一种高效储能发电方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效储能发电方法及系统，将液态空气经气化后产生的低温高压气体，送入气体混合引流器（7），利用科恩达效应，带动气体混合引流器（7）中的其他气体，形成更大的气流，进入膨胀机（9）进行膨胀，从而驱动发电机（10）发电。本发明充分利用流体力学的技术，大大提高了液态空气气化效率、液态空气利用效率、环境能量利用效率，降低了气体输送动力成本。
【专利说明】一种高效储能发电方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及储存能量以及用储存的能量发电的领域，特别是一种高效的储能发电的方法和系统。
【背景技术】
[0002]新能源的研发、存储和利用是当今社会重点解决的问题，目前储能方式主要分为三类:机械储能、电磁储能、电化学储能。
[0003]储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。根据各种储能技术的特点，飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等，不适用于日常用电；而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。抽水储能受地理条件限制、资源限制和规模限制，同样不适于日常用电；电化学电池储能主要问题在于虽然单位储能大，但不环保、使用期内电池性能衰变、整体成本高、技术并不成熟，难于大规模推广应用，中国电力科学研究院的2011年，国家风光储输示范工程(一期)实际运行效果已说明问题；而传统压缩空气储能需要耗费大量额外能源，本身能源转换效率不能大幅提高，仅在1978年德国和1991年美国大规模单项应用过，不见国际上再有应用。
[0004]目前最成熟的大规模储能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游两个水库。在负荷低谷时段抽水蓄能设备处于电动机工作状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，在负荷高峰时设备处于发电机工作状态，利用储存在上游水库中的水发电。其能量转换效率在70%到75%左右。但由于受建站选址要求高、建设周期长和动态调节响应速度慢等因素的影响，抽水储能技术的大规模推广应用受到一定程度的限制。目前全球抽水储能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。
[0005]压缩空气储能是另一种能实现大规模工业应用的储能方式。利用这种储能方式，在电网负荷低谷期将富余电能用于驱动空气压缩机，将空气高压密封在山洞、报废矿井和过期油气井中；在电网负荷高峰期释放压缩空气推动燃汽轮机发电。由于具有效率高、寿命长、响应速度快等特点，且能源转化效率较高(约为75%左右)，因而压缩空气储能是具有发展潜力的储能技术之一。但受地理条件限制。
[0006]近年来，国内外学者发展了液态空气储能发电系统。当需要储存能量时，液态空气储能发电系统首先将常温的空气进行压缩液化，进行储能；在需要释放能量时，通过对液态空气升温加压，液态空气通过膨胀机膨胀产生气体，驱动发电机进行发电，实现能量输出。液态空气储能发电系统由于采用常压液态空气储存，储能密度较高，无污染。
[0007]但是，现有的液态空气储能发电系统都是采用热交换的方式，主要是利用液态空气膨胀后得到的气体驱动发电机做功，存在效率低、系统复杂度高、体积大等缺陷。
【发明内容】
[0008]本发明为了解决上述问题，设计了一种高效储能发电方法和系统。
[0009]本发明的目的是针对解决现有液态空气储能发电系统效率低、系统复杂度高、体积大等问题，利用空气动力学原理，提出一种高效储能发电方法和系统，在储能发电系统中增加射流泵、空气放大器以及气流补熵升温部件，使得液态空气膨胀得到的气体，能够带动是其10倍-100倍的气体驱动膨胀机做功，从而大大提高了系统效率。
[0010]实现上述目的本发明的技术方案为:
