一种等温压缩恒压发电物理储能装置、系统及方法

1.本发明属于压缩空气储能发电技术领域，具体涉及一种等温压缩恒压发电物理储能装置、系统及方法。


背景技术：

2.目前压缩空气储能技术复杂，实现技巧上与抽水蓄能有很大不同。抽水蓄能只是将电能以水的势能形式存储起来，目标固定、原理清楚，设备制造和运行技术成熟。而压缩空气储能在运行过程中一方面气体压力势能波动造成能量损失，还有大量热量交换，可能导致气体温度剧烈波动，又反过来影响到气体压强。一般来讲，等物质的量的气体在同体积下，温度与压强成正比，压缩时一旦温度上升，就要比等温变化消耗更多的能量，而发电时一旦温度下降，就要比等温过程少发能量。另一方面温差过大导致的热量传递也会造成不可逆的能量损失，从而导致储能效率下降。对于电力储能这样的大型工程来说，储能发电效率的下降就意味着成本的快速增长，因此储能运行过程中的温度和压力控制手段及方法就显得尤为重要。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种等温压缩恒压发电物理储能装置、系统及方法，本发明能够解决目前压缩空气储能所存在的能量损失大、储能效率低及经济效益差等难题。
4.本发明采用的技术方案如下：一种等温压缩恒压发电物理储能装置，包括储气罐、重块、活塞和活塞杆；储气罐内腔的上部通过第一导热隔板和第二导热隔板分隔为第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室、第二腔室和第三腔室的下部连通，第一导热隔板和储气罐内壁围成的空腔记为第一腔室，第一导热隔板、第二导热隔板和储气罐内壁围成的空腔记为第二腔室，第二导热隔板和储气罐内壁围成的空腔记为第三腔室，第一腔室和第三腔室关于第二腔室对称；第二腔室内适配设有能上下移动的活塞，活塞杆的下端与活塞连接，活塞杆的上端贯穿储气罐的顶部并与重块连接；第一腔室内设有倾斜的第一弹性密封带，第一弹性密封带的上下两端固定，第一弹性密封带将第一腔室上下分隔为两个腔室，第一弹性密封带的侧壁与第一腔室内壁之间密封接触并能相对滑动；第三腔室内设有第二弹性密封带，第二弹性密封带和第一弹性密封带关于第二腔室对称设置；第一腔室在第一弹性密封带上端的上方设有第一注水口和第一出水口；第三腔室在第二弹性密封带上端的上方设有第二注水口和第二出水口；储气罐的底部设有注气口和压缩空气出口。
5.优选的，所述储气罐的形状为长方体，储气罐的侧面依次记为第一侧面、第二侧
面、第三侧面和第四侧面，第一侧面和第三侧面相对，第二侧面和第四侧面相对；第一导热隔板和第二导热隔板设置于第一侧面和第三侧面之间，第一导热隔板、第二导热隔板、第一侧面和第三侧面相互平行，第一导热隔板和第二导热隔板的高度相同、厚度相同，第一导热隔板与第一侧面之间的距离和第二导热隔板与第三侧面之间的距离相等；储气罐的顶面、第二侧面和第四侧面均与第一导热隔板密封连接，储气罐的顶面、第二侧面和第四侧面均与第二导热隔板密封连接；第一弹性密封带的上端与第一侧面固定连接，第一弹性密封带的下端与第一导热隔板的下端固定连接，第一弹性密封带的两侧面分别与第二侧面和第四侧面密封接触；第二弹性密封带的上端与第三侧面固定连接，第二弹性密封带的下端与第二导热隔板的下端固定连接，第二弹性密封带的两侧面分别与第二侧面和第四侧面密封接触。
6.优选的，第一注水口和第一出水口设置于所述第一侧面并与第一腔室连通；第二注水口和第二出水口设置于所述第三侧面并与第三腔室连通。
7.本发明还提供而一种等温压缩恒压发电物理储能系统，包括发电系统、注水系统、压缩空气系统和本发明如上所述的等温压缩恒压发电物理储能装置，所述发电系统包括水轮机和/或空气透平；注水系统的出水口与第一注水口以及第二注水口连接，水轮机的进水口与第一出水口以及第二出水口连接，压缩空气系统出口与注气口连接；注气口、第一注水口、第二注水口、第一出水口、第二出水口和压缩空气出口分别设有第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门；空气透平的压缩空气入口与第六阀门的出口连接。
