压缩空气储能系统及可再生能源系统的制作方法

1.本实用新型涉及可再生能源电力储能技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能系统及可再生能源系统。


背景技术：

2.化石能源不断枯竭与环境日益恶化已成为制约全球经济与社会发展的重要瓶颈问题，大规模开发利用可再生能源成为全球能源发展的必然选择。风能、太阳能分布最广泛、最丰富，是可再生能源开发利用的重点，但风能和太阳能具有不稳定性和间歇性，对电网的调度、运行方式、可靠性和运行成本都带来巨大的冲击，进而导致大规模的弃风、弃光现象。
3.储能技术可有效解决弃风、弃光问题，实现可再生能源发电的大规模并网，实现常规电力系统削峰填谷，提高常规能源发电与输电效率、安全性和经济性。压缩空气储能技术具有规模大、成本低、寿命长、单位投资小等优点，且不需要大型储气装置，无地理条件限制，被认为是最具发展潜力的大规模储能技术之一。
4.传统的压缩空气储能系统储能容量固定，压缩机配套电机只能按照最大运行额定功率选取，单台压缩机运行工况范围有限，不能灵活调节储能功率。当可再生能源多余电量输出小于配置的压缩机运行功率时，压缩机就无法启动，储能系统无法运行，也就不能适应可再生能源间歇性和不稳定性的缺陷。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种压缩空气储能系统及可再生能源系统，用以解决现有技术中传统压缩空气储能系统压缩机功率固定，不能适应可再生能源间歇性和不稳定性的缺陷，实现根据可再生能源发电并网需求跟踪调节压缩机运行，大大提高压缩空气储能系统的实用性，有效降低清洁电能的损失。
6.本实用新型提供一种压缩空气储能系统，包括：压缩机组、第一换热器组、储气装置和发电装置，所述压缩机组通过所述第一换热器组与所述储气装置相连，所述储气装置与所述发电装置相连，
7.其中，所述压缩机组包括多个额定功率依次增大的压缩机，所述压缩机彼此并联，所述压缩机与所述第一换热器组的第一换热器一一对应，多个所述压缩机的额定功率之和大于等于所述压缩空气储能系统预设功率。
8.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述压缩机组包括4个压缩机，4个所述压缩机的额定功率范围依次为所述压缩空气储能系统预设功率的5％-10％、15％-25％、30％-45％和50％-70％。
9.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述储气装置包括多个并联设置的储气罐，每个所述储气罐单独控制开关。
10.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述发电装置包括第二换热器、膨胀
机和发电机，所述第二换热器一端与所述储气装置相连，另一端与所述膨胀机相连，所述膨胀机与所述发电机相连。
11.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，还包括储热系统和储冷系统，所述第一换热器包括第一换热侧和第二换热侧，所述第二换热器包括第三换热侧和第四换热侧，
12.其中，所述储热系统一端与所述第二换热侧出口相连，另一端与所述第四换热侧入口相连，所述储冷系统一端与所述第二换热侧入口相连，另一端与所述第四换热侧出口相连。
13.所述第一换热侧两端分别与所述压缩机和所述储气罐相连，所述第三换热侧两端分别与所述储气罐和所述膨胀机相连。
14.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述储热系统包括并联的储热罐和热泵，所述储热罐一端与所述第二换热侧的出口相连，另一端与所述热泵相连，所述热泵与所述第四换热侧的入口相连。
15.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述储冷系统包括串联的储冷罐、冷泵和冷却机构，所述冷泵一端与所述第二换热侧的入口相连，另一端与所述储冷罐相连，
16.所述冷却机构一端与所述储冷罐相连，另一端与所述第四换热侧的出口相连。
17.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述储热系统还包括供热泵，所述供热泵与所述储热罐相连，所述供热泵能够与外部供热系统相连。
18.根据本实用新型提供的压缩空气储能系统，所述所述膨胀机为多级膨胀机，所述多级膨胀机对应多个所述第二换热器。
19.本实用新型还提供了一种可再生能源系统，包括可再生能源发电装置、变压并网装置和上述的压缩空气储能系统，所述可再生能源发电装置与所述压缩空气储能系统中的所述压缩机组和所述变压并网装置分别相连，所述发电装置与所述变压并网装置相连。
20.本实用新型提供的压缩空气储能系统及可再生能源系统，在储能时，压缩机组根据可再生能源并网多余电力容量，灵活调节压缩机组的运行，启动相应额定功率的压缩机，压缩空气并储存至储气装置；在释能时，通过发电装置补充可再生能源电力并网容量不足。通过布置多组不同功率压缩机，跟踪调节储能容量适应可再生能源并网波动和冗余情况，并保证压缩机组在最优工况下运行，大大提高了压缩空气储能在可再生能源工程中的实用性，有效降低清洁电能的损失。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。
22.图1是本实用新型提供的可再生能源系统的连接关系示意图；
23.图2是本实用新型提供的压缩空气储能系统的连接关系示意图。
24.附图标记：
25.100：压缩机组；
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101：压缩机；
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200：第一换热器组；
26.201：第一换热器；
