一种储能系统及方法

技术领域

本申请涉及储能技术领域，具体涉及一种储能系统及方法。

背景技术

海上风电是可再生能源发展的重要领域，是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施，为了提高风力发电场产生电能的利用效率，使用合适的电能储存系统极为重要。现有技术中，一般采用单一形式的电能储存系统，不利于提高综合效能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种储能系统，其利用了水下空间，并耦合了压缩空气储能模块和压缩二氧化碳储能模块，提高水下空间利用率和储能效率。另外，本申请还提供了适用于上述储能系统的方法。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种储能系统，包括：

储能设备，包括储液装置和储气装置，并设置在水下区域；

第一储能模块，包括压缩第一介质的第一压缩装置，以及膨胀第一介质的第一膨胀装置，以利用第一介质压缩和膨胀过程进行储能和释能，所述第一储能模块通过第一管路与所述储气装置相连；

第二储能模块，包括蒸发装置和冷凝装置和压缩第二介质的第二压缩装置和膨胀第二介质的第二膨胀装置，以利用第二介质的气液相变以及压缩和膨胀过程进行储能和释能，所述第二储能模块通过第二管路与所述储气装置相连，所述第二储能模块通过第三管路与所述储液装置相连；

其中，所述第一膨胀装置与所述第二储能模块通过第四管路相连，以将所述第一介质的热量传递给所述第二储能模块。

可选的，上述储能系统中，第一储能模块包括第一导入管和第一导出管，所述第一导入管路和所述第一导出管之间设置有第一储热装置，所述第一储热装置中的储热介质用于储存热能；第二储能模块包括第二导入管和第二导出管，所述第二导入管和所述第二导出管之间设置有第二储热装置，所述第二储热装置中的储热介质用于储存热能。

可选的，上述储能系统中，所述第一导入管上串联设置有第一压缩装置、气体冷却器、气液分离器。

可选的，上述储能系统中，还包括水泵，所述水泵包括第一进水管和第二进水管，所述第一进水管和所述第二进水管能分别抽取不同温度的水，所述水泵将第一进水管内的较高温度的水输送至所述蒸发装置，所述水泵将所述第二进水管内的较低温度的水分别输送至所述冷凝装置和所述气体冷却器。

可选的，上述储能系统中，所述第二导出管串联设置有所述蒸发装置、预热设备和第二膨胀装置，所述预热设备通过第四管路与所述第一膨胀装置相连。

可选的，上述储能系统中，所述第一导出管上设置有第一膨胀装置，所述第一压缩装置包括串联的多个第一压缩机，所述第一膨胀装置包括串联的多个第一膨胀机。

可选的，上述储能系统中，所述第二导入管上设置有第二压缩装置，所述第二压缩装置包括串联的多个第二压缩机，所述第二膨胀装置包括串联的多个第二膨胀机。

可选的，上述储能系统中，所述储气装置通过隔膜分隔为第一腔室和第二腔室；

其中，所述第一腔室存储所述第一介质，所述第二腔室存储所述第二介质，其中，所述第一腔室包裹在所述第二腔室的外侧。

可选的，上述储能系统中，所述储气装置为刚性结构并具有底部开口，所述开口与水连通，所述储气装置(1)内的压力为相对恒定的水压力；

或，所述储气装置为刚性闭口结构，所述储气装置(1)内的压力为相对恒定的人为控制压力；

或，所述储气装置为柔性闭口结构，所述储气装置(1)内的压力为相对恒定的水压力。

可选的，上述储能系统中，所述第二介质为二氧化碳。

一种储能系统的方法，适用于上述所述储能系统，该方法包括：

启动所述第一压缩装置，对所述第一介质增压并通过所述第一管路将增加后的所述第一介质输送至所述第一腔室，实现所述第一储能模块的储能，启动所述第一膨胀装置，并通过所述第一管路输送至所述第一膨胀装置，所述第一介质膨胀发电，实现所述第一储能模块的释能；

启动所述第二压缩装置和所述冷凝装置，将所述第二腔室内的所述第二介质压缩，并通过所述冷凝装置冷凝，并通过所述第三管路将液化的所述第二介质输送至所述储液装置存储，实现了所述第二储能模块的储能，启动所述第二膨胀装置和所述蒸发装置，液态的所述第二介质流经所述蒸发装置气化，气化的所述第二介质经所述第二膨胀装置膨胀发电，实现了所述第二储能模块的释能；

