用于液态空气储能系统的一体式冷箱及液态空气储能系统的制作方法

1.本实用新型涉及液态空气储能技术领域，尤其涉及一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱及液态空气储能系统。


背景技术：

2.受能源危机和环境影响的驱使，大力发展清洁的可再生能源势在必行。然而，可再生能源的间歇性和波动性会对电网产生巨大冲击，带来安全隐患。同时，由于白天和夜晚对电力的需求差异较大，电网对削峰填谷的需求也日益强烈。液态空气储能是解决大规模可再生能源并网和电网削峰填谷的一种极具前景的技术，已经得到了广泛的研究。液态空气储能技术的核心装备是低温蓄冷子系统。传统的低温蓄冷子系统由液化侧冷箱、复温侧冷箱和独立的蓄冷单元组成。然而，使用两台冷箱和独立的蓄冷单元一方面会导致系统初始投资大，占地面积大，系统漏冷大，运行管理复杂；另一方面，由于液化侧冷箱在储能期间运行，复温侧冷箱在释能期间运行，二者每天分别只运行一次，这样导致同一台冷箱中的换热器在运行间歇期内由于轴向导热会产生换热器冷热端温度梯度(-190～20℃)的大幅衰减，而在下一次储能过程开始时需要重新建立温度梯度，进而消耗额外的冷能，降低系统储能效率。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱，用以解决现有液态空气储能系统中，冷箱在启动过程中需重新建立温度梯度，进而消耗额外的冷能，降低系统储能效率的缺陷，通过提供可同时完成空气液化、复温和冷能存储的一体式冷箱，既解决了系统初始投资、占地面积大等问题，简化了设备的运行管理，又可减少换热器在运行间歇期，由于轴向导热产生换热器冷热端温度梯度(-190～20℃)导致的衰减幅度，提高系统储能效率。
4.本实用新型还提供一种液态空气储能系统，用以解决现有液态空气储能系统中，需同时设置两台冷箱，且在运行期间两台冷箱只能分别运行，在启动过程中需重新建立温度梯度，进而消耗额外的冷能，降低系统储能效率的缺陷，在传统液态空气储能技术的基础上，提供可同时完成空气液化、复温和冷能存储的一体式冷箱，既解决了系统初始投资、占地面积大等问题，简化了设备的运行管理，又可减少换热器在运行间歇期，由于轴向导热产生换热器冷热端温度梯度(-190～20℃)导致的衰减幅度，提高系统储能效率。
5.根据本实用新型第一方面提供的一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱，所述液态空气储能系统包括：液态空气储能通路、液态空气释能通路，以及用于存储液态空气的低温储罐，所述一体式冷箱包括：箱体、低温换热单元和蓄冷单元；
6.所述低温换热单元和所述蓄冷单元连接形成循环回路；
7.所述循环回路在所述液态空气储能通路中释放冷能；
8.所述循环回路在所述液态空气释能通路中吸收冷能；
9.其中，所述蓄冷单元和所述低温换热单元共同设置于箱体的内部，且所述蓄冷单元环置于所述低温换热单元的外部。
10.根据本实用新型的一种实施方式，所述循环回路包括：第一管路和风机；
11.所述风机、所述低温换热单元和所述蓄冷单元通过所述第一管路连接形成所述循环回路。
12.具体来说，本实施例提供了一种循环回路的实施方式，循环回路的实施方式，通过设置第一管路，实现了冷能在低温换热单元和蓄热器之间蓄冷介质的循环；风机的设置则为蓄冷介质的循环提供了动力。
13.需要说明的是，所述冷箱的壳体可以是圆柱形或者方形结构，内部填充珠光砂或者其他隔热材料，冷箱可为一级或多级，串联或并联，或者相应的组合结构。
14.根据本实用新型的一种实施方式，所述第一管路和所述风机设置于所述箱体的内部。
15.具体来说，本实施例提供了一种箱体的实施方式，通过将第一管路和风机设置于箱体的内部，使得冷箱形成一个整体的结构，结构更加紧凑，提升了装置的整体性。
16.根据本实用新型的一种实施方式，所述风机和部分所述第一管路设置于所述箱体的外部。
17.具体来说，本实施例提供了另一种箱体的实施方式，通过将风机和部分第一管路设置于箱体的外部，使得冷箱的体积得到了缩小，更合理的分布了空间。
18.根据本实用新型的一种实施方式，所述循环回路还包括：第一阀体、第二阀体、第三阀体、第四阀体、第二管路和第三管路；
19.所述第一阀体设置于所述蓄冷单元和所述风机之间，并与所述第一管路连接；
20.所述第二阀体设置于所述风机和所述低温换热单元之间，并与所述第一管路连接；
21.所述第三阀体与所述第二管路串联后，与所述风机和所述第二阀体并联，并在所述第一阀体和所述风机之间接入所述第一管路；
22.所述第四阀体与所述第三管路串联后，与所述第一阀体和所述风机并联，并在所述风机和所述第二阀体之间接入所述第一管路。
23.具体来说，本实施例提供了另一种循环回路的实施方式，在储能阶段的液态空气储能通路中，打开第一阀体、第二阀体和风机，关闭第三阀体和第四阀体，蓄冷单元内的蓄冷介质在风机的作用下进入低温换热单元，与流经的空气进行热交换，将蓄冷介质内的冷能释放，而流经换热器的空气则吸收冷能，进一步实现降温。
24.进一步地，在释能阶段的液态空气释能通路，打开第三阀体、第四阀体和风机，关闭第一阀体和第二阀体，风机的转动方向不变，而蓄冷介质则与从低温储罐内流出的低温空气进行冷能交换，蓄冷介质吸收低温空气的冷能，实现降温，而低温空气在释放冷能后则实现了升温，得到冷能的蓄冷介质在风机的作用下，实现循环。
