本實(shí)用新型涉及壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

壓縮空氣儲(chǔ)能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)提出的一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)?？諝饨?jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫，然后高溫高壓的燃?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)需要消耗約2/3的透平輸出功，因此，燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功遠(yuǎn)小于透平的輸出功。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)和透平不同時(shí)工作，在儲(chǔ)能時(shí)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中。在釋能時(shí)，高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃燒室利用燃料燃燒加溫，驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。由于儲(chǔ)能與釋能分時(shí)工作，在釋能過(guò)程中，并沒(méi)有壓縮機(jī)消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力。壓縮空氣儲(chǔ)能具有適用于大型系統(tǒng)(100MW級(jí)以上)、儲(chǔ)能周期不受限制、系統(tǒng)成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)系統(tǒng)需要特定的地理?xiàng)l件建造大型儲(chǔ)氣室，如巖石洞穴、鹽洞、廢舊礦井等，或是對(duì)化石燃料依賴比較高，從而大大限制了傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。目前，為了解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的依賴大型儲(chǔ)氣室問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別開(kāi)展了液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，使空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)脫離對(duì)大型儲(chǔ)氣室的依賴。但是，由于將空氣液化將消耗大量的能量，導(dǎo)致系統(tǒng)效率有所降低。目前，液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率只有40％。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種占地少，投資低，運(yùn)行安全及效率高的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)，適合于可再生能源發(fā)電的存儲(chǔ)以及電力部門(mén)的移峰填谷。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是：

一種新型液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括壓縮裝置、液化空氣制備裝置、蓄冷換熱裝置和透平裝置，所述壓縮裝置的出口經(jīng)過(guò)液化空氣制備裝置連接至透平裝置，所述蓄冷換熱裝置與壓縮裝置和透平裝置均連接，所述的蓄冷換熱裝置儲(chǔ)存空氣壓縮過(guò)程中的壓縮熱，所述的壓縮裝置將空氣壓縮后送入液化空氣制備裝置制備成液態(tài)空氣，所述的液態(tài)空氣經(jīng)過(guò)蓄冷換熱裝置加熱氣化后驅(qū)動(dòng)所述透平裝置做功，所述的新型液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)還包括第三蓄熱器和第五蓄熱器，其中：所述第三蓄熱器的一側(cè)與蓄冷換熱裝置連接，所述液化空氣制備裝置的氣體出口通過(guò)第三蓄熱器的另一側(cè)與所述壓縮裝置的入口連接，所述第三蓄熱器加熱經(jīng)過(guò)液化空氣制備裝置后的氣態(tài)空氣后送入壓縮裝置入口，所述蓄冷換熱裝置加熱液態(tài)空氣后的余熱存儲(chǔ)在第三蓄熱器中，所述的第五蓄熱器的一側(cè)存儲(chǔ)熱，所述蓄冷換熱裝置經(jīng)過(guò)第五蓄熱器的另一側(cè)換熱后與透平機(jī)組連接，經(jīng)過(guò)蓄冷換熱裝置加熱升溫后的液態(tài)空氣通過(guò)第五蓄熱器再加熱后驅(qū)動(dòng)透平裝置做功。

所述的液化空氣制備裝置包括膨脹機(jī)、氣液分離器和液化空氣罐，所述壓縮裝置的出口通過(guò)膨脹機(jī)連通氣液分離器的氣體入口，所述氣液分離器液體出口連通液化空氣罐，所述液化空氣罐通過(guò)管道依次與低溫泵和所述蓄冷換熱裝置連接，所述氣液分離器氣體出口通過(guò)第十一換熱器與第三蓄熱器換熱后與連通所述壓縮裝置的入口。

所述的壓縮裝置為二級(jí)空氣壓縮機(jī)，所述的蓄冷換熱裝置包括第一蓄熱器、第二蓄熱器和第四蓄熱器，所述第一蓄熱器和第二蓄熱器分別通過(guò)第一換熱器和第二換熱器存儲(chǔ)二級(jí)壓縮機(jī)壓縮空氣過(guò)程中的壓縮熱，所述第四蓄熱器依次通過(guò)第五換熱器和第六換熱器存儲(chǔ)所述二級(jí)壓縮機(jī)壓縮空氣過(guò)程中產(chǎn)生的級(jí)間熱，所述第一蓄熱器、第二蓄熱器和第四蓄熱器依次對(duì)制備成的液態(tài)空氣進(jìn)行加熱升溫。

