專利名稱：風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的一體化系統(tǒng)及集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于可再生能源利用的發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的一體化系統(tǒng)及集成方法。具體說，主要利用風(fēng)電場(chǎng)過剩的剩余電力進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)能，在用電高峰時(shí)釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電。從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電的優(yōu)化利用。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是清潔的可再生能源，其發(fā)電成本低，我國(guó)風(fēng)能資源量豐富，且風(fēng)電技術(shù)較為成熟，截至2010年底我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)以4183萬千瓦超越美國(guó)成為全球第一風(fēng)電大國(guó)。 根據(jù)國(guó)家《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃《草案，2020年我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量將達(dá)1. 5億千瓦，因此未來風(fēng)電將是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的可再生能源發(fā)電方式，其發(fā)展的規(guī)模與速度，將直接關(guān)系到我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略和國(guó)家關(guān)于調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高可再生能源比例的目標(biāo)。然而，在風(fēng)電快速發(fā)展中，暴露出諸多問題，風(fēng)能作為可再生能源之一，存在間歇性和穩(wěn)定性差兩個(gè)致命的問題，在電網(wǎng)的高負(fù)荷需求時(shí)期，風(fēng)電是不可靠的，在低負(fù)荷時(shí)期卻可能發(fā)出大量電網(wǎng)難以消納的功率。這樣，大規(guī)模依賴風(fēng)能發(fā)電的電網(wǎng)可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全性與穩(wěn)定性問題，大規(guī)模風(fēng)電送出消納的矛盾日益突出，“棄風(fēng)”的問題逐漸嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來風(fēng)電企業(yè)棄電量約占應(yīng)發(fā)電總量的1/3，造成巨量的資源浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展提出雙重挑戰(zhàn)。由于風(fēng)力資源的不穩(wěn)定性，電力蓄能是制約風(fēng)電大規(guī)模利用的最主要瓶頸之一。如何利用蓄能技術(shù)將這些間歇式能源“拼接”起來， 并穩(wěn)定地輸出，是提高可再生能源比例和可再生能源大規(guī)模利用必須解決的問題。通過使用蓄能系統(tǒng)可極大地避免以上缺點(diǎn)。然而電能的儲(chǔ)蓄是困難而又昂貴的， 如使用最常用的蓄電方式-鉛酸電池，雖然其技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，然而規(guī)模、成本等因素限制了其在遠(yuǎn)程獨(dú)立程序中的應(yīng)用，其每千瓦時(shí)的成本為幾百美元，用于大功率儲(chǔ)能幾乎不可能。此外，電池維護(hù)和自放電也是與之相關(guān)的技術(shù)瓶頸，同時(shí)還會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅。壓縮空氣儲(chǔ)能(CAEQ是一種公認(rèn)的有潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能方式，它的儲(chǔ)能成本較低，對(duì)環(huán)境的污染很小。在一個(gè)典型的壓縮空氣系統(tǒng)中，在電網(wǎng)的低負(fù)荷時(shí)期，一部分電能用來驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)。壓縮的空氣儲(chǔ)存在某種特定的空間(如地下溶洞或人造的儲(chǔ)氣室等)里。然后，在用電高峰時(shí)期，壓縮的高壓空氣被釋放出來，經(jīng)過膨脹驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電。壓縮空氣蓄能系統(tǒng)要使用氣體燃料，通常是天然氣，與在壓縮空氣中燃燒以提高壓縮空氣的溫度，從而提高系統(tǒng)的效率。與傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電不同，CAES系統(tǒng)通過儲(chǔ)氣室提供壓縮空氣，減少了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的燃料需求。