一种季节性压缩空气储能系统及方法

本发明涉及储能，尤其涉及一种季节性压缩空气储能系统及方法。

背景技术：

1、近百年来，工业化进程导致了大量温室气体排放，造成了全球气候变暖和海平面上升，研究表明目前地球表面平均温度已经比工业革命前高了约1.2℃。为努力实现在21世纪末前将全球平均温度上升幅度控制在不超过工业化前水平2℃以内，并力争不超过工业化前水平1.5℃之内。大力发展以风能、太阳能等为代表的可再生能源成为必然趋势。然而，由于可再生能源波动性和间歇性等固有缺陷，导致可再生能源发电消纳能力和可再生能源应用比重较低。大规模储能技术是提升可再生能源利用率的重要途径。目前，能应用于100mw级以上大规模和长时间电力存储的仅有抽水蓄能和压缩空气储能两种技术。

2、为实现可再生能源的大规模利用和电力需求的季节性变化，需要实现电力的跨季节存储。然而，抽水蓄能技术需要丰富的水资源和合适的地理条件，在可再生能源富集区往往难以满足，传统压缩空气储能通常采用盐洞、废弃矿井、岩石洞穴等地下储气库进行能量存储，为满足季节性的电力存储要求，储气库需要存储超过数亿立方米以上的空气，巨大的储气容量会造成高昂的建库成本，而且传统空气储能系统压缩过程中的压缩热没有被回收利用，膨胀过程依赖天然气等化石燃料补燃，系统能量效率低。

3、因此，如何提供一种适用季节性规模储能、开发成本低且系统能量效率高的压缩空气储能方法，是亟需解决的难题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种储能规模大、存储周期长、开发成本低、占地面积小、对环境影响小、能量效率高以及能够实现能量跨季节调配的季节性压缩空气储能系统及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种季节性压缩空气储能系统，包括地面电站部分和地下储库部分，其中地面电站部分包括压缩机组、动力机构、涡轮机组和换热机构，地下储库部分包括地下含水或咸水层、致密盖层、上覆岩层、下伏岩层、工作井群、监测井；所述压缩机组和动力机构通过第一联动机构可分离连接，所述涡轮机组和动力机构通过第二联动机构可分离连接，所述致密盖层盖设于地下含水或咸水层上，所述下伏岩层位于地下含水或咸水层下方，所述地下含水或咸水层连接有伸至地面的工作井群，所述压缩机组与工作井群之间连接有进气管道，所述进气管道上设有进气阀，所述涡轮机组与工作井群之间连接有出气管道，所述出气管道上设有出气阀，所述进气管道和出气管道均穿设于换热机构中。

4、作为上述技术方案的进一步改进：

5、所述工作井群包括多个工作井，各所述工作井按20m～150m的间距间隔布置，所述工作井的两端分别伸至地面和地下含水或咸水层的底部，各所述工作井位于地下含水或咸水层段的井壁部分布置有射孔。

6、所述地下含水或咸水层还连接有多个监测井，所述监测井绕工作井群的外围布置，所述监测井的两端分别伸至地面和地下含水或咸水层的底部，各所述监测井位于地下含水或咸水层段的井壁部分布置有射孔。

7、所述监测井与工作井群保持30m-80m的间距。

8、所述地下含水或咸水层埋藏于地下深度20m～150m，所述地下含水或咸水层厚度50m～150m、、渗透率高于0.1达西、孔隙度大于0.1。

9、所述致密盖层的毛细突破压为同一深度地层静水压的1.5倍以上、厚度在10m以上，其渗透率低于所述地下含水或咸水层的渗透率。

10、所述压缩机组包括低压压缩机、中压压缩机和高压压缩机，所述进气管道包括第一管道、第二管道和第三管道，所述低压压缩机进气口与气源连通、出气口通过第一管道与中压压缩机的进气口连接，所述中压压缩机的出气口通过第二管道与高压压缩机的进气口连接，所述高压压缩机的出气口通过第三管道与工作井群连接，所述进气阀设于第三管道上，所述第一管道、第二管道和第三管道均穿设于换热机构中。

