本發(fā)明涉及能源儲(chǔ)存技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低溫蓄冷系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前發(fā)展和應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)主要有飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能等。其中能夠以較低成本持續(xù)數(shù)小時(shí)進(jìn)行大容量輸出的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括：抽水蓄能、電池儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能，它們是少數(shù)幾種能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)十小時(shí))和大容量(數(shù)百到數(shù)千兆瓦時(shí))儲(chǔ)能應(yīng)用的技術(shù)，其他的幾種儲(chǔ)能技術(shù)更適合提供短時(shí)間的儲(chǔ)能服務(wù)來(lái)改善電能質(zhì)量和提高電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。抽水蓄能作為當(dāng)前最為成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，具有效率高，儲(chǔ)能容量大，設(shè)備技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)受到蓄水池選址難的限制，阻礙了其在廣大地區(qū)的推廣應(yīng)用。電池儲(chǔ)能在小規(guī)模分散式應(yīng)用中前景廣闊，在科研方面也有很多新技術(shù)在發(fā)展，但是由于其全壽命周期成本高，生產(chǎn)及后續(xù)處理存在環(huán)境污染等問(wèn)題，目前在大規(guī)模使用上仍存在制約。壓縮空氣儲(chǔ)能以空氣內(nèi)能形式進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，可以使用多種類型的儲(chǔ)存方式，包括地下鹽洞和高壓氣體儲(chǔ)罐等。但是由于壓縮空氣儲(chǔ)能通常需要大容積存儲(chǔ)空間，這直接限制了壓縮空氣儲(chǔ)能的進(jìn)一步發(fā)展。
為了解決壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)氣空間的問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能技術(shù)的研究，低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能采用常壓液態(tài)空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)，可以將儲(chǔ)能密度從常規(guī)壓縮空氣儲(chǔ)能的2-10kWh/m3提高到30-100kWh/m3。該方案具有單位體積容量大、無(wú)地理?xiàng)l件限制、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用的潛力。
低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能時(shí)，采用低谷電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮，利用上個(gè)周期釋能復(fù)溫過(guò)程中儲(chǔ)存的冷量將空氣冷卻液化后進(jìn)入低溫儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存；系統(tǒng)釋能時(shí)，利用低溫泵將液態(tài)空氣從低溫儲(chǔ)罐中引出加壓，利用低溫蓄冷系統(tǒng)回收低溫冷量，使空氣吸熱復(fù)溫升溫后推動(dòng)透平膨脹做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，而復(fù)溫過(guò)程中回收的冷量用于下一周期儲(chǔ)能液化過(guò)程中對(duì)空氣進(jìn)行冷卻液化。
