一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统

本发明属于压缩空气储能，尤其涉及一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统。

背景技术：

1、随着工业化和信息化社会的快速发展，我国电网容量的迅速扩张，峰谷昼夜用电差日益增大，怎样实现电力系统的“削峰填谷”、平滑波动性电能输入、增强电网运行的安全性，对大规模储能的需求也越来越大。此外，在可再生能源领域，储能技术起到了至关重要的作用，大规模的储能技术可以有效地解决风能、太阳能等时间和空间环境不稳定和不连续的问题。目前，已有的储能技术主要包括中高温储热技术、抽水蓄能、压缩空气储能、电池储能、飞轮储能和超导储能等。其中，压缩空气储能系统是一种先进的能源储备技术，它利用压缩空气来储存和释放能源，由于储能容量大、转换效率高，因而属于适合商业化应用的大规模储能技术，也是解决可再生能源波动性问题的关键技术之一。

2、按照运行原理，压缩空气储能分为补燃式和非补燃式两类。补燃式的压缩空气储能需要借助于燃料的补燃，从而实现系统的循环运行。储能时，电机驱动压缩机将空气压缩至高压并存储在储气装置中，完成高压空气的存储；释能时，储气装置中的高压空气进入燃气轮机，在燃烧室中与燃料混合燃烧，驱动燃气轮机做功，带动发电机对外输出电能，从而完成发电过程。相较于传统的绝热型压缩空气储能系统，补燃式压缩空气储能通过补充燃烧提高了释放空气的温度，从而提高了系统的能量效率。补燃式压缩空气储能技术在提高能量效率、提升系统灵活性和整合可再生能源方面具有潜在的优势。非补燃式压缩空气储能基于常规的补燃式压缩空气储能发展而来，通过采用回热技术，将储能时所产生的压缩热收集并存储，待系统释能时用以加热进入涡轮机的空气，从而摒弃了燃料补燃。非补燃式压缩空气储能系统相对于补燃式系统来说，系统结构较为简单，不需要引入燃烧设备，消除了对燃料的依赖，实现了有害气体零排放。非补燃式压缩空气储能技术在实现能源储备和平衡方面具有广泛应用前景，为电力系统提供了一种环保、高效的能量存储解决方案。

3、为了探索清洁无污染的压缩空气储能方案，本发明将太阳能和工业余热回收技术、高温蓄热技术和压缩空气储能发电技术相结合，提出了一种采用相变蓄热的压缩空气储能发电系统。储能时，将低谷电、弃风电、弃光电等富裕电能转换为高品位热能存储，同时利用压缩机将空气压缩至高压，存储在储气装置中；发电时，利用相变储热装置储存的热量加热膨胀高压空气透平膨胀机带动发电机发电，从而摒弃了燃料的补燃，实现系统运行过程中的无燃烧、无排放。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统。所述压缩空气储能系统特征包括可实现压缩空气储能系统的压缩热回收、太阳能和工业余热高温储热和高压空气再热膨胀。该储能系统结构简单，可提高储能系统的能量密度，使其更适用于可再生能源的储存。此外，耦合了集热和相变储热技术，提高了能量效率，减少了能量损失；可利用太阳能热和工业余热资源等可再生能源，降低对化石能源的依赖，扩大了应用范围；通过蓄热器的热能回收，增加了系统的循环效率。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统，所述系统包括前端压缩空气储能-废热存储模块、后端压缩空气利用-预热模块、余电-热利用与存储模块和再生能源热转换-利用模块；

3、所述前端压缩空气储能-废热存储模块包括储气装置、电动机、多级压缩机、多级热回收装置、储热装置、变频风机以及电磁阀；变频风机从大气中获取低温清洁空气，通过管道进入多级热回收装置中吸收来自多级压缩机的压缩热，之后高温流体进入储热装置中完成蓄热；

4、所述后端压缩空气利用-预热模块与所述前端压缩空气储能-废热存储模块共用储气装置、储热装置和变频风机，其还包括发电机、多级膨胀机、多级预热换热装置以及电磁阀；储气装置中的压缩气体进入膨胀机中并作用于发电机，完成体积膨胀做功发电；

5、所述余电-热利用与存储模块包括电加热装置、预热换热装置以及电磁阀；并与所述后端压缩空气利用-预热模块共用储热装置和变频风机；在深夜低谷电/弃光电/弃风电时期对储热装置内热量进行补充，或者直接对预热换热装置进行调控，以保证多级膨胀机的高效工作；

6、所述再生能源热转换-利用模块包括太阳能光热系统或工业余热回收系统和电磁阀，并与所述余电-热利用与存储模块共用储热装置、变频风机和预热换热装置；日常工作时，由光热系统或余热回收系统产生的中高温热流进入到储热装置中进行蓄热或直接对预热换热装置进行调控，以保证多级膨胀机的高效工作。