8.优选的，所述水轮机包括第一水轮机和第二水轮机，第一水轮机的进水口与第四阀门的出口连接，第二水轮机的进水口与第五阀门的出口连接。
9.优选的，所述注水系统包括第一水泵和第二水泵，第一水泵的出水口与第二阀门的入口连接，第二水泵的出水口与第三阀门的入口连接。
10.优选的，所述等温压缩恒压发电物理储能系统还包括水池，水轮机的出水口与水池连接，注水系统的进水口与水池连接。
11.本发明还提供了一种等温压缩恒压发电物理储能方法，所述等温压缩恒压发电物理储能方法通过本发明如上所述的等温压缩恒压发电物理储能系统进行，包括储能过程和发电过程；所述储能过程包括：通过压缩空气系统向储气罐内注满预设压力的压缩空气，当注满压缩空气后，压缩空气系统停止向储气罐内注入压缩空气，在注入压缩空气过程中，第一弹性密封带和第二弹性密封带向上鼓起；然后利用注水系统通过第一注水口和第二注水口向储气罐内注水并使重块升高，直至第二腔室内的压缩空气达到预设压力，之后关闭第二阀门和第三阀门；在注水过程中，第一弹性密封带和第二弹性密封带向下移动，第一腔室中的水通过第一导热隔板对第二腔室中的压缩空气进行降温，第三腔室中的水通过第二导热隔板对第二腔室中的压缩空气进行降温；所述发电过程包括第一发电过程、第二发电过程和第三发电过程；所述第一发电过程包括：打开第四阀门和第五阀门，储气罐内的压缩空气通过第
一弹性密封带对第一腔室中的水施加压力、以及通过第二弹性密封带对第三腔室中的水施加压力，第一腔室中的水从第一出水口流出，第三腔室中的水通过第二出水口流出，从第一出水口和第二出水口流出后的水驱动水轮机进行发电；第一腔室中的水从第一出水口流出的过程中，第一腔室中的水通过第一导热隔板对第二腔室中的压缩空气进行加热，第三腔室中的水通过第二导热隔板对第二腔室中的压缩空气进行加热；所述第二发电过程包括：打开第六阀门，此时第四阀门和第五阀门处于关闭状态，储气罐内的压缩空气通过压缩空气出口进入空气透平，空气透平利用压缩空气进行发电；所述第三发电过程包括：所述第一发电过程和所述第二发电过程同时进行。
12.本发明具有如下有益效果：本发明等温压缩恒压发电物理储能装置中，在第一腔室和第三腔室中分别置了第一弹性密封带和第二弹性密封带，第一弹性密封带和第二弹性密封带起到了分隔压缩空气与水的作用，在储能过程中，储气罐内的压缩空气由于被压缩而温度升高，第一腔室和第三腔室中的水分别利用第一导热隔板和第二导热隔板的导热性能够吸纳储气罐内的压缩空气的压缩热，因此本发明能够很好的控制压缩空气升压过程中的温度，实现近似等温压缩过程。在发电过程中，第一腔室和第三腔室中的水能够通过第一导热隔板和第二导热隔板为储气罐内的压缩空气传递热量，储气罐内的压缩空气吸收水中的热量，近似实现空气等温膨胀。同时第一弹性密封带和第二弹性密封带还能够在储能的初期，在储气罐内储存一定压力的压缩空气，提高了储能能力。从上述可以看出，本发明能够解决目前压缩空气储能所存在的能量损失大、储能效率低及经济效益差等难题。
附图说明
13.图1为本发明等温压缩恒压发电物理储能系统的结构示意图；图2为本发明等温压缩恒压发电物理储能装置的结构示意图；图3为本发明等温压缩恒压发电物理储能的纵剖图；图4为本发明实施例中储能时弹性密封带变形后的结构示意图；图5为本发明实施例中第一弹性密封带自由状态时的结构示意图。
