采用电蓄热的液态空气储能系统

本实用新型涉及能源技术领域，尤其涉及一种采用电蓄热的液态空气储能系统。

背景技术：

随着全球工业化的突飞猛进，电网负荷存在白天高峰和深夜低谷的周期性变化，负荷峰谷差可达最大发电出力的30％～40％，峰谷差的存在给发电和电力调度造成一定的困难。同时，为了满足电网的最大负荷要求，电网的建设费用也大幅增加，而利用率却严重不足。液态空气储能是一种大规模长时储能技术，可实现在用电低谷时段进行储能，在用电高峰时段完成释能，并且大规模储能技术的应用有利于优化电网系统的能量管理，提高电网系统效率和设备利用率。然而，由于液态空气储能的循环效率偏低，初始投资较大，在峰谷电价差不明显地区效益不高。

有鉴于此提出本实用新型。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种采用电蓄热的液态空气储能系统，用以解决现有技术中液态空气储能的循环效率偏低，初始投资较大，在峰谷电价差不明显地区效益不高的缺陷；通过结合低谷电蓄热，可在用电高峰时段显著提高储能装置释能功率，利用峰谷电价差能够有效改善储能装置的经济性；并且，当电力系统出现电压暂降、短时中断及短路等扰动时，储能装置可瞬时接纳或释放能量，为系统中的调节装置提供缓冲时间，避免系统失稳，保证优质供电。在系统因故障而停电时，储能装置又可起到大型不间断电源(ups)的作用，避免突然停电带来的损失，有利于增加系统备用容量，提高电网安全稳定性和电能质量。

根据本实用新型实施例的一种采用电蓄热的液态空气储能系统，包括：液态空气储能机组和电蓄热机组；

所述液态空气储能机组包括储能通路和释能通路；

所述电蓄热机组包括热能回路；

所述储能通路利用低谷电将空气压缩成液态空气实现储能；

其中，所述热能回路与所述释能通路进行耦合换热。

根据本实用新型的一个实施例，所述液态空气储能机组包括空气压缩机组、压缩热利用装置、蓄冷器、节流元件、低温储罐、低温泵、空气预热器和空气透平机组；

所述空气压缩机组、所述压缩热利用装置、所述蓄冷器、所述节流元件和所述低温储罐依次连接形成所述储能通路；

所述低温储罐、所述低温泵、所述空气预热器和所述空气透平机组依次连接形成所述释能通路。

具体来说，提出了储能通路和释能通路的设置方案，其中，空气压缩机组利用低谷电实现驱动，将空气通过储能通路压缩形成液态空气。

进一步地，通过设置与低温储罐连接的低温泵，以及与低温泵连接的空气预热器，实现了液态空气进入空气透平机组的膨胀做功。

根据本实用新型的一个实施例，所述电蓄热机组包括：依次连接形成所述热能回路的常温蓄热介质储罐、常温蓄热介质泵、电加热器、高温蓄热介质储罐、高温蓄热介质泵和所述空气预热器；

其中，所述热能回路与所述释能通路通过所述空气预热器耦合换热。

具体来说，本实施例结合电加热技术，通过在储能阶段加热蓄热介质，实现电能以高温热能形式的储存，并在释能阶段通过空气预热器实现热能回路与释能通路的耦合，高温蓄热介质与常温空气换热，实现对空气预热器内常温空气的预热，提升空气透平机组的做功效率。

根据本实用新型的一个实施例，所述电蓄热机组包括：空气循环风机、蓄热介质储罐、电加热器和所述空气预热器，所述电加热器设置于所述蓄热介质储罐内；

其中，所述空气循环风机驱动空气流经所述蓄热介质储罐和所述空气预热器形成所述热能回路；

所述热能回路与所述释能通路通过所述空气预热器耦合换热。

具体来说，本实施例结合电加热技术，通过在储能阶段加热蓄热介质，实现电能以高温热能形式的储存，在释能阶段通过空气预热器实现热能回路与释能通路的耦合，并驱动空气穿过高温蓄热介质形成热循环回路，与高温蓄热介质进行热交换后的热空气对空气预热器内常温空气预热，提升空气透平机组的做功效率。

根据本实用新型的一个实施例，所述电蓄热机组通过低谷电、弃风电和弃光电中任意一种或几种的组合制备所述热能回路所需的热能。

具体来说，在常规液态空气储能系统中，为了增大储能装置发电功率，释能时会预热透平膨胀机的进气，通过提高压缩空气温度来增大透平做功。热源通常为压缩热、工业余热或者太阳能光热。然而，压缩热温度较低，透平进气温度提高有限。工业余热严重依赖于周边条件，而太阳能光热温度虽然可以较高，但光热镜场占地面积非常大，在城市周边难以建造。

