本發明涉及能源儲存技術領域，尤其涉及一種低溫蓄冷系統及方法。
背景技術：
目前發展和應用的儲能技術主要有飛輪儲能、電池儲能、超導儲能、超級電容器儲能、抽水蓄能和壓縮空氣儲能等。其中能夠以較低成本持續數小時進行大容量輸出的儲能技術主要包括：抽水蓄能、電池儲能和壓縮空氣儲能，它們是少數幾種能夠實現長時間(數十小時)和大容量(數百到數千兆瓦時)儲能應用的技術，其他的幾種儲能技術更適合提供短時間的儲能服務來改善電能質量和提高電網系統穩定性。抽水蓄能作為當前最為成熟的大規模儲能技術，具有效率高，儲能容量大，設備技術成熟等優勢，但同時受到蓄水池選址難的限制，阻礙了其在廣大地區的推廣應用。電池儲能在小規模分散式應用中前景廣闊，在科研方面也有很多新技術在發展，但是由于其全壽命周期成本高，生產及后續處理存在環境污染等問題，目前在大規模使用上仍存在制約。壓縮空氣儲能以空氣內能形式進行能量儲存，可以使用多種類型的儲存方式，包括地下鹽洞和高壓氣體儲罐等。但是由于壓縮空氣儲能通常需要大容積存儲空間，這直接限制了壓縮空氣儲能的進一步發展。
為了解決壓縮空氣儲能技術儲氣空間的問題，近年來國內外學者相繼開展了低溫液態空氣儲能技術的研究，低溫液態空氣儲能采用常壓液態空氣作為儲能介質，可以將儲能密度從常規壓縮空氣儲能的2-10kWh/m3提高到30-100kWh/m3。該方案具有單位體積容量大、無地理條件限制、運行方式靈活等優點，具有大規模推廣應用的潛力。
低溫液態空氣儲能系統儲能時，采用低谷電能驅動壓縮機將空氣壓縮，利用上個周期釋能復溫過程中儲存的冷量將空氣冷卻液化后進入低溫儲罐中儲存；系統釋能時，利用低溫泵將液態空氣從低溫儲罐中引出加壓，利用低溫蓄冷系統回收低溫冷量，使空氣吸熱復溫升溫后推動透平膨脹做功驅動發電機發電，而復溫過程中回收的冷量用于下一周期儲能液化過程中對空氣進行冷卻液化。
目前低溫液態空氣儲能系統主要采用固相介質直接和空氣換熱的方式進行蓄冷，以及采用液態工質蓄冷。其中采用固相介質直接和空氣換熱蓄冷的方式，在蓄冷/釋冷的初始階段，空氣與固相介質的溫差都很大，導致蓄冷效率較低；且采用液體工質蓄冷的方式存儲體積大，成本高。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明提供一種用于低溫液態空氣儲能系統的低溫蓄冷系統及方法，采用流體工質換熱、固相介質蓄冷，用于解決采用傳統固相介質蓄冷系統蓄冷效率低，而采用液體工質蓄冷成本過高、存儲體積過大的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供一種低溫蓄冷系統，其特征在于，包括釋冷換熱器、儲冷換熱器、流體工質存儲器以及固相介質蓄冷器；所述固相介質蓄冷器中容納有用于蓄冷的固相介質，所述流體工質存儲器中容納有用于換熱的流體工質；所述流體工質存儲器、所述固相介質蓄冷器和所述釋冷換熱器通過管道順次連接，形成釋冷循環通道；所述固相介質蓄冷器、所述流體工質存儲器和所述儲冷換熱器通過管道順次連接，形成儲冷循環通道。
其中，所述釋冷循環通道和儲冷循環通道中均容納有循環流動的所述流體工質，所述釋冷循環通道和儲冷循環通道均設有調節流體工質流量的調節閥。
其中，還包括氣液分離器和用于儲存所述氣液分離器分離出的液態空氣的低溫液態空氣儲罐；釋冷換熱器連接氣液分離器的一端，以將經過所述釋冷換熱器進行冷卻的高壓空氣引入所述氣液分離器；氣液分離器的另一端分為兩個出口，其中一個出口連通所述低溫液態空氣儲罐，另一個出口連通釋冷換熱器，用于將所述氣液分離器分離出的氣態空氣以與高壓空氣相反的方向通過所述釋冷換熱器。
