CN113931825A - 一种压缩空气储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能系统。包括：多级压缩机C1～Cn和多级膨胀机T1～Tn，多级压缩机中的第x级压缩机的入口与多级膨胀机中的第y级膨胀机的出口连接；该系统还包括：储气室AS、集热单元RR，集热单元RR适于吸收外界热源；储气室AS设置在末级压缩机Cn与首级膨胀机T1之间，集热单元RR设置在储气室AS与首级膨胀机T1之间。本发明的压缩空气储能系统，经过集热单元RR的空气流量变大，集热单元RR能充分吸收外界热源，因此本发明的压缩空气储能系统，能实现对外界热源的充分利用，可以促进膨胀机膨胀做功，提升做功效果，此外，也使得该系统的压缩机得到充分地利用，提升了对该系统组件的利用率。

Description

一种压缩空气储能系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能系统。
背景技术
目前的储能系统有抽水蓄能、压缩空气储能、燃料电池等，抽水蓄能和压缩空气储能具有储能密度大、输出功率大等特点。但抽水蓄能电站必须建设大坝，耗水量大，对生态也会造成一定的破坏。而压缩空气储能系统(CAES)不耗水，对生态环境基本没有影响，具有初始投资成本低、效率高、无毒、寿命长等优点，具有较大的发展前景。
现有压缩空气储能主要是利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。没有涉及到对现有的外界热源的利用，有时外界热源十分丰富，现有的压缩空气储能系统无法充分利用外界热源，造成了热源的浪费。
发明内容
本发明提供一种压缩空气储能系统，以实现对外界热源的充分利用。
本发明的技术方案是：
一种压缩空气储能系统，包括：多级压缩机C1～Cn和多级膨胀机T1～Tn，多级压缩机C1～Cn中的第x级压缩机Cx的入口与多级膨胀机T1～Tn中的第y级膨胀机Ty的出口连接；该系统还包括储气室AS、集热单元RR，集热单元RR适于吸收外界热源；储气室AS设置在末级压缩机Cn与首级膨胀机T1之间，集热单元RR设置在储气室AS与首级膨胀机T1之间；
该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，向环境散热后储存在储气室AS中；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经过集热单元RR进入第y级膨胀机Ty，第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第x级压缩机Cx、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
优选地，该压缩空气储能系统，还包括：第一阀门V1和第二阀门V2，第一阀门V1与第二阀门V2连接；该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，经过第一阀门V1储存在储气室AS中；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第y级膨胀机Ty，由第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第x级压缩机Cx、第一阀门V1、第二阀门V2、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
优选地，该压缩空气储能系统，还包括：第三阀门V3和第四阀门V4，第三阀门V3与第四阀门V3连接；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第y级膨胀机Ty，由第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入第x级压缩机Cx，再由第x级压缩机Cx经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
优选地，该压缩空气储能系统还包括：增压压缩机PC，与首级膨胀机T1连接，适于提高相应膨胀机的膨胀比，使膨胀机出口温度接近常温。
优选地，末级压缩机C1的入口与首级膨胀机T1的出口连接；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、首级膨胀机T1，由首级膨胀机T1流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入末级压缩机Cn，再由末级压缩机Cn经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机T2～Tn。
优选地，第三级压缩机C3的入口与第二级膨胀机T2的出口连接；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第二级膨胀机T2，由第二级膨胀机T2流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入第三级压缩机C3，再由第三级压缩机C3经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机T3～Tn。
优选地，压缩空气储能系统，包括换热器H，换热器H设置在第y级膨胀机Ty与第三阀体V3之间。
