)的發(fā)電機(jī)2，發(fā)電機(jī)2的輸出端與壓縮機(jī)1相連接，發(fā)電機(jī)2的輸入端與空氣透平7相聯(lián)接，壓縮機(jī)1的出口通過管道與空氣-水熱交換器10的空氣通道相聯(lián)接，且在其管道上設(shè)置有控制閥13，儲氣室6通過控制閥12和控制閥14并聯(lián)在壓縮機(jī)1出口和空氣-水熱交換器10的空氣通道入口之間，儲氣室6內(nèi)設(shè)置有加熱管11，加熱管11的入口端與水源相聯(lián)通，出口端與空氣-水熱交換器10的水通道入口端相聯(lián)通，空氣-水熱交換器10的水通道出口端與用戶相聯(lián)，空氣-水熱交換器10的空氣通道出口端與回?zé)崞?的熱空氣通道入口端相聯(lián)通，回?zé)崞?的熱空氣通道出口端通過管道與空氣透平7的進(jìn)氣口相聯(lián)通，空氣透平7的動力輸出軸與發(fā)電機(jī)2相連接，空氣透平7的出氣口通過管道與冷量交換器8的冷空氣通道入口端相聯(lián)接，冷量交換器8的冷空氣通道出口端又與回?zé)崞?的冷空氣通道入口端相聯(lián)接，冷量交換器8的熱空氣通道入口端與空調(diào)室相連接，其出口端也與空調(diào)室相連。
本發(fā)明在蓄能過程中，兼作發(fā)電機(jī)的電動機(jī)2與壓縮機(jī)1相連，打開控制閥12，關(guān)閉控制閥13、14，壓縮機(jī)1向儲氣室6注入壓縮空氣，從而使富余的電力轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈮嚎s能，壓縮空氣攜帶的熱能，通過儲氣室6中的水加熱管11傳遞給熱媒介質(zhì)——水，通過空氣-水熱交換器10的水通道向外界供熱；在用電的高峰期，發(fā)電機(jī)2與空氣透平7相連，關(guān)閉控制閥12，打開控制閥13、14，從儲氣室6流出的空氣經(jīng)空氣——水熱交換器10再次釋放熱能，并經(jīng)回?zé)崞?進(jìn)一步被冷卻后進(jìn)入空氣透平7膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)2發(fā)電，將儲存的空氣壓縮能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觯诖送瑫r，膨脹后的空氣獲得了低溫，在冷量交換器8中將冷量傳遞給來自空調(diào)室或冷庫的冷媒，向用戶供冷，然后經(jīng)回?zé)崞?再次釋放冷量，并最終排入大氣。當(dāng)控制閥12、14關(guān)閉，僅打開控制閥13時，流經(jīng)壓縮機(jī)1、空氣透平7的空氣流量相等，此時因壓縮機(jī)耗功大于空氣透平的膨脹功，發(fā)電機(jī)2處于電動機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)僅向外界提供冷量與熱能。
本發(fā)明采用一臺功率為221.3Kw的壓縮機(jī)，在非用電高峰時消耗221.3Kw·h的電能，將大氣狀態(tài)(20℃，0.1013Mpa)、3000Nm3的空氣壓縮至0.4559MPa，并使該數(shù)量空氣溫度升高至221℃，其向外界提供82℃熱水，考慮一定的傳熱溫差，則該數(shù)量空氣被冷卻至85℃時可向外界供熱140Kw·h；并且在用電高峰時通過空氣透平膨脹儲存的壓縮空氣可獲得101.8Kw·h的電能；同時膨脹后的空氣獲得-44.7℃的低溫，它被用于空調(diào)時釋放出冷量，溫度若升至12℃，則可提供58.41Kw·h的冷量，如制冷系數(shù)以3計(jì)，獲取該冷量需耗電58.413Kw·h]]>。由此得本發(fā)明蓄能過 本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換利用效率是現(xiàn)有的CAES系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換利用效率的2.187倍；同時，因系統(tǒng)工質(zhì)為空氣，它在蓄能與提供電能、熱能、冷量時不對環(huán)境形成任何污染。
