[发明专利]组合循环CAES方法(CCC)

说明书

技术领域

本发明涉及一种专门设计为通过压缩大气空气并将其限制在罐或地穴内来存储能量的系统，以获得比现有技术而言具有明显改进的整体效率，同时能够有效降低对罐或地穴容量的需求。

背景技术

CAES能量存储技术以压缩大气空气的存储为基础。当电力网络出现电量过剩，启动压压缩机，将大气空气压缩到预设压强，消耗输电干线上的过剩电量。将产生的压缩空气存储在自然洞穴、废弃矿井或者盐洞地穴中(如果想要存储大量的能量，考虑到巨大的空间需求及需要承受的高压，不可以使用罐)。

为了使能量一直保持到电力网络电量需求再次上升为止，通过一个关断阀足以使洞穴保持关闭状态。当电力网络最终需要更多的能量时，打开阀门，加压空气排出并用于驱动涡轮机，进而产生电能。

利用这种技术建成的电站要比当下应用最广泛的大规模电力存储系统，抽水蓄能电站，在经济上更具可行性。但是CAES技术的主要缺陷在于可实现的效率非常低，导致了电站操作的可行性非常低。其实，尽管ACES技术已经发展了30多年，当今世界上仅有两个运作的CAES电站。

此外，对地穴容量以及对需承受压强的巨大需求使得这种类型的电站可行的选址范围急剧缩小，如前面解释的那样，被限制在具有自然洞穴、废弃矿井或盐洞的位置上。

可用的自然地穴或废弃矿井难以寻找，因此现运作的两个CAES电站均使用盐洞。这涉及到大量的附加问题，如不能对地穴热绝缘(开凿是通过约600m深的井眼溶解盐执行的)，否则当空气排出地穴时，其中会出现高深度的悬浮颗粒。

发明内容

解决这些问题的方案是将大气空气的热力循环(布雷顿循环)与另一辅助液体的热力循环相结合，所述辅助液体被限制在同一地穴的膜内，其中在热力循环中，辅助液体承受体积变化，从而形成压缩大气空气进入或排出地穴的入口和出口。

存在多种辅助液体可遵循的可行循环，可使液体的体积产生实质性的变化。例如，它可以遵循兰金循环的两个分段，一段处于在空气压缩和进入地穴的过程中，而另一段则处于空气排出及涡转的过程中，以使：

-每一分段的起始状态和最终状态压强相同；

-空气压缩及进入地穴过程的初始状态与空气排出和涡转过程的最终状态相同，并且为非常低浓度的状态，即具有高蒸汽干度的过热蒸汽、饱和蒸汽或者湿蒸汽；

-空气压缩及进入地穴过程的最终状态与空气排出和涡转过程的初始状态相同，并且为非常高浓度的状态，即具有低干度的过冷液体、饱和液体或者湿蒸汽；

-在空气压缩及进入地穴/空气排出及涡转期间，辅助液体被排出膜外，遵循其兰金循环分段，然后再次进入膜内，处于使得被限制在膜内的辅助液体具有减少/增加的总体积的连续过程中，从而允许空气进入地穴/空气排出地穴；

-在空气存储在地穴期间，以及地穴中空气被排空期间，辅助液体在与先前遵循的兰金循环分段相对应的最后阶段中存储在膜内。

如上所述，辅助液体遵循的循环可具有多种设计。例如，兰金循环的冷焦点可设定为辅助液体的存储温度，以使辅助液体在空气压缩和进入地穴过程中遵循的兰金循环分段正好经过冷凝器，或者设定为更低的温度，以实现最佳的能效率，但是代价就是当电力网络出现电量过剩时(即在空气压缩和进入到地穴过程中)，必需执行涡转分段。

假设兰金循环的两个分段在初始和结束时的压强都是一样的，并且辅助液体在膜内占用的空间在空气压缩和进入地穴的过程中逐渐变小，并在空气的排出和涡转的过程中逐渐变大，地穴空气填充和排空操作在恒压下进行，一方面提高了涡轮机和压压缩机的效率，另一方面急剧地减少了对地穴的容量需求。

对地穴容量需求的降低使得通过硬岩开采，而非盐洞水溶开采开凿地穴变得可行。这以非常重要方式扩大了CAES电站的可行选址范围。此外，还使明显较低的额定功率的电站变得可行(通过在盐洞中溶盐开凿仅在实现大容量时可行)，其次它还可使地穴热绝缘。同样的，它还使采用加压罐，而非地穴成为可能。

因此，由于提供了在CAES电站中执行的过程，以高温存储空气并且采用水或者有机液体作为辅助液体成为可能，而空气存储的温度越高，整体系统效率就越高。此外，冷凝器可以利用自然冷源，如水或大气空气。

因此，结果就是布雷顿循环(空气遵循)和兰金循环(辅助液体遵循)的结合。该设计还可以利用布雷顿循环排放气体残留的热量以再蒸发并加热辅助液体，以使其遵循其兰金循环。