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300：储气装置；
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301：储气罐；
27.400：发电装置；
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401：第二换热器；
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402：膨胀机；
28.403：发电机；
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500：储热系统；
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501：储热罐；
29.502：热泵；
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503：供热泵；
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600：储冷系统；
30.601：储冷罐；
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602：冷泵；
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603：冷却机构；
31.710：变压并网装置。
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701：风力发电；
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702：太阳能发电；
32.700：可再生能源发电装置。
具体实施方式
33.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
34.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。
36.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
37.下面结合图1至图2，对本实用新型的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本实用新型的示意性实施方式，并不对本实用新型构成限定。
38.如图1所示，一种可再生能源系统，包括可再生能源发电装置700和变压并网装置710，可再生能源发电装置700与压缩空气储能系统的压缩机组100和变压并网装置710分别相连，压缩空气储能系统的发电装置400与变压并网装置710相连。
39.其中，可再生能源发电装置700包括多种发电模式，例如风力发电701、太阳能发电702等。
40.具体地，当可再生能源发电装置700的发电量大于变压并网装置710所需容量时，
压缩空气储能系统开始储能；在可再生能源发电装置700的发电量小于变压并网装置710所需容量时，压缩空气储能系统开始释能，以补充可再生能源发电装置700并网容量不足。
41.如图2所示，本实用新型提供了一种压缩空气储能系统，包括：压缩机组100、第一换热器组200、储气装置300和发电装置400，压缩机组100通过第一换热器组200与储气装置300相连，储气装置300与发电装置400相连。
42.其中，压缩机组100包括多个额定功率依次增大的压缩机101，压缩机101彼此并联，压缩机101与第一换热器组200的第一换热器201一一对应，多个压缩机101的额定功率之和大于等于压缩空气储能系统预设功率。
43.换句话说，一个压缩机101对应一个第一换热器201，压缩机101与第一换热器201串联，压缩机101之间并联，进而第一换热器201之间也是并联，每个压缩机101的额定功率都不相同，并且所有压缩机101的额定功率阶梯级分布。所有压缩机101的额定功率之和大于等于整个压缩空气储能系统的总功率。每个第一换热器201独立控制一个压缩机101的排气温度。
44.其中，每个压缩机101配备有一个电动机，在确定了每个压缩机101的额定功率之后，根据流量大小，压缩机101可选择往复式压缩机或离心式压缩机。各压缩机101排气压力相同，等于储气装置300的额定设计压力。
45.另外，电动机与可再生能源发电装置700连接，压缩机组100根据可再生能源发电装置700并网多余电力容量，灵活运行压缩机组100内的不同额定功率的压缩机101，进行储能。
46.在本实用新型的一个实施例中，压缩机组100包括4个压缩机101，4个压缩机101的额定功率范围依次为压缩空气储能系统预设功率的5％-10％、15％-25％、30％-45％和50％-70％。
47.换句话说，压缩机组100包括第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机和第四压缩机，其中，第一压缩机的额定功率为压缩空气储能系统预设功率的5％-10％；第二压缩机的额定功率为压缩空气储能系统预设功率的15％-25％；第三压缩机的额定功率为压缩空气储能系统预设功率的30％-45％；第四压缩机的额定功率为压缩空气储能系统预设功率的50％-70％。
48.进一步地，在本实用新型的一个可选实施例中，压缩空气储能系统预设功率为a，选择第一压缩机的额定功率为7.5％a，第二压缩机的额定功率为15％a，第三压缩机的额定功率为30％a，第四压缩机的额定功率为50％a。
49.在可再生能源发电装置700的多余发电量低于第一压缩机额定功率的1/2时，即低于本实施例的3.75％a。压缩空气储能系统不储能。在可再生能源发电装置700的多余发电量在3.75％a至7.5％a时，第一压缩机单独工作，电动机带动第一压缩机压缩，经过第一换热器201将高温气体降温存储到储气装置300的一个或多个储气罐301内。
