一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種深冷液化空氣的儲能方法，包括以下步驟：步驟1：利用電能將氣態(tài)空氣在低溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣，并收集所述液態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的熱能，被收集的所述熱能用于為步驟2提供高溫條件；步驟2：將收集到的所述液態(tài)空氣在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的冷能，被收集的所述冷能用于為步驟1提供低溫條件；通過將比熱容大于空氣的混合工質(zhì)與液態(tài)空氣進行混合后一同進入氣化環(huán)節(jié)，使得液態(tài)空氣在氣化環(huán)節(jié)吸收的熱能更多，吸收熱能的速率更快，并且有提升了氣態(tài)空氣的焓值，在氣化后在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)則能夠獲得更快的動態(tài)響應(yīng)性能和效率，提升氣態(tài)空氣在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)的效率與動態(tài)響應(yīng)性能。
【專利說明】
一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及深冷液化空氣的儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]深冷液化空氣儲能技術(shù)是指在電網(wǎng)負荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮空氣推動汽輪機發(fā)電的儲能方式，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)具有儲能容量較大、儲能周期長、占地小不依賴于地理條件等優(yōu)點。儲能時，電能將空氣壓縮、冷卻并液化，同時存儲該過程中釋放的熱能，用于釋能時加熱空氣;釋能時，液態(tài)空氣被加壓、氣化，推動膨脹發(fā)電機組發(fā)電，同時存儲該過程的冷能，用于儲能時冷卻空氣。
[0003]但現(xiàn)有的深冷液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)還存在以下缺陷:1、深冷液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的效率較低。由于熱能在收集、存儲和傳遞的過程中有著較大的損耗，因此使得現(xiàn)有的深冷液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的液態(tài)空氣氣化的轉(zhuǎn)化率較低，不能滿足使用需求，現(xiàn)有技術(shù)中解決此問題的方式為增加儲熱換熱設(shè)備，如大型洞穴式儲氣室等，這樣就大大增加了系統(tǒng)的造價和占地面積，并且大型洞穴式儲氣室等也容易受到地震等地質(zhì)災(zāi)害的影響。同時受限于熱能的傳遞效率，液態(tài)空氣氣化的氣化速率較低，動態(tài)響應(yīng)速度慢，往往不能及時的驅(qū)動發(fā)電機組進行發(fā)電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中深冷液化空氣的儲能系統(tǒng)中存在的液態(tài)空氣氣化的轉(zhuǎn)化率較低、氣化速率較低、以及動態(tài)響應(yīng)速度慢的技術(shù)缺陷。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法，包括以下步驟:
[0006]步驟1:利用電能將氣態(tài)空氣在低溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣，并收集所述液態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的熱能，被收集的所述熱能用于為步驟2提供高溫條件；
[0007]步驟2:將收集到的所述液態(tài)空氣在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的冷能，被收集的所述冷能用于為步驟I提供低溫條件；
[0008]所述步驟2中還包括:將比熱容大于空氣的非可燃性惰性氣體構(gòu)成的混合工質(zhì)與所述液態(tài)空氣混合，待完成所述混合后，將所述液態(tài)空氣和混合工質(zhì)一同氣化。
[0009]上述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法中，所述惰性氣體為氦氣，氮氣或水蒸汽。
[0010]本發(fā)明還提供一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，能量輸入裝置，用于為儲能系統(tǒng)中輸入能量；
[0011 ]第一空氣壓縮裝置，受所述能量輸入裝置驅(qū)動將氣態(tài)空氣進行一級壓縮；
[0012]空氣凈化裝置，對一級壓縮的所述氣態(tài)空氣進行凈化；
[0013]第二空氣壓縮裝置，受所述能量輸入裝置驅(qū)動對經(jīng)過一級壓縮的所述氣態(tài)空氣進行二級壓縮成液態(tài)空氣，并收集至液態(tài)空氣儲罐中；
