液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统及其发电方法与流程

本发明涉及一种液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统及其发电方法。

背景技术：

1、在构建新型电力系统中，长时储能系统愈发得到重视，其中就包含液流电池储能系统和压缩空气储能系统。

2、液流电池储能系统：液流电池主要利用正负极两侧溶液中活性物质的氧化还原反应来实现充放电。系统主要由电堆、电解液储罐和循环泵组成。电解液储存在电堆外部的电解液储罐中，通过循环泵输送至电堆内部，在电极处进行氧化还原反应，反应后的活性物质随着电解液流回电解液储罐。液流电池利用液体的流动来储存与释放能量，此部分需要循环泵持续运行，循环泵电源可来自于电网，若外部电网故障时，液流电池将无法自启动，释放存储的能量；循环泵电源也可取自柴油发电机或其它独立电源，此时存在环境污染或配置过于冗杂低效。另外电堆进行氧化还原反应时将产生大量的热量，需要大功率的制冷系统平衡，从而进一步降低了系统发电效率。

3、压缩空气储能系统：在存储能量时，利用压缩机消耗电能，将空气压缩并存于储气室中；在释放能量时，高压空气从储气室释放，驱动涡轮发电。压缩空气过程将有热量释放出来，而空气膨胀时将需要吸收热量，此部分热量由外部燃料燃烧提供，存在环境污染的情况，不符合低碳减排的目标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统及其发电方法，将液流电池与压缩空气储能进行优势互补，废热废冷综合利用，既可以提高系统的灵活性，又可提高效率和经济性。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统，包括压缩空气存储单元和液流电池单元；所述的液流电池单元主要由电堆、电解液储罐、循环泵和变流器组成，电解液储罐通过循环泵与电堆连接，电堆与变流器连接；其特征在于：还包括空压机、第一级热交换器、第二级热交换器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、发电机、压缩空气废热存储单元、低温空气储存单元和汇流母线；空压机与压缩空气存储单元连接，压缩空气存储单元与第一级热交换器的冷相流道连接，第一级热交换器的冷相流道与第二级热交换器的冷相流道连接，第二级热交换器的冷相流道与第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的进气口连接；第一透平膨胀机与发电机连接，第二透平膨胀机与循环泵连接；第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的出气口与低温空气储存单元连接，低温空气储存单元与液流电池单元连接；液流电池单元与第一级热交换器的热相流道连接；压缩空气废热存储单元与空压机连接，第二级热交换器的热相流道与压缩空气废热存储单元连接；发电机通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第一断路器；空压机通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第四断路器；液流电池单元通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第二断路器；汇流母线通过电缆与外部电网连接，在该电缆上安装有第三断路器。

3、本发明所述的压缩空气存储单元包括第一储气装置和第二储气装置，第一储气装置和第二储气装置并联设置，空压机与第一储气装置和第二储气装置的进口连接，第一储气装置和第二储气装置的出口均与第一级热交换器的冷相流道连接。

4、本发明所述的第一储气装置的进口和出口上分别安装有阀门，第二储气装置的进口和出口上分别安装有阀门。

5、本发明所述的第一透平膨胀机的进气口和第二透平膨胀机的进气口上均安装有阀门。

6、一种液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统的发电方法，其特征在于：包括如下步骤：

7、谷电时，第一断路器断开，第二断路器、第三断路器和第四断路器闭合，第一储气装置进口的阀门关闭、出口的阀门开启，第二储气装置进口的阀门开启、出口的阀门关闭，第一透平膨胀机进气口的阀门关闭，第二透平膨胀机进气口的阀门开启，空压机得电启动，将空气压缩储存至第二储气装置，而第一储气装置中的压缩空气经第一级热交换器和第二级热交换器后，压缩空气驱动第二透平膨胀机向外做功，第二透平膨胀机驱动循环泵工作，液流电池单元处于充电模式；

8、峰电时，第四断路器断开，第一断路器、第二断路器和第三断路器闭合，第一储气装置进口的阀门开启、出口的阀门关闭，第二储气装置进口的阀门关闭、出口的阀门开启，第一透平膨胀机进气口的阀门开启，第二透平膨胀机进气口的阀门开启，空压机关闭，第一储气装置需等待谷电时补充压缩空气，第二储气装置中的压缩空气经第一级热交换器和第二级热交换器后，压缩空气驱动第一透平膨胀机向外做功，第一透平膨胀机驱动发电机工作，同时压缩空气驱动第二透平膨胀机向外做功，第二透平膨胀机驱动循环泵工作，液流电池单元和发电机均处于发电模式。

