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

压缩气体储能时，气体需要较大的存贮装置，故而占地面积比较大，且目前城市、工业区、矿区等区域的电力用户集中、峰谷负荷差大、储能需求量迫切，为此压缩气体储能的规模逐步扩大，然而很多地区储能电站的选址和审批变得尤为困难，因地制宜开发利用地下空间建造储能电站十分必要，同时，为使峰谷负荷时能量的储存和释放得到提高，需要新的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种储能系统，其利用了地下空间，并耦合抽水蓄能模块、空气储能模块和二氧化碳储能模块，提高地下空间的利用率及储能效率。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：

储气库，具有容纳空气的第一腔室和容纳二氧化碳的第二腔室，所述储气库设置于地下空间；

抽水蓄能模块，包括上水库、下水库以及动力装置，所述动力装置能将所述下水库内的水输送至所述上水库，所述抽水蓄能模块设置于地下空间；

空气储能模块，包括空气压缩膨胀装置，所述空气压缩膨胀装置包括空气压缩机和空气膨胀机，能够利用空气的压缩和膨胀进行储能和释能，所述空气储能模块通过第一管路与所述第一腔室相连；

二氧化碳储能模块，包括二氧化碳压缩膨胀装置和气液相变装置，所述二氧化碳压缩膨胀装置包括二氧化碳压缩机和二氧化碳膨胀机，所述气液相变装置包括蒸发器和冷凝器以及二氧化碳压缩机和二氧化碳膨胀机，能够利用二氧化碳的气液相变及压缩和膨胀进行储能和释能，所述二氧化碳储能模块通过第二管路与所述第二腔室相连，所述二氧化碳储能模块包括容纳液态二氧化碳的储液装置；

其中，所述上水库通过第三管路与所述蒸发器相连，以将所述上水库的热量传递给二氧化碳。

可选的，上述储能系统中，还包括地热采集器，所述地热采集器与所述下水库相连，以加速所述下水库内的水升温。

可选的，上述储能系统中，所述空气储能模块还包括冷水装置，所述冷水装置能利用膨胀发电后的空气使给水蒸发冷却，且所述冷水装置通过第四管路与所述冷凝器相连。

可选的，上述储能系统中，所述冷水装置包括冷水塔和储水罐，所述冷水塔和所述储水罐内的水能互相流通，且所述储水罐与所述冷凝器通过所述第四管路连接，以将冷量传递给所述冷凝器，所述冷水塔通过第五管路与所述储水罐相连。

可选的，上述储能系统中，所述储气库设置有多个，每个所述储气库通过隔膜分隔为第一腔室和第二腔室。

可选的，上述储能系统中，所述空气储能模块和所述二氧化碳储能模块设置于地下空间。

可选的，上述储能系统中，所述空气储能模块还包括第一储热装置，所述第一储热装置中的储热介质用于储存热量。

可选的，上述储能系统中，所述二氧化碳储能模块还包括第二储热装置，所述第二储热装置中的储热介质用于储存热量。

可选的，上述储能系统中，所述空气储能模块包括导入管，所述导入管串联设置有第一热回收器和气液分离器,通过所述气液分离器排除热回收器排出的压缩空气中的冷凝水。

一种储能系统的方法，适用于上述的储能系统，该方法包括：

开启所述抽水蓄能模块的所述动力装置，使所述下水库的高温水进入空置的所述上水库，实现谷电时段的储能，在峰电时段，所述上水库放水推动所述动力装置发电后输送至下水库，实现释能；

开启所述空气储能模块的空气压缩膨胀装置，通过空气压缩机将压缩的空气输送至所述第一腔室，实现谷电时段的储能，在峰电时段释放所述第一腔室内的空气，并经所述空气膨胀机膨胀发电实现释能；

开启所述二氧化碳储能模块的二氧化碳压缩膨胀装置和所述冷凝器，通过二氧化碳压缩机压缩所述第二腔室释放的气态二氧化碳，气态二氧化碳压力升高，并将所述气态二氧化碳输送至所述冷凝器相变为高压液体储能，实现谷电时段储能，在峰电时段高压液体二氧化碳相变为高压气体再通过所述二氧化碳膨胀机膨胀发电实现释能，膨胀后的所述气态二氧化碳储存至所述第二腔室；

