CN116086226A - 一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统及方法，涉及储能储热技术领域。水泵水轮机模块在用电低谷时间段内抽水，在用电高峰时间段内发电；高压水气仓模块：在用电低谷时间段内，将抽取的水压缩空气产生热量，形成热水和高压空气并储存热量；在用电高峰时间段内，释放热量加热热水，使用热水发电；储气模块：在用电低谷时间段内储存高压空气；在用电高峰时间段内释放高压空气；喷射管：在用电低谷时间段内喷射抽取的水；在用电高峰时间段内喷射高压空气；喷射管具有毛细孔和微纳结构涂层。本发明实现了抽水压缩空气储能系统的模块化，提高了抽水压缩空气储能系统对于地理环境的适应性，提高了水和空气之间的换热效率。

Description

一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统及方法

技术领域

本发明涉及储能和储热技术领域，特别是涉及一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统及方法。

背景技术

储能技术在促进能源生产消费、开放共享、灵活交易、协同发展，推动能源革命和能源新业态发展方面发挥着至关重要的作用，是解决可再生能源的来源间歇性和不稳定问题的重要途径。

在众多储能技术中，抽水蓄能和压缩空气储能这两种机械储能技术在装机规模、技术成本和使用寿命等方面具有明显优势，是实现大容量和长时间电能储放的有效手段。然而，传统抽水蓄能和压缩空气储能技术受地理、环境条件限制较大。

现有的抽水压缩空气储能技术在水气共存时，空气导热系数低，会明显抑制水和空气之间的换热效率，存在换热效率低的缺点。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统及方法，实现了抽水压缩空气储能系统的模块化，提高了抽水压缩空气储能系统对于地理环境的适应性，同时，提高了水和空气之间的换热效率。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：

