一种水气热综合储能系统及方法与流程

1.本发明涉及新型电力系统的储能领域，尤其涉及一种水气热综合储能系统及方法。


背景技术：

2.电力系统中太阳能、风能等可再生能源在整个电力系统中的占比越来越高，但是太阳能、风能这些能源由于受自然条件的制约可控性低，需要在电力系统中配置大量的储能容量以满足电力系统的可靠性要求。常见的储能形式有抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能等。抽水蓄能有容量大、储放效率高的优点，但是抽水蓄能电站对选址要求高，建设周期长，且大部分远离负荷中心，限制了其的应用。压缩空气储能由于在压缩过程及膨胀过程中伴随着大量的热交换，导致其效率比较低，需要通过补燃等措施进行改善，且大容量的储气空间也使电站的选址受限。电化学储能具有储放效率高、响应迅速的优点，但是其安全性较低，寿命较短，且储能电池的后处理会有环境污染的风险。
3.文献《新型大规模抽水压缩空气储能技术》(侯付彬,王焕然,贲岳,冯亮,杜超云.新型大规模抽水压缩空气储能技术[j].流体机械,2019,47(07):44-47.)提出无水坝抽水压缩空气储能系统，介绍了非补燃式无水坝抽水压缩空气储能技术的复合系统，采用压缩空气储能与发电，并用抽水蓄能进行梯次利用，过程复杂。
[0004]
文献《一种新型蒸汽恒压抽水压缩空气储能系统及其热力学分析》(李丞宸,李宇峰,张严,杨珍帅,王焕然.一种新型蒸汽恒压抽水压缩空气储能系统及其热力学分析[j].西安交通大学学报,2021,55(06):84-91.)利用蒸汽凝结过程释放的潜热与显热,实现了释能过程的恒压运行，同时蒸汽凝结后参与做功，提高系统的容量和储能密度，无法降低储能过程所消耗的能量。
[0005]
文献《压缩空气储能耦合太阳能辅助加热系统热力性能研究》(王珊.压缩空气储能耦合太阳能辅助加热系统热力性能研究[d].华北电力大学,2019.)在绝热压缩空气储能时增加太阳能加热提高储能密度，其工作介质采用空气，由压缩机和透平储能释能。
[0006]
文献《一种高压绝热储气抽水压缩空气储能系统》(zl201810291346x)通过绝热来减少能量损失，但是不能减少储能所消耗的能量。


技术实现要素：

[0007]
本发明提供一种水气热综合储能系统及方法，通过对压力容器内的气体降温来降低容器内的压力，减少储能所消耗的能量；通过对压力容器内的气体升温来提高容器内的压力，增加释能所发出的能量，简化储能、释能的过程，提高储能系统的效率。
[0008]
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0009]
一种水气热综合储能系统，包括多个压力容器、水泵、水轮机、发电电动机、发电电动机驱动控制器、气泵、热源和散热器；
[0010]
其中，发电电动机通过发电电动机驱动控制器连接电网；发电电动机分别连接水
泵和水轮机；多个压力容器之间相互连接；
[0011]
至少一个压力容器分别连接热源、散热器和气泵，其余的压力容器分别连接水泵、水轮机；
[0012]
热源在压力容器加热增压阶段用于加热压力容器内的气体；气泵用于补充压力容器内的气体；散热器在压力容器降温阶段对压力容器内的气体降温；水泵和水轮机分别用于实现压力容器储能阶段和释能发电阶段；
[0013]
储能系统通过压力容器降温、压力容器储能、压力容器加热增压、释能发电四个顺序及并列的阶段，实现储能及释能的过程。
[0014]
进一步地，发电电动机分别通过传动机构连接水泵和水轮机；
[0015]
发电电动机分时与水泵和水轮机连接，分别实现压力容器储能和释能发电；
[0016]
在压力容器储能阶段，发电电动机驱动控制器从电网获取电能，控制发电电动机驱动水泵将水在不同的压力容器之间转移；
[0017]