25.需要说明的是，通过设置第一阀体、第二阀体、第三阀体、第四阀体和风机，实现了降低对系统初始的投资，在保证功能的同时简化了设备，并且由于取消了原有的两台冷箱设备，使得冷箱在启动过程中无需重新建立温度梯度，避免额外消耗冷量，以及由于消耗额外冷量带来的系统存储效率低的问题。
26.还需要说明的是，所述低温换热单元可以是管壳式结构、板翅式结构、绕管式结构等中的一种或几种组合。所述压缩热利用装置可将压缩热用于预热空气透平机组进气，也可用于生产生活热水，采暖用水或者用于驱动吸收式制冷机组供冷，如溴化锂机组或氨水机组。所述空气压缩机组形式可以为活塞式、螺杆式或离心式等结构，压缩机组包括一台或多台压缩机，串联、并联或集成为压缩机组，每一级压缩机后都配置有压缩热利用装置。
27.在一个应用场景中，所述风机可以是离心式或轴流式等结构。
28.根据本实用新型的一种实施方式，所述蓄冷单元采用固相蓄冷介质或者相变蓄冷介质，且所述蓄冷单元的蓄冷介质直接或间接与流经所述低温换热单元的空气接触。
29.具体来说，本实施例提供了一种蓄冷单元内部蓄冷介质的实施方式，所述蓄冷单元可采用固相(金属、岩石和玻璃等)或相变蓄冷材料等蓄冷介质中的一种或多种。
30.进一步地，蓄冷介质直接接触空气的换热保证了换热的效果，而蓄冷介质间接接触空气的换热则是考虑到了蓄冷单元所要承受的空气压力问题，在实际使用中，可以根据需求和工况进行切换。
31.根据本实用新型的一种实施方式，所述循环回路还包括：第四管路和第五阀体；
32.所述第四管路与所述低温储罐连接，并穿过所述低温换热单元后，与外部环境连通；
33.所述第五阀体在所述低温储罐和所述低温换热单元之间与所述第五管路连接。
34.具体来说，本实施例提供了一种利用低温储罐中的气相空气冷能的实施方式，低温空气经过节流元件的节流膨胀后，温度进一步降低，产生气液两相空气，液相空气存储在低温储罐中，气相空气返流回低温换热单元中，对气相空气的冷能进行回收，然后常温排出冷箱，此种设置提升了系统的效率。
35.根据本实用新型的一种实施方式，所述循环回路还包括：第六阀体、第七阀体、第五管路、第六管路和第七管路；
36.所述第五管路的一端分别与并联的所述第六管路和所述第七管路连接后，穿过所述低温换热单元；
37.所述第六管路和所述第七管路并联后与所述低温储罐连接；
38.所述第六阀体与所述第六管路连接；
39.所述第七阀体与所述第七管路连接。
40.具体来说，本实施例提供了一种循环回路与低温储罐连接换热的实施方式，第六阀体、第七阀体、第五管路、第六管路和第七管路的设置进一步简化了结构，使得液态空气储能通路和液态空气释能通路均通过第五管路进出冷箱。
41.根据本实用新型的一种实施方式，所述循环回路还包括：第八阀体、第九阀体、第八管路和第九管路；
42.所述第五管路穿过所述低温换热单元后，与并联的所述第八管路和所述第九管路连接；
43.所述第八阀体与所述第八管路连接；
44.所述第九阀体与所述第九管路连接。
45.具体来说，本实施例提供了一种第五管路的实施方式，第八阀体、第九阀体、第八管路和第九管路的设置进一步简化了结构，使得液态空气储能通路和液态空气释能通路均
通过第五管路进出冷箱的同时，通过同一个压缩热利用装置实现液态空气的压缩和膨胀。
46.根据本实用新型第二方面提供的一种液态空气储能系统，具有上述的一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱。
47.本实用新型中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本实用新型提供的一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱及液态空气储能系统，通过提供可同时完成空气液化、复温和冷能存储的一体式冷箱，既解决了系统初始投资、占地面积大等问题，简化了设备的运行管理，又可减少换热器在运行间歇期，由于轴向导热产生换热器冷热端温度梯度导致的衰减幅度，提高系统储能效率。
48.本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
49.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以简单地介绍，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。
50.图1是本实用新型提供的用于液态空气储能系统的一体式冷箱的装配关系示意图之一；
51.图2是本实用新型提供的用于液态空气储能系统的一体式冷箱的装配关系示意图之二。
52.附图标记：
53.10、箱体；
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20、低温换热单元；
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30、蓄冷单元；
54.40、风机；
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50、第一管路；
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51、第二管路；
55.52、第三管路；
