技术领域

本发明属新能源利用领域，涉及一种利用工质变相的压缩空气定压储能发电系统，该系统通过利用一种新的储能方法能够大幅提升压缩空气储能发电效率。

背景技术

随着人类对全球变暖的担忧和化石燃料的匮乏，全球可再生能源开发利用发展迅速。可再生能源（风能、太阳能、海洋能等）的大规模开发利用越来越普及，但是可再生能源存在间歇性、不确定性等缺陷。可再生能源电能的波动性对电网会造成较大的冲击，影响电网的安全性，所以可再生能源等利用率很低，存在大量的弃风弃光现象造成大量的浪费。储能技术可以将波动性、间歇性的可再生能源转变为稳定的可控的优质能源。储能发电技术中物理储能有个巨大的优势，使用寿命长，功率大等优势。但目前的物理储能发电都存在不同程度的缺点，抽水储能电站对地理条件有着特殊的要求，且其建设周期长成本高昂，不能很好的普及。压缩空气储能对地理条件无特殊要求，建造成本和响应速度与抽水蓄能电站相当，使用寿命长，储能容量大，是一种具有推广应用前景的大规模储能技术。目前压缩空气储能方法分为定容储能和定压储能。定容储能一种是利用天然的地下洞穴通过改造作为储气空间，另一个办法是利用高压压缩空气罐作为储气空间。定容储能在释放能量的时候需要经过减压至预定的较低的压力，在减压的过程中浪费了大量的能量，所以效率较低。定压储能目前主要是利用水的静压特性实现在海底或深水中建立储能系统，利用水的静压特性保证释能过程中储气室的压力的恒定。定压储能由于可以利用更高的压力释能，因此具有更高的效率。然而,目前在深水中建立压缩空气储能系统存在很多难以解决的技术难题，同时也存在成本高和受到地理环境的限制的问题。目前已有的多级回热无补燃压缩空气储能系统由于回热过程的热损失转换效率仍然较低。

本发明利用工质（二氧化碳或其它）汽液变相体积变化巨大这一物理特性，提出了一种压缩空气定压储能发电系统。该系统中的定压释能部分利用了一种特殊的高压储气罐，当高压储气罐内的压力降低到特定的设计压力时，能够在该压力下持续运行，直到储存的压缩空气耗尽。从而能获得更高的能量转换效率。本发明由于存在工质变相，在工质变相过程中有大量的热能和冷能产生，这些冷能可以加入到压缩空气的回热系统中用于压缩机级前冷却和级间冷却，降低压缩机吸入的空气温度，降低压缩机功耗而产生的热量可以对进入透平的压缩空气进行加热，可以补充普通压缩空气储能系统在回热过程中的热损失，进一步提高效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用压缩空气复合工质（二氧化碳或其它）变相的储能发电系统。该发电系统的定压释能部分是利用一种特殊的压缩空气储气罐，该储气罐可以实现两种气体的隔离而允许同时通入压缩空气和其它工质（二氧化碳或其它）。在压缩空气储能阶段，当储气罐中通入压缩空气后会压缩储气罐中的工质（二氧化碳或其它），通过压缩空气的增压和与热量交换，实现工质（二氧化碳或其它）液化。由于液态工质（二氧化碳或其它）与常温气态工质有近几百倍的体积差，因此当通入的压缩空气产生的压力超过工质（二氧化碳或其它）的临界液化压力值时，储气罐中的气体工质（二氧化碳或其它）会被压入一个体积很小的储液罐中，为压缩空气腾出储气空间。在压缩空气释能阶段，当储气罐的压力降到设定值后，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐到储气罐的阀门，通过与环境进行热量交换从环境中吸热升温，液态工质汽化增压重新压回储气罐，使储气罐的压力维持在某一设定的压力下，持续释能，直到压缩空气彻底排空。由于该系统具有一定的定压释放压缩空气的能力，且压缩空气能够被全部排空，因此具有更高的储能密度和储能发电效率。