所述透平裝置包括三級(jí)透平機(jī)，所述蓄冷換熱裝置分別通過(guò)第八換熱器、第九換熱器、第十換熱器對(duì)三級(jí)透平機(jī)級(jí)間的液化空氣進(jìn)行加熱。

所述的透平裝置的出口與第七換熱器的一側(cè)連通，所述蓄冷換熱裝置通過(guò)第七換熱器的另一側(cè)后連通所述透平裝置。

所有上述換熱器的工作溫度范圍為-196℃～1000℃。

所述的膨脹機(jī)使用的介質(zhì)處于零下196℃的溫度及18MPa壓力環(huán)境下。

所述的第四蓄熱器所處的溫度小于400℃。

所述的第三蓄熱器所處的溫度為100℃～190℃。。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)有第三蓄熱器加熱經(jīng)過(guò)液化空氣制備裝置后的氣態(tài)空氣后送入壓縮裝置入口和第五蓄熱器，第五蓄熱器利用谷電或棄用電進(jìn)行以熱量的形式存儲(chǔ)在第五蓄熱器中，將經(jīng)過(guò)蓄冷換熱裝置加熱升溫后的液態(tài)空氣進(jìn)行再加熱，因此，液態(tài)空氣能量密度高，同時(shí)儲(chǔ)存占地面積小，回收壓縮熱和冷量火用可以減少系統(tǒng)能源消耗，大大提高了發(fā)電效率，其加熱效率和天然氣加熱相同，但本系統(tǒng)不依賴于化石燃料，不帶來(lái)環(huán)境污染，效率卻與有天然氣補(bǔ)燃的相同甚至更高，充放電效率最高可達(dá)80％。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型一種液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

一種新型液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括壓縮裝置、液化空氣制備裝置、蓄冷換熱裝置和透平裝置，所述壓縮裝置的出口經(jīng)過(guò)液化空氣制備裝置連接至透平裝置，所述蓄冷換熱裝置與壓縮裝置和透平裝置均連接，所述的蓄冷換熱裝置儲(chǔ)存空氣壓縮過(guò)程中的壓縮熱，所述的壓縮裝置將空氣壓縮后送入液化空氣制備裝置制備成液態(tài)空氣，所述的液態(tài)空氣經(jīng)過(guò)蓄冷換熱裝置加熱氣化后驅(qū)動(dòng)所述透平裝置做功，所述的新型液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)還包括第三蓄熱器S3和第五蓄熱器S5，其中：所述第三蓄熱器S3的一側(cè)與蓄冷換熱裝置連接，所述液化空氣制備裝置的氣體出口通過(guò)第三蓄熱器S3的另一側(cè)與所述壓縮裝置的入口連接，所述第三蓄熱器S3加熱經(jīng)過(guò)液化空氣制備裝置后的氣態(tài)空氣后送入壓縮裝置入口，所述蓄冷換熱裝置加熱液態(tài)空氣后的余熱存儲(chǔ)在第三蓄熱器S3中，所述的第五蓄熱器S5的一側(cè)存儲(chǔ)熱，所述蓄冷換熱裝置經(jīng)過(guò)第五蓄熱器S5的另一側(cè)換熱后與透平機(jī)組連接，經(jīng)過(guò)蓄冷換熱裝置加熱升溫后的液態(tài)空氣通過(guò)第五蓄熱器S5再加熱后驅(qū)動(dòng)透平裝置做功。

所述的液化空氣制備裝置包括膨脹機(jī)3、氣液分離器4和液化空氣罐5，所述壓縮裝置的出口通過(guò)膨脹機(jī)3連通氣液分離器4的氣體入口，所述氣液分離器4液體出口連通液化空氣罐5，所述液化空氣罐5通過(guò)管道依次與低溫泵和所述蓄冷換熱裝置連接，所述氣液分離器4氣體出口通過(guò)第十一換熱器HX11與第三蓄熱器S3換熱后與連通所述壓縮裝置的入口。

