一种快速响应的光热压缩空气储能系统及方法

1.本发明涉及空气储能系统技术领域，具体涉及一种快速响应的光热压缩空气储能系统及方法。


背景技术：

2.储能尤其是电能的存储对能源结构优化和电网运行调节具有重大意义。压缩空气储能系统是一种新型大规模储能技术，工作原理与抽水蓄能相类似，当电力系统的用电处于低谷时，消耗电能驱动空气压缩机，把能量以压缩空气的形式储存在储气装置中；当电力系统用电负荷达到高峰时，储气装置将存储的压缩空气释放出来，在透平膨胀机中膨胀做功并带动发电机发电；根据上述原理，压缩空气储能系统能够完成电能—空气势能—电能的转化。
3.传统的压缩空气储能系统在释能发电时，需要首先将空气和天然气混合燃烧，利用生成的高温烟气进行膨胀做功，因而存在天然气依赖性及二次碳排放问题。绝热压缩空气储能对传统压缩空气储能系统进行了优化改进，通过采用大压比准绝热压缩过程，在压缩过程中将空气压缩至高温后存储高温(高品位)压缩热能，并将其用于加热膨胀机进气，从而替代天然气的燃烧加热，消除了天然气依赖性和二次碳排放；然而，大压比准绝热压缩将导致压缩过程功耗增大，限制了系统效率的提升。
4.储能的另一用途是通过储能平滑风、光等可再生能源出力的波动性，从而促进可再生能源消纳。然而，常规压缩空气储能系统均采用单一的电储能工作模式，一定程度上限制了可再生能源的消纳途径。
5.此外，作为一种典型的热力系统，由于储能过程及发电过程间歇运行，导致空气膨胀机呈周期性启停工作模式。在机组停机一段时间后，由于漏热等因素导致换热器等装备温度下降，而考虑大型设备机械结构存在升温速率限制，因此不能在短时间内达到额定温度和满负荷，导致系统对发电调度的响应时间增加。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中压缩空气储能系统能耗高、限制可再生能源的消纳途径以及系统响应时间较长的缺陷，从而提供一种快速响应的光热压缩空气储能系统及方法。
7.本发明提供的快速响应的光热压缩空气储能系统，包括：
8.空气压缩支路，其包括依次串联的空气压缩机、蓄热换热器的高温侧流道及储气装置；
9.空气膨胀支路，其包括依次串联的储气装置、回热换热器的低温侧流道、光热再热器的低温侧流道及空气膨胀机；
10.压缩热循环回路，其由低温压缩热载体储罐、低温压缩热载体循环泵、蓄热换热器的低温侧流道、高温压缩热载体储罐、高温压缩热载体循环泵及回热换热器的高温侧流道
首尾串联而成；
11.光热循环回路，其由低温光热载体储罐、低温光热载体循环泵、光热集热装置、高温光热载体储罐、高温光热载体循环泵及光热再热器的高温侧流道首尾串联而成。
12.可选的，所述蓄热换热器的高温侧流道与所述储气装置之间还串联有气液分离器。
13.可选的，所述空气压缩机由电动机驱动。
14.可选的，所述压缩热循环回路与所述光热循环回路中填充有同种或异种热载体。
15.可选的，所述空气压缩支路包括相互串联的两个或多个由所述空气压缩机和蓄热换热器的高温侧流道形成的组合。
16.可选的，所述空气膨胀支路包括相互串联的两个或多个由回热换热器的低温侧流道、光热再热器的低温侧流道和空气膨胀机形成的组合。
17.本发明提供的快速响应的光热压缩空气储能方法：
18.在具备日照条件的时段，通过低温光热载体循环泵驱动低温光热载体储罐内的低温光热载体满负荷流经光热集热装置集热，同时，通过高温光热载体循环泵驱动高温光热载体储罐内的高温光热载体低负荷流经光热再热器，维持所述光热再热器在热备用状态；
19.在不具备日照条件的时段，通过所述高温光热载体循环泵驱动所述高温光热载体储罐内的高温光热载体低负荷流经所述光热再热器，维持所述光热再热器在热备用状态；
20.在任何时段，当空气膨胀支路接收调度指令启动时，通过所述高温光热载体循环泵驱动所述高温光热载体储罐内的高温光热载体满负荷流经所述光热再热器，维持所述光热再热器在满负荷工作状态。
21.可选的，在任何时段，储气装置以小流量释放压缩空气，使压缩空气经光热再热器加热后提升至工作温度，然后进入空气膨胀机中，维持所述空气膨胀机在热备用状态。
22.可选的，所述储气装置释放的压缩空气能维持空气膨胀机低速运转。
23.本发明技术方案，具有如下优点：
24.1.本发明提供的快速响应的光热压缩空气储能系统及方法，设有光热循环回路，储气装置内的压缩空气经过回热换热器和光热再热器两次加热，利用太阳能光热进一步提升空气膨胀机进气温度，能够显著提升空气膨胀机做功能力；
25.2.本发明提供的快速响应的光热压缩空气储能系统及方法，由于采用高温光热进一步提升膨胀进气温度，可允许压缩过程采用较小压比的准绝热压缩过程，从而降低压缩机功耗，提升系统效率；