在释能发电阶段，压力容器中的水带动水轮机运行并驱动发电电动机发电，向电网输出电能；发电电动机的类型为双馈异步电机或同步电机；
[0018]
发电电动机在压力容器储能阶段工作于电动机状态，在发电电动机驱动控制器的驱动下带动水泵工作，把水送入压力容器内；
[0019]
发电电动机在释能发电阶段工作于发电机状态，在发电电动机驱动控制器的控制下，由水轮机驱动发电；
[0020]
发电电动机驱动控制器根据发电电动机的结构采用不同的形式，发电电动机为双馈异步电机时采用双馈变流器变流器，发电电动机为同步电机时采用全功率变流器；
[0021]
发电时与发电电动机构成变速恒频发电系统，电动时与发电电动机构成变速驱动系统。
[0022]
进一步地，水泵和水轮机可以独立配置，也可以合并为水泵水轮机，水泵和水轮机或水泵水轮机通过传动机构连接发电电动机。
[0023]
进一步地，压力容器用于储存水及/或压缩气体，压力容器之间通过气传输管道和气传输阀门相连；
[0024]
压力容器通过储能管道和储能阀门分别连接水泵的进出水口；压力容器通过释能管道和释能阀门分别连接水轮机的进出水口；
[0025]
压力容器通过补气管道和补气阀门连接气泵，用于补充压力容器内的气体量。
[0026]
进一步地，压力容器中设置有两个热交换器，压力容器中的两个热交换器分别通过加热阀门和散热阀门连接热源和散热器中的热交换器，实现热交换，在释能发电阶段和压力容器加热增压阶段实现对压力容器中的气体加热以增加压力容器内的压力提高释能阶段的发电量，在压力容器储能阶段和压力容器降温阶段实现对压力容器中的气体散热以降低压力容器内的压力减少储能阶段所消耗的能量。
[0027]
进一步地，所述热源为地热、太阳能、生物质能、沼气、燃气、化学燃料类的以物理、化学方法产生高温的能源，用于通过热交换器对压力容器内的气体加热，进而提高压力容器内的压力，实现压力容器加热增压；
[0028]
所述散热器用于通过热交换器对压力容器内的气体降温，进而降低压力容器内的压力，实现压力容器降温，减少储能时所消耗的能量。
[0029]
进一步地，压力容器中安装有喷淋装置；喷淋装置通过储能管道和储能阀门连接水泵，将水泵送入的水以喷淋的方式喷入压力容器内，对压力容器中气体进行降温。
[0030]
进一步地，压力容器通过气连通阀门与大气连通，与大气平衡压力，并在压力容器的压力超限时连通大气释压，保护压力容器。
[0031]
进一步地，压力容器中设置有隔热模块；
[0032]
隔热模块由隔热材料构成，浮于压力容器内的水面上，用于减少压力容器中水与气体之间的热交换。
[0033]
进一步地，一种水气热综合储能系统中，压力容器降温阶段和压力容器储能阶段可以同时进行或压力容器降温阶段先进行之后再开始压力容器储能阶段；压力容器加热增压阶段和释能发电阶段可以同时进行或压力容器加热增压阶段先进行之后再开始释能发电阶段；
[0034]
水从一个输出水的压力容器进入另一个输入水的压力容器，再返回原来的输出水的压力容器，完成一次储能、释能循环的水气热综合储能方法，具体包括以下阶段：
[0035]
s1：压力容器散热降温阶段，所有阀门关闭，所有传动机构分断后，散热阀门和压力容器之间互连的气传输阀门打开，压力容器内的热交换器与散热器内的热交换器连通，将压力容器内的热量带出，使压力容器内的气体降温，进而降低压力容器内的气体压力；压力容器散热降温阶段与压力容器储能阶段部分重叠，压力容器散热降温阶段不能晚于压力容器储能阶段结束；
[0036]
s2：压力容器储能阶段，在压力容器散热降温阶段持续一段时间后，输出水的压力容器对应的气传输阀门关闭，输出水的压力容器连接水泵的入水口的储能阀门、输入水的压力容器连接水泵的出水口的储能阀门以及输出水的压力容器对应的气连通阀门打开，发电电动机与水泵之间的传动机构连接，水泵在处于电动机状态的发电电动机驱动下，经发电电动机驱动控制器从电网吸收能量，水泵从输出水的压力容器抽水，通过喷淋器向输入水的压力容器泵水，输入水的压力容器内由于液体增加，内部气体被压缩，实现储能；
