一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)以用戶的熱量和冷量需求為主要目標，利用了壓縮氣體產(chǎn)生的過程熱和氣體膨脹造成的低溫冷量完成熱和冷的供給，同時輔助輸出一定電量。該系統(tǒng)以稀有氣體為工質(zhì)，借助稀有氣體氣態(tài)-超臨界狀態(tài)-氣態(tài)的狀態(tài)變化，有效降低了系統(tǒng)設計難度，減少了儲能系統(tǒng)成本，且保證了系統(tǒng)運行的安全和穩(wěn)定性；同時利用閥門切換實現(xiàn)系統(tǒng)級數(shù)的變化，控制系統(tǒng)的冷熱電輸出量，以實現(xiàn)冷和熱量供給與需求的平衡。該系統(tǒng)可以與風能、太陽能等可再生能源聯(lián)合使用，在運行過程中不產(chǎn)生其他污染物，有較好的節(jié)能和環(huán)保效益。
【專利說明】一種以稀有氣體為工質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本系統(tǒng)涉及儲能技術與分布式供能【技術領域】，具體的說，是一種以壓縮空氣儲能技術為基礎，利用稀有氣體的跨臨界特性實現(xiàn)以供熱、冷為主，供電為輔的分布式能源系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]電、熱、冷是維持人類社會發(fā)展和進步的三種重要的能量形式。一般而言，電能是人類社會最核心的能源，同時也是供應量最為充足的能量形式，電能不僅可以直接供應用戶，還可以利用其他裝置轉化為熱能或者冷能。而隨著人類生活水平的提高，人類對生活舒適度的要求升高，因此對熱和冷的需求急劇增加。雖然電能可轉化為熱能或冷能，但該過程造成的能量品位的降低造成了能源的嚴重浪費。因此，優(yōu)先考慮滿足用戶的熱能和冷能需求是未來分布式供能系統(tǒng)能源利用的一項重要目標。
[0003]壓縮空氣儲能技術是上世紀五六十年代發(fā)展起來的一種以燃氣輪機技術為基礎的能量存儲技術，目前已被一些學者發(fā)掘出其用于分布式供能領域的潛力。主要的方法是將空氣進行壓縮，利用化石燃料加熱壓縮空氣完成膨脹做功發(fā)電，透平機出口溫度較高的空氣(400-600K)分別進行制冷和供熱。該方式有效利用了透平機出口空氣的廢熱，減少了能量的浪費，提高了系統(tǒng)的整體效率。但其對化石燃料的利用也不可避免地造成了環(huán)境污染問題。因此，如何減少或避免儲能系統(tǒng)對化石能源的利用而實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供也是儲能技術未來發(fā)展的一個重要方向。
[0004]在傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術中，壓氣機對空氣進行壓縮時會產(chǎn)生過程熱，但該部分熱量一般都被冷卻水帶走而浪費掉；若將壓力較高，溫度較低的空氣進行膨脹，不僅可以得到一定的電量輸出，同時膨脹機出口空氣溫度較低，理論上可用于制冷。因此壓縮空氣儲能技術存在不利用化石燃料而實現(xiàn)冷熱電聯(lián)供的可能性。不過，對于壓縮空氣儲能技術的介質(zhì)——空氣而言，其來源方便，儲量充足，且有一定的可壓縮性，但由于其密度較小，臨界壓力、溫度較高，當需要壓縮至較高壓力時會造成透平機械的設計復雜化和困難化，而在未達到超臨界狀態(tài)下需要的存儲容積亦較大，因此造成儲能系統(tǒng)設計困難、成本較高。同時由于空氣內(nèi)部組分復雜，在以低溫狀態(tài)下進行膨脹制冷時容易出現(xiàn)液化和組分分離情況，影響系統(tǒng)的運行安全，這是以空氣為存儲介質(zhì)進行冷熱電聯(lián)供的壓縮空氣儲能系統(tǒng)面臨的主要問題。因此，如果儲能技術能以密度較大，且容易實現(xiàn)超臨界狀態(tài)的純氣體為工質(zhì)，就可以避免上述問題的發(fā)生。
