基于液体温度控制的等温压缩空气储能发电系统及其方法

摘要

本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于液体温度控制的等温压缩空气储能发电系统及其方法，由内控温液体活塞、水力发电设备、储气罐、低压水池、控温液体源及外部温度调节设施、液体驱动装置和阀门组成；储能时，水力发电设备将电能转化为液体势能，在内控温液体活塞中将气体压缩，产生热量被液体储存，将高压气体送入储气罐中；发电时，在内控温液体活塞中高压气体膨胀做功，从液体中吸收热量，推动水力发电设备发电；将控温液体源内液体替换内控温液体活塞原有液体，控制液体活塞内气体温度；实现控温液体源的液体温度控制，并实现开放式直供运行模式、密闭式直供运行模式、余热利用模式、高效发电模式四种工作模式。

说明书

技术领域

本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于液体温度控制的等温压缩空气储能发电系统及其方法。

背景技术

现代电力发展迅猛，储能技术已经成为电网运行过程中的重要组成部分。在各类储能技术中，现阶段可行的大容量储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能两种。其中，抽水蓄能储能技术对地理条件要求苛刻，且对环境破坏严重等等，抽水蓄能的发展和应用受到限制。而压缩空气储能没有诸如此类的问题，有很大的发展前景。但是传统压缩空气储能需要和燃气轮机配合，需要消耗燃料，产生污染。近年来，已有研究将液体活塞应用于压缩空气储能中，解决了压缩空气储能所带来的环境污染问题，但空气缩放多为绝热和自由膨胀过程，效率较低。

国内外现在有液体活塞中，每个活塞腔中由一个单一高压容器组成，无其他控温设计。其弊端在于气体缩放过程多为绝热、自由膨胀过程，使得压缩空气释放能量效率低；并且温度控制能力低，工作模式单一。

发明内容

为了提高压缩空气储能发电效率和温度控制能力，本发明提出了一种基于液体温度控制的等温压缩空气储能发电系统及其方法，系统包括：内控温液体活塞、水力发电设备、储气罐、低压水池、控温液体源及相配套的外部温度调节设施、液体驱动装置和阀门，内控温液体活塞分别与高压气体管道及低压气体管道相连，高压气体管道与储气罐相连，控温液体源通过第二液体驱动装置与内控温液体活塞相连，水力发电设备连接内控温液体活塞、低压水池和电网，低压水池通过第一液体驱动装置与控温液体源相连。

一种基于液体温度控制的等温压缩空气储能系统的储能发电方法包括：

储能时，水力发电设备将电能转化为液体势能，进一步在内控温液体活塞中将气体压缩，产生热量被液体储存，使液体势能转换为气体势能，将高压气体送入储气罐中；

发电时，在内控温液体活塞中高压气体膨胀做功，从液体中吸收热量，将气体势能转换成液体势能进而推动水力发电设备发电；在储能发电过程中内控温液体活塞利用液体比热容大的特点控制气体在缩放时的温度变化；通过液体更换协调方法将控温液体源内液体替换内控温液体活塞原有液体，控制液体活塞内气体温度；通过配套的外部温度调节设施实现控温液体源的液体温度控制方法，有四种工作模式：开放式直供运行模式、密闭式直供运行模式、余热利用模式、高效发电模式。

所述液体更换协调方法与储能发电过程有并行工作和串行工作两种协调运行方式；并行工作是指液体更换与储能发电同时进行，串行工作是指液体更换与储能发电依次分时进行；当内控温液体活塞由单个液体活塞独立构成时，其液体更换协调方法与储能发电过程只有串行工作运行方式，具体过程如下：

储能时，液体活塞内充满气体，在水力发电设备的作用下将低压水池中的液体送入液体活塞中压缩气体使其气压升高，当达到高压气体管道中的气体气压时打开阀门，将压缩气体通过高压气体管道送入储气罐中储存起来，储能过程结束后，将液体活塞内液体在第三液体驱动装置作用下送出到外部液体源，再将通过外部温度调节设施调温至所需温度的控温液体源中液体送入低压水池，或直接将控温液体源作为低压水池运行，进行下一次储能过程；

发电时，液体活塞内充满液体，打开阀门，储气罐中的高压气体通过高压气体管道进入液体活塞中膨胀做功，推动液体通过水力发电设备流出发电，发电过程结束后，在第二液体驱动装置作用下将控温液体源中液体送入液体活塞中，液体活塞内又充满液体，进行下一次发电过程。

