CN115263441A - 一种基于压缩空气储能的直连热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调系统和空气储能技术领域，具体涉及一种压缩空气储能与热泵耦合系统。其中压缩储能子系统包括电动机、第一压缩机、第二压缩机、储气罐、第一膨胀机和第二膨胀机，储能过程，电动机通过轴结构带动第一压缩机和第二压缩机，将空气压缩为高压状态储存于储气罐中。释能过程，高压空气进入第一膨胀机和第二膨胀机膨胀做功。空调热泵子系统包括热泵主机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀，依次循环连通。膨胀机通过轴结构带动热泵主机工作，为热泵子系统提供动力。本发明减去发电机，直接将膨胀机与热泵主机通过轴结构连接，避免了能量从机械能转为电能再转为机械能的转换，减少了发电机内转换成热能的损耗，有效提高了压缩空气储能系统的效率。

Description

一种基于压缩空气储能的直连热泵系统

技术领域

本发明涉及空调系统和空气储能技术领域，具体涉及一种基于压缩空气储能的直连热泵系统。

背景技术

电网中的用电负荷峰谷差较大，调峰比较困难，电能的供需不平衡导致能源利用率低下。电力储能技术是将电网低谷期的电能通过能量转化以内能、势能或机械能等方式存储在某种介质中，在电网高峰期，释放介质能量并转化成所需的能量形式，用于削峰填谷。

在储能技术中，压缩空气储能被视为具发展潜力的物理储能技术，具有大容量、成本低、寿命长、对环境友好等特点，便于耦合各种热力系统，实现工作方式灵活性的改善以及系统效率的提高，可以适用于电力系统调频、调峰填谷。

现有压缩空气储能技术中透平膨胀机带动发电机工作存在功率损失问题，针对目前存在的问题，提出一种新的设计方案，将透平膨胀机与热泵系统中压缩机通过轴结构连接，进而提高压缩空气系统的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题为透平膨胀机带动发电机工作时功率损失问题，从而提出一种压缩空气储能和热泵耦合系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于压缩空气储能的直连热泵系统，包括：

压缩空气储能子系统，包括电动机、第一压缩机、第二压缩机、第一膨胀机、第二膨胀机、储气罐、换热器、节流阀；所述第一级压缩机进气口与空气连通，所述电动机、第一压缩机和第二压缩机通过轴结构连接，所述第一压缩机出气口通过蓄热换热器与第二压缩机进气口连接，所述第二压缩机出气口通过蓄热换热器与储气罐连接，所述储气罐出气口通过节流阀和放热换热器与第一膨胀机进气口连接，所述第一膨胀机出气口通过放热换热器与第二膨胀机进气口连接，所述第一膨胀机和第二膨胀机通过轴结构连接。

空气源热泵子系统，包括热泵主机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀；所述蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器依次循环连接。

所述第二膨胀机和热泵主机通过轴结构连接。

可选地，所述第二膨胀机和第三压缩机之间的轴结构上设有离合器。

可选地，还包括蓄热罐和蓄冷罐，蓄热罐、放热换热器、蓄冷罐和蓄热换热器依次循环连通。

与现有技术相比，本发明所提供技术方案的有益效果是：本发明减少了膨胀机带动发电机发电环节，而是直接与热泵系统中压缩机通过轴结构连接，避免了能量从机械能转为电能再转为机械能的转换，减少了发电机内转换成热能的损耗，主要包括电阻损耗和磁路中的铁芯损耗，可以有效提高压缩空气储能的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供一种基于压缩空气储能的直连热泵系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供一种基于压缩空气储能的直连热泵系统的控制策略流程图。

图中，1.电动机，2.第一压缩机，3.第二压缩机，4.第一膨胀机，5.第二膨胀机，6.热泵主机，7.蒸发器，8.冷凝器，9.膨胀阀，10.储气罐，11.蓄热罐，12.蓄冷罐，13.第一蓄热换热器，14.第二蓄热换热器，15.第一放热换热器，16.第二放热换热器，17.第一液体泵，18.第二液体泵，19离合器，20节流阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于压缩空气储能的直连热泵系统，包括压缩空气储能子系统和空气源热泵子系统。

压缩空气储能子系统包括电动机1、第一压缩机2、第二压缩机3、第一膨胀机4、第二膨胀机5、储气罐10、第一蓄热换热器13、第二蓄热换热器14、第一放热换热器15、第二放热换热器16；

储能过程，所述电动机1、第一压缩机2和第二压缩机3通过轴结构连接，第一压缩机2进气口与空气连通，空气经过第一压缩机2压缩变为高温中压态气体，通过第一蓄热换热器13降温变为低温中压态气体，再经过第二压缩机3压缩变为高温高压态气体，通过第二蓄热换热器降温变为低温高压态气体，最终储存在储气罐10中；