其中，释能时，上水库内的水通过第三管路被输送至蒸发器，使液体二氧化碳气化；

其中，释能时，储水罐向冷水塔顶部给水，所述空气膨胀机向所述冷水塔底部送气使给水冷却，冷却后的水返回所述储水罐储存；

其中，储能时，所述储水罐向所述冷凝器给水使二氧化碳液化，回水返回所述储水罐。

本申请提供的一种储能系统，包括抽水蓄能模块、空气储能模块、二氧化碳储能模块和储气库。储气库设置于地下空间，并具有容纳空气的第一腔室和容纳二氧化碳的第二腔室；空气储能模块在谷电时段能够利用空气的压缩进行储能，在峰电时段能够利用空气的膨胀进行释能，且空气储能模块通过第一管路与第一腔室相连；二氧化碳储能模块，在谷电时段能够利用二氧化碳的气体到液体的相变及压缩进行储能，在峰电时能够利用二氧化碳的液体到气体相变及膨胀进行释能，且二氧化碳储能模块通过第二管路与第二腔室相连；抽水蓄能模块包括上水库、下水库和动力装置，通过动力装置上水库和下水库内的水能互相流通，在谷电时段能够利用动力装置将下水库内的水输送至上水库，在峰电时段，上水库内的水推动动力装置发电，将上水库内的水输送至下水库，其中，上水库通过第三管路与蒸发器相连，为二氧化碳储能模块提供热量。

从而可见，本申请提供的储能系统实现了电力储能的多样性，且充分利用了谷电时段进行储能，峰电时段进行释能，最大化的利用了谷电的电价红利，降低设备的投资成本，提高储能收益；储气库设置在地下，且空气和二氧化碳共用一个储气库，提高了地下空间的利用率；抽水蓄能装置，设置在地下，充分利用了地热资源，提高了系统的储能效率。

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全地下布置的储能系统的示意图；

图2为半地下布置的储能系统的示意图。

1、抽水蓄能模块；

11、动力装置；12、上水库；13、下水库；14、地热采集器；

2、储气库；

21、第一腔室；211、衬砌；212、密封层；22、第二腔室；221、隔膜；

3、空气储能模块；

31、空气压缩膨胀装置；311、空气压缩机；312、空气膨胀机；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、气液分离器；34、冷水装置；341、冷水塔；342、储水罐；

4、二氧化碳储能模块；

41、二氧化碳压缩膨胀装置；411、二氧化碳压缩机，412、二氧化碳膨胀机，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、气液相变装置；431、冷凝器；432、蒸发器；433、增压泵；44、储液装置；

5、第一管路；6、第二管路；7、第三管路；8、第四管路；9、第五管路；10、第六管路；11、导入管。

具体实施方式

本申请提供了一种储能系统，其利用了地下空间，并耦合抽水蓄能模块、空气储能模块和二氧化碳储能模块，提高地下空间的利用率及储能效率。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，包括储气库2、抽水蓄能模块1、空气储能模块3和二氧化碳储能模块4，储气库2具有容纳空气的第一腔室21和容纳二氧化碳的第二腔室22；空气储能模块3能利用空气压缩膨胀装置31进行储能和释能，具体的，在谷电时段能够通过空气压缩机311将空气压缩为高压并进行储能，在峰电时段能够通过空气膨胀机312对空气膨胀发电进行释能，且空气储能模块3通过第一管路5与第一腔室21相连；二氧化碳储能模块4能够利用二氧化碳压缩膨胀装置41以及气液相变装置43进行储能和释能，具体的，在谷电时段能够利用二氧化碳压缩机411对二氧化碳加压，并通过冷凝器431的冷凝将气态的二氧化碳液化进行储能，在峰电时能够通过二氧化碳蒸发器432将液态二氧化碳气化，并通过二氧化碳膨胀机412的膨胀发电进行释能，且二氧化碳储能模块4通过第二管路6与第二腔室22相连；抽水蓄能模块1包括上水库12、下水库13和动力装置11，通过动力装置11上水库12和下水库13内的水能互相流通，在谷电时段能够利用动力装置11将下水库13内的水输送至上水库12，在峰电时段，上水库12内的水推动动力装置11发电，将上水库12内的水输送至下水库13，需要说明的是，动力装置11可以但不限于是水泵水轮机，其中，上水库12通过第三管路7与蒸发器432相连，具体的，在释能阶段，增压泵433将储液装置44内的液态二氧化碳输送至蒸发器432，并与流经蒸发器432的上水库12内的水换热发生气化，为二氧化碳的膨胀发电做准备。