我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)備豐富，且分布均勻，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)質(zhì)利用，提出一種風(fēng)力發(fā)電和大規(guī)模蓄能的一體化系統(tǒng)及集成方法是非常重要的，這種系統(tǒng)當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷時(shí)，通過風(fēng)電與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成，用部分或全部的風(fēng)電驅(qū)動(dòng)多級(jí)壓氣機(jī)系統(tǒng)壓縮空氣、并將高壓空氣儲(chǔ)存起來；在用電高峰時(shí)，釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電供給電網(wǎng)。這樣的系統(tǒng)大大地提高了風(fēng)能的利用率與效益、同時(shí)也大幅提高了電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提出一種風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的一體化系統(tǒng)及集成方法，其特征在于1)首先將風(fēng)電場(chǎng)與壓縮空氣系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)；2)當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷時(shí)，通過風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)，用部分或全部的風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)多級(jí)壓氣機(jī)系統(tǒng)壓縮空氣、并將高壓空氣儲(chǔ)存于大型儲(chǔ)氣室，形成壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)；3)在用電高峰時(shí)，將大型儲(chǔ)氣室的高壓空氣釋放出來，驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電，供給電網(wǎng)；由于燃?xì)廨啓C(jī)本身就具有啟動(dòng)快、容量的特點(diǎn)，而CAES中由于壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙讲煌S，可進(jìn)一步加快燃?xì)馔钙降募迂?fù)荷速度；可實(shí)現(xiàn)在數(shù)分鐘內(nèi)啟動(dòng)加滿負(fù)荷，因此其調(diào)峰能力大、可大幅提高電網(wǎng)調(diào)峰能力和電網(wǎng)安全性；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40-60%。所述風(fēng)電場(chǎng)與壓縮空氣系統(tǒng)結(jié)合的關(guān)鍵在于風(fēng)電場(chǎng)與壓氣機(jī)的耦合作用，所述的壓氣機(jī)系統(tǒng)分為三級(jí)壓縮，每級(jí)壓比近似相等，為3-7 ；采用容積式壓縮機(jī)，各級(jí)之間通過壓氣機(jī)臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速比的不同設(shè)置來適應(yīng)整個(gè)壓氣過程中空氣容積的變化。所述風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)的組成風(fēng)電場(chǎng)1分別與壓氣機(jī)變壓器 2和電用戶11連接，壓氣機(jī)變壓器2與壓氣機(jī)系統(tǒng)3、換熱器4、地下儲(chǔ)氣室5、預(yù)熱器6和燃燒室7串聯(lián)，燃燒室7分別連接燃料罐8和燃?xì)馔钙?，燃?xì)馔钙?連接發(fā)電機(jī)10，發(fā)電機(jī)10輸出連接至電網(wǎng)11，形成風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)。所述的壓氣機(jī)系統(tǒng)由第一級(jí)壓氣機(jī)12、第一級(jí)間冷卻器13、第二級(jí)壓氣機(jī)14、第二級(jí)間冷卻器15和第三級(jí)壓氣機(jī)16串聯(lián)組成，所述壓氣機(jī)系統(tǒng)采用每級(jí)壓比為5、采用相同轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)三級(jí)壓氣機(jī)臺(tái)數(shù)為第一級(jí)壓縮機(jī)25臺(tái)，第二級(jí)5臺(tái)，第三級(jí)1臺(tái)，通過三級(jí)壓縮后，空氣由最初的1個(gè)大氣壓，變?yōu)?25個(gè)大氣壓的高壓氣體，通過換熱冷卻后，打入地下儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存。本發(fā)明的有益效果是風(fēng)能的能量轉(zhuǎn)換效益提高，能量轉(zhuǎn)換效益可以進(jìn)一步劃分為兩部分(1)調(diào)峰效益，就是CAES電站替代峰荷火力發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的節(jié)煤效益以及對(duì)電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性增強(qiáng)以及供電質(zhì)量提高帶來的效益，且可以降低投資費(fèi)用、減少排放；(2)填谷效益，由于CAES的蓄能使原來只能被丟棄的風(fēng)電得以充分利用，提高了風(fēng)電運(yùn)行效益。 相對(duì)于之前在用電低谷時(shí)風(fēng)電由于電網(wǎng)無法消納而發(fā)生棄電等浪費(fèi)現(xiàn)象，現(xiàn)在用CAES把這部分風(fēng)電貯存起來，并轉(zhuǎn)換成峰值電，能量轉(zhuǎn)換效益巨大。因而新系統(tǒng)可進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源發(fā)電的發(fā)展。