14.图中，1-第一水池，2-第一水泵，3-储气罐，3-1-注气口，3-2-第一注水口，3-3-第二注水口，3-4-第一出水口，3-5-第二出水口，3-6-压缩空气出口，3-7-第一腔室，3-8-第二腔室，3-9-第三腔室，3-10-顶部开口，3-11-第一侧面，3-12-第二侧面，3-13-第三侧面，3-14-第四侧面，3-15-顶面，4-重块，5-第一水轮机，6-空压机，7-第一阀门，8-第二阀门，9-第四阀门，10-第二水池，11-第二水泵，12-第二水轮机，13-第三阀门，14-第五阀门，15-第六阀门，16-空气透平，17-活塞，18-1-第一弹性密封带，18-2-第二弹性密封带，19-1-第一导热隔板，19-2-第二导热隔板，20-活塞杆。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
16.本发明参见图2和图3，本发明等温压缩恒压发电物理储能装置，包括储气罐3、重块4、活塞17和活塞杆20；储气罐3的形状为长方体，或者储气罐3的内腔为一长方体结构也可以，本发明下述方案以储气罐3的形状为长方体、储气罐3的内腔为长方体的情况进行说
明。具体的，储气罐3的侧面依次记为第一侧面3-11（图2所示左侧面）、第二侧面3-12（图2所示前侧面）、第三侧面3-13（图2所示右侧面）和第四侧面3-14（图2所示后侧面），其中，第一侧面3-11和第三侧面3-13相对，第二侧面3-12和第四侧面3-14相对；储气罐3内腔的上部通过第一导热隔板19-1和第二导热隔板19-2从左至右依次分隔为第一腔室3-7、第二腔室3-8和第三腔室3-9，第一腔室3-7、第二腔室3-8和第三腔室3-9的下部连通，第一腔室3-7和第三腔室3-9关于第二腔室3-8对称；具体的，第一导热隔板19-1和第二导热隔板19-2设置于第一侧面3-11和第三侧面3-13之间，第一导热隔板19-1、第二导热隔板19-2、第一侧面3-11和第三侧面3-13相互平行，第一导热隔板19-1和第二导热隔板19-2的高度相同、厚度相同，第一导热隔板19-1与第一侧面3-11之间的距离和第二导热隔板19-2与第三侧面3-13之间的距离相等，储气罐3的顶面3-15、第二侧面3-12和第四侧面3-14均与第一导热隔板19-1密封连接，储气罐3的顶面3-15、第二侧面3-12和第四侧面3-14均与第二导热隔板19-2密封连接；第二腔室3-8内适配设有能上下移动的活塞17，活塞17的四面与第一导热隔板19-1、储气罐3的第二侧面3-12、第二导热隔板19-2以及储气罐3的第四侧面3-14之间密封，活塞杆20的下端与活塞17连接，活塞杆20的上端贯穿储气罐3的顶部并与重块4连接；因此通过活塞17的升降能够实现储能以及释能发电的过程。
17.本发明储气罐3内腔结构为一左右对称的对称结构，该结构的目的以方便是使得储气罐3能够在左右方向对称受力，保证整个装置结构的可靠性，更重要是的要防止第二腔室3-8对应的四个侧壁发生变形、导致活塞17无法正常升降的问题。
18.参见图5，第一腔室3-7内设有倾斜的第一弹性密封带18-1，第一弹性密封带18-1的上端与第一侧面3-11固定连接，第一弹性密封带18-1的下端与第一导热隔板19-1的下端固定连接，因此第一弹性密封带18-1将第一腔室3-7上下分隔为两个腔室，第一弹性密封带18-1的两侧面（即图2所示第一弹性密封带18-1的前侧面和后侧面）分别与储气罐3的第二侧面3-12和第四侧面3-14密封接触，这样设置的目的是，第一弹性密封带18-1在受压后，第一弹性密封带18-1与第二侧面3-12以及第四侧面3-14之间始终保持密封并能相对滑动；第三腔室3-9内设有第二弹性密封带18-2，第二弹性密封带18-2和第一弹性密封带18-1关于第二腔室3-8对称设置，第二弹性密封带18-2和第一弹性密封带18-1为完全对称的结构、安装方式完全相同，具体的，第二弹性密封带18-2的上端与第三侧面3-13固定连接，第二弹性密封带18-2的下端与第二导热隔板19-2的下端固定连接，第二弹性密封带18-2的两侧面分别与第二侧面3-12和第四侧面3-14密封接触，第二弹性密封带18-2将第三腔室3-9上下分隔为两个腔室；第一腔室3-7在第一弹性密封带18-1上端的上方设有第一注水口3-2和第一出水口3-4；第三腔室3-9在第二弹性密封带18-2上端的上方设有第二注水口3-3和第二出水口3-5；储气罐3的底部设有注气口3-1和压缩空气出口3-6。