其中，所述第一介质膨胀发电后经所述第四管路被输送至所述蒸发装置，为所述第二介质的气化传递热量。

本申请提供的一种储能系统，包括储能设备、第一储能模块和第二储能模块。具体的，储能设备设置在水下区域，并包括储液装置和储气装置，第一储能模块包括第一压缩装置和第一膨胀装置，第一压缩装置将第一介质压缩为高压气体并通过第一管路将其输送至第一腔室内，该过程为电能的存储过程，第一膨胀装置将第一腔室内的第一介质进行膨胀并对外做功发电，该过程为电能的释放过程；第二储能模块包括冷凝装置、蒸发装置、压缩第二介质的第二压缩装置和膨胀第二介质的第二膨胀装置，第二压缩装置将第二腔室输送的第二介质压缩为高压气体并由冷凝装置将气态的第二介质冷凝成液态，将液态的第二介质通过第三管路输送至储液装置，该过程为电能的存储过程，储液装置内的第二介质通过第三管路进入蒸发装置进行气化，再由第二膨胀装置将第二介质膨胀为低压气体并对外做功发电，该过程为电能的释放过程，其中，第一介质膨胀做功后，第一介质升温并通过第四管路输送至第二储能模块，以将第一介质的热量传递给第二储能模块，降低了系统的能量损失，提高了储能效率。

从上述可知，第一储能模块和第二储能模块耦合储能，且在释能阶段，第一储能模块产生的热量传递给第二储能模块，提高了储能效率；储气装置的空间用于第一介质和第二介质的共享储存，在储能时，输入第一介质输出第二介质，在释能时，输出第一介质输入第二介质，提高水下空间的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的开式结构刚性容器储气库方式的系统示意图；

图2为闭式结构刚性容器或柔性容器储气库方式的系统示意图。

在图1-图2中：

1、储气装置；

11、第一腔室；12、第二腔室；

2、储液装置；

3、第一储能模块；

31、第一介质透平组件；311、第一压缩装置；312、第一膨胀装置；32、第一储热装置；321、第一热回收器；322、第一复热器；323、第一冷罐；324、第一热罐；33、凝水组件；331、气体冷却器；332、气液分离器；34、加湿器；

4、第二储能模块；

41、第二介质透平组件；411、第二压缩装置；412、第二膨胀装置；42、第二储热装置；421、第二热回收器；422、第二复热器；423、第二冷罐；424、第二热罐；43、相变组件；431、冷凝装置；432、蒸发装置；433、水泵；434、预热装置；435、液体泵；

5、第一管路；51、第一导入管；52、第一导出管；

6、第二管路；61、第二导入管；62、第二导出管；

7、第三管路；8、第四管路；9、第一进水管；10、第二进水管。

具体实施方式

本申请提供了一种储能系统，其利用了水下空间，并耦合了压缩空气储能模块和压缩二氧化碳储能模块，提高水下空间利用率和储能效率。另外，本申请还提供了适用于上述储能系统的方法。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-图2所示，本申请实施例提供了一种储能系统，包括储能设备、第一储能模块3和第二储能模块4。具体的，储能设备设置在水下区域，并包括储液装置2和储气装置1，储气设备设置在水下区域，首先节省了储气设备建造的费用，其次可以利用水压补偿作用，减少储气设备承受的压力，降低储气库的造价。需要说明的是，第一介质为空气，第一储能模块3包括第一压缩装置311和第一膨胀装置312，第一压缩装置311和第一膨胀装置312统称为空气透平组件31，第一介质透平组件31主要用于空气的压缩存储和空气的膨胀发电，为储能模块中不可或缺的一部分。第一压缩装置311将第一介质压缩为高压气体并通过第一管路5将其输送至第一腔室(11)内，该过程为电能的存储过程，第一膨胀装置312将储气装置1内的第一介质进行膨胀并对外做功发电，该过程为电能的释放过程；第二储能模块4包括冷凝装置431、蒸发装置432、膨胀第二介质的第二膨胀装置412和压缩第二介质的第二压缩装置411，第二介质位于第二腔室12，储能阶段，第二介质从第二腔室12抽出并经冷凝装置431将气态的第二介质冷凝成液态，液态的第二介质通过第三管路7输送至储液装置2，释能阶段，储液装置2内的第二介质通过液体泵435的加压抽取经过第二管路6进入蒸发装置进行气化，再由第二膨胀装置412将第二介质膨胀为低压气体并对外做功发电，从而可见，第二储能模块4通过第二介质的气液相变进行储能和释能，其中，第一介质膨胀做功后，第一介质温度升高，为避免能量的浪费，通过第四管路8将第一介质输送至第二储能模块4，以将第一介质的热量传递给第二储能模块4，降低了系统的能量损失，提高了储能效率。