[0005]以稀有氣體為代表的惰性氣體是滿足上述要求的一種工質(zhì)選擇。稀有氣體一般利用空氣分離技術作為副產(chǎn)物從空氣中分離，在常溫和常壓下稀有氣體均無色、無味、無臭，化學性質(zhì)幾乎都是惰性的，其臨界參數(shù)如表I中所示。可以看出，稀有氣體的臨界壓力較小，當壓縮至60atm且溫度為環(huán)境溫度時，稀有氣體即可變?yōu)槌R界狀態(tài)，其密度也比同狀態(tài)下的壓縮空氣大幾十倍至幾百倍，同時兼有氣體和液體的雙重特性，具有更好的流動性和傳輸特性?？紤]到稀有氣體的上述優(yōu)秀的物理和化學特性，當以壓縮空氣儲能技術為基礎，以任意一種稀有氣體為存儲介質(zhì)時，不僅可以利用稀有氣體的高密度特性降低如透平機械、換熱器、儲氣罐等系統(tǒng)核心部件的設計難度，減小儲能系統(tǒng)的存儲規(guī)模，大大降低系統(tǒng)的研發(fā)成本與維護成本，還也可以避免低溫空氣膨脹造成的空氣液化和組分分離問題，進一步增強系統(tǒng)的安全性和可操作性。
[0006]表I惰性氣體臨界參數(shù)
【權利要求】
1.一種以稀有氣體為存儲介質(zhì)的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，包括:稀有氣體供應單元、稀有氣體壓縮儲能單元、稀有氣體膨脹釋能單元、載熱介質(zhì)循環(huán)回路，其特征在于，所述稀有氣體供應單元包括常壓稀有氣體存儲器(I);所述稀有氣體壓縮儲能單元包括低壓級壓氣機(2)、中壓級壓氣機(3)、高壓級壓氣機(4)及高壓氣體儲氣罐(22)，其中，-所述低壓級壓氣機(2 )的進氣口通過管路與所述常壓稀有氣體存儲器(I)的出氣口連通，所述低壓級壓氣機(2)產(chǎn)生的高壓氣體穿過低壓級冷卻器(8)的熱流體側后，一部分經(jīng)帶有壓縮端低壓級開關閥(14)的氣體管路通入所述高壓氣體儲氣罐(22)，另一部分經(jīng)帶有壓縮端低壓級速啟/速關閥(17)的氣體管路通入所述中壓級壓氣機(3)的進氣口，一所述中壓級壓氣機(3)產(chǎn)生的高壓氣體穿過中壓級冷卻器(9)的熱流體側后，一部分經(jīng)帶有壓縮端中壓級開關閥(15)的氣體管路通入所述高壓氣體儲氣罐(22)，另一部分經(jīng)帶有壓縮端中壓級速啟/速關閥(18)的氣體管路通入所述高壓級壓氣機(4)的進氣口，一所述高壓級壓氣機(4)產(chǎn)生的高壓氣體穿過高壓級冷卻器(10)的熱流體側后，經(jīng)帶有壓縮端高壓級開關閥(16)的氣體管路通入所述高壓氣體儲氣罐(22);所述稀有氣體膨脹釋能單元包括高壓級膨脹機(41)、中壓級膨脹機(42)及低壓級膨脹機(43)，其中，一所述高壓氣體儲氣罐(22)儲.存的高壓氣體，一部分經(jīng)設有膨脹端高壓級開關閥(32)的氣體管路通入高壓級換熱器(38)的冷流體側后通入所述高壓級膨脹機(41)，另一部分經(jīng)設有膨脹端高壓級速啟/速關閥(35)的氣體管路通入所述高壓級膨脹機(41)，一所述高壓級膨脹機(41)膨脹后的氣體，一部分經(jīng)帶有膨脹端中壓級開關閥(33)的氣體管路通入儲冷罐(50)，另一部分經(jīng)帶有膨脹端中壓級速啟/速關閥(36)的氣體管路通入中壓級換熱器(39)的冷流體側后進入所述中壓級膨脹機(42)，一所述中壓級膨脹機(42)膨脹后的氣體，一部分經(jīng)帶有膨脹端低壓級開關閥(34)的氣體管路通入儲冷罐(50 )，另一部分經(jīng)帶有膨脹端低壓級速啟/速關閥(37 )的氣體管路通入低壓級換熱器(40 )的冷流體側后進入所述低壓級膨脹機(43 )，-所述低壓級膨脹機(43 )膨脹后的氣體通過儲冷罐(50 )后流入常壓稀有氣體存儲器(O;所述載熱介質(zhì)循環(huán)回路包括載熱介質(zhì)供應罐(23)、儲熱罐(24)，所述載熱介質(zhì)供應罐(23)中的載熱介質(zhì)經(jīng)管路分別通入低壓級冷卻器(8)、中壓級冷卻器(9)、高壓級冷卻器(10)的冷流體側后進入所述儲熱罐(24)，所述儲熱罐(24)中的載熱介質(zhì)經(jīng)管路分別通入高壓級換熱器(38 )、中壓級換熱器(39 )、低壓級換熱器(40 )的熱流體側后進入所述載熱介質(zhì)供應罐(23)。