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53、第四管路；
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54、第五管路；
56.55、第六管路；
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56、第七管路；
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57、第八管路；
57.58、第九管路；
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60、第一阀体；
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61、第二阀体；
58.62、第三阀体；
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63、第四阀体；
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64、第五阀体；
59.65、第六阀体；
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66、第七阀体；
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67、第八阀体；
60.68、第九阀体；
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70、低温储罐。
具体实施方式
61.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例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的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
62.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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。
63.在本实用新型的一些具体实施方案中，如图1和图2所示，本方案提供一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱，液态空气储能系统包括：液态空气储能通路、液态空气释能通路，以及用于存储液态空气的低温储罐70，一体式冷箱包括：箱体10、低温换热单元20和蓄冷单元30；低温换热单元20和蓄冷单元30连接形成循环回路；循环回路在液态空气储能通路中释放冷能；循环回路在液态空气释能通路中吸收冷能；其中，蓄冷单元30和低温换热单元20共同设置于箱体10的内部，且蓄冷单元30环置于低温换热单元20的外部。
64.详细来说，本实用新型提供一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱，用以解决现有液态空气储能系统中，冷箱在启动过程中需重新建立温度梯度，进而消耗额外的冷能，降低系统储能效率的缺陷，通过提供可同时完成空气液化、复温和冷能存储的一体式冷箱，既解决了系统初始投资、占地面积大等问题，简化了设备的运行管理，又可减少换热器在运行间歇期，由于轴向导热产生换热器冷热端温度梯度(-190～20℃)导致的衰减幅度，提高系统储能效率。
65.在本实用新型一些可能的实施例中，循环回路包括：第一管路50和风机40；风机40、低温换热单元20和蓄冷单元30通过第一管路50连接形成循环回路。
66.具体来说，本实施例提供了一种循环回路的实施方式，通过设置第一管路50，实现了冷能在低温换热单元20和蓄热器之间蓄冷介质的循环；风机40的设置则为蓄冷介质的循环提供了动力。
67.需要说明的是，冷箱的壳体可以是圆柱形或者方形结构，内部填充珠光砂或者其他隔热材料，冷箱可为一级或多级，串联或并联，或者相应的组合结构。
68.在本实用新型一些可能的实施例中，第一管路50和风机40设置于箱体10的内部。
69.具体来说，本实施例提供了一种箱体10的实施方式，通过将第一管路50和风机40设置于箱体10的内部，使得冷箱形成一个整体的结构，结构更加紧凑，提升了装置的整体性。
70.在本实用新型一些可能的实施例中，风机40和部分第一管路50设置于箱体10的外部。
71.具体来说，本实施例提供了另一种箱体10的实施方式，通过将风机40和部分第一管路50设置于箱体10的外部，使得冷箱的体积得到了缩小，更合理的分布了空间。
72.在本实用新型一些可能的实施例中，循环回路还包括：第一阀体60、第二阀体61、第三阀体62、第四阀体63、第二管路51和第三管路52；第一阀体60设置于蓄冷单元30和风机40之间，并与第一管路50连接；第二阀体61设置于风机40和低温换热单元20之间，并与第一管路50连接；第三阀体62与第二管路51串联后，与风机40和第二阀体61并联，并在第一阀体60和风机40之间接入第一管路50；第四阀体63与第三管路52串联后，与第一阀体60和风机40并联，并在风机40和第二阀体61之间接入第一管路50。
