CN112796980A - 基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统，通过在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，形成雨幕进入填充床蓄热装置内与固体蓄热材料共同完成蓄热，过程中填充床内非全充满液态传热介质，进一步降低传热介质用量。本发明具有结构简单，降低成本的同时提高热电转化效率的特点。

Description

基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法。
背景技术
压缩空气储能是一种大规模物理储能技术——采用空气作为储能介质，在用电低谷时可将富裕的电通过电能-机械能-分子内能的转化路径实现电能以高压空气的形式大规模物理存储，在用电高峰时通过分子内能-机械能-电能的转化路径，把储存起来的高压空气转化为电能对外输出。压缩空气储能技术具有环境友好、使用寿命长、容量大及操作安全等优点。
压缩空气储能技术目前可以分为补燃式和非补燃式两类。补燃式是始于20世纪70年代，是以燃气发电为基础展开的。该技术路线脱胎于传统的内燃机增压理论，将传统燃气轮机增压膨胀的连续过程进行解耦变为空气增压和透平膨胀两个过程。补燃式储能系统装机功率大，经济性好，以当时的燃气轮机技术水平其循环效率可达42-55%，除去补燃其循环效率只有20%左右。而非补燃式是以独立的高性能压缩空气储能为出发点，以提高针对空气动力循环热效率为基础展开的。该技术路线摒弃与燃气轮机技术的结合，采用专用的空气透平技术体系；并且不依赖化石燃料的补热，通过充分回收压缩热并进行储存，在发电过程中为气体补热升温所用，减少额外热量需求，从而提高系统整体的运行效率。非补燃式压缩空气储能技术装机功率适中，经济性适中，循环效率可达50-65%。
专利CN 105370408及专利CN 107299891 B 都是采用非补燃方式的压缩空气储能方式，其中蓄热子系统的蓄热范围较低，采用水作为传热介质和蓄热介质，虽然可以降低出投资成本，但是因为考虑的蓄热温度和释热温度不高，在释能过程中传递给进入透平的空气的热量较低，热电转化的整体效率有待提高。而专利CN 107299891 B 中是采用高温蓄热系统，能够在释能过程中使进入透平的空气提高到更高的温度，从而提高系统的热电转化效率，但是该专利中是采用导热油作为传热介质和蓄热介质，初投资成本高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法，结构简单，采用在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，形成雨幕进入填充床蓄热装置内与固体蓄热材料共同完成蓄热，过程中填充床内非全充满液态传热介质，进一步降低传热介质用量，降低成本的同时提高热电转化效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；所述蓄热系统的低温换热器和高温换热器位于压缩系统的排气管路中，排气管路的两端分别与压缩机和透平系统连接，储气系统的储气罐位于低温换热器和高温换热器之间的排气管路中与排气管路连通，蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置连接，位于填充床蓄热装置两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀和释热阀；填充床蓄热装置为喷淋式结构，其腔体顶部设置镂空孔板或喷淋头，液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；稳压系统与填充床蓄热装置连接；储热阶段释热阀关闭，释热阶段储热阀关闭。
所述压缩系统包括与压缩机排气侧连接的排气管路。
所述储气系统包储气罐、进气阀和排气阀，进气阀和排气阀分别位于储气罐的进气侧和排气侧与排气管路连接。
所述蓄热系统包括与填充床蓄热装置的填充床管路两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路串联的储液罐，稳压系统与填充床蓄热装置进液端的填充床管路连接。
所述储热回路包括位于两个储热阀之间的低温屏蔽泵和低温换热器。
所述释热回路包括位于两个释热阀之间的高温屏蔽泵和高温换热器。
所述稳压系统包括与稳压管路中依次连接的稳压装置和气体流量调节阀。
所述透平系统为膨胀机。
所述释热回路的释热阀与高温换热器之间连接有膨胀槽，膨胀槽的管路中设置膨胀阀。
如上所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统的储能方法，它包括如下步骤：
