本發(fā)明涉及壓縮空氣儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液化空氣儲能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術(shù)提出的一種能量存儲系統(tǒng)。空氣經(jīng)空氣壓縮機壓縮后，在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫，然后高溫高壓的燃氣進入透平膨脹做功。燃氣輪機的壓氣機需要消耗約2/3的透平輸出功，因此，燃氣輪機的凈輸出功遠小于透平的輸出功。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機和透平不同時工作，在儲能時，壓縮空氣儲能系統(tǒng)用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中。在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室利用燃料燃燒加溫，驅(qū)動透平發(fā)電。由于儲能與釋能分時工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃氣輪機系統(tǒng)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力。壓縮空氣儲能具有適用于大型系統(tǒng)(100MW級以上)、儲能周期不受限制、系統(tǒng)成本低、壽命長等優(yōu)點。但是，傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)(CAES)系統(tǒng)需要特定的地理條件建造大型儲氣室，如巖石洞穴、鹽洞、廢舊礦井等，或是對化石燃料依賴比較高，從而大大限制了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。目前，為了解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)面臨的依賴大型儲氣室問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者分別開展了液化空氣儲能系統(tǒng)的研究，使空氣儲能系統(tǒng)脫離對大型儲氣室的依賴。但是，由于將空氣液化將消耗大量的能量，導(dǎo)致系統(tǒng)效率有所降低。目前，液化空氣儲能系統(tǒng)效率只有40％。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種占地少，投資低，運行安全及效率高的電能存儲系統(tǒng)，適合于可再生能源發(fā)電的存儲以及電力部門的移峰填谷。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種新型液化空氣儲能系統(tǒng)，包括壓縮裝置、液化空氣制備裝置、蓄冷換熱裝置和透平裝置，所述壓縮裝置的出口經(jīng)過液化空氣制備裝置連接至透平裝置，所述蓄冷換熱裝置與壓縮裝置和透平裝置均連接，所述的蓄冷換熱裝置儲存空氣壓縮過程中的壓縮熱，所述的壓縮裝置將空氣壓縮后送入液化空氣制備裝置制備成液態(tài)空氣，所述的液態(tài)空氣經(jīng)過蓄冷換熱裝置加熱氣化后驅(qū)動所述透平裝置做功，所述的新型液化空氣儲能系統(tǒng)還包括第三蓄熱器和第五蓄熱器，其中：所述第三蓄熱器的一側(cè)與蓄冷換熱裝置連接，所述液化空氣制備裝置的氣體出口通過第三蓄熱器的另一側(cè)與所述壓縮裝置的入口連接，所述第三蓄熱器加熱經(jīng)過液化空氣制備裝置后的氣態(tài)空氣后送入壓縮裝置入口，所述蓄冷換熱裝置加熱液態(tài)空氣后的余熱存儲在第三蓄熱器中，所述的第五蓄熱器的一側(cè)存儲熱，所述蓄冷換熱裝置經(jīng)過第五蓄熱器的另一側(cè)換熱后與透平機組連接，經(jīng)過蓄冷換熱裝置加熱升溫后的液態(tài)空氣通過第五蓄熱器再加熱后驅(qū)動透平裝置做功。

所述的液化空氣制備裝置包括膨脹機、氣液分離器和液化空氣罐，所述壓縮裝置的出口通過膨脹機連通氣液分離器的氣體入口，所述氣液分離器液體出口連通液化空氣罐，所述液化空氣罐通過管道依次與低溫泵和所述蓄冷換熱裝置連接，所述氣液分離器氣體出口通過第十一換熱器與第三蓄熱器換熱后與連通所述壓縮裝置的入口。

所述的壓縮裝置為二級空氣壓縮機，所述的蓄冷換熱裝置包括第一蓄熱器、第二蓄熱器和第四蓄熱器，所述第一蓄熱器和第二蓄熱器分別通過第一換熱器和第二換熱器存儲二級壓縮機壓縮空氣過程中的壓縮熱，所述第四蓄熱器依次通過第五換熱器和第六換熱器存儲所述二級壓縮機壓縮空氣過程中產(chǎn)生的級間熱，所述第一蓄熱器、第二蓄熱器和第四蓄熱器依次對制備成的液態(tài)空氣進行加熱升溫。

所述透平裝置包括三級透平機，所述蓄冷換熱裝置分別通過第八換熱器、第九換熱器、第十換熱器對三級透平機級間的液化空氣進行加熱。

所述的透平裝置的出口與第七換熱器的一側(cè)連通，所述蓄冷換熱裝置通過第七換熱器的另一側(cè)后連通所述透平裝置。

所有上述換熱器的工作溫度范圍為-196℃～1000℃。

所述的膨脹機使用的介質(zhì)處于零下196℃的溫度及18MPa壓力環(huán)境下。

所述的第四蓄熱器所處的溫度小于400℃。

所述的第三蓄熱器所處的溫度為100℃～190℃。。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明通過設(shè)有第三蓄熱器加熱經(jīng)過液化空氣制備裝置后的氣態(tài)空氣后送入壓縮裝置入口和第五蓄熱器，第五蓄熱器利用谷電或棄用電進行以熱量的形式存儲在第五蓄熱器中，將經(jīng)過蓄冷換熱裝置加熱升溫后的液態(tài)空氣進行再加熱，因此，液態(tài)空氣能量密度高，同時儲存占地面積小，回收壓縮熱和冷量火用可以減少系統(tǒng)能源消耗，大大提高了發(fā)電效率，其加熱效率和天然氣加熱相同，但本系統(tǒng)不依賴于化石燃料，不帶來環(huán)境污染，效率卻與有天然氣補燃的相同甚至更高，充放電效率最高可達80％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種液化空氣儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。