从上述可知，第一储能模块3和第二储能模块4耦合储能，且在释能阶段，第一储能模块3产生的热量传递给第二储能模块4，提高了储能效率；储气装置1的空间用于第一介质和第二介质的共享储存，在储能时，输入第一介质输出第二介质，在释能时，输出第一介质输入第二介质，提高水下空间的利用率。

需要说明的是，第二介质经蒸发装置432气化后，大部分进入第一膨胀装置312膨胀做功，为维持储液装置2内的压力，小部分被输送至储液装置2。

进一步的，第一储能模块3包括第一导入管51和第一导出管52，第一导入管51和第一导出管52之间设置有第一储热装置32，第一储热装置32中的储热介质用于储存热能，具体的，第一储热装置32设置在第一压缩装置311和第一膨胀装置312之间，在储能阶段，第一压缩装置311对第一介质进行压缩后，第一介质的温度升高，并沿着第一导入管51流经第一储热装置32并与第一储热装置32进行换热，具体的，第一储热装置32吸收第一介质的热量并将该热量进行存储，在释能阶段，第一介质流经第一导出管52，第一储热装置32与第一介质进行换热，具体的，第一储热装置32将储能阶段吸收的第一介质的热量再次传递给第一介质，第一介质升温并经第一膨胀机膨胀做功后，排至第二储能模块4，为第二储能模块4供能，从而可见，第一储热装置32使第一压缩装置311工作时产生的热量得到了有效的回收和利用，提高了系统的储能效率。

需要说明的是，第一储热装置32包括第一冷罐323、第一热罐324、第一热回收器321和第一复热器322，第一储热装置32在储存热量时，储热介质从第一冷罐323流出，此时储热介质的温度较低，然后流经第一热回收器321并吸收第一介质的热量，储热介质的温度升高，随后进入第一热罐324将热量进行存储；第一储热装置32在释放热量时，储热介质从第一热罐324流出，并经第一复热器322将储热阶段存储的第一介质的热量传递给第一介质，随后进入第一冷罐323，释热阶段和储热阶段往复循环，使第一压缩装置311产生的热量得到有效的回收和利用，除此之外，储能系统由第一储能模块3、第二储能模块4以及储热装置(第一储热装置32和第二储热装置42)耦合组成了联合储能系统，提高了储能的综合能效。

第二储能模块4包括第二导入管61和第二导出管62，第二导入管61和第二导出管62之间设置有第二储热装置42，第二储热装置42中的储热介质用于储存热能。第二储热装置42包括第二冷罐423、第二热罐424、第二热回收器421和第二复热器422，其功能分别与上述的第一冷罐323、第一热罐324、第一热回收器321和第一复热器322相同。第二储热装置42与第一储热装置32的工作原理以及设置情况相同，第二储热装置42带来的有益效果与第一储热装置32的相同，在此不再赘述。

进一步的，第一导入管51上串联设置有第一压缩装置311、第一储热装置32、气体冷却器331、气液分离器332；第一导出管52上设置有第一膨胀装置312312。需要说明的是，第一介质为空气，第一导入管51与第一管路5相连构成了第一介质的储能管路，通过布置在第一导入管51上的凝水组件33，实现了空气产水以及气水分离，第一导出管52与第一管路5相连构成了第一介质的释能管路。在储能阶段，第一介质被第一压缩装置311压缩为高压气体，并将第一压缩装置311的压缩热量通过热交换传递给第一储热装置32，第一介质流经气体冷却器331后，部分第一介质液化，随后全部第一介质进入气液分离器332，在此分离出液态的淡水，被输送给需水设备及人员，节约了水资源，气态的第一介质被输送至储气装置1进行能量存储，从而可见，第一储能模块3功能多样化。