S1，填料，将单位体积蓄热密度大的蓄热球或石子的蓄热材料装入填充床蓄热装置内密封，关闭排料阀；
S2，除气，打开气体流量调节阀，利用稳压装置对蓄热系统除气，将蓄热系统中的空气排尽；
S3，注入传热介质，将液态传热介质直接注入储液罐内；或者将液态传热介质注入膨胀槽后进入释热回路流入到储液罐内；
S4，压力调节，调节气体流量调节阀，对子填充床蓄热装置进行加压至设定工作压力；
S5，储能阶段，利用低谷电或可再生能源电驱动压缩机对空气进行压缩，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐中；
S5-1，释热阀关闭，储热阀打开，低温屏蔽泵启动，将储液罐里面的液态传热介质输送至低温换热器，经过低温换热器的液态传热介质进入填充床蓄热装置内后再回流至储液罐内形成储热回路；此时，填充床蓄热装置处于低温状态；液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S5-2，释热阀和排气阀关闭，压缩机启动，压缩后的高温高压空气沿排气管路进入低温换热器与其充分接触，低温换热器吸收热量并传导给液态传热介质，液态传热介质在储热回路中不断循环，液态传热介质经过填充床蓄热装置后对填充床蓄热装置内的固体蓄热介质进行加温；高温高压空气经过低温换热器后转换成低温高压空气沿排气管路进入储气罐内储存；
S5-3，当填充床蓄热装置内部的固体蓄热材料全部蓄热完毕，或者储气罐内的低温高压空气达到设定容量及压力值时，储能过程结束；储热阀、低温屏蔽泵、压缩机和进气阀关闭；
S6，释能阶段，在用电高峰期，释放储气罐内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机做功；
S6-1，释热阀打开，高温屏蔽泵启动，高温屏蔽泵将储液罐里面的高温液态传热介质输送至高温换热器，高温换热器将高温液态传热介质转换成低温液态传热介质，低温液态传热介质再进入并吸收填充床蓄热装置内热量回流至储液罐内形成释热回路；此时，填充床蓄热装置处于高温状态；液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S6-2，排气阀打开，储气罐内的低温高压空气沿排气管路经过高温换热器吸收热量，将低温高压空气转换成高温高压空气，再进入透平系统驱动膨胀机做功；
S6-3，当填充床蓄热装置内部的固体蓄热材料全部释热完毕或储气罐内的低温高压空气释放达到设定值时，释能过程结束。
一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；蓄热系统的低温换热器和高温换热器位于压缩系统的排气管路中，排气管路的两端分别与压缩机和透平系统连接，储气系统的储气罐位于低温换热器和高温换热器之间的排气管路中与排气管路连通，蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置连接，位于填充床蓄热装置两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀和释热阀；填充床蓄热装置为喷淋式结构，其腔体顶部设置镂空孔板或喷淋头，液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；稳压系统与填充床蓄热装置连接；储热阶段释热阀关闭，释热阶段储热阀关闭。结构简单，通过在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，形成雨幕进入填充床蓄热装置内与固体蓄热材料共同完成蓄热，过程中填充床内非全充满液态传热介质，进一步降低传热介质用量，降低成本的同时提高热电转化效率。
在优选的方案中，压缩系统包括与压缩机排气侧连接的排气管路。结构简单，使用时，压缩机的排气管路与透平系统的膨胀机连通；压缩机排出的高温高压空气转换成低温高压空气后进入储气系统，再从储气系统进入膨胀机。
在优选的方案中，储气系统包储气罐、进气阀和排气阀，进气阀和排气阀分别位于储气罐的进气侧和排气侧与排气管路连接。结构简单，与排气管路串联的储气罐两端分别设置进气阀和排气阀，在储气罐储气时，排气阀关闭，在储气罐排气时，进气阀关闭。
在优选的方案中，蓄热系统包括与填充床蓄热装置的填充床管路两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路串联的储液罐，稳压系统与填充床蓄热装置进液端的填充床管路连接。结构简单，使用时，储能阶段，储热回路用于吸收压缩系统中的热量并储存；释能阶段，释热回路用于释放蓄热系统中储存的热量；填充床蓄热装置在填充固体蓄热材料后，稳压系统排空蓄热系统中的空气。
