提升深冷液态空气储能系统效率的装置和方法

1.本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置和方法。


背景技术：

2.大规模储能技术在可再生能源高效利用和电网削峰填谷中有着非常重要的应用。目前，大规模储能技术中较为成熟的是抽水蓄能和压缩空气储能。然而，抽水蓄能的建设受到地理条件的限制，压缩空气储能也存在小规模储气成本较高、大规模储气受到地理条件限制的问题。因此，液态空气储能作为一种新兴的大规模储能技术，其应用前景十分广阔。和其他大规模储能技术相比，液态空气储能具有两个明显的优点：一是空气以常压液态形式储存，储能密度高；二是液态空气储罐体积较小，液态空气储能电站位置不会受到地理条件的限制。
3.目前的液态空气储能系统中，空气的液化率一般为0.6-0.85左右，即参与压缩过程和参与膨胀发电过程的空气质量流量是不相等的。压缩热有大量的剩余，这大大影响了液态空气储能系统的效率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置和方法，用以解决现有技术中压缩热剩余、系统效率低的缺陷，实现对压缩热更充分的利用。
5.本发明提供一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，包括液态空气储能子系统和卡琳娜循环发电子系统；其中，所述液态空气储能子系统包括储能单元、热量储罐、冷量储罐和释能单元；所述冷量储罐适于与所述储能单元、所述释能单元换热；所述热量储罐适于与所述储能单元、所述释能单元和所述卡琳娜循环发电子系统换热。
6.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，所述液态空气储能子系统还包括液态空气储罐和液态空气泵，所述液态空气储罐和所述液态空气泵设置于所述储能单元和所述释能单元之间。
7.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，所述储能单元包括空气压缩机、第一换热器和第二换热器，所述热量储罐适于与所述第一换热器换热，所述冷量储罐适于与所述第二换热器换热。
8.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，所述液态空气储能子系统还包括节流阀和分离器，所述节流阀和所述分离器设置于所述第二换热器的下游，所述分离器适于将分离出的气态空气返回所述第二换热器。
9.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，所述释能单元包括第三换热器、第四换热器和空气透平，所述热量储罐适于与所述第四换热器换热，所述冷量储罐适于与所述第三换热器换热。
10.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，所述卡琳娜循环
发电子系统包括依次相连的蒸发器、精馏塔、卡琳娜透平、吸收器、冷凝器、氨水泵和预热器；所述精馏塔还与所述预热器相连，所述吸收器还与所述预热器相连。
11.本发明还提供一种基于如上述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置的方法，包括：
12.储能阶段：压缩空气流经储能单元，所述储能单元中的蓄热介质将压缩空气冷却至常温状态，所述储能单元中的蓄冷介质将压缩空气进一步冷却并液化；
13.释能阶段：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入释能单元，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统；所述蓄冷介质进入所述释能单元吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。
14.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的方法，所述储能阶段包括：压缩空气流经第一换热器被蓄热介质冷却至常温状态，常温的所述压缩空气进入第二换热器被蓄冷介质进一步冷却并液化。
15.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的方法，所述释能阶段包括：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入第四换热器加热空气，另一部分进入所述卡琳娜循环发电子系统的蒸发器加热氨水；所述蓄冷介质在第三换热器吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。
16.根据本发明提供的一种提升深冷液态空气储能系统效率的方法，所述蓄热介质容置于热量储罐，所述蓄冷介质容置于冷量储罐。
17.本发明提供的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，通过设置储能单元、热量储罐、冷量储罐和释能单元，实现了热量的高效储存和释放；通过设置热量储罐与储能单元、释能单元和卡琳娜循环发电子系统换热，使得压缩过程中收集到的压缩热不仅用于加热空气透平进口的空气温度，还用于驱动卡琳娜循环发电子系统发电，提高整个系统的储能效率。本发明提出的联合发电系统的效率可提高5-10个百分点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明提供的提升深冷液态空气储能系统效率的装置结构示意图；
20.图2是本发明提供的电子设备的结构示意图。
21.附图标记：
