一种压缩空气储能系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种压缩空气储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、设置在压缩机组和膨胀机组之间的恒温绝热储气装置，恒温绝热储气装置包括具有存储气腔的储气罐体和包裹在储气罐体外表面的保温绝热层，储气罐体上设置有空气进口和空气出口。本发明利用储气罐体的存储气腔存储储能阶段生产的高压高温的压缩空气，并利用保温绝热层防止储气罐体内的热量散失到环境中，所以能够减少储气装置内空气向外界的散热，从而减小了环境温度变化对储气装置内空气温度的影响，进而提高了压缩空气储能系统的储能效率。
【专利说明】
一种压缩空气储能系统
技术领域
[0001]本发明涉及压缩空气储能发电技术领域，更具体地说，涉及一种压缩空气储能系统。
【背景技术】
[0002]压缩空气储能指将用电低谷时段电网上的富裕电力或风电、太阳能等波动性剧烈的电力用于压缩空气，将压缩后的高压空气密封在储气装置里，在需要时释放压缩空气，推动空气透平带动发电机发电的储能方式。现有的压缩空气储能系统中，储气装置通常采用地下储气室或者人工储气罐。
[0003]地下储气室具有造价低、储气容量大等优点，主要应用于大型压缩空气储能系统。但是需要选择特定的地质环境，而且系统运行过程中，储气室内空气通常会与壁面进行换热，造成热量损失，使系统的储能效率降低。由于储气室内空气与壁面的对流换热系数较小，储气和放气过程与等温过程相差较远，因此储气室内温度变化大，导致压力变化速度很快。在特定的储气室压力变化范围内，系统运行时间缩短，造成储能密度降低。
[0004]人工储气罐制造方便，对场地的要求低，同时储气压力较高，但储气容量相对较小，造价也相对较高，主要应用于中小型压缩空气储能系统。以传统的钢罐作为储气罐时，由于钢罐的导热性能较好，环境温度会对储气罐内的空气温度产生影响。例如在环境温度较低的冬季，储气罐内的空气会向外散失热量，导致空气温度降低，空气焓值减小，单位质量的空气做功能力降低，系统整体的储能效率下降。
[0005]综上所述，如何减少储气装置内空气向外界的散热，以减小环境温度变化对储气装置内空气温度的影响，进而提高压缩空气储能系统的储能效率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压缩空气储能系统，以减少储气装置内空气向外界的散热，从而减小环境温度变化对储气装置内空气温度的影响，进而提高压缩空气储能系统的储能效率。
[0007]为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]—种压缩空气储能系统，包括压缩机组、膨胀机组，还包括设置在所述压缩机组和所述膨胀机组之间的恒温绝热储气装置，所述恒温绝热储气装置包括:
[0009]具有存储气腔的储气罐体，所述储气罐体上设置有空气进口和空气出口；
[0010]包裹在所述储气罐体外表面的保温绝热层。
[0011]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述恒温绝热储气装置还包括设置在所述储气罐体内的相变蓄热管束，所述相变蓄热管束内填充有相变蓄热介质。
[0012]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述相变蓄热管束的每根蓄热管上均套设有环形肋板，所述环形肋板垂直于所述蓄热管的轴线。
[0013]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述环形肋板为多个，并沿所述蓄热管的轴向均匀分布。
[0014]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述蓄热管为椭圆管，所述环形肋板外周面为圆形，所述环形肋板的内周面与所述蓄热管贴合。
[0015]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述相变蓄热介质为醋酸钠。
[0016]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述空气进口为两个，均设置在所述储气罐体的一端；
[0017]所述空气出口为两个，均设置在所述储气罐体的另一端。
