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一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统

阅读：1008发布：2020-10-28

专利汇可以提供一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于压缩空气电能存储技术领域，尤其涉及一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统。方法包括：在储能过程中对空气进行压缩并将压缩热存储在储热罐中；在释能过程中储热罐中一部分热量对高压空气进行加热，加热后的空气进入到膨胀机中膨胀做功，膨胀过程后储热工质的余热和储热罐中的剩余部分热量用于有机朗肯循环发电。系统包括依次相连的：压缩机组、第一换热器、储气罐、第二换热器、膨胀机组；第一换热器与储热罐相连，储热罐分别与第二换热器和有机朗肯循环发电系统相连。本发明充分利用压缩空气储能系统剩余的存储热量，先用余热对有机工质进行预热，然后将不能被完全利用的存储热再进行工质加热，保证热量能够被完全利用。，下面是一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法，其特征在于，包括：
在储能过程中，对空气进行压缩并将压缩热存储在储热罐中；
在释能过程中，储热罐中一部分热量对高压空气进行加热，加热后的空气进入到膨胀机中膨胀做功，膨胀过程后储热工质的余热和储热罐中的剩余部分热量共同用于有机朗肯循环发电。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述储热罐为多个储热罐分别与多级换热器相连，多级换热器串联；所述储热罐包括：热量储罐和冷量储罐。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述储能过程还包括：高压空气被压缩后存储在储气罐中。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述储能过程还包括：高压空气通过冷量换热器吸收冷量储罐中的冷量后通过减压液化为液态空气并存储在储液罐中。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述释能过程还包括：储液罐释放出液态空气首先经过液态泵加压到高压状态，然后通过换热器释放冷量到冷量储罐，汽化为气态高压空气，然后依次进入级前换热器吸收热量和通过各级膨胀机膨胀做功并发出电能。
6.一种利用ORC提高压缩空气储能效率的系统，其特征在于，包括依次相连的：压缩机组、第一换热器、储气罐、第二换热器、膨胀机组；所述第一换热器与储热罐相连，所述储热罐分别与第二换热器和有机朗肯循环发电系统相连。
7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述第一换热器和第二换热器均为多级换热器，并分别与多个储热罐相连；所述储热罐包括：热量储罐和冷量储罐。
8.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述储气罐用储液罐替换，并在前后入口出口处分别串联减压阀和液态泵。
9.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述储热罐通过分流器分成两路，一路依次经过第二换热器和有机朗肯循环发电系统中的预热器，另一路依次经过有机朗肯循环发电系统中的再热器，随后两路通过混合器回到储热罐。
10.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述有机朗肯循环发电系统包括首尾依次相连的：膨胀机、冷凝器、液态泵、预热器、再热器。

说明书全文

一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统

技术领域

[0001] 本发明属于压缩空气电能存储技术领域，尤其涉及一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统。

背景技术

[0002] 压缩空气储能(CAES)是指在电价低谷时利用电网上的富裕电力或者风能、太阳能等不稳定的新能源电力来压缩空气，并将压缩后的高压空气进行密封存储起来，在电能需求高峰时，将高压空气释放并推动空气透平带动发电机发电，以达到电能存储的目的。现有的压缩空气储能系统中，通常将压缩后的高压空气存储在地下储气室或者人工储气罐中。

[0003] 传统CAES系统需要依靠燃烧室提供热能，对进入膨胀透平的高压空气进行加热，但是这种系统效率较低，燃烧室损失较大，使其发展受到局限。先进绝热压缩空气储能(AA-CAES)系统则取消了燃烧室，通过储热/冷装置对压缩空气过程的压缩热进行储存并应用于释能过程，用于加热做功工质。AA-CAES虽然摆脱了传统CAES对化石燃料的依赖，但仍需要巨型储气室进行高压空气存储。为了解决压缩空气储能技术面临的主要问题，近年来又出现了深冷液化空气储能(LAES)系统概念。

[0004] LAES系统采用压缩空气液态存储，具有高储能密度特性，是一种容量巨大的低温能量存储技术，摆脱了大型储气室对压缩空气储能电站选址的限制。该系统能够被建在任何地方，不受化石燃料和天然储气岩洞的限制，只需要一个保温容器用于储存液态空气。但是，这种液态的压缩空气储能系统增加了空气液化环节和液态泵，使得液态压缩空气储能系统的储能效率低于一般的气态压缩空气储能系统。因此，LAES系统的储能效率是限制其发展的主要因素，AA-CAES系统虽然效率高于LAES系统，但是同样受到效率因素的制约。

[0005] 中国专利CN105569753A公开了一种利用过程余热的有机朗肯循环发电装置，但该装置只是利用释能过程的余热来加热有机工质进行发电，因为释能过程的余热温度大约在50度左右，所以该装置的ORC发电效率并不高，考虑到成本问题，该装置并不适合应用。本发明不同于上述发电装置，而是通过计算，直接利用释能过程不能完全利用的存储热量来加热有机工质。

[0006] 综上所述，如何提高压缩空气储能系统的储能效率，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

[0007] 为了提高压缩空气储能系统储能效率，降低压缩空气储能系统的储能成本，本发明提出了一种利用ORC提高压缩空气储能效率的方法和系统，方法包括：

[0008] 在储能过程中，对空气进行压缩并将压缩热存储在储热罐中；

[0009] 在释能过程中，储热罐中一部分热量对高压空气进行加热，加热后的空气进入到膨胀机中膨胀做功，膨胀过程后储热工质的余热和储热罐中的剩余部分热量共同用于有机朗肯循环发电。