在优选的方案中，储热回路包括位于两个储热阀之间的低温屏蔽泵和低温换热器。结构简单，储热阶段，释热阀关闭，储热阀打开，低温屏蔽泵启动，低温屏蔽泵驱动液态传热介质在储热回路中循环流动，低温换热器吸收压缩系统中的热量后传导给液态传热介质，将低温液态传热介质转换成高温液态传热介质。
在优选的方案中，释热回路包括位于两个释热阀之间的高温屏蔽泵和高温换热器。结构简单，释能阶段，储热阀关闭，释热阀打开，高温屏蔽泵启动，高温屏蔽泵驱动高温液态传热介质在释热回路中循环流动，高温换热器吸收高温液态传热介质的热量，再将热量传导给排气管路。
在优选的方案中，稳压系统包括与稳压管路中依次连接的稳压装置和气体流量调节阀。结构简单，在液态传热介质注入蓄热系统前，打开气体流量调节阀，将蓄热系统中的空气排尽，再调节气体流量调节阀大小，设定稳压装置的压力值。
在优选的方案中，透平系统为膨胀机。使用时，从储气罐排出的高温低压空气经过高温换热器加热后形成高温高压空气进入膨胀机，驱动膨胀机做功。
在优选的方案中，释热回路的释热阀与高温换热器之间连接有膨胀槽，膨胀槽的管路中设置膨胀阀。结构简单，膨胀槽用于向蓄热系统注入液态传热介质，且防止在液态传热介质温度上升过程中体积膨胀对管道带来影响。
在优选的方案中，如上基于高效储热性能的压缩空气储能系统的储能方法，它包括如下步骤：
S1，填料，将单位体积蓄热密度大的蓄热球或石子的蓄热材料装入填充床蓄热装置内密封，关闭排料阀；
S2，除气，打开气体流量调节阀，利用稳压装置对蓄热系统除气，将蓄热系统中的空气排尽；
S3，注入传热介质，将液态传热介质直接注入储液罐内；或者将液态传热介质注入膨胀槽后进入释热回路流入到储液罐内；
S4，压力调节，调节气体流量调节阀，对子填充床蓄热装置进行加压至设定工作压力；
S5，储能阶段，利用低谷电或可再生能源电驱动压缩机对空气进行压缩，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐中；
S5-1，释热阀关闭，储热阀打开，低温屏蔽泵启动，将储液罐里面的液态传热介质输送至低温换热器，经过低温换热器的液态传热介质进入填充床蓄热装置内后再回流至储液罐内形成储热回路；此时，填充床蓄热装置处于低温状态；液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S5-2，释热阀和排气阀关闭，压缩机启动，压缩后的高温高压空气沿排气管路进入低温换热器与其充分接触，低温换热器吸收热量并传导给液态传热介质，液态传热介质在储热回路中不断循环，液态传热介质经过填充床蓄热装置后对填充床蓄热装置内的固体蓄热介质进行加温；高温高压空气经过低温换热器后转换成低温高压空气沿排气管路进入储气罐内储存；
S5-3，当填充床蓄热装置内部的固体蓄热材料全部蓄热完毕，或者储气罐内的低温高压空气达到设定容量及压力值时，储能过程结束；储热阀、低温屏蔽泵、压缩机和进气阀关闭；
S6，释能阶段，在用电高峰期，释放储气罐内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机做功；
S6-1，释热阀打开，高温屏蔽泵启动，高温屏蔽泵将储液罐里面的高温液态传热介质输送至高温换热器，高温换热器将高温液态传热介质转换成低温液态传热介质，低温液态传热介质再进入并吸收填充床蓄热装置内热量回流至储液罐内形成释热回路；此时，填充床蓄热装置处于高温状态；液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S6-2，排气阀打开，储气罐内的低温高压空气沿排气管路经过高温换热器吸收热量，将低温高压空气转换成高温高压空气，再进入透平系统驱动膨胀机做功；
S6-3，当填充床蓄热装置内部的固体蓄热材料全部释热完毕或储气罐内的低温高压空气释放达到设定值时，释能过程结束。该方操作简单方便，采用在填充床蓄热装置内填充固体蓄热介质，利用液态传热介质在蓄热系统中传递热量，液态传热介质和固体蓄热材料结合储存热量，成本低，工作温度和工作压力范围宽。
一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统，通过在储气系统与压缩机之间的排气管路中设置低温换热器与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路中设置高温换热器与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，形成雨幕进入填充床蓄热装置内与固体蓄热材料共同完成蓄热，过程中填充床内非全充满液态传热介质，进一步降低传热介质用量。本发明具有结构简单，降低成本的同时提高热电转化效率的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明另一种的结构示意图。