优选地，末级压缩机C1的入口与首级膨胀机T1的出口连接；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、首级膨胀机T1，由首级膨胀机T1流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入末级压缩机Cn，再由末级压缩机Cn经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气依次经过换热器H、后序膨胀机T2～Tn。
优选地，在前序膨胀机T1－Ty中，相邻膨胀机之间设置有集热单元RR。
优选地，热源为太阳能热，或工业余热，或生物质锅炉。
本发明的技术方案具有如下优点：
本发明的压缩空气储能系统，包括：多级压缩机C1～Cn和多级膨胀机T1～Tn，多级压缩机中的第x级压缩机的入口与多级膨胀机中的第y级膨胀机的出口连接；该系统还包括：储气室AS、集热单元RR，集热单元RR适于吸收外界热源；储气室AS设置在末级压缩机Cn与首级膨胀机T1之间，集热单元RR设置在储气室AS与首级膨胀机T1之间。
本发明的压缩空气储能系统在工作时，先通过执行储能过程进行储能，该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，向环境散热后储存在储气室AS中；然后执行释能过程进行释能，该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经过集热单元RR进入第y级膨胀机，由第y级膨胀机流出的部分空气经第x级压缩机、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经多级膨胀机T1～Tn膨胀做功。
本发明的压缩空气储能系统，在释能的同时，经过集热单元RR的空气包括两部分，一部分是由储气室AS释放的空气，另一部分是通过再循环过程流入的空气，换言之，经过集热单元RR的空气流量变大，集热单元RR能充分吸收外界热源，因此本发明的压缩空气储能系统，能实现对外界热源的充分利用，再将外界热源通过集热单元RR吸收以后，可以促进膨胀机膨胀做功，提升做功效果，此外，也使得该系统的压缩机得到充分地利用，即不仅仅在储能过程中进行利用，也在释能过程中进行利用，提升了对该系统组件的利用率。外界热源可以是太阳能、工业余热、生物质锅炉等。
附图说明
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的介绍，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。
图1为本发明的压缩空气储能系统实施方式之一的示意图；
图2为本发明的压缩空气储能系统实施方式之二的示意图；
图3为本发明的压缩空气储能系统实施方式之三的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
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。
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，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
实施例一
如图1－图3所示，本实施例的压缩空气储能系统，包括：多级压缩机C1～Cn和多级膨胀机T1～Tn，多级压缩机中的第x级压缩机的入口与多级膨胀机中的第y级膨胀机的出口连接；该系统还包括：储气室AS、集热单元RR，集热单元RR适于吸收外界热源；储气室AS设置在末级压缩机Cn与首级膨胀机T1之间，集热单元RR设置在储气室AS与首级膨胀机T1之间。
本实施例的压缩空气储能系统在工作时，先通过执行储能过程进行储能，该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，向环境散热后储存在储气室AS中；然后执行释能过程进行释能，该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经过集热单元RR进入第y级膨胀机，由第y级膨胀机流出的部分空气经第x级压缩机、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经多级膨胀机T1～Tn膨胀做功。
本实施例的压缩空气储能系统，在释能的同时，经过集热单元RR的空气包括两部分，一部分是由储气室AS释放的空气，另一部分是通过再循环过程流入的空气，换言之，经过集热单元RR的空气流量变大，集热单元RR能充分吸收外界热源，因此本实施例的压缩空气储能系统，能实现对外界热源的充分利用，再将外界热源通过集热单元RR吸收以后，可以促进膨胀机膨胀做功，提升做功效果，此外，也使得该系统的压缩机得到充分地利用，即不仅仅在储能过程中进行利用，也在释能过程中进行利用，提升了对该系统组件的利用率。外界热源可以是太阳能、工业余热、生物质锅炉等；本实施例中，对集热单元RR的具体结构也不进行进一步限定，其可以是能够吸收台外界热源的机构或系统，不仅仅限于单个元件。
本实施例的压缩空气储能系统，还包括：第一冷却器CL1，由多级压缩机C1～Cn流出的高压空气，通过第一冷却器CL1向环境散热后储存在储气室AS中。
本实施例的压缩空气储能系统，还包括：间冷器A和蓄热罐HT，多个间冷器设置在各压缩机之间，在执行储能过程时，各级压缩机产生的压缩热被蓄热介质通过间冷器A吸收后储存在蓄热罐HT中，本实施例中蓄热介质采用水。
本实施例的压缩空气储能系统，还包括：再热器R，每级膨胀机前均有再热器R以加热高压空气，在执行释能过程时，蓄热介质将蓄热罐HT中的热量传递至再热器R。
本实施例中，还包括水泵P，第二冷却器CL2，以及冷罐CT，冷罐CT用于储存蓄热介质，水泵P用于提供循环动力，驱动蓄热介质将间冷器A吸收的热量存储在蓄热罐HT中，以及将蓄热罐HT存储的热量传递至再热器R，第二冷却器CL2用于将经过多级膨胀机T1～Tn蓄热介质的热量散失至环境。
