一种热泵超临界空气储能系统的制作方法

本实用新型属于能量储存技术领域，涉及一种空气储能系统，尤其涉及一种基于热泵循环和超临界空气存储能量以及利用所存储的能量产生电能的储能系统。

背景技术：

近年来，可再生能源正逐步成为新增电力重要来源，电网结构和运行模式都发生了重大变化。随着可再生能源(如风能、太阳能等)的日益普及,以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求,电力储能系统的重要性日益凸显。储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源(以下简称能源互联网)的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。

目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的99.5％。

抽水电站储能系统在电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。抽水电站储能系统技术上成熟可靠、效率高(约70％)、储能容量大等优点，目前已经广泛使用。但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长(一般约 7～15年)，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造抽水电站储能系统受到了越来越大的限制。

传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高(50％～70％)和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低，难点是需要合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。

为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，最近几年国内外学者分别开展了先进绝热压缩空气储能系统(AACAES)、地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)的研究等，使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，需要大型的储气室。

近年来，国内外学者发展了液态空气储能系统等，由于采用常压液态空气储存,储能密度较高。但是，液态空气储能系统存在系统循环效率较低、灵活性较差等问题。

技术实现要素：

针对现有空气储能技术中所存在的缺点和不足，本实用新型的目的是提供一种热泵超临界空气储能系统，相比现有的压缩空气储能系统等具有储能密度大的特点，相比液态空气储能系统，具有系统储能效率高、灵活性强的特点,可以适合各种类型的电站配套使用。

为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

一种热泵超临界空气储能系统，包括空气压缩机组、蓄热换热器、蓄冷换热器、液态空气储罐、空气膨胀机组、热泵循环压缩机组、热泵循环膨胀机组、低温泵，其特征在于，

所述热泵循环压缩机组的出气口经所述蓄热换热器与所述热泵循环膨胀机组的进气口连通，所述热泵循环膨胀机组的出气口经所述蓄冷换热器与所述热泵循环压缩机组的进气口连通，所述热泵循环压缩机组、蓄热换热器、热泵循环膨胀机组、蓄冷换热器之间通过管线形成封闭的热泵制冷制热回路；

所述空气压缩机组的进气口与大气连通，出气口依次经所述蓄热换热器、蓄冷换热器与所述液态空气储罐顶部的液态空气进口连通，且与所述液态空气进口连通的管线上设有膨胀阀门，所述液态空气储罐顶部的不凝气体排气口经所述蓄冷换热器与排气管线连通，所述空气压缩机组、蓄热换热器、蓄冷换热器、液态空气储罐之间通过管线形成储能空气回路；

所述液态空气储罐底部的液态空气出口经所述低温泵、蓄冷换热器、蓄热换热器与所述空气膨胀机组的进气口连通，所述空气膨胀机组的排气口与大气连通，与所述低温泵进口连通的管线上设有控制阀门，所述液态空气储罐、低温泵、蓄冷换热器、蓄热换热器、空气膨胀机组之间通过管线形成释能做功回路。

本实用新型的热泵超临界空气储能系统，其工作过程为：

储能时，关闭控制阀门，动力源驱动所述热泵循环压缩机组，将常温低压的热泵循环气体工质压缩至高温高压态，之后经过所述蓄热换热器温度降低至常温的同时由所述蓄热换热器存储高温热能；常温高压的热泵循环气体工质进一步经过所述热泵循环膨胀机组转变为低温低压状态；低温低压的热泵循环气体工质经所述蓄冷换热器后温度升高至常温同时低温冷能传递给储能空气回路中的压缩空气；常温低压的热泵循环气体工质重新进入所述热泵循环压缩机组的进气口参与热泵循环；

且在储能时，动力源驱动所述空气压缩机组，将空气压缩为高压空气；高压空气经过所述蓄热换热器后温度降低，进一步经过所述蓄冷换热器后至高压低温态，然后由所述膨胀阀门进一步降低压力得到高压低温液态空气及低温不凝气体，由所述液态空气储罐存储该液态空气和低温不凝气体；

释能时，打开所述控制阀门，所述液态空气储罐内的液态空气经所述低温泵后压力提升至低温高压态，之后流经所述蓄冷换热器，其低温冷能得到回收，并进一步流经所述蓄热换热器吸收热能，至中高温高压空气，中高温高压空气注入所述空气膨胀机组膨胀做功。

优选地，所述的热泵循环气体工质为单原子分子气体、双原子分子气体或多原子分子气体的一种或多种的混合。

所述的单原子分子气体的热泵循环气体工质，为氦气、氩气的一种或两种混合。

优选地，所述热泵循环压缩机组和空气压缩机组的动力源为驱动电机或风力机；当所述动力源为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种为电源。