22.1、空气压缩机；2、第一换热器；3、第二换热器；4、节流阀；5、分离器；6、液态空气储罐；7、液态空气泵；8、第三换热器；9、第四换热器；10、空气透平；11、冷量储罐；12、热量储罐；13、蒸发器；14、精馏塔；15、卡琳娜透平；16、吸收器；17、冷凝器；18、氨水泵；19、预热器；810、处理器；820、通信接口；830、存储器；840、通信总线。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本
发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.下面结合图1描述本发明的提升深冷液态空气储能系统效率的装置。
25.本发明实施例提供一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，包括液态空气储能子系统和卡琳娜循环发电子系统；其中，所述液态空气储能子系统包括储能单元、热量储罐12、冷量储罐11和释能单元；所述冷量储罐11适于与所述储能单元、所述释能单元换热；所述热量储罐12适于与所述储能单元、所述释能单元和所述卡琳娜循环发电子系统换热。
26.本发明实施例提供的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，通过设置储能单元、热量储罐12、冷量储罐11和释能单元，实现了热量的高效储存和释放；通过设置热量储罐12与储能单元、释能单元和卡琳娜循环发电子系统换热，使得压缩过程中收集到的压缩热不仅用于加热空气透平10进口的空气温度，还用于驱动卡琳娜循环发电子系统发电，提高整个系统的储能效率。本发明提出的联合发电系统的效率可提高5-10个百分点。
27.下面首先对本实施例提供的液态空气储能子系统进行说明。具体来说，本实施例提供的液态空气储能子系统包括储能单元、热量储罐12、冷量储罐11和释能单元。
28.储能单元主要是用于将空气压缩过程中产生的压缩热存储于热量储罐12中，以及完成冷能的利用。如图1所示，本实施例中，储能单元包括空气压缩机1、第一换热器2和第二换热器3。
29.空气压缩机1用于将空气压缩，压缩后的空气为高温高压状态。可选地，在压缩空气前，可以先对空气进行净化，以取得更好的压缩效果，同时防止空气中的杂物进入装置内部，避免对装置造成破坏的可能性。
30.第一换热器2用于实现热量储罐12和高温高压空气之间的换热。第一换热器2可以选用浮头式换热器，也可以选用列管式换热器、套管式换热器、板式换热器等。第一换热器2具体的类型在这里不做限定，只要能起到实现热量储罐12和高温高压空气之间换热的作用即可。高温高压空气流经第一换热器2时，被其中流动的蓄热介质冷却至常温状态。值得一提的是，蓄热介质可以储存于热量储罐12之中。也就是说，在此过程中，完成了压缩热的储存。
31.第二换热器3用于实现冷量储罐11和经第一换热器2换热后的常温高压空气之间的换热。第二换热器3同样可以选用浮头式、列管式、套管式、板式等换热器中的一种。常温高压空气进入第二换热器3，被流动与其中的蓄冷介质进一步冷却并液化，变成高压的液态空气。值得一提的是，蓄冷介质中的冷量来源于释能单元收集到的冷量。也就是说，在此过程中，完成了冷能的利用。
32.可选地，在储能单元的下游，还可以设置节流阀4和分离器5，如图1所示。节流阀4用于减压，可以将液态空气变为气液混合物，而分离器5适于将气液混合物中的气体和液体分开。可以理解的是，从第二换热器3流出的高压的液态空气，经节流阀4减压后成为气液混合物，然后进入气液分离器5，被分离成液态空气和低温的气态空气。分离器5的上部设置有返回第二换热器3的管道，通过这样设置，可以使得分离出的气态低温空气返回第二换热器3，从而提供一部分冷却高压空气的冷量，增大冷能利用的效率。分离出的液态空气从设置于分离器5下部的管道流出，进入释能单元。
33.如图1所示，本发明实施例提供的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，在液态空气储能子系统中还包括液态空气储罐6和液态空气泵7，设置于储能单元和释能单元之间。液态空气储罐6用于储存经储能单元换热后的液态空气。换句话说，分离器5分离出的液态空气进入液态空气储罐6进行储存。这样设置可以实现对液态空气的存储，从而有利于根据需求适应性地释放能量。液态空气泵7用于对液态空气进行加压，使之成为高压液态空气后进入释能单元。
34.释能单元主要是用于完成冷量的储存以及将蓄热介质储存的压缩热释放出来做功。如图1所示，本实施例中，释能单元包括第三换热器8、第四换热器9和空气透平10。
35.第三换热器8用于实现高压液态空气和冷量储罐11之间的换热。储能单元流出的高压液态空气流入第三换热器8。在设置有液态空气储罐6和液态空气泵7的实施例中，如图1所示，高压液态空气从液态空气泵7流出，进入第三换热器8。在第三换热器8中，蓄冷介质吸收液态空气中的冷量并使其达到常温状态。值得提出的是，蓄冷介质可以储存在冷量储罐11中。也就是说，在此过程中，完成了冷量的储存。
36.经过第三换热器8冷却的常温高压空气流入第四换热器9。第四换热器9中的蓄热介质对常温高压空气进行加热，提高进入空气透平10的进口空气的温度，进而提高空气透平10的发电量。
37.需要说明的是，热量储罐12中的蓄热介质分为两部分，其中一部分进入第四换热器9，如上述对空气进行加热。另一部分进入卡琳娜循环发电子系统，驱动卡琳娜循环发电子系统发电。
38.空气透平10是用于将高温高压空气蕴有的能量转换成机械功的机器。常温高压空气在第四换热器9被加热至高温，然后进入空气透平10膨胀做功，推动空气透平10旋转发电。
