一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统及应用方法与流程

本发明属于节能系统技术领域，特别涉及一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统及应用方法。

背景技术：

随着经济和社会的快速发展，生产的能源已经没法满足日益增长消费的能源需求，因此，开发可再生能源和提高能源利用率是目前采取的主要措施，但可再生能源的间歇性、电网电力峰谷差等能源应用问题导致能源利用率低下，因此，储能技术为解决这些问题提供了非常有效途径。目前，储能技术主要包括抽水储能、电池储能、飞轮储能、超导储能和压缩空气储能等，其中压缩空气储能技术因经济性好、效率高、寿命长等优势而引起广泛关注。

根据压缩过程热利用情况，压缩空气储能系统分为透热压缩空气储能系统和绝热压缩空气储能系统，其中绝热压缩空气储能系统通过回收压缩空气的热量用于加热透平入口空气，提高了能源利用率，得到了大量的研究。但回收压缩空气的热量温度不高，导致压缩空气储能系统发电效率比较低，且系统能量利用主要形式为电和热。实际上用户负荷类型随季节变化而变化的，夏季所需负荷主要为电和冷，冬季所需负荷主要为电和热，压缩空气储能系统中的能量在得不到充分的应用，因此，系统全年能源利用率比较低。

太阳能作为21世纪最具有潜力的可再生能源，它的开发和利用是世界各国关注的热点，其中最常见的利用方式是太阳能热利用，通过太阳能集热装置，将太阳的辐射能转换成可利用的热能。但是如何很好地将热能转换成电，正常情况下需要发电装置来完成，但是这样设置会导致投资成本大大提高，不利于使用的普遍性，

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有压缩空气蓄能系统的缺点与不足，提供一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统及应用方法，通过压缩空气储能装置、储热装置和太阳能集热装置相连接且集成于冷热电联供压缩空气储能系统内的设置，以及冷热电联供压缩空气储能系统将回收压缩空气的热量和太阳能集热装置提供的热量储存在储热系统中，并在透平前端设置了燃烧器，通过调节储热系统中的加热量和进入燃烧器的化石燃料量来调节透平入口高压空气的温度，提供给用户所需的不同季节的冷、热和电负荷需求。回收利用压缩空气的热量，实现太阳能与化石燃料互补，将太阳能直接转换成用户所需的冷、热和电负荷，从而有效利用了太阳能，提高了系统的发电效率和总能利用率。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

提供一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统，所述压缩空气储能系统设有压缩空气储能装置、储热装置和太阳能集热装置，所述压缩空气储能装置、储热装置和太阳能集热装置相连接且集成于冷热电联供压缩空气储能系统内；所述冷热电联供压缩空气储能系统将回收压缩空气的热量和太阳能集热装置提供的热量储存在储热装置中，并在透平前面设置了燃烧器，通过调节储热装置的加热量和进入燃烧器的化石燃料量来调节透平入口高压空气的温度，提供给用户所需的不同季节的冷、热和电负荷需求。

由压缩空气储能系统的特点可知，压缩空气储能系统不仅是储能装置同时还是发电装置，因此，本发明考虑将储热装置、太阳能集热装置与压缩空气储能装置集成，提出一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统。太阳能集热器收集的热能存储在储热装置中，释能时，透平入口空气的温度被储热系统中的热工质加热，根据用户不同季节的负荷需求，调节压缩空气储能系统中透平入口空气的温度，提供给用户冷、热和电负荷。

由此可见，将储热装置、太阳能集热装置与压缩空气储能装置集成对于可再生能源高效利用来说尤为重要，既实现了将太阳能低品位热能转换为高品位电能，同时又实现了压缩空气储能装置的冷、热和电三联供，对压缩空气储能系统中能量进行高效、充分利用，减少了环境污染，降低了成本，提高了系统综合能源利用率。

优选地，所述压缩空气储能装置包括若干开关、低压压气机、若干换热器、高压压气机、储气罐、调节阀、燃烧器、透平、发电机、电压缩式制冷机、锅炉；储热系统装置由热罐和冷罐组成；太阳能集热装置设有太阳能集热器。

优选地，若干换热器包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器，所述低压压气机、第一换热器、高压压气机、第二换热器、储气罐顺次连接形成储能回路。