一种高效储能发电方法，应用于液态空气储能发电系统，其特征在于，将液态空气经气化后产生的低温高压气体，送入气体混合引流器(7)，利用科恩达效应，带动气体混合引流器(7)中的其他气体，形成更大的气流，进入膨胀机(9)进行膨胀，从而驱动发电机(10)发电。
[0011]优选地，所述气体混合引流器(7)中的其他气体是由气体膨胀段(20)、热交换器
(21)、气体收缩段(24)提供的，其中，输入系统中的气体首先进入气体膨胀段(20)，气体的横截面增加，流速减慢，压力减小，温度降低，然后气体进入热交换器(21)中补热，升温，升压，其后气体进入气体收缩段(24)，气体的横截面减小，密度增加，压力增加，流速增加，最后由气体收缩段(24)将升温增压后的气体送入气体混合引流器(7)。
[0012]优选地，所述液态空气首先由超低温高压液体泵(2)，加压抽送至射流引流器
(3)，液态空气在射流引流器(3)中喷射带动所述射流引流器(3)中输入的气体流动，形成超低温高压气液混合物质，输送至高压气化蒸发器(5 )进行气化。
[0013]优选地，所述射流引流器(3)中输入的气体由气体收缩段(24)提供。
[0014]优选地，经膨胀机(9)排出的乏气与经空气过滤器(11)输入到系统内的气体，只有1/100-1/10的比例被输送到空气液化装置(13)用于产生液态空气，其余的气体被输送到气体膨胀段(20)。
[0015]本发明还提供一种高效储能发电系统，包括超低温液态空气储液罐(1)，气体混合引流器(7)，膨胀机(9)，发电机(10)，其特征在于，所述超低温液态空气储液罐(1)，用于存储液态空气；所述气体混合引流器(7)，用于利用科恩达效应，使输入的由液态空气气化后产生的低温高压气体，带动其内部的其他气体，形成更大的气流；所述膨胀机(9)，用于对气体混合引流器(7)输出的气流进行膨胀；所述发电机(10)，用于使用经膨胀机(9)膨胀的气体驱动发电。
[0016]优选地，所述系统还包括气体膨胀段(20)、热交换器(21)、气体收缩段(24)，所述气体膨胀段(20)，用于使输入系统的气体的横截面增加，流速减慢，压力减小，温度降低，此后将气体送入热交换器(21);所述热交换器(21)，用于将输入的气体补热，升温、升压，此后将气体送入气体收缩段(24);所述气体收缩段(24)，用于使输入的气体横截面减小，密度增力口，压力增加，流速增加，此后将气体送入气体混合弓I流器(7 )。
[0017]优选地，所述系统还包括超低温高压液体泵(2)、射流引流器(3)、高压气化蒸发器(5)，所述超低温高压液体泵(2)，用于将所述超低温液态空气储液罐(I)中的液态空气加压抽送至射流引流器(3);所述射流引流器(3)，用于使喷射的液态空气带动输入其内部的气体流动，形成超低温高压气液混合物质，输送至高压气化蒸发器(5);所述高压气化蒸发器(5),用于对输入的超低温高压气液混合物质进行气化。
[0018]优选地，所述射流引流器(3)中输入的气体由气体收缩段(24)提供。
[0019]优选地，所述系统还包括空气过滤器(11)，空气液化装置(13)，所述空气过滤器
(11)，用于过滤输入到系统内的气体中的杂质、水分；所述空气液化装置(13)，用于对经膨胀机(9 )排出的乏气与经空气过滤器(11)输入到系统内的气体的I /100-1 /10，进行液化，产生液态空气；所述气体膨胀段(20)，还用于接收经膨胀机(9)排出的乏气与经空气过滤器(11)输入到系统内的气体中，除去输送到空气液化装置(13)后余下的部分空气。
[0020]本发明的高效储能发电方法和系统，充分利用流体力学的技术，大大提高了液态空气气化效率、液态空气利用效率、环境能量利用效率，降低了气体输送动力成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明所述高效储能发电系统的结构示意图；
图2是本发明所述射流引流器的结构示意图；
图3是本发明所述气体混合引流器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明进行具体描述。