需要说明的是，本实施例中，“连接”应该理解为通过阀体或者管路连通，并且这种连接关系能够通过阀体或者开关等进行控制通断；本实施例中，多级压缩机、多级膨胀机的个数没有限制；本实施例中，第x级压缩机是指在多级压缩机C1～Cn中的任一级压缩机，第y级膨胀机是指在多级膨胀机T1～Tn的任一级膨胀机。
本实施例的压缩空气储能系统，还包括：第一阀门V1和第二阀门V2，第一阀门V1与第二阀门V2连接；
该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，经过第一阀门V1储存在储气室AS中；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第y级膨胀机Ty，由第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第x级压缩机Cx、第一阀门V1、第二阀门V2、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
需要说明，本实施例中，后序膨胀机是相对第y级膨胀机Ty而言的，不包括第y级膨胀机Ty，其数量不限，第y级膨胀机Ty后序膨胀机数量为零时，后续膨胀机表示为Tn～Tn，即为末级膨胀机；
前序膨胀机也是相对第y级膨胀机Ty而言的，不包括第y级膨胀机Ty，其数量不限，第y级膨胀机Ty的前序膨胀机数量为零时，前序膨胀机表示为T1～T1，即为首级膨胀机。
本实施例的压缩空气储能系统，还包括：第三阀门V3和第四阀门V4，第三阀门V3与第四阀门V3连接；
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第y级膨胀机Ty，由第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入第x级压缩机Cx，再由第x级压缩机Cx经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
由于集热单元RR吸收热品位相对于间冷热较高，假设释能时以同样膨胀比运行，势必造成有集热单元RR的膨胀机出口温度过高，造成热能浪费，为使热能得到充分利用，可采用两种方式：
第一种：设置增压压缩机PC，增压压缩机PC与首级膨胀机T1连接，适于提高相应膨胀机的膨胀比，使膨胀机出口温度接近常温。
第二种：设置换热器H，换热器H设置在第y级膨胀机Ty与第三阀体V3之间，通过换热器H将第y级膨胀机Ty的出口的温度置换至常温，并对第y级膨胀机Ty的出口的温度进行利用。
根据本实施例中，本领域普通技术人员也可以做出这样的变动：如采用不是本系统中的压缩机，而是与其他系统发生耦合，采用其他系统中的压缩机作为执行再循环过程的压缩机。
实施例二
本实施例的压缩空气储能系统，在实施例一的基础上做进一步限定。
如图1所示，末级压缩机C1的入口与首级膨胀机T1的出口连接；
为防止有集热单元RR的膨胀机出口温度过高，造成热能浪费，本实施方式中采用实施例一种的第一种：设置增压压缩机PC，增压压缩机PC与首级膨胀机T1连接。
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、增压压缩机PC、首级膨胀机T1，由首级膨胀机T1流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入末级压缩机Cn，再由末级压缩机Cn经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机T2～Tn。
实施例三
本实施例的压缩空气储能系统，在实施例一的基础上做进一步限定。
如图2所示，第三级压缩机C3的入口与第二级膨胀机T2的出口连接；
为防止有集热单元RR的膨胀机出口温度过高，造成热能浪费，本实施方式中采用实施例一种的第一种：设置增压压缩机PC，增压压缩机PC与首级膨胀机T1连接。
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、增压压缩机PC、第二级膨胀机T2，由第二级膨胀机T2流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入第三级压缩机C3，再由第三级压缩机C3经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机T3～Tn。
在该实施例中，在前序膨胀机T1～T2为首级膨胀机T1，首级膨胀机T1与第二级膨胀机T2之间也设置有集热单元RR，以进一步提升该压缩空气储能系统对外界热源的吸收利用。需要说明的是，如果第三级压缩机C3的入口与第三级膨胀机T3的出口连接，那么前序膨胀机为T1～T2，在设置集热单元时，可在首级膨胀机T1与第二级膨胀机T2之间，以及第二级膨胀机T2与第三级膨胀机之间T3之间设置有集热单元RR，当然本领域技术人员可据此对集热单元RR进行其他形式的拓展，在此不再赘述。
实施例四
本实施例的压缩空气储能系统，在实施例一的基础上做进一步限定。
如图3所示，末级压缩机C1的入口与首级膨胀机T1的出口连接；
为防止有集热单元RR的膨胀机出口温度过高，造成热能浪费，将对应膨胀机出口的热量用于供热。本实施方式中采用实施例一种的第二种：设置换热器H，换热器H设置在第y级膨胀机Ty与第三阀体V3之间，通过换热器H将第y级膨胀机Ty的出口的温度置换至常温。
