一种多源蓄热式压缩空气储能系统

1.本发明涉及能源利用技术领域，具体涉及一种多源蓄热式压缩空气储能系统。


背景技术：

2.电力储能技术能够实现电能在时间和空间上的调节，能够大幅提升可再生能源的并网率，增强可再生能源电力的稳定性与可调节性，是能源革命的关键技术。压缩空气储能系统为一种与抽水蓄能相近、具有大规模、低成本特点的储能技术。
3.压缩空气储能系统可以集成于发电侧(如再生能源电站)、电网侧(如作为调峰电站)、用户侧等，皆要求压缩空气储能系统具有较好的变工况调节能力和系统性能。绝热压缩空气储能技术将储热技术与传统压缩空气储能技术相结合，利用储热装置将压缩热储存起来，并在发电时释放出来加热高压空气，将压缩热有效的利用起来还摆脱了压缩空气储能系统对化石燃料的依赖，在压缩空气储能系统中，储热温度受压缩机排气温度限制，进一步限制膨胀机入口温度，压缩机排气温度成为系统效率提升的关键限制因素。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，随着人们环保意识的增强和科技的不断进步，对其进行合理高效的开发利用已成为一项重要的能源技术战略。
4.为了提高压缩空气储能的效果，现阶段将太阳能储热与压缩空气储能进行联合使用，通过太阳能储热对进入储气室中的气体进行加热，提高气体温度，进一步提高压缩空气储能的效率增加出功，但是这样设置存在以下问题：对气体加温的控制准确度不高，且太只有在发电做功时才进行太阳能蓄热的使用，太阳能蓄热的使用受到发电时限的局限，降低了其使用率。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的利用太阳能蓄热对气体加温的控制准确度不高，且只有在发电做功时才进行太阳能蓄热的使用的缺陷，从而提供一种多源蓄热式压缩空气储能系统。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种多源蓄热式压缩空气储能系统，包括：
7.太阳能集热器；
8.压缩空气储能系统，包括依次连接的压缩机、储气室和膨胀机；
9.蓄热系统，包括第一换热单元、第二换热单元、第三换热单元、冷罐和热罐，所述冷罐、第一换热单元的低温侧、热罐、第二换热单元的高温侧依次首尾连接，所述第一换热单元的高温侧与所述压缩机的出口连接，所述第二换热单元的低温侧与所述膨胀机的进口连接；所述第三换热单元的低温侧与所述热罐连接，所述第三换热单元的高温侧与所述太阳能集热器连接。
10.可选地，所述压缩机具有多组，多组所述压缩机依次串联连接，每一级所述压缩机的出口均设置有所述第一换热单元；
11.所述膨胀机具有多组，多组所述膨胀机依次串联连接，每一级所述膨胀机的进口
处均设置有所述第二换热单元。
12.可选地，所述冷罐的进口处设置有冷却装置。
13.可选地，所述储气室的出口设置有调节阀。
14.可选地，所述第一换热单元为间冷器，所述第二换热单元为再热器，所述第三换热单元为导热油换热器。
15.可选地，所述蓄热系统还包括阀门和泵体，与所述热罐和冷罐连接的管路上设置有阀门，所述泵体用于对所述冷罐和热罐中的循环介质提供压力。
16.可选地，还包括供热系统，所述供热系统包括第四换热单元和供热端，所述供热端与所述第四换热单元的低温侧连接，所述第四换热单元的高温侧与供热支路连接，所述供热支路连接所述热罐和冷罐。
17.可选地，所述热罐和第二换热单元的高温侧之间设置有旁通支路。
18.可选地，所述供热支路上、所述供热端与所述第四换热单元的低温侧之间均设置有所述泵体。
19.可选地，所述第四换热单元为板式换热器。
20.本发明技术方案，具有如下优点：
21.1.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统，将太阳能集热器和压缩空气储能系统通过蓄热系统进行了结合，通过太阳能集热器对热罐中的介质进行了进一步加热，通过加热后的介质与进入膨胀机中的气体进行换热，增加了膨胀机入口的空气温度，对热罐中的介质进行加热，不仅可以用于对气体的进一步加热，也可以将高温介质用于其他方面，无需受到发电时限的限制，使用率高，本发明对太阳能进行了高效利用的同时，提升了压缩空气储能系统的效率。
