[發(fā)明專利]基于液體溫度控制的等溫壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)及其方法

有效

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• 申請日: 2016-07-28
• 公開（公告）號: CN106321343B
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發(fā)明（設計）人: 姜彤;張毓穎;鄭祥常
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F03C1/013
• 分類號: F03C1/013;F03C1/02;F03C1/26;F03C1/40;F03B13/00;F04B41/02;F03B13/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

1.一種基于液體溫度控制的等溫壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)的儲能發(fā)電方法，所述等溫壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)，包括：內(nèi)控溫液體活塞、水力發(fā)電設備、儲氣罐、低壓水池、控溫液體源及相配套的換熱器、液體驅(qū)動裝置和閥門，內(nèi)控溫液體活塞分別與高壓氣體管道及低壓氣體管道相連，高壓氣體管道與儲氣罐相連，控溫液體源通過第二液體驅(qū)動裝置與內(nèi)控溫液體活塞相連，水力發(fā)電設備連接內(nèi)控溫液體活塞、低壓水池和電網(wǎng)，低壓水池通過第一液體驅(qū)動裝置與控溫液體源相連，所述系統(tǒng)在低壓水池和控溫液體源之間設置換熱器，其特征在于，包括：

儲能時，水力發(fā)電設備將電能轉化為液體勢能，進一步在內(nèi)控溫液體活塞中將氣體壓縮，產(chǎn)生熱量被液體儲存，使液體勢能轉換為氣體勢能，將高壓氣體送入儲氣罐中；

發(fā)電時，在內(nèi)控溫液體活塞中高壓氣體膨脹做功，從液體中吸收熱量，將氣體勢能轉換成液體勢能進而推動水力發(fā)電設備發(fā)電；在儲能發(fā)電過程中內(nèi)控溫液體活塞利用液體比熱容大的特點控制氣體在縮放時的溫度變化；通過液體更換協(xié)調(diào)方法將控溫液體源內(nèi)液體替換內(nèi)控溫液體活塞原有液體，控制液體活塞內(nèi)氣體溫度；通過換熱器實現(xiàn)控溫液體源的液體溫度控制方法，有四種工作模式：開放式直供運行模式、密閉式直供運行模式、余熱利用模式、高效發(fā)電模式；

所述液體溫度控制方法是指通過換熱器，對控溫液體源的液體進行溫度調(diào)節(jié)控制；實現(xiàn)四種工作模式分別為：

開放式直供運行模式，用于工作的液體溫度近似不變，控溫液體源為唯一的液體來源且為開放式，水源足夠大，包括：海洋、水庫、河流、湖泊；

密閉式直供運行模式，控溫液體源為唯一的液體來源且為保溫密閉式，儲能時，液體送入內(nèi)控溫液體活塞腔中，氣體壓縮所產(chǎn)生的熱量傳遞給液體，這部分液體在升溫后被絕熱儲存起來；發(fā)電時，這部分液體送入內(nèi)控溫液體活塞在氣體膨脹過程中提供熱量，發(fā)電結束后，該部分液體又被絕熱儲存起來；如此反復循環(huán)利用；

余熱利用模式，控溫液體源分成兩種溫度差異明顯的液體源，儲能時選擇溫度較高的液體源，往內(nèi)控溫液體活塞腔中送入溫度較高的液體，氣體壓縮所產(chǎn)生的熱量傳遞給液體，使液體溫度進一步升高，利用高溫液體實現(xiàn)供熱供暖；發(fā)電時選擇溫度較低的液體源，往內(nèi)控溫液體活塞腔中送入溫度較低的液體，壓縮空氣膨脹從液體中吸熱，實現(xiàn)低品質(zhì)熱量利用，在此過程中氣體和液體溫度都會降低，可用于制冷；為提高供暖效果，儲能時換熱器工作在升溫模式下升高液體溫度，為提高制冷效果，發(fā)電時換熱器工作在降溫模式下降低液體溫度；

高效發(fā)電模式，控溫液體源分成兩種溫度差異明顯的液體源，儲能時選擇溫度較低的液體源，低溫液體被送入內(nèi)控溫液體活塞中，氣體的熱量被低溫液體吸收，使氣體溫度和氣體壓強降低，減少氣體壓縮所用的能量；發(fā)電時選擇溫度較高的液體源，高溫液體被送入內(nèi)控溫液體活塞中，氣體吸收高溫液體的熱量，使氣體溫度和氣體壓強升高，以實現(xiàn)更高的能量輸出；為提高儲能發(fā)電效率，儲能時換熱器工作在降溫模式下降低液體溫度，發(fā)電時換熱器工作在升溫模式下升高液體溫度。

