压缩空气储能耦合电化学储能的系统及方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统及方法。

背景技术

在“碳达峰、碳中和”背景下，电力系统发展呈现高比例可再生能源、高比例电力电子设备的特点，需要大量储能支撑。压缩空气储能与电化学储能均为当前受到广泛关注的热门储能技术，具有广阔发展前景，且各具优势：压缩空气储能容量大、成本低，适用于长时储能；电化学储能效率高、响应快，技术成熟度高。

我国新能源资源主要分布在西部与北部。其中，太阳能分布“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”，青藏高原最为丰富；风能资源主要分布在沿海及岛屿地区和三北地区。这些区域的气候相对偏冷，新能源配置储能可能会遭遇极端低温天气。

低温下电化学反应不活跃是电池冬季电量降低的主要原因。环境温度过低时，电解液黏度增大甚至部分凝固，使得锂离子脱嵌运动受阻，电导率降低，最终引起了容量减少。低温下使用锂电池也易因锂晶枝生长而对电池造成不可逆的容量损伤，并形成潜在危险。因此，电化学储能的热管理不仅需要考虑防超温散热，也要考虑防低温加热。

因此，亟需设计一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统及方法，来解决以上技术问题。

发明内容

本发明的第一目的在于提出一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统，提高电池的安全性能，提高系统的能量的利用效率，节约成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统，该压缩空气储能耦合电化学储能的系统包括第一压缩机组件、第一换热器组件、储气罐、第一储液罐、第二储液罐、第一膨胀机组件、第二换热器组件和电池热管理组件；

沿气体流通方向，所述第一压缩机组件、所述第一换热器组件、所述储气罐、所述第二换热器组件、所述第一膨胀机组件依次连通且流通气体介质；

沿液体流通方向，所述第一储液罐、所述第一换热器组件、所述第二储液罐、所述第二换热器组件构成闭合回路且流通液体介质；

所述电池热管理组件与所述第一储液罐连通；

或，所述电池热管理组件与所述第二储液罐连通；

或，所述电池热管理组件与所述第一换热器组件和/或所述第二换热器组件连通，所述电池热管理组件用于对储能电池进行加热或冷却。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述压缩空气储能耦合电化学储能的系统包括第一三通阀，所述第一三通阀的第一端口与所述第一压缩机组件连通，所述第一三通阀的第二端口与所述第一换热器组件连通，所述第一三通阀的第三端口与所述电池热管理组件连通。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述压缩空气储能耦合电化学储能的系统包括第二三通阀，所述第二三通阀的第一端口与所述第一膨胀机组件连通，所述第二三通阀的第二端口与所述第二换热器组件连通，所述第二三通阀的第三端口与所述电池热管理组件连通。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述第二换热器组件与所述第一储液罐之间连通有散热器或余热回收装置。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述第一压缩机组件包括多个第一压缩机，所述第一换热器组件包括多个第一换热器，所述第一压缩机和所述第一换热器交替设置并连通。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述第一膨胀机组件包括多个第一膨胀机，所述第二换热器组件包括多个第二换热器，所述第一膨胀机和所述第二换热器交替设置并连通。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述电池热管理组件与所述第一储液罐之间设置有第一阀门。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述电池热管理组件与所述第二储液罐之间设置有第二阀门。

作为一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统的可选技术方案，所述气体介质包括空气，所述液体介质包括水。

本发明的第二目的在于提出一种压缩空气储能耦合电化学储能的方法，所述压缩空气储能耦合电化学储能的方法应用于以上所述的压缩空气储能耦合电化学储能的系统，所述压缩空气储能耦合电化学储能的方法包括以下步骤：

该方法能够提高电池的安全性能，节约成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的方法，包括以下步骤：