19.为了使得储气罐3能够对称受力，各对应部分强度趋于接近，本发明优选的将第一注水口3-2和第一出水口3-4设置于所述第一侧面3-11并与第一腔室3-7连通；第二注水口3-3和第二出水口3-5设置于所述第三侧面3-13并与第三腔室3-9连通。
20.参见图2-图5，本发明上述等温压缩恒压发电物理储能装置的工作原理如下：在储能过程中，从注气口3-1可以向储气罐3内注压缩空气，压缩空气充填于第一
腔室3-7中位于第一弹性密封带18-1下方的区域、整个第二腔室3-8以及第三腔室3-9中位于第二弹性密封带18-2下方的区域，随着空气的不断注入，第一弹性密封带18-1和第二弹性密封带18-2被压缩空气向上顶起并最终向上鼓起来，此时储气罐3内可以储存压缩能；当注满压缩空气后，停止向储气罐3内注入压缩空气；然后通过第一注水口3-2和第二注水口3-3向储气罐3内注水，注入的水随着压力的不断增大，将第一弹性密封带18-1和第二弹性密封带18-2不断下压，同时能够将充填于第一腔室3-7中位于第一弹性密封带18-1下方的区域、整个第二腔室3-8以及第三腔室3-9中位于第二弹性密封带18-2下方的区域内的压缩空气不断压缩，随着压缩空气的压力不断增大，活塞17被向上顶起，活塞17向上移动的同时重块4也被抬升，实现储能；在注水过程中，压缩空气由于不断被压缩，能量会升高，此时，第一弹性密封带18-1右上侧的水通过第一导热隔板19-1会与第二腔室3-8中的压缩空气进行热量交换、对第二腔室3-8中的压缩空气进行降温，同时，第二弹性密封带18-2左上侧的水通过第二导热隔板19-2会与第二腔室3-8中的压缩空气进行热量交换、对第二腔室3-8中的压缩空气进行降温，压缩空气的过程中，一部分压缩热会被储存于第一腔室3-7和第三腔室3-9中的水中。由于第一腔室3-7和第三腔室3-9中的水和压缩空气有热量交换的过程，并且还是逆流形式的热交换，因此换热效果更好，能够很好的控制压缩空气升压过程中的温度，实现近似等温压缩过程。
21.参见图4，由于第一腔室3-7和第三腔室3-9中水的重力以及外界施压的作用，使得第一弹性密封带18-1和第二弹性密封带18-2向下凸。
22.储能完成后，本发明可通过储气罐3内的压缩空气和高压水进行释能发电，具体可分为如下三种情形：第一种情形：从第一出水口3-4和第二出水口3-5将第一腔室3-7和第三腔室3-9中的水引出，可用于推动水轮机进行发电；在第一腔室3-7中的水从第一出水口3-4流出的过程中，参见图4，第一腔室3-7中的水通过第一导热隔板19-1对第二腔室3-8中的压缩空气进行加热，同理，第三腔室3-9中的水可通过第二导热隔板19-2对第二腔室3-8中的压缩空气进行加热；储气罐内的压缩空气能够吸收水中的热量，保持温度相对稳定，近似实现压缩空气的等温膨胀。
23.第二种情形：从压缩空气出口3-6将储气罐3内的压缩空气引入空气透平16的压缩空气入口，空气透平16利用压缩空气进行发电；该过程中，第一腔室3-7和第三腔室3-9中水利用储能过程储存的热量来对压缩空气进行加热，储气罐内的压缩空气能够吸收水中的热量，进而也能保持温度相对稳定，近似实现压缩空气的等温膨胀。
24.第三种情形：即上述第一发电过程和第二发电过程同时进行，根据上述，在第三种情形时，也能近似实现压缩空气的等温膨胀。