圖1是風(fēng)電壓縮空氣蓄能系統(tǒng)示意圖。圖2是壓氣機(jī)系統(tǒng)具體布置示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。圖1為風(fēng)能壓縮空氣蓄能一體化發(fā)電系統(tǒng)示意圖。風(fēng)電場(chǎng)1發(fā)出的風(fēng)電，當(dāng)在用電負(fù)荷較高、電網(wǎng)能消納時(shí)首先供給用電戶使用，在用電低谷、電網(wǎng)無法消納時(shí)，風(fēng)能發(fā)出的多余的電直接輸送給壓氣機(jī)變壓器2、再用于驅(qū)動(dòng)各級(jí)空氣壓縮機(jī)，壓氣機(jī)系統(tǒng)3由第一級(jí)壓縮機(jī)組12、第一級(jí)間冷卻器13、第二級(jí)壓縮機(jī)組14、第二級(jí)間冷卻器15和第三級(jí)壓縮機(jī)組16串聯(lián)組成、(如圖1所示，具體布置方式如圖2所示)，絕熱壓縮過程中產(chǎn)生的熱量通過換熱器4被低溫工質(zhì)(通常是冷卻水)吸收，冷卻的壓縮空氣經(jīng)過管道儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室5 中，在以上過程中，電能轉(zhuǎn)化為空氣的壓力能儲(chǔ)存起來。在電網(wǎng)處于高峰時(shí)期，儲(chǔ)存的壓縮空氣就能釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電，具體過程如下高壓的壓縮空氣從儲(chǔ)氣室5釋放出來，首先經(jīng)過預(yù)熱器6，溫度升高，與燃料罐8中的燃料混合進(jìn)入燃燒室7，燃燒室產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)馔钙?做功，與燃?xì)馔钙酵S的發(fā)電機(jī)10就開始產(chǎn)生電能，從而達(dá)到調(diào)峰的目的。為了達(dá)到調(diào)峰目的，CAES系統(tǒng)所選的壓縮空氣的壓力一般為100個(gè)大氣壓以上， 基于降低空氣壓縮耗能的考慮，本壓氣機(jī)系統(tǒng)采用多級(jí)壓縮與級(jí)間冷卻的方式布置以達(dá)到省功的效果。本壓氣機(jī)系統(tǒng)采用三級(jí)壓縮，容積式壓縮機(jī)采用近似相等的壓縮比，在3-7之間選擇。以每級(jí)壓縮比為5、最終的壓縮空氣壓力為12^ar。實(shí)施例1各級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相同的方案，三級(jí)的壓比均為5，根據(jù)壓縮比與空氣容積的變化，即壓力與體積近似成反比，從而圖2中壓縮機(jī)的數(shù)量就能夠確定如第一級(jí)壓縮機(jī)組12共25臺(tái)，經(jīng)過第一級(jí)間冷卻器 13，溫度降至常溫，再到第二級(jí)壓縮機(jī)組14共5臺(tái)，經(jīng)過第二級(jí)間冷卻器15，溫度再降至常溫，最后進(jìn)入第三級(jí)壓縮機(jī)組16共1臺(tái)，制造出符合要求的的高壓壓縮空氣，通過三級(jí)換熱冷卻后，打入地下儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存，至此，31臺(tái)空氣壓縮機(jī)全部由多余的風(fēng)電來驅(qū)動(dòng)， 風(fēng)電與壓氣機(jī)的耦合得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例2采用前兩級(jí)臺(tái)數(shù)相同、后兩級(jí)轉(zhuǎn)速相同方案，三級(jí)的壓比均為5，如第一、二級(jí)壓縮機(jī)都是5臺(tái)，其第二級(jí)轉(zhuǎn)速與第一級(jí)保持 5 1的轉(zhuǎn)速比；第三級(jí)1臺(tái)，其轉(zhuǎn)速與第二級(jí)轉(zhuǎn)速近似相等；通過三級(jí)壓縮后，空氣由最初的1個(gè)大氣壓，變?yōu)?25個(gè)大氣壓的高壓氣體，通過三級(jí)換熱冷卻后，打入地下儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存， 至此，11臺(tái)空氣壓縮機(jī)全部由多余的風(fēng)電來驅(qū)動(dòng)，風(fēng)電與壓氣機(jī)的耦合得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例3各級(jí)臺(tái)數(shù)、轉(zhuǎn)速也可自由設(shè)定，可產(chǎn)生多種臺(tái)數(shù)及轉(zhuǎn)速設(shè)定方案，三級(jí)的壓比均為5，如三級(jí)臺(tái)數(shù)比例為5 5 1、而三級(jí)轉(zhuǎn)速比例為5 :1:1; 或者三級(jí)臺(tái)數(shù)比為25 5 5、三級(jí)轉(zhuǎn)速比為5 5 1 ；但各級(jí)轉(zhuǎn)速比保持恒定比例，從而保證壓氣機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，通過這種多級(jí)壓縮，級(jí)間冷卻的方式，保證壓氣能機(jī)盡可在定溫壓縮下工作，可以降低壓氣機(jī)耗功，實(shí)現(xiàn)電能向壓縮功的高效轉(zhuǎn)化。而在風(fēng)電輸入量變化時(shí)，各級(jí)轉(zhuǎn)速將隨之同步變化，產(chǎn)生高壓空氣的量隨之變化；但各級(jí)壓比保持不變，從而保證壓氣機(jī)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行、產(chǎn)生壓力穩(wěn)定的高壓空氣。本發(fā)明可用其他的不違背本發(fā)明的思想和主要特征的具體形式來概述。因此，本發(fā)明的上述實(shí)施方案是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，并非對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限定。權(quán)利要求書指出了本發(fā)明要求保護(hù)的構(gòu)思和范圍。