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述液體更換協(xié)調(diào)方法與儲能發(fā)電過程有并行工作和串行工作兩種協(xié)調(diào)運行方式；并行工作是指液體更換與儲能發(fā)電同時進行，串行工作是指液體更換與儲能發(fā)電依次分時進行；當內(nèi)控溫液體活塞由單個液體活塞獨立構成時，其液體更換協(xié)調(diào)方法與儲能發(fā)電過程只有串行工作運行方式，具體過程如下：

儲能時，液體活塞內(nèi)充滿氣體，在水力發(fā)電設備的作用下將低壓水池中的液體送入液體活塞中壓縮氣體使其氣壓升高，當達到高壓氣體管道中的氣體氣壓時打開閥門，將壓縮氣體通過高壓氣體管道送入儲氣罐中儲存起來，儲能過程結束后，將液體活塞內(nèi)液體在第三液體驅(qū)動裝置作用下送出到低壓水池，再將通過換熱器調(diào)溫至所需溫度的控溫液體源中液體送入低壓水池，或直接將控溫液體源作為低壓水池運行，進行下一次儲能過程；

發(fā)電時，液體活塞內(nèi)充滿液體，打開閥門，儲氣罐中的高壓氣體通過高壓氣體管道進入液體活塞中膨脹做功，推動液體通過水力發(fā)電設備流出發(fā)電，發(fā)電過程結束后，在第二液體驅(qū)動裝置作用下將控溫液體源中液體送入液體活塞中，液體活塞內(nèi)又充滿液體，進行下一次發(fā)電過程。

3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)控溫液體活塞由兩個液體活塞成對或多個液體活塞兩兩成對組成，其液體更換協(xié)調(diào)方法與儲能發(fā)電過程有串行工作和并行工作兩種運行方式，具體過程分別如下：

1)液體更換協(xié)調(diào)方法與儲能發(fā)電過程串行工作運行方式為：

儲能時，第一液體活塞內(nèi)充滿氣體，第二液體活塞充滿液體，根據(jù)溫度需要第二液體活塞中的液體經(jīng)過換液過程更換為所需溫度液體，液體更換過程結束后在水力發(fā)電設備的作用下將第二液體活塞中的液體送入第一液體活塞中壓縮氣體使其氣壓升高，當達到高壓氣體管道中的氣體氣壓時打開閥門，將壓縮氣體通過高壓氣體管道送入儲氣罐中儲存起來，此時第二液體活塞內(nèi)充滿氣體，第一液體活塞內(nèi)充滿液體，如此反復上述儲能過程可將電能源源不斷轉換為壓縮空氣勢能儲存起來；

發(fā)電時，第一液體活塞內(nèi)充滿液體，第二液體活塞充滿氣體，打開閥門，儲氣罐中的高壓氣體通過高壓氣體管道進入第一液體活塞中膨脹，推動液體通過水力發(fā)電設備流出發(fā)電，發(fā)電過程結束后，根據(jù)溫度需要經(jīng)過換液過程使第二液體活塞中更換為所需溫度液體，此時第一液體活塞內(nèi)充滿氣體，第二液體活塞充滿液體，如此反復上述發(fā)電過程可將壓縮空氣的勢能完全釋放用于發(fā)電；

2)液體更換協(xié)調(diào)方法與儲能發(fā)電過程并行工作運行方式為：

儲能時，第一液體活塞內(nèi)充滿氣體，第二液體活塞內(nèi)充滿液體，在水力發(fā)電設備的作用下將控溫液體源中的液體送入第一液體活塞中，壓縮第一液體活塞中的氣體使其氣壓升高，當達到高壓氣體管道中的氣體氣壓時打開閥門，將壓縮氣體通過高壓氣體管道送入儲氣罐中儲存起來，同時在第三液體驅(qū)動裝置的作用下將第二液體活塞中的液體排出，此時第一液體活塞內(nèi)充滿液體，第二液體活塞內(nèi)充滿氣體，如此反復上述儲能過程可將電能源源不斷轉換為壓縮空氣勢能儲存起來；

發(fā)電時，第一液體活塞內(nèi)充滿液體，第二液體活塞內(nèi)充滿氣體，打開閥門，儲氣罐中的高壓氣體通過高壓氣體管道進入第一液體活塞中膨脹，推動液體通過水力發(fā)電設備流出發(fā)電，同時在第二液體驅(qū)動裝置的作用下將控溫液體源中的液體送入第二液體活塞中，此時第一液體活塞內(nèi)充滿氣體，第二液體活塞內(nèi)充滿液體，如此反復上述發(fā)電過程可將壓縮空氣的勢能完全釋放用于發(fā)電；

所述多個液體活塞中兩兩成對的液體活塞的運行方式與上述第一液體活塞和第二液體活塞的一致，并且多個液體活塞可以在液體更換過程中提高運行效率。