一种利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能方法

本发明涉及物理储能领域，具体为一种利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能方法。

背景技术：

1、能源是人类赖以生存和发展的物质基础，同时也是影响国民经济发展的重要因素。近年来，随着化石能源的消耗量急剧增加，由此带来的常规能源短缺、温室气体排放、环境污染等问题日益严重，因此加强风能、太阳能等具有代替作用的可再生能源的开发可用尤为重要。

2、目前，国内外学者一致认为储能技术是解决上述问题的有效途径。现有的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、燃料电池以及超导电磁储能等，但适用于100mw级以上的大规模储能技术只有抽水蓄能技术(phs)和压缩空气储能技术(caes)。phs储能容量和储能效率均较高，但是存在选址困难、建设周期长以及引起当地生态破坏等问题；caes具有储能密度大、建设成本相对较低的优点，但是传统的caes电能转换效率低，并且存在化石燃料燃烧等问题。

3、在传统的caes中，储气容器都是容积一定，在储能和释能阶段都是变工况过程，大大降低了系统的发电效率。目前，电能的清洁、高效、低成本储存技术仍属于世界性难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能方法，设计合理、节能高效。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能方法，基于利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能系统，所述系统包括压缩机、膨胀机、增压机、水气共容舱、水泵、水轮机、储水池、补气阀门、第一释能阀门、第二释能阀门、第一储能阀门、第二储能阀门、第三释能阀门、换热器、太阳能蓄热器、主发电机、预发电机、压缩电动机、增压电动机和储气库；

4、压缩电动机、增压电动机分别与压缩机、增压机的动力输入端相连，主发电机、预发电机分别与水轮机、膨胀机的动力输出端相连；

5、压缩机的空气入口直接与大气相连，出口经过补气阀门后直接由管道输送到地下储气库；

6、储气库内的高压空气经第一释能阀门后进入换热器进口，换热器的出口与太阳能蓄热器的进口相连，太阳能蓄热器的出口与膨胀机的进口相连，膨胀机驱动预发电机进行发电，膨胀机的出口与水气共容舱相连；

7、水气共容舱内的空气经注水压缩后经第一储能阀门进入增压机的进口，增压机出口的空气进入换热器的热回路后冷却后再进入储气库；

8、水泵入水口与储水池相连，出水口与水气共容舱相连；

9、水轮机进水口通过管道、第三释能阀门与水气共容舱的出水口相连，高压水驱动水轮机带动主发电机进行发电，水轮机的出水口通过管道与储水池相连；

10、储水池的底部通过管道与地下含水层的承压水相连；

11、所述系统利用地下含水层作为储气库；含水层型地下储气库的目的层为承压含水层，地面的地表以下一定深度存在地下水，地下水水面以上为包气带；地下水面以下为饱水带；饱水带岩层按照其透过和给出水的能力，可分为含水层和隔水层，充满于两个隔水层之间的含水层中的水为承压水，两个隔水层为盖层和底板，由于气体压入导致承压水的水位下降而形成的封闭空间即为储气库，承压含水层的承压水通过管道与地上储水池相连；

12、所述方法包括如下步骤：

13、在开始储能前的预处理步骤，打开补气阀门，压缩电动机驱动压缩机工作，压缩机吸入空气，将空气压缩至设定的压力温度后，然后进入储气库；当储气库达到设定的预处理压力时，关闭补气阀门和压缩机，此后除用于补气外，压缩机不在工作；

14、在电力过剩阶段的储能步骤，开启水泵，开启增压机，打开第一、二储能阀门、，机器向水气共容舱内注水，水在水气共容舱内与预压缩气体混合成为高压水，压缩水气共容舱内空气回流，为保证进入储气库的空气具有更高压力，来自水气共容舱的空气再进入增压机进行进一步压缩后进入储气库，增压机出口的高压空气具有较高温度，可通过换热器对进入膨胀机的低温高压空气进行预加热；当储气库内气体达到设定的储能压力时，关闭水泵，增压机和第一、二储能阀门，储能过程结束；