根据环境温度与储能电池运行工况，电池热管理组件判断储能电池的实际温度是否处于预设工作温度区间；

若储能电池需要加热或降温，则打开与电池热管理组件连通的阀门，同时监控储能电池的温度，加热或降温至储能电池的预设温度区间内并关闭阀门；

若储能电池不需要加热或降温，则保持与电池热管理组件连通的阀门关闭。

本发明的有益效果至少包括：

本发明提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统，该压缩空气储能耦合电化学储能的系统包括第一压缩机组件、第一换热器组件、储气罐、第一储液罐、第二储液罐、第一膨胀机组件、第二换热器组件和电池热管理组件。沿气体流通方向，第一压缩机组件、第一换热器组件、储气罐、第二换热器组件、第一膨胀机组件依次连通且流通气体介质。沿液体流通方向，第一储液罐、第一换热器组件、第二储液罐、第二换热器组件构成闭合回路且流通液体介质。电池热管理组件与第一储液罐连通；电池热管理组件用于对储能电池进行加热或冷却。通过将压缩空气储能系统与电化学储能系统相互耦合匹配，利用液体作为储能电池热管理介质时，可以利用压缩空气储能中运行产生的余热，提高能量利用率，进而节约能源成本，提高储能电池的安全性能。

本发明还提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的方法，该方法能够提高电池的安全性能，节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一所提供的压缩空气储能耦合电化学储能的系统的流程示意图；

图2为本发明实施例二所提供的压缩空气储能耦合电化学储能的系统的流程示意图。

附图标记

10、电池热管理组件；

100、第一压缩机；200、第一换热器；300、储气罐；400、第一储液罐；500、第二储液罐；600、第一膨胀机；700、第二换热器；800、散热器；900、第一三通阀；910、第二三通阀。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统，该压缩空气储能耦合电化学储能的系统主要包括第一压缩机组件、第一换热器组件、储气罐300、第一储液罐400、第二储液罐500、第一膨胀机组件、第二换热器组件和电池热管理组件10。沿气体流通方向，第一压缩机组件、第一换热器组件、储气罐300、第二换热器组件、第一膨胀机组件依次连通且流通气体介质。沿液体流通方向，第一储液罐400、第一换热器组件、第二储液罐500、第二换热器组件构成闭合回路且流通液体介质。示例性地，本实施例中的气体介质可以为空气，液体介质可以为水。电池热管理组件10与第一储液罐400连通；电池热管理组件10用于对储能电池进行加热或冷却。

基于以上设计，在本实施例中，气体经过第一压缩机组件压缩后进入第一换热器组件中与第一储液罐400流进第一换热器组件中的低温液体进行换热，从而使得降低气体的温度，低温气体进入储气罐300中，经过第一换热器组件换热后的液体进入第二储液罐500中。示例性地，本实施例中的第一储液罐400用于存储低温液体，第二储液罐500用于存储高温液体。第二储液罐500中的高温液体流进第二换热器组件中，储气罐300内的低温气体流进第二换热器组件与高温液体进行换热，使得液体温度降低后进入第一储液罐400中循环利用，低温气体换热后变成高温气体并进入第一膨胀机组件进行做功对外发电。

电池热管理组件10与第一储液罐400之间设置有第一阀门，第一阀门用于控制第一储液罐400内的低温液体进入电池热管理组件10中，电池热管理组件10内置控制器，且控制器与第一阀门信号连接，当电池热管理组件10检测到储能电池的温度高于或者低于预设温度区间时，控制器能够控制第一阀门打开，使得第一储罐内的低温液体能够流动至储能电池并对其进行加热或冷却，以使储能电池的实际温度达到预设温度区间内，则控制器控制第一阀门关闭。通常，储能电池的预设温度区间在15℃～35℃之间，第一储液罐400内的低温液体温度在20℃～35℃之间，使得压缩空气储能系统与电化学储能系统相互耦合匹配，也就是说，利用水作为储能电池热管理介质时，可以利用压缩空气储能中运行产生的余热，进而节约能源成本，提高储能电池的安全性能。

如图1所示，在本实施例中，第二换热器组件与第一储液罐400之间连通有散热器800或余热回收装置，这样能够将进入第一储液罐400之前液体多余的热量散去或回收再利用，使得进入第一储液罐400内的液体温度符合要求。示例性地，散热器800可以设置为风扇。