[0018]优选的，上述压缩空气储能系统中，两个所述空气进口的连线通过所述储气罐体轴心，两个所述空气出口的连线通过所述储气罐体轴心，且两个所述空气进口的连线平行于两个所述空气出口的连线。
[0019]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述储气罐体上还设置有安全阀。
[0020]优选的，上述压缩空气储能系统中，所述储气罐体为钢制罐体，所述保温绝热层为玻璃棉层。
[0021]从上述的技术方案可以看出，本发明提供的压缩空气储能系统包括压缩机组、膨胀机组、设置在压缩机组和膨胀机组之间的恒温绝热储气装置，恒温绝热储气装置包括具有存储气腔的储气罐体和包裹在储气罐体外表面的保温绝热层，储气罐体上设置有空气进口和空气出口。
[0022]本发明利用储气罐体的存储气腔存储储能阶段生产的高压高温的压缩空气，并利用保温绝热层防止储气罐体内的热量散失到环境中，所以能够减少储气装置内空气向外界的散热，从而减小了环境温度变化对储气装置内空气温度的影响，进而提高了压缩空气储能系统的储能效率。
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1是本发明实施例提供的压缩空气储能系统的恒温绝热储气装置的正视剖面图；
[0025]图2是本发明实施例提供的压缩空气储能系统的恒温绝热储气装置的侧视剖面图；
[0026]图3是本发明实施例提供的压缩空气储能系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]本发明实施例提供了一种压缩空气储能系统，能够减少储气装置内空气向外界的散热，从而减小环境温度变化对储气装置内空气温度的影响，进而提高压缩空气储能系统的储能效率。
[0028]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]请参考附图1-3，本发明实施例提供的压缩空气储能系统包括压缩机组03、膨胀机组06，还包括设置在压缩机组03和膨胀机组06之间的恒温绝热储气装置01，恒温绝热储气装置01包括具有存储气腔11的储气罐体I和包裹在储气罐体I外表面的保温绝热层2，储气罐体I上设置有空气进口 3和空气出口 6。
[0030]具体的，本发明的压缩空气储能系统包括压缩机组03、膨胀机组06、换热器02、加热器07、热罐05、冷罐08、发电电动机04、传动装置、设置在压缩机组03和膨胀机组06之间的恒温绝热储气装置01以及相应的控制系统，发电电动机04分别通过离合器和压缩机组03以及膨胀机组06连接。压缩机组03采用多级压缩机布置，在各级压缩机之间以及末级压缩机之后布置换热器02，冷却介质与热空气在换热器02中进行换热，降低空气温度，将压缩热存储在热罐05中。膨胀机组06采用多级膨胀机布置，在首级膨胀机前和各级膨胀机之间布置加热器07，热罐05中的热介质与储气罐释放出的高压空气进行换热，加热空气，将压缩热返还给空气。
[0031]本发明利用储气罐体I的存储气腔11存储储能阶段生产的高压高温的压缩空气，并利用保温绝热层2防止储气罐体I内的热量散失到环境中(通常储气装置内空气的温度会高于环境温度)，所以能够减少储气装置内空气向外界的散热，从而减小了环境温度变化对储气装置内空气温度的影响，进而提高了压缩空气储能系统的储能效率。
[0032]优选的技术方案中，恒温绝热储气装置01还包括设置在储气罐体I内的相变蓄热管束4，相变蓄热管束4内填充有相变蓄热介质。本发明的储气装置内部布置相变蓄热管束4，通过在相变蓄热管束4内设定合适的相变蓄热介质用量，保证在储能过程中空气的温度变化很小，接近等温过程。
[0033]上述相变蓄热管束4填充的相变蓄热介质在储气过程中，能够吸收高压空气带入的热量，将空气的热量存储在相变蓄热管束4的相变蓄热介质中，使储气装置内的空气温度接近不变，维持储气装置内部的恒温状态。同理在放气过程中，空气会膨胀降温，相变蓄热介质放出热量，使得储气装置内温度维持稳定。由于维持空气温度在稳定状态，因此能减缓空气压力变化速度，从而提高了系统的储能密度。
[0034]应用过程中，多级压缩机通过传动主轴连在一起，发电电动机04与传动主轴连接，带动压缩机一起转动。空气首先进入第一级压缩机，经过压缩后，空气温度升高，然后进入第一级换热器02进行冷却降温，压缩热存储在冷却介质中，并汇总在热罐05中。同理，空气流过多级压缩机和换热器02。高压中温的空气进入储气装置，储气装置中设有相变蓄热管束4，空气将热量传递给相变蓄热管束4中的相变蓄热介质，从而维持储气装置中空气的温度基本恒定。同时，储气装置外部包裹的保温绝热层2，能够阻止空气的热量散失到外界环境中，保证空气维持在恒定温度。