一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，包括：

水泵水轮机模块3，用于：

在用电低谷时间段内抽水；

在用电高峰时间段内发电；

高压水气仓模块5，与所述水泵水轮机模块3连接，用于：

在用电低谷时间段内，所述水泵水轮机模块3抽取的水压缩空气产生热量，形成热水和高压空气，并储存热量；

在用电高峰时间段内，在发电的同时或之后，释放热量加热所述热水，以降低所述高压空气温度和压力的下降速度，并使用所述热水带动所述水泵水轮机模块3发电；

储气模块28，与所述高压水气仓模块5连接，用于：

在用电低谷时间段内且所述高压水气仓模块5的气压高于所述储气模块28的气压时，储存高压空气；

在用电高峰时间段内且所述高压水气仓模块5的气压低于所述储气模块28的气压时，释放高压空气以降低所述高压水气仓模块5中高压空气压力的下降速度；

喷射管6，设置在所述高压水气仓模块5内，用于：

在用电低谷时间段内，喷射所述水泵水轮机模块3抽取的水；

在用电高峰时间段内且所述高压水气仓模块5的气压低于所述储气模块28的气压时，喷射所述储气模块28释放的高压空气；

所述喷射管6具有毛细孔和微纳结构涂层7；毛细孔用于形成细水柱或细空气柱；微纳结构涂层7涂覆于所述喷射管6表面，用于疏水和传热。

可选地，还包括：

控制模块29，分别与所述水泵水轮机模块3，所述高压水气仓模块5和所述储气模块28连接，用于：

在用电低谷时间段内，控制所述水泵水轮机模块3抽水的启停，检测所述高压水气仓模块5的工作状态，控制所述储气模块28的启停；工作状态包括：压力状态和温度状态；

在用电高峰时间段内，控制所述水泵水轮机模块3发电的启停，检测所述高压水气仓模块5的工作状态，控制所述储气模块28的启停。

可选地，所述高压水气仓模块5包括：

空气补气管12，用于补充空气；

上气仓，所述上气仓的第一进气口与所述空气补气管12的出气口连接；

下气仓，包括：

相变储热内胆8，用于：

在用电低谷时间段内，储存热量；

在用电高峰时间段内，释放热量；

所述相变储热内胆8的表面涂覆微纳结构涂层7，所述覆微纳结构涂层7用于疏水和传热；

第三阀门25，与所述喷射管6的进口连接，位于所述上气仓内；

第五阀门27，分别与所述上气仓和所述下气仓连接，用于联通所述上气仓和所述下气仓。

可选地，所述水泵水轮机模块3包括：

集水池1；

水泵入水管2，所述水泵入水管2的入水口与所述集水池1的出水口连接；

全变频水泵水轮机31，所述全变频水泵水轮机31的第一入水口与所述水泵入水管2的出水口连接；

水泵出水管4，所述水泵出水管4的入水口与所述全变频水泵水轮机31的第一出水口连接；所述水泵出水管4的出水口与所述喷射管6的进口连接；

水轮机出水管22，所述水轮机出水管22的进水口与所述全变频水泵水轮机31的第二出水口连接；所述水轮机出水管22的出水口与所述集水池1的进水口连接；

高压水气仓出水管21，所述高压水气仓出水管21的出水口与所述全变频水泵水轮机31的第二进水口连接；所述高压水气仓出水管21的进水口与所述下气仓的出气口连接；

第二阀门24，所述第二阀门24安装在所述水泵出水管4上，用于根据控制指令控制所述水泵出水管4的流量；

第四阀门26，所述第四阀门26安装在所述高压水气仓出水管21上，用于根据控制指令控制所述高压水气仓出水管21的流量。

可选地，所述储气模块28包括：

高压空气出气管15，所述高压空气出气管15的进气口与所述上气仓的第二进气口连接；

第一阀门16，所述第一阀门16的进气口与所述高压空气出气管15的出气口连接；所述第一阀门16包括N个出气口；

N个储气罐进气管17，所述N个储气罐进气管17与所述第一阀门16的N个出气口一一对应；

N个储气罐19，N大于等于2；储气罐19的进气口与储气罐进气管17的出气口连接。

可选地，所述控制模块29包括：

压力传感器10，安装于所述下气仓内，用于测量压力并监测所述压力状态；

温度传感器11，安装于所述下气仓内，用于测量温度并监测所述温度状态；

云控制中枢23，分别与所述压力传感器10，所述温度传感器11，所述全变频水泵水轮机31，所述空气补气管12，所述第一阀门16，所述第二阀门24和所述第四阀门26连接，用于根据所述压力状态和所述温度状态发送控制指令；

所述控制指令用于：

控制所述全变频水泵水轮机31的启停；

控制所述空气补气管12的开度；

控制所述第一阀门16，所述第二阀门24和所述第四阀门26的开度；

控制所述蒸汽发生器14的启停和蒸汽出气量。

可选地，还包括：

蒸汽管13，所述蒸汽管13的出口与所述下气仓的第一进气口连接；

蒸汽发生器14，所述蒸汽发生器14的出口与所述蒸汽管13的进口连接。

可选地，所述微纳结构涂层7的材质为金属铜，金属银，和/或，石墨烯。

可选地，所述相变储热内胆8的材质为多元糖醇材料、熔融盐材料、液态镓铟锡合金或液态铅锡铟合金。

为实现上述目的，本发明实施例还提供了如下方案：

一种用于抽水压缩空气储能的水气换热方法，包括：

在用电低谷时间段内抽水；

喷射所述抽取的水形成细水柱；

所述细水柱压缩空气产生热量，形成热水和高压空气，并储存热量；

储存高压空气；

在用电高峰时间段内，使用所述热水发电；

在使用所述热水发电的同时或之后，释放热量加热所述热水，以降低热水温度的下降速度；

喷射储存的高压空气形成细空气柱，以降低所述高压空气温度和压力的下降速度。

在本发明实施例中，用于抽水压缩空气储能的水气换热系统包括水泵水轮机模块3，高压水气仓模块5，储气模块28和喷射管6，可实现模块化、标准化和批量化建造，对地理环境要求较低，且不需要建造大型水坝，对生态环境没有破坏，从而在西部地区及平原地区可以大规模使用。

用于抽水压缩空气储能的水气换热系统通过利用效率较高的水泵水轮机模块3替代传统压缩机进行储能，喷射管6形成细水柱，增大了水与空气的接触面积。在压缩空气过程中利用水对空气同步冷却，以尽可能减少空气温度升高而带来的热能损失。