[0037]
s3：压力容器加热增压阶段，散热阀门关闭、输出水的压力容器连接水泵的入水口的储能阀门、输入水的压力容器连接水泵的出水口的储能阀门关闭；热源工作产生高温，加热阀门打开，压力容器内的热交换器与热源内的热交换器连通，将热源内的热量送入压力容器内，使压力容器内的气体温度升高，进而提高压力容器内的气体压力；压力容器加热增压阶段与释能发电阶段的部分重叠，压力容器加热增压阶段不能晚于释能发电阶段结束；
[0038]
s4：释能发电阶段，发电电动机与水泵之间的传动机构分断，发电电动机与水轮机之间的传动机构连接，输出水的压力容器连接水轮机的出水口的释能阀门、输入水的压力容器连接水轮机的入水口的释能阀门打开，输入水的压力容器中的水经释能管道进入水轮机，水轮机通过传动机构驱动处于发电机状态的发电电动机，经发电电动机驱动控制器向电网发送能量，水从水轮机出来后，通过释能管道进入输出水的压力容器中；
[0039]
输出水的压力容器与输入水的压力容器作用相同，与之连接的管道、阀门作用也对等。
[0040]
相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
[0041]
本发明运行过程简单，效率高，易于实现且易于维护管理。
[0042]
本发明综合了抽水蓄能、压缩空气储能优点，并可充分利用各种品质热源，效率
高、成本较低。
[0043]
如上所述，本发明技术手段简便易行，满足电力系统削峰填谷的要求，提高电力系统的稳定性。
附图说明
[0044]
图1为本发明实施例1中一种水气热综合储能系统的结构图。
[0045]
图2为本发明实施例1中的一种水气热综合储能系统调整后的结构图。
[0046]
图3为本发明实施例2中的一种水气热综合储能系统调整后的调整后的结构图。
[0047]
图4为本发明一种水气热综合储能系统四个工作阶段顺序图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
[0049]
实施例1：
[0050]
一种水气热综合储能系统，如图1所示，包括第一压力容器11、第二压力容器12、第三压力容器13、水泵21、水轮机3、发电电动机4、发电电动机驱动控制器5、气泵22、热源62和散热器61；
[0051]
其中，发电电动机4通过发电电动机驱动控制器5连接电网；发电电动机4分别连接水泵21和水轮机3；第一压力容器11、第二压力容器12和第三压力容器13之间相互连接；
[0052]
本实施例中，第一压力容器11和第二压力容器12分别连接水泵21、水轮机3；
[0053]
第三压力容器13分别连接热源62、散热器61和气泵22；
[0054]
热源62在压力容器加热增压阶段用于加热第三压力容器13内的气体；气泵22用于补充第三压力容器13内的气体；散热器61在压力容器降温阶段对第三压力容器13内的气体降温；水泵21和水轮机3分别用于实现压力容器储能阶段和释能发电阶段；
[0055]
储能系统通过压力容器降温、压力容器储能、压力容器加热增压、释能发电四个顺序及并列的阶段，实现储能及释能的过程。
[0056]
本实施例中，发电电动机4分别通过第一传动机构91和第二传动机构92连接水泵21和水轮机3；
[0057]
发电电动机4分时与水泵21和水轮机3连接，分别实现压力容器储能阶段和释能发电阶段；
[0058]
在压力容器储能阶段，发电电动机驱动控制器5从电网获取电能，控制发电电动机4驱动水泵21将水从第一压力容器11和第二压力容器12之间转移；
[0059]
在释能发电阶段，水轮机3抽取第一压力容器11或第二压力容器12中的水，驱动发电电动机4发电，向电网输出电能。