[0023]图1是本发明所述高效储能发电系统的结构示意图。如图所示，该系统包括超低温液态空气储液罐1，其与超低温高压液体泵2相连，超低温高压液体泵2与射流引流器3相连，射流引流器3经超低温高压气液混合管路4与高压气化蒸发器5相连，高压气化蒸发器5经低温高压空气管路6与气体混合引流器7相连。高压气化蒸发器5还具有热源液输入27及热源液输出28。
[0024]气体混合引流器7经常温高压空气管路8与膨胀机9相连，膨胀机9与发电机10相连。膨胀机9排气阀输出的乏气与空气过滤器11输入的气体通过乏气管路12，少部分送往空气液化装置13，余下大部分送往气体膨胀段20。气体膨胀段20与热交换器21相连，热交换器21与气体收缩段24相连，气体收缩段24内的气体同样送往气体混合引流器7，同时，还通过管路29送往射流引流器3。热交换器21还具有热源介质输入22与热源介质输出23。
[0025]空气液化装置13具有冷却工质输入16和冷却工质输出30，冷却工质输出30与压缩机31相连，压缩机31与冷凝器18相连，冷凝器18将热量存储在储热罐19中。储热罐19还具有储热介质输入25及储热介质输出26。冷凝器经膨胀节流阀17与冷却工质输入16相连。
[0026]液化空气输出14与超低温低压液体泵15相连，超低温低压液体泵15与超低温液态空气储液罐I相连。
[0027]下面描述所述高效储能发电系统的工作过程:
首先，液态空气从超低温液态空气储液罐I中被抽出，经超低温高压液体泵2加压至10MPa-60MPa,高压液体通过射流引流器3，产生气液混合、高速高压喷射的流体，通过超低温高压气液混合管路4输送，进入高压气化蒸发器5。高压气化蒸发器5通过热源液输入27带来的大量热量使得气体继续升温，形成高压气化气。高压气化蒸发器5可以使用各种高能量密度的热源，同时热源液输出28非常适于输出冷量，可以用于系统或其他需要冷量的地方。
[0028]此后，高压气化气经低温高压空气管路6，到达气体混合引流器7。在气体混合引流器7中，经过抽真空和加压混合的作用，由低温高压空气管路6输入的少量高压低温气流带动气体收缩段24输入的常温气体，形成更大的气流输往膨胀机9。膨胀机9同轴输出带动发电机10进行发电，输出电能。膨胀机9可以采用汽轮机、内燃机等可以实现膨胀做功转化为动力的各种设备。
[0029]由于射流引流器3和气体混合引流器7可以带动数10倍的气流流动，使得常温高压空气管路8内的气体压力达到2MPa-5MPa，可以更高效地驱动中压的膨胀机9做功。
[0030]整个系统内的气体总量是动态变化的。空气过滤器11不仅可以实现过滤灰尘、水分的作用，还可以实现双向调节气体总量的作用。当管路压力大于环境压力时，其实现排气的作用；当管路的压力小于环境压力时，其实现进气的作用。当制备液态空气时，系统内部的气体量产生消耗，就需要从外界补充气体；而输出能量时，由于制备液态空气的那部分部件是停机的，液态空气释能发电时产生的气体是逐步增加的，会产生大量的气体，加之不断有气体补充进入系统，因此，过多的气体就需要经空气过滤器11排出。
[0031]乏气管路12工作于环境气压，或略小于环境气压，其管路内的空气是洁净的，没有水分的，可供循环使用，其中的百分之一到十分之一的气体被输往空气液化装置13。空气液化装置13是工业上成熟的产品，用于将输送过来的空气压缩、冷却、液化为液态空气，其需要冷却工质输入16提供冷量，同时由冷却工质输出30把制备液态空气所产生的热量抽走。冷却工质经过压缩机31、冷凝器18，释放热量，把热量存储于储热罐19。储热罐19是一个保温容器，可以用纯水作为工质。而储热介质输入25、储热介质输出26可以用来吸收热能供输出时使用。空气液化装置13产生的液化空气由液化空气输出14进行输出，并由超低温低压液体泵15泵入超低温液态空气储液罐I中进行储存。
