本發(fā)明屬于儲(chǔ)能，涉及一種利用壓縮空氣的地下儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、目前儲(chǔ)能領(lǐng)域主要包括電池組儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能與抽水蓄能等方式。電池儲(chǔ)能規(guī)模比較靈活，主要用于電能儲(chǔ)存，壓縮空氣主要是將電能儲(chǔ)存為物理機(jī)械能，抽水蓄能通過重力儲(chǔ)能，可用于電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存。電池儲(chǔ)能制造成本高，投資大，且受到環(huán)境溫度影響較大，功能衰減快；壓縮空氣儲(chǔ)能這樣需要壓力空間體積大，還增加了工程難度與運(yùn)行成本。相比于電池組儲(chǔ)能與壓縮空氣儲(chǔ)能，抽水蓄儲(chǔ)能的容量大，設(shè)備技術(shù)成熟，且效率高，廣泛應(yīng)用于各個(gè)儲(chǔ)能場(chǎng)景中。但抽水蓄儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)用場(chǎng)地的高低落差，地質(zhì)條件等要求比較高，并且，現(xiàn)有抽水蓄儲(chǔ)能的能耗較高，增加了整體的運(yùn)行成本，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。

2、因此，如何在保證高轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，降低儲(chǔ)能運(yùn)行成本是非常重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用壓縮空氣的地下儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)及方法，通過水力壓縮空氣儲(chǔ)能，高壓空氣推動(dòng)水力發(fā)電的方式，將電能儲(chǔ)存為壓縮空氣的分子能，提高了儲(chǔ)能密度，還大大提升了能量轉(zhuǎn)化率，實(shí)現(xiàn)了空氣等溫壓縮，降低能耗。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種利用壓縮空氣的地下儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)，所述的地下儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)包括空氣壓縮單元、工質(zhì)儲(chǔ)存單元、儲(chǔ)能單元與發(fā)電單元，所述儲(chǔ)能單元分別連接所述空氣壓縮單元、工質(zhì)儲(chǔ)存單元與發(fā)電單元；所述儲(chǔ)能單元埋設(shè)于地下；所述空氣壓縮單元用于向所述儲(chǔ)能單元注入壓縮空氣；所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元用于向所述儲(chǔ)能單元提供換能介質(zhì)，注入所述儲(chǔ)能單元的壓縮空氣將換能介質(zhì)轉(zhuǎn)換為高壓介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)存；所述發(fā)電單元還連接所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元，所述儲(chǔ)能單元內(nèi)的高壓介質(zhì)進(jìn)入到發(fā)電單元轉(zhuǎn)化為低壓介質(zhì)，并流入所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元。

4、本發(fā)明利用換能介質(zhì)壓縮空氣進(jìn)行儲(chǔ)能，再利用壓縮空氣推動(dòng)換能介質(zhì)釋能發(fā)電的方式，實(shí)現(xiàn)了等溫空氣壓縮和膨脹，降低能耗，大大提高了儲(chǔ)能密度，實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)化，采用的地下式儲(chǔ)能設(shè)計(jì)，減小了占地面，安全性高，成本低。

5、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述空氣壓縮單元包括給氣管路、空氣加壓裝置與若干個(gè)供氣支路。

6、所述給氣管路連接所述空氣加壓裝置的進(jìn)口端。

7、若干個(gè)所述供氣支路并聯(lián)設(shè)置，所述供氣支路的一端連接所述空氣加壓裝置的出口端，另一端連接所述儲(chǔ)能單元。

8、所述供氣支路上設(shè)置有至少一個(gè)第一調(diào)節(jié)閥。

9、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述儲(chǔ)能單元包括埋設(shè)于地下的若干個(gè)第一密封壓力管與若干個(gè)第二密封壓力管。

10、若干個(gè)第一密封壓力管并聯(lián)設(shè)置，所述供氣支路伸入至所述第一密封壓力管的內(nèi)腔底部，所述供氣支路還通過供氣次支路分別連接若干個(gè)所述第二密封壓力管的頂部。

11、若干個(gè)第二密封壓力管并聯(lián)設(shè)置，所述第二密封壓力管通過介質(zhì)管路分別連接所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元與發(fā)電單元，所述介質(zhì)管路伸入至所述第二密封壓力管的內(nèi)腔底部。