利用效率较高的水泵水轮机模块3替代传统气体透平进行释能，在发电过程中利用压缩后的热水来加热空气，使空气以恒定的温度膨胀形成高压空气，且运行过程中高压水气仓模块5中的高压空气的温度下降缓慢，基本保持稳定，趋于等温压缩和等温膨胀，喷射管6形成细空气柱，增大了水与高压空气的接触面积，提高了水气共存时水和高压空气间的换热效率，使系统的运行效率显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统的详细连接示意图；

图3为本发明实施例提供的用于抽水压缩空气储能的水气换热方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的微纳结构涂层的结构示意图。

符号说明：

集水池-1，水泵入水管-2，水泵水轮机模块-3，水泵出水管-4，高压水气仓模块-5，喷射管-6，微纳结构涂层-7，相变储热内胆-8，压力传感器-10，温度传感器-11，空气补气管-12，蒸汽管-13，蒸汽发生器-14，高压空气出气管-15，第一阀门-16，储气罐进气管-17，储气罐-19，高压水气仓出水管-21，水轮机出水管-22，云控制中枢-23，第二阀门-24，第三阀门-25，第四阀门-26，第五阀门-27，储气模块-28，控制模块-29，全变频水泵水轮机31。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统及方法，以解决现有的抽水压缩空气储能技术受地理、环境条件限制较大，在水气共存时，空气导热系数低，换热效率低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1示出了上述用于抽水压缩空气储能的水气换热系统的一种示例性结构，包括水泵水轮机模块3，高压水气仓模块5，储气模块28和喷射管6。下面对各模块进行详细介绍。

水泵水轮机模块3用于在用电低谷时间段内抽水。

在一个示例中，本领域技术人员可灵活设计用电低谷时间段，例如夜晚11点至早上6点，在此不作赘述。在夜晚11点至早上6点内，上述用于抽水压缩空气储能的水气换热系统处于水气压缩换热储能工况，水泵水轮机模块3的主要功能是抽水。

水泵水轮机模块3用于在用电高峰时间段内发电。

在一个示例中，本领域技术人员可灵活设计用电高峰时间段，例如早上6点至夜晚11点，在此不作赘述。在早上6点至夜晚11点内，上述用于抽水压缩空气储能的水气换热系统处于蒸汽补气换热发电工况，水泵水轮机模块3的主要功能是发电。

高压水气仓模块5与水泵水轮机模块3连接。

在一个示例中，高压水气仓模块5与水泵水轮机模块3之间可以通过管道连接，本领域技术人员可灵活设计管道的种类，直径和长度，例如钢管，塑料管，渐缩渐扩管。

高压水气仓模块5在用电低谷时间段内，水泵水轮机模块3抽取的水压缩空气产生热量，形成热水和高压空气，并储存热量。

在一个示例中，在夜晚11点至早上6点内，水泵水轮机模块3抽取的水进入到高压水气仓模块5中，抽取的水对高压水气仓模块5中的空气进行压缩，在压缩的过程中产生热量，同时抽取的水吸收热量成为热水，被压缩的空气成为高压空气。高压水气仓模块5还可以存储一部分热量，达到储热、保温的效果。

高压水气仓模块5在用电高峰时间段内，在发电的同时或之后，释放热量加热热水，以降低高压空气温度和压力的下降速度，并使用热水带动水泵水轮机模块3发电。

在一个示例中，在早上6点至夜晚11点内，高压水气仓模块5中的热水在高压空气的作用下向水泵水轮机模块3喷射，水泵水轮机模块3在热水的带动下转动发电。在发电的同时或者开始后，高压水气仓模块5中的热水温度随之降低，高压空气的气压也逐渐降低，此时高压水气仓模块5还可以释放热量，加热高压水气仓模块5中的水，进行补热，产生水蒸气的同时，维持了高压空气的气压，降低了高压空气气压降低的速度。

储气模块28与高压水气仓模块5连接。

在一个示例中，储气模块28与高压水气仓模块5之间可以通过管道连接，管道部分请参见上文，在此不作赘述。

在用电低谷时间段内且高压水气仓模块5的气压高于储气模块28的气压时，储气模块28储存高压空气。

在一个示例中，在夜晚11点至早上6点内，当高压水气仓模块5的气压高于储气模块28的气压时，高压空气从高压水气仓模块5流向储气模块28，储气模块28存储一部分高压空气。