15、在用电高峰阶段的释能步骤，打开第一、二、三释能阀门，储气库内的高压低温空气经换热器预热后进入太阳能蓄热器进一步加热，然后进入膨胀机进行预膨胀发电，预膨胀后的气体仍具有较高压力，经第二释能阀门进入水气共容舱后，水气共容舱内的水在高压气体作用下被向外压出，然后水推动水轮机运转发电；

16、在上述过程中，

17、储气库位于地下含水层，来自压缩机的高压高温空气无需进行冷却；

18、在储气库内起密封作用的承压水与储水池通过管道相连通，储气库内的空气压力转化为承压水面与储水池水面之间高度液柱的重力，在储能和释能过程中，承压水面与储水池水面之间的高度差基本不变，液柱高度基本不变，地下储气库内为等压环境，所以储能和释能近似为等压过程；

19、储能阶段，膨胀机为定工况工作，并且可为水轮机提供稳定的水头；

20、释能阶段，来自储气库的高压空气先经过膨胀机进行膨胀发电后在进入水气共容舱，降低水气共容舱承受的压力。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

22、本发明所述的储能系统充分利用地下含水层作为储气库，含水层型地下储气库的目的层为承压含水层，隔水层为储气库的盖层和底板，承压含水层的承压水通过管道与地上储水池相连，在储能过程中，由于空气不断压入，承压水水位下降，由于承压水与地上储水池相通，地上储水池的水位近似不变，气体压力转化为液柱的重力，近似为等压过程，解决了储能过程的变工况问题；在释能过程中，随着空气不断输出，承压水水位回升，地上储水池的水位近似不变，维持储气库中的压力不变，解决了释能过程的变工况问题。

23、进一步的，当地下含水层储气库与地上水气共容舱直接连通时，水气共容舱内水和高压空气在水气面具有相同的压力，这将使水气共容舱承受非常大的压力，从而使水气共容舱的造价大大提高，根据市场调研，地上高压罐体在承压10mpa时，罐体每立方米造价约为2133.37元。为此，本发明通过在地下含水层储气库和地上水气共容舱之间增加了膨胀机，来自地下含水层储气库的高压空气先经过膨胀机进行预胀发电降压后，在进入地上水气共容舱，这样水气共容舱所承受的压力大大降低，降低了系统的造价成本。

24、进一步的，释能阶段，由于来自储气库的高压空气温度较低，本发明所述的储能系统采用增压机的压缩热先对气体进行预热，然后再利用太阳能储热器对气体进行加热，没有化石燃料的燃烧，更加环保。

技术特征：

1.一种利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能方法，其特征在于，基于利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能系统，所述系统包括压缩机1、膨胀机2、增压机3、水气共容舱4、水泵5、水轮机6、储水池7、补气阀门8、第一释能阀门9、第二释能阀门10、第一储能阀门11、第二储能阀门12、第三释能阀门13、换热器14、太阳能蓄热器15、主发电机16、预发电机17、压缩电动机18、增压电动机19和储气库23；

技术总结
本发明提供一种利用地下含水层的抽水压缩空气蓄能方法，设计合理、节能高效。所述方法包括，在开始储能前的预处理步骤，打开补气阀门，压缩电动机驱动压缩机工作，压缩机吸入空气，将空气压缩至设定的压力温度后，然后进入储气库；在电力过剩阶段的储能步骤，压缩电动机驱动压缩机先向储气库内压入气体达到设定的预处理压力后，关闭压缩机，由水泵向水气共容舱内注水，水气共容舱内空气被压缩回流经过增压机后进入储气库，完成储能过程；在用电高峰阶段的释能步骤，来自储气库中的高压空气经过膨胀机的预膨胀发电后，进入水气共容舱，水气共容舱内的水在高压气体作用下被向外压出，然后水推动水轮机运转发电。

技术研发人员：王焕然
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15