图3为本发明另一种的结构示意图。
图4为本发明填充床蓄热装置腔体顶部设置镂空孔板的结构示意图。
图中：压缩机11，排气管路12，储气罐21，进气阀22，排气阀23，填充床蓄热装置31，镂空孔板311，储液罐32，储热阀33，低温屏蔽泵34，低温换热器35，释热阀36，高温屏蔽泵37，高温换热器38，填充床管路39，稳压管路41，稳压装置42，气体流量调节阀43，膨胀机5，膨胀槽6，膨胀阀61。
具体实施方式
如图1~图4中，一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统，它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；所述蓄热系统的低温换热器35和高温换热器38位于压缩系统的排气管路12中，排气管路12的两端分别与压缩机11和透平系统连接，储气系统的储气罐21位于低温换热器35和高温换热器38之间的排气管路12中与排气管路12连通，蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置31连接，位于填充床蓄热装置31两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀33和释热阀36；填充床蓄热装置31为喷淋式结构，其腔体顶部设置镂空孔板311或喷淋头；稳压系统与填充床蓄热装置31连接；储热阶段释热阀36关闭，释热阶段储热阀33关闭。结构简单，通过在储气系统与压缩机11之间的排气管路12中设置低温换热器35与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路12中设置高温换热器38与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，通过液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，形成雨幕进入填充床蓄热装置31内与固体蓄热材料共同完成蓄热，过程中填充床内非全充满液态传热介质，进一步降低传热介质用量，降低成本的同时提高热电转化效率。
优选地，液态传热介质从上向下经过镂空孔板311形成雨幕进入填充床蓄热装置31内，液态传热介质雨幕与颗粒状固体蓄热介质接触，致密的雨幕形成的面积较大、与颗粒状固体蓄热介质接触面积大，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换，热传递效率高。
优选地，位于镂空孔板311上设置多个喷淋头，液态传热介质从上向下经过镂空孔板311和喷淋头形成雨滴和雨幕进入填充床蓄热装置31内，形成雨滴和雨幕结合与颗粒状固体蓄热介质接触，进一步提高热传递效率。
优选的方案中，所述压缩系统包括与压缩机11排气侧连接的排气管路12。结构简单，使用时，压缩机11的排气管路12与透平系统的膨胀机5连通；压缩机11排出的高温高压空气转换成低温高压空气后进入储气系统，再从储气系统进入膨胀机5。
优选地，所述压缩机11的数量为一个或多个。
优选的方案中，所述储气系统包储气罐21、进气阀22和排气阀23，进气阀22和排气阀23分别位于储气罐21的进气侧和排气侧与排气管路12连接。结构简单，与排气管路12串联的储气罐21两端分别设置进气阀22和排气阀23，在储气罐21储气时，排气阀23关闭，在储气罐21排气时，进气阀22关闭。
优选地，储气罐21为压力容器，或者为盐穴及矿穴容积体，储气罐21的工作压力为常压至15MPa。
优选地，填充床蓄热装置、储液罐、液体膨胀槽在内保温条件下，其内壳的材料为不锈钢、铝或钛的金属材料，或陶瓷耐热耐腐蚀的非金属材料，其外壳材料为不锈钢、碳钢或铝合金，或陶瓷或高温混凝土，位于内壳和外壳之间填充保温材料。
优选地，所述储气罐21的数量为一个或多个。
优选的方案中，所述蓄热系统包括与填充床蓄热装置31的填充床管路39两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路39串联的储液罐32，稳压系统与填充床蓄热装置31进液端的填充床管路39连接。结构简单，使用时，储能阶段，储热回路用于吸收压缩系统中的热量并储存；释能阶段，释热回路用于释放蓄热系统中储存的热量；填充床蓄热装置31在填充固体蓄热材料后，稳压系统排空蓄热系统中的空气。