在用电高峰时间段内且高压水气仓模块5的气压低于储气模块28的气压时，储气模块28释放高压空气以降低高压水气仓模块5中高压空气温度和压力的下降速度。

在一个示例中，在早上6点至夜晚11点内，当高压水气仓模块5的气压低于储气模块28的气压时，高压空气从储气模块28流向高压水气仓模块5，进行补气，在维持高压水气仓模块5中高压空气温度和压力的同时，还可以加热高压水气仓模块5中的水，进行补热，降低了高压水气仓模块5中高压空气温度和压力的下降速度。

喷射管6设置在高压水气仓模块5内。

在用电低谷时间段内，喷射管6喷射水泵水轮机模块3抽取的水。

在一个示例中，在夜晚11点至早上6点内，水泵水轮机模块3抽取的水进入喷射管6后，喷射管6将水喷射出去形成细水柱，细水柱增大了水与空气的接触面积，使空气和水的热交换效率更高。

在用电高峰时间段内且高压水气仓模块5的气压低于储气模块28的气压时，喷射管6喷射储气模块28释放的高压空气。

在一个示例中，在早上6点至夜晚11点内，当高压水气仓模块5的气压低于储气模块28的气压时，高压空气进入喷射管6，喷射管6将高压空气喷射出去形成细空气柱，细空气柱增大了水与高压空气的接触面积，使高压空气和水的热交换效率更高。

喷射管6具有毛细孔和微纳结构涂层7。毛细孔用于形成细水柱或细空气柱。微纳结构涂层7涂覆于喷射管6表面，微纳结构涂层7用于疏水和导热。

在一个示例中，本领域技术人员可灵活设计毛细孔的直径，例如10纳米，10微米米等等，在此不作赘述。水经过毛细孔后可以形成细水柱。高压空气经过毛细孔后可以形成细空气柱。微纳结构涂层7具有超疏水性，可以避免水在其表面形成水膜，从而高压空气可以直接与微纳结构涂层7接触，强化了导热效果。此外，微纳结构涂层7的表面微纳结构凸起可起到导热肋片的作用，强化了高压空气与水之间的导热效果。

在本发明实施例中，水泵水轮机模块3，高压水气仓模块5，储气模块28和喷射管6的模块化设计，可实现模块化、标准化和批量化建造，对地理环境要求较低，且不需要建造大型水坝，对生态环境没有破坏，从而在西部地区及平原地区可以大规模使用。

水泵水轮机模块3利用效率较高，喷射管6形成细水柱，增大了水与空气的接触面积。在压缩空气过程中利用水对空气同步冷却，以尽可能减少空气温度升高而带来的热能损失。

在发电过程中利用压缩后的热水来加热空气，使空气以恒定的温度膨胀形成高压空气，且运行过程中高压水气仓模块5中的高压空气的温度下降缓慢，基本保持稳定，趋于等温压缩和等温膨胀，喷射管6形成细空气柱，增大了水与高压空气的接触面积，提高了水气共存时水和高压空气间的换热效率，使系统的运行效率显著提高。

在本发明其他实施例中，用于抽水压缩空气储能的水气换热系统还包括控制模块29。

请参见图2，控制模块29分别与水泵水轮机模块3，高压水气仓模块5和储气模块28连接。

在用电低谷时间段内，控制模块29控制水泵水轮机模块3抽水的启停，控制模块29检测高压水气仓模块5的工作状态，控制模块29控制储气模块28的启停。工作状态包括：压力状态和温度状态。

在一个示例中，在夜晚11点至早上6点内，控制模块29可以控制水泵水轮机模块3抽水的启动与停止，控制模块29还可以检测高压水气仓模块5的工作状态，控制模块29还可以控制储气模块28的启动与停止。工作状态包括：压力状态和温度状态。压力状态是指高压水气仓模块5中高压空气的压力值。温度状态是指高压水气仓模块5中的温度值。

在用电高峰时间段内，控制模块29控制水泵水轮机模块3发电的启停，控制模块29检测高压水气仓模块5的工作状态，控制模块29控制储气模块28的启停。

在一个示例中，在早上6点至夜晚11点内，控制模块29可以控制水泵水轮机模块3抽水的启动与停止，控制模块29还可以检测高压水气仓模块5的工作状态，控制模块29还可以控制储气模块28的启动与停止。