39.本实施例提供的液态空气储能子系统还包括冷量储罐11。冷量储罐11中容置有蓄冷介质，蓄冷介质可以是水，也可以是其他的冷媒。蓄冷介质在第三换热器8中吸收液态空气中的冷量使其达到常温状态，完成冷量的储存；在第二换热器3中将常温高压空气进一步冷却并液化，变成高压的液态空气，完成冷能的利用。
40.本实施例提供的液态空气储能子系统还包括热量储罐12。热量储罐12中容置有蓄热介质，蓄热介质可以是水，也可以是其他具有良好导热性能的流体介质。蓄热介质在第一换热器2中吸收高温高压空气的热量使之冷却至常温状态，完成压缩热的储存；一部分蓄热介质进入第四换热器9提高进入空气透平10的进口空气的温度，以提高空气透平10的发电量，另一部分蓄热介质进入卡琳娜循环发电子系统中的蒸发器13，驱动卡琳娜循环发电子系统发电，完成热能的利用。通过这样设置，提高了整个系统的储能利用效率。
41.下面对本实施例提供的卡琳娜循环发电子系统进行说明。卡琳娜循环发电子系统包括蒸发器13、精馏塔14、卡琳娜透平15、吸收器16、冷凝器17、氨水泵18和预热器19。其中，蒸发器13、精馏塔14、卡琳娜透平15、吸收器16、冷凝器17、氨水泵18和预热器19是依次相连的，精馏塔14还与预热器19相连，吸收器16还与预热器19相连。也就是说，精馏塔14分别与蒸发器13、预热器19和卡琳娜透平15相连，吸收器16分别与卡琳娜透平15、预热器19和冷凝器17相连。
42.在卡琳娜循环发电系统中，低温的液态氨水经氨水泵18加压后进入预热器19，被
低浓度的氨水预热，然后进入蒸发器13。在蒸发器13中，液态氨水被从热量储罐12中流出的一部分蓄热介质加热，成为气液混合物，然后进入精馏器。在精馏器中，气液混合物被分离，低浓度氨水流回预热器19加热低温液态氨水，高浓度氨气进入卡琳娜透平15膨胀做功发电。预热器19流出的低浓度氨水和膨胀完毕的高浓度氨气在吸收器16中混合，成为气液混合物，在冷凝器17中被冷却水冷凝，进入下一个循环。
43.本发明还提供一种基于如上述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置的方法，包括：
44.储能阶段：压缩空气流经储能单元，所述储能单元中的蓄热介质将压缩空气冷却至常温状态，所述储能单元中的蓄冷介质将压缩空气进一步冷却并液化；
45.释能阶段：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入释能单元，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统；所述蓄冷介质进入所述释能单元吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。
46.也就是说，在储能阶段，压缩的空气流经储能单元，蓄热介质和蓄冷介质吸收压缩空气的热量，将压缩空气冷却液化。在释能阶段，蓄热介质分别进入释能单元和卡琳娜循环发电子系统释放热量，使得释能单元和卡琳娜循环发电子系统同时工作发电。
47.结合图1，具体来说，在储能阶段，压缩空气流经第一换热器2，被蓄热介质冷却至常温状态，蓄热介质储存了压缩热；常温的压缩空气进入第二换热器3，被蓄冷介质携带的冷量进一步冷却并液化。在释能阶段，蓄热介质分为两部分，一部分进入第四换热器9加热空气，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统的蒸发器13加热氨水，将储存的热量释放出来；蓄冷介质在第三换热器8吸收液态空气的冷量，使其达到常温状态。
48.图2示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图2所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如上述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置的方法，该方法包括：
49.储能阶段：压缩空气流经储能单元，所述储能单元中的蓄热介质将压缩空气冷却至常温状态，所述储能单元中的蓄冷介质将压缩空气进一步冷却并液化；
50.释能阶段：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入释能单元，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统；所述蓄冷介质进入所述释能单元吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。
51.此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
52.另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机
程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行如上述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置的方法，该方法包括：
53.储能阶段：压缩空气流经储能单元，所述储能单元中的蓄热介质将压缩空气冷却至常温状态，所述储能单元中的蓄冷介质将压缩空气进一步冷却并液化；
54.释能阶段：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入释能单元，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统；所述蓄冷介质进入所述释能单元吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。
