无外加热源的压缩空气双储能系统的制作方法

本发明涉及电能物理存储技术领域，特别涉及一种无外加热源的压缩空气双储能系统。

背景技术：

长期以来，我国以化石燃料为主的能源结构引发了环境污染、能源紧缺等诸多亟待解决的问题。因此，发展风能、太阳能等可再生清洁能源势在必行。截至2015年底，我国累计安装风电机组92981台，累计装机容量145362MW，同比增长26.8％，位居世界首位^[1,2]。而风能等可再生能源发电在引领能源转型的同时也面临着巨大的挑战，其波动性、间歇性及不可准确预测性等均对电网的安全稳定运行造成了威胁，成为制约可再生能源发电产业发展的主要原因。

应运而生的储能技术为可再生能源发电产业提供了有效的技术支持。目前，抽水蓄能和压缩空气储能因其技术较为成熟、效益相对可观等优点而在大规模储能技术领域中获得广泛关注^[3]。抽水蓄能技术利用可再生能源所发电力将水从低位水库抽至高位水库，将电能转化为水的重力势能存储在高位水库中，在适当时机再释放高位水库中的水，从而驱动水轮机发电。抽水蓄能是目前使用最广泛的储能技术，具有循环效率高、容量大、运行方式灵活等显著优点，但其选址受到地形及水文条件的特殊限制。压缩空气储能技术则是利用电能压缩空气，将高压空气密封在废弃矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放高压空气进入燃气轮机燃烧室燃烧，驱动透平发电。压缩空气储能具有初投资少、储能周期长、容量较大等优势，但其对地质结构也有特殊要求，储能转换为电能过程需要燃烧化石燃料，有二氧化碳和氮氧化物等污染排放，储能系统的效率不高。因此，迫切需要开发新型高效的大规模储能系统。

在诸多新型储能系统中，王焕然^[4]和Y.M.Kim^[5]提出的抽水压缩空气储能系统(PHCA)兼备了抽水蓄能和压缩空气储能的优点，同时又克服了两者的缺点，其本质在于通过压力容器中空气的压力变化，改变封闭水域水面压力，相当于建立高位水库，并在其与低位水库之间形成虚拟水坝，但该系统中的变工况问题不容忽视。其后，王焕然和姚尔人等首次提出水-气共容舱电力储能系统，并针对该系统在发电和储能过程中的变工况工作特性，提出了一种用高压储气罐实现恒压的水-气共容舱电力储能系统(CN201410312066.4)。尽管该储能系统中引入高压储气罐，解决了PHCA系统中的变工况问题，但当储能规模巨大时，所需高压储气容器和高压水气共容舱的体积也非常大，与其配套的水池体积也很大，从而用于发电的工作介质水量也不容小觑，必然导致该储能系统的造价急剧增加，发电成本大幅提高，甚至会阻碍该技术的工程应用。参考文献：

[1]中国可再生能源学会风能专业委员会.2015年中国风电装机容量统计[J].风能,2016(2):48-63.

[2]全球风能理事会.2015年全球风电装机容量统计[J].风能产业,2016:51-56.

[3]HS D B,Grond L,Moll H,etal.The application of power-to-gas,pumped hydro storage and compressed air energy storage in an electricity system at different wind power penetration levels[J].Energy,2014(72):360-370.

[4]Wang H,Wang L.A Novel Pumped Hydro Combined with Compressed Air Energy Storage System[J].Energies,2013:1554-1567.

[5]YM K,Favrat D.Energy and exergy analysis of a mocro-compressed air energy storage and air cycle heating and cooling system[J].Energy,2010,35(1):213–220.