下面对各器件进行更为详细的介绍。

请参见图2，高压水气仓模块5包括：空气补气管12，上气仓和下气仓。

空气补气管12，用于补充空气。

在一个示例中，当高压水气仓模块5内的气压低时，空气可以通过空气补气管12进入高压水气仓模块5中。

上气仓，上气仓的第一进气口与空气补气管12的出气口连接。

在一个示例中，空气通过空气补气管12的出气口后，从上气仓的第一进气口进入上气仓。

下气仓包括：相变储热内胆8，第三阀门25，第五阀门27。

相变储热内胆8用于在用电低谷时间段内储存热量，在用电高峰时间段内释放热量。

在一个示例中，在夜晚11点至早上6点内，相变储热内胆8吸热熔化，可以将高压空气和水的热量进行存储，并对高压水气仓模块5内的水进行保温。在早上6点至夜晚11点内，相变储热内胆8放热凝固，可以释放热量加热高压空气，并对高压水气仓模块5内的水进行加热。

相变储热内胆8的表面涂覆微纳结构涂层7。

在一个示例中，微纳结构涂层7涂覆于相变储热内胆8的内表面，微纳结构涂层7用于疏水和导热。

第三阀门25与喷射管6的进口连接，第三阀门25位于上气仓内。

在一个示例中，在早上6点至夜晚11点内，水泵水轮机模块3抽取的水从第三阀门25进入喷射管6。在夜晚11点至早上6点内，储气模块28释放的高压空气从第三阀门25进入喷射管6。

第五阀门27分别与上气仓和下气仓连接，第五阀门27用于联通上气仓和下气仓。

在一个示例中，第五阀门27位于上气仓和下气仓的连接处，第五阀门27打开时，上气仓和下气仓联通；第五阀门27关闭时，上气仓和下气仓隔断。上气仓可以起到高压空气缓冲和临时存储高压空气的作用，防止水泵水轮机模块3抽取的水倒灌流入储气模块28中。

水泵水轮机模块3至少包括：集水池1，水泵入水管2，全变频水泵水轮机31，水泵出水管4，水轮机出水管22，高压水气仓出水管21，第二阀门24，第四阀门26。

水泵入水管2的入水口与集水池1的出水口连接。

全变频水泵水轮机31的第一入水口与水泵入水管2的出水口连接。

水泵出水管4的入水口与全变频水泵水轮机31的第一出水口连接；水泵出水管4的出水口与喷射管6的进口连接。

水轮机出水管22的进水口与全变频水泵水轮机31的第二出水口连接；水轮机出水管22的出水口与集水池1的进水口连接。

高压水气仓出水管21的出水口与全变频水泵水轮机31的第二进水口连接；高压水气仓出水管21的进水口与下气仓的出气口连接。

第二阀门24安装在水泵出水管4上，第二阀门24用于根据控制指令控制水泵出水管4的流量。

第四阀门26安装在所述高压水气仓出水管21上，第四阀门26用于根据控制指令控制高压水气仓出水管21的流量。

在一个实施例中，全变频水泵水轮机31为全变频设备。当其处于水泵工况时，可以在变频10％～110％之间的频率工作，以适应空气被压缩后压力升高所导致的水泵出口压力升高。当其处于水轮机工况时，可以在变频10％～110％之间的频率工作，以适应空气膨胀后压力降低所导致的水轮机入口压力降低。

储气模块28包括：高压空气出气管15，第一阀门16，储气罐进气管17，储气罐19。

高压空气出气管15的进气口与上气仓的第二进气口连接。

第一阀门16的进气口与高压空气出气管15的出气口连接；第一阀门16包括N个出气口。

N个储气罐进气管17与第一阀门16的N个出气口一一对应。

储气罐19的进气口与储气罐进气管17的出气口连接，N大于等于2。

在一个示例中，本领域技术人员可以灵活设计N的取值，例如2，3，4等等，在此不作赘述。示例性的，储气罐19的储气压力通常在4～10MPa之间。

控制模块29包括：压力传感器10，温度传感器11，云控制中枢23。

压力传感器10安装于下气仓内，压力传感器10用于测量压力并监测压力状态。

温度传感器11安装于下气仓内，温度传感器11用于测量温度并监测温度状态。

云控制中枢23分别与压力传感器10，温度传感器11，全变频水泵水轮机31，空气补气管12，第一阀门16，第二阀门24和第四阀门26连接，云控制中枢23根据压力状态和温度状态发送控制指令。