其中，所述釋冷換熱器通過節流閥或液體膨脹機連接所述氣液分離器的所述一端；所述低溫液態空氣儲罐通過低溫泵連通儲冷換熱器，所述低溫泵用于將所述低溫液態空氣儲罐內的液態空氣抽出加壓。
其中，所述固相介質為堆積導熱固相顆粒而形成的多孔介質。
其中，所述多孔介質的孔隙率為10％～90％。
其中，所述流體工質的使用溫區為-196℃～50℃；
其中，所述流體工質的壓力范圍為0.1MPa～10MPa(絕對壓力)。
其中，所述流體工質為氣態、液態、超臨界狀態中的一種或多種。
本發明還提供了一種低溫蓄冷方法，其特征在于，其采用固相介質蓄冷、流體工質換熱，包括釋冷過程和儲冷過程；
其中，所述釋冷過程啟動前，固相介質蓄冷器中的固相介質處于冷態；所述釋冷過程包括：
流體工質存儲器中的流體工質流經固相介質蓄冷器，被固相介質蓄冷器中的固相介質冷卻至低溫狀態；
低溫狀態的流體工質通入釋冷換熱器與通入釋冷換熱器的高壓空氣進行逆流換熱；低溫狀態的流體工質被加熱至高溫狀態，再流入流體工質存儲器，完成釋冷過程換熱循環；高壓空氣被冷卻形成高壓低溫空氣，經節流或膨脹液化后對其進行氣液分離；
儲存分離出的液態空氣；分離出的氣態空氣以與高壓空氣相反的方向流入釋冷換熱器，補充冷量；
其中，所述儲冷過程啟動前，固相介質蓄冷器中的固相介質處于熱態；所述儲冷過程包括：
將儲存的液態空氣抽出加壓并通過儲冷換熱器，同時流體工質存儲器中的流體工質流經儲冷換熱器，抽出加壓的液態空氣與流體工質在儲冷換熱器中逆流換熱；
流體工質被冷卻至低溫狀態，低溫狀態的流體工質再流經固相介質蓄冷器，對固相介質進行冷卻，從固相介質蓄冷器中流出的流體工質再返回到流體工質存儲器中，完成儲冷換熱循環；液態空氣經上述逆流換熱形成膨脹空氣。
(三)有益效果
本發明提供的低溫蓄冷系統，以流體工質作為換熱介質，每次釋冷/儲冷結束后，流體工質的溫度總是與固相蓄冷介質溫度接近，等到下一次儲冷/釋冷開始的時候，流體工質與蓄冷介質換熱溫差會比較小，避免了空氣與蓄冷介質直接換熱初始階段的大溫差問題，提高了蓄冷效率；相對于液體預冷工質蓄冷系統，本發明采用固相介質進行蓄冷，而流體工質只是作為換熱介質，大大減少了系統流體工質的用量，降低了系統成本；本發明中固相介質其密度一般而言比較大，而且采用固相介質蓄冷的蓄冷系統僅僅需要一個單獨的蓄冷器，而不區分冷態和熱態，占用存儲空間比較小。
附圖說明
圖1為本發明提供的流體工質換熱固相介質蓄冷的低溫蓄冷系統的組成示意圖；
圖中，1：釋冷換熱器；2：儲冷換熱器；3：流體工質存儲器；4：固相介質蓄冷器；5：管道；6：調節閥。
具體實施方式
為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施方式。以上僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
本發明提供一種用于低溫液態空氣儲能系統的流體工質換熱固相介質蓄冷的低溫蓄冷系統，用于解決采用傳統固相介質蓄冷系統蓄冷效率低，而采用液體工質蓄冷成本過高、存儲體積過大的問題。
如圖1所示，本發明實施例中提供一種低溫蓄冷系統，其采用的是流體工質換熱、固相介質蓄冷，用于低溫液態空氣儲能系統。其包括釋冷換熱器1、儲冷換熱器2、流體工質存儲器3以及固相介質蓄冷器4；固相介質蓄冷器4中容納有用于蓄冷的固相介質，流體工質存儲器3中容納有用于換熱的流體工質；流體工質存儲器3、固相介質蓄冷器4和釋冷換熱器1通過管道5順次連接，形成釋冷循環通道；固相介質蓄冷器4、流體工質存儲器3和儲冷換熱器2通過管道5順次連接，形成儲冷循環通道。