7、进一步地，所述系统的热能来源包括：多级压缩机运行过程中释放的大量压缩热，电加热装置利用低谷电、弃风电、弃光电廉价电能产生的富裕热量，太阳能光热系统或工业余热回收系统在日常运行过程中产生的分布式热能。

8、进一步地，压缩空气与换热空气均来源于大气环境，经过处理后进入耦合系统中；冷却进风变频风机将低温清洁空气导入多级热回收装置中，高效地吸收压缩热并将其传输到储热装置中，提高压缩机运行效率并完成对热能的有效存储；放热循环变频风机在由多级预热-换热装置、储热装置构成的闭环储放热回路中，将经过多级余热换热装置的中低温空气传输到储热装置中完成再次加热，以持续完成对压缩空气的预热，提高膨胀机做功的效率；储热循环变频风机在由电加热器、储热装置及太阳能光热系统或工业余热回收系统构成的闭环储放热回路中，将前段高温空气存储到储热装置中，实现对其内部热能的持续补充。

9、进一步地，所述的热回收装置、预热换热装置与压缩机与膨胀机为一对一配套装置，均为多级结构，可根据实际运行需求设计热能存储的温度需求和余热温度需求。

10、进一步地，所述的储热装置为多级储热结构，可根据实际运行需求大小储热罐体的数量与容积。

11、进一步地，所述的变频风机进口和出口均安装有消音器和软连接，用以降低噪声提高实验测试和实验操作的舒适性，变频风机出口安装有止回阀。

12、进一步地，所述的储热装置内部填充显热储热材料和潜热储热材料。

13、进一步地，所述系统利用保温材料进行保温，所述的保温材料是指对整个储释热系统管道以及相关的设备部件进行保温，减少能量损失，保证操作安全，所有保温材料外装有保护壳体。

14、进一步地，所述的电磁阀采用法兰连接。

15、本发明与现有技术相比，具有如下优点：一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统可实现压缩空气储能系统的压缩热回收、高温储热、高压空气再热膨胀，压缩空气储能系统可针对不同应用场景和不同运行模式(如太阳能储热和余热回收)，通过释能过程中对高压空气进行再热膨胀以提高在实际应用环境中的储能效率，为可再生能源与大规模储能的集成控制与联合运行技术等提供有力的支持。

技术特征：

1.一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统，其特征在于，所述系统包括前端压缩空气储能-废热存储模块、后端压缩空气利用-预热模块、余电-热利用与存储模块和再生能源热转换-利用模块；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统的热能来源包括：多级压缩机运行过程中释放的大量压缩热，电加热装置利用低谷电、弃风电、弃光电廉价电能产生的富裕热量，太阳能光热系统或工业余热回收系统在日常运行过程中产生的分布式热能。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：压缩空气与换热空气均来源于大气环境，经过处理后进入耦合系统中；冷却进风变频风机将低温清洁空气导入多级热回收装置中，高效地吸收压缩热并将其传输到储热装置中，提高压缩机运行效率并完成对热能的有效存储；放热循环变频风机在由多级预热-换热装置、储热装置构成的闭环储放热回路中，将经过多级余热换热装置的中低温空气传输到储热装置中完成再次加热，以持续完成对压缩空气的预热，提高膨胀机做功的效率；储热循环变频风机在由电加热器、储热装置及太阳能光热系统或工业余热回收系统构成的闭环储放热回路中，将前段高温空气存储到储热装置中，实现对其内部热能的持续补充。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的热回收装置、预热换热装置与压缩机与膨胀机为一对一配套装置，均为多级结构，可根据实际运行需求设计热能存储的温度需求和余热温度需求。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的储热装置为多级储热结构，可根据实际运行需求大小储热罐体的数量与容积。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的变频风机进口和出口均安装有消音器和软连接，用以降低噪声提高实验测试和实验操作的舒适性，变频风机出口安装有止回阀。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的储热装置内部填充显热储热材料和潜热储热材料。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统利用保温材料进行保温，所述的保温材料是指对整个储释热系统管道以及相关的设备部件进行保温，减少能量损失，保证操作安全，所有保温材料外装有保护壳体。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的电磁阀采用法兰连接。

技术总结
本发明提出一种耦合集热和相变储热再热膨胀的压缩空气储能系统，该压缩空气储能系统可进行压缩热回收、太阳能或工业余热集热和相变储热，系统主要包括四个模块：前端压缩空气储能‑废热存储模块、后端压缩空气利用‑预热模块、余电‑热利用与存储模块、再生能源热转换‑利用模块。相较于传统的压缩空气储能系统，解决了现有技术运行效率低、能量来源固定，调控模式单一等问题。在该发明中，系统配合低谷电、弃风电、弃光电等富裕电能或光热技术、工业余热回收技术等，能够直接进行释能过程热量补给，也可以根据需求先存储为高品位热能存储再进行实时的热量调控，有效的提高了压缩储能效率和多能互补利用效率，具备广阔的商业利用价值。

技术研发人员：王伟,何西波,帅永
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27