本實用新型涉及可再生能源并網和電網調峰的儲能技術領域，特別是一種高效液空儲能/釋能系統。

背景技術：

隨著可再生能源(風能、光熱)發電的大規模普及，由于其隨機性、間歇性等特點，接入電網將帶來電壓波動、頻率波動等電能質量問題，甚至可能影響電網的安全穩定運行。而大規模電力儲能技術可在電力系統中增加能源存儲環節，使得實時平衡的“剛性”電力系統變得更加“柔性”，從而提高電網運行的安全性、經濟性和靈活性，是解決風能、光熱、潮汐能等可再生能源發電不穩定的關鍵技術。此外，大規模電力儲能技術還可以有效解決電力生產與使用中峰谷差的矛盾，可提高電網(特別是微網或孤島電網)的調峰能力。

現有的電力儲能技術主要分三大類：化學儲能類，包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池和鋰電池等；電磁儲能類，包括超級電容器儲能和超導磁儲能；物理儲能類，包括抽水儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能和液空儲能。其中，飛輪儲能、超級電容器儲能和超導磁儲能等功率型儲能技術儲能容量小、儲能時間短，鉛酸電池和鋰電池造價高、安全性差且電池壽命短，鈉硫電池造價高、安全性差且需要額外加熱維持300℃以上的工作溫度，液流電池能量密度低、材料受限且成本昂貴，都無法滿足大規模電力儲存的需求；抽水儲能具有技術成熟、效率較高(70％～80％)、儲能容量大、壽命長等優點，但需要特殊的地理條件、建設周期很長、初期投資巨大，因此建造抽水儲能系統受到了越來越大的限制；壓縮空氣儲能具有效率較高(50％～70％)、儲能容量較大、壽命長等優點，但需要大型洞穴儲氣、儲能密度低且需要依賴化石燃料，限制了該技術的大規模推廣；液空儲能作為一種大容量儲能技術，采用液空作為儲能介質，大大提高了能量密度，具有技術成熟、成本低、儲能容量大、轉化效率較高、無地理條件限制、壽命長及環境污染小等優點，具備大規模儲能技術推廣應用的潛力。

常規液空儲能/釋能系統中空氣液化能耗較高、液空發電效率較低，導致系統總轉化效率僅40％～50％(詳見《工程熱物理學報》第31卷第12期“新型液化空氣儲能技術及其在風電領域的應用”)，很難與抽水儲能、壓縮空氣儲能等大規模儲能技術競爭。

技術實現要素：

本實用新型的目的是公開一種高效液空儲能/釋能系統，通過集成優化系統中的空氣液化 單元、液空發電單元、蓄熱單元和蓄冷單元，大幅度提高系統總轉化效率，實現可再生能源發電的大規模并網，還可提高電網的調峰能力。