更进一步的，还包括水泵433，水泵433包括第一进水管9和第二进水管10，第一进水管9和第二进水管10能分别抽取不同温度的水，水泵433将第一进水管9内的水输送至蒸发装置432，水泵433将第二进水管10内的水分别输送至冷凝装置431和气体冷却器331。因为不同水位线上海水的温度不同，所以水泵433的第一进水管9和第二进水管10，通过抽取不同水位线上的海水，使得第一进水管9和第二进水管10内的海水的温度不同，在本申请中，第一进水管9抽取较浅区域的海水，海水温度温度相对较高，例如温度为16°，将该温度的海水送至蒸发装置432，并将热量传递给液态的第二介质，第二介质吸热变为气态，从而可见，利用现有的海域条件实现了第二介质的气液相变，从而提高第二模块的储能效率；第二进水管10抽取较深区域的海水，海水温度温度相对较低，例如温度为4°，将该温度的海水分别输送至冷凝装置431和气体冷却器331，冷凝装置431为第二介质液化的设备，以将液态的第二介质存储于储液装置2，气体冷却器331将气态的第一介质中的水分部分液化，从而分离出淡水，以供所需人员和设备使用，上述第二介质的存储和水的分离，充分利用海水不同深度的温差，将深层较低温度的海水用于第二介质冷凝，将浅层较高温度的海水用于第二介质蒸发，提高了储能效率。

在一可选的实施例中，第二导出管62串联设置有蒸发装置432、预热设备434和第二膨胀装置412，预热设备434通过第四管路8与第一膨胀装置312相连；第二导入管61上设置有第二压缩装置411411。需要说明的是，第二导入管61与第二管路6相连构成了储能管路，第二导出管62与第三管路7相连构成了释能管路，第二储能模块4通过分布在第二导入管61和第二导出管62上的相变组件43，实现了第二介质的气液相变的储能。预热设备434通过第四管路8与第一膨胀装置312相连，具体的，第一膨胀装置312对第一介质膨胀做功，第一介质温度升高，升温的第一介质通过第四管路8将热量传递给位于第二储能模块4的预热设备434，从而可见，第一储能模块3的产热被有效回收和利用，提高了储能效率。

在其他一些可选的实施例中，第一膨胀装置312也可与蒸发装置432相连，也就是说，将第一膨胀装置312的产热输送至蒸发装置432，用以协助第二介质的蒸发过程。

在一可选的实施例中，第一压缩装置311包括串联的多个第一压缩机，第一膨胀装置312包括串联的多个第一膨胀机。第一介质流经多个串联的第一压缩机，意味着，第一介质经过了多级压缩，第一介质被压缩的次数越多，第一介质的压力越高，越利于能量的存储，即提高了储能效率。第一膨胀装置312包括多个串联的第一膨胀机，意味着，第一介质经过了多级膨胀，第一介质被膨胀的次数越多，第一介质膨胀做功越多，即发电越多，有利于储能装置的释能发电。

在一可选的实施例中，第二压缩装置411包括串联的多个第二压缩机，第二膨胀装置412包括串联的多个第二膨胀机。第二介质流经多个串联的第二压缩机，意味着，第二介质经过了多级压缩，第二介质被压缩的次数越多，第二介质的压力越高，越利于能量的存储，即提高了储能效率。第二膨胀装置412包括多个串联的第二膨胀机，意味着，第二介质经过了多级膨胀，第二介质被膨胀的次数越多，第二介质膨胀做功越多，即发电越多，有利于储能装置的释能发电。需要说明的是，第二压缩装置411和第二膨胀装置412总称为第二介质透平组件41，第二介质透平组件41主要用于第二介质的压缩存储和第二介质的膨胀发电，为储能模块中不可或缺的一部分。

在其他一些可选的实施例中，综合考虑储能系统的建设造价，第一压缩装置311可以只包括一个第一压缩机或者包括并联的多个第一压缩机，第一膨胀装置312可以只包括一个第一膨胀机或并联的多个第二压缩机；第二压缩装置411可以只包括一个第二压缩机或并联的多个第二压缩机，第二膨胀装置412可以只包括一个第二膨胀机或并联的多个第二膨胀机。

在一可选的实施例中，储气装置1通过隔膜分隔为第一腔室11和第二腔室12；其中，第一腔室11存储第一介质，第二腔室12存储第二介质，其中，第一腔室11包裹在第二腔室12的外侧。本申请中，储气装置1位于水下位置，储气装置1被隔膜分隔成两个储气室，分别为第一腔室11和第二腔室12，且第一腔室11包裹在第二腔室12的外侧，第一介质存储于第一腔室11，第二介质存储于第二腔室12，也就是说，第一介质和第二介质占用同一个储气库，一库两用，节省了储气装置1水下的占位，节省了储气装置1的造价。需要说明的是，第二腔室12由隔膜围成，所说第二腔室12可以舒张和收缩。