[0035]多级膨胀机通过传动主轴与发电电动机04的发电机相连，膨胀机带动发电机转动产生电能。在每一级膨胀机之前设置有加热器07，热罐05中的热介质进入加热器07，空气与热介质在加热器07中进行热量交换从而提高空气温度。空气依次流过各级加热器07和膨胀机，在膨胀机中做功降压，最后排入环境。热介质流过加热器07后温度降低，最后汇集在冷罐08中以备下次循环使用。
[0036]空气进入储气装置的过程中，不向外界散失热量，且空气温度保持基本不变;在储气装置放气过程中，随着放气过程进行，相变蓄热管束4中相变蓄热介质中存储的热量会返还给空气，从而维持空气温度恒定。因此在整个循环过程中，储气装置中空气温度始终维持稳定，从而形成绝热恒温的压缩空气储能系统，提高了压缩空气储能系统的储能效率和储能密度，从而提高了系统运行的经济性。
[0037]上述相变蓄热管束4与空气的接触面积较大，便于保证储能密度，本发明也可以不设置上述相变蓄热管束4，或者通过其他结构替换，如在储气罐体I的内表面设置相变蓄热层，达到同样的维持空气温度恒定、提高系统储能密度的效果，本发明在此不再一一赘述。
[0038]进一步的，温绝热储气装置中，相变蓄热管束4的每根蓄热管上均套设有环形肋板5，环形肋板5垂直于蓄热管的轴线。具体的，相变蓄热管束4的每根蓄热管均沿储气罐体I的轴向布置。本发明利用环形肋板5增加了空气与蓄热管的换热面积，提高了空气与管壁的对流换热效果，从而进一步增强了储气装置内空气整体的恒温效果。当然，上述环形肋板5也可以不垂直蓄热管的轴线;本发明也可以不设置上述环形肋板5，通过改变蓄热管的外表面形状或者设置凸起、凹槽;亦或者通过设置针形肋、H形鳍片肋等其他类型的肋片达到同样的增加空气与蓄热管的换热面积的效果。
[0039]上述实施例提供的恒温绝热储气装置01中，环形肋板5为多个，并沿蓄热管的轴向均匀分布。该布置方式便于装配，同时能够保证热交换的均匀性。上述环形肋板5也可以没有规律的间隔分布或者几个叠加成一组固定在同一个位置。
[0040]为了进一步优化上述技术方案，蓄热管为椭圆管，环形肋板5外周面为圆形，环形肋板5的内周面与蓄热管贴合。这样一来，蓄热管的外周面截面形状为椭圆形，能够防止相变蓄热介质发生相分离，保证了相变蓄热介质内部的导热效果;相应的，环形肋板5的内周面截面形状为椭圆形，环形肋板5可以焊接在蓄热管上也可以过盈套设在蓄热管上。上述蓄热管还可以为矩形管、圆形管或者其他形状，环形肋板5外周面还可以为矩形、椭圆形等，本发明对此不做具体限定。
[0041]上述相变蓄热介质为醋酸钠，即相变蓄热管束4内填充醋酸钠。本实施例的相变蓄热介质选择结晶水合盐材料——醋酸钠(CH3C00Na.3H20)，这种材料具有相变潜热大、热导率高、相变时体积变化小等优点。当然，上述相变蓄热管束4还可以填充熔融盐、金属或合金等相变蓄热介质。
[0042]本发明一具体实施例中，空气进口3为两个，均设置在储气罐体I的一端;空气出口6为两个，均设置在储气罐体I的另一端。本发明在储气罐体I的一端设置两个空气进口 3，另一端设置两个空气出口 6，使空气进口 3和空气出口 6的距离较长，能够提高空气的混合流动效果，从而提高储气装置内部空气温度分布的均匀性，增强空气与相变蓄热介质的换热效果。同时本发明设置两个空气进口 3和两个空气出口 6能够提高储气效率和放气效率。本发明的空气进口 3和控制出口还可以为一个或其他个数。
[0043]进一步的，两个空气进口3的连线通过储气罐体I轴心，两个空气出口 6的连线通过储气罐体I轴心，且两个空气进口 3的连线平行于两个空气出口6的连线。本实施例中，两个空气进口 3相对设置，两者的连线长度为储气罐体I的直径;两个空气出口 6相对设置，两者的连线长度为储气罐体I的直径，且空气进口 3和空气出口 6分别一一对应地设置在储气罐体I的同一个圆周方向上，能够保证空气进出的均匀性，同时便于加工和与其他部件装配。当然，上述两个空气进口 3还可以不相对设置，使两者的连线位于储气罐体I的轴线的一侧；上述两个空气出口 6也可以不相对设置，使两者的连线位于储气罐体I的轴线的一侧。