[0060]
本实施例中，发电电动机4的结构为双馈异步电机；
[0061]
发电电动机4在压力容器储能阶段工作于电动机状态，在发电电动机驱动控制器5的驱动下带动水泵21工作，把水通过泵入第一压力容器11或第二压力容器12内；
[0062]
发电电动机4在释能发电阶段工作于发电机状态，在发电电动机驱动控制器5的控制下，由水轮机3驱动发电；
[0063]
本实施例中，发电电动机驱动控制器5采用双馈变流器，发电时与发电电动机4构成变速恒频发电系统，电动时与发电电动机4构成变速驱动系统。
[0064]
本实施例中，压力容器用于储存水和/或压缩气体，第一压力容器11、第二压力容器12和第三压力容器13之间通过气传输管道和第一气传输阀门851、第二气传输阀门852以及第三气传输阀门853相连；
[0065]
第一压力容器11分别通过储能管道以及第一储能阀门821和第二储能阀门822连接水泵21的进出水口，第二压力容器12分别通过储能以及第三储能阀门823和第四储能阀门824连接水泵21的进出水口；
[0066]
第一压力容器11分别通过释能管道以及第一释能阀门831和第三释能阀门833连接水轮机3的进出水口，第二压力容器12分别通过释能管道以及第二释能阀门832和第四释能阀门834连接水轮机3的进出水口；
[0067]
第三压力容器13通过补气管道和补气阀门825连接气泵22，用于补充第三压力容器13内的气体量；
[0068]
本实施例中，第三压力容器13中设置有第一热交换器711和第三热交换器713，第三压力容器13中的第一热交换器711和第三热交换器713分别通过加热阀门862和散热阀门861连接热源62和散热器61中的第二热交换器712和第四热交换器724，实现热交换，在释能发电阶段和压力容器加热增压阶段实现对第三压力容器13中的气体加热，在压力容器储能阶段和压力容器降温阶段实现对第三压力容器13中的气体散热。
[0069]
本实施例中，所述热源62为地热、太阳能、生物质能、沼气、燃气、化学燃料类的以物理、化学方法产生高温的能源，用于通过第二热交换器712对第三压力容器13内的气体加热，进而提高第三压力容器13内的压力，实现压力容器加热增压；
[0070]
所述散热器61用于通过第四热交换器724对第三压力容器13内的气体降温，进而降低第三压力容器13内的压力，实现压力容器降温，减少储能时所消耗的能量。
[0071]
本实施例中，第一压力容器11和第二压力容器12中分别安装有第一喷淋装置731和第二喷淋装置732；第一喷淋装置731和第二喷淋装置732分别通过储能管道以及第一储能阀门821和第三储能阀门823连接水泵21，将水泵21送入的水以喷淋的方式喷入第一压力容器11和第二压力容器12内，对压力容器中气体进行降温。
[0072]
本实施例中，第一压力容器11、第二压力容器12和第一压力容器13分别通过第一气连通阀门811、第二气连通阀门812和第三气连通阀门813与大气连通，在压力容器的压力超限时连通大气释压。
[0073]
第一压力容器11、第二压力容器12和第一压力容器13分别通过第四气连通阀门871、第五气连通阀门872和第六气连通阀门873与大气连通，与大气平衡压力，并在压力容器的压力超限时连通大气释压。
[0074]
本实施例中，第一压力容器11和第二压力容器12中分别设置有第一隔热模块721和第二隔热模块722；
[0075]
第一隔热模块721和第二隔热模块722由隔热材料构成，分别浮于第一压力容器11和第二压力容器12内的水面上，用于减少压力容器中水与气体之间的热交换。
[0076]
在水气热综合储能系统中，压力容器降温阶段和压力容器储能阶段可以同时进行或压力容器降温阶段先进行之后再开始压力容器储能阶段；压力容器加热增压阶段和释能