為達到以上目的，本實用新型的技術方案如下：

一種高效液空儲能/釋能系統，包括：空氣液化單元、液空發電單元、蓄熱單元和蓄冷單元；

所述空氣液化單元包括原料空氣壓縮機、原料空壓機常溫水冷卻器A、原料空壓機低溫水冷卻器A、空氣純化器、循環空氣增壓機、空氣增壓機常溫水冷卻器B、空氣增壓機低溫水冷卻器B、熱端增壓透平膨脹機的膨脹端、熱端增壓透平膨脹機的增壓端、冷端增壓透平膨脹機的膨脹端、冷端增壓透平膨脹機的增壓端、空氣液化換熱器、發電機制動高壓液空膨脹機的膨脹端、高壓液空膨脹機的發電端和液空儲罐，原料空氣壓縮機的出口與原料空壓機常溫水冷卻器A的進口連接，原料空壓機常溫水冷卻器A的出口與原料空壓機低溫水冷卻器A的進口相連，原料空壓機低溫水冷卻器A的出口與空氣純化器的進口相連，空氣純化器的出口與空氣液化換熱器的通道II出口合并后一起與循環空氣增壓機的進口相連，循環空氣增壓機的出口與空氣增壓機常溫水冷卻器B的進口相連，空氣增壓機常溫水冷卻器B的出口與空氣增壓機低溫水冷卻器B的進口相連，空氣增壓機低溫水冷卻器B的出口分別與空氣液化換熱器的通道I進口、熱端增壓透平膨脹機的增壓端的進口和冷端增壓透平膨脹機的增壓端的進口相連，熱端增壓透平膨脹機的增壓端的出口與冷端增壓透平膨脹機的增壓端的出口合并后一起與空氣液化熱換器的通道III進口相連，空氣液化熱換器的通道I出口與熱端增壓透平膨脹機的膨脹端的進口相連，熱端增壓透平膨脹機的膨脹端的出口與空氣液化換熱器的通道II上進口相連，空氣液化熱換器的通道III上出口與冷端增壓透平膨脹機的膨脹端的進口相連，冷端增壓透平膨脹機的膨脹端的出口與空氣液化換熱器的通道II下進口相連，空氣液化換熱器的通道III下出口與發電機制動高壓液空膨脹機的膨脹端的進口相連，高壓液空膨脹機的膨脹端通過變速箱與高壓液空膨脹機的發電端相連，高壓液空膨脹機的膨脹端的出口與液空儲罐的進口相連；

所述液空發電單元包括高壓液空泵、液空蒸發器、高壓空氣加熱器、高壓空氣膨脹發電機的膨脹端和高壓空氣膨脹機的發電端，高壓液空泵的進口與液空儲罐的出口相連，高壓液空泵的出口與液空蒸發器的進口相連，液空蒸發器的出口與高壓空氣加熱器進口相連，高壓空氣加熱器的出口與高壓空氣膨脹發電機的膨脹端的進口相連，高壓空氣膨脹機的發電端與高壓空氣膨脹發電機的膨脹端通過變速箱相連；

所述蓄熱單元包括常溫水罐、常溫水泵、低溫水罐、低溫水泵、高溫水罐、冷水機組和循環水冷卻器，低溫水罐與低溫水泵的進口端相連，常溫水泵的進口與冷水機組的蒸發器進 口一起連接在常溫水罐上，常溫水泵的出口分別與原料空壓機常溫水冷卻器A的進口和空氣增壓機常溫水冷卻器B的進口相連，且在相連的管道上設有調節閥門，同時原料空壓機低溫水冷卻器A的出口與原料空壓機常溫水冷卻器A的進口相連，空氣增壓機低溫水冷卻器B的出口與空氣增壓機常溫水冷卻器B的進口相連，冷水機組的蒸發器出口和低溫水泵的進口一起連接在低溫水罐上，且在連接的管道上設有調節閥門，低溫水泵的出口分別與原料空壓機低溫水冷卻器A的進口和空氣增壓機低溫水冷卻器B的進口相連，且在連接的管道上設有調節閥門，冷水機組的吸收器出口與循環水冷卻器的進口相連，循環水冷卻器的出口與常溫水泵的進口相連，原料空壓機常溫水冷卻器A的出口、空氣增壓機常溫水冷卻器B的出口、冷水機組的吸收器進口和高壓空氣加熱器的進口均連接在高溫水罐上；

所述蓄冷單元包括常溫冷劑罐、循環冷劑泵和低溫冷劑罐，低溫冷劑罐的出口與空氣液化熱換器的通道IV進口相連且在相連的管道上設有調節閥門，空氣液化熱換器的通道IV出口與常溫冷劑罐的進口相連，常溫冷劑罐的出口與循環冷劑泵的進口相連，循環冷劑泵的出口與液空蒸發器的進口相連，液空蒸發器的出口與低溫冷劑罐的進口相連且在相連的管道上設有調節閥門。