[0032]乏气管路12中的气体，只有百分之一到十分之一的部分被输往空气液化装置13，余下的大部分气体进入气体膨胀段20。管路输送的气体经过气体膨胀段20、热交换器21、气体收缩段24，完成先膨胀降温降压，再利于用环境热能补熵，最后收缩增压做功的过程，即空气动力学理论中的气流补熵升温过程。气体进入气体膨胀段20时，气体的横截面增力口，流速减慢，压力减小，温度降低。然后气体进入热交换器21中补热、升温、升压，由热源介质输入22把环境中低温的热量传递给热交换器21中流动的气体。随着热交换逐步完成，气体到达气体收缩段24，已达到可以实现的最高温度，介于_5°C到50°C之间。这个温度取决于热源介质温度的高低。热源介质可以是气体，也可以是液体。气体进入气体收缩段24后，气体的横截面减小，密度增加、压力增加、流速增加。这种携带有热量的气体进入气体混合引流器7中，和低温高压空气管路6输送的低温高压气体混合，产生了温度尽可能高的气体气流，气流的压力达到2-5MPa，从而更高效地推动膨胀机9工作。
[0033]气体收缩段24中的气体还通过管路29送往射流引流器3。气体收缩段24可以提供系统利用环境温度产生的压力最大，温度最高的空气，从而更有利于射流引流器3产生高速、高压的气液混合物质。此外，由于气体收缩段24注入的是纯净的空气，水分较少，还可以避免在射流引流器3中形成结冰结霜的情况。
[0034]图2是本发明所述射流引流器3的结构示意图。如图所示，所述射流引流器3包括高压射流输入34，高压射流喷管35，高压气液混合空腔36。射流引流器3利用射流泵的原理实现，超低温高压泵2使高压的液态空气流体由高压射流输入34进入射流引流器3内，在高压射流喷管35处高速喷射，由于喷射产生了相当于抽真空的作用，可以吸附周边的介质一起运动，这里周边的介质是由管路29输入的空气。射流及其带动的空气在高压气液混合空腔36中充分混合，形成了超低温高压气液混合物质，经过超低温高压气液混合管路4输入到高压气化蒸发器5实现气化。由于所述射流引流器3能够带动3-5倍的气流流动，使得部分排气混合入高压气化蒸发器5，导入的是热能和纯净的气体，有利于高压气化蒸发器5工作，使得液态空气立即气化成超低温气体，提高了气化效率，便于高压气化蒸发器5后续工作。
[0035]图3是本发明所述气体混合引流器7的结构示意图。如图所示，所述气体混合引流器7内部包括高压气体喷口 33，低温高压空气管路6是其高压气体输入口，气体收缩段24是其待弓I流的相对低压的气体输入口，而常温高压空气管路8则是混合后空气的输出口。气体混合引流器7实质是一个空气放大器，当由低温高压空气管路6输入的高速高压气体在高压气体喷口 33喷射时，形成抽真空的效果，会带动气体收缩段24输入的气体一同前进，根据科恩达效应，喷射到所述气体混合引流器7的附壁上的气体也会带动周围的气体一起运动。根据喷口的形状和布设的方式不同，理论会产生最大30倍的气体放大带动作用。所述气体混合引流器7中，由低温高压空气管路6输入的少量高压低温气流带动气体收缩段24输入的高温气体，形成更大的气流，从而更好地混合升温，产生了温度尽可能高的气体气流，气流的压力达到2-5MPa，更加有利于气体进入膨胀机膨胀做功，提高了液态空气的利用效率。
[0036]现有的液态空气储能发电系统，需要把使用完的乏气全部变成液体，然后在下一个循环中，只利用液态空气气化产生的气体来膨胀做功，实现能量输出。本发明中，由于借助流体力学，无须如现有的系统一样把使用完的乏气全部变成液体，而是只需要把百分之一到十分之一的气体变成液体再进入下一个工作循环。在下一个工作循环中，这百分之一到十分之一被液化的空气，重新被气化，但是却可以带动10-100倍的气体流动，这更大量的气流，温度更高，压力更大，大大提高了整个系统膨胀做功的效率。而且上述提高液态空气气化效率、液态空气利用效率的过程，完全是利用流体力学的原理实现的，并未消耗电能，充分利用了环境热量，使得环境能量利用效率也进一步提高。