优选地，液态传热介质为导热油、水、甲醇、乙醇、液态金属其中一种或者至少两种的混合。
优选地，填充床蓄热装置31内填充固体蓄热材料，固体蓄热材料为颗粒状或多孔状的岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球或金属，具有导热性能高、单位体积蓄热密度大、成本低的特点。
优选地，填充床蓄热装置31内的固体蓄热材料之间形成空隙，当液态传热介质通过时将热量传导给固体蓄热材料，使得填充床蓄热装置31内所需液态传热介质量大大减少。
优选地，蓄热温度为室温至400℃，工作压力为常压至10Mpa。
优选地，稳压系统中的稳压气体为空气、氮气、氦气或氩气。
优选地，所述填充床蓄热装置31的数量为一个或多个。
优选的方案中，所述储热回路包括位于两个储热阀33之间的低温屏蔽泵34和低温换热器35。结构简单，储热阶段，释热阀36关闭，储热阀33打开，低温屏蔽泵34启动，低温屏蔽泵34驱动液态传热介质在储热回路中循环流动，低温换热器35吸收压缩系统中的热量后传导给液态传热介质，将低温液态传热介质转换成高温液态传热介质。
优选地，所述低温换热器35的数量为一个或多个。
优选的方案中，所述释热回路包括位于两个释热阀36之间的高温屏蔽泵37和高温换热器38。结构简单，释能阶段，储热阀33关闭，释热阀36打开，高温屏蔽泵37启动，高温屏蔽泵37驱动高温液态传热介质在释热回路中循环流动，高温换热器38吸收高温液态传热介质的热量，再将热量传导给排气管路12。
优选地，所述高温换热器38的数量为一个或多个。
优选的方案中，所述稳压系统包括与稳压管路41中依次连接的稳压装置42和气体流量调节阀43。结构简单，在液态传热介质注入蓄热系统前，打开气体流量调节阀43，将蓄热系统中的空气排尽，再调节气体流量调节阀43大小，设定稳压装置42的压力值。
优选的方案中，所述透平系统为膨胀机5。使用时，从储气罐21排出的高温低压空气经过高温换热器38加热后形成高温高压空气进入膨胀机5，驱动膨胀机5做功。
优选的方案中，所述释热回路的释热阀36与高温换热器38之间连接有膨胀槽6，膨胀槽6的管路中设置膨胀阀61。结构简单，膨胀槽6用于向蓄热系统注入液态传热介质，且防止在液态传热介质温度上升过程中体积膨胀对管道带来影响。
优选地，膨胀槽6的数量为多个，分别设置于储热回路或释热回路中。
优选的方案中，如上所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统的储能方法，它包括如下步骤：
S1，填料，将单位体积蓄热密度大的蓄热球或石子的蓄热材料装入填充床蓄热装置31内密封，关闭排料阀；
S2，除气，打开气体流量调节阀43，利用稳压装置42对蓄热系统除气，将蓄热系统中的空气排尽；
S3，注入传热介质，将液态传热介质直接注入储液罐32内；或者将液态传热介质注入膨胀槽6后进入释热回路流入到储液罐32内；
S4，压力调节，调节气体流量调节阀43，对子填充床蓄热装置31进行加压至设定工作压力；
S5，储能阶段，利用低谷电或可再生能源电驱动压缩机11对空气进行压缩，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐21中；
S5-1，释热阀36关闭，储热阀33打开，低温屏蔽泵34启动，将储液罐32里面的液态传热介质输送至低温换热器35，经过低温换热器35的液态传热介质进入填充床蓄热装置31内后再回流至储液罐32内形成储热回路；此时，填充床蓄热装置31处于低温状态；液态传热介质穿过镂空孔板311时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S5-2，释热阀36和排气阀23关闭，压缩机11启动，压缩后的高温高压空气沿排气管路12进入低温换热器35与其充分接触，低温换热器35吸收热量并传导给液态传热介质，液态传热介质在储热回路中不断循环，液态传热介质经过填充床蓄热装置31后对填充床蓄热装置31内的固体蓄热介质进行加温；高温高压空气经过低温换热器35后转换成低温高压空气沿排气管路12进入储气罐21内储存；
S5-3，当填充床蓄热装置31内部的固体蓄热材料全部蓄热完毕，或者储气罐21内的低温高压空气达到设定容量及压力值时，储能过程结束；储热阀33、低温屏蔽泵34、压缩机11和进气阀22关闭；
S6，释能阶段，在用电高峰期，释放储气罐21内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机5做功；