所述内控温液体活塞由两个液体活塞成对或多个液体活塞两两成对组成，其液体更换协调方法与储能发电过程有串行工作和并行工作两种运行方式，具体过程分别如下：

1)液体更换协调方法与储能发电过程串行工作运行方式为：

储能时，第一液体活塞内充满气体，第二液体活塞充满液体，根据温度需要第二液体活塞中的液体经过换液过程更换为所需温度液体，液体更换过程结束后在水力发电设备的作用下将第二液体活塞中的液体送入第一液体活塞中压缩气体使其气压升高，当达到高压气体管道中的气体气压时打开阀门，将压缩气体通过高压气体管道送入储气罐中储存起来，此时第二液体活塞内充满气体，第一液体活塞内充满液体，如此反复上述储能过程可将电能源源不断转换为压缩空气势能储存起来；

发电时，第一液体活塞内充满液体，第二液体活塞充满气体，打开阀门，储气罐中的高压气体通过高压气体管道进入第一液体活塞中膨胀，推动液体通过水力发电设备流出发电，发电过程结束后，根据温度需要经过换液过程使第二液体活塞中更换为所需温度液体，此时第一液体活塞内充满气体，第二液体活塞充满液体，如此反复上述发电过程可将压缩空气的势能完全释放用于发电；

2)液体更换协调方法与储能发电过程并行工作运行方式为：

储能时，第一液体活塞内充满气体，第二液体活塞内充满液体，在水力发电设备的作用下将控温液体源中的液体送入第一液体活塞中，压缩第一液体活塞中的气体使其气压升高，当达到高压气体管道中的气体气压时打开阀门，将压缩气体通过高压气体管道送入储气罐中储存起来，同时在第三液体驱动装置的作用下将第二液体活塞中的液体排出，此时第一液体活塞内充满液体，第二液体活塞内充满气体，如此反复上述储能过程可将电能源源不断转换为压缩空气势能储存起来。

发电时，第一液体活塞内充满液体，第二液体活塞内充满气体，打开阀门，储气罐中的高压气体通过高压气体管道进入第一液体活塞中膨胀，推动液体通过水力发电设备流出发电，同时在第二液体驱动装置的作用下将控温液体源中的液体送入第二液体活塞中，此时第一液体活塞内充满气体，第二液体活塞内充满液体，如此反复上述发电过程可将压缩空气的势能完全释放用于发电。

所述多个液体活塞中两两成对的液体活塞的运行方式与上述第一液体活塞和第二液体活塞的一致，并且多个液体活塞可以在液体更换过程中提高运行效率。

所述液体温度控制方法是指通过配套的外部温度调节设施，对控温液体源的液体进行温度调节控制；实现四种工作模式分别为：

开放式直供运行模式，用于工作的液体温度近似不变，控温液体源为唯一的液体来源且为开放式，水源足够大，包括：海洋、水库、河流、湖泊；

密闭式直供运行模式，控温液体源为唯一的液体来源且为保温密闭式，储能时，液体送入内控温液体活塞腔中，气体压缩所产生的热量传递给液体，这部分液体在升温后被绝热储存起来；发电时，这部分液体送入内控温液体活塞在气体膨胀过程中提供热量，发电结束后，该部分液体又被绝热储存起来；如此反复循环利用；

余热利用模式，控温液体源分成两种温度差异明显的液体源，储能时选择温度较高的液体源，往内控温液体活塞腔中送入温度较高的液体，气体压缩所产生的热量传递给液体，使液体温度进一步升高，利用高温液体实现供热供暖；发电时选择温度较低的液体源，往内控温液体活塞腔中送入温度较低的液体，压缩空气膨胀从液体中吸热，实现低品质热量利用，在此过程中气体和液体温度都会降低，可用于制冷；为提高供暖效果，储能时换热器工作在升温模式下升高液体温度，为提高制冷效果，发电时换热器工作在降温模式下降低液体温度；

高效发电模式，控温液体源分成两种温度差异明显的液体源，储能时选择温度较低的液体源，低温液体被送入内控温液体活塞中，气体的热量被低温液体吸收，使气体温度和气体压强降低，减少气体压缩所用的能量；发电时选择温度较高的液体源，高温液体被送入内控温液体活塞中，气体吸收高温液体的热量，使气体温度和气体压强升高，以实现更高的能量输出；为提高储能发电效率，储能时换热器工作在降温模式下降低液体温度，发电时换热器工作在升温模式下升高液体温度；

在上述所提到的储能发电过程中，低压水池可以和控温液体源合二为一。

所述内控温液体活塞是指通过液体活塞内部液体控制气体压缩或膨胀时温度的变化，腔内采用蓄气单元技术、蓄水单元技术、填料塔技术、平板塔技术、强制液体循环技术或换热导管技术实现快速的热质交换。