[0037]上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本【技术领域】的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种高效储能发电方法，应用于液态空气储能发电系统，其特征在于，将液态空气经气化后产生的低温高压气体，送入气体混合引流器(7)，利用科恩达效应，带动气体混合引流器(7)中的其他气体，形成更大的气流，进入膨胀机(9)进行膨胀，从而驱动发电机(10)发电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体混合引流器(7)中的其他气体是由气体膨胀段(20)、热交换器(21)、气体收缩段(24)提供的，其中，输入系统中的气体首先进入气体膨胀段(20)，气体的横截面增加，流速减慢，压力减小，温度降低，然后气体进入热交换器(21)中补热，升温，升压，其后气体进入气体收缩段(24)，气体的横截面减小，密度增加，压力增加，流速增加，最后由气体收缩段(24)将升温增压后的气体送入气体混合引流器(7)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液态空气首先由超低温高压液体泵(2)，加压抽送至射流引流器(3)，液态空气在射流引流器(3)中喷射带动所述射流引流器(3)中输入的气体流动，形成超低温高压气液混合物质，输送至高压气化蒸发器(5)进行气化。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述射流引流器(3)中输入的气体由气体收缩段(24)提供。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经膨胀机(9)排出的乏气与经空气过滤器(11)输入到系统内的气体，只有少部分被输送到空气液化装置(13)用于产生液态空气，其余大部分气体被 输送到气体膨胀段(20 )。
6.一种高效储能发电系统，包括超低温液态空气储液罐(1)，气体混合引流器(7)，膨胀机(9)，发电机(10)，其特征在于， 所述超低温液态空气储液罐(I)，用于存储液态空气； 所述气体混合引流器(7)，用于利用科恩达效应，使输入的由液态空气气化后产生的低温高压气体,带动其内部的其他气体,形成更大的气流； 所述膨胀机(9 )，用于对气体混合引流器(7 )输出的气流进行膨胀； 所述发电机(10 )，用于使用经膨胀机(9 )膨胀的气体驱动发电。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括气体膨胀段(20)、热交换器(21)、气体收缩段(24)， 所述气体膨胀段(20)，用于使输入系统的气体的横截面增加，流速减慢，压力减小，温度降低，此后将气体送入热交换器(21)； 所述热交换器(21)，用于将输入的气体补热，升温、升压，此后将气体送入气体收缩段(24)； 所述气体收缩段(24 )，用于使输入的气体横截面减小，密度增加，压力增加，流速增加，此后将气体送入气体混合引流器(7 )。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括超低温高压液体泵(2)、射流引流器(3 )、高压气化蒸发器(5 )， 所述超低温高压液体泵(2)，用于将所述超低温液态空气储液罐(I)中的液态空气加压抽送至射流引流器(3); 所述射流引流器(3)，用于使喷射的液态空气带动输入其内部的气体流动，形成超低温高压气液混合物质，输送至高压气化蒸发器(5)； 所述高压气化蒸发器(5 )，用于对输入的超低温高压气液混合物质进行气化。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述射流引流器(3)中输入的气体由气体收缩段(24)提供。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括空气过滤器(11)，空气液化装置(13)， 所述空气过滤器(11),用于过滤输入到系统内的气体中的杂质、水分； 所述空气液化装置(13)，用于对经膨胀机(9)排出的乏气与经空气过滤器(11)输入到系统内的气体的少部分，进行液化，产生液态空气； 所述气体膨胀段(20)，还用于接收经膨胀机(9)排出的乏气与经空气过滤器(11)输入到系统内的气体中，除去输送到空气液化装置(13)后余下的大部分空气。
【文档编号】F01B23/10GK103835766SQ201410099871
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】苟仲武 申请人:苟仲武