一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统及方法

1.本发明涉及储能领域，具体涉及一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统及方法。


背景技术：

2.近年来，随着国家“碳达峰、碳中和”的战略实施，未来电力供应将主要由新能源提供，然而，新能源发电的间歇性和不确定特性，导致弃风、弃光严重。为满足新能源并网需求，提升能源系统的效率、稳定性，亟需发展新型的大型储能技术。
3.矿产资源的不断开发严重影响生态环境问题，随着人们对生态问题的重视，许多国家都在逐渐淘汰传统的矿物能源，导致许多地下巷道、矿井被废弃。废弃不仅矿井造成了资源的浪费，也给环境和社会造成了很大的影响。因此，如何对资源进行科学的开发和利用，推动资源枯竭型矿区的转变，是当前国际上能源与环境研究的热点。利用地下矿洞储能发电，相对与传统储能技术建设比较容易，并且能无损地保存电力，输水管路短，总效率高。地下矿洞蓄能发电方法不仅能解决峰谷电，还可以吸收其它各种能源，例如风电、太阳能发电等电力，这时地下矿洞蓄能发电站变成了缓冲器，改善了风电的质量，彻底克服了风电上网的瓶颈问题。
4.目前应用的储能技术主要有抽水储能技术和压缩空气储能技术。抽水蓄能技术成熟，效率高，容量大，储能周期长，是目前应用最广的一种储能方式，但是一个大规模的抽水蓄能电站，从开工建设到建成投产，至少要六七年，而且，由于其选址难度较大，需综合考虑多种因素，因此，其建设和发展受到了一定的限制。作为一种极具发展潜力的物理储能技术，压缩空气储能可广泛应用于电源侧、电网侧和用户侧。压缩空气储能系统容量大、能长时间储存电能，当前阶段，我国压缩空气储能技术以补燃式压缩空气储能、非补燃绝热压缩空气储能为主，正处在从研究到商业的快速发展时期，但面临着整体成本高、可供选择的站点较少、系统效率不高、缺乏商业模式支持等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，该系统充分利用高压储气库中的整个地下空间，将压缩机压缩后的高压空气储存在高压储气库中，利用空气的高压力推动水进行电能转化，实现压缩空气储能-水动力热电联产系统的可靠性、稳定性和高效性，将能源最大化利用，提高了能源利用率。
6.同时，本发明还提供了一种基于压缩空气储能-水动力热电联产方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
8.一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，包括电动机、压缩机、换热器、储热罐、高压储气库、减压阀、高压水箱、单向阀ⅰ、水轮机、发电机和单向阀ⅱ；
9.所述电动机与压缩机相连，所述压缩机与换热器连接，所述换热器分别与储热罐和高压储气库相连，所述高压储气库通过减压阀与高压水箱相连，所述高压水箱通过单向
阀ⅰ和单向阀ⅱ与水轮机发电机组相连。
10.作为本发明的一种优选方案，所述水轮机发电机组为一组，或多组串联或并联。
11.作为本发明的一种优选方案，所述水轮机发电机组包括水轮机和发电机；所述高压水箱通过单向阀ⅰ与水轮机的进水口连接，所述水轮机的出水口通过单向阀ⅱ与高压水箱连接；所述水轮机的动力输出轴与发电机连接。
12.作为本发明的一种优选方案，所述压缩机产生的高温余热由储热罐储存，所述压缩机产生的高压气体储存在高压储气库中。
13.作为本发明的一种优选方案，所述高压储气库包括盐穴、废弃矿井或高压储气装置。
14.一种基于压缩空气储能-水动力热电联产方法，采用了上述的基于压缩空气储能-水动力热电联产系统；
15.该方法包括如下步骤：
16.1)所述电动机驱动压缩机运转，产生的高温高压空气与换热器换热后储存在储热罐中，可用来供热，实现电能向压缩热能的转换；
17.高温高压空气通过换热器放热后，高压空气储存在高压储气库中，实现电能向压力能的转换；
18.2)所述高压水箱为充有一定液体的容器，用电高峰期，高压储气库中储存的高压空气释放后进入高压水箱，利用水比热容大的特点，推动高压水箱中的水进入水轮机发电机组，实现气体压缩能向液体压力能的转换；
19.储能阶段,在电力低谷期，利用电动机推动压缩机压缩，产生高温高压空气，与换热器换热后存储在储热罐中，继续利用，换热后的高压空气进入高压储气库中储存；