2.根據(jù)權利要求1所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述載熱介質(zhì)供應罐(23)通過一共同的低溫載熱介質(zhì)供應管路將載熱介質(zhì)分送至低壓級冷卻器(8)、中壓級冷卻器(9)、高壓級冷卻器(10)的冷流體側，位于所述低壓級冷卻器(8)和中壓級冷卻器(9)之間的供應管路上設有中壓級冷卻器開關閥(19)，位于所述中壓級冷卻器(9)和高壓級冷卻器(10)之間的供應管路上設有高壓級冷卻器開關閥(20)。
3.根據(jù)權利要求2所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述儲熱罐(24)通過一共同的高溫載熱介質(zhì)供應管路將載熱介質(zhì)分送至高壓級換熱器(38)、中壓級換熱器(39)、低壓級換熱器(40)的熱流體側，所述供應管路上串接有高壓級換熱器開關閥(47)、中壓級換熱器開關閥(48)、低壓級換熱器開關閥(49)，其中，所述高壓級換熱器開關閥(47)設置在所述儲熱罐(24)和高壓級換熱器(38)之間的供應管路上，所述中壓級換熱器開關閥(48)設置在所述高壓級換熱器(38)和中壓級換熱器(39)之間的供應管路上，所述低壓級換熱器開關閥(49)設置在所述中壓級換熱器(39)和低壓級換熱器(40)之間的供應管路上。
4.根據(jù)權利要求1所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述儲熱罐(24)用以向用熱單元供應熱量，所述用熱單元包括通過管路依次連接的熱用戶(28)、用熱端載熱介質(zhì)供應罐(26)、用熱端開關閥(27)，其中，熱用戶(28)和用熱端開關閥(27)之間的用熱管路上設有穿過所述儲熱罐(24)部分的用熱換熱部件。
5.根據(jù)權利要求4所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述用熱單元還包括用熱端控制系統(tǒng)(25)，用以控制調(diào)節(jié)用熱端開關閥(27)的開度和熱用戶(28)的用熱量。
6.根據(jù)權利要求2所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述低壓級冷卻器(8 )的熱流體側出 口處的管路上設有壓縮端低壓級止回閥(11)。
7.根據(jù)權利要求2所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述中壓級冷卻器(9)的熱流體側出口處的管路上設有壓縮端中壓級止回閥(12)。
8.根據(jù)權利要求2所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓級冷卻器(10)的熱流體側出口處的管路上設有壓縮端高壓級止回閥(13)。
9.根據(jù)權利要求1所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓氣體儲氣罐(22)的進氣口處的管路上設有安全閥(21)。
10.根據(jù)權利要求1所述的壓縮氣體分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓級膨脹機(41)的出氣口處的管路上設有膨脹端中壓級止回閥(30)。
【文檔編號】F25B41/04GK103438612SQ201310382076
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權日:2013年8月28日
【發(fā)明者】楊科, 張遠, 李雪梅, 徐建中 申請人:中國科學院工程熱物理研究所