释能过程，高压空气从储气罐10出气口通过节流阀20降压，降至第一膨胀机4，经过第一放热换热器15加热变为高温高压态气体进入第一膨胀机4，在第一膨胀机4膨胀做工变为低温中压态气体，通过第二放热换热器16加热变为高温低压态气体进入第二膨胀机，在第二膨胀机继续膨胀做功变为低温低压态气体排出到大气；

压缩空气储能子系统还包括蓄热罐11和蓄冷罐12，储能过程，蓄冷罐12中的导热油在第二液体泵18驱动下，到达第一蓄热换热器13和第二蓄热换热器14吸热升温后，回到蓄热罐11进行储存；释能过程，在蓄热罐11中高温导热流在第一液体泵17驱动下，到达第一放热换热器15和第二放热换热器16放热降温后回到蓄冷罐12，依次循环连通。

空气源热泵子系统包括热泵主机6、蒸发器7、冷凝器8和膨胀阀9，液体制冷剂在蒸发器7内蒸发吸热变成气体制冷剂，气体制冷剂在第三压缩机6内压缩变为高温高压气体，流经冷凝器8通过风冷进行冷凝放热变为低温高压的液体制冷剂，再流经膨胀阀9进行节流降压，最终回到第三压缩机6继续蒸发吸热，依次循环。

压缩空气储能子系统中第一膨胀机4和第二膨胀机5和空气源热泵子系统中热泵主机6通过轴结构连接并设有离合器，通过第一膨胀机4和第二膨胀机5膨胀做功带动热泵主机6工作，为空气源热泵子系统运行提供动力。

请参阅图2，本发明提供一种控制运行策略，在用电低谷期时，断开离合器19，直接为热泵主机6通电，带动热泵系统运行完成制冷或制热，同时开启电动机1，开始储能过程。

用电高峰期，结束储能过程，开始释能过程，闭合离合器19，通过高压气体在膨胀机内膨胀做功带动热泵主机6运行，完成制冷或制热。

本发明所提供的基于压缩空气储能的直连热泵系统，减少了能量从机械能转为电能再转为机械能的转换，避免了发电机内能量损耗，提高了整个系统的效率。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于压缩空气储能的直连热泵系统，包括压缩空气储能子系统和空气源热泵子系统，其特征在于：所述压缩空气储能子系统包括通过轴结构连接的电动机(1)、第一压缩机(2)和第二压缩机(3)，通过轴结构连接的第一膨胀机(4)和第二膨胀机(5)，所述第二压缩机(3)出气口与储气罐(10)进气口相连；所述储气罐(10)出气口与所述第一膨胀机(4)进气口相连；所述空气源热泵子系统包括蒸发器(6)、热泵主机(7)、冷凝器(8)、膨胀阀(9)和蒸发器(6),依次循环连接。

2.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能的直连热泵系统，其特征在于，所述第二膨胀机(5)与所述热泵主机(7)通过轴结构连接，设有离合器。

3.根据权利要求2所述的压缩空气储能与热泵耦合系统，轴结构两侧分别与热泵主机的转子和第二膨胀机的叶轮采用过盈配合连接。

4.根据权利要求1和2任一项基于压缩空气储能的直连热泵系统，其特征在于，所述压缩空气储能子系统还包括第一蓄热换热器(13)和第二蓄热换热器(14)，所述第一蓄热换热器(13)空气侧连接在第一压缩机(2)和第二压缩机(3)之间，所述第二蓄热换热器(14)空气侧连接在第二压缩机(3)和储气罐(10)之间，所述第一蓄热换热器(13)冷介质侧和第二蓄热换热器(14)冷介质侧并联。

5.根据权利要求4所述的基于压缩空气储能的直连热泵系统，其特征在于，所述压缩空气储能子系统还包括第一放热换热器(15)和第二放热换热器(16)；所述第一放热换热器(15)空气侧连接在储气罐(10)和第一放热换热器(15)之间，第二放热换热器(16)空气侧连接在第一膨胀机(4)和第二膨胀机(5)之间，所述第一放热换热器(15)热介质和第二放热换热器(16)热介质侧并联。

6.根据权利要求4所述的基于压缩空气储能的直连热泵系统，其特征在于，所述压缩空气储能子系统还包括蓄热罐(11)和蓄冷罐(12)，所述蓄冷罐(12)与蓄热换热器(13)(14)冷介质侧、蓄热罐(11)和放热换热器(15) (16)依次循环连通。

7.根据权利要求1所述的基于压缩空气储能的直连热泵系统，其运行策略特征在于，在用电低谷期，断开离合器，直接通电带动热泵主机运行，并开始储能过程；在用电高峰期，开始释能过程，结束储能过程，闭合离合器。

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