优选地，所述空气压缩机组及蓄热换热器中集成有空气净化与纯化设备。空气压缩、冷却过程中还包括空气净化与纯化，除去空气中的固体物及杂质气体。

优选地，所述空气压缩机组，总压比在36～340之间；所述空气膨胀机组，总膨胀比在38～340之间，末级膨胀机排气接近常压；所述热泵循环压缩机组，总压比在5～40之间；所述热泵循环膨胀机组，总膨胀比在5～40 之间。

优选地，所述空气膨胀机组中，各级膨胀机的进气均先经过蓄热/换热器加热升温。

优选地，所述的空气压缩机组、空气膨胀机组、热泵循环压缩机组和/ 或热泵循环膨胀机组，采用活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式。

优选地，所述的空气压缩机组、空气膨胀机组分别分布在一根驱动轴或多根驱动轴上；所述的热泵循环压缩机组、热泵循环膨胀机组分布在一根驱动轴上，或通过变速箱连接的多根驱动轴上。

优选地，所述蓄热换热器，其蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种，其换热形式是高压空气直接接触蓄热材料或者通过换热表面与蓄热材料换热；采用的蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中。

优选地，所述蓄冷换热器，其蓄冷形式是显热蓄冷或固液相变蓄冷中的一种或组合；其换热形式是高压液态空气在蓄冷器中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热；采用的显热蓄冷介质，是密封冰球、沙石子、混凝土、铝带盘或其它金属物质中的一种或几种；固液相变蓄冷介质，是氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷介质存储在绝热容器中。

优选地，所述蓄热换热器和蓄冷换热器中均包括热泵循环气体与压缩空气换热的换热器，所述换热器形式为列管式、管翅式、板翅式或板式中的一种或多种的组合。

优选地，所述热泵超临界空气储能系统，还包括热泵循环气体回路与压缩空气换热回路换热的低温热交换器，其换热器形式为列管式、管翅式、板翅式或板式中的一种或多种的组合。所述低温换热器主要用于储能空气回路与热泵制冷制热回路的换热。

优选地，所述热泵循环膨胀机组的出气口依次经所述低温换热器的冷侧、蓄冷换热器后与所述热泵循环压缩机组的进气口连通，所述空气压缩机组的出气口依次经所述蓄热换热器、蓄冷换热器、低温换热器的热侧后与所述液态空气储罐顶部的液态空气进口连通。

优选地，所述空气压缩机组和空气膨胀机组均为多级串联、级间通过所述蓄热换热器进行储热和释热的形式。

同现有技术相比，本实用新型的热泵超临界空气储能系统具有显著的技术优点：采用电站低谷(低价)电将空气压缩至高压状态，并利用存储的冷能和热泵循环得到的低温冷能将高压空气冷却至低温态(同时存储热泵循环制得的热能)，减压后得到液态空气；在用电高峰，高压液态空气经过低温泵增压后进入蓄冷器，吸热至常温高压状态，同时存储冷能，并进一步吸收已存储的热能(包括空气压缩热和热泵循环制热)后通过膨胀机驱动发电机发电。本实用新型的热泵超临界空气储能系统具有能量密度高、效率高、灵活性强、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。

附图说明

图1为本实用新型的热泵超临界空气储能系统实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型的热泵超临界空气储能系统实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型的热泵超临界空气储能系统实施例3的结构示意图；

图4为本实用新型的热泵超临界空气储能系统实施例4的结构示意图；

其中，

空气压缩机组1、蓄热换热器2、蓄冷换热器3、液态空气储罐4、空气膨胀机组5、热泵循环压缩机组6、热泵循环膨胀机组7、热泵驱动电机8、驱动电机9、发电机10、膨胀阀门13、控制阀门17、低温泵19、管线11， 12，14，15，16，18，20，21，22，23，24，25，大气A、低温换热器30。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

实施例1

如图1所示，为本实用新型的热泵超临界空气储能系统的实施例1。本实用新型的热泵超临界空气储能系统，包括空气压缩机组1、蓄热换热器2、蓄冷换热器3、液态空气储罐4、空气膨胀机组5、热泵循环压缩机组6、热泵循环膨胀机组7、低温泵19。

热泵循环压缩机组6的出气口经蓄热换热器2与热泵循环膨胀机组7的进气口连通，热泵循环膨胀机组7的出气口经蓄冷换热器3与热泵循环压缩机组6的进气口连通，热泵循环压缩机组6、蓄热换热器2、热泵循环膨胀机组7、蓄冷换热器3之间通过管线22～25形成封闭的热泵制冷制热回路。

空气压缩机组1的进气口A与大气连通，出气口通过管线11、12、14 依次经蓄热换热器2、蓄冷换热器3与液态空气储罐4顶部的液态空气进口连通，且与液态空气储罐4顶部的液态空气进口连通的管线14上设有膨胀阀门13，液态空气储罐4顶部的不凝气体排气口通过管线15经蓄冷换热器3 与排气管线16连通，排气管线16与大气连通，空气压缩机组1、蓄热换热器2、蓄冷换热器3、液态空气储罐4之间通过管线形成储能空气回路。