權(quán)利要求
1.一種電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能方法，其特征在于在壓縮機(jī)與回?zé)崞鏖g串聯(lián)有儲氣室和空氣-水熱交換器，由儲氣室內(nèi)的加熱管將壓縮空氣攜帶的熱能傳遞給熱媒介質(zhì)——水，通過空氣-水熱交換器的水通道向外界供熱；在壓縮機(jī)與冷量交換器間還聯(lián)接有空氣透平，從儲氣室流出的空氣經(jīng)空氣-水熱交換器的空氣通道和回?zé)崞鞯臒峥諝馔ǖ溃焕鋮s后進(jìn)入空氣透平膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將儲存的空氣壓縮能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時，膨脹后的空氣獲得的低溫通過冷量交換器的冷空氣通道將冷量傳遞給用戶，流出冷量交換器冷空氣通道的空氣再流經(jīng)回?zé)崞鞯睦淇諝馔ǖ酪岳鋮s空氣透平的進(jìn)氣，然后排向大氣。
2.一種電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能裝置，包括兼作電動機(jī)的發(fā)電機(jī)[2]以及與電動機(jī)[2]的輸出端相聯(lián)接的壓縮機(jī)[1]，壓縮機(jī)[1]的出口通過管道與儲氣室[6]相聯(lián)通，其特征在于在儲氣室[6]和回?zé)崞鱗9]之間還設(shè)置有空氣一水熱交換器[10]，儲氣室[6]內(nèi)設(shè)置有加熱管[11]，加熱管[11]的入口端與水源相聯(lián)通，出口端與空氣一水熱交換器[10]的水通道入口端相聯(lián)通，空氣一水熱交換器[10]的空氣通道入口端通過管道與壓縮機(jī)[1]相聯(lián)通，出口端與回?zé)崞鱗9]的熱空氣通道相聯(lián)通，回?zé)崞鱗9]的熱空氣通道出口端通過管道與空氣透平[7]的進(jìn)氣口相聯(lián)通，空氣透平[7]的動力輸出軸與發(fā)電機(jī)[2]相連接，空氣透平[7]的出氣口通過管道與冷量交換器[8]的冷空氣通道入口端相聯(lián)接，冷量交換器[8]的冷空氣通道出口端通過管道又與回?zé)崞鱗9]的冷空氣通道入口端相聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能裝置，其特征在于所說的空氣-水熱交換器[10]與壓縮機(jī)[1]相聯(lián)的管道上設(shè)置有控制閥[13]，儲氣室[6]與壓縮機(jī)[1]相聯(lián)接的管道上及儲氣室[6]與空氣-水熱交換器[10]相聯(lián)接的管道上也分別設(shè)置有控制閥[12]和控制閥[14]。
全文摘要
電熱冷聯(lián)產(chǎn)的壓縮空氣蓄能裝置及方法，它是在壓縮機(jī)與回?zé)崞鏖g串聯(lián)有儲氣室和空氣－水熱交換器，由儲氣室內(nèi)的加熱管將壓縮空氣攜帶的熱能傳遞給熱媒介質(zhì)，通過空氣－水熱交換器的水通道向外界供熱；在壓縮機(jī)與冷量交換器間還聯(lián)接有空氣透平，從儲氣室流出的空氣經(jīng)空氣－水熱交換器的空氣通道和回?zé)崞鞯臒峥諝馔ǖ?，被冷卻后進(jìn)入空氣透平膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將儲存的空氣壓縮能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時，膨脹后的空氣獲得的低溫通過冷量交換器的冷空氣通道將冷量傳遞給用戶，流出冷量交換器冷空氣通道的空氣再流經(jīng)回?zé)崞鞯睦淇諝馔ǖ酪岳鋮s空氣透平的進(jìn)氣，然后排向大氣。
文檔編號F02C6/00GK1482349SQ0313439
公開日2004年3月17日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者郭新生, 付秦生, 郭中緯, 趙知辛 申請人:西安交通大學(xué)