[0010] 所述储热罐为多个储热罐分别与多级换热器相连，多级换热器串联；所述储热罐包括：热量储罐和冷量储罐。

[0011] 所述储能过程还包括：高压空气被压缩后存储在储气罐中。

[0012] 所述储能过程还包括：高压空气通过冷量换热器吸收冷量储罐中的冷量后通过减压液化为液态空气并存储在储液罐中。

[0013] 所述释能过程还包括：储液罐释放出液态空气首先经过液态泵加压到高压状态，然后通过换热器释放冷量到冷量储罐，汽化为气态高压空气，然后依次进入级前换热器吸收热量和通过各级膨胀机膨胀做功并发出电能。

[0014] 系统包括依次相连的：压缩机组、第一换热器、储气罐、第二换热器、膨胀机组；所述第一换热器与储热罐相连，所述储热罐分别与第二换热器和有机朗肯循环发电系统相连。

[0015] 所述第一换热器和第二换热器均为多级换热器，并分别与多个储热罐相连；所述储热罐包括：热量储罐和冷量储罐。

[0016] 所述储气罐用储液罐替换，并在前后入口出口处分别串联减压阀和液态泵。

[0017] 所述储热罐通过分流器分成两路，一路依次经过第二换热器和有机朗肯循环发电系统中的预热器，另一路依次经过有机朗肯循环发电系统中的再热器，随后两路通过混合器回到储热罐。

[0018] 所述有机朗肯循环发电系统包括首尾依次相连的：膨胀机、冷凝器、液态泵、预热器、再热器。

[0019] 本发明的有益效果在于：

[0020] 该发明采用在压缩空气储能系统中增加ORC系统，以充分利用压缩空气储能系统剩余的存储热量。在压缩空气储能系统释能过程中，先利用释能过程的余热对有机工质进行预热，然后将不能被CAES系统完全利用的存储热对预热后的有机工质进行加热，加热后的有机工质进行做功发电。这样能够保证热量储罐中的热量能够被完全利用，并通过预热有机工质，使释能过程的余热得到了利用，避免了不必要的热量损失，增加了系统的释能过程发电量，大约能使储能系统的储能效率提高2个百分点。附图说明

[0021] 图1是本发明的耦合ORC的LAES系统图

[0022] 图2是本发明的耦合ORC的AA-CAES系统图

具体实施方式

[0023] 下面结合附图，对实施例作详细说明。

[0024] 本发明为利用ORC系统耦合CAES系统以提高压缩空气储能系统效率的方法，图1是本发明的耦合ORC的LAES系统图，图2是本发明的耦合ORC的AA-CAES系统图。该方法以LAES系统为例进行说明，但是该方法同样适用于AA-CAES系统。

[0025] 通过建立LAES系统热力学模型，在储能过程中，对空气进行压缩并将压缩热存储在储热罐中；在释能过程中，利用储热罐中的热量对高压空气进行加热，加热后的空气进入到膨胀机中膨胀做功。通过计算发现，当储能过程和释能过程的空气流量相同时，储能过程储存的压缩热并不能完全被释能过程利用，释能过程利用的热量大约为存储热量的80％，也就是说有20％的热量剩余。因此，本发明采用在LAES系统中增加ORC系统，以利用剩余的存储热量来发电，达到提高储能系统效率的目的，计算结果显示大约能使系统储能效率提高2个百分比。

[0026] 在储能阶段时

[0027] 当电网出现电能富裕时，利用低谷富裕电能带动压缩机组将空气压缩为高压空气，并在压缩机各级后安装换热器，将高压空气冷却到环境温度，通过导热工质将压缩热导入到热罐中进行热量存储。高压空气继续通过冷量换热器，吸收冷量后通过减压液化器液化为气态空气并存储在液态罐中；

[0028] 在释能阶段时

[0029] 当电网电能出现供不应求时，及时启动LAES系统进行电能释放。液态储罐释放出液态空气首先经过液态泵加压到高压状态，然后通过换热器释放冷量，汽化为气态高压空气，然后依次进入级前换热器吸收热量和通过各级膨胀机膨胀做功并发出电能。膨胀做功阶段各级换热器的热量来源为之前压缩过程的存储热量，通过阀门控制将存储热量的80％根据各级热量需求分配给个膨胀级前的换热器，剩下的20％热量用于有机朗肯循环。有机朗肯循环系统做功过程和释能过程同时进行，有机工质采用目前较为流行的R14b。有机工质首先通过液态泵加压，然后依次经过预热器和再热器，预热器的热量来源于压缩空气储能系统各级膨胀机级前换热器未完全利用的热量，再热器热量来源于储热罐在LAES释能过程未利用的20％储热工质，这样能够保证最大限度的利用储能过程存储的压缩热。吸收热量的液态有机工质汽化为高压气态有机工质，然后进入到膨胀机中进行膨胀做功，做功后的有机工质进入到冷凝器中冷凝为液态有机工质，然后继续循环使用。

[0030] 耦合ORC的AA-CAES系统的具体实施过程和LAES系统过程类似，只是空气存储状态不同，不再进行赘述。

[0031] 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。

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