所述的壓縮裝置為二級(jí)空氣壓縮機(jī)1，所述的蓄冷換熱裝置包括第一蓄熱器S1、第二蓄熱器S2和第四蓄熱器S4，所述第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2分別通過(guò)第一換熱器HX1和第二換熱器HX2存儲(chǔ)二級(jí)壓縮機(jī)壓縮空氣過(guò)程中的壓縮熱，所述第四蓄熱器S4依次通過(guò)第五換熱器HX5和第六換熱器HX6存儲(chǔ)所述二級(jí)壓縮機(jī)壓縮空氣過(guò)程中產(chǎn)生的級(jí)間熱，所述第一蓄熱器S1、第二蓄熱器S2和第四蓄熱器S4依次對(duì)制備成的液態(tài)空氣進(jìn)行加熱升溫，所述的氣液分離器4的氣體入口依次連接第一換熱器HX1和第二換熱器HX2。

所述透平裝置包括三級(jí)透平機(jī)2，所述蓄冷換熱裝置分別通過(guò)第八換熱器HX8、第九換熱器HX9、第十換熱器HX10對(duì)三級(jí)透平機(jī)2級(jí)間的液化空氣進(jìn)行加熱。

所述的透平裝置的出口與第七換熱器HX7的一側(cè)連通，所述蓄冷換熱裝置通過(guò)第七換熱器HX7的另一側(cè)后連通所述透平裝置。

所有上述換熱器的工作溫度范圍為-196℃～1000℃。

所述的膨脹機(jī)3使用的介質(zhì)處于零下196℃的溫度及18MPa壓力環(huán)境下。

所述的第四蓄熱器S4所處的溫度小于400℃。

所述的第三蓄熱器S3所處的溫度為100℃～190℃。。

優(yōu)選的，以上所有上述換熱器的工作溫度范圍為-196℃～1000℃。

優(yōu)選的，所述的膨脹機(jī)3使用的介質(zhì)處于零下196℃的溫度及18MPa壓力環(huán)境下。

優(yōu)選的，所述的第四蓄熱器S4所處的溫度小于400℃。

優(yōu)選的，所述的第三蓄熱器S3所處的溫度為461℃左右。

所述壓縮空氣及液化空氣制備過(guò)程與發(fā)電過(guò)程錯(cuò)時(shí)運(yùn)行。本實(shí)用新型整個(gè)系統(tǒng)的工作原理如下：在儲(chǔ)電過(guò)程中，空氣壓縮機(jī)1工作，本實(shí)用新型中涉及到兩級(jí)壓縮，根據(jù)實(shí)際過(guò)程，可能需要多級(jí)壓縮。空氣壓縮機(jī)帶有級(jí)間冷卻系統(tǒng)，同時(shí)，將壓縮空氣的余熱通過(guò)熱媒油將熱存放在第四蓄熱器S4，為下周期冷卻壓縮空氣節(jié)約能量。在第三蓄熱器S3中，余熱溫度不同，分級(jí)存放，便于余熱的梯級(jí)利用。空氣離開(kāi)空氣壓縮機(jī)后溫度約為150℃左右，空氣壓力約為18MPa。壓縮空氣經(jīng)過(guò)第一換熱器HX1和第二換熱器HX2后被冷卻，所用的冷卻介質(zhì)一是來(lái)自氣液分離器的低溫冷空氣，另一部分是來(lái)自上周期在液態(tài)空氣釋放過(guò)程中儲(chǔ)存在第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2中的冷能。對(duì)經(jīng)過(guò)第一換熱器HX1和第二換熱器HX2冷卻后，壓縮空氣溫度達(dá)到90K左右，壓力保持不變。然后經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)3，在膨脹機(jī)3中，低溫高壓的壓縮空氣變?yōu)榈蜏爻旱臍庖夯旌衔?，在此過(guò)程中由焦耳湯姆遜效應(yīng)，過(guò)程表現(xiàn)為吸收熱量。氣液混合物進(jìn)入氣液分離器4。在氣液分離器4中，氣體返回經(jīng)過(guò)第二換熱器HX1和第二換熱器HX2變?yōu)?88K后與環(huán)境空氣混合進(jìn)入第十一換熱器HX11，通過(guò)第十一換熱器HX11與第三蓄熱器S3換熱，第三蓄熱器S3的蓄熱溫度為100～190℃，其熱量來(lái)自經(jīng)過(guò)上周期用于級(jí)間加熱的熱媒油的余熱。經(jīng)過(guò)第十一換熱器HX11,空氣在吸入壓縮空氣前，其溫度升高到450K。從氣液分離器4分離出的液態(tài)空氣進(jìn)入液態(tài)空氣儲(chǔ)罐5進(jìn)行存放，此時(shí)壓力為常壓，溫度為80K左右。液態(tài)空氣的存放安全，占地少。主要是做好保溫，防止外界熱量的進(jìn)入。