在其他可选的实施例中，储气装置1可以通过隔膜分为多个腔室，储气装置1也可以包括多个储气库，多个储气库再被隔膜分为多个腔室。

在一可选的实施例中，储气装置1为刚性结构，并具有允许水流入且第一介质不流出的开口，开口与水连通。具体的，开口开设置储气装置1的底部，储气装置1被隔膜分为第一腔室11和第二腔室12，第一腔室11内为第一介质，第二腔室12内为第二介质，第一腔室11包裹在第二腔室12的外侧，且第一腔室11具有与水连通的开口。需要说明的是，本实施例中的水指的是海水，由于第二腔室12为隔膜分割而出，所以第二腔室12可舒张和收缩。

在储能的初始状态，海水位于第一腔室11并占据着第一介质的空间，第二腔室12内为第二介质，此时第二介质的压力与位于第一腔室11内的海水的静水压力相等，在储能阶段，第二储能模块4先于第一储能模块3启动，为第一介质的存储做准备，也就是说，首先将第二腔室12内的第二介质输送至储液装置2，更多的海水进入第一腔室11，第二腔室12被海水压缩，直至第二腔室12内第二介质全部抽离，此时，海水占据着整个储气装置1的空间，此时启动第一储能模块3，第一储能模块3将第一介质输送至第一腔室11，随时第一储能模块3的运行，第一介质将海水排至大海，第一介质最终占据了整个储气装置1的空间，实现了第一介质的最大化储能，提高了储能效率。同时，被抽离的第二介质被液化存储，液化存储的介质具有更高的能量密度。

第二储能模块4也可与第一储能模块3同时运行，此时需保持抽离第二腔室12的第二介质与输送进入第一腔室11的第一介质的立方数相同。

在释能阶段，第一储能模块3要先于或同时与第二储能模块4运行，此外，第一储能模块3内的介质为空气，空气经膨胀做功之后还有余热，为避免能量的浪费，将第一介质通过第四管路8输送至第二储能模块4，为第二储能模块4传递热量。

在其他可选时实施例中，储气装置1为刚性闭口结构，此时储气装置1内的压力相对恒定且人为控制，也就是说，第一腔室和第二腔室内的压力保持恒定，且压力大小与人工输送进入储气装置1的量相关，或储气装置1为柔性闭口结构，此时储气装置1内的压力为相对恒定的静水压力。刚性闭口结构或柔性闭口结构的储气装置1在储能模块运行时，与上述储气装置1为开口刚性结构的储能模块运行的情况唯一不同的是，闭口结构(刚性闭口结构和柔性闭口结构)内的空气需要首先利用加湿器34进行加湿处理，以提高空气膨胀做功的能力。因此刚性闭口结构或柔性闭口结构的储气装置1的储能模块运行，在此不再赘述。

在一可选的实施例中，第二介质为二氧化碳。在双碳背景下，大力发展二氧化碳储能技术，把二氧化碳变废为宝具有重要意义。在本申请中，将二氧化碳封闭在储气装置1和储液装置2中，既减少了大气污染，又存储了能量，且二氧化碳具有储能效率高、安全环保以及单位成本低等优势，因此，选用二氧化碳进行能量的储存既有利于节省造价还有利于环境优化，更有利于能量储存。

一种储能系统的方法，适用于上述所述储能系统，该方法包括：

启动所述第一压缩装置311，对所述第一介质增压并通过所述第一管路5将增加后的所述第一介质输送至所述第一腔室11，实现所述第一储能模块3的储能，启动所述第一膨胀装置312，并通过所述第一管路5输送至所述第一膨胀装置312，所述第一介质膨胀发电，实现所述第一储能模块3的释能；

启动所述第二压缩装置411和所述冷凝装置431，将所述第二腔室12内的所述第二介质压缩，并通过所述冷凝装置431冷凝，并通过所述第三管路7将液化的所述第二介质输送至所述储液装置2存储，实现了所述第二储能模块4的储能，启动所述第二膨胀装置412和所述蒸发装置432，液态的所述第二介质流经所述蒸发装置432气化，气化的所述第二介质经所述第二膨胀装置412膨胀发电，实现了所述第二储能模块4的释能；

其中，所述第一介质膨胀发电后经所述第四管路8被输送至所述蒸发装置432，为所述第二介质的气化传递热量。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

应当理解，本申请实施例描述中所用到的限定词“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”仅用于更清楚的阐述技术方案，并不能用于限制本申请的保护范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。