[0014]熱能回收裝置，對二級壓縮過程中產(chǎn)生的熱能進行收集，并在氣化過程中將收集的熱量輸入到氣化裝置中；氣化裝置，對液態(tài)空氣加壓，并接收所述熱能回收裝置提供的熱能，以使液態(tài)空氣氣化；
[0015]冷能回收裝置，對所述氣化裝置中液態(tài)空氣氣化過程中產(chǎn)生的冷能進行收集，并能夠?qū)⑹占睦淠茌敵鲋恋谝豢諝鈮嚎s裝置中；
[0016]膨脹機組，受所述液態(tài)空氣氣化驅(qū)動膨脹做功；
[0017]發(fā)電機組，所述發(fā)電機組的輸入軸與所述膨脹機組的輸出軸相連接；
[0018]還包括混合工質(zhì)儲罐，所述混合工質(zhì)儲罐與所述液態(tài)空氣儲罐通過管道相連通，所述管道上設(shè)置有用于將所述混合工質(zhì)儲罐內(nèi)的工質(zhì)導(dǎo)入至所述液態(tài)空氣儲罐中的栗體和控制閥。
[0019]上述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)中，所述能量輸入裝置為電動機，其將電能轉(zhuǎn)化為機械能并帶動所述第一空氣壓縮裝置和第二空氣壓縮裝置和液化裝置做功。
[0020]上述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)中，所述第一空氣壓縮裝置為低壓壓縮機；
[0021 ]所述第二空氣壓縮裝置和液化裝置為高壓壓縮機。
[0022]上述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)中，所述膨脹機組至少為兩級膨脹機組，其中每個膨脹機之間的壓力值相同或不同。
[0023]上述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)中，所述熱能回收裝置和所述氣化裝置之間通過換熱器相連；
[0024]所述冷能回收裝置和所述第二空氣壓縮裝置和液化裝置之間通過換冷器相連。
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點:
[0026]1、本發(fā)明提供的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法中，通過將比熱容大于空氣的混合工質(zhì)與液態(tài)空氣進行混合后一同進入氣化環(huán)節(jié)，使得液態(tài)空氣在氣化環(huán)節(jié)吸收的熱能更多，吸收熱能的速率更快，并且有提升了氣態(tài)空氣的焓值，這樣在氣化后在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)則能夠獲得更快的動態(tài)響應(yīng)性能和效率，從而能夠大幅度提升氣態(tài)空氣在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)的效率與動態(tài)響應(yīng)性能。
[0027]2、本發(fā)明提供的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)中，還設(shè)置有混合工質(zhì)儲罐，混合工質(zhì)儲罐與液態(tài)空氣儲罐通過管道相連通，在管道上設(shè)置有用于將混合工質(zhì)儲罐內(nèi)的工質(zhì)導(dǎo)入液態(tài)空氣儲罐中的栗體和控制閥?；旌瞎べ|(zhì)儲罐用于存儲比熱容大于空氣的非可燃性惰性氣體構(gòu)成的混合工質(zhì)，當比熱容大于空氣的混合工質(zhì)與液態(tài)空氣混合后進行氣化時，混合工質(zhì)的混入能夠使液態(tài)空氣吸收更多的熱能、有助于提高熱能吸收速率，且能夠輔助提升氣態(tài)空氣的焓值，從而能夠大幅度提升氣態(tài)空氣在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)的效率與動態(tài)響應(yīng)性能。
【附圖說明】
[0028]為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對【具體實施方式】或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1為本發(fā)明實施例2中的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)的原理示意圖。
[0030]附圖標記說明:
[0031 ] 1-能量輸入裝置;2-第一空氣壓縮裝置;3-空氣凈化裝置;4-第二空氣壓縮裝置和液化裝置;5-液態(tài)空氣儲罐;6-氣化裝置;7-膨脹機組;9-冷能回收裝置；10-換熱器；11-混合工質(zhì)儲罐。
【具體實施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0033]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0034]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0035]此外，下面所描述的本發(fā)明不同實施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。
[0036]實施例1
[0037]本實施例提供一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法，包括以下步驟:
[0038]步驟1:利用電能將氣態(tài)空氣在低溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣，并收集所述液態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的熱能，被收集的所述熱能用于為步驟2提供高溫條件；