9、本发明通过调整第一透平膨胀机的进气口和第二透平膨胀机的进气口上阀门的开度，分别调整液流电池单元及发电机的发电量。

10、本发明当外部电网全故障时，通过控制各处阀门来释放压缩空气，通过压缩空气驱动第二透平膨胀机向外做功，第二透平膨胀机驱动循环泵工作，释放液流电池单元内的电能，逐步恢复电网供电或形成独立微网运行。

11、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

12、1）液流电池的循环泵由电动改成压缩空气驱动，摆脱外部电源的制约，并减少环境污染，即使电网故障，液流电池也可根据需要完成自启动过程；

13、2）将透平膨胀机的低温空气存储起来，送至液流电池制冷降温，降低电化学反应及变流单元的空调功率，从而降低用电率；

14、3）液流电池中氧化还原反应产生的热量、压缩空气产生的热量送至热交换器，对压缩空气进行加热，取消额外的燃烧室，减少环境污染；

15、4）循环利用废热废冷，降低储能系统自用电量，提高综合效率和经济性；

16、5）液流电池与压缩空气储能相结合后，可由液流电池快速响应电网侧调峰调频需要，也可由压缩空气储能提供电力系统惯量环节支撑，稳定运行及供电质量。

技术特征：

1.一种液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统，包括压缩空气存储单元和液流电池单元；所述的液流电池单元主要由电堆、电解液储罐、循环泵和变流器组成，电解液储罐通过循环泵与电堆连接，电堆与变流器连接；其特征在于：还包括空压机、第一级热交换器、第二级热交换器、第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、发电机、压缩空气废热存储单元、低温空气储存单元和汇流母线；空压机与压缩空气存储单元连接，压缩空气存储单元与第一级热交换器的冷相流道连接，第一级热交换器的冷相流道与第二级热交换器的冷相流道连接，第二级热交换器的冷相流道与第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的进气口连接；第一透平膨胀机与发电机连接，第二透平膨胀机与循环泵连接；第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的出气口与低温空气储存单元连接，低温空气储存单元与液流电池单元连接；液流电池单元与第一级热交换器的热相流道连接；压缩空气废热存储单元与空压机连接，第二级热交换器的热相流道与压缩空气废热存储单元连接；发电机通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第一断路器；空压机通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第四断路器；液流电池单元通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第二断路器；汇流母线通过电缆与外部电网连接，在该电缆上安装有第三断路器。

2.根据权利要求1所述的液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统，其特征在于：所述的压缩空气存储单元包括第一储气装置和第二储气装置，第一储气装置和第二储气装置并联设置，空压机与第一储气装置和第二储气装置的进口连接，第一储气装置和第二储气装置的出口均与第一级热交换器的冷相流道连接。

3.根据权利要求2所述的液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统，其特征在于：所述的第一储气装置的进口和出口上分别安装有阀门，第二储气装置的进口和出口上分别安装有阀门。

4.根据权利要求3所述的液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统，其特征在于：所述的第一透平膨胀机的进气口和第二透平膨胀机的进气口上均安装有阀门。

5.一种权利要求4所述的液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统的发电方法，其特征在于：包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的液流电池与压缩空气储能耦合的发电方法，其特征在于：通过调整第一透平膨胀机的进气口和第二透平膨胀机的进气口上阀门的开度，分别调整液流电池单元及发电机的发电量。

7.根据权利要求5所述的液流电池与压缩空气储能耦合的发电方法，其特征在于：当外部电网全故障时，通过控制各处阀门来释放压缩空气，通过压缩空气驱动第二透平膨胀机向外做功，第二透平膨胀机驱动循环泵工作，释放液流电池单元内的电能，逐步恢复电网供电或形成独立微网运行。

技术总结本发明提供一种液流电池与压缩空气储能耦合的发电系统及其发电方法，将液流电池与压缩空气储能进行优势互补，废热废冷综合利用，既可以提高系统的灵活性，又可提高效率和经济性。空压机与压缩空气存储单元连接，压缩空气存储单元与第一级热交换器的冷相流道连接，第一级热交换器的冷相流道与第二级热交换器的冷相流道连接，第二级热交换器的冷相流道与第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的进气口连接；第一透平膨胀机与发电机连接，第二透平膨胀机与循环泵连接；第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的出气口与低温空气储存单元连接，低温空气储存单元与液流电池单元连接；液流电池单元与第一级热交换器的热相流道连接；压缩空气废热存储单元与空压机连接，第二级热交换器的热相流道与压缩空气废热存储单元连接；发电机通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第一断路器；空压机通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第四断路器；液流电池单元通过电缆与汇流母线连接，在该电缆上安装有第二断路器；汇流母线通过电缆与外部电网连接，在该电缆上安装有第三断路器。技术研发人员：吴峰,钟金金受保护的技术使用者：中国联合工程有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25