22.通过对热罐中的介质进行加热后对气体进行作用，气体仅需一次加热便实现了要求的温度，对其的调节精度高，控制更准确。
23.2.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，压缩机具有多组，多组压缩机依次串联连接，每一级压缩机的出口均设置有第一换热单元，空气从大气中进入压缩机，进入压缩机的空气依次经过压缩机和第一换热单元，串联设置的压缩机使得进入压缩机的空气经过多级压缩，进一步提高空气的压力，第一换热单元的设置对每一级压缩的出口气体的温度进行储存利用，且避免压缩机的出口温度过高造成下一级压缩机的进口温度过高影响压缩机的设备选用；
24.膨胀机具有多组，多组膨胀机依次串联连接，每一级膨胀机的进口处均设置有第二换热单元，储气室中的压缩空气依次经过串联的多级膨胀机进行做功，每一级膨胀机的入口均设置第二换热单元，第二换热单元的设置避免空气经过前一级的膨胀机做功后温度下降进入后一级膨胀机有结冰的风险，并且提高了每一级膨胀机入口空气的温度，保证了膨胀机做功的效率。
25.3.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，冷罐的进口处设置有冷却装置，与进入冷罐前的介质进行进一步换热，降低介质的温度，进一步提高了冷罐中介质与压缩机出口空气进行换热的效率。
26.4.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，储气室的出口设置有调节阀，对储气室中的气体输出压力进行控制调节。
27.5.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，第一换热单元为间冷器，第二换热单元为再热器，第三换热单元为导热油换热器，间冷器用于冷却压缩空气，回收压缩热加热冷罐中输出的蓄热介质，产生的高温介质进入热罐储存，再热器与空气进行换热，提升空气温度，提高了进入膨胀机中气体的温度，导热油换热器将导热油的热量传递给热罐中的介质，对其进一步进行升温。
28.6.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，泵体的设置用于对循环介质提供压力，阀门用于控制各个连接管路上的通断。
29.7.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，还包括供热系统，供热系统包括第四换热单元和供热端，第四换热单元对供热端进行供热，第四换热单元的高温侧与供热支路连接，供热支路连接热罐和冷罐，热罐中的介质与供热系统中的介质进行换热，完成供热，换热后的介质送入冷罐中继续进行压缩热的回收，对热罐中的介质进行了利用，提高了太阳能集热器和热罐中介质的利用率，将供热进行了结合，降低了供热成本。
30.8.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，热罐和第二换热单元的高温侧之间设置有旁通支路，旁通支路的设置可以将第二换热单元换热后的介质送入热罐中，通过太阳能加热后用于供热，进一步提高了介质的利用率，降低成本。
31.9.本发明提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，第四换热单元为板式换热器，板式换热器的传热效率高，并且热损失小，经济性高。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明的实施例中提供的多源蓄热式压缩空气储能系统的整体结构示意图。
34.附图标记说明：
35.1、太阳能集热器；2、压缩机；3、储气室；4、膨胀机；5、第一换热单元；6、第二换热单元；7、第三换热单元；8、冷罐；9、热罐；10、冷却装置；11、调节阀；12、第一阀门；13、第二阀门；14、供热系统；15、第四换热单元；16、供热端；17、供热支路；18、旁通支路；19、第三阀门；20、第四阀门；21、第五阀门；22、第六阀门；23、第七阀门；24、第八阀门；25、第一泵体；26、第二泵体；27、第三泵体；28、第四泵体；29、第五泵体；30、第六泵体。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