[6]Yao E,Wang H,Liu L.A Novel Constant-Pressure Pumped Hydro Combined with Compressed Air Energy Storage System[J].Energies,2015:154-171.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种无外加热源的压缩空气双储能系统，不仅充分利用高压空气的能量，有效回收并利用压缩机排气的热量，还降低了系统中高压容器造价，并大幅减少了循环水的用量，同时提高了系统的运行效率和经济性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种无外加热源的压缩空气双储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、存储空气压缩能的地下储气矿洞、第一水气共容舱、第二水气共容舱、热回收器组、蓄热式加热器组、第一电动机、第二电动机、第一发电机、第二发电机、第三发电机、水轮机组、水泵机组和蓄水池；

第一电动机连接压缩机组；压缩机组的出口连接地下储气矿洞的入口，用于在第一电动机带动下将常压空气压缩并储存在地下储气矿洞内；地下储气矿洞的出口分两路，分别通过第二控制阀和第三控制阀连接第一水气共容舱的气体入口和第二水气共容舱的气体入口；

第一水气共容舱的气体出口连接第三电动三通阀的a口，第二水气共容舱的气体出口连接第三电动三通阀的b口，第三电动三通阀的c口连接蓄热式加热器组中第一个蓄热式加热器的第一换热通道入口；膨胀机组包括多段膨胀机，各膨胀机前布置一个蓄热式加热器；蓄热式加热器的第一换热通道出口连接后一个膨胀机的入口，膨胀机的出口连接后一个蓄热式加热器的第一换热通道入口；压缩机组包括多段压缩机，各段压缩机后布置一个热回收器；热回收器的第一换热通道入口连接前一段压缩机的入口，热回收器的第一换热通道出口连接后一段压缩机的入口；压缩机组中第一个压缩机的入口连接大气，最后一个压缩机的出口经最后一个热回收器的第一换热通道后连接地下储气矿洞的入口；各热回收器的第二换热通道出口连接各蓄热式加热器的第二换热通道入口，各蓄热式加热器的第二换热通道出口连接各热回收器的第二换热通道入口；

第二电动三通阀的a口连接第一水气共容舱的液体入口，b口连接第二水气共容舱的液体入口，c口连接水泵的出水口；第一电动三通阀的a口连接第一水气共容舱的液体出口，b口连接第二水气共容舱的液体出口，c口连接水轮机的入水口，水轮机的出水口连接蓄水池的入口，蓄水池的出口连接水泵的入水口；水轮机连接第二发电机，水泵连接第二电动机。

进一步的，地下储气矿洞的出口经第四控制阀连接预热器的第一换热通道入口；预热器的第二换热通道入口连接热回收器组第二换热通路出口，预热器的第二换热通道出口连接热回收器组第二换热通路入口；预热器的第一换热通道出口连接预膨胀涡轮的入口。

进一步的，工作开始前，所有阀门保持紧闭状态，第一水气共容舱内充有水；储能过程开始时，首先打开地下储气矿洞出口的第一控制阀，利用电能带动第一电动机工作，通过第一电动机带动压缩机组工作，将空气加压储存至大型地下储气矿洞中，将电能转化成空气内能存储其中；各段压缩机出口的高温高压空气经对应热回收器吸热存储在蓄热式加热器中。

进一步的，电能紧缺时段，打开第四控制阀，使存储在大型地下储气矿洞中的高压空气经预热器加热，再进入预膨胀涡轮预先膨胀，从而驱动第三电动机发电，之后再打开第二控制阀，将膨胀降压至恒定压力的高压空气通入第一水气共容舱中，使第一水气共容舱中的水在高压气体的作用下稳定排出并经由第一电动三通阀的a口驱动水轮机做功，实现水流机械能到电能的转化，之后水轮机排水进入蓄水池暂时存储。

进一步的，第一水气共容舱中水流驱动水轮机发电一段时间后，第二电动三通阀的b口接通，蓄水池中的水经由水泵送入第二水气共容舱，并设定水泵流量大于水轮机流量，第一水气共容舱的排水发电过程先于第二水气共容舱的充水过程开始，但两过程同时完成，使水轮机放电过程连续进行；第二水气共容舱内充水完毕后立即关闭第二电动三通阀的b口，打开第一电动三通阀的b口和第三控制阀，储气矿洞中的高压气体以恒定的压力进入第二水气共容舱中，使第二水气共容舱内的水经由第一电动三通阀的b口驱动水轮机组做功发电并将水排入蓄水池。