12、所述介質(zhì)管路上設(shè)置有至少一個(gè)第二調(diào)節(jié)閥。

13、所述供氣次支路上設(shè)置有至少一個(gè)第三調(diào)節(jié)閥。

14、本發(fā)明采用埋設(shè)于地下的壓力管儲(chǔ)能，提高了壓力容器的安全系數(shù)，還降低了壓力設(shè)備的費(fèi)用，也有利于高壓的實(shí)現(xiàn)。在儲(chǔ)能時(shí)利用換能介質(zhì)直接壓縮空氣，降低空氣壓縮過程中的熱量散失，保持恒溫，節(jié)約能耗，在釋能時(shí)利用空氣直接推動(dòng)換能介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)充分接觸與換熱，利于空氣膨脹時(shí)的溫度恒定，保持膨脹勢(shì)能，維持系統(tǒng)高效運(yùn)行，還可以動(dòng)態(tài)切換調(diào)整儲(chǔ)能與釋能狀態(tài)。

15、優(yōu)選地，所述第二密封壓力管的頂部還設(shè)置有排空組件，所述排空組件用于排除第二密封壓力管內(nèi)的空氣。

16、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述發(fā)電單元包括依次連接的一級(jí)水力發(fā)電裝置、緩沖罐與二級(jí)水力發(fā)電裝置。

17、所述緩沖罐埋設(shè)于地下。

18、所述一級(jí)水力發(fā)電裝置的進(jìn)口端與出口端分別設(shè)置有進(jìn)料管路與第一出料管路，所述進(jìn)料管路分別連接若干個(gè)所述介質(zhì)管路，所述第一出料管路連接所述緩沖罐的頂部。

19、所述緩沖罐通過第二出料管路連接所述二級(jí)水力發(fā)電裝置的進(jìn)口端，所述第二出料管路遠(yuǎn)離所述二級(jí)水力發(fā)電裝置的一端伸入至所述緩沖罐的內(nèi)腔底部。

20、所述二級(jí)水力發(fā)電裝置的出口端設(shè)置有回流管路，所述回流管路遠(yuǎn)離所述二級(jí)水力發(fā)電裝置的一端連接所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元。

21、本發(fā)明中一級(jí)水力發(fā)電裝置進(jìn)行高壓頭水力發(fā)電，二級(jí)水力發(fā)電裝置進(jìn)行低壓頭水力發(fā)電，充分釋能，完成了90％以上的發(fā)電效率，大大提高了單位容積儲(chǔ)能密度。

22、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述發(fā)電單元包括調(diào)壓裝置與水力發(fā)電裝置；所述調(diào)壓裝置的進(jìn)口端與出口端分別設(shè)置有進(jìn)料管路與出料管路，所述進(jìn)料管路分別連接若干個(gè)所述介質(zhì)管路，所述出料管路連接所述水力發(fā)電裝置；所述水力發(fā)電裝置的出口端設(shè)置有回流管路，所述回流管路遠(yuǎn)離所述水力發(fā)電裝置的一端連接所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元。

23、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元包括介質(zhì)存蓄裝置與供料管路，所述介質(zhì)存蓄裝置連接所述發(fā)電單元，所述供料管路的一端連接所述介質(zhì)存蓄裝置，另一端通過供料次支路連接所述介質(zhì)管路。

24、所述供料管路上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)泵。

25、所述供料次支路上設(shè)置有至少一個(gè)第四調(diào)節(jié)閥。

26、第二方面，本發(fā)明提供了一種利用壓縮空氣的地下儲(chǔ)能方法，所述的地下儲(chǔ)能方法采用第一方面所述的利用壓縮空氣的地下儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)，所述的地下儲(chǔ)能方法包括儲(chǔ)能過程與釋能過程。

27、所述儲(chǔ)能過程包括：連通空氣壓縮單元與儲(chǔ)能單元，利用空氣壓縮單元對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，并將壓縮空氣送入儲(chǔ)能單元，直至儲(chǔ)能單元內(nèi)空氣達(dá)到第一預(yù)設(shè)壓力，關(guān)閉空氣壓縮單元，并連通工質(zhì)儲(chǔ)存單元與儲(chǔ)能單元，利用工質(zhì)儲(chǔ)存單元向儲(chǔ)能單元注入換能介質(zhì)，所述換能介質(zhì)壓縮儲(chǔ)能單元內(nèi)空氣達(dá)到第二預(yù)設(shè)壓力進(jìn)行儲(chǔ)能。

28、所述釋能過程包括：連通儲(chǔ)能單元與發(fā)電單元，使得儲(chǔ)能單元內(nèi)的壓縮空氣膨脹，換能介質(zhì)轉(zhuǎn)化為高壓介質(zhì)進(jìn)入到發(fā)電單元內(nèi)，發(fā)電單元做功發(fā)電進(jìn)行釋能，高壓介質(zhì)轉(zhuǎn)換為低壓介質(zhì)，并流向工質(zhì)儲(chǔ)存單元。