40.本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统，将压缩空气储能系统与太阳能蓄热进行了结合，进行了可再生能源的有效利用。
41.如图1所示，为本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统的一种具体实施方式，包括太阳能集热器1、压缩空气储能系统和蓄热系统，压缩空气储能系统包括依次连接的压缩机2、储气室3和膨胀机4，蓄热系统，包括第一换热单元5、第二换热单元6、第三换热单元7、冷罐8和热罐9，所述冷罐8、第一换热单元5的低温侧、热罐9、第二换热单元6的高温侧依次首尾连接，所述第一换热单元5的高温侧与所述压缩机2的出口连接，所述第二换热单元6的低温侧与所述膨胀机4的进口连接；所述第三换热单元7的低温侧与所述热罐9连接，所述第三换热单元7的高温侧与所述太阳能集热器1连接。冷罐8和热罐9中的循环介质优先使用水，较为廉价，成本低，第一换热单元5用于将压缩空气储能系统中产生的压缩热储存至热罐9中，太阳能集热器1用于利用太阳能热量对热罐9中的介质进一步升温。
42.将太阳能集热器1和压缩空气储能系统通过蓄热系统进行了结合，通过太阳能集热器1对热罐9中的介质进行了进一步加热，通过加热后的介质与进入膨胀机4中的气体进行换热，增加了膨胀机4入口的空气温度，对热罐9中的介质进行加热，不仅可以用于对气体的加热，也可以将高温介质用于其他方面，无需受到发电时限的限制，使用率高，本发明对太阳能进行了高效利用的同时，提升了压缩空气储能系统的效率。通过对热罐9中的介质进行加热后对气体进行作用，气体仅需一次加热便实现了要求的温度，对其的调节精度高，控制更准确。
43.其中，热罐9可以只设置一组罐体，使用一组罐体进行收集压缩热及通过太阳能集热器1对其进行循环加热，另外，作为一种可替换实施方式，热罐9可以设置有两组罐体，其中一组用于收集通过压缩热进行加热后的热水，热水通过第三换热单元7进一步加热后储存于另一组罐体中。
44.如图1所示，本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，压缩机2具有多组，多组所述压缩机2依次串联连接，每一级所述压缩机2的出口均设置有所述第一换热单元5；空气从大气中进入压缩机2，进入压缩机2的空气依次经过压缩机2和第一换热单元5，串联设置的压缩机2使得进入压缩机2的空气经过多级压缩，进一步提高空气的压力，第一换热单元5的设置对每一级压缩的出口气体的温度进行储存利用，降低了压缩机2的排气温度要求，从而降低了压缩机2的设计与加工难度，降低系统成本，且避免压缩机2的出口温度过高造成下一级压缩机的进口温度过高影响压缩机2的使用。
45.膨胀机4具有多组，多组所述膨胀机4依次串联连接，每一级所述膨胀机4的进口处
均设置有所述第二换热单元6，储气室3中的压缩空气依次经过串联的多级膨胀机4进行做功，每一级膨胀机4的入口均设置第二换热单元6，第二换热单元6的设置避免空气经过前一级的膨胀机4做功后温度下降进入后一级膨胀机4有结冰的风险，并且提高了每一级膨胀机4入口空气的温度，保证了膨胀机4做功的效率。
46.如图1所示，本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，冷罐8的进口处设置有冷却装置10，冷却装置10与进入冷罐8前的介质进行进一步换热，降低介质的温度，进一步提高了冷罐8中介质与压缩机2出口空气进行换热的效率，冷却装置10可以为冷却器或者其他可以对介质进一步冷却的设备。
47.如图1所示，本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，储气室3的出口设置有调节阀11，调节阀11对储气室3中的气体输出压力进行控制调节，以便于调节进入膨胀机4中的压缩气体的压力大小。