26.3.本发明提供的快速响应的光热压缩空气储能系统及方法，通过耦合太阳能光热，该系统还可利用盈余的低品位压缩热能进行供热，从而将单一的电-电储能模式拓展至热电联储-联供，增加了可再生能源的消纳途径和消纳能力；
27.4.本发明提供的快速响应的光热压缩空气储能系统及方法，由于采用廉价光热使空气膨胀支路的光热再热器甚至空气膨胀机始终处于热备用状态，系统收到发电指令后，无需预热或缓慢升温，即可直接进入满负荷运行状态，系统响应特性得到显著改善。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体
实施方式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方式，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。
29.图1为本发明实施例中光热压缩空气储能系统的示意图。
30.附图标记说明：
31.1、空气压缩机；2、蓄热换热器；3、气液分离器；4、储气装置；5、回热换热器；6、光热再热器；7、空气膨胀机；8、低温压缩热载体储罐；9、低温压缩热载体循环泵；10、高温压缩热载体储罐；11、高温压缩热载体循环泵；12、低温光热载体储罐；13、低温光热载体循环泵；14、光热集热装置；15、高温光热载体储罐；16、高温光热载体循环泵。
具体实施方式
32.下面将结合附图对本发明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。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.实施例一
35.参照图1，本发明实施例提供一种快速响应的光热压缩空气储能系统，包括：
36.空气压缩支路，其包括依次串联的空气压缩机1、蓄热换热器2的高温侧流道及储气装置4；空气膨胀支路，其包括依次串联的储气装置4、回热换热器5的低温侧流道、光热再热器6的低温侧流道及空气膨胀机7；压缩热循环回路，其由低温压缩热载体储罐8、低温压缩热载体循环泵9、蓄热换热器2的低温侧流道、高温压缩热载体储罐10、高温压缩热载体循环泵11及回热换热器5的高温侧流道首尾串联而成；光热循环回路，其由低温光热载体储罐12、低温光热载体循环泵13、光热集热装置14、高温光热载体储罐15、高温光热载体循环泵16及光热再热器6的高温侧流道首尾串联而成。其中，蓄热换热器2、回热换热器5和光热再热器6皆由高温侧流道和低温侧流道组成。
37.本实施例中，空气压缩机1由电动机驱动；其他实施例中，空气压缩机1也可由气动机、液动机等其他机构驱动。
38.本实施例中，压缩热循环回路与光热循环回路中填充有同种热载体；其他实施例中，压缩热循环回路与光热循环回路中也可填充异种热载体。
39.本实施例中，光热集热装置14为图1所示的槽式集热器；其他实施例中，光热集热装置14还可为塔式、菲涅尔式、碟式等其他形式的光热集热器。
40.下面对本实施例的光热压缩空气储能系统的储能过程进行详细阐述：
41.储能包括空气压缩储能和光热集热储能两个过程，为热-电联储模式。空气压缩储能和光热集热储能两个过程可同时或分时进行。
42.空气压缩储能过程：空气压缩机1在电动机的驱动下运转，吸入环境空气并将其压缩成为高温压缩空气；该高温压缩空气随后进入蓄热换热器2的高温侧流道，同时低温压缩热载体储罐8中的低温压缩热载体在低温压缩热载体循环泵9的驱动下进入蓄热换热器2的低温侧流道进行换热，高温压缩空气降温形成低温压缩空气，低温压缩空气继续向下游流
动，进入储气装置4存储备用；低温压缩热载体吸热升温后形成高温压缩热载体，进入高温压缩热载体储罐10中存储备用。
43.光热集热储能过程：低温光热载体储罐12中的低温光热载体在低温光热循环泵的驱动下进入光热集热装置14中，被加热升温后形成高温光热载体，高温光热载体进入高温光热载体储罐15中存储备用。
44.下面对本实施例的光热压缩空气储能系统的释能过程进行详细阐述：
45.释能包括空气膨胀发电和供热两个过程，为热-电联供模式。空气膨胀发电和供热过程可同时或分时进行，也可根据实际应用场景选择是否使系统具备供热功能。
46.空气膨胀发电过程：储气装置4释放存储的低温压缩空气，首先进入回热换热器5的低温侧流道，同时高温压缩热载体储罐10中的高温压缩热载体在高温压缩热载体循环泵11的驱动下进入回热换热器5的高温侧流道进行换热，低温压缩空气吸热升温后继续向下游流动，降温后的压缩热载体则进入低温压缩热载体储罐8中存储备用；初步升温后的压缩空气继续进入光热再热器6的低温侧流道，同时高温光热载体储罐15中的高温光热载体在高温光热载体循环泵16的驱动下进入光热再热器6的高温流道进行换热，压缩空气再热升温后进入空气膨胀机7中膨胀做功，降温后的光热载体则进入低温光热载体储罐12中存储备用；空气膨胀机7进一步驱动发电机或其他机构对外输出能量。