发电阶段可以同时进行或压力容器加热增压阶段先进行之后再开始释能发电阶段；
[0077]
本实施例中，水从第二压力容器12进入第一压力容器11，再从第一压力容器11返回第二压力容器12；完成一次储能、释能循环的水气热综合储能方法具体包括以下阶段：
[0078]
s1：压力容器散热降温阶段，所有阀门关闭，所有传动机构分断后，散热阀门861、第一气传输阀门851和第三气传输阀门853打开，第三压力容器13内的第三热交换器713与散热器61内的第四热交换器714连通，将第三压力容器13内的热量带出，使第三压力容器13内的气体降温，进而降低第三压力容器13与第一压力容器11内的气体压力；压力容器散热降温阶段与压力容器储能阶段的部分重叠；
[0079]
s2：压力容器储能阶段，在压力容器散热降温阶段持续一段时间后，第一储能阀门821、第四储能阀门824和第五气连通阀门872打开，第一传动机构91连接，水泵21在处于电动机状态的发电电动机4驱动下，经发电电动机驱动控制器5从电网吸收能量，将水从第二压力容器12泵入第一压力容器11；
[0080]
s3：压力容器加热增压阶段，所有阀门关闭，所有传动机构分断后；热源62工作产生高温，加热阀门862打开，压力容器13内的第一热交换器711与热源62内的第二热交换器712连通，将热源62内的热量送入第三压力容器13内，使第三压力容器13内的气体增温，进而提高第三压力容器13内的气体压力；压力容器加热增压阶段与释能发电阶段的部分重叠；
[0081]
s4：释能发电阶段，第二传动机构92连接，第二释能阀门832和第三释能阀门833打开，水经释能管道进入水轮机3，水轮机3通过第二传动机构92驱动处于发电机状态的发电电动机4，经发电电动机驱动控制器5向电网发送电能，水从水轮机3出来后，通过第三释能阀门833进入第二压力容器12。
[0082]
实施例2：
[0083]
本实施例中，对图1的水气热综合储能系统进行调整，得到如图2所示的水气热综合储能系统，发电电动机4为永磁同步电机，发电电动机驱动控制器5为全功率变流器，采用第一压力容器11及一个常压储水池15，第一压力容器11中设置第一换热器711和第三换热器713，分别通过加热阀门862和散热阀门861以及换热管道连接热源62中第二换热器712和常压储水池15中的第四换热器714；
[0084]
热源62采用太阳能，通过聚光的方式产生高温对第二换热器712加热，进而加热第一压力容器11内的气体，同时采用常压储水池15作为散热器61，通过第四换热器714对第一压力容器11内的气体降温。
[0085]
实施例3：
[0086]
本实施例中，对图2所示的水气热综合储能系统进一步调整，得到图3所示的水气热综合储能系统，将水泵21、水轮机3合并为水泵水轮机213，热源62采用燃烧炉，以沼气、生物质作为燃料，燃烧后通过第二换热器712加热第一压力容器11内的气体。
[0087]
在上述实施例中，一次完整循环的s1～s4各阶段顺序关系及对应的压力、温度曲线如图4所示，压力容器散热降温阶段s1开始后，压力容器内的气体温度下降，压力降低，进行压力容器储能阶段s2，由于压力降低，则气体压缩过程所消耗的能量减少，之后压力容器散热降温阶段s1及压力容器储能阶段s2结束；压力容器加热增压阶段s3开始后，压力容器内的其他温度升高，压力也随之升高，释能发电阶段s4开始，由于压力升高，则气体膨胀过
程所释放的能量增加，之后压力容器加热增压阶段s3及释能发电阶段s4结束。在一次储能及释能循环过程中，储能所消耗的电能减少，释能所发出电能增加，进而提高储能系统的效率。
[0088]
如上所述，便可较好地实现本发明。
[0089]
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。