[0039]步驟2:將收集到的所述液態(tài)空氣在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的冷能，被收集的所述冷能用于為步驟I提供低溫條件；
[0040]所述步驟2中還包括:將比熱容大于空氣的非可燃性惰性氣體構(gòu)成的混合工質(zhì)與所述液態(tài)空氣混合，待完成所述混合后，將所述液態(tài)空氣和混合工質(zhì)一同氣化。作為一種比熱容大于空氣的混合工質(zhì)，將其與液態(tài)空氣混合后進行氣化的過程中，則能夠吸收更多的熱能，使得輔助提升氣態(tài)空氣的焓值，從而能夠大幅度提升氣態(tài)空氣在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)的效率與動態(tài)響應(yīng)性能。
[0041]上述實施方式為本實施例的核心技術(shù)方案，通過將混合工質(zhì)與液態(tài)空氣進行混合后，一同進入氣化環(huán)節(jié)，從而使得液態(tài)空氣在氣化后在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)能夠獲得更快的動態(tài)響應(yīng)性能和效率。相比于現(xiàn)有技術(shù)中采用增加儲熱、換熱設(shè)備等提高動態(tài)響應(yīng)性能和效率的實施方式，本實施例能夠顯著降低成本。
[0042]作為一種優(yōu)選的實施方式，本實施例中所述混合工質(zhì)可以是液態(tài)形式儲存并與液態(tài)空氣混合;也可以是氣態(tài)形式儲存并與液態(tài)空氣混合?？紤]到其應(yīng)在氣化過程中保持化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此優(yōu)選其為惰性氣體;進一步考慮到其在膨脹環(huán)節(jié)結(jié)束以后能夠和空氣一同排出，因此混合工質(zhì)還優(yōu)選是非污染性物質(zhì)。例如氦氣、氮氣或水蒸氣等，雖然在此并未一一舉例說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當根據(jù)以上描述知曉，從而能夠自行選擇混合氣體的構(gòu)成。
[0043]實施例2
[0044]本實施例提供一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，以下結(jié)合圖1對本實施例的儲能系統(tǒng)進行詳細的說明:
[0045]本實施例的使用液態(tài)空氣作為工質(zhì)的儲能系統(tǒng)中包括:
[0046]能量輸入裝置I，即電動機，其將電能轉(zhuǎn)化為機械能并帶動第一空氣壓縮裝置2和第二空氣壓縮裝置4做功，其中第一空氣壓縮裝置2為低壓壓縮機;第二空氣壓縮裝置4為高壓壓縮機。具體地，第一空氣壓縮裝置2對受能量輸入裝置I驅(qū)動將氣態(tài)空氣進行一級壓縮，此時經(jīng)過一級壓縮的空氣仍為氣態(tài)，而后被一級壓縮后的氣體通過空氣凈化裝置3凈化后再進行二級壓縮，第二空氣壓縮裝置和液化裝置4將經(jīng)過凈化后的空氣在低溫高壓的環(huán)境下壓縮成液態(tài)空氣，并將液態(tài)空氣收集，例如收集到儲室、罐體等裝置中。在二級壓縮過程進行的同時，熱能回收裝置對二級壓縮過程中產(chǎn)生的熱能進行收集儲存。能量輸入裝置I即電動機所消耗的機械能，轉(zhuǎn)化為了液態(tài)空氣的內(nèi)能，由此完成了能量的儲存過程。此外，還包括發(fā)電機組，發(fā)電機組的輸入軸與膨脹機組7的輸出軸相連接，這樣液態(tài)空氣中所儲存的內(nèi)能能夠轉(zhuǎn)化為膨脹機組7做功的動能，進一步驅(qū)動發(fā)電機組做功，將液態(tài)空氣中所儲存的內(nèi)能進一步轉(zhuǎn)化為電能，以供給使用。
[0047]能量的釋放過程為:
[0048]將液態(tài)空氣輸入到氣化裝置6中，氣化裝置6能夠?qū)σ簯B(tài)空氣加壓，從而促使液態(tài)空氣發(fā)生氣化膨脹，于此同時，由于熱能回收裝置和所述氣化裝置6之間通過換熱器10相連，熱能回收裝置中收集到的熱能也輸入到氣化裝置6中，也能夠起到促進液態(tài)空氣氣化的效果。為了提高由液態(tài)空氣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣的轉(zhuǎn)化率和氣化速率，以及提高氣態(tài)空氣的焓值，本實施例的混合型深冷液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)中還設(shè)置有混合工質(zhì)儲罐U，混合工質(zhì)儲罐11與液態(tài)空氣儲罐5通過管道相連通，在管道上設(shè)置有用于將混合工質(zhì)儲罐11內(nèi)的工質(zhì)導(dǎo)入液態(tài)空氣儲罐5中的栗體和控制閥?；旌瞎べ|(zhì)儲罐11用于存儲比熱容大于空氣的非可燃性惰性氣體構(gòu)成的混合工質(zhì)，當比熱容大于空氣的混合工質(zhì)與液態(tài)空氣混合后進行氣化時，混合工質(zhì)的混入能夠使液態(tài)空氣吸收更多的熱能、有助于提高熱能吸收速率，且能夠輔助提升氣態(tài)空氣的焓值，從而能夠大幅度提升氣態(tài)空氣在膨脹發(fā)電環(huán)節(jié)的效率與動態(tài)響應(yīng)性能。
[0049]膨脹機組7至少為兩級膨脹機組，其中每個膨脹機之間的壓力值相同或不同，例如所述膨脹機組7可以是兩級膨脹機組，其包含低壓膨脹機和高壓膨脹機;顯然其還可以是三級膨脹機組或四級膨脹機組等，在此則不一一贅述。