20.释能阶段,在用电高峰期，高压储气库中的高压空气释放，进入高压水箱，推动高压水箱中的水，将气体压缩能转换成液体压力能，经由单向阀ⅰ进入水轮机发电机组。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
22.1、一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统及方法，采用盐穴、废弃矿井等储气装置的整个地下采空区作为储气设备，减少了整个系统的总投资。
23.2、本发明将压缩后产生的高温高压空气，利用换热器换热后存储在储热罐中，压缩产生的余热可用来供暖供热，提高了能源利用率。
24.3、本发明中压缩空气储能子系统和释能发电子系统互不干扰，可以实现电价低谷期、可再生能源(风能、太阳能等)持续储能，电价高峰期间连续释能发电，最大程度实现低谷电、可再生能源的及时消纳和高效能源转化。
25.4、本发明利用气-液压力能转化系统，将压缩空气的压缩能转化为高压水，再利用水轮机进行发电，实现了压缩空气储能-水动力热电联产系统的可靠性、稳定性和高效性，可大幅提高压缩空气储能电站的发电功率和规模，提升能源利用效率。
26.5、本发明将抽水蓄能与压缩空气蓄能两种大规模储能技术结合，避免了传统抽水蓄能系统设备投资成本高、建造地质要求高及对生态环境破坏的问题，又利用了传统抽水蓄能系统水势能高效的优势；与传统的压缩空气储能系统相比，发电时利用水推动水轮机发电，无需透平参与，大大提高了效率。
附图说明
27.图1为一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统的结构示意图。
28.图中：1—电动机；2—压缩机；3—换热器；4—储热罐；5—高压储气库；6—减压阀；7—高压水箱；8—单向阀ⅰ；9—水轮机；10—发电机；11—单向阀ⅱ。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
30.如图1所示，一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，包括电动机1、压缩机2、换热器3、储热罐4、高压储气库5、减压阀6、高压水箱7、单向阀ⅰ8、水轮机9、发电机10和单向阀ⅱ11。电动机1与压缩机2相连，电动机1驱动压缩机2转动，压缩机2通过管路与换热器3连接，换热器3分别通过管路与储热罐4和高压储气库5相连，高压储气库5通过减压阀6与高压水箱7相连(在本实施例中，高压储气库5与高压水箱7之间连接有管路，减压阀6安装在该管路上)，高压水箱7通过单向阀ⅰ8和单向阀ⅱ11与水轮机发电机组相连(高压水箱7与水轮机9的进水口之间连接管路，单向阀ⅰ8连接在该管路上；水轮机9的出水口与高压水箱7之间连接管路，单向阀ⅱ11连接在该管路上)。水轮机发电机组为一组，或多组串联或并联。水轮机发电机组包括水轮机9和发电机10，水轮机9的动力输出轴与发电机10连接，水轮机9转动带动发电机10转动发电。
31.压缩机2产生的高温余热由储热罐4储存，压缩机2产生的高压气体储存在高压储气库5中。高压储气库5包括盐穴、废弃矿井或高压储气装置。
32.一种基于压缩空气储能-水动力热电联产方法，该方法采用了上述的一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统。
33.该方法包括如下步骤：
34.1)电动机1驱动压缩机2运转，产生的高温高压空气与换热器3换热后储存在储热罐4中，可用来供热，实现电能向压缩热能的转换；
35.高温高压空气通过换热器3放热后，高压空气储存在高压储气库5中，实现电能向压力能的转换。
36.2)高压水箱7为充有一定液体的容器，用电高峰期，高压储气库5中储存的高压空气释放后进入高压水箱7，利用水比热容大的特点，推动高压水箱7中的水进入水轮机发电机组，实现气体压缩能向液体压力能的转换；
37.储能阶段,在电力低谷期，利用电动机1推动压缩机2压缩，产生高温高压空气，与换热器3换热后存储在储热罐4中，继续利用，换热后的高压空气进入高压储气库5中储存；
38.释能阶段,在用电高峰期，高压储气库5中的高压空气释放，进入高压水箱7，推动高压水箱7中的水，将气体压缩能转换成液体压力能，经由单向阀ⅰ8进入水轮机发电机组。