进一步的，第二水气共容舱开始排水放电时，第一水气共容舱内的水也同时排空，此时关闭第二控制阀与第一电动三通阀的a口，打开第三电动三通阀的a口使第一水气共容舱内的高压空气经膨胀机组膨胀做功发电。

本发明是一种无外加热源的压缩空气双储能系统，包括压缩机组、膨胀机组、水轮机组、水泵机组、蓄水池、水气共容舱、储气室、热回收器及蓄热式加热器；所述压缩机组在电动机带动下将空气压缩成为高压空气并储存在大型储气矿洞内；所述大型储气矿洞的出口经预膨胀涡轮连接水气共容舱上部入口，当舱内水被排空时则其上部出口与多段膨胀机组接通；所述水轮机的入口与水气共容舱下部出口相连，其出口则与蓄水池上部入口连通；所述水泵入口连通蓄水池下部出口，其出口通过阀门管道等组件与水气共容舱中部入口相连。

上述方案中，所述水气共容舱包括第一水气共容舱和第二水气共容舱，两者下部出口通过电动三通阀与水轮机相连，上部出口通过电动三通阀与膨胀机组相连，中部出口通过电动三通阀与水泵相连通，两水气共容舱在储能过程中交替工作，膨胀机组与水泵机组间歇工作，水轮机组则连续运行。

所述膨胀机组连接水气共容舱上部出口，并由多段向心膨胀机组成。每段膨胀机入口前均设置有蓄热式加热器用于预热空气，加热空气所需热量来自于压缩空气过程产生的热量；膨胀机膨胀过程为等温膨胀，膨胀后的排气温度较低，可直接排入大气或用于特定场合的供冷。

上述方案中，所述电动三通阀是依靠钟表的计时原理来工作的器件，当设定的计时时间启动，器件输出信号接通或关闭相应电路以控制相应设备的工作状态。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.两水气共容舱交替使用，节省舱体材料与循环水用量，减小地上占地面积，并能保证放电过程连续进行，而水轮机组、水泵机组、膨胀机组则在放电过程连续运行，节省设备费用；

2.高压空气首先用于预膨胀发电，从而使其出口压力恒定，之后再用于水轮机发电与膨胀机发电，且膨胀过程采用等温膨胀，实现能量利用的最大化，提高了储能系统的输出功和发电效率；

3.整个系统在循环过程中无需外加热源，节约燃料，且无污染性气体排放，提高了整个储能系统的运行经济性和环境友好性；

4.将大型废弃地下矿洞用于储存高压气体，降低了系统的建设成本，提高了高压储气的安全性。

本发明用大型废弃矿洞代替高压容器；增设一个水气共容舱使之与原有水气共容舱交替使用，缩小了水气共容舱的体积、节省了用于推动水轮机工作的循环水量、同时减小了用于储存循环水的水池体积；加设等温膨胀机组从而充分利用水气共容舱内剩余高压气体，设置热回收器以回收压缩机产生的热量并用于预热待膨胀气体，实现能量利用最大化。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明一种无外加热源的压缩空气双储能系统的结构示意图；

图2为电动三通阀V2的控制原理流程图；

图3为电动三通阀V3的控制原理流程图；

图4为电动三通阀V4的控制原理流程图；

其中：1为低压压缩段，2为第一热回收器，3为高压压缩段，4为第二热回收器，5为大型地下储气矿洞，6为第一水气共容舱，7为水轮机组，8为蓄水池，9为水泵，10为第二水气共容舱，11为第一蓄热式加热器，12为高压膨胀段，13为第二蓄热式加热器，14为低压膨胀段，15为第一发电机，16为第一电动机，17为第三电动机，18为预热器，19为预膨胀涡轮，20为第二发电机，21为第二电动机，V1为第一控制阀，V5为第二控制阀，V6为第三控制阀，V7为第四控制阀，V2为第一电动三通阀，V3为第二电动三通阀，V4为第三电动三通阀。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种无外加热源的压缩空气双储能系统，包括低压压缩段1、高压压缩段3、用于发电的高压膨胀段12、低压膨胀段14，用于稳压并回收能量的预膨胀涡轮19，存储空气压缩能的大型地下储气矿洞5，实现虚拟高位水坝构建的第一水气共容舱6与第二水气共容舱10，回收压缩空气热量的第一热回收器2、第二热回收器4，加热待膨胀气体的第一蓄热式加热器11、第二蓄热式加热器13及预热器18，将水的机械能转化成电能的水轮机7，回送循环水的水泵9及其他辅助设备。