73.具体来说，本实施例提供了另一种循环回路的实施方式，在储能阶段的液态空气储能通路中，打开第一阀体60、第二阀体61和风机40，关闭第三阀体62和第四阀体63，蓄冷单元30内的蓄冷介质在风机40的作用下进入低温换热单元20，与流经的空气进行热交换，
将蓄冷介质内的冷能释放，而流经换热器的空气则吸收冷能，进一步实现降温。
74.进一步地，在释能阶段的液态空气释能通路，打开第三阀体62、第四阀体63和风机40，关闭第一阀体60和第二阀体61，风机40的转动方向不变，而蓄冷介质则与从低温储罐70内流出的低温空气进行冷能交换，蓄冷介质吸收低温空气的冷能，实现降温，而低温空气在释放冷能后则实现了升温，得到冷能的蓄冷介质在风机40的作用下，实现循环。
75.需要说明的是，通过设置第一阀体60、第二阀体61、第三阀体62、第四阀体63和风机40，实现了降低对系统初始的投资，在保证功能的同时简化了设备，并且由于取消了原有的两台冷箱设备，使得冷箱在启动过程中无需重新建立温度梯度，避免额外消耗冷量，以及由于消耗额外冷量带来的系统存储效率低的问题。
76.还需要说明的是，低温换热单元20可以是管壳式结构、板翅式结构、绕管式结构等中的一种或几种组合。压缩热利用装置可将压缩热用于预热空气透平机组进气，也可用于生产生活热水，采暖用水或者用于驱动吸收式制冷机组供冷，如溴化锂机组或氨水机组。空气压缩机组形式可以为活塞式、螺杆式或离心式等结构，压缩机组包括一台或多台压缩机，串联、并联或集成为压缩机组，每一级压缩机后都配置有压缩热利用装置。
77.在一个应用场景中，风机40可以是离心式或轴流式等结构。
78.在本实用新型一些可能的实施例中，蓄冷单元30采用固相蓄冷介质或者相变蓄冷介质，且蓄冷单元30的蓄冷介质直接或间接与流经低温换热单元20的空气接触。
79.具体来说，本实施例提供了一种蓄冷单元30内部蓄冷介质的实施方式，蓄冷单元30可采用固相(金属、岩石和玻璃等)或相变蓄冷材料等蓄冷介质中的一种或多种。
80.进一步地，蓄冷介质直接接触空气的换热保证了换热的效果，而蓄冷介质间接接触空气的换热则是考虑到了蓄冷单元30所要承受的空气压力问题，在实际使用中，可以根据需求和工况进行切换。
81.在本实用新型一些可能的实施例中，循环回路还包括：第四管路53和第五阀体64；第四管路53与低温储罐70连接，并穿过低温换热单元20后，与外部环境连通；第五阀体64在低温储罐70和低温换热单元20之间与第五管路54连接。
82.具体来说，本实施例提供了一种利用低温储罐70中的气相空气冷能的实施方式，低温空气经过节流元件的节流膨胀后，温度进一步降低，产生气液两相空气，液相空气存储在低温储罐70中，气相空气返流回低温换热单元20中，对气相空气的冷能进行回收，然后常温排出冷箱，此种设置提升了系统的效率。
83.在本实用新型一些可能的实施例中，循环回路还包括：第六阀体65、第七阀体66、第五管路54、第六管路55和第七管路56；第五管路54的一端分别与并联的第六管路55和第七管路56连接后，穿过低温换热单元20；第六管路55和第七管路56并联后与低温储罐70连接；第六阀体65与第六管路55连接；第七阀体66与第七管路56连接。
84.具体来说，本实施例提供了一种循环回路与低温储罐70连接换热的实施方式，第六阀体65、第七阀体66、第五管路54、第六管路55和第七管路56的设置进一步简化了结构，使得液态空气储能通路和液态空气释能通路均通过第五管路54进出冷箱。
85.在本实用新型一些可能的实施例中，循环回路还包括：第八阀体67、第九阀体68、第八管路57和第九管路58；第五管路54穿过低温换热单元20后，与并联的第八管路57和第九管路58连接；第八阀体67与第八管路57连接；第九阀体68与第九管路58连接。
86.具体来说，本实施例提供了一种第五管路54的实施方式，第八阀体67、第九阀体68、第八管路57和第九管路58的设置进一步简化了结构，使得液态空气储能通路和液态空气释能通路均通过第五管路54进出冷箱的同时，通过同一个压缩热利用装置实现液态空气的压缩和膨胀。
87.在本实用新型的一些具体实施方案中，本方案提供一种液态空气储能系统，具有上述的一种用于液态空气储能系统的一体式冷箱。
88.详细来说，本实用新型还提供一种液态空气储能系统，用以解决现有液态空气储能系统中，需同时设置两台冷箱，且在运行期间两台冷箱只能分别运行，在启动过程中需重新建立温度梯度，进而消耗额外的冷能，降低系统储能效率的缺陷，在传统液态空气储能技术的基础上，提供可同时完成空气液化、复温和冷能存储的一体式冷箱，既解决了系统初始投资、占地面积大等问题，简化了设备的运行管理，又可减少换热器在运行间歇期，由于轴向导热产生换热器冷热端温度梯度(-190～20℃)导致的衰减幅度，提高系统储能效率。
89.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，可以根据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。
90.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。
91.最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。