39.实现了压缩空气储能-水动力热电联产系统的可靠性、稳定性和高效性，可大幅提高压缩空气储能电站的发电功率和规模，提升能源利用效率。一般情况下，水轮机效率约为92％，抽水蓄能电站设计综合效率在75％左右，水能损失是影响电站效率的主要因素，且上下水库建设是造成抽水蓄能系统造价高的主要原因，约占全生命周期成本的50％；目前，压缩空气储能透平的效率约为80％，兆瓦级压缩空气储能的系统效率约为50％，十兆瓦级的系统效率约为60％，百兆瓦级别以上的系统设计效率约为70％。本发明采用压缩空气储能，
水轮机机组发电，与抽水蓄能相比在成本上可降低8-15％，与压缩空气储能相比在效率上可提高8-10％。与压缩空气储能相比，由于液体能量密度的提升，低谷电或可再生能源的能源消纳速率、高压储气库利用效率、电站规模得到大幅提升。
40.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，其特征在于，包括电动机(1)、压缩机(2)、换热器(3)、储热罐(4)、高压储气库(5)、减压阀(6)、高压水箱(7)、单向阀ⅰ(8)、水轮机(9)、发电机(10)和单向阀ⅱ(11)；所述电动机(1)与压缩机(2)相连，所述压缩机(2)与换热器(3)连接，所述换热器(3)分别与储热罐(4)和高压储气库(5)相连，所述高压储气库(5)通过减压阀(6)与高压水箱(7)相连，所述高压水箱(7)通过单向阀ⅰ(8)和单向阀ⅱ(11)与水轮机发电机组相连。2.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，其特征在于，所述水轮机发电机组为一组，或多组串联或并联。3.根据权利要求1或2所述的一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，其特征在于，所述水轮机发电机组包括水轮机(9)和发电机(10)；所述高压水箱(7)通过单向阀ⅰ(8)与水轮机(9)的进水口连接，所述水轮机(9)的出水口通过单向阀ⅱ(11)与高压水箱(7)连接；所述水轮机(9)的动力输出轴与发电机(10)连接。4.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，其特征在于，所述压缩机(2)产生的高温余热由储热罐(4)储存，所述压缩机(2)产生的高压气体储存在高压储气库(5)中。5.根据权利要求1所述的一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统，其特征在于，所述高压储气库(5)包括盐穴、废弃矿井或高压储气装置。6.一种基于压缩空气储能-水动力热电联产方法，其特征在于，在该方法中采用了权利要求1至5中任一项权利要求所述的基于压缩空气储能-水动力热电联产系统；该方法包括如下步骤：1)所述电动机(1)驱动压缩机(2)运转，产生的高温高压空气与换热器(3)换热后储存在储热罐(4)中，可用来供热，实现电能向压缩热能的转换；高温高压空气通过换热器(3)放热后，高压空气储存在高压储气库(5)中，实现电能向压力能的转换；2)所述高压水箱(7)为充有一定液体的容器，用电高峰期，高压储气库(5)中储存的高压空气释放后进入高压水箱(7)，利用水比热容大的特点，推动高压水箱(7)中的水进入水轮机发电机组，实现气体压缩能向液体压力能的转换；储能阶段,在电力低谷期，利用电动机(1)推动压缩机(2)压缩，产生高温高压空气，与换热器(3)换热后存储在储热罐(4)中，继续利用，换热后的高压空气进入高压储气库(5)中储存；释能阶段,在用电高峰期，高压储气库(5)中的高压空气释放，进入高压水箱(7)，推动高压水箱(7)中的水，将气体压缩能转换成液体压力能，经由单向阀ⅰ(8)进入水轮机发电机组。

技术总结
本发明公开了一种基于压缩空气储能-水动力热电联产系统及方法，该系统包括电动机、压缩机、换热器、储热罐、高压储气库、减压阀、高压水箱、水轮机、发电机和单向阀；电动机与压缩机相连，压缩机与换热器连接，换热器分别与储热罐和高压储气库相连，高压储气库通过减压阀与高压水箱相连，高压水箱通过单向阀与水轮机发电机组相连。本发明将抽水蓄能与压缩空气蓄能两种大规模储能技术结合，避免了传统抽水蓄能系统设备投资成本高、建造地质要求高及对生态环境破坏的问题，又利用了传统抽水蓄能系统水势能高效的优势；与传统的压缩空气储能系统相比，发电时利用水推动水轮机发电，无需透平参与，大大提高了效率。大大提高了效率。大大提高了效率。


技术研发人员：闫云飞 靳瑞娥 游敬翔 张承华 吴金华 薛宗国 申开明
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/8/13