[發(fā)明專利]分級蓄冷式超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN108979762B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林曦鵬;王亮;陳海生;謝寧寧;楊征
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01K7/32
• 分類號: F01K7/32;F01K13/00;F01K21/04;F01K25/08;F25D3/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發(fā)明公開了一種超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)包括超臨界液化子系統(tǒng)、蒸發(fā)膨脹子系統(tǒng)、分級蓄冷子系統(tǒng)、儲熱換熱子系統(tǒng)和冷能補償子系統(tǒng)，其中，分級蓄冷子系統(tǒng)用于實現(xiàn)冷能的分級儲存和釋放，提高釋能和儲能過程低溫冷能的回收利用效率進而提高系統(tǒng)循環(huán)效率。本發(fā)明不需要外界提供額外的冷能和熱能輸入，具有循環(huán)效率高、成本低、可獨立運行、對環(huán)境友好，不受地形條件限制等優(yōu)點，適合于大規(guī)模商業(yè)應用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及可再生能源、壓縮空氣儲能、分布式能源等領(lǐng)域，尤其涉及一種分級蓄冷式超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

壓縮空氣儲能是除抽水蓄能以外唯一成熟的大規(guī)模電網(wǎng)儲電的物理儲能技術(shù)，可用于電網(wǎng)削峰填谷以及太陽能和風能等可再生能源穩(wěn)定輸出等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能利用壓縮機將空氣壓縮進入大型巖洞存儲，在釋能階段利用化石燃料燃燒再熱從而膨脹做功，適合大型系統(tǒng)、成本低、壽命長，但是其建設(shè)地點受限，且依賴于化石能源燃燒造成污染。蓄熱式壓縮空氣儲能回收壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱并在釋能過程中用于透平級間再熱，屬于一種斯特林循環(huán)，具有效率高，對環(huán)境友好，然而其推廣仍然受限于儲氣巖洞地形條件。大規(guī)模耐高壓容器管道被用于替代大型儲氣巖洞，擺脫了地形條件的限制，適合于大范圍推廣，但是采用金屬壓力容器儲存高壓空氣成本昂貴，且隨著儲能時間的增大容器成本所占比重越來越大，影響壓縮空氣儲能系統(tǒng)成本回收和大規(guī)模推廣應用。

液化空氣儲能系統(tǒng)(LAES)內(nèi)做功工質(zhì)以液態(tài)常壓或低壓存儲，不僅大大提高了儲能密度，同時也大幅降低系統(tǒng)建設(shè)成本和占地面積。早期液態(tài)空氣技術(shù)釋能過程仍然依靠化石燃料燃燒，系統(tǒng)中無儲冷設(shè)計，依賴于外部液態(tài)空氣輸入，主要是與傳統(tǒng)空分系統(tǒng)結(jié)合，未考慮釋能階段冷能的回收，雖然技術(shù)成熟度較高，但是系統(tǒng)實際電效率很低。一些文獻公開了新型液態(tài)空氣儲能技術(shù)，相對于之前的技術(shù)，不包含任何燃燒過程，只有空氣為工質(zhì)，增加了儲熱和儲冷技術(shù)回收液態(tài)空氣蒸發(fā)時的冷能用于空氣液化流程，提高了系統(tǒng)效率。一些文獻公開了一種回收并儲存冷能的超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，結(jié)合了空氣超臨界液化循環(huán)、儲能系統(tǒng)和朗肯循環(huán)，儲能階段壓縮機出口超臨界空氣吸收冷能降溫并等焓節(jié)流/等熵膨脹，低壓液化空氣儲存在低溫絕熱儲罐內(nèi)，釋能階段經(jīng)低溫泵升壓后的液態(tài)空氣吸收熱量并回收冷能后氣化并經(jīng)再熱器再熱后進入透平做功。還具有建設(shè)地點不受限制和零污染排放等優(yōu)點。此外由于透平進口的壓力和流量可以保持穩(wěn)定，解決了絕熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣裝置與透平進口之間的壓力調(diào)節(jié)以及壓縮機出口變壓力運行等缺點，可以保持動力機械在高效點穩(wěn)定運行。

以上研究中雖然將冷能回收用于液化流程，但是冷能利用率仍不足，且儲釋過程冷量并不閉合，后續(xù)的研究中在液化流程中均考慮了采用優(yōu)化的克勞德吸收更多冷能并實現(xiàn)系統(tǒng)冷能的自補償。一些文獻公開了丙烷與甲醇雙流體蓄冷的循環(huán)，并與核電站的集成使核電站維持接近滿負荷運行同時滿足應變需求，液態(tài)工質(zhì)同時作為傳熱和儲冷工質(zhì)減少了冷能的不可逆損失，然而甲醇和丙烷均為易燃易爆有毒的危化品，與空氣液化過程中存在富氧區(qū)域接觸容易發(fā)生爆炸，其大規(guī)模長期儲存從安全性、經(jīng)濟性和維護成本上難以想象。

綜上，當前的研究中，對于液化過程中冷能利用的研究已經(jīng)非常充分，但是對于蒸發(fā)冷箱內(nèi)高溫液態(tài)空氣冷能的回收則明顯不足，現(xiàn)有發(fā)明仍不滿足于大規(guī)模、低成本和安全可靠儲能的需求，仍需要進一步優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種分級蓄冷子系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，用以解決冷能回收不足的問題，以及不滿足大規(guī)模、低成本和安全可靠儲能的需求。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明的一方面提供一種分級蓄冷式超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，包括用于將輸入的氣態(tài)空氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣的超臨界液化子系統(tǒng)和用于將液態(tài)空氣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣的蒸發(fā)膨脹子系統(tǒng)，其中，該分級蓄冷式超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)還包括：

分級蓄冷子系統(tǒng)，用于在氣態(tài)空氣與液態(tài)空氣轉(zhuǎn)化時儲存和/或釋放冷能。