其中，蓄气单元的结构为上部封闭底部开放的罩缸结构或封闭管道形式的气包结构，这两种结构分别对应气液热质交换或者导热式这两种控温方式；蓄水单元以导热材料构造，用于存储液体，增大与气体的接触面积，促进液体和气体的热交换，基于液体比热大的特点，利用稳定的液体温度控制气体温度，限制温度变化在一定范围内；填料塔是由塔体、喷淋装置、填料及进出口等部件组成，液体自塔上进入，通过液体喷淋装置均匀淋洒在塔截面上，气体由塔底进入塔内，通过填料缝隙中的自由空间上升，从塔上部排出，气液在填料塔内呈逆流，得到充分接触，达到快速热质交换的目的，平板塔作用与填料塔相同；强制液体循环是指当液面低于液体活塞腔内的蓄水单元主体后，蓄水单元下部管道的一端或两端接入水泵，驱动液体活塞腔底部的液体和腔内蓄水单元内的液体循环；或采用额外的管道和水泵，将液体活塞腔底部的液体送入水槽结构蓄水单元内，形成液体循环增强液体和气体热交换。

所述系统在低压水池和控温液体源之间设置换热器，即所述外部温度调节设施，根据所需液体温度在液体更换过程中将液体温度调温至所需要求，所述换热器的工作模式有两种：

一是通过蒸发、冷凝塔、水循环或地下冷却的液体降温方式降低液体温度；二是通过外部热源、火电厂余热、太阳能、地热能的液体升温方式升高液体温度。

所述液体驱动装置是水泵或液压活塞，根据液体流动需要为单向驱动或双向驱动，将内控温液体活塞、控温液体源、低压水池的高低位置合理布局实现在重力作用下液体直接流动，从而省去液体驱动装置。

所述水力发电设备为液压势能转换装置、抽蓄发电机组、水泵水轮发电机组、液压马达或者其他水力设备，液压势能转换装置包括液压活塞机构及连接的直线发电机、经曲柄连接的旋转发电机或另一组外部势能源和发电设备。

所述水力发电设备的运行方式有如下几种：一是以液压势能传递方式发电，在由两组活塞组成的液压活塞组两边连接两个液压势能源，通过液压活塞组做功将一个液压势能源的液压势能转换成另外一个液压势能源的液压势能，再用于发电；二是液压势能转换成机械能方式发电，将液压势能源连接至液压活塞组上，通过液压势能源中的液体推动液压活塞组做功，将液压势能源的液压势能转换成机械能，再通过直线发电机或者曲柄发电机发电；三是液压势能直接发电方式，将液压势能源通过换向阀连接到水轮发电机上发电。

所述势能转换成机械能方式发电的情况下，水力发电设备的结构如下：将液压势能源连接到液压活塞组上，液压活塞组的连杆与发电单元相连；其中发电单元的实现形式包括：直线发电机、曲柄连接的旋转发电机。

所述直线发电机的运行方式如下：液压势能源与液压活塞组相连，液压活塞组的活塞杆与直线发电机的动子直连，液压势能源中的液体通过液压活塞组将液体势能转换为机械能，直接驱动直线电机运动发电。

所述曲柄连接的旋转发电机运行方式如下：液压势能源与液压活塞组相连，液压活塞组的活塞杆通过曲柄结构与旋转发电机连接，液压势能源中的液体通过液压活塞组将液体势能转换为机械能，带动曲柄结构运动继而驱动旋转发电机发电。

本发明的有益效益包括以下几个方面：

(1)本发明对传统压缩空气储能技术进行改良，以液体为介质对气体进行压缩和释放，减少了气体压缩膨胀时泄露和机械滑动带来的摩擦，能量释放彻底，效率高；既集成了液体活塞的优点，又兼顾了控温能力，提高了压缩空气储能发电的效率，具有很好的节能效果；解决了气体体积变化所带了剧烈温度变化对设备的潜在危害，保证了工作气体在储能发电过程中温度基本稳定。

(2)本发明基于内控温技术，并通过控制液体的温度来控制气体的温度，实现了不同工作运行模式及其不同的储能发电效率。

(3)本发明将压缩空气中的势能以液体为介质进行转换，通过水力发电设备实现液体势能和其他形式的能的转换。整套装置提高了压缩空气储能的能量利用效率，并且保留了液体活塞应用于压缩空气储能所具有少污染、少泄露、少摩擦的优点，构成了绿色高效的压缩空气储能系统。