48.本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，第一换热单元5为间冷器，所述第二换热单元6为再热器，所述第三换热单元7为导热油换热器，间冷器用于冷却压缩空气，回收压缩热加热冷罐8中输出的蓄热介质，产生的高温介质进入热罐9储存，再热器与空气进行换热，提升空气温度，提高了进入膨胀机4中气体的温度，导热油换热器将导热油的热量传递给热罐9中的介质，对其进一步进行升温。
49.如图1所示，本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，蓄热系统还包括阀门和泵体，与所述热罐9和冷罐8连接的管路上设置有阀门，所述泵体用于对所述冷罐8和热罐9中的循环介质提供压力。泵体的设置用于对循环介质提供压力，阀门用于控制各个连接管路上的通断。阀门包括第一阀门12、第二阀门13、第三阀门19、第四阀门20、第五阀门21、第六阀门22、第七阀门23、第八阀门24，第一阀门12设于第一换热单元5和储气室3之间，第二阀门13设于第三换热单元7和热罐9之间，第三阀门19设于热罐9和第三换热单元7之间，第四阀门20设于热罐9和第四换热单元15之间，第五阀门21设于第二换热单元6和热罐9之间的旁通支路18上，第六阀门22设于热罐9和第二换热单元6之间，第七阀门23设于第二换热单元6和冷罐8之间，第八阀门24设于第四换热单元15和冷罐8之间。
50.泵体包括第一泵体25、第二泵体26、第三泵体27、第四泵体28、第五泵体29和第六泵体30，第一泵体25设于第一换热单元5和冷罐8之间，第二泵体26设于第三换热单元7和太阳能集热器1之间，第三泵体27设于热罐9和第三换热单元7之间，第四泵体28设于热罐9和第二换热单元6之间，第五泵体29设于热罐9和第四换热单元15之间，第六泵体30设于第四换热单元15和供热端16之间。进行压缩工作时，第一泵体25启动进行压缩热的收集，在有太阳时，第二泵体26启动进行太阳能热量的收集，第三泵体27启动进行第三换热单元7对热罐9的升温，第四泵体28启动进行释压工作，第五泵体29启动进行供热，第六泵体30启动进行第四换热单元15对供热端16的换热供热过程。
51.如图1所示，本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，还包括供热系统14，所述供热系统14包括第四换热单元15和供热端16，所述供热端16与所述第四换热单元15的低温侧连接，所述第四换热单元15的高温侧与供热支路17连接，所述供热支路17连接所述热罐9和冷罐8。供热端16可以为用户端或者工业端等，将热罐9中的热量通过第四换热单元15对供热端16进行供热，热罐9中的介质与供热系统14中的介质进行换热，完成供热，换热后的介质送入冷罐8中继续进行压缩热的回收，对热罐9中的介质进行了利用，提高了
太阳能集热器1和热罐9中介质的利用率，将供热进行了结合，降低了供热成本。
52.如图1所示，本实施例提供的多源蓄热式压缩空气储能系统中，热罐9和第二换热单元6的高温侧之间设置有旁通支路18，所述旁通支路18上设置有第五阀门21，旁通支路18的设置可以将第二换热单元6换热后的介质送入热罐9中，通过太阳能加热后用于供热，进一步提高了介质的利用率，降低成本。第四换热单元15为板式换热器，板式换热器的传热效率高，并且热损失小，经济性高。
53.多源蓄热式压缩空气储能系统的运行过程：
54.准备阶段：将冷罐8进水到满罐，将热罐9进水到二分之一；
55.集热蓄热阶段(白天)：太阳能集热器1收集太阳能，通过第三换热单元7对热罐9中的水进行加热；
56.压缩储能阶段(夜间，6小时)：压缩机2启动，空气通过多级设置的压缩机2压缩到设计压力，冷罐8中的水通过第一泵体25抽到第一换热单元5中与压缩气体进行换热，经过冷却的高压空气储存在储气室3中，通过换热产生的热水混合之后储存在热罐9中。
57.膨胀发电+集热蓄热阶段(白天)：释放储气室3中的高压空气，通过第二换热单元6加热之后进入膨胀机4做功发电，第二换热单元6的热量由热罐9中的高温热水提供，热罐9中的部分热水被使用，同时太阳能集热器1对热罐9中的热水持续加热。在供热季，从第二换热单元6中输出的水再次进入热罐9中，然后通过太阳能集热器1进一步加热，然后将加热后的热水通过供热支路17用于供热，热水温度降低后回到冷罐8中，在非供暖季，来自第二换热单元6中的水直接通过冷却装置10进入冷罐8。