50.同理，在可再生能源发电装置700的多余发电量在7.5％a至15％a时，第二压缩机单独工作。在可再生能源发电装置700的多余发电量在15％a至30％a时，第三压缩机单独工作。在可再生能源发电装置700的多余发电量在30％a至50％a时，第四压缩机单独工作。
51.进一步地，在可再生能源发电装置700的多余发电量在50％a至57.5％a时，第一压缩机和第四压缩机共同工作。在可再生能源发电装置700的多余发电量在57.5％a至65％a
时，第二压缩机和第四压缩机共同工作。在可再生能源发电装置700的多余发电量在65％a至80％a时，第三压缩机和第四压缩机共同工作。在可再生能源发电装置700的多余发电量在80％a至95％a时，第二压缩机、第三压缩机和第四压缩机共同工作。在可再生能源发电装置700的多余发电量在95％a以上时，第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机和第四压缩机共同工作。
52.当然，根据选择的压缩机的额定功率不同，在不同阶段的可再生能源发电装置700的多余发电量所对应的压缩机也不同。根据实际情况进行匹配。其中，所有压缩机的额定功率之和应大于等于100％a。
53.具体地，在本实用新型的一个可选实施例中，储气装置300包括多个并联设置的储气罐301，每个储气罐301单独控制开关。
54.其中，各储气罐301分别与压缩机组100相连，各储气罐301的压力可以不同，根据压缩机101排气压力和各储气罐301内实时压力适时开启相应储气罐301的阀门，到达设计压力后，阀门关闭，依次完成储能过程。
55.进一步地，在本实用新型的另一个可选实施例中，发电装置400包括第二换热器401、膨胀机402和发电机403，第二换热器401一端与储气装置300相连，另一端与膨胀机402相连，膨胀机402与发电机403相连。
56.其中，膨胀机402为多级膨胀机，对应的第二换热器401包括多个，一个第二换热器401与一个膨胀机402串连，多级膨胀机之间串联，多个第二换热器401采用并联。多级膨胀机均与发电机403相连。
57.此外，发电装置400额定功率须满足压缩空气储能系统最大发电功率要求，膨胀机可以为向心或轴流结构。
58.具体地，第二换热器401将储气罐301中的低温气体，转化成高压高温气体输送到膨胀机402中，膨胀机402在将机械功作用在发电机上发电，输送到变压并网装置710以补充可再生能源发电装置700的电量不足情况。
59.继续参考图2，在本实用新型的一个具体实施例中，压缩空气储能系统还包括储热系统500和储冷系统600，第一换热器201包括第一换热侧和第二换热侧，第二换热器401包括第三换热侧和第四换热侧。
60.其中，储热系统500一端与第二换热侧出口相连，另一端与第四换热侧入口相连，储冷系统一端与第二换热侧入口相连，另一端与第四换热侧出口相连。第一换热侧两端分别与压缩机101和储气罐301相连，第三换热侧两端分别与储气罐301和膨胀机402相连。
61.具体来说，储冷系统600、第一换热器201、储热系统500和第二换热器401形成循环回路。储冷系统600提供低温介质，由于第一换热器201的第一换热侧需要对压缩机101的高温气体降温后进入储气罐301，因此，第二换热侧的低温介质吸收该热量，变为高温介质进入储热系统500中。由于第二换热器401的第三换热侧需要对储气罐301中的低温气体升温后进入膨胀机402中，因此，第四换热侧的高温介质释放热量，变成低温介质进入到储冷系统600中。
62.第一换热侧和第三换热侧流过气体，第二换热侧和第四换热侧流过液体。充分利用储能过程和释能过程的热量，以形成储冷系统600、第一换热器201、储热系统500和第二换热器401的循环回路。
63.进一步地，在本实用新型的一个实施例中，储热系统500包括并联的储热罐501和热泵502，储热罐501一端与第二换热侧的出口相连，另一端与热泵502相连，热泵502与第四换热侧的入口相连。
64.在本实用新型的另一个实施例中，储热系统500还包括供热泵503，供热泵503与储热罐501相连，供热泵503能够与外部供热系统相连，对外供热。
65.其中，根据压缩机组运行情况适时开启相应储热罐501，一个储热罐501达到设计容量后，进口阀门关闭，开启下一个储热罐501，依次储存压缩热量。
66.并且，并联的储热罐501可以存储不同温度的热介质，根据第二换热器401和外部供热系统的温度需求，适时启闭储热罐501的进出口阀门，实现不同温度热介质存储在不同储热罐501中，和不同温度需求开启不同储热罐501。
67.继续参考图2，在本实用新型的另一个实施例中，储冷系统600包括串联的储冷罐601、冷泵602和冷却机构603，冷泵602一端与第二换热侧的入口相连，另一端与储冷罐601相连，冷却机构603一端与储冷罐601相连，另一端与第四换热侧的出口相连。
68.其中，冷却机构603包括冷却泵和冷却塔，以实现自循环冷却。冷却机构603保证储冷介质满足冷却压缩机组100的要求。
69.本实用新型提供了一种压缩空气储能系统及可再生能源系统。储能时，压缩机组根据可再生能源并网多余电力容量，灵活调节机组运行，启动相应额定功率压缩机，压缩空气并储存至储气装置，回收压缩热至储热系统，并根据热需求适时调节储热罐进出口阀门，实现不同温度存储在不同储热罐；释能时，储热系统通过第二换热器加热压缩空气后，供膨胀机发电，补充可再生能源电力并网容量不足。与传统压缩空气储能系统相比，本实用新型压缩机组储能功率采用分布式设计，系统功率覆盖范围满足最大储能容量需求，通过布置多组不同功率压缩机组，配合储冷系统、储热系统和储气装置，可实时跟踪调节储能容量适应可再生能源并网波动和冗余情况，并保证压缩机组在最优工况下运行，大大提高了压缩空气储能在风光储一体化工程中的实用性，有效降低“弃风弃光”问题。
70.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。