目前低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)主要采用固相介質(zhì)直接和空氣換熱的方式進(jìn)行蓄冷，以及采用液態(tài)工質(zhì)蓄冷。其中采用固相介質(zhì)直接和空氣換熱蓄冷的方式，在蓄冷/釋冷的初始階段，空氣與固相介質(zhì)的溫差都很大，導(dǎo)致蓄冷效率較低；且采用液體工質(zhì)蓄冷的方式存儲(chǔ)體積大，成本高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明提供一種用于低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的低溫蓄冷系統(tǒng)及方法，采用流體工質(zhì)換熱、固相介質(zhì)蓄冷，用于解決采用傳統(tǒng)固相介質(zhì)蓄冷系統(tǒng)蓄冷效率低，而采用液體工質(zhì)蓄冷成本過(guò)高、存儲(chǔ)體積過(guò)大的問(wèn)題。
(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種低溫蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，包括釋冷換熱器、儲(chǔ)冷換熱器、流體工質(zhì)存儲(chǔ)器以及固相介質(zhì)蓄冷器；所述固相介質(zhì)蓄冷器中容納有用于蓄冷的固相介質(zhì)，所述流體工質(zhì)存儲(chǔ)器中容納有用于換熱的流體工質(zhì)；所述流體工質(zhì)存儲(chǔ)器、所述固相介質(zhì)蓄冷器和所述釋冷換熱器通過(guò)管道順次連接，形成釋冷循環(huán)通道；所述固相介質(zhì)蓄冷器、所述流體工質(zhì)存儲(chǔ)器和所述儲(chǔ)冷換熱器通過(guò)管道順次連接，形成儲(chǔ)冷循環(huán)通道。
其中，所述釋冷循環(huán)通道和儲(chǔ)冷循環(huán)通道中均容納有循環(huán)流動(dòng)的所述流體工質(zhì)，所述釋冷循環(huán)通道和儲(chǔ)冷循環(huán)通道均設(shè)有調(diào)節(jié)流體工質(zhì)流量的調(diào)節(jié)閥。
其中，還包括氣液分離器和用于儲(chǔ)存所述氣液分離器分離出的液態(tài)空氣的低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐；釋冷換熱器連接氣液分離器的一端，以將經(jīng)過(guò)所述釋冷換熱器進(jìn)行冷卻的高壓空氣引入所述氣液分離器；氣液分離器的另一端分為兩個(gè)出口，其中一個(gè)出口連通所述低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐，另一個(gè)出口連通釋冷換熱器，用于將所述氣液分離器分離出的氣態(tài)空氣以與高壓空氣相反的方向通過(guò)所述釋冷換熱器。
其中，所述釋冷換熱器通過(guò)節(jié)流閥或液體膨脹機(jī)連接所述氣液分離器的所述一端；所述低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐通過(guò)低溫泵連通儲(chǔ)冷換熱器，所述低溫泵用于將所述低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)空氣抽出加壓。
其中，所述固相介質(zhì)為堆積導(dǎo)熱固相顆粒而形成的多孔介質(zhì)。
其中，所述多孔介質(zhì)的孔隙率為10％～90％。
其中，所述流體工質(zhì)的使用溫區(qū)為-196℃～50℃；
其中，所述流體工質(zhì)的壓力范圍為0.1MPa～10MPa(絕對(duì)壓力)。
其中，所述流體工質(zhì)為氣態(tài)、液態(tài)、超臨界狀態(tài)中的一種或多種。
本發(fā)明還提供了一種低溫蓄冷方法，其特征在于，其采用固相介質(zhì)蓄冷、流體工質(zhì)換熱，包括釋冷過(guò)程和儲(chǔ)冷過(guò)程；
其中，所述釋冷過(guò)程啟動(dòng)前，固相介質(zhì)蓄冷器中的固相介質(zhì)處于冷態(tài)；所述釋冷過(guò)程包括：
流體工質(zhì)存儲(chǔ)器中的流體工質(zhì)流經(jīng)固相介質(zhì)蓄冷器，被固相介質(zhì)蓄冷器中的固相介質(zhì)冷卻至低溫狀態(tài)；
低溫狀態(tài)的流體工質(zhì)通入釋冷換熱器與通入釋冷換熱器的高壓空氣進(jìn)行逆流換熱；低溫狀態(tài)的流體工質(zhì)被加熱至高溫狀態(tài)，再流入流體工質(zhì)存儲(chǔ)器，完成釋冷過(guò)程換熱循環(huán)；高壓空氣被冷卻形成高壓低溫空氣，經(jīng)節(jié)流或膨脹液化后對(duì)其進(jìn)行氣液分離；
儲(chǔ)存分離出的液態(tài)空氣；分離出的氣態(tài)空氣以與高壓空氣相反的方向流入釋冷換熱器，補(bǔ)充冷量；
其中，所述儲(chǔ)冷過(guò)程啟動(dòng)前，固相介質(zhì)蓄冷器中的固相介質(zhì)處于熱態(tài)；所述儲(chǔ)冷過(guò)程包括：
將儲(chǔ)存的液態(tài)空氣抽出加壓并通過(guò)儲(chǔ)冷換熱器，同時(shí)流體工質(zhì)存儲(chǔ)器中的流體工質(zhì)流經(jīng)儲(chǔ)冷換熱器，抽出加壓的液態(tài)空氣與流體工質(zhì)在儲(chǔ)冷換熱器中逆流換熱；