29、本發(fā)明在儲(chǔ)能時(shí)利用換能介質(zhì)與壓縮空氣充分接觸，將空氣壓縮至高壓進(jìn)行儲(chǔ)存，在釋能時(shí)利用高壓空氣推動(dòng)換能介質(zhì)進(jìn)入發(fā)電單元做功發(fā)電進(jìn)行釋放，結(jié)束做功后的低壓介質(zhì)則進(jìn)入下一個(gè)儲(chǔ)能周期，提高了儲(chǔ)能密度，實(shí)現(xiàn)了高效率發(fā)電。

30、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，在所述儲(chǔ)能過程中，所述空氣壓縮單元提供的壓縮空氣分別進(jìn)入第一密封壓力管與第二密封壓力管內(nèi)，使得第一密封壓力管與第二密封壓力管的壓力達(dá)到第一預(yù)設(shè)壓力；所述工質(zhì)儲(chǔ)存單元提供的換能介質(zhì)進(jìn)入到第二密封壓力管內(nèi)，將第二密封壓力管內(nèi)的壓縮空氣壓入第一密封壓力管內(nèi)，直至第二密封壓力管內(nèi)充滿換能介質(zhì)，第一密封壓力管內(nèi)壓力達(dá)到第二預(yù)設(shè)壓力，完成儲(chǔ)能；所述第一密封壓力管與第二密封壓力管獨(dú)立地與地下土壤進(jìn)行熱交換，使得壓縮空氣保持恒溫。

31、優(yōu)選地，所述換能介質(zhì)為水。

32、本發(fā)明通過地下布設(shè)壓力管，使得密封的壓力管管壁與周邊土壤充分熱交換，壓縮空氣在近似恒溫狀態(tài)下被壓縮至高壓，實(shí)現(xiàn)了等溫壓縮與等溫膨脹，有效地降低了能耗。

33、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述釋能過程包括依次進(jìn)行的一級(jí)釋能與二級(jí)釋能。

34、在所述一級(jí)釋能中，壓縮空氣推動(dòng)高壓介質(zhì)進(jìn)入到一級(jí)水力發(fā)電裝置內(nèi)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)一級(jí)水力發(fā)電裝置高壓做功發(fā)電，高壓介質(zhì)進(jìn)行一次降壓，并流入緩沖罐內(nèi)儲(chǔ)存。

35、在所述二級(jí)釋能中，緩沖罐內(nèi)的經(jīng)一次降壓的高壓介質(zhì)進(jìn)入到二級(jí)水力發(fā)電裝置內(nèi)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)二級(jí)水力發(fā)電裝置低壓做功發(fā)電，高壓介質(zhì)進(jìn)行二次降壓，壓力達(dá)到大氣壓后流入工質(zhì)儲(chǔ)存單元內(nèi)儲(chǔ)存。

36、本發(fā)明采用兩級(jí)釋能，依次實(shí)現(xiàn)高壓水力發(fā)電與低壓水力發(fā)電，有效地提高了能量轉(zhuǎn)化效率，使得發(fā)電效率超過90％。

37、作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選技術(shù)方案，所述的釋能過程包括：壓縮空氣推動(dòng)高壓介質(zhì)進(jìn)入到調(diào)壓裝置內(nèi)，對(duì)高壓介質(zhì)進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，隨后送入水力發(fā)電裝置內(nèi)做功發(fā)電，使得高壓介質(zhì)的壓力達(dá)到大氣壓后流入工質(zhì)儲(chǔ)存單元內(nèi)儲(chǔ)存。

38、本發(fā)明在釋能過程中預(yù)先調(diào)節(jié)高壓介質(zhì)的壓力，使其能夠安全驅(qū)動(dòng)水利發(fā)電裝置進(jìn)行做功發(fā)電，大大提高了能量轉(zhuǎn)換效果。

39、本發(fā)明所述的數(shù)值范圍不僅包括上述例舉的點(diǎn)值，還包括沒有例舉出的上述數(shù)值范圍之間的任意的點(diǎn)值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點(diǎn)值。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

41、本發(fā)明提供的一種利用壓縮空氣的地下儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)及方法采用地下布設(shè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)等溫壓縮和膨脹，降低了能耗，且具有較高的安全性，通過水力壓縮空氣儲(chǔ)能，提高儲(chǔ)能空氣壓力，儲(chǔ)能密度大，整體能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到90％以上，實(shí)現(xiàn)了高效率的發(fā)電。