優選地，所述的高壓液空泵為罐內潛液泵或帶真空保冷腔的潛液泵。

優選地，所述的液空蒸發器和高壓空氣加熱器采用管殼式、板殼式或印刷電路板式換熱器。

優選地，所述的冷水機組為溴化鋰吸收式制冷機組或吸收式制冷與壓縮式制冷的組合機。

優選地，所述的循環水冷卻器為空冷型、水冷型或吸收式熱泵的一種或多種組合。

本實用新型具有如下優點：(1)空氣液化單元采用冷熱端膨脹機并聯增壓、并聯膨脹的工藝，降低液化空氣的能耗；(2)采用夾點技術回收壓縮機的壓縮熱，用壓縮熱加熱高壓空氣膨脹機的入口空氣溫度，提高膨脹輸出功；同時將多余的壓縮熱驅動吸收式制冷機組，制取低溫水進一步降低壓縮機的功耗；(3)采用三罐式蓄熱和雙罐式蓄冷工藝，一次蓄熱/蓄冷流體為A1型冷劑，不可燃、無毒，具有安全、易得、無防爆距離要求等特性，有效降低系統投資和占地面積。

附圖說明

圖1為本實用新型的實施例一的結構示意圖；

圖2為本實用新型的實施例二的結構示意圖；

圖3為本實用新型的實施例三的結構示意圖；

圖中，1-原料空氣壓縮機，2-原料空壓機常溫水冷卻器A，3-原料空壓機低溫水冷卻器A， 4-空氣純化器，5-循環空氣增壓機，6-空氣增壓機常溫水冷卻器B，7-空氣增壓機低溫水冷卻器B，8-熱端增壓透平膨脹機的增壓端，9-熱端增壓透平膨脹機的增壓端，10-冷端增壓透平膨脹機的增壓端，11-冷端增壓透平膨脹機的膨脹端，12-空氣液化換熱器，13-高壓液空膨脹機的膨脹端，14-高壓液空膨脹機的發電端，15-液空儲罐，20-常溫冷劑罐，21-循環冷劑泵，22-低溫冷劑罐，30-常溫水罐，31-常溫水泵，32-高溫水罐，33-低溫水罐，34-低溫水泵，35-冷水機組，36-循環水冷卻器，50-高壓液空泵，51-液空蒸發器，52-高壓空氣加熱器，53-高壓空氣膨脹機的膨脹端，54-高壓空氣膨脹機的發電端，100-釋能區，200-釋能區。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的描述，本實用新型的保護范圍不局限于以下所述：

實施例一：如圖1所示，一種高效液空儲能/釋能系統，包括：空氣液化單元、液空發電單元、蓄熱單元和蓄冷單元；

如圖1所示，空氣液化單元包括原料空氣壓縮機1、原料空壓機常溫水冷卻器A2、原料空壓機低溫水冷卻器A3、空氣純化器4、循環空氣增壓機5、空氣增壓機常溫水冷卻器B6、空氣增壓機低溫水冷卻器B7、熱端增壓透平膨脹機的膨脹端8、熱端增壓透平膨脹機的增壓端9、冷端增壓透平膨脹機的膨脹端10、冷端增壓透平膨脹機的增壓端11、空氣液化換熱器12、發電機制動高壓液空膨脹機的膨脹端13、高壓液空膨脹機的發電端14和液空儲罐15，原料空氣壓縮機1的出口與原料空壓機常溫水冷卻器A2的進口連接，原料空壓機常溫水冷卻器A2的出口與原料空壓機低溫水冷卻器A3的進口相連，原料空壓機低溫水冷卻器A3的出口與空氣純化器4的進口相連，空氣純化器4的出口與空氣液化換熱器12的通道II出口合并后一起與循環空氣增壓機5的進口相連，循環空氣增壓機5的出口與空氣增壓機常溫水冷卻器B6的進口相連，空氣增壓機常溫水冷卻器B6的出口與空氣增壓機低溫水冷卻器B7的進口相連，空氣增壓機低溫水冷卻器B7的出口分別與空氣液化換熱器12的通道I進口、熱端增壓透平膨脹機的增壓端9的進口和冷端增壓透平膨脹機的增壓端11的進口相連，熱端增壓透平膨脹機的增壓端9的出口與冷端增壓透平膨脹機的增壓端11的出口合并后一起與空氣液化換熱器12的通道III進口相連，空氣液化換熱器12的通道I出口與熱端增壓透平膨脹機的膨脹端8的進口相連，熱端增壓透平膨脹機的膨脹端8的出口與空氣液化換熱器12的通道II上進口相連，空氣液化換熱器12的通道III上出口與冷端增壓透平膨脹機的膨脹端10的進口相連，冷端增壓透平膨脹機的膨脹端10的出口與空氣液化換熱器12的通道II下進口相連，空氣液化換熱器12的通道III下出口與發電機制動高壓液空膨脹機的膨脹端13的進口相連，高壓液空膨脹機的膨脹端13通過變速箱與高壓液空膨脹機的發電端14相連，高壓液 空膨脹機的膨脹端13的出口與液空儲罐15的進口相連；

