一种重力压缩空气储能系统及其工作方法
技术领域
本发明属于能量存储技术领域，具体涉及一种重力压缩空气储能系统及其工作方法。
背景技术
近年来，在国家政策支持和技术不断进步下，风电、光伏等新能源迅猛增长。新能源在大发展的同时，其装机规模远远超过了当地的消纳能力，造成部分地区较高的弃风和弃光率，且大型能源基地中的风电、光伏等可再生能源具有间歇性、波动性等特征，造成电网调节、抗干扰能力不断下降，给新能源的消纳上网及电网的稳定运行带来一系列的重大挑战。在波动性发电达到如此高比例的情况下，保证电力供应与需求之间的实时平衡更具挑战性。近年来储能技术得到大力发展，储能技术可用来解决常规电力负荷率低、电网利用率低、可再生能源间歇性和波动性、分布式区域功能系统的负荷波动性性大和可靠性低、部分电厂调峰能力低等问题，从而保证电网稳定、提高新能源的利用比例、起到调峰调频、削峰填谷的作用。
大规模的储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能和重力储能。其中，重力储能的运行原理是：当储能时，采用电力驱动将岩块等重物转移至高处，将电能转化为岩块的重力势能；当释能时，再将岩块等重物从高处放到低处，驱动发电机发电，将重力势能重新转化为电能。它的优点在于：系统模块化(可实现大规模储能)、储能效率高(80％-90％)、响应时间短、运行时间长(30-50年)、建造成本低、布置灵活。但是它也存在一些缺点，比如能量密度低(0.2-0.4Wh/kg)、单位模块功率小、占地面积较大。压缩空气储能的原理主要是，在电力多余的时候，储能系统消耗电能将空气压缩并储存在储气室中保存，这样就可以将电能转化为压缩空气；当电力短缺时，释放储气室中的高压空气，然后进入燃烧室利用燃料燃烧加热升温后，驱动透平发电。它的主要优点在于：装机容量大(100MW以上)、建设和运行成本低、运行时间长(30-50年)、储能周期不受限制、能量密度高。缺点主要在于：它需要依赖大型地下储气洞穴、传统压缩空气储能技术效率稍低。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种重力压缩空气储能系统及其工作方法，将两种储能方式结合，兼具了压缩空气储能能量密度高和重力储能布置灵活的优点，能够保证电网稳定，起到调峰调频、削峰填谷的作用。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种重力压缩空气储能系统，包括空气压缩单元、空气膨胀单元、储气室、重块和发电机；
空气压缩单元进口连接有进气装置，空气压缩单元出口通过储能管路与储气室进口连接，储气室出口通过释能管路与空气膨胀单元进口连接，空气膨胀单元出口与发电机连接；储能管路与释能管路之间设有热交换单元；
重块设置在储气室上部且与储气室构成活塞-气缸系统，重块与储气室之间设有密封装置。
优选地，热交换单元包括储热装置和换热装置，储能管路和释能管路上均设有储热装置，储热装置之间设有若干换热装置。
优选地，储能管路上设有废热利用换热器。
优选地，密封装置为活塞密封圈。
优选地，重块为圆柱体，材质为混凝土或铅。
优选地，空气压缩单元包括若干级空气压缩机；空气膨胀单元包括若干级膨胀机。
优选地，释能管路上设有流量检测装置、压力检测装置和调节阀，流量检测装置、压力检测装置和调节阀均分别与重力压缩空气储能系统的控制单元连接。
优选地，储气室在竖直方向与水平面垂直。
本发明公开了上述重力压缩空气储能系统的工作方法，包括：
储能时，关闭释能管路，开启储能管路，空气通过进气装置进入空气压缩单元压缩后成为压缩空气，产生的热量存储在热交换单元，压缩空气经储能管路进入储气室，储气室体积增大，重块被压缩空气恒压抬升，将电能转化为压缩空气能和重块的重力势能；
释能时，开启释能管路，关闭储能管路，重块下降，储气室体积减小，压缩空气经热交换单元加热后，再经释能管路进入空气膨胀单元恒压做功，带动发电机发电，将压缩空气能和重块的重力势能转化为电能。
优选地，在电网用电低谷期进行储能，在电网用电高峰期进行释能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种重力压缩空气储能系统，通过空气压缩单元、空气膨胀单元、储气室、重块和发电机，将压缩空气储能和重力储能两种方式相结合，相较于单独的压缩空气储能系统，本发明的重力压缩空气储能系统的储气室压力恒定，减少了调节压节流损失，膨胀机效率高、储气室压缩空气的储能密度高；储气室容积显著降低，为常规压缩空气储能电站的15％左右，可灵活布置，不受地形限制；相较于单独的重力储能系统，本发明的重力压缩空气储能系统的能量释放来源于压缩空气和重物压块两者的结合，而独立的重力储能仅来源于重块，因此相较而言，本发明的重块的重量可以大为减轻，极大地降低了系统成本。同时，系统内设置的热交换单元，在储能阶段，能够吸收和存储空气压缩时释放的热量，在释能阶段进行释放，加热压缩空气，提高膨胀做功的效率，减少了能量消耗，节约了能源。本发明的重力压缩空气储能系统，巧妙的结合了重力储能和常规压缩空气储能的方式，克服了各自的缺点，具有大容量、低成本，单位容量造价低、长寿命、高效率、安全性强(重块和高压储气室布置在地下，安全性好)、调节速度快(具有跟常规压缩空气储能相同的调节速度)、对环境影响小(不会对地质结构造成大的影响)、布置灵活的优点(较少受地形和地质条件限制，可灵活布置)等优点，能够保证电网稳定，起到调峰调频、削峰填谷的作用。
