[发明专利]一种以稀有气体为工质的压缩气体分布式能源系统

说明书

技术领域

本系统涉及储能技术与分布式供能技术领域，具体的说，是一种以压缩空气储能技术为基础，利用稀有气体的跨临界特性实现以供热、冷为主，供电为辅的分布式能源系统。

背景技术

电、热、冷是维持人类社会发展和进步的三种重要的能量形式。一般而言，电能是人类社会最核心的能源，同时也是供应量最为充足的能量形式，电能不仅可以直接供应用户，还可以利用其他装置转化为热能或者冷能。而随着人类生活水平的提高，人类对生活舒适度的要求升高，因此对热和冷的需求急剧增加。虽然电能可转化为热能或冷能，但该过程造成的能量品位的降低造成了能源的严重浪费。因此，优先考虑满足用户的热能和冷能需求是未来分布式供能系统能源利用的一项重要目标。

压缩空气储能技术是上世纪五六十年代发展起来的一种以燃气轮机技术为基础的能量存储技术，目前已被一些学者发掘出其用于分布式供能领域的潜力。主要的方法是将空气进行压缩，利用化石燃料加热压缩空气完成膨胀做功发电，透平机出口温度较高的空气（400-600K）分别进行制冷和供热。该方式有效利用了透平机出口空气的废热，减少了能量的浪费，提高了系统的整体效率。但其对化石燃料的利用也不可避免地造成了环境污染问题。因此，如何减少或避免储能系统对化石能源的利用而实现冷热电联供也是储能技术未来发展的一个重要方向。

在传统的压缩空气储能技术中，压气机对空气进行压缩时会产生过程热，但该部分热量一般都被冷却水带走而浪费掉；若将压力较高，温度较低的空气进行膨胀，不仅可以得到一定的电量输出，同时膨胀机出口空气温度较低，理论上可用于制冷。因此压缩空气储能技术存在不利用化石燃料而实现冷热电联供的可能性。不过，对于压缩空气储能技术的介质——空气而言，其来源方便，储量充足，且有一定的可压缩性，但由于其密度较小，临界压力、温度较高，当需要压缩至较高压力时会造成透平机械的设计复杂化和困难化，而在未达到超临界状态下需要的存储容积亦较大，因此造成储能系统设计困难、成本较高。同时由于空气内部组分复杂，在以低温状态下进行膨胀制冷时容易出现液化和组分分离情况，影响系统的运行安全，这是以空气为存储介质进行冷热电联供的压缩空气储能系统面临的主要问题。因此，如果储能技术能以密度较大，且容易实现超临界状态的纯气体为工质，就可以避免上述问题的发生。

以稀有气体为代表的惰性气体是满足上述要求的一种工质选择。稀有气体一般利用空气分离技术作为副产物从空气中分离，在常温和常压下稀有气体均无色、无味、无臭，化学性质几乎都是惰性的，其临界参数如表1中所示。可以看出，稀有气体的临界压力较小，当压缩至60atm且温度为环境温度时，稀有气体即可变为超临界状态，其密度也比同状态下的压缩空气大几十倍至几百倍，同时兼有气体和液体的双重特性，具有更好的流动性和传输特性。考虑到稀有气体的上述优秀的物理和化学特性，当以压缩空气储能技术为基础，以任意一种稀有气体为存储介质时，不仅可以利用稀有气体的高密度特性降低如透平机械、换热器、储气罐等系统核心部件的设计难度，减小储能系统的存储规模，大大降低系统的研发成本与维护成本，还也可以避免低温空气膨胀造成的空气液化和组分分离问题，进一步增强系统的安全性和可操作性。

表1惰性气体临界参数