[0044]为了进一步优化上述技术方案，储气罐体I上还设置有安全阀7。安全阀7用于将储气罐体I的内部压力维持在适当范围内，防止压力过高造成的损害。本发明还可以设置检测储气罐体I内部压力的压力计，通过获得的压力值人工控制储气罐体I的内部压力。
[0045]为了提高储气罐体I的强度和使用寿命，储气罐体I优选为钢制罐体。储气罐体I也可以为其他金属罐体，如铝合金罐体等。
[0046]应用过程中，在储能阶段，空气通过多级压气机和换热器02进入储气装置，此时空气温度较高，空气的进入会使内部的温度升高。同时随着储气装置内部空气质量不断增加，空气逐渐被压缩，也会导致空气温度升高。高温的空气与相变蓄热管束4以及钢制罐体进行对流换热，将热量传递给相变蓄热介质以及钢制罐体。由于相变蓄热介质具有很高的相变潜热，钢制罐体也有较高的比热容，因此在吸收热量的过程中，自身温度增加很小，而且达到了对空气降温的目的。
[0047]在释能阶段，储气装置内的高压空气流入膨胀机产生机械能。随着空气的流出，储气装置内的空气温度会迅速下降。此时相变蓄热管束4以及钢制罐体会将存储的热量释放出来，加热空气，从而减缓空气温度下降的趋势，增加单位质量空气对外所做的功，从而提高了压缩空气储能系统的储能效率和储能密度。
[0048]本发明一具体实施例中，保温绝热层2为玻璃棉层，本发明的储气罐体I外部包裹玻璃棉层，防止热量散失到环境中，绝热效果较好。上述保温绝热层2还可以采用石棉、岩棉或者膨胀珍珠岩等保温绝热材料。
[0049]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0050]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种压缩空气储能系统，包括压缩机组(03)、膨胀机组(06)，其特征在于，还包括设置在所述压缩机组(03)和所述膨胀机组(06)之间的恒温绝热储气装置(01)，所述恒温绝热储气装置(01)包括: 具有存储气腔(11)的储气罐体(I)，所述储气罐体(I)上设置有空气进口(3)和空气出口(6); 包裹在所述储气罐体(I)外表面的保温绝热层(2)。2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述恒温绝热储气装置(01)还包括设置在所述储气罐体(I)内的相变蓄热管束(4)，所述相变蓄热管束(4)内填充有相变蓄热介质。3.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述相变蓄热管束(4)的每根蓄热管上均套设有环形肋板(5)，所述环形肋板(5)垂直于所述蓄热管的轴线。4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述环形肋板(5)为多个，并沿所述蓄热管的轴向均匀分布。5.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热管为椭圆管，所述环形肋板(5)外周面为圆形，所述环形肋板(5)的内周面与所述蓄热管贴合。6.根据权利要求2-5任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述相变蓄热介质为醋酸钠。7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气进口(3)为两个，均设置在所述储气罐体(I)的一端； 所述空气出口(6)为两个，均设置在所述储气罐体(I)的另一端。8.根据权利要求7所述的压缩空气储能系统，其特征在于两个所述空气进口(3)的连线通过所述储气罐体(I)轴心，两个所述空气出口(6)的连线通过所述储气罐体(I)轴心，且两个所述空气进口( 3)的连线平行于两个所述空气出口( 6)的连线。9.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气罐体(I)上还设置有安全阀(7)。10.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气罐体(I)为钢制罐体，所述保温绝热层(2)为玻璃棉层。
【文档编号】F04B25/00GK106014508SQ201610546070
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】韩中合, 庞永超
【申请人】华北电力大学（保定）