在釋放能量發(fā)電過(guò)程中，液化空氣儲(chǔ)罐5的液態(tài)空氣中首先由低溫泵加熱，空氣的焓值由1R升高到2R狀態(tài)。然后經(jīng)過(guò)第三換熱器HX3和第四換熱器HX4將液態(tài)空氣的冷量火用回收，儲(chǔ)存在第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2中，經(jīng)過(guò)第三換熱器HX3和第四換熱器HX4的換熱后，所述液態(tài)空氣氣化，升溫，變?yōu)槌?、高壓的空氣。壓力約為6.5MPa,溫度約為280K。在進(jìn)入利用壓縮熱預(yù)熱前，先用從透平裝置出來(lái)的空氣來(lái)預(yù)熱這部分常溫高壓空氣，即通過(guò)第七換熱器HX7換熱，對(duì)透平裝置出來(lái)的空氣余熱進(jìn)行回收，此時(shí)空氣可以加熱到436K左右，以提高本系統(tǒng)的加熱效率。

本系統(tǒng)中空氣壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮熱蓄存在蓄熱材料中，用于發(fā)電過(guò)程中三級(jí)透平機(jī)2的級(jí)間加熱。在發(fā)電過(guò)程中，通過(guò)第一蓄熱器S1和第二蓄熱器S2可以將液態(tài)高壓空氣升溫至常溫高壓。在進(jìn)入三級(jí)透平機(jī)2發(fā)電前，還要進(jìn)行兩次加熱。第一次是來(lái)自儲(chǔ)能過(guò)程中存放的壓縮熱，即第四蓄熱器S4，這部分熱量可以將待發(fā)電的常溫高壓空氣升溫到600K左右。第二次是第五蓄熱器S5，可以將壓縮空氣加熱到1273K，然后高溫高壓的空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，發(fā)電效率大大提高。充放電效率最高可達(dá)80％。

為提高空氣的溫度，本實(shí)用新型在利用壓縮熱進(jìn)行預(yù)熱空氣的基礎(chǔ)上，利用S5用于蓄存大量的來(lái)自于熱。這部分熱由谷電或可再生能源發(fā)電時(shí)的棄用電轉(zhuǎn)換而來(lái)。將蓄熱材料加熱至1000℃以，且達(dá)到熱飽和。在發(fā)電階段，可以將經(jīng)過(guò)級(jí)間加熱的壓縮空氣進(jìn)一步加熱。通過(guò)提高壓縮空氣的焓值來(lái)提高發(fā)電效率。

在壓縮空氣時(shí)，采用分級(jí)壓縮的形式，各級(jí)間保持壓縮比一致，保證壓縮效率最高。在透平內(nèi)膨脹發(fā)電過(guò)程中，也采用分級(jí)膨脹的方式，各級(jí)間膨脹比相同，保證發(fā)電效率最高。由于氣體膨脹發(fā)電的過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程，因此，本實(shí)用新型中采取級(jí)間再熱。而且再熱也分為兩次再熱，一部分利用蓄存的壓縮熱，另一部分利用由谷電或棄用電轉(zhuǎn)化而來(lái)的蓄存在蓄熱材料中。

在蓄熱器S5中，采取的是蓄熱的方式。就是首先用電將蓄熱材料加熱，將電以熱的形式存放。然后，高壓空氣通過(guò)換熱的方式吸收熱量，提高空氣焓值。在第一蓄熱器S1、第一蓄熱器S2、第一蓄熱器S3和第一蓄熱器S4中，熱能是通過(guò)熱媒油或冷媒介質(zhì)傳遞，最終存放在蓄能材料中的。

上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本實(shí)用新型可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡未脫離本實(shí)用新型所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。