如圖1所示，液空發電單元包括高壓液空泵50、液空蒸發器51、高壓空氣加熱器52、高壓空氣膨脹發電機的膨脹端53和高壓空氣膨脹機的發電端54，高壓液空泵50的進口與液空儲罐15的出口相連，高壓液空泵50的出口與液空蒸發器51的進口相連，液空蒸發器51的出口與高壓空氣加熱器52進口相連，高壓空氣加熱器52的出口與高壓空氣膨脹發電機的膨脹端53的進口相連，高壓空氣膨脹機的發電端54與高壓空氣膨脹發電機的膨脹端53通過變速箱相連；

如圖1所示，蓄熱單元包括常溫水罐30、常溫水泵31、低溫水罐33、低溫水泵34、高溫水罐32、冷水機組35和循環水冷卻器36，低溫水罐33與低溫水泵34的進口端相連，常溫水泵31的進口與冷水機組35的蒸發器進口一起連接在常溫水罐30上，常溫水泵31的出口分別與原料空壓機常溫水冷卻器A2的進口和空氣增壓機常溫水冷卻器B6的進口相連，且在相連的管道上設有調節閥門，同時原料空壓機低溫水冷卻器A3的出口與原料空壓機常溫水冷卻器A2的進口相連，空氣增壓機低溫水冷卻器B7的出口與空氣增壓機常溫水冷卻器B6的進口相連，冷水機組35的蒸發器出口和低溫水泵34的進口一起連接在低溫水罐33上，且在連接的管道上設有調節閥門，低溫水泵34的出口分別與原料空壓機低溫水冷卻器A3的進口和空氣增壓機低溫水冷卻器B7的進口相連，且在連接的管道上設有調節閥門，冷水機組35的吸收器出口與循環水冷卻器36的進口相連，循環水冷卻器36的出口與常溫水泵31的進口相連，原料空壓機常溫水冷卻器A2的出口、空氣增壓機常溫水冷卻器B6的出口、冷水機組35的吸收器進口和高壓空氣加熱器52的進口均連接在高溫水罐32上；

如圖1所示，蓄冷單元包括常溫冷劑罐20、循環冷劑泵21和低溫冷劑罐22，低溫冷劑罐22的出口與空氣液化換熱器12的通道IV進口相連且在相連的管道上設有調節閥門，空氣液化換熱器12的通道IV出口與常溫冷劑罐20的進口相連，常溫冷劑罐20的出口與循環冷劑泵21的進口相連，循環冷劑泵21的出口與液空蒸發器51的進口相連，液空蒸發器51的出口與低溫冷劑罐22的進口相連且在相連的管道上設有調節閥門。