该发明的有益效果是：利用工质（二氧化碳或其它）变相体积变化巨大的特性能够实现一定程度的压缩空气定压储能，可以大幅度提升压缩空气的储能发电效率。工质（二氧化碳或其它）变相过程中伴随着大量的热量释放和吸收，也即具有相当可观的热能和冷能。产生的冷能用于压缩空气的冷却降温系统中去，降低压缩机吸入的空气和压缩空气的温度，可以降低压缩机功耗，提高压缩空气的压缩效率。释放的热能利用到压缩空气的回热系统，能够提高压缩空气的温度，弥补压缩空气本身在多级回热过程中的热量损失，提高释能发电效率。该储能发电技术可以大幅提高压缩空气的储能转换效率，提升压缩空气应用前景，提供一种更清洁高效的物理储能解决方案。

具体的，该系统利用了一种特殊的压缩空气储气罐，该储气罐可以实现两种气体的隔离而允许同时通入压缩空气和气体工质（二氧化碳或其它），储气罐有各自独立的压缩空气和工质（二氧化碳或其它）出入口。该压缩空气储能系统的最高压力应超过工质（二氧化碳或其它）的临界压力。压缩空气储能前先通过储气罐气体工质（二氧化碳或其它）出入口充入一定压力的气体工质（二氧化碳或其它），气体工质形成的压力即为压缩空气释能阶段的最终压力。在压缩空气储能阶段，压缩空气通过压缩空气出入口进入储气罐，随着储气罐的压缩空气不断充入，储气罐的压力不断升高，储气罐内的气体工质（二氧化碳或其它）不断被压缩，储气罐的内气体工质（二氧化碳或其它）所占的体积越来越小，压缩空气越来越多。当储气罐内的压力接近或达到储气压力的上限时，开启气体工质（二氧化碳或其它）通往工质（二氧化碳或其它）储液罐的阀门，气体工质（二氧化碳或其它）经换热器减压阀，进入工质（二氧化碳或其它）储液罐。由于高压气态工质（二氧化碳或其它）突然减压降温，于是部分气态工质（二氧化碳或其它）开始液化。储气罐内压缩空气继续增多，罐内压力增大，气态工质（二氧化碳或其它）被不断压入工质（二氧化碳或其它）储液罐内液化。随着储液罐的工质（二氧化碳或其它）的气液两相流不断充入，储液罐内温度升高，为保证工质（二氧化碳或其它）充分液化，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐的罐体自身的冷却降温系统，使气态工质（二氧化碳或其它）充分液化。随着储气罐内的高压压缩空气不断的充入，工质（二氧化碳或其它）所占的罐体容积不断减少，二氧化碳最终被排空。压缩空气储能阶段完成。在压缩空气释能阶段，压缩空气不断的从储气罐送入透平释能，储气罐内压力不断降低，当储气罐压力接近初始压力时，开启工质（二氧化碳或其它）储液罐通往储气罐的阀门，同时开启储气罐的加温增压系统，升高工质（二氧化碳或其它）储液罐的压力。储液罐内的二氧化碳通过减压阀，不断的通过储气罐工质（二氧化碳或其它）出入口进入储气罐，储气罐内的压缩空气在恒定的压力下不断被排出做功释能。当储气罐内的压缩空气被全部排空，释能阶段完成。由于工质（二氧化碳或其它）在压缩空气储能和释能阶段有热泵效应，可以放出或吸收大量的热量，可以产生大量的热能和冷能。产生的冷能用于压缩空气的冷却降温系统中去，降低压缩机吸入的空气和压缩空气的温度，可以降低压缩机功耗，提高压缩空气的压缩效率。放出的热量通过加入到压缩空气回热系统中去，能够提高压缩空气的温度，弥补压缩空气回热过程中的热量损失，提高释能发电效率。