用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，包括水-气共容舱、压缩机组、水泵机组、储水池以及水轮机，水轮机的排水口通过管道为储水池提供进水，水泵机组通过管道从储水池中抽水，气体压缩机组的排气口连通水-气共容舱，该水-气共容舱的出水口连通水轮机，由水轮机拖动发电机发电输出电能，其特征在于，还包括一个增压机和一个高压储气罐，高压储气罐与两条管路连接，一条管路通过增压机、水气分离器、第一电控阀门与水气共容舱上部出口连通，另一条管路通过第二电控阀门与水气共容舱上部进口连通。
【专利说明】用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电能物理储能的系统，特别涉及一种利用水-气共容舱实现电力 储能的系统。
【背景技术】
[0002] 随着传统化石能源的日益枯竭，可再生能源的利用受到越来越多的重视。在许多 国家发展可再生能源成为首要任务。可是，风能、太阳能以及生物能等可再生能源所固有的 随机性和波动性给世界各国发展新型能源带来了巨大的挑战。如何解决可再生能源的波 动性是发展和利用可再生能源的关键所在。近年来中国风电、太阳能发电得到快速发展， 自2010年起，中国风电装机规模已经跃居世界第一，截至2013年年底，中国风电累积装机 容量超过9000万千瓦，可是由于风能自身的随机性和间歇性，以及现有电网较差的调峰能 力，使得相当一部分电能无法接入电网，仅2013年中国风电弃风量超过150亿度，可以预 计，随着风电装机规模的进一步扩大，风电损失必定会进一步增加。储能技术能够改善电力 系统的供电能力，提高能源利用率，使系统更加安全可靠。
[0003] 国外在上世纪七八十年代就已经开始研究电的大规模储存问题，并建立了几座大 规模风电储存的示范工程。
[0004] 到目前为止，关于电力储存的方法很多：压缩空气储能、抽水蓄能、电磁储能、飞轮 储能、超级电容储能、超临界压缩空气储能、充电电池储能等，但是能够进行大规模风电储 存的成熟技术只有两种：一种是抽水蓄能技术，另一种是压缩空气储能技术。目前，在国内 没有商业运行的压缩空气储能电站，也没有设计大规模压缩空气储能的示范工程经验，部 分高校及科研院所仅进行了基础性研究。
[0005] 针对现有压缩空气储能电站设备造价高、以及抽水蓄能电站要求的特殊地理环 境等缺陷，西安交通大学王焕然等人首次提出水-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，提出了一种恒压水-气共容舱电力储能系统 (CN201210099690. 1) 〇
[0006] 在该恒压水-气共容舱电力储能系统中，发电过程随着水-气共容舱内水位下降， 水-气共容舱内气体压力下降，该系统利用蒸汽锅炉向水-气共容舱中补充水蒸汽，保证 水-气共容舱中压力保持恒定，以保证水轮机发电机组在稳定工况下运行发电。
[0007] 但是在蒸汽锅炉向水-气共容舱中补充水蒸汽的过程中，由于进入水-气共容舱 中的是高温水蒸汽，而此时水-气共容舱中水温、气体温度与环境温度相近，高温水蒸气必 然与水-气共容舱中的介质发生热量交换，气体温度的升高会降低水-气共容舱的安全性， 加速水-气共容舱腐蚀，大幅降低其工作寿命，整体热力循环复杂，此外，蒸汽锅炉的使用 也使系统结构变得更加复杂，经济性和环保性变差。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种利用高压储气罐维持水-气共容舱恒压的发电储能过 程的电力储能系统，不但可降低储能造价，提高储能装置能量转化效率，而且可解决用蒸汽 锅炉稳压的水-气共容舱电力储能系统的结构复杂性，进一步提高系统的经济性。
[0009] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
[0010] 一种用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，包括压缩机组、水泵机组、 储水池以及水轮机，水泵机组通过管道及阀门从储水池中抽水，水轮机通过管道及阀门向 储水池中排水；所述压缩机组的一个出口通过管道及阀门与水-气共容舱的上部连通，水 泵机组的出口通过管道及阀门与水-气共容舱的中部连通，水-气共容舱下部出口通过管 道及阀门连通水轮机；其特征在于，该系统还包括一个增压机和一个高压储气罐，所述高压 储气罐的中部进口通过管道及阀门与压缩机组的另一个出口相连；所述水气共容舱顶部设 置一个出口，依次通过第一电动阀、水气分离器与增压机的进口连接；增压机的出口与高压 储气罐顶部进口相连；高压储气罐顶部出口通过第二电动阀与水气共容舱顶部的进口连 接。
[0011] 上述方案中，所述第一、第二电动阀、增压机均电连接一个稳压控制器的控制输出 端，该稳压控制器的控制输入端连接固定于水气共容舱内顶部的压力传感器。