S6-1，释热阀36打开，高温屏蔽泵37启动，高温屏蔽泵37将储液罐32里面的高温液态传热介质输送至高温换热器38，高温换热器38将高温液态传热介质转换成低温液态传热介质，低温液态传热介质再进入并吸收填充床蓄热装置31内热量回流至储液罐32内形成释热回路；此时，填充床蓄热装置处于高温状态；液态传热介质穿过镂空孔板时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S6-2，排气阀23打开，储气罐21内的低温高压空气沿排气管路12经过高温换热器38吸收热量，将低温高压空气转换成高温高压空气，再进入透平系统驱动膨胀机5做功；
S6-3，当填充床蓄热装置31内部的固体蓄热材料全部释热完毕或储气罐21内的低温高压空气释放达到设定值时，释能过程结束。
如上所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统及方法，安装使用时，在储气系统与压缩机11之间的排气管路12中设置低温换热器35与储热回路连接，在储气系统与透平系统之间的排气管路12中设置高温换热器38与释热回路连接，储热回路将压缩系统的高温高压气体转换成低温高压气体，储气系统储存低温高压气体，释热回路将储气系统的低温高压气体转换成高温高压气体驱动透平系统做功，液态传热介质在储热回路和释热回路中循环流动作为传热介质，形成雨幕进入填充床蓄热装置31内与固体蓄热材料共同完成蓄热，过程中填充床内非全充满液态传热介质，进一步降低传热介质用量。降低成本的同时提高热电转化效率。
使用时，压缩机11的排气管路12与透平系统的膨胀机5连通；压缩机11排出的高温高压空气转换成低温高压空气后进入储气系统，再从储气系统进入膨胀机5。
与排气管路12串联的储气罐21两端分别设置进气阀22和排气阀23，在储气罐21储气时，排气阀23关闭，在储气罐21排气时，进气阀22关闭。
使用时，储能阶段，储热回路用于吸收压缩系统中的热量并储存；释能阶段，释热回路用于释放蓄热系统中储存的热量；填充床蓄热装置31在填充固体蓄热材料后，稳压系统排空蓄热系统中的空气。
储热阶段，释热阀36关闭，储热阀33打开，低温屏蔽泵34启动，低温屏蔽泵34驱动液态传热介质在储热回路中循环流动，低温换热器35吸收压缩系统中的热量后传导给液态传热介质，将低温液态传热介质转换成高温液态传热介质。
释能阶段，储热阀33关闭，释热阀36打开，高温屏蔽泵37启动，高温屏蔽泵37驱动高温液态传热介质在释热回路中循环流动，高温换热器38吸收高温液态传热介质的热量，再将热量传导给排气管路12。
在液态传热介质注入蓄热系统前，打开气体流量调节阀43，将蓄热系统中的空气排尽，再调节气体流量调节阀43大小，设定稳压装置42的压力值。
从储气罐21排出的高温低压空气经过高温换热器38加热后形成高温高压空气进入膨胀机5，驱动膨胀机5做功。
膨胀槽6用于向蓄热系统注入液态传热介质，且防止在液态传热介质温度上升过程中体积膨胀对管道带来影响。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：它包括压缩系统、储气系统、蓄热系统、稳压系统和透平系统；所述蓄热系统的低温换热器（35）和高温换热器（38）位于压缩系统的排气管路（12）中，排气管路（12）的两端分别与压缩机（11）和透平系统连接；储气系统的储气罐（21）位于低温换热器（35）和高温换热器（38）之间的排气管路（12）中与排气管路（12）连通；蓄热系统的储热回路和释热回路皆与填充床蓄热装置（31）连接；位于填充床蓄热装置（31）两侧的储热回路和释热回路中分别设置储热阀（33）和释热阀（36）；填充床蓄热装置（31）为喷淋式结构，其腔体顶部设置镂空孔板（311）或喷淋头，液态传热介质通过镂空孔板（311）或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；稳压系统与填充床蓄热装置（31）连接；储热阶段释热阀（36）关闭，释热阶段储热阀（33）关闭。
2.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述压缩系统包括与压缩机（11）排气侧连接的排气管路（12）。
3.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述储气系统包储气罐（21）、进气阀（22）和排气阀（23），进气阀（22）和排气阀（23）分别位于储气罐（21）的进气侧和排气侧与排气管路（12）连接。
4.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述蓄热系统包括与填充床蓄热装置（31）的填充床管路（39）两端连接的储热回路和释热回路，以及与填充床管路（39）串联的储液罐（32），稳压系统与填充床蓄热装置（31）进液端的填充床管路（39）连接。