本發明實施例中，流體工質在釋冷循環通道和儲冷循環通道中循環流動，釋冷循環通道和儲冷循環通道均設有調節流體工質流量的調節閥，調節閥可以設置在釋冷循環通道和儲冷循環通道的任意位置，用于調節流體工質的流量，以保證流體工質與固相介質、以及在釋冷換熱器1和儲冷換熱器2的換熱效率；更具體的，固相介質蓄冷器4與釋冷換熱器1之間以及流體工質存儲器3與儲冷換熱器2之間均設有調節閥6。
本發明實施例中，低溫蓄冷系統還包括氣液分離器和低溫液態空氣儲罐以及節流閥或液體膨脹機(圖中未示出)，高壓空氣通過釋冷換熱器1進行冷卻降溫，并經過節流閥節流或液體膨脹機膨脹后進入所述氣液分離器。氣液分離器中的液體進入低溫液態空氣儲罐進行存儲，同時，氣液分離器內未液化的氣體以與高壓空氣相反的方向反流通過釋冷換熱器1，形成反流空氣。明顯地，未液化的空氣在通過釋冷換熱器1時能夠對高壓空氣行冷卻降溫，進而可以有效地提高高壓空氣的換熱降溫速率。另外，低溫液態空氣儲罐內的液態空氣由低溫泵(圖中未示出)抽出加壓并通過儲冷換熱器2換熱升溫形成膨脹空氣。
本發明實施例中，固相介質為堆積導熱固相顆粒而形成的多孔介質，增加了系統的換熱面積，強化了流體工質與固相蓄冷介質間的傳熱過程，提高了流體工質與固相介質的換熱效率。
本發明實施例中，多孔介質的孔隙率為10％～90％。
本發明實施例中，流體工質的使用溫區為-196℃～50℃。
本發明實施例中，流體工質的工作壓力范圍為0.1MPa～10MPa，該工作壓力為絕對壓力。
本發明實施例中，流體工質為氣態、液態、超臨界狀態中的一種或多種。
如圖1所示，所述低溫蓄冷系統的工作狀態包括的釋冷過程和儲冷過程，其中工作原理如下：
釋冷過程：啟動前，固相介質處于冷態，流體工質換熱固相介質蓄冷的低溫蓄冷系統其冷量以固相蓄冷介質內能形式儲存。在釋冷過程中，流體工質從流體工質存儲器3中流出，首先流經固相介質蓄冷器4，被固相介質冷卻至低溫狀態，然后低溫狀態的流體工質通過釋冷換熱器1與高壓空氣進行逆流換熱，被加熱成高溫狀態，再流入流體工質存儲器3，完成釋冷過程換熱循環。高壓空氣經歷如上述的冷卻降溫過程，得到的高壓低溫空氣進入節流閥節流或液體膨脹機膨脹液化進入氣液分離器，氣液分離器中低溫空氣逆向流經釋冷換熱器，反向冷卻高壓空氣，形成反流空氣，進行冷量回收。氣液分離器中液態空氣進入低溫液態空氣儲罐內，并以液態空氣存儲于流體儲罐內，完成釋冷過程。整個釋冷過程，冷量完成從固相蓄冷介質-液態空氣的轉移過程，并通過節流或膨脹降溫過程以及反流氣的冷量回收為高壓空氣補充冷量，完成系統冷量平衡，避免外界冷量輸入。
儲冷過程：釋冷結束至儲冷開始前的過程中，固相介質處于熱態。在儲冷過程中，儲存于低溫液態空氣儲罐中的液態空氣，首先經過低溫泵加壓，然后再經過儲冷換熱器2換熱復溫。具體換熱過程為，流體工質首先流經儲冷換熱器2，與空氣進行逆流換熱，在儲冷換熱器出口被冷卻至低溫狀態，低溫狀態的流體工質再流經固相介質蓄冷器4，對固相介質進行冷卻，從固相介質蓄冷器4中流出的流體工質再返回到流體工質存儲器中3，完成儲冷換熱循環。從低溫泵出來的低溫液態空氣經歷如上所述的換熱過程復溫形成膨脹空氣，同時完成冷量從低溫液態空氣-固相蓄熱介質的轉移過程。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。