(4)本发明将内控温液体活塞与液体源相连，可增加换热器以进一步调节要进入液体活塞腔的控温液体源的液体温度，从而实现不同储能发电效率的工作运行模式。

附图说明

图1是基于单个内控温液体活塞的系统运行实现方案；

图2是基于内控温液体活塞对的系统实现方案之一(液体更换协调方法与储能发电过程串行工作)；

图3是基于内控温液体活塞对的系统实现方案之二(液体更换协调方法与储能发电过程并行工作)；

图4是水力发电设备的实现形式；

图5是水力发电设备为液压活塞机构，且发电单元为直线发电机的实现形式；

图6是水力发电设备为液压活塞机构，且发电单元为曲柄连接的旋转发电机的实现形式；

图7是水力发电设备为液压活塞机构，且发电单元为虚拟抽水蓄能发电单元的实现形式；

图中标号：

1-高压气体管道，2-低压气体管道，3～8-液体管道，9～14、34～35-阀门，15～17-液体驱动装置，18-换热器，19-控温液体源，20、31-低压水池，21-水力发电设备，22、24-填料，23、25-内控温液体活塞，26-储气罐，27-直线发电机，28-曲柄连接的旋转发电机，29-水力设备，30-高压水池，32-液压活塞，33-液压活塞连杆。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1是基于单个内控温液体活塞的系统运行实现方案。该系统由若干管道1～8，若干阀门9、10、13，液体驱动装置16～17，换热器18，控温液体源19，低压水池20，水力发电设备21，内控温液体活塞23，储气罐26组成；其中内控温液体活塞23分别与高压气体管道1及低压气体管道2相连，高压气体管道1与储气罐26相连，控温液体源19与内控温液体活塞23相连，水力发电设备21连接内控温液体活塞23、低压水池20和电网。

系统的液体更换协调方法与储能发电过程是串行工作运行方式，其具体过程为：

储能时，液体活塞23内充满气体，在水力发电设备21的作用下将低压水池20中的液体送入液体活塞23中压缩气体使其气压升高，当达到高压气体管道1中的气体气压时打开阀门10，将压缩气体通过高压气体管道1送入储气罐26中储存起来；储能过程结束后，将液体活塞23内液体在液体驱动装置2作用下送出到外部液体源，再将通过外部温度调节设施或换热器18调温至所需温度的控温液体源19中液体，送入低压水池20，或直接将控温液体源19作为低压水池运行，进行下一次储能过程；

发电时，液体活塞23内充满液体，打开阀门10，储气罐26中的高压气体通过高压气体管道1进入液体活塞23中膨胀做功，推动液体通过水力发电设备21流出发电；发电过程结束后，在液体驱动装置2作用下将控温液体源19中液体送入液体活塞23中，液体活塞23内又充满液体，准备进行下一次发电过程。

图2～3是基于内控温液体活塞对的系统实现的两种方案，其中图2是方案之一，其液体更换协调方法与储能发电过程串行工作，图3是方案之二，其液体更换协调方法与储能发电过程并行工作。

图2系统由若干管道1～8，若干阀门9～14，液体驱动装置15～17，换热器18，控温液体源19，低压水池20，水力发电设备21，内控温液体活塞23、25，储气罐26组成；其中内控温液体活塞23、25分别与高压气体管道1及低压气体管道2相连，高压气体管道1与储气罐26相连，控温液体源19与内控温液体活塞23相连，低压水池20通过液体驱动装置15与液体活塞23相连，水力发电设备21通过管道7、8连接两个内控温液体活塞23、25以及电网。

系统的液体更换协调方法与储能发电过程是串行工作运行方式，其具体过程为：

储能时，液体活塞25内充满气体，液体活塞23充满液体，根据温度需要液体活塞23中的液体经过换液过程更换为所需温度液体，液体更换过程结束，然后在水力发电设备21的作用下将液体活塞23中的液体送入液体活塞25中压缩气体使其气压升高，当达到高压气体管道1中的气体气压时打开阀门12，将压缩气体通过高压气体管道1送入储气罐26中储存起来，此时液体活塞23内充满气体，液体活塞25内充满液体，如此反复上述储能过程可将电能源源不断转换为压缩空气势能储存起来。

发电时，液体活塞25内充满液体，液体活塞23充满气体，打开阀门12，储气罐26中的高压气体通过高压气体管道1进入液体活塞25中膨胀，推动液体通过水力发电设备21流出发电，发电过程结束后，根据温度需要经过换液过程使液体活塞23中更换为所需温度液体，此时液体活塞25内充满气体，液体活塞23充满液体，如此反复上述发电过程可将压缩空气的势能完全释放用于发电。