5.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述储热回路包括位于两个储热阀（33）之间的低温屏蔽泵（34）和低温换热器（35）。
6.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述释热回路包括位于两个释热阀（36）之间的高温屏蔽泵（37）和高温换热器（38）。
7.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述稳压系统包括与稳压管路（41）中依次连接的稳压装置（42）和气体流量调节阀（43）。
8.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述透平系统为膨胀机（5）。
9.根据权利要求1所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统，其特征是：所述释热回路的释热阀（36）与高温换热器（38）之间连接有膨胀槽（6），膨胀槽（6）的管路中设置膨胀阀（61）。
10.根据权利要求1~9任一项所述的基于高效储热性能的压缩空气储能系统的储能方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，填料，将单位体积蓄热密度大的蓄热球或石子的蓄热材料装入填充床蓄热装置（31）内密封，关闭排料阀；
S2，除气，打开气体流量调节阀（43），利用稳压装置（42）对蓄热系统除气，将蓄热系统中的空气排尽；
S3，注入传热介质，将液态传热介质直接注入储液罐（32）内；或者将液态传热介质注入膨胀槽（6）后进入释热回路流入到储液罐（32）内；
S4，压力调节，调节气体流量调节阀（43），对子填充床蓄热装置（31）进行加压至设定工作压力；
S5，储能阶段，利用低谷电或可再生能源电驱动压缩机（11）对空气进行压缩，将高温高压空气转换成低温高压空气储存于储气罐（21）中；
S5-1，释热阀（36）关闭，储热阀（33）打开，低温屏蔽泵（34）启动，将储液罐（32）里面的液态传热介质输送至低温换热器（35），经过低温换热器（35）的液态传热介质进入填充床蓄热装置（31）内后再回流至储液罐（32）内形成储热回路；此时，填充床蓄热装置（31）处于低温状态；液态传热介质穿过镂空孔板（311）时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板（311）或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S5-2，释热阀（36）和排气阀（23）关闭，压缩机（11）启动，压缩后的高温高压空气沿排气管路（12）进入低温换热器（35）与其充分接触，低温换热器（35）吸收热量并传导给液态传热介质，液态传热介质在储热回路中不断循环，液态传热介质经过填充床蓄热装置（31）后对填充床蓄热装置（31）内的固体蓄热介质进行加温；高温高压空气经过低温换热器（35）后转换成低温高压空气沿排气管路（12）进入储气罐（21）内储存；
S5-3，当填充床蓄热装置（31）内部的固体蓄热材料全部蓄热完毕，或者储气罐（21）内的低温高压空气达到设定容量及压力值时，储能过程结束；储热阀（33）、低温屏蔽泵（34）、压缩机（11）和进气阀（22）关闭；
S6，释能阶段，在用电高峰期，释放储气罐（21）内的低温高压空气转换成高温高压空气输送给膨胀机（5）做功；
S6-1，释热阀（36）打开，高温屏蔽泵（37）启动，高温屏蔽泵（37）将储液罐（32）里面的高温液态传热介质输送至高温换热器（38），高温换热器（38）将高温液态传热介质转换成低温液态传热介质，低温液态传热介质再进入并吸收填充床蓄热装置（31）内热量回流至储液罐（32）内形成释热回路；此时，填充床蓄热装置（31）处于高温状态；液态传热介质穿过镂空孔板（311）时形成雨幕，液态传热介质通过镂空孔板（311）或喷淋头，将被雾化成微小液滴或分流成若干液柱，均匀地喷淋至顶层固体蓄热介质表面，在重力作用下，通过固体蓄热介质间空隙流至填充床底部，在此过程中与固体蓄热介质发生热交换；
S6-2，排气阀（23）打开，储气罐（21）内的低温高压空气沿排气管路（12）经过高温换热器（38）吸收热量，将低温高压空气转换成高温高压空气，再进入透平系统驱动膨胀机（5）做功；
S6-3，当填充床蓄热装置（31）内部的固体蓄热材料全部释热完毕或储气罐（21）内的低温高压空气释放达到设定值时，释能过程结束。
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