47.供热过程：主要通过高温压缩热载体储罐10或高温光热载体储罐15实现。高温压缩热载体储罐10或高温光热载体储罐15利用盈余的热能直接对外提供不同温度的热量供应。
48.下面对本实施例的光热压缩空气储能系统的光热再热器6热备用过程进行详细阐述：
49.热备用过程中，高温光热载体循环泵16以低负荷运转，驱动高温光热载体储罐15中的高温光热载体以小流量进入光热再热器6中。由于此时空气膨胀支路处于停机状态，无空气流经，即无冷负荷，因此小流量的高温光热载体即可使光热再热器6维持在正常工作时的高温，处于热备用状态；当系统需要进入空气膨胀发电状态时，光热再热器6无需经过缓慢预热升温，允许直接通过提升高温光热载体循环泵16负荷以大流量驱动高温光热载体进入，加热储气装置4来流空气，以较快的响应速度进入空气膨胀发电状态。
50.下面对本实施例的光热压缩空气储能系统的空气膨胀机7热备用过程进行详细阐述：
51.由于对于较大装机容量中的大型空气膨胀机7，同样需要考虑机组启动前的预热，会导致机组启动时间增加、响应速度下降，本实施例可同时进行空气膨胀机7的热备用。
52.热备用过程中，高温光热载体循环泵16以低负荷运转，驱动高温光热载体储罐15中的高温光热载体以小流量进入光热再热器6的高温侧流道；同时储气装置4以小流量释放压缩空气依次通过回热换热器5的低温侧流道、光热再热器6的低温侧流道和空气膨胀机7的空气流道，该小空气流量以维持空气膨胀机7静止或低速运转为宜。通过以上设置，小流量空气经光热再热器6加热后提升至工作温度，在空气膨胀机7中流动时可维持空气流道在接近工作温度，从而无需预热可直接快速启动；如果空气膨胀机7在热备用过程中低速运转，即保持在盘车状态，则可进一步节省常规机组启动前的盘车启动过程，可直接进入升速升负载过程，响应速度进一步加快。
53.作为一种改进方案：蓄热换热器2的高温侧流道与储气装置4之间还串联有气液分离器3。因为压缩空气降温后可能析出液体，低温压缩空气可通过气液分离器3除水后在进入储气装置4中存储备用。
54.作为一种改进方案：空气压缩支路包括相互串联的两个或多个由空气压缩机1和蓄热换热器2的高温侧流道形成的组合，可进一步提高空气膨胀机7的做功能力。
55.作为一种改进方案：空气膨胀支路包括相互串联的两个或多个由回热换热器5的低温侧流道、光热再热器6的低温侧流道和空气膨胀机7形成的组合，可进一步提高空气膨胀机7的做功能力。
56.实施例二
57.本发明实施例提供一种快速响应的光热压缩空气储能方法：
58.在具备日照条件的时段，通过低温光热载体循环泵13驱动低温光热载体储罐12内的低温光热载体满负荷流经光热集热装置14集热，同时，通过高温光热载体循环泵16驱动高温光热载体储罐15内的高温光热载体低负荷流经光热再热器6，维持光热再热器6在热备用状态；
59.在不具备日照条件的时段，通过高温光热载体循环泵16驱动高温光热载体储罐15内的高温光热载体低负荷流经光热再热器6，维持光热再热器6在热备用状态；
60.在任何时段，当空气膨胀支路接收调度指令启动时，通过高温光热载体循环泵16驱动高温光热载体储罐15内的高温光热载体满负荷流经光热再热器6，维持光热再热器6在满负荷工作状态。
61.进一步的，在任何时段，储气装置4以小流量释放压缩空气，使压缩空气经光热再热器6加热后提升至工作温度，然后进入空气膨胀机7中，维持空气膨胀机7在热备用状态。更进一步的，储气装置4释放的压缩空气能维持空气膨胀机7低速运转，低速运转可保持在盘车状态，则可进一步节省常规机组启动前的盘车启动过程，可直接进入升速升负载过程，响应速度进一步加快；其他实施例中，储气装置4释放的小空气流量也可维持空气膨胀机7静止。
62.本发明将绝热压缩空气储能与光热储能耦合起来，利用太阳能光热进一步提升空气膨胀机7进气温度，能够显著提升空气膨胀机7做功能力；同时，由于采用高温光热进一步提升膨胀进气温度，可允许压缩过程采用较小压比的准绝热压缩过程，从而降低空气压缩机1功耗，进而提升系统效率；此外，通过耦合太阳能光热，该系统还可利用盈余的低品位压缩热能进行供热，从而将单一的电-电储能模式拓展至热电联储-联供，增加了可再生能源的消纳途径和消纳能力；最后，由于采用廉价光热使空气膨胀支路的光热再热器6甚至空气膨胀机7始终处于热备用状态，系统收到发电指令后，无需预热或缓慢升温，即可直接进入满负荷运行状态，系统响应特性得到显著改善。
63.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。