11、所述涡轮机组包括高压涡轮机和低压涡轮机，所述出气管道包括第四管道和第五管道，所述高压涡轮机的进气口通过第四管道与工作井群连接、出气口通过第五管道与低压涡轮机进气口连接，所述低压涡轮机出气口与大气相通，所述第四管道和第五管道均穿设于换热机构中。

12、所述换热机构包括蓄热罐、蓄冷罐、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第五换热器、第六换热器，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器并联连接在蓄热罐的入口和蓄冷罐的出口之间，所述第四换热器和第五换热器并联连接在蓄热罐的出口和蓄冷罐的入口之间，所述第六换热器连接在低压涡轮机出气口端，并与蓄热罐的入口相连，所述第一管道穿设于第一换热器中，所述第二管道穿设于第二换热器中，所述第三管道穿设于第三换热器中，所述第四管道穿设于第四换热器中，所述第五管道穿设于第五换热器中。

13、一种季节性压缩空气储能方法，采用上述的季节性压缩空气储能系统进行，主要包括如下步骤：

14、s1、缓冲气体注入：打开进气阀，关闭出气阀，启动动力机构，以带动压缩机组运行，通过工作井群向地下含水或咸水层注入预定量的缓冲气体形成初始气囊，再关闭进气阀；

15、s2、能量存储：在用电低峰季节，使第二联动机构断开、第一联动机构连接、进气阀打开、出气阀关闭，启动动力机构，带动压缩机组运行，通过工作井群向地下含水或咸水层注入预定量的储能气体，再使进气阀关闭，实现电能存储；

16、s3、能量释放：在用电高峰季节，使第二联动机构连接、第一联动机构断开、进气阀关闭、出气阀打开，地下含水或咸水层内的空气通过工作井群排出，驱动涡轮机组运行，涡轮机组带动动力机构运行为用户供电，实现能量释放。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、本季节性压缩空气储能系统，一方面，采用地下含水或咸水层作为季节性储能地下储气库，储能规模大，存储周期长，相较于人工储罐、盐穴、废弃矿井与巷道和硬岩洞室等储气室，开发成本低，在经济成本上更容易实现数亿立方米的空气存储；并且，采用地下含水或咸水层作为季节性储能地下储气库，占地面积小，对环境影响小，且地下含水或咸水层分布广泛，在地质条件上更容易获取(靠近可再生能源富集区的地方也能找到该地层条件)。另一方面，本季节性压缩空气储能系统采用换热机构回收压缩机组压缩过程产生的热能和涡轮机组排放的尾气余热，能量释放阶段，涡轮机组膨胀过程无需化石燃料补燃，大幅提高了系统的能量效率。第三方面，本季节性压缩空气储能系统及方法能实现电力的大规模存储和跨季节调配，平抑长时间的电量波动，满足大范围、长时间的用电需求，实现真正意义上的“削峰填谷”。

19、本季节性压缩空气储能方法，一方面，采用地下含水或咸水层作为季节性储能地下储气库，储能规模大，存储周期长，相较于人工储罐、盐穴、废弃矿井与巷道和硬岩洞室等储气室，开发成本低，在经济成本上更容易实现数亿立方米的空气存储；并且，采用地下含水或咸水层作为季节性储能地下储气库，占地面积小，对环境影响小，且地下含水或咸水层分布广泛，在地质条件上更容易获取(靠近可再生能源富集区的地方也能找到该地层条件)。另一方面，本季节性压缩空气储能系统采用换热机构回收压缩机组压缩过程产生的热能和涡轮机组排放的尾气余热，能量释放阶段，涡轮机组膨胀过程无需化石燃料补燃，大幅提高了系统的能量效率。第三方面，本季节性压缩空气储能系统及方法能实现电力的大规模存储和跨季节调配，平抑长时间的电量波动，满足大范围、长时间的用电需求，实现真正意义上的“削峰填谷”。