58.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，包括：太阳能集热器(1)；压缩空气储能系统，包括依次连接的压缩机(2)、储气室(3)和膨胀机(4)；蓄热系统，包括第一换热单元(5)、第二换热单元(6)、第三换热单元(7)、冷罐(8)和热罐(9)，所述冷罐(8)、第一换热单元(5)的低温侧、热罐(9)、第二换热单元(6)的高温侧依次首尾连接，所述第一换热单元(5)的高温侧与所述压缩机(2)的出口连接，所述第二换热单元(6)的低温侧与所述膨胀机(4)的进口连接；所述第三换热单元(7)的低温侧与所述热罐(9)连接，所述第三换热单元(7)的高温侧与所述太阳能集热器(1)连接。2.根据权利要求1所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩机(2)具有多组，多组所述压缩机(2)依次串联连接，每一级所述压缩机(2)的出口均设置有所述第一换热单元(5)；所述膨胀机(4)具有多组，多组所述膨胀机(4)依次串联连接，每一级所述膨胀机(4)的进口处均设置有所述第二换热单元(6)。3.根据权利要求1所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述冷罐(8)的进口处设置有冷却装置(10)。4.根据权利要求1所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气室(3)的出口设置有调节阀(11)。5.根据权利要求1所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一换热单元(5)为间冷器，所述第二换热单元(6)为再热器，所述第三换热单元(7)为导热油换热器。6.根据权利要求1-5中任一项所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述蓄热系统还包括阀门和泵体，与所述热罐(9)和冷罐(8)连接的管路上设置有阀门，所述泵体用于对所述冷罐(8)和热罐(9)中的循环介质提供压力。7.根据权利要求6所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，还包括供热系统(14)，所述供热系统(14)包括第四换热单元(15)和供热端(16)，所述供热端(16)与所述第四换热单元(15)的低温侧连接，所述第四换热单元(15)的高温侧与供热支路(17)连接，所述供热支路(17)连接所述热罐(9)和冷罐(8)。8.根据权利要求7所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述热罐(9)和第二换热单元(6)的高温侧之间设置有旁通支路(18)。9.根据权利要求7所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述供热支路(17)上、所述供热端(16)与所述第四换热单元(15)的低温侧之间均设置有所述泵体。10.根据权利要求7所述的多源蓄热式压缩空气储能系统，其特征在于，所述第四换热单元(15)为板式换热器。

技术总结
本发明提供一种多源蓄热式压缩空气储能系统，属于能源利用技术领域，包括太阳能集热器、压缩空气储能系统和蓄热系统，压缩空气储能系统包括依次连接的压缩机、储气室和膨胀机；蓄热系统包括第一换热单元、第二换热单元、第三换热单元、冷罐和热罐，所述冷罐、第一换热单元的低温侧、热罐、第二换热单元的高温侧依次首尾连接，所述第一换热单元的高温侧与所述压缩机的出口连接，所述第二换热单元的低温侧与所述膨胀机的进口连接；所述第三换热单元的低温侧与所述热罐连接，所述第三换热单元的高温侧与所述太阳能集热器连接。本发明中太阳能集热器对热罐中的介质进行加热，无需受到发电时限的限制，使用率高，控制精度高，且更加准确。确。确。


技术研发人员：刘长春 周学志 徐玉杰 凌浩恕 李文 陈海生
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.02.07
技术公布日：2023/5/12