而上述的說明并未全部指出本發(fā)明的范圍。因此，在與本發(fā)明的權(quán)利要求書相當(dāng)?shù)暮x和范圍內(nèi)的任何改變，都應(yīng)認(rèn)為是包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)的組成風(fēng)電場(chǎng)(1)分別與壓氣機(jī)變壓器( 和電網(wǎng)(11)連接，壓氣機(jī)變壓器( 與壓氣機(jī)系統(tǒng)C3)、換熱器(4)、地下儲(chǔ)氣室( 、預(yù)熱器(6)和燃燒室(7)串聯(lián)， 燃燒室(7)分別連接燃料罐⑶和燃?xì)馔钙?9)，燃?xì)馔钙?9)連接發(fā)電機(jī)(10)，發(fā)電機(jī) (10)輸出連接至電網(wǎng)(11)，形成風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述的壓氣機(jī)系統(tǒng)由第一級(jí)壓氣機(jī)(12)、第一級(jí)間冷卻器(13)、第二級(jí)壓氣機(jī)(14)、第二級(jí)間冷卻器(1 和第三級(jí)壓氣機(jī)(16)串聯(lián)組成。
3.一種風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的集成方法，其特征在于1)首先將風(fēng)電場(chǎng)與壓縮空氣系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)；2)當(dāng)電網(wǎng)處于用電低谷時(shí)，通過風(fēng)力發(fā)電與壓縮空氣儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)，用部分或全部的風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動(dòng)多級(jí)壓氣機(jī)系統(tǒng)壓縮空氣、并將高壓空氣儲(chǔ)存于大型儲(chǔ)氣室，形成壓縮空氣儲(chǔ)能CAES ；3)在用電高峰時(shí)，將大型儲(chǔ)氣室的高壓空氣釋放出來，驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電，供給電網(wǎng)； 由于燃?xì)廨啓C(jī)本身就具有啟動(dòng)快、容量大的特點(diǎn)，而CAES中由于壓氣機(jī)和燃?xì)馔钙讲煌S，可進(jìn)一步加快燃?xì)馔钙降募迂?fù)荷速度，可實(shí)現(xiàn)在數(shù)分鐘內(nèi)啟動(dòng)加滿負(fù)荷，因此其調(diào)峰能力大、可大幅提高電網(wǎng)調(diào)峰能力和電網(wǎng)安全性；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40-60%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的集成方法，其特征在于所述風(fēng)電場(chǎng)與壓縮空氣系統(tǒng)結(jié)合的關(guān)鍵在于風(fēng)電場(chǎng)與壓氣機(jī)的耦合作用，所述的壓氣機(jī)系統(tǒng)分為三級(jí)壓縮，每級(jí)壓比近似相等，為3-7 ；采用容積式壓縮機(jī)，各級(jí)之間通過壓氣機(jī)臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速比的不同設(shè)置來適應(yīng)整個(gè)壓氣過程中空氣容積的變化。所述壓氣機(jī)系統(tǒng)可靈活設(shè)置每級(jí)壓比及臺(tái)數(shù)，如每級(jí)壓比為5、采用相同轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)三級(jí)壓氣機(jī)臺(tái)數(shù)可為第一級(jí)壓縮機(jī) 25臺(tái)，第二級(jí)5臺(tái)，第三級(jí)1臺(tái)，通過三級(jí)壓縮后，空氣由最初的1個(gè)大氣壓，變?yōu)?25個(gè)大氣壓的高壓氣體，通過換熱冷卻后，打入地下儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于可再生能源發(fā)電利用領(lǐng)域的一種風(fēng)力發(fā)電和壓縮空氣儲(chǔ)能的一體化系統(tǒng)及集成方法。一體化系統(tǒng)主要由風(fēng)電場(chǎng)，壓氣機(jī)系統(tǒng)，儲(chǔ)氣室，燃?xì)馔钙胶桶l(fā)電機(jī)組成。將不穩(wěn)定風(fēng)電通過壓縮空氣儲(chǔ)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定、高品質(zhì)調(diào)峰電能的發(fā)電方法。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)，可將部分或全部風(fēng)電用來壓縮空氣，在用電高峰時(shí)釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電。其調(diào)峰能力強(qiáng)大、其存在對(duì)于電網(wǎng)大規(guī)模接收風(fēng)電、以及電網(wǎng)調(diào)峰能力和安全性能的提高作用巨大。同時(shí)，采用多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的方式且各級(jí)壓比近似相等、各級(jí)容量/轉(zhuǎn)速維持恒定比例，從而保證壓氣機(jī)系統(tǒng)可利用不連續(xù)風(fēng)電實(shí)現(xiàn)空氣的高效穩(wěn)定壓縮。
文檔編號(hào)F03D9/02GK102359437SQ20111026076
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者劉文毅, 張偉德, 徐鋼, 李守成, 楊勇平, 黃健 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)