如圖1所示，其液空儲能/釋能的流程如下：

儲能區100儲能時，多余的電能驅動空氣依次進入原料空氣壓縮機1和循環空氣增壓機5中，得到的壓縮空氣依次被常溫水和低溫水冷卻后分成三股：一股高壓冷卻空氣進入空氣液化換熱器12的通道I，被冷流預冷后送入熱端增壓透平膨脹機的膨脹端8膨脹制冷，膨脹后的空氣返回空氣液化換熱器12的通道II上部；其余兩股高壓冷卻空氣分別進入熱端增壓透平膨脹機的增壓端9和冷端增壓透平膨脹機的增壓端11中并聯增壓，被增壓的空氣進入空氣液化換熱器12的通道III后分成兩股：一股空氣被冷流預冷后送入冷端增壓透平膨脹機的 膨脹端10膨脹制冷；另一股空氣被冷卻、液化后進入發電機制動的高壓液空膨脹機的膨脹端13繼續膨脹制冷，產生的液化空氣送入液空儲罐15中儲存；

儲能區100儲能時，常溫水罐30中的常溫水經常溫水泵31加壓后進入原料空壓機常溫水冷卻器A2和空氣增壓機低溫水冷卻器B5A中，吸收壓縮機的壓縮熱生產高溫水后送入高溫水罐32中進行蓄熱，同時低溫水罐33中的低溫水經低溫水泵34加壓后進入原料空壓機低溫水冷卻器A3和空氣增壓機低溫水冷卻器B7中，降低壓縮空氣的溫度；

儲能區100儲能時，低溫冷劑罐22中的低溫冷劑送入空氣液化換熱器12的通道IV中，被復熱至常溫后進入常溫冷劑罐20中儲存；

釋能區200釋能時，液空儲罐15中的液化空氣經高壓液空泵50加壓至高壓后，依次被液空蒸發器51和高壓空氣加熱器52加熱至高溫空氣，高溫、高壓空氣再進入高壓空氣膨脹機53膨脹做功，驅動高壓空氣膨脹機的發電端54輸出電能；

釋能區200釋能時，高溫水罐32中的高溫水分成兩股：一股送入高壓空氣加熱器52加熱高壓空氣；另一股送入冷水機組35中，制取低溫水，儲存于低溫水罐33中；

釋能區200釋能時，常溫冷劑罐20中的常溫冷劑經循環冷劑泵21加壓后，送入液空蒸發器51中加熱高壓空氣，同時被過冷后形成低溫冷劑返回至低溫冷劑罐22中進行蓄冷。

如圖1所示，原料空氣壓縮機1的排氣壓力0.68MPa.G，壓縮機級數為2級，其級間和末級均采用常溫水和低溫水串級冷卻；循環空氣增壓機5的排氣壓力5.9MPa.G，壓縮機級數為1級，其級間和末級均采用常溫水和低溫水串級冷卻；高壓空氣膨脹機53膨脹前的壓力19.9MPa.G、溫度265℃，膨脹機級數為4級，其各級入口均設置加熱器。

如圖1所示，利用夾點技術提出三罐式蓄熱工藝，一次蓄熱流體為脫鹽水，常溫水罐30、高溫水罐32和低溫水罐33的工作溫度分別在30℃、270℃和10℃。

如圖1所示，采用雙罐式蓄冷工藝，一次蓄冷流體為R134a。

本實施例中：以一個50MW標準風電場為例，為了滿足風電場削峰填谷、減少棄風，實現風電平滑輸出，按34％的比例配置儲能/釋能系統(參考文獻《科技管理研究》2014年第1期“儲能技術在風電并網領域的市場需求分析”)，即儲能/釋能容量均為17MW、持續時間各8h。該高效液空儲能/釋能系統的總轉化效率為58.35％，詳細參數見表一的“實施例1”。

實施例2：如圖2所示，本實施例與實施例1的區別在于：增加高壓空氣再加熱器54，利用外來熱量(高溫煙氣、高壓蒸汽或光熱產生的高溫熔鹽等)將高壓空氣再加熱至350℃；循環空氣增壓機5級數為2級。該高效液空儲能/釋能系統的總轉化效率提高至74.96％，詳細參數見表一的“實施例2”。

實施例3：如圖3所示，本實施例與實施例1的區別在于：增加液空低溫分離器11，回 收液空節流后產生的閃蒸氣，利用閃蒸氣的流量和冷量進一步降低空氣液化的能耗。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。

表一：17MW×8h高效液空儲能/釋能系統技術參數