优选地，热罐均与第一换热器、第二换热器连接，所述冷罐均与第一换热器、第二换热器连接；所述冷罐、调节阀、太阳能集热器、热罐顺次连接形成太阳能热储存回路。

优选地，所述储气罐、调节阀、第三换热器、燃烧器、透平、发电机顺序连接形成发电模块，所述储热系统中的热罐通过调节阀与第三换热器也连接。

优选地，所述第三换热器与第四换热器连接，所述第四换热器与冷罐连接。

优选地，燃烧器、透平顺序连接形成供电模块、供冷模块或供热模块，所述燃烧器为燃料量可变结构。

优选地，所述电压缩式制冷机与发电机连接。

本发明还提供一种所述的先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统的应用方法，具体步骤如下：包括用电高峰期、用电低谷期以及供冷期、供热期；

(1)用电低谷时，两个开关关闭，另外两个开关打开，压缩空气储能系统处于蓄能阶段；空气进入低压压气机被绝热压缩，从低压压气机出来的压缩空气进入第一换热器被定压冷却到环境温度，然后进入高压压气机被绝热压缩，从高压压气机出来的高压空气在第二换热器中被定压冷却到环境温度，从第二换热器中出来的低温高压空气进入储气罐被储存；

(2)用电高峰时，两个开关关闭，两个开关打开，压缩空气储能系统处于释能阶段；从储气罐出来的高压空气通过调节阀调节空气流量，然后进入第三换热器中被热罐中的热流体加热，加热后的高压空气进入燃烧器被进一步加热，然后进入透平膨胀做功，透平输出的功带动发电机发电，提供给用户所需的电负荷，且从透平出来的排气用于供热或者供冷；

(3)供冷期，所需负荷主要为电和冷，减少进入燃烧器的燃料量，进入透平的压缩空气被加热到较低温度，高压空气在透平中做功驱动发电机发电提供用户所需电能，从透平出来的排气温度低于环境温度，可以给用户供冷；

(4)供热期，所需负荷主要为电和热，增加进入燃烧器的燃料量，进入透平的压缩空气被加热到较高温度，高压空气在透平中做功驱动发电机发电提供用户所需电能，从透平出来的排气温度高于环境温度，用于提供给用户所需的热负荷。

优选地，在步骤(1)中用电低谷时，冷罐的冷流体在第一换热器和第二换热器中被加热成热流体，回收低压压气机和高压压气机出来的压缩空气的压缩热，进入热罐被储存起来。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

提供一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统及应用方法，将储热装置、太阳能集热装置与压缩空气储能装置集成对于可再生能源高效利用来说尤为重要，既实现了将太阳能低品位热能转换为高品位电能，同时又实现了压缩空气储能装置的冷、热和电三联供，对压缩空气储能装置中能量进行高效、充分利用，减少了环境污染，降低了成本，提高了系统综合能源利用率。

附图说明

图1为本实施例的一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统的系统原理图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：

如图1为一种先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统的实施例，冷热电联供压缩空气储能系统设有压缩空气储能装置、储热装置和太阳能集热装置，压缩空气储能装置、储热装置和太阳能集热装置相连接且集成于冷热电联供压缩空气储能系统内；冷热电联供压缩空气储能系统将回收压缩空气的热量和太阳能集热装置提供的热量储存在储热装置中，并在透平前面设置了燃烧器10，通过调节储热装置的加热量和进入燃烧器10的化石燃料量来调节透平11入口高压空气的温度，提供给用户所需的不同季节的冷、热和电负荷需求。

其中，压缩空气储能装置包括若干开关1、7、15、19、21、低压压气机2、若干换热器3、5、9、17、高压压气机4、储气罐6、调节阀8、16、20、22、燃烧器10、透平11、发电机12、电压缩式制冷机13、锅炉24；储热装置由热罐14和冷罐18组成；太阳能集热装置设有太阳能集热器23。

另外，若干换热器包括第一换热器3、第二换热器5、第三换热器9、第四换热器17，低压压气机2、第一换热器3、高压压气机4、第二换热器5、储气罐6顺次连接形成储能回路。

其中，热罐14均与第一换热器3、第二换热器5连接，冷罐18均与第一换热器3、第二换热器5连接；冷罐18、调节阀22、太阳能集热器23、热罐14顺次连接形成太阳能热储存回路。

另外，储气罐6、调节阀8、第三换热器9、燃烧器10、透平11、发电机12顺序连接形成发电模块，热罐14通过调节阀16与第三换热器9也连接。

其中，第三换热器9与第四换热器17连接，第四换热器17与冷罐18连接。

另外，燃烧器10、透平11顺序连接形成供电模块、供冷模块或供热模块，燃烧器10为燃料量可变结构。

其中，冷热电联供压缩空气储能系统设有用于补充热能的锅炉24；电压缩式制冷机13与发电机12连接。

本发明的实施例还提供了该先进多能互补的冷热电联供压缩空气储能系统的应用方法，具体步骤如下：包括用电高峰期、用电低谷期以及供冷期、供热期；

(1)用电低谷时，开关1和开关19关闭，开关7和开关15打开，压缩空气储能系统处于蓄能阶段；空气进入低压压气机2被绝热压缩，从低压压气机2出来的压缩空气进入第一换热器3被定压冷却到环境温度，然后进入高压压气机4被绝热压缩，从高压压气机4出来的高压空气在第二换热器5中被定压冷却到环境温度，从第二换热器5中出来的低温高压空气进入储气罐6被储存；