一種新型液化空氣儲能系統(tǒng)，包括壓縮裝置、液化空氣制備裝置、蓄冷換熱裝置和透平裝置，所述壓縮裝置的出口經(jīng)過液化空氣制備裝置連接至透平裝置，所述蓄冷換熱裝置與壓縮裝置和透平裝置均連接，所述的蓄冷換熱裝置儲存空氣壓縮過程中的壓縮熱，所述的壓縮裝置將空氣壓縮后送入液化空氣制備裝置制備成液態(tài)空氣，所述的液態(tài)空氣經(jīng)過蓄冷換熱裝置加熱氣化后驅(qū)動所述透平裝置做功，所述的新型液化空氣儲能系統(tǒng)還包括第三蓄熱器S3和第五蓄熱器S5，其中：所述第三蓄熱器S3的一側(cè)與蓄冷換熱裝置連接，所述液化空氣制備裝置的氣體出口通過第三蓄熱器S3的另一側(cè)與所述壓縮裝置的入口連接，所述第三蓄熱器S3加熱經(jīng)過液化空氣制備裝置后的氣態(tài)空氣后送入壓縮裝置入口，所述蓄冷換熱裝置加熱液態(tài)空氣后的余熱存儲在第三蓄熱器S3中，所述的第五蓄熱器S5的一側(cè)存儲熱，所述蓄冷換熱裝置經(jīng)過第五蓄熱器S5的另一側(cè)換熱后與透平機組連接，經(jīng)過蓄冷換熱裝置加熱升溫后的液態(tài)空氣通過第五蓄熱器S5再加熱后驅(qū)動透平裝置做功。

所述的液化空氣制備裝置包括膨脹機3、氣液分離器4和液化空氣罐5，所述壓縮裝置的出口通過膨脹機3連通氣液分離器4的氣體入口，所述氣液分離器4液體出口連通液化空氣罐5，所述液化空氣罐5通過管道依次與低溫泵和所述蓄冷換熱裝置連接，所述氣液分離器4氣體出口通過第十一換熱器HX11與第三蓄熱器S3換熱后與連通所述壓縮裝置的入口。

所述的壓縮裝置為二級空氣壓縮機1，所述的蓄冷換熱裝置包括第一蓄熱器S1、第二蓄熱器S2和第四蓄熱器S4，所述第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2分別通過第一換熱器HX1和第二換熱器HX2存儲二級壓縮機壓縮空氣過程中的壓縮熱，所述第四蓄熱器S4依次通過第五換熱器HX5和第六換熱器HX6存儲所述二級壓縮機壓縮空氣過程中產(chǎn)生的級間熱，所述第一蓄熱器S1、第二蓄熱器S2和第四蓄熱器S4依次對制備成的液態(tài)空氣進行加熱升溫，所述的氣液分離器4的氣體入口依次連接第一換熱器HX1和第二換熱器HX2。