[0012] 所述稳压控制器包括逻辑判断电路和控制及开关电路，其中，逻辑判断电路的输 入端连接压力传感器，逻辑判断电路分两个逻辑输出端连接控制及开关电路，控制及开关 电路的三个控制输出端根据逻辑判断电路两种不同的逻辑输出，相应发出两种不同的控制 指令对第一、第二电动阀、增压机实现联动控制。
[0013] 所述压力传感器为硅压阻式的压力传感器，采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内 壁，通过MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿 测量电桥，作为力电变换测量元件。
[0014] 所述水-气共容舱下部出口与水轮机连通的管路上可串联一个换热器。在水泵机 组与储水池之间设置有一回水阀门。
[0015] 本发明与现有技术相比，在系统中配置了高压气体容器和气体压力稳定控制装 置，解决了在发电过程中水气共容舱水压稳定问题，提高系统的储能密度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 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。
[0017] 图1为本发明恒压储能系统的结构示意图。图1中：1、水轮机；2、水泵机组；3、储 水池；4、压缩机组；5、增压机；6、水-气共容舱；7、高压储气罐；8、稳压控制器；9、水气分离 器；10、回水阀门；11、发电机；12、水泵电机；13、14、压缩电机；15-20、普通阀门；21、22、电 控阀门；23、换热器；24、压力传感器。
[0018] 图2为图1中稳压控制器控制原理框图。
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示，本发明恒压水-气共容舱电力储能系统，包括由压缩电机14驱动的 压缩机组4、由水泵电机12驱动的水泵机组2、上方与大气相通的储水池3以及可带动发电 机11发电的水轮机1，水轮机1的排水口通过管道及阀门18为储水池提供进水，水泵机组 2通过管道及阀门19从储水池中抽水。
[0020] 压缩机组4的一个出口通过管道及阀门15与水-气共容舱6的上部连通，水泵 机组2的出口通过管道及阀门20与水-气共容舱的中部连通。水-气共容舱6下部出口 通过管道及阀门17连通水轮机1 (管路上可选择串联一个换热器23,以保证从水气共容舱 6中进入水轮机1的水是常温的，避免较高温度的水对水轮机1造成破坏），由水轮机拖动 发电机11发电输出至电网。压缩电机14和水泵电机12均取自电网的富余电能或风力机 组发出的电能。以上系统中，水泵机组2可以是二至三级水泵串联而成，与水泵电机12构 成抽水装置。压缩机组4可用高压气瓶组替换。在水泵机组2与储水池3之间可选择增加 一回水阀门10,该阀门的作用是在关闭阀门20时用于水泵回水，水流通过回水管返回储水 池，以免突然关闭水泵时对水泵造成的冲击破坏。
[0021] 本发明系统还包括一个高压储气罐7、由压缩电机13驱动的增压机5、一个稳压控 制器8,以及一个水气分离器9。高压储气罐7的中部进口通过管道及阀门16与压缩机组 4的另一个出口相连；水气共容舱6顶部设置一个出口，依次通过电动阀21、水气分离器9 与增压机5的进口连接；增压机5的出口与高压储气罐7顶部进口相连；高压储气罐7顶部 出口通过电动阀22与水气共容舱顶部的进口连接。增压机5通过向高压储气罐7内压缩 高压气体以维持储能过程中水气共容舱6内气体压力稳定。
[0022] 本发明的储能机理不同于传统压缩空气储能机理，在本发明系统中，在开始储存 能量前，关闭阀门17?22(六个），分别打开阀门15和阀门16,开启压缩机组4,剩余电能 (包括风电）通过气体压缩机组4将气体预压缩至水-气共容舱6内，使其内部气体压力达 到预先设置压力，如5MPa或8MPa等；气体压缩机组同时将气体压缩至高压储气罐7中，此 后气体压缩机组4就不再工作，并关闭阀门15、16。
[0023] 在储能过程中，开启水泵机组2,打开阀门19和阀门20对水-气共容舱6注水，水 泵机组吸纳富余电能产生足够高的水压（lOMPa或16MPa)，将储水池3中的水注入水-气共 容舱6,水在水-气共容舱内与预压缩气体混合成为高压水，完成储能；在发电过程中，打开 阀门17、阀门18,水-气共容舱6中的高压水被放出，进入水轮机1，推动发电机11发电输 出电能，对水轮机1做功后的高压水压力降低，在残余压力作用下流回储水池3。
[0024] 在向水-气共容舱6注水储能过程中，随着水-气共容舱6内部水体体积的增加， 导致水泵机组2出口压力不稳，为了稳定水泵机组出口压力，必须保持水气共容舱6内的气 体压力恒定，稳压控制器8在接收到压力传感器24发送的压力升高信号后，启动增压机5 并打开电控阀门21，水气共容舱6中的预压缩气体通过水气分离器9进入增压机5被进一 步增压，然后以高压气体的形式进入高压储气罐7储存，直至水-气共容舱6中的注水储能 过程结束，关闭电控阀门21并停止增压机5工作。