进一步地，本方案通过利用低谷电、弃风电和弃光电中任意一种或几种的组合制备所述热能回路所需的热能，实现发电功率的显著提高。

根据本实用新型的一个实施例，所述空气压缩机组形式为活塞式、螺杆式或离心式任意一种或几种的组合；

其中，所述空气压缩机组包括一台或多台压缩机，所述压缩机串联、并联或集成为所述空气压缩机组；每一级所述压缩机均配置有所述压缩热利用装置。

具体来说，本实施例提出了一种空气压缩机组的实施方式。

根据本实用新型的一个实施例，所述压缩热利用装置与吸收式制冷机组和热水供应机组连接形成压缩热利用回路。

具体来说，本实施例提出了一种压缩热利用装置的实施方式，通过将压缩热利用装置与吸收式制冷机组和热水供应机组连接形成压缩热利用回路，使得压缩热利用装置在热交换中获得的热能得到合理的利用，通过吸收式制冷机组连接，实现了对吸收式制冷机组内部制冷剂的制备。

进一步地，经过吸收式制冷机组后的余热通过热水供应机组实现再利用，热水供应机组通过与余热进行热交换，实现生活用水或者其他需要热水供应的区域热水的加热，同时经过热水供应机组后，压缩热利用装置内的介质回流至压缩热利用装置实现再利用。

根据本实用新型的一个实施例，所述蓄冷器为液相、固相和相变蓄冷材料中的任意一种或几种的组合；

其中，所述蓄冷器为串联或并联的一级或多级蓄冷结构。

具体来说，本实施例提出了一种蓄冷器的实施方式。

根据本实用新型的一个实施例，所述节流元件为低温膨胀机或节流阀。

具体来说，本实施例提出了一种节流元件的实施方式。

根据本实用新型的一个实施例，所述电加热器的加热温度介于100℃至1000℃之间。

具体来说，提出了电加热器的工作温度区间，通过利用低谷电、弃风电和弃光电中任意一种或几种的组合制备所述热能回路所需的热能，实现发电功率的显著提高。

根据本实用新型的一个实施例，所述空气透平机组为径流式、轴流式或径轴流式中的任意一种；

其中，所述空气透平机组包括一台或多台膨胀机，所述膨胀机串联、并联或集成为所述空气透平机组；每一级所述膨胀机都配置有所述空气预热器。

具体来说，本实施例提出了一种空气透平机组的实施方式。

本实用新型实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本实用新型提出一种采用电蓄热的液态空气储能系统，通过结合电加热技术，在储能时驱动电加热器加热蓄热介质，将电能以高温热能形式存储，在释能时通过蓄热介质加热压缩空气，实现发电功率的显著提高。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型实施例提供的采用电蓄热的液态空气储能系统工作流程第一示意图；

图2是本实用新型实施例提供的采用电蓄热的液态空气储能系统工作流程第二示意图。

附图标记：

10、空气压缩机组；11、压缩热利用装置；12、蓄冷器；13、节流元件；14、低温储罐；15、低温泵；16、空气预热器；17、空气透平机组；

20、常温蓄热介质储罐；21、常温蓄热介质泵；22、电加热器；23、高温蓄热介质储罐；24、高温蓄热介质泵；25、空气预热器；

30、空气循环风机；31、蓄热介质储罐；

40、吸收式制冷机组；

50、热水供应机组。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的附图中，图1和图2是本实用新型实施例提供的采用电蓄热的液态空气储能系统工作流程第一和第二示意图。图1和图2展示了本实用新型两种电蓄热机组的实施方式。其中，图1采用的电蓄热机组包括依次连接形成热能回路的常温蓄热介质储罐20、常温蓄热介质泵21、电加热器22、高温蓄热介质储罐23、高温蓄热介质泵24和空气预热器16；热能回路与释能通路通过空气预热器16耦合换热。图2采用的电蓄热机组包括空气循环风机30、蓄热介质储罐31、电加热器22和空气预热器16，电加热器22设置于蓄热介质储罐31内；空气循环风机30驱动空气流经蓄热介质储罐31和空气预热器16形成热能回路；热能回路与释能通路通过空气预热器16耦合换热。