在一些可选的实施方式中，第一压缩机组件包括多个第一压缩机100，第一换热器组件包括多个第一换热器200，第一压缩机100和第一换热器200交替设置并连通。第一膨胀机组件包括多个第一膨胀机600，第二换热器组件包括多个第二换热器700，第一膨胀机600和第二换热器700交替设置并连通。示例性地，第一压缩机100、第一换热器200、第一膨胀机600以及第二换热器700均可以设置为2个，这样能够提高第一压缩机组件对气体的压缩能力，提高第一换热器组件的换热能力。当然，设计人员能够根据实际需求灵活设置第一压缩机100、第一换热器200、第一膨胀机600以及第二换热器700的数量，此处不再过多赘述。

可选地，本实施例中的第一压缩机100为市面上常见的压缩机，第一膨胀机600可以设置为市面上常见的透平机，第一换热器200和第二换热器700可以设置为板式换热器。

可选地，本实施例中的电池热管理组件10为市面上常见的电化学储能电站中的储能电池热管理组件，即为标准件，因此对其具体结构和工作原理不做具体赘述。

本实施例还提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的方法，该方法应用于上述压缩空气储能耦合电化学储能的系统中，该方法包括以下步骤：

根据环境温度与储能电池运行工况，电池热管理组件10判断储能电池的实际温度是否处于预设工作温度区间；

若储能电池需要加热或降温，则打开与电池热管理组件10连通的阀门，同时监控储能电池的温度，加热或降温至储能电池的预设温度区间内并关闭阀门；

若储能电池不需要加热或降温，则保持与电池热管理组件10连通的阀门关闭。

具体地，当将压缩空气储能系统储热介质冷罐中工质用于电池热管理组件10时，储能电池加热可不在压缩空气储能系统运行期间执行。

该压缩空气储能耦合电化学储能的方法能够提高电池的安全性能，达到节约成本的目的。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统，该压缩空气储能耦合电化学储能的系统与实施例一的区别在于：电池热管理组件10与第一换热器组件和/或第二换热器组件连通，电池热管理组件10用于对储能电池进行加热或冷却。

具体而言，本实施例以电池热管理组件10与第一换热器组件和第二换热器组件均连通为例进行说明。也就是说，本实施例选用气体(空气)为储能电池热管理介质时，第一压缩机组件压缩后的气体和第一膨胀机组件做功发电后的气体均能够进入电池热管理组件10中并对储能电池进行加热或冷却，与现有技术相比，无需增加额外的设备获得加压空气，通过现有的压缩空气储能系统中的设备即可获得电池热管理组件10所需要的加压空气，能量合理利用，节约成本，提高储能电池的安全性。

进一步地，如图2所示，在本实施例中，压缩空气储能耦合电化学储能的系统包括第一三通阀900和第二三通阀910，第一三通阀900的第一端口与第一压缩机组件连通，第一三通阀900的第二端口与第一换热器组件连通，第一三通阀900的第三端口与电池热管理组件10连通。第二三通阀910的第一端口与第一膨胀机组件连通，第二三通阀910的第二端口与第二换热器组件连通，第二三通阀910的第三端口与电池热管理组件10连通。通过第一三通阀900和第二三通阀910的设置使得经过第一压缩机组件所加压后的气体和第一膨胀机组件做功发电后的气体均能够电池热管理组件10中，并对储能电池进行加热或冷却。

本实施中的压缩空气储能耦合电化学储能的系统的其余结构和流程与实施例一均相同，此处不再一一赘述。

实施例三

本实施例提供一种压缩空气储能耦合电化学储能的系统，该压缩空气储能耦合电化学储能的系统与实施例一的区别在于：电池热管理组件10与第二储液罐500连通，且电池热管理组件10与第二储液罐500之间设置有第二阀门。这样使得第二储液罐500内的高温液体(水)能够作为储能电池热管理介质，也就是说，当电池热管理组件10检测到储能电池的实际工作温度低于预设温度时，电池热管理组件10中的控制器打开第二阀门，使得第二储液罐500内的高温液体流进电池热管理组件10中，并对储能电池进行加热。由于第二储液罐500内的液体温度高于第一储液罐400中的液体温度，因此，本实施例中的压缩空气储能耦合电化学储能的系统主要适用于冬季或者环境温度较低(0℃以下)的场景。

本实施中的压缩空气储能耦合电化学储能的系统的其余结构和流程与实施例一均相同，此处不再一一赘述。

显然，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

注意，在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。