流體工質(zhì)被冷卻至低溫狀態(tài)，低溫狀態(tài)的流體工質(zhì)再流經(jīng)固相介質(zhì)蓄冷器，對(duì)固相介質(zhì)進(jìn)行冷卻，從固相介質(zhì)蓄冷器中流出的流體工質(zhì)再返回到流體工質(zhì)存儲(chǔ)器中，完成儲(chǔ)冷換熱循環(huán)；液態(tài)空氣經(jīng)上述逆流換熱形成膨脹空氣。
(三)有益效果
本發(fā)明提供的低溫蓄冷系統(tǒng)，以流體工質(zhì)作為換熱介質(zhì)，每次釋冷/儲(chǔ)冷結(jié)束后，流體工質(zhì)的溫度總是與固相蓄冷介質(zhì)溫度接近，等到下一次儲(chǔ)冷/釋冷開(kāi)始的時(shí)候，流體工質(zhì)與蓄冷介質(zhì)換熱溫差會(huì)比較小，避免了空氣與蓄冷介質(zhì)直接換熱初始階段的大溫差問(wèn)題，提高了蓄冷效率；相對(duì)于液體預(yù)冷工質(zhì)蓄冷系統(tǒng)，本發(fā)明采用固相介質(zhì)進(jìn)行蓄冷，而流體工質(zhì)只是作為換熱介質(zhì)，大大減少了系統(tǒng)流體工質(zhì)的用量，降低了系統(tǒng)成本；本發(fā)明中固相介質(zhì)其密度一般而言比較大，而且采用固相介質(zhì)蓄冷的蓄冷系統(tǒng)僅僅需要一個(gè)單獨(dú)的蓄冷器，而不區(qū)分冷態(tài)和熱態(tài)，占用存儲(chǔ)空間比較小。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明提供的流體工質(zhì)換熱固相介質(zhì)蓄冷的低溫蓄冷系統(tǒng)的組成示意圖；
圖中，1：釋冷換熱器；2：儲(chǔ)冷換熱器；3：流體工質(zhì)存儲(chǔ)器；4：固相介質(zhì)蓄冷器；5：管道；6：調(diào)節(jié)閥。
具體實(shí)施方式
為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
本發(fā)明提供一種用于低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的流體工質(zhì)換熱固相介質(zhì)蓄冷的低溫蓄冷系統(tǒng)，用于解決采用傳統(tǒng)固相介質(zhì)蓄冷系統(tǒng)蓄冷效率低，而采用液體工質(zhì)蓄冷成本過(guò)高、存儲(chǔ)體積過(guò)大的問(wèn)題。
如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中提供一種低溫蓄冷系統(tǒng)，其采用的是流體工質(zhì)換熱、固相介質(zhì)蓄冷，用于低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。其包括釋冷換熱器1、儲(chǔ)冷換熱器2、流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3以及固相介質(zhì)蓄冷器4；固相介質(zhì)蓄冷器4中容納有用于蓄冷的固相介質(zhì)，流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3中容納有用于換熱的流體工質(zhì)；流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3、固相介質(zhì)蓄冷器4和釋冷換熱器1通過(guò)管道5順次連接，形成釋冷循環(huán)通道；固相介質(zhì)蓄冷器4、流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3和儲(chǔ)冷換熱器2通過(guò)管道5順次連接，形成儲(chǔ)冷循環(huán)通道。
本發(fā)明實(shí)施例中，流體工質(zhì)在釋冷循環(huán)通道和儲(chǔ)冷循環(huán)通道中循環(huán)流動(dòng)，釋冷循環(huán)通道和儲(chǔ)冷循環(huán)通道均設(shè)有調(diào)節(jié)流體工質(zhì)流量的調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥可以設(shè)置在釋冷循環(huán)通道和儲(chǔ)冷循環(huán)通道的任意位置，用于調(diào)節(jié)流體工質(zhì)的流量，以保證流體工質(zhì)與固相介質(zhì)、以及在釋冷換熱器1和儲(chǔ)冷換熱器2的換熱效率；更具體的，固相介質(zhì)蓄冷器4與釋冷換熱器1之間以及流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3與儲(chǔ)冷換熱器2之間均設(shè)有調(diào)節(jié)閥6。