进一步地，储能管路上设有废热利用换热器，能够将空气压缩产生的多余热量输出系统进行综合利用，节约能源。
进一步地，重块为圆柱体，便于制造，且该形状的周向密封易于实现，材质采用混凝土或铅，密度高，能够减小体积，且成本低廉。
进一步地，在释能管路上设置流量检测装置、压力检测装置和调节阀，能够检测释能管路中的气体参数，并通过控制单元控制系统的运行速度，进而调整系统的输出功率，满足不同情况下的需求。
本发明公开了上述重力压缩空气储能系统的工作方法，在储能时，重块被压缩空气恒压抬升，从而将电能转化为压缩空气能和重块的重力势能；释能时，重块下降并让压缩空气恒压做功，将压缩空气储存的能量和重块的重力势能重新转化为电能。操作简便、安全灵活、节约能源，能够有效的起到调峰调频的作用。
附图说明
图1为本发明的重力压缩空气储能系统的整体结构示意图。
图中：1-空气压缩单元，2-空气膨胀单元，3-储热装置，4-换热装置，5-废热利用换热器，6-储气室，7-重块，8-密封装置，9-发电机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图1为本发明的重力压缩空气储能系统，包括空气压缩单元1、空气膨胀单元2、储气室6、重块7和发电机9；
空气压缩单元1进口连接有进气装置，空气压缩单元1出口通过储能管路与储气室6进口连接，储气室6出口通过释能管路与空气膨胀单元2进口连接，空气膨胀单元2出口与发电机9连接；储能管路与释能管路之间设有热交换单元。
重块7设置在储气室6上部且与储气室6构成活塞-气缸系统，重块7与储气室6之间存在一定间隙，可以保证重块7可以有效且稳定地上下移动。重块7与储气室6之间设有密封装置8，密封装置8可以是活塞密封圈，可以承受相应的气压并保持不漏气。重块7为圆柱体，材质采用混凝土或铅，或者采用其它多组分废弃金属熔炼制造。储气室6在竖直方向与水平面垂直。
热交换单元包括储热装置3和换热装置4，储能管路和释能管路上均设有储热装置3，储热装置3之间设有若干换热装置4。储热装置3可以采用储热罐，换热装置4可以采用换热器，同时也可以将其它系统的废热引入换热装置4进行综合利用。储能管路上设有废热利用换热器5，能够将空气压缩产生的多余热量输出系统进行综合利用。
空气压缩单元1可以根据实际需要设置若干级空气压缩机；空气膨胀单元2可以根据实际需要设置若干级膨胀机。
释能管路上设有流量检测装置、压力检测装置和调节阀，流量检测装置、压力检测装置和调节阀均分别与重力压缩空气储能系统的控制单元连接，能够对系统的关键参数进行实时监测和控制。
上述重力压缩空气储能系统在工作时：
电网用电低谷期，系统进行储能，关闭释能管路，开启储能管路，空气通过进气装置进入空气压缩单元1压缩后成为压缩空气，产生的热量存储在热交换单元，压缩空气经储能管路进入储气室6，储气室6体积增大，重块7被压缩空气恒压抬升，将电能转化为压缩空气能和重块7的重力势能；
电网用电高峰期，系统进行释能，开启释能管路，关闭储能管路，重块7下降，储气室6体积减小，压缩空气经热交换单元加热后，再经释能管路进入空气膨胀单元2恒压做功，带动发电机9发电，将压缩空气能和重块7的重力势能转化为电能。
下面以一个具体实施例对本发明进行进一步的解释说明：
规模为60MW/300MWh的重力压缩空气储能系统的储气室压力为12.3MPa，储气室6宽度约为20m，重块7直径为20m，重块7质量约为39万吨。采用3级空气压缩单元1和2级空气膨胀单元2，重力压缩空气储能系统在工作时，可保持压缩空气储能系统中的储气室工作时压力保持恒压，减少了调节压节流损失。由于减少了调压节流损失，压缩膨胀过程的储能效率可达70.5％，考虑系统损耗后，全厂的储能效率可达63％(压缩机压比降低，出口恒压无需改变工况，压缩机效率提高)。由于采用恒压方式，同时重物压块参与储能，重力压缩空气储能系统的储能密度可达20.13KWh/m3(144Wh/kg)，为了实现5h储能，储气室容积仅为1.5万m3，并可大大降低重块7的质量，降至39万吨。具有大容量(可>100MW)、低成本(单位千瓦造价可<6000元/KW，单位容量造价可<2000元/KWh)、长寿命(使用寿命可达30～50年)、高效率(系统效率可>65％)、安全性强(重块和高压储气室布置在地下，安全性好)、调节速度快(具有跟常规压缩空气储能相同的调节速度)、对环境影响小(不会对地质结构造成大的影响)、布置灵活的优点(较少受地形和地质条件限制，可灵活布置)等优点。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