第一电动机16的输出轴连接低压压缩段1和高压压缩段3；低压压缩段1的出口经第一热回收器2的第一换热通道连接高压压缩段3的入口，高压压缩段3的出口通过第二热回收器4的第一换热通道后经第一控制阀V1连接大型地下储气矿洞5的入口。

地下储气矿洞5的出口经第四控制阀V7连接预热器18的第一换热通道入口；预热器18的第二换热通道入口连接蓄热式加热器第二换热通道的出口，预热器18的第二换热通道出口连接第一热回收器2的第二换热通道入口和第二热回收器4的第二换热通道入口。预热器18的第一换热通道出口连接预膨胀涡轮19的入口，预膨胀涡轮19的出口分成两路，一路经第三控制阀V6连接第二水气共容舱10的气体入口，另一路经第二控制阀V5连接第一水气共容舱6的气体入口。

第一水气共容舱6的气体出口连接第三电动三通阀V4的a口，第二水气共容舱10的气体出口连接第三电动三通阀V4的b口，第三电动三通阀V4的c口连接第一蓄热式加热器11的第一换热通道入口，第一蓄热式加热器11的第一换热通道出口连接高压膨胀段12的入口，高压膨胀段12的出口经第二蓄热式加热器13的第一换热通道连接低压膨胀段14的入口，低压膨胀段14的出口连接大气或需要利用低温冷空气的用户。

第一蓄热式加热器11的第一换热通道出口连接第一热回收器2的第二换热通道入口和第二热回收器4的第二换热通道入口；第二蓄热式加热器13的第一换热通道出口连接第一热回收器2的第二换热通道入口和第二热回收器4的第二换热通道入口。第一热回收器2的第二换热通道出口和第二热回收器4的第二换热通道出口连接蓄热式换热器的第二换热通道。

第二电动三通阀V3的a口连接第一水气共容舱6的液体入口，b口连接第二水气共容舱10的液体入口，c口连接水泵9的出水口。第一电动三通阀V2的a口连接第一水气共容舱6的液体出口，b口连接第二水气共容舱10的液体出口，c口连接水轮机7的入水口，水轮机7的出水口连接蓄水池的入口，蓄水池8的出口连接水泵9的入水口。水轮机7连接第二发电机20和水泵9连接第二发电机21。

本发明是一种无外加热源的压缩空气双储能系统，工作开始前，所有阀门保持紧闭状态，第一水气共容舱6内充有一定量的水。储能过程开始时，首先打开第一控制阀V1，利用用户用电低谷时期富余电能或可再生能源发电电能带动第一电动机16工作，通过第一电动机16带动低压压缩段1和高压压缩段3工作，将空气加压储存至大型地下储气矿洞5中，将电能转化成空气内能存储其中。其中，常压气体通过管道进入低压压缩段1进行第一次压缩，此时，低压压缩段1出口气体为高温高压空气，该气体进入第一热交换器2换热降温至预设温度再进入高压压缩段3进行第二次压缩，同时，第四热回收器4回收高压压缩段3加压后高压高温气体的热量，并与第二热交换器2所回收的热量一同存储在蓄热式加热器中，之后关闭第一控制阀V1，储能过程结束。