从而可见，本申请提供的储能系统实现了电力储能的多样性，且充分利用了谷电时段进行储能，峰电时段进行释能，最大化的利用了谷电的电价红利，降低设备的投资成本；储气库2设置在地下，且空气和二氧化碳共用一个储气库2，提高了地下空间的利用率；抽水蓄能模块1，设置在地下，充分利用了地热资源，提高了系统的储能效率。

进一步的，储能系统还包括地热采集器14，地热采集器14与下水库13相连，以加速下水库13内的水升温。抽水蓄能模块1设置在地下空间，且下水库13所在的地层较深，也就意味着，下水库13所在位置的温度较高，采用地热采集器14与下水库13相连，通过地热采集器14吸收地层的热量，加速了下水库13内水温升高的速度，提高了抽水蓄能模块1的储能效率，除此之外，上水库12和下水库13的高度差大于100米，也提高抽水蓄能模块1的储能效率。

在其他一些可选的实施例中，下水库13也可不与地热采集器14相连，而是利用地层的温度缓慢加热下水库13内的水，为使下水库13能及时被加热，可以多建造几处小体积的下水库13，通过加热每个小水库内的水，以实现对地热的充分利用，提高储能效率。

在一可选的实施例中，空气储能模块3还包括冷水装置34，冷水装置34能利用膨胀发电的空气使给水蒸发冷却，且冷水装置34通过第四管路8与冷凝器431相连，通过第六管路10与空气膨胀机312相连。在冷凝器431内，气态的二氧化碳被冷却液化，并将液化时释放的热量传递给冷水装置34内的水，空气经膨胀做功发电后，空气通过第六管路10被输送至冷水装置34，因为空气湿度较小，即空气比较干燥，所以空气吸收冷水装置34内水蒸气而被增湿至接近饱和状态排至大气，冷水装置34内的水因蒸发而降温，以此形成二氧化碳冷凝时所需的冷却水，提高储能效率。

进一步的，冷水装置34包括冷水塔341和储水罐342，冷水塔341和储水罐342内的水能互相流通，且储水罐342与冷水塔341通过第五管路9连接，以通过冷水塔341来冷却储水罐342的给水，储水罐342通过第四管路8与冷凝器431相连，以吸收冷凝器431的热量。具体的，储水罐342内的水通过第四管路8的给水管被输送至冷凝器431，吸收二氧化碳的热量使二氧化碳冷凝，至此水温升高，升温的水通过第四管路8的回水管返回至储水罐342，通过第五管路9储水罐342的给水在冷水塔341内进行降温后，返回储水罐342内，冷水塔341的底部通过第六管路10接收来自空气膨胀机312的排气，使冷水塔341顶部喷淋下来的给水冷却，从而可见，冷水装置34内的水可以被循环的冷却加热，以提高二氧化碳的冷凝效率。

在一可选的实施例中，储气库2设置有多个，每个储气库2通过隔膜分隔为第一腔室21和第二腔室22。储气库2根据实际需求进行设置，在本申请中，储气库2设置有两个，且每个储气库2被隔膜分隔成第一腔室21和第二腔室22，隔膜外侧为第一腔室21，隔膜包裹的为第二腔室22，因为隔膜为柔性膜，所以隔膜可以自由舒张和收缩，当空气储能模块3和二氧化碳储能模块4协同运行时，例如储能阶段，空气被输送至第一腔室21，二氧化碳被从第二腔室22抽走，为保持隔膜内外的压强恒定，隔膜随之收缩，也就是说，第二腔室22减小，直至第二腔室22收缩至最小体积，此时空气充满整个储气库2，实现了空气储能模块3储能容量的最大化。在释能阶段，空气从第一腔室21释放，二氧化碳被输送至第二腔室22，直至全部二氧化碳气体被输送至第二腔室22，全部的空气被释放，此时隔膜舒张至体积最大，实现了二氧化碳释能和空气释能的最大化，提高了储能系统发电的功率，从而可见，在释能阶段，储气库2输出空气输入二氧化碳，在储能阶段，输出二氧化碳输入空气，提高了储气库2的空间利用率。需要说明的是，当储气库2建造选址为地下空间的废弃矿井时，储气库2的压力优选不超过2MPa，以避免储气库2的泄漏。