具体来说，如图1所示，在储能阶段的储能通路中，常温常压的空气流进入压缩热利用装置11形成常温高压的空气，常温高压的空气流经蓄冷器12换热后形成低温高压的空气，低温高压的空气流经降压装置降压形成低温常压的液态空气并存储于低温储罐14中。

在储能阶段的热能回路中，常温高压的蓄热介质在常温蓄热介质泵21的作用下从常温蓄热介质储罐20进入电加热器22中，在电加热器22的加热下形成高温高压的蓄热介质并存储至高温蓄热介质储罐23。

在释能阶段的释能通路中，低温储罐14中的低温常压的液态空气流经低温泵15增压形成低温高压的液态空气后，流经蓄冷器12换热形成常温高压的空气，常温高压的空气流经空气预热器16加热后形成高温高压的空气并进入空气透平机组17做功。

在释能阶段的热能回路中，高温蓄热介质储罐23内的高温高压蓄热介质在高温蓄热介质泵24的作用下进入空气预热器16中，与流经空气预热器16的常温高压空气进行热交换，热交换后的常温高压蓄热介质存储至常温蓄热介质储罐20。

进一步地，如图2所示，在储能阶段的储能通路中，常温常压的空气流进入压缩热利用装置11形成常温高压的空气，常温高压的空气流经蓄冷器12换热后形成低温高压的空气，低温高压的空气流经降压装置降压形成低温常压的液态空气并存储于低温储罐14中。

在储能阶段的热能回路中，电加热器22对蓄热介质储罐31内的蓄热介质进行加热，空气循环风机30驱动空气流经蓄热介质储罐31，空气与高温蓄热介质进行热交换形成高温空气循环回路。

在释能阶段的释能通路中，低温储罐14中的低温常压的液态空气流经低温泵15增压形成低温高压的液态空气后，流经蓄冷器12换热形成常温高压的空气，常温高压的空气流经空气预热器16加热后形成高温高压的空气并进入空气透平机组17做功。

在释能阶段的热能回路中，空气循环风机30驱动空气流经蓄热介质储罐31进行热交换后形成高温空气并进入空气预热器16中，与流经空气预热器16的常温高压空气进行热交换。

需要说明的是，吸收式制冷机组40至少包括发生器、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，其中发生器与压缩热利用装置11连接，压缩热利用装置11与空气换热得到的高温热能被输入至发生器中，发生器获得热能后，产生高温高压制冷剂蒸汽，流经冷凝器中被冷凝成液态，经过膨胀阀节流降压后进入蒸发器，在较低的蒸发压力下吸热汽化实现制冷，实现了热能的再利用。

同时，经过吸收式制冷机组40后热能依然有余热，余热则通过管路进入热水供应机组50实现于冷水或者常温水的热交换，实现对水的加热，获得热能后的水可以用作生活需要或者工业生产需要。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型的一些具体实施方案中，如图1和图2所示，本方案提供一种采用电蓄热的液态空气储能系统，包括：液态空气储能机组和电蓄热机组；液态空气储能机组包括储能通路和释能通路；电蓄热机组包括热能回路；储能通路利用低谷电将空气压缩成液态空气实现储能；其中，热能回路与释能通路进行耦合换热。

具体来说，本实用新型提出一种采用电蓄热的液态空气储能系统，用以解决现有技术中液态空气储能的循环效率偏低，初始投资较大，在峰谷电价差不明显地区效益不高的缺陷；通过结合低谷电蓄热，可在用电高峰时段显著提高储能装置释能功率，利用峰谷电价差能够有效改善储能装置的经济性；并且，当电力系统出现电压暂降、短时中断及短路等扰动时，储能装置可瞬时接纳或释放能量，为系统中的调节装置提供缓冲时间，避免系统失稳，保证优质供电。在系统因故障而停电时，储能装置又可起到大型不间断电源(ups)的作用，避免突然停电带来的损失，有利于增加系统备用容量，提高电网安全稳定性和电能质量。

在一些实施例中，液态空气储能机组包括空气压缩机组10、压缩热利用装置11、蓄冷器12、节流元件13、低温储罐14、低温泵15、空气预热器16和空气透平机组17；空气压缩机组10、压缩热利用装置11、蓄冷器12、节流元件13和低温储罐14依次连接形成储能通路；低温储罐14、低温泵15、空气预热器16和空气透平机组17依次连接形成释能通路。