电能紧缺时段，首先打开第四控制阀V7，使存储在大型地下储气矿洞5中的高压空气经预热器18加热，再进入预膨胀涡轮19预先膨胀驱动第三发电机17发电，从而使洞中高压空气降至稳定压力并回收该部分能量，再打开第二控制阀V5，将膨胀降压至恒定压力的高压空气通入第一水气共容舱6中，从而使舱中的水在高压气体的作用下稳定排出并经由第一电动三通阀V2的a口驱动水轮机7做功，实现水流机械能到电能的转化，之后水轮机排水进入蓄水池8暂时存储。其中，第四控制阀V7在整个放电过程中保持其开启状态，水轮机7、预热器18和预膨胀涡轮19连续工作，直到放电过程结束。

第一水气共容舱6中水流驱动水轮机7发电的同时，第二电动三通阀V3的b口在适当时机被接通，蓄水池8中的水经由水泵9送入第二水气共容舱10，并设定水泵9的流量大于水轮机7的流量，第一水气共容舱6的排水发电过程先于第二水气共容舱10的充水过程开始，但两过程同时完成，从而确保水轮机放电过程连续进行。第二水气共容舱10内充水完毕后立即关闭第二电动三通阀V3的b口，打开第一电动三通阀V2的b口和第三控制阀V6，储气矿洞5中的高压气体以恒定的压力进入第二水气共容舱10中，使舱内的水经由第一电动三通阀V2的b口驱动水轮机7做功发电并将水排入蓄水池8。

第二水气共容舱10开始排水放电时，第一水气共容舱6内的水也同时排空，此时关闭第二控制阀V5、第一电动三通阀V2的a口，打开第三电动三通阀V4的a口使舱内的高压空气经等温膨胀机组(高压膨胀段12和低压膨胀段14)膨胀做功发电。其中，舱内高压空气先经过第一蓄热式加热器11预热，之后进入高压膨胀段12膨胀做功，此时膨胀机出口空气的温度压力均有所降低，排气进入第二蓄热式加热器13再次加热，然后经低压膨胀段14做功带动第一发电机15发电输出。第一蓄热式加热器11和第二蓄热式加热器13的热量均来自于储能阶段存储的热量。第二水气共容舱10内的高压空气完全排出后，关闭第三控制阀V6，打开第二电动三通阀V3的a口，使蓄水池8中的水经由水泵9进入第一水气共容舱6，并设定第一水气共容舱6中空气的膨胀过程与充水过程所用时间与第二水气共容舱10的排水发电时间相同，以保证水轮机组连续发电。

待第二水气共容舱10内水完全排出后，打开第三电动三通阀V4的b口，使第二水气共容舱10中的高压气体进入高压膨胀段12和低压膨胀段14膨胀发电，第一蓄热式加热器11和第二蓄热式加热器13则用于加热进入膨胀机的高压空气。两水气共容舱周而复始地交替使用，直到发电过程结束，并开始下一轮储能过程。

如图2、3、4所示，分别为电动三通阀V2、V3、V4的控制原理流程图。由于膨胀机组所连接的第三电动三通阀V4首次释能循环过程中与第N(N≥2)次循环过程中动作结果略有不同，为便于与其他阀门一同描述，取释能过程第N(N≥2)次循环。其中，0时刻表示第一水气共容舱6开始排水发电；t₁时刻表示第二水气共容舱10内高压气体膨胀完毕，并开始向其中充水；t₂时刻表示第二水气共容舱10充水结束，第一水气共容舱6排水完毕并开始排出其中高压空气使之膨胀发电；t₃时刻表示第一水气共容舱6排气完毕，并开始向其中充水；t₄时刻表示第一水气共容舱6充水完毕，第二水气共容舱10中的水也同时排空。图中所示时间信号由计时器发出，所有三通阀连接同一计时器。电动三通阀工作时，计时器将时间信号输入逻辑模块，将时间范围不同的信号输入至控制模块，该信号经控制模块分析转换后调节阀门至不同的工作状态，由此实现第一水气共容舱6、第二水气共容舱10交替工作，膨胀机组、水泵机组间歇工作及水轮机组连续稳定发电的目的。