(2)用电高峰时，开关1和开关19关闭，开关7和开关15打开，压缩空气储能系统处于释能阶段；从储气罐6出来的高压空气通过调节阀8调节空气流量，然后进入第三换热器9中被热罐14中的热流体加热，加热后的高压空气进入燃烧器10被进一步加热，然后进入透平11膨胀做功，透平11输出的功带动发电机12发电，提供给用户所需的电负荷，且从透平11出来的排气用于供热或者供冷；

(3)供冷期，所需负荷主要为电和冷，减少进入燃烧器10的燃料量，进入透平11的压缩空气被加热到较低温度，高压空气在透平11中做功驱动发电机发电提供用户所需电能，从透平11出来的排气温度低于环境温度，可以给用户供冷；

(4)供热期，所需负荷主要为电和热，增加进入燃烧器10的燃料量，进入透平11的压缩空气被加热到较高温度，高压空气在透平11中做功驱动发电机发电提供用户所需电能，从透平11出来的排气温度高于环境温度，用于提供给用户所需的热负荷。

其中，在步骤(1)中用电低谷时，冷罐18中的冷流体在第一换热器3和第二换热器5中被加热成热流体，回收低压压气机2和高压压气机4出来的压缩空气的压缩热，进入热罐14被储存起来。

具体工作原理：白天有太阳能时，开关21打开，视太阳能辐射强度通过调节阀22调节从冷罐18出来的冷流体的流量，冷流体进入太阳能集热器23中被加热，然后进入热罐14中被储存起来。

用电低谷期或电力过剩时，开关1和开关19闭合，开关7和开关15打开，低谷期的电或多余的电力驱动压气机压缩空气，压缩空气储能系统处于蓄能阶段。空气进入低压压气机2被绝热压缩，从低压压气机2出来的压缩空气进入第一换热器3被定压冷却到环境温度，然后进入高压压气机4被进一步绝热压缩，从高压压气机4出来的高压空气进入第二换热器5被定压冷却到环境温度，然后进入储气罐6被储存起来。冷罐18中的冷流体在第一换热器3和第二换热器5中被加热成热流体，回收低压压气机2和高压压气机4出来的压缩空气的压缩热，进入热罐14中被储存起来。

用电高峰期时，开关1和开关19打开，开关7和开关15闭合，压缩空气储能系统处于释能阶段。从储气罐6出来的高压空气通过调节阀8调节空气流量和压力，进入第三换热器9中被热罐14中的热流体加热(调节阀16调节热流体的流量)。当热罐提供的热量不能将高压空气加热到设计温度时，从第三换热器9出来的高压空气进入燃烧器10被进一步加热，然后进入透平11膨胀做功，透平11输出的功驱动发动机12发电。从透平11出来的排气可以用于提供给用户所需的热负荷或冷负荷。如果从第三换热器9出来的流体温度高于环境温度，进入第四换热器17进一步换热，提供给用户所需的热负荷。

夏季，用户所需的负荷主要是冷和电，进入透平11的高压空气被热罐14的热流体加热，燃烧器10不工作，被加热后的高压空气推动透平11做功驱动发电机发电提供用户所需的电负荷。从透平11出来的排气温度低于环境温度，提供给用户所需的冷负荷。当从透平11出来的低温空气不足以提供给用户所需的冷负荷时，由发电机12产生的电能驱动电压缩式制冷机13产生制冷量满足用户需求。从第三换热器9回收的热量不足以满足用户热负荷需求时，燃料进入锅炉24燃烧提供给用户所需的热负荷。

冬季，用户所需的负荷主要是热和电，进入透平11的高压空气被热罐14的热流体加热后，进入燃烧器10进一步被加热，被加热的高压空气进入透平11中推动透平做功提供给用户所需的电负荷。从透平11出来的排气温度高于环境温度，提供给用户所需的热负荷。当从第四换热器17回收的热量和透平11排气的热量不满足用户需求时，燃料进入锅炉24燃烧提供给用户所需的热负荷。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。