55.又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行如上述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置的方法，该方法包括：
56.储能阶段：压缩空气流经储能单元，所述储能单元中的蓄热介质将压缩空气冷却至常温状态，所述储能单元中的蓄冷介质将压缩空气进一步冷却并液化；
57.释能阶段：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入释能单元，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统；所述蓄冷介质进入所述释能单元吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。
58.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
59.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
60.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置，其特征在于，包括液态空气储能子系统和卡琳娜循环发电子系统；其中，所述液态空气储能子系统包括储能单元、热量储罐、冷量储罐和释能单元；所述冷量储罐适于与所述储能单元、所述释能单元换热；所述热量储罐适于与所述储能单元、所述释能单元和所述卡琳娜循环发电子系统换热。2.根据权利要求1所述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，其特征在于，所述液态空气储能子系统还包括液态空气储罐和液态空气泵，所述液态空气储罐和所述液态空气泵设置于所述储能单元和所述释能单元之间。3.根据权利要求1所述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，其特征在于，所述储能单元包括空气压缩机、第一换热器和第二换热器，所述热量储罐适于与所述第一换热器换热，所述冷量储罐适于与所述第二换热器换热。4.根据权利要求3所述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，其特征在于，所述液态空气储能子系统还包括节流阀和分离器，所述节流阀和所述分离器设置于所述第二换热器的下游，所述分离器适于将分离出的气态空气返回所述第二换热器。5.根据权利要求1所述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，其特征在于，所述释能单元包括第三换热器、第四换热器和空气透平，所述热量储罐适于与所述第四换热器换热，所述冷量储罐适于与所述第三换热器换热。6.根据权利要求1所述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置，其特征在于，所述卡琳娜循环发电子系统包括依次相连的蒸发器、精馏塔、卡琳娜透平、吸收器、冷凝器、氨水泵和预热器；所述精馏塔还与所述预热器相连，所述吸收器还与所述预热器相连。7.一种基于如权利要求1至6中任一项所述的提升深冷液态空气储能系统效率的装置的方法，其特征在于，包括：储能阶段：压缩空气流经储能单元，所述储能单元中的蓄热介质将压缩空气冷却至常温状态，所述储能单元中的蓄冷介质将压缩空气进一步冷却并液化；释能阶段：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入释能单元，另一部分进入卡琳娜循环发电子系统；所述蓄冷介质进入所述释能单元吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。8.根据权利要求7所述的提升深冷液态空气储能系统效率的方法，其特征在于，所述储能阶段包括：压缩空气流经第一换热器被蓄热介质冷却至常温状态，常温的所述压缩空气进入第二换热器被蓄冷介质进一步冷却并液化。9.根据权利要求7所述的提升深冷液态空气储能系统效率的方法，其特征在于，所述释能阶段包括：所述蓄热介质分为两部分，一部分进入第四换热器加热空气，另一部分进入所述卡琳娜循环发电子系统的蒸发器加热氨水；所述蓄冷介质在第三换热器吸收液态空气的冷量使其达到常温状态。10.根据权利要求7所述的提升深冷液态空气储能系统效率的方法，其特征在于，所述蓄热介质容置于热量储罐，所述蓄冷介质容置于冷量储罐。

技术总结
本发明提供一种提升深冷液态空气储能系统效率的装置和方法。装置包括液态空气储能子系统和卡琳娜循环发电子系统；其中，液态空气储能子系统包括储能单元、热量储罐、冷量储罐和释能单元；冷量储罐适于与储能单元、释能单元换热；热量储罐适于与储能单元、释能单元和卡琳娜循环发电子系统换热。该装置通过设置储能单元、热量储罐、冷量储罐和释能单元，实现了热量的高效储存和释放；通过设置热量储罐与储能单元、释能单元和卡琳娜循环发电子系统换热，使得压缩过程中收集到的压缩热不仅用于加热空气透平进口的空气温度，还用于驱动卡琳娜循环发电子系统发电，提高整个系统的储能效率。本发明提出的联合发电系统的效率可提高5-10个百分点。10个百分点。10个百分点。


技术研发人员：谢宁宁 梅生伟 薛小代 孙长平 卢强 王亚洲 雷肖 蔺新星 钟声远 郑志美
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/5/12