所述透平裝置包括三級透平機2，所述蓄冷換熱裝置分別通過第八換熱器HX8、第九換熱器HX9、第十換熱器HX10對三級透平機2級間的液化空氣進行加熱。

所述的透平裝置的出口與第七換熱器HX7的一側(cè)連通，所述蓄冷換熱裝置通過第七換熱器HX7的另一側(cè)后連通所述透平裝置。

所有上述換熱器的工作溫度范圍為-196℃～1000℃。

所述的膨脹機3使用的介質(zhì)處于零下196℃的溫度及18MPa壓力環(huán)境下。

所述的第四蓄熱器S4所處的溫度小于400℃。

所述的第三蓄熱器S3所處的溫度為100℃～190℃。。

優(yōu)選的，以上所有上述換熱器的工作溫度范圍為-196℃～1000℃。

優(yōu)選的，所述的膨脹機3使用的介質(zhì)處于零下196℃的溫度及18MPa壓力環(huán)境下。

優(yōu)選的，所述的第四蓄熱器S4所處的溫度小于400℃。

優(yōu)選的，所述的第三蓄熱器S3所處的溫度為461℃左右。

所述壓縮空氣及液化空氣制備過程與發(fā)電過程錯時運行。本發(fā)明整個系統(tǒng)的工作原理如下：在儲電過程中，空氣壓縮機1工作，本發(fā)明中涉及到兩級壓縮，根據(jù)實際過程，可能需要多級壓縮?？諝鈮嚎s機帶有級間冷卻系統(tǒng)，同時，將壓縮空氣的余熱通過熱媒油將熱存放在第四蓄熱器S4，為下周期冷卻壓縮空氣節(jié)約能量。在第三蓄熱器S3中，余熱溫度不同，分級存放，便于余熱的梯級利用?？諝怆x開空氣壓縮機后溫度約為150℃左右，空氣壓力約為18MPa。壓縮空氣經(jīng)過第一換熱器HX1和第二換熱器HX2后被冷卻，所用的冷卻介質(zhì)一是來自氣液分離器的低溫冷空氣，另一部分是來自上周期在液態(tài)空氣釋放過程中儲存在第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2中的冷能。對經(jīng)過第一換熱器HX1和第二換熱器HX2冷卻后，壓縮空氣溫度達到90K左右，壓力保持不變。然后經(jīng)過膨脹機3，在膨脹機3中，低溫高壓的壓縮空氣變?yōu)榈蜏爻旱臍庖夯旌衔?，在此過程中由焦耳湯姆遜效應(yīng)，過程表現(xiàn)為吸收熱量。氣液混合物進入氣液分離器4。在氣液分離器4中，氣體返回經(jīng)過第二換熱器HX1和第二換熱器HX2變?yōu)?88K后與環(huán)境空氣混合進入第十一換熱器HX11，通過第十一換熱器HX11與第三蓄熱器S3換熱，第三蓄熱器S3的蓄熱溫度為100～190℃，其熱量來自經(jīng)過上周期用于級間加熱的熱媒油的余熱。經(jīng)過第十一換熱器HX11,空氣在吸入壓縮空氣前，其溫度升高到450K。從氣液分離器4分離出的液態(tài)空氣進入液態(tài)空氣儲罐5進行存放，此時壓力為常壓，溫度為80K左右。液態(tài)空氣的存放安全，占地少。主要是做好保溫，防止外界熱量的進入。

在釋放能量發(fā)電過程中，液化空氣儲罐5的液態(tài)空氣中首先由低溫泵加熱，空氣的焓值由1R升高到2R狀態(tài)。然后經(jīng)過第三換熱器HX3和第四換熱器HX4將液態(tài)空氣的冷量火用回收，儲存在第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2中，經(jīng)過第三換熱器HX3和第四換熱器HX4的換熱后，所述液態(tài)空氣氣化，升溫，變?yōu)槌?、高壓的空氣。壓力約為6.5MPa,溫度約為280K。在進入利用壓縮熱預(yù)熱前，先用從透平裝置出來的空氣來預(yù)熱這部分常溫高壓空氣，即通過第七換熱器HX7換熱，對透平裝置出來的空氣余熱進行回收，此時空氣可以加熱到436K左右，以提高本系統(tǒng)的加熱效率。

本系統(tǒng)中空氣壓縮過程中產(chǎn)生的壓縮熱蓄存在蓄熱材料中，用于發(fā)電過程中三級透平機2的級間加熱。在發(fā)電過程中，通過第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2可以將液態(tài)高壓空氣升溫至常溫高壓。在進入三級透平機2發(fā)電前，還要進行兩次加熱。第一次是來自儲能過程中存放的壓縮熱，即第四蓄熱器S4，這部分熱量可以將待發(fā)電的常溫高壓空氣升溫到600K左右。第二次是第五蓄熱器S5，可以將壓縮空氣加熱到1273K，然后高溫高壓的空氣進入燃氣輪機發(fā)電，發(fā)電效率大大提高。充放電效率最高可達80％。

為提高空氣的溫度，本發(fā)明在利用壓縮熱進行預(yù)熱空氣的基礎(chǔ)上，利用S5用于蓄存大量的來自于熱。這部分熱由谷電或可再生能源發(fā)電時的棄用電轉(zhuǎn)換而來。將蓄熱材料加熱至1000℃以，且達到熱飽和。在發(fā)電階段，可以將經(jīng)過級間加熱的壓縮空氣進一步加熱。通過提高壓縮空氣的焓值來提高發(fā)電效率。

在壓縮空氣時，采用分級壓縮的形式，各級間保持壓縮比一致，保證壓縮效率最高。在透平內(nèi)膨脹發(fā)電過程中，也采用分級膨脹的方式，各級間膨脹比相同，保證發(fā)電效率最高。由于氣體膨脹發(fā)電的過程是一個吸熱過程，因此，本發(fā)明中采取級間再熱。而且再熱也分為兩次再熱，一部分利用蓄存的壓縮熱，另一部分利用由谷電或棄用電轉(zhuǎn)化而來的蓄存在蓄熱材料中。

在蓄熱器S5中，采取的是蓄熱的方式。就是首先用電將蓄熱材料加熱，將電以熱的形式存放。然后，高壓空氣通過換熱的方式吸收熱量，提高空氣焓值。在第一蓄熱器S1、第一蓄熱器S2、第一蓄熱器S3和第一蓄熱器S4中，熱能是通過熱媒油或冷媒介質(zhì)傳遞，最終存放在蓄能材料中的。

上列詳細說明是針對本發(fā)明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。