[0050]現(xiàn)有技術(shù)中，解決深冷液化空氣的儲能轉(zhuǎn)化率低、轉(zhuǎn)化速率慢的技術(shù)手段往往是:利用壓縮機的壓縮熱進行蓄熱存儲以提高用于膨脹發(fā)電的氣體溫度;需要增加儲熱換熱設(shè)備，增加系統(tǒng)造價，而且由于壓縮端對于高品位壓縮熱的需求造成設(shè)備造價提高，因此系統(tǒng)效率的提升成本進一步提高。此外，壓縮空氣儲能系統(tǒng)大型洞穴式儲氣室等會受到地震等地質(zhì)災(zāi)害的影響。而本實施例中，通過混合工質(zhì)儲罐11的設(shè)置，使得液態(tài)空氣的轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速率有顯著提升，而不需要增加造價昂貴的儲熱換熱設(shè)備，顯著降低了成本。
[0051]需要說明的是，本實施例中所述的換熱器10和換冷器11在特定條件下可以是具備換冷、熱的相同設(shè)備。
[0052]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1.一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法，包括以下步驟: 步驟1:利用電能將氣態(tài)空氣在低溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為液態(tài)空氣，并收集所述液態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的熱能，被收集的所述熱能用于為步驟2提供高溫條件； 步驟2:將收集到的所述液態(tài)空氣在高溫高壓條件下轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣，并收集該轉(zhuǎn)化過程中釋放的冷能，被收集的所述冷能用于為步驟I提供低溫條件； 其特征在于，所述步驟2中還包括:將比熱容大于空氣的非可燃性惰性氣體構(gòu)成的混合工質(zhì)與所述液態(tài)空氣混合，待完成所述混合后，將所述液態(tài)空氣和混合工質(zhì)一同氣化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能方法，其特征在于: 所述惰性氣體為氦氣，氮氣或水蒸汽。3.一種利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，包括: 能量輸入裝置(I )，用于為儲能系統(tǒng)中輸入能量； 第一空氣壓縮裝置(2)，受所述能量輸入裝置(I)驅(qū)動將氣態(tài)空氣進行一級壓縮； 空氣凈化裝置(3)，對一級壓縮的所述氣態(tài)空氣進行凈化； 第二空氣壓縮裝置(4)，受所述能量輸入裝置(I)驅(qū)動對經(jīng)過一級壓縮的所述氣態(tài)空氣進行二級壓縮成液態(tài)空氣，并收集至液態(tài)空氣儲罐(5)中； 熱能回收裝置，對二級壓縮過程中產(chǎn)生的熱能進行收集，并在氣化過程中將收集的熱量輸入到氣化裝置(6)中；氣化裝置(6)，對液態(tài)空氣加壓，并接收所述熱能回收裝置提供的熱能，以使液態(tài)空氣氣化； 冷能回收裝置(9)，對所述氣化裝置(6)中液態(tài)空氣氣化過程中產(chǎn)生的冷能進行收集，并能夠?qū)⑹占睦淠茌敵鲋恋谝豢諝鈮嚎s裝置(4)中； 膨脹機組(7 )，受所述液態(tài)空氣氣化驅(qū)動膨脹做功； 發(fā)電機組，所述發(fā)電機組的輸入軸與所述膨脹機組(7)的輸出軸相連接； 其特征在于: 還包括混合工質(zhì)儲罐(11)，所述混合工質(zhì)儲罐(11)與所述液態(tài)空氣儲罐(5)通過管道相連通，所述管道上設(shè)置有用于將所述混合工質(zhì)儲罐(11)內(nèi)的工質(zhì)導(dǎo)入至所述液態(tài)空氣儲罐(5)中的栗體和控制閥。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，其特征在于: 所述能量輸入裝置(I)為電動機，其將電能轉(zhuǎn)化為機械能并帶動所述第一空氣壓縮裝置(2)和第二空氣壓縮裝置和液化裝置(4)做功。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，其特征在于: 所述第一空氣壓縮裝置(2)為低壓壓縮機； 所述第二空氣壓縮裝置和液化裝置(4)為高壓壓縮機。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，其特征在于: 所述膨脹機組(7)至少為兩級膨脹機組，其中每個膨脹機之間的壓力值相同或不同。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用混合工質(zhì)的深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，其特征在于: 所述熱能回收裝置和所述氣化裝置(6)之間通過換熱器(10)相連； 所述冷能回收裝置(9)和所述第二空氣壓縮裝置和液化裝置(4)之間通過換冷器相連。
【文檔編號】F25J5/00GK105890285SQ201610417218
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】鄧占鋒, 趙波, 楊岑玉, 王樂, 宋潔, 金翼, 徐桂芝, 胡曉, 宋鵬翔, 李志遠, 梁立曉
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司