本發(fā)明實(shí)施例中，低溫蓄冷系統(tǒng)還包括氣液分離器和低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐以及節(jié)流閥或液體膨脹機(jī)(圖中未示出)，高壓空氣通過(guò)釋冷換熱器1進(jìn)行冷卻降溫，并經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流或液體膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入所述氣液分離器。氣液分離器中的液體進(jìn)入低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)，氣液分離器內(nèi)未液化的氣體以與高壓空氣相反的方向反流通過(guò)釋冷換熱器1，形成反流空氣。明顯地，未液化的空氣在通過(guò)釋冷換熱器1時(shí)能夠?qū)Ω邏嚎諝庑欣鋮s降溫，進(jìn)而可以有效地提高高壓空氣的換熱降溫速率。另外，低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)空氣由低溫泵(圖中未示出)抽出加壓并通過(guò)儲(chǔ)冷換熱器2換熱升溫形成膨脹空氣。
本發(fā)明實(shí)施例中，固相介質(zhì)為堆積導(dǎo)熱固相顆粒而形成的多孔介質(zhì)，增加了系統(tǒng)的換熱面積，強(qiáng)化了流體工質(zhì)與固相蓄冷介質(zhì)間的傳熱過(guò)程，提高了流體工質(zhì)與固相介質(zhì)的換熱效率。
本發(fā)明實(shí)施例中，多孔介質(zhì)的孔隙率為10％～90％。
本發(fā)明實(shí)施例中，流體工質(zhì)的使用溫區(qū)為-196℃～50℃。
本發(fā)明實(shí)施例中，流體工質(zhì)的工作壓力范圍為0.1MPa～10MPa，該工作壓力為絕對(duì)壓力。
本發(fā)明實(shí)施例中，流體工質(zhì)為氣態(tài)、液態(tài)、超臨界狀態(tài)中的一種或多種。
如圖1所示，所述低溫蓄冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括的釋冷過(guò)程和儲(chǔ)冷過(guò)程，其中工作原理如下：
釋冷過(guò)程：?jiǎn)?dòng)前，固相介質(zhì)處于冷態(tài)，流體工質(zhì)換熱固相介質(zhì)蓄冷的低溫蓄冷系統(tǒng)其冷量以固相蓄冷介質(zhì)內(nèi)能形式儲(chǔ)存。在釋冷過(guò)程中，流體工質(zhì)從流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3中流出，首先流經(jīng)固相介質(zhì)蓄冷器4，被固相介質(zhì)冷卻至低溫狀態(tài)，然后低溫狀態(tài)的流體工質(zhì)通過(guò)釋冷換熱器1與高壓空氣進(jìn)行逆流換熱，被加熱成高溫狀態(tài)，再流入流體工質(zhì)存儲(chǔ)器3，完成釋冷過(guò)程換熱循環(huán)。高壓空氣經(jīng)歷如上述的冷卻降溫過(guò)程，得到的高壓低溫空氣進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流或液體膨脹機(jī)膨脹液化進(jìn)入氣液分離器，氣液分離器中低溫空氣逆向流經(jīng)釋冷換熱器，反向冷卻高壓空氣，形成反流空氣，進(jìn)行冷量回收。氣液分離器中液態(tài)空氣進(jìn)入低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐內(nèi)，并以液態(tài)空氣存儲(chǔ)于流體儲(chǔ)罐內(nèi)，完成釋冷過(guò)程。整個(gè)釋冷過(guò)程，冷量完成從固相蓄冷介質(zhì)-液態(tài)空氣的轉(zhuǎn)移過(guò)程，并通過(guò)節(jié)流或膨脹降溫過(guò)程以及反流氣的冷量回收為高壓空氣補(bǔ)充冷量，完成系統(tǒng)冷量平衡，避免外界冷量輸入。
儲(chǔ)冷過(guò)程：釋冷結(jié)束至儲(chǔ)冷開(kāi)始前的過(guò)程中，固相介質(zhì)處于熱態(tài)。在儲(chǔ)冷過(guò)程中，儲(chǔ)存于低溫液態(tài)空氣儲(chǔ)罐中的液態(tài)空氣，首先經(jīng)過(guò)低溫泵加壓，然后再經(jīng)過(guò)儲(chǔ)冷換熱器2換熱復(fù)溫。具體換熱過(guò)程為，流體工質(zhì)首先流經(jīng)儲(chǔ)冷換熱器2，與空氣進(jìn)行逆流換熱，在儲(chǔ)冷換熱器出口被冷卻至低溫狀態(tài)，低溫狀態(tài)的流體工質(zhì)再流經(jīng)固相介質(zhì)蓄冷器4，對(duì)固相介質(zhì)進(jìn)行冷卻，從固相介質(zhì)蓄冷器4中流出的流體工質(zhì)再返回到流體工質(zhì)存儲(chǔ)器中3，完成儲(chǔ)冷換熱循環(huán)。從低溫泵出來(lái)的低溫液態(tài)空氣經(jīng)歷如上所述的換熱過(guò)程復(fù)溫形成膨脹空氣，同時(shí)完成冷量從低溫液態(tài)空氣-固相蓄熱介質(zhì)的轉(zhuǎn)移過(guò)程。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。