25.参见图1，本发明等温压缩恒压发电物理储能系统，包括发电系统、注水系统、压缩空气系统和本发明如上所述的等温压缩恒压发电物理储能装置，所述发电系统包括水轮机和/或空气透平16；注水系统的出水口与第一注水口3-2以及第二注水口3-3连接，注水系统能够为第一腔室3-7和第三腔室3-9内注入压力水，水轮机的进水口与第一出水口3-4以及第二出水口3-5连接，压缩空气系统出口与注气口3-1连接；注气口3-1、第一注水口3-2、第二注水口3-3、第一出水口3-4、第二出水口3-5和压缩空气出口3-6分别设有第一阀门7、第二阀门8、
第三阀门13、第四阀门9、第五阀门14和第六阀门15；空气透平16的压缩空气入口与第六阀门15的出口连接。
26.本发明等温压缩恒压发电物理储能系统的工作过程包括储能过程和发电过程，具体如下：参见本发明上述等温压缩恒压发电物理储能装置的储能过程，本发明等温压缩恒压发电物理储能系统的储能过程包括：通过压缩空气系统向储气罐3内注满预设压力（如1mpa）的压缩空气，当注满压缩空气后，压缩空气系统停止向储气罐3内注入压缩空气，在注入压缩空气过程中，第一弹性密封带18-1和第二弹性密封带18-2向上鼓起；然后利用注水系统通过第一注水口3-2和第二注水口3-3向储气罐3内注水并使重块4升高，直至第二腔室3-8内的压缩空气达到预设压力，之后关闭第二阀门8和第三阀门13；在注水过程中，第一弹性密封带18-1和第二弹性密封带18-2向下移动，第一腔室3-7中的水通过第一导热隔板19-1对第二腔室3-8中的压缩空气进行降温，第三腔室3-9中的水通过第二导热隔板19-2对第二腔室3-8中的压缩空气进行降温；参见本发明上述等温压缩恒压发电物理储能装置的释能发电过程，本发明等温压缩恒压发电物理储能系统的发电过程包括第一发电过程、第二发电过程和第三发电过程，具体如下：所述第一发电过程包括：打开第四阀门9和第五阀门14，储气罐3内的压缩空气通过第一弹性密封带18-1对第一腔室3-7中的水施加压力、以及通过第二弹性密封带18-2对第三腔室3-9中的水施加压力，第一腔室3-7中的水从第一出水口3-4流出，第三腔室3-9中的水通过第二出水口3-5流出，从第一出水口3-4和第二出水口3-5流出后的水驱动水轮机进行发电；第一腔室3-7中的水从第一出水口3-4流出的过程中，第一腔室3-7中的水通过第一导热隔板19-1对第二腔室3-8中的压缩空气进行加热，第三腔室3-9中的水通过第二导热隔板19-2对第二腔室3-8中的压缩空气进行加热；所述第二发电过程包括：打开第六阀门15，此时第四阀门9和第五阀门14处于关闭状态，储气罐3内的压缩空气通过压缩空气出口3-6进入空气透平16，空气透平16利用压缩空气进行发电；所述第三发电过程包括：所述第一发电过程和所述第二发电过程同时进行。
27.参见图1，本发明等温压缩恒压发电物理储能系统中，可将水轮机设置为水轮机组的形式，即水轮机采用了第一水轮机5和第二水轮机12，第一水轮机5的进水口与第四阀门9的出口连接，第二水轮机12的进水口与第五阀门14的出口连接。注水系统可采用水泵组的形式，即注水系统采用了第一水泵2和第二水泵11，第一水泵2的出水口与第二阀门8的入口连接，第二水泵11的出水口与第三阀门13的入口连接，第一水泵2能够向第一腔室3-7内注入高压水，第二水泵11能够向第三腔室3-9内注入高压水。本发明等温压缩恒压发电物理储能系统还可以设计水池，水轮机的出水口与水池连接，水轮机的排水可被收集于水池中，注水系统的进水口与水池连接，注水系统能够将水池中的水再次利用注入第一腔室3-7和第三腔室3-9中。当然，本发明的水池还以设计2个，2个水池分别为第一水池1和第二水池10，第一水轮机5和第一水泵2公用第一水池1，第二水轮机12和第二水泵11公用第二水池10。本发明的压缩空气系统采用空压机6即可。
28.从上述方案可以看出，本发明工作流程简单、设备成熟、因此投资成本相对较低，
同时具有储能效率高及经济效益好等特点，彻底解决了目前压缩空气储能所存在的能量损失大、工艺复杂、设备不成熟，投资成本高，储能效率低及经济效益差的难题。