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、首级膨胀机T1，由首级膨胀机T1流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入末级压缩机Cn，再由末级压缩机Cn经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气依次经过换热器H、后序膨胀机T2～Tn。
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他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创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种压缩空气储能系统，其特征在于，包括：
多级压缩机C1～Cn和多级膨胀机T1～Tn，多级压缩机C1～Cn中的第x级压缩机Cx的入口与多级膨胀机T1～Tn中的第y级膨胀机Ty的出口连接；
储气室AS、集热单元RR，集热单元RR适于吸收外界热源；储气室AS设置在末级压缩机Cn与首级膨胀机T1之间，集热单元RR设置在储气室AS与首级膨胀机T1之间；
该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，向环境散热后储存在储气室AS中；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经过集热单元RR进入第y级膨胀机Ty，第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第x级压缩机Cx、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：第一阀门V1和第二阀门V2，第一阀门V1与第二阀门V2连接；
该系统在执行储能过程时，空气经多级压缩机C1～Cn压缩至高压状态，经过第一阀门V1储存在储气室AS中；该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第y级膨胀机Ty，由第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第x级压缩机Cx、第一阀门V1、第二阀门V2、集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
3.根据权利要求2所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：第三阀门V3和第四阀门V4，第三阀门V3与第四阀门V4连接；
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第y级膨胀机Ty，由第y级膨胀机Ty流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入第x级压缩机Cx，再由第x级压缩机Cx经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机Ty～Tn。
4.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，还包括：
增压压缩机PC，与首级膨胀机T1连接，适于提高相应膨胀机的膨胀比，使膨胀机出口温度接近常温。
5.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，末级压缩机C1的入口与首级膨胀机T1的出口连接；
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、首级膨胀机T1，由首级膨胀机T1流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入末级压缩机Cn，再由末级压缩机Cn经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机T2～Tn。
6.根据权利要求4所述的压缩空气储能系统，其特征在于，第三级压缩机C3的入口与第二级膨胀机T2的出口连接；
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、第二级膨胀机T2，由第二级膨胀机T2流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入第三级压缩机C3，再由第三级压缩机C3经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气经后序膨胀机T3～Tn。
7.根据权利要求3所述的压缩空气储能系统，其特征在于，包括换热器H，换热器H设置在第y级膨胀机Ty与第三阀体V3之间。
8.根据权利要求7的压缩空气储能系统，其特征在于，末级压缩机C1的入口与首级膨胀机T1的出口连接；
该系统在执行释能过程时，高压空气从储气室AS释放后经第二阀门V2后依次进入集热单元RR、首级膨胀机T1，由首级膨胀机T1流出的部分空气经第三阀门V3、第四阀门V4后进入末级压缩机Cn，再由末级压缩机Cn经过第一阀门V1、第二阀门V2进入集热单元RR形成再循环过程，另一部分空气依次经过换热器H、后序膨胀机T2～Tn。
9.根据权利要求1－8中任一所述的压缩空气储能系统，其特征在于，在前序膨胀机T1－Ty中，相邻膨胀机之间设置有集热单元RR。
10.根据权利要求1－8中任一所述的压缩空气储能系统，其特征在于，热源为太阳能热，或工业余热，或生物质锅炉。
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