[0025] 发电过程中由于水-气共容舱内水量减少，导致水-气共容舱内气体压力降低，引 起水轮机组1入口水压力发生改变，为了保持水轮机组入口水压力恒定，也必须使得水气 共容舱6内气体压力恒定不变，这时，稳压控制器8在接收到压力传感器发送的压力降低信 号后，打开电动阀门22,让高压储气罐7内的高压气体自动通过管道进入水-气共容舱，维 持水-气共容舱内压力稳定。
[0026] 参考图2,稳压控制器8包括逻辑判断电路和控制及开关电路。其中，逻辑判断电 路的输入端与固定于水气共容舱6顶部的压力传感器24连接，输出端连接控制及开关电 路。压力传感器24为硅压阻式的压力传感器，采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，通 过MEMS (微机电系统）技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组 成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量元件，将压力这个物理量直接变换成电量。当逻辑判 断电路接受到MEMS硅压阻式压力传感器所检测的水气共容舱6中实际压力Pi大于预置压 力Ρ ?Μ时，输出控制信号A至控制及开关电路使控制电控阀门21打开，电控阀门22关闭， 并且启动增压机5开始工作，水气共容舱6中高压气体通过电控阀门21进入水气分离器， 然后通过增压机5升高压力，进入高压储气罐7内储存。当逻辑判断电路接受到MEMS硅压 阻式压力传感器所检测的水气共容舱6中实际压力Pi小于预置压力Ρ ?Μ时，输出控制信号 Β至控制及开关电路使电控阀门22关闭而电控阀门22打开，储存在高压储气罐7中的高压 气体自动通过电控阀门22和管道进入水气共容舱6中，以维持水气共容舱6中压力稳定。
【权利要求】
1. 一种用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，包括压缩机组、水泵机组、储 水池以及水轮机，水泵机组通过管道及阀门从储水池中抽水，水轮机通过管道及阀门向储 水池中排水；所述压缩机组的一个出口通过管道及阀门与水-气共容舱的上部连通，水泵 机组的出口通过管道及阀门与水-气共容舱的中部连通，水-气共容舱下部出口通过管道 及阀门连通水轮机；其特征在于，该系统还包括一个增压机和一个高压储气罐，所述高压储 气罐的中部进口通过管道及阀门与压缩机组的另一个出口相连；所述水气共容舱顶部设置 一个出口，依次通过第一电动阀、水气分离器与增压机的进口连接；增压机的出口与高压储 气罐顶部进口相连；高压储气罐顶部出口通过第二电动阀与水气共容舱顶部的进口连接。
2. 如权利要求1所述的用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于， 所述第一、第二电动阀、增压机均电连接一个稳压控制器的控制输出端，该稳压控制器的控 制输入端连接固定于水气共容舱内顶部的压力传感器。
3. 如权利要求2所述的用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于， 所述稳压控制器包括逻辑判断电路和控制及开关电路，其中，逻辑判断电路的输入端连接 压力传感器，逻辑判断电路分两个逻辑输出端连接控制及开关电路，控制及开关电路的三 个控制输出端根据逻辑判断电路两种不同的逻辑输出，相应发出两种不同的控制指令对第 一、第二电动阀、增压机实现联动控制。
4. 如权利要求1所述的用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在 于，所述压力传感器为硅压阻式的压力传感器，采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，通 过MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量 电桥，作为力电变换测量元件。
5. 如权利要求1所述的用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于， 所述水-气共容舱下部出口与水轮机连通的管路上串联一个换热器。
6. 如权利要求1所述的用高压储气罐恒压的水-气共容舱电力储能系统，其特征在于， 在水泵机组与储水池之间设置有一回水阀门。
【文档编号】F04B41/02GK104100441SQ201410312066
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】王焕然, 姚尔人, 柳龙, 席光 申请人:西安交通大学