液态空气储罐4底部的液态空气出口通过管线18、20～22经低温泵19、蓄冷换热器3、蓄热换热器2与空气膨胀机组5的进气口连通，空气膨胀机组5的排气口与大气连通，与低温泵19进口连通的管线上设有控制阀门17，液态空气储罐4、低温泵19、蓄冷换热器3、蓄热换热器2、空气膨胀机组5 之间通过管线形成释能做功回路。

进一步地，热泵循环压缩机组6和热泵循环膨胀机组7同轴设置，热泵循环压缩机组6和热泵循环膨胀机组7的共有传动轴与一热泵驱动电机8固接。

进一步地，空气压缩机组1的输入轴与一驱动电机9固接，空气膨胀机组5的输出轴与一发电机10固接。

本实用新型的热泵超临界空气储能系统，其工作过程为：

在储能时，利用热泵驱动电机8驱动热泵循环压缩机组6，将一定量的常温低压热泵循环气体工质压缩至高温高压态；经过管线22进入蓄热换热器2温度降低至常温，同时将高温热能存储至蓄热换热器2变为常温高压热泵循环气体工质；常温高压的热泵循环气体工质进一步经过管线23进入热泵循环膨胀机组7转变为低温低压热泵循环气体工质，同时产生膨胀功补充热泵循环压缩机组6的耗功；低温低压的热泵循环气体工质进一步经管线24 进入蓄冷换热器3，温度升高至常温同时低温冷能传递至主路压缩空气；常温低压的热泵循环气体工质重新经过管线25进入热泵循环压缩机组6的进气口参与热泵循环；

储能时，低谷(低价)电驱动电机9带动空气压缩机组1，空气A进入空气压缩机组1压缩至常温高压状态，空气压缩机组1的出口空气通过管线11进入蓄热换热器2，蓄热换热器2出口空气降至常温通过管线12进入蓄冷换热器3，被蓄冷介质冷却至接近液化温度或液化温度以下。出蓄冷换热器 3的低温高压空气经管线14上的膨胀阀门13压力降低后得到液态空气及低温不凝气体，存储于液态空气储罐4中。液态空气储罐4中的低温不凝气体经顶部管线15进入蓄冷换热器3，剩余冷能被蓄冷换热器3吸收后经管线16 排入大气。

释能时，打开控制阀门17，液态空气储罐4中的液态空气经过管线18 进入低温泵19，将液态空气增压到一定压力后，由管线20输送至蓄冷换热器3与蓄冷介质换热并气化，同时回收冷量，出蓄冷换热器3的高压空气再经由管线21进入蓄热换热器2进一步升温，温度升高后的高压空气通过管线 22注入空气膨胀机组5膨胀做功，带动发电机10发电。

储能时，热泵驱动电机8带动由热泵循环压缩机组6、蓄热换热器2、热泵循环膨胀机组7、蓄冷换热器3形成的热泵制冷制热回路工作。空气压缩机组1工作，空气膨胀机组5关停，阀门13开启，控制阀门17关闭，蓄热换热器2储存热量，蓄冷换热器3释放冷量，将高压空气冷却至低温液态。释能时则相反，空气压缩机组1关停，阀门13关闭，控制阀门17开启。空气膨胀机组5工作，蓄冷换热器3回收、储存冷量，同时高压液态空气升温，则释放热能，进一步提升高压空气温度。

实施例2

图2为本实用新型的热泵超临界空气储能系统的实施例2，其主体结构与实施例1相同，不同之处在于在热泵制冷制热回路和储能空气回路上增加了一低温换热器30，低温换热器30主要用于储能空气回路与热泵制冷制热回路的换热，热泵循环膨胀机组7的出气口依次经低温换热器30的冷侧、蓄冷换热器3后与热泵循环压缩机组6的进气口连通，空气压缩机组1的出气口依次经蓄热换热器2、蓄冷换热器3、低温换热器30的热侧后与液态空气储罐4顶部的液态空气进口连通。

储能时，热泵制冷制热回路产生的低温冷能首先通过低温换热器30将低温冷能交换给储能空气回路中的低温压缩空气后，经过蓄冷换热器3释放剩余冷能。

实施例3

图3为本实用新型的热泵超临界空气储能系统的实施例3，其主体结构与实施例1相同，空气压缩机组1和空气膨胀机组5均为多级串联、级间通过蓄热换热器3进行储热和释热的形式。

实施例4

图4为本实用新型的热泵超临界空气储能系统的实施例4，其主体结构综合了实施例2、3的结构特点，压缩空气压缩机组1和压缩空气膨胀机组5 均为多级串联、级间通过蓄热换热器3进行储热和释热的形式。并在热泵制冷制热回路和储能空气回路上增加了一低温换热器30，低温换热器30主要用于储能空气回路与热泵制冷制热回路的换热。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本实用新型构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。