具体来说，提出了储能通路和释能通路的设置方案，其中，空气压缩机组10利用低谷电实现驱动，将空气通过储能通路压缩形成液态空气。

进一步地，通过设置与低温储罐14连接的低温泵15，以及与低温泵15连接的空气预热器16，实现了液态空气进入空气透平机组17的膨胀做功。

在一些实施例中，如图1所示，电蓄热机组包括：依次连接形成热能回路的常温蓄热介质储罐20、常温蓄热介质泵21、电加热器22、高温蓄热介质储罐23、高温蓄热介质泵24和空气预热器16；其中，热能回路与释能通路通过空气预热器16耦合换热。

具体来说，本实施例结合电加热技术，通过在储能阶段加热蓄热介质，实现电能以高温热能形式的储存，并在释能阶段通过空气预热器16实现热能回路与释能通路的耦合，高温蓄热介质与常温空气换热，实现对空气预热器16内常温空气的预热，提升空气透平机组17的做功效率，降低空气透平机组17的功率。

在一些实施例中，如图2所示，电蓄热机组包括：空气循环风机30、蓄热介质储罐31、电加热器22和空气预热器16，电加热器22设置于蓄热介质储罐31内；其中，空气循环风机30驱动空气流经蓄热介质储罐31和空气预热器16形成热能回路；热能回路与释能通路通过空气预热器16耦合换热。

具体来说，本实施例结合电加热技术，通过在储能阶段加热蓄热介质，实现电能以高温热能形式的储存，在释能阶段通过空气预热器16实现热能回路与释能通路的耦合，并驱动空气穿过高温蓄热介质形成热循环回路，与高温蓄热介质进行热交换后的热空气对空气预热器16内常温空气的预热，提升空气透平机组17的做功效率，降低空气透平机组17的功率。

在一些实施例中，电蓄热机组通过低谷电、弃风电和弃光电中任意一种或几种的组合制备热能回路所需的热能。

具体来说，在常规液态空气储能系统中，为了增大储能装置发电功率，释能时会预热透平膨胀机的进气，通过提高压缩空气温度来增大透平做功。热源通常为压缩热、工业余热或者太阳能光热。然而，压缩热温度较低，透平进气温度提高有限。工业余热严重依赖于周边条件，而太阳能光热温度虽然可以较高，但光热镜场占地面积非常大，在城市周边难以建造。

进一步地，本方案通过利用低谷电、弃风电和弃光电中任意一种或几种的组合制备热能回路所需的热能，实现发电功率的显著提高。

在一些实施例中，空气压缩机组10形式为活塞式、螺杆式或离心式任意一种或几种的组合；其中，空气压缩机组10包括一台或多台压缩机，压缩机串联、并联或集成为空气压缩机组10；每一级压缩机均配置有压缩热利用装置11。

具体来说，本实施例提出了一种空气压缩机组10的实施方式。

在一些实施例中，压缩热利用装置11与吸收式制冷机组40和热水供应机组50连接形成压缩热利用回路。

具体来说，本实施例提出了一种压缩热利用装置11的实施方式，通过将压缩热利用装置11与吸收式制冷机组40和热水供应机组50连接形成压缩热利用回路，使得压缩热利用装置11在热交换中获得的热能得到合理的利用，通过吸收式制冷机组40连接，实现了对吸收式制冷机组40内部制冷剂的制备。

进一步地，经过吸收式制冷机组40后的余热通过热水供应机组50实现再利用，热水供应机组50通过与余热进行热交换，实现生活用水或者其他需要热水供应的区域热水的加热，同时经过热水供应机组50后，压缩热利用装置11内的介质回流至压缩热利用装置11实现再利用。

在一些实施例中，蓄冷器12为液相、固相和相变蓄冷材料中的任意一种或几种的组合；其中，蓄冷器12为串联或并联的一级或多级蓄冷结构。

具体来说，本实施例提出了一种蓄冷器12的实施方式。

在一些实施例中，节流元件13为低温膨胀机或节流阀。

具体来说，本实施例提出了一种节流元件13的实施方式。

在一些实施例中，电加热器22的加热温度介于100℃至1000℃之间。

具体来说，提出了电加热器22的工作温度区间，通过利用低谷电、弃风电和弃光电中任意一种或几种的组合制备热能回路所需的热能，实现发电功率的显著提高。

在一些实施例中，空气透平机组为径流式、轴流式或径轴流式中的任意一种；其中，空气透平机组包括一台或多台膨胀机，膨胀机串联、并联或集成为空气透平机组；每一级膨胀机都配置有空气预热器16。

具体来说，本实施例提出了一种空气透平机组的实施方式。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。