图3系统由若干管道1～8(包括管道3-1、3-2、7-1、7-2)，若干阀门9～14、34～35，液体驱动装置16～17，换热器18，控温液体源19，低压水池20，水力发电设备21，内控温液体活塞23、25，储气罐26组成；其中内控温液体活塞23、25分别与高压气体管道1及低压气体管道2相连，高压气体管道1与储气罐26相连，控温液体源19通过管道3-1、3-2、4与内控温液体活塞23、25相连，水力发电设备21通过管道7-1、7-2与液体活塞23、25连接，通过管道8与低压水池20以及电网连接。

系统的液体更换协调方法与储能发电过程是并行工作运行方式，其具体过程为：

储能时，液体活塞25内充满气体，液体活塞23内充满液体，在水力发电设备21的作用下将控温液体源19中的液体送入液体活塞25中，压缩液体活塞25中的气体使其气压升高，当达到高压气体管道1中的气体气压时打开阀门12，将压缩气体通过高压气体管道1送入储气罐26中储存起来，同时在液体驱动装置2的作用下将液体活塞23中的液体排出，此时液体活塞25内充满液体，液体活塞23内充满气体，如此反复上述储能过程可将电能源源不断转换为压缩空气势能储存起来。

发电时，液体活塞25内充满液体，液体活塞23内充满气体，打开阀门12，储气罐中的高压气体通过高压气体管道1进入液体活塞25中膨胀，推动液体通过水力发电设备21流出发电，同时在液体驱动装置2的作用下将控温液体源19中的液体送入液体活塞23中，此时液体活塞25内充满气体，液体活塞23内充满液体，如此反复上述发电过程可将压缩空气的势能完全释放用于发电。

图4是水力发电设备的实现形式。当内控温液体活塞由单个液体活塞独立构成时，水力发电设备21通过管道7、8连接液体活塞23、低压水池20和电网，当内控温液体活塞由两个液体活塞成对或多个液体活塞成组组成时，在串行工作的情况下，水力发电设备21通过管道7、8连接两个内控温液体活塞23和25以及电网，在并行工作的情况下，水力发电设备21通过管道7(7-1、7-2)、8连接两个内控温液体活塞23和25、低压水池20以及电网。

图5～7是发电单元的三种实现形式。图5是直线发电机的形式，该形式包括液压活塞32、连杆33和直线发电机27，连杆33与直线发电机27之间进行能量传递。图6曲柄连接的旋转发电机的形式，该形式包括液压活塞32、连杆33和曲柄连接的旋转发电机28，连杆33与曲柄连接的旋转发电机28之间进行能量传递。图7是抽蓄发电单元的形式，该形式包括液压活塞组32、连杆33、水力设备29、高压水池30和低压水池31。储能时，水力设备29消耗电能，将低压水池31中的液体抽到高压水池30中，并利用高低压水池的势能差驱动液压活塞组32，将能量转化成连杆33的机械能；发电时将连杆33上的机械能转化成液压势能，将低压水池31的液体抽到高压水池30，然后利用高低压水池的势能差驱动水力设备29发电。

液体驱动装置17根据不同的运行模式，将对应温度的控温液体源的液体送入内控温液体活塞23或25中。其中工作运行模式有以下四种模式：

第一种为开放式直供运行模式，用于工作的液体温度近似不变，控温液体源为唯一的液体来源且为开放式，水源足够大，如海洋、水库等；

第二种为密闭式直供运行模式，控温液体源为唯一的液体来源且为保温密闭式，储能时，液体送入内控温液体活塞腔中，气体压缩所产生的热量传递给液体，这部分液体在升温后被绝热储存起来；发电时，这部分液体送入内控温液体活塞在气体膨胀过程中提供热量，发电结束后，该部分液体又被绝热储存起来；如此反复循环利用；

第三种为余热利用模式，控温液体源分成两种温度差异明显的液体源，储能时选择温度较高的液体源，往内控温液体活塞腔中送入温度较高的液体，气体压缩所产生的热量传递给液体，使液体温度进一步升高，利用高温液体实现供热供暖；发电时选择温度较低的液体源，往内控温液体活塞腔中送入温度较低的液体，压缩空气膨胀从液体中吸热，实现低品质热量利用，在此过程中气体和液体温度都会降低，可用于制冷；

第四种为高效发电模式，控温液体源分成两种温度差异明显的液体源，储能时选择温度较低的液体源，低温液体被送入内控温液体活塞中，气体的热量被低温液体吸收，使气体温度和气体压强降低，减少气体压缩所用的能量；发电时选择温度较高的液体源，高温液体被送入内控温液体活塞中，气体吸收高温液体的热量，使气体温度和气体压强升高，以实现更高的能量输出。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。