本實(shí)用新型涉及壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

壓縮空氣儲(chǔ)能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)提出的一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)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?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)需要消耗約2/3的透平輸出功，因此，燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功遠(yuǎn)小于透平的輸出功。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)和透平不同時(shí)工作，在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中。在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室利用燃料燃燒加溫，驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。由于儲(chǔ)能與釋能分時(shí)工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機(jī)消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力。壓縮空氣儲(chǔ)能具有適用于大型系統(tǒng)(100MW級以上)、儲(chǔ)能周期不受限制、系統(tǒng)成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)系統(tǒng)需要特定的地理?xiàng)l件建造大型儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)面臨的依賴大型儲(chǔ)氣室問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者分別開展了液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，使空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)脫離對大型儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)效率只有40％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是：

一種新型液化空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)所述透平裝置做功，所述的新型液化空氣儲(chǔ)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(chǔ)在第三蓄熱器中，所述的第五蓄熱器的一側(cè)存儲(chǔ)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(jī)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(dòng)透平裝置做功。

所述的液化空氣制備裝置包括膨脹機(jī)、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(jī)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(jī)，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(chǔ)二級壓縮機(jī)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(chǔ)所述二級壓縮機(jī)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(jìn)行加熱升溫。

所述透平裝置包括三級透平機(jī)，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(jī)級間的液化空氣進(jìn)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(jī)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，本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型通過設(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(jìn)行以熱量的形式存儲(chǔ)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(jìn)行再加熱，因此，液態(tài)空氣能量密度高，同時(shí)儲(chǔ)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(bǔ)燃的相同甚至更高，充放電效率最高可達(dá)80％。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一種液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

一種新型液化空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)所述透平裝置做功，所述的新型液化空氣儲(chǔ)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(chǔ)在第三蓄熱器S3中，所述的第五蓄熱器S5的一側(cè)存儲(chǔ)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(jī)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(dòng)透平裝置做功。

所述的液化空氣制備裝置包括膨脹機(jī)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(jī)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(jī)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(chǔ)二級壓縮機(jī)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(chǔ)所述二級壓縮機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)2級間的液化空氣進(jìn)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(jī)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(jī)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(cuò)時(shí)運(yùn)行。本實(shí)用新型整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如下：在儲(chǔ)電過程中，空氣壓縮機(jī)1工作，本實(shí)用新型中涉及到兩級壓縮，根據(jù)實(shí)際過程，可能需要多級壓縮?？諝鈮嚎s機(jī)帶有級間冷卻系統(tǒng)，同時(shí)，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。空氣離開空氣壓縮機(jī)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(chǔ)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(dá)到90K左右，壓力保持不變。然后經(jīng)過膨脹機(jī)3，在膨脹機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入液態(tài)空氣儲(chǔ)罐5進(jìn)行存放，此時(shí)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(jìn)入。

在釋放能量發(fā)電過程中，液化空氣儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)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(jìn)行回收，此時(shí)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(jī)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(jìn)入三級透平機(jī)2發(fā)電前，還要進(jìn)行兩次加熱。第一次是來自儲(chǔ)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(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，發(fā)電效率大大提高。充放電效率最高可達(dá)80％。

為提高空氣的溫度，本實(shí)用新型在利用壓縮熱進(jìn)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(shí)的棄用電轉(zhuǎn)換而來。將蓄熱材料加熱至1000℃以，且達(dá)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(jìn)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(shí)，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(gè)吸熱過程，因此，本實(shí)用新型中采取級間再熱。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(xì)說明是針對本實(shí)用新型可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡未脫離本實(shí)用新型所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。