在一可选的实施例中，空气储能模块3和二氧化碳储能模块4设置于地下空间，如此提高了地下空间的利用率，减少或避免占用地面空间。

在其他可选的实施例中，当地下空间不足时，空气储能模块3和二氧化碳储能模块4中的至少一者设置在地上空间。

在一可选的实施例中，所述空气储能模块3还包括第一储热装置32，所述第一储热装置32中的储热介质用于储存热量。即第一储热装置32用于空气的压缩热量的回收和空气的复热。需要说明的是，第一储热装置32包括依次连接的第一热回收器321、第一热罐324、第一复热器322和第一冷罐323，且上述连接形成了储存热量的循环回路。此外，储热介质包括但不限于导热油、熔盐、高压水等。

在一可选的实施例中，所述二氧化碳储能模块4还包括第二储热装置42，所述第二储热装置42中的储热介质用于储存热量。即第二储热装置42用于二氧化碳的压缩热量的回收和二氧化碳的复热。需要说明的是，第二储热装置42包括依次连接的第二热回收器421、第二热罐424、第二复热器422和第二冷罐423，且上述连接形成了储存热量的循环回路。此外，储热介质包括但不限于导热油、熔盐、高压水等。

在一可选的实施例中，空气储能模块3包括导入管11，导入管11串联设置有第一热回收器321和气液分离器33。气液分离器33用于将空气内的冷凝水分离，以避免冷凝水被输送至第一腔室21，使第一腔室21内的空气尽量保持干燥，从而保持第一腔室21在释能时输出干燥空气。因为第一腔室21为在现有的地下空间内进行了衬砌211和密封层212的铺设，并围成了封闭的空间，所以第一腔室21难以进行人工除湿，为此必须在压缩空气进入第一腔室21之前通过气液分离器33除水。

本申请提供了一种储能系统的方法，该方法适用于上述储能系统，具体包括：

开启抽水蓄能模块1的动力装置11，将下水库13的高温水输送至空置的上水库12，将电能转换为势能，以此实现谷电时段的储能，在峰电时段，上水库12放水推动动力装置11发电后将上水库12内的水输送至下水库13，将势能转换为电能，以此实现释能；

开启空气储能模块3的空气压缩膨胀装置31，通过空气压缩机311将压缩的空气输送至第一腔室21，实现谷电时段的储能，在峰电时段，释放第一腔室21内的空气，并经空气膨胀机312膨胀发电实现释能；

开启二氧化碳储能模块4的二氧化碳压缩膨胀装置41和冷凝器431，通过二氧化碳压缩机411压缩气态的二氧化碳，气态二氧化碳压力升高，并将气态二氧化碳输送至冷凝器431相变为高压液体进行储能，实现谷电时段储能，在峰电时段高压液体二氧化碳经蒸发器相变为高压气体再通过二氧化碳膨胀机412膨胀发电实现释能，膨胀后的气态二氧化碳储存至第二腔室22；

其中，释能时，上水库12内的水通过第三管路7被输送至蒸发器432，使液体二氧化碳气化；

其中，释能时，储水罐342向冷水塔341顶部给水，空气膨胀机312向冷水塔341底部送气使给水冷却，冷却后的水返回储水罐342储存；

其中，储能时，储水罐342向冷凝器431给水使二氧化碳液化，回水返回储水罐342。

需要说明的是，二氧化碳储能模块4和空气储能模块3可以同时开启，以便保持储气库2的恒压，有利于提高气体(空气和二氧化碳气体)的压缩和膨胀的效率。

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。