控制指令控制全变频水泵水轮机31的启停和转速。

控制指令控制空气补气管12的开度，以调节空气流量。

控制指令控制第一阀门16，第二阀门24和第四阀门26的开度，以调节流量。

控制指令控制蒸汽发生器14的启停和蒸汽出气量。

在本发明其他实施例中，用于抽水压缩空气储能的水气换热系统还包括蒸汽管13，蒸汽发生器14。

蒸汽管13的出口与下气仓的第一进气口连接。

蒸汽发生器14的出口与蒸汽管13的进口连接。

微纳结构涂层7的材质为金属铜，金属银，和/或，石墨烯。

在一个示例中，请参见图4，微纳结构涂层7为微纳二级结构，微纳二级结构包括微米级和纳米级的多孔结构。

微纳结构涂层7可通过3D打印技术制备，材料可选择金属或者石墨烯材料，微纳结构涂层7具有耐腐蚀性和高导热性。微纳结构涂层7厚度是毫米级别的，全覆盖、包裹在物体的表面。

相变储热内胆8的材质为多元糖醇材料、熔融盐材料、液态镓铟锡合金或液态铅锡铟合金。

在一个示例中，相变储热内胆8内含有100-250℃温度区间内的高焓值、高导热性的相变材料。多元糖醇材料具体包括赤藓糖醇、木糖醇、半乳糖醇、甘露糖醇等。熔融盐材料具体包括硝酸盐、氯盐、氟盐、碳酸盐。

在本发明实施例中，水气压缩换热储能工况的具体工作过程为：

在夜晚11点至早上6点内，全变频水泵水轮机31以水泵工况开始工作。此时，第二阀门24打开，空气补气管12关闭，第三阀门25关闭，第四阀门26关闭，第五阀门27关闭。全变频水泵水轮机31利用水泵入水管2从集水池1中抽水，抽取的水通过水泵出水管4流入喷射管6中。抽取的水通过喷射管6表面的毛细孔，以细水柱的形式喷射入高压水气仓模块5的下气仓内。进入高压水气仓模块5内的水，对高压水气仓模块5内原有的低压空气进行压缩，使低压空气体积缩小，变为高压空气。低压空气在被压缩过程中温度升高，高压空气密度增大，细水柱因为与空气接触面积增大、流速快，因此换热速率提升，可以强化空气与水的换热。不仅如此，微纳结构涂层7的存在，增大了空气在高压水气仓模块5内的流动速度，因此也可以进一步提升高压水气仓模块5内空气和水之间的对流导热效率。此外，微纳结构涂层7表面的微纳结构凸起可起到导热肋片的作用，因此压缩空气产生的热量可以通过微纳结构涂层7传递到相变储热内胆8，相变储热内胆8内的相变材料吸热熔化将这部分热量储存起来。温度传感器11实时监测高压水气仓模块5的下气仓内的空气温度。当温度低于第一阈值时，第一阈值具体为80摄氏度，通过云控制中枢23减小全变频水泵水轮机31的转速，以减小带毛细孔的喷射管6中喷射出的水的流速。当温度高于第二阈值时，第二阈值具体为180摄氏度，通过云控制中枢23增大全变频水泵水轮机31的转速，以增大带毛细孔的喷射管6中喷射出的水的流速。压力传感器10实时监测高压水气仓模块5下气仓的空气压力，当压力达到第三阈值时，第三阈值具体为5MPa，打开第五阀门27和第一阀门16，将常温高压空气存储于储气罐19中。储气结束后，关闭第二阀门24，关闭第五阀门27和第一阀门16。高压水气仓模块5内充满了从压缩空气吸热后的高温液态水，即上文的热水，相变储热内胆8内的相变材料通过凝固放热可以给高压水气仓模块5内的高温液态水进行保温。

在本发明实施例中，蒸汽补气换热发电工况的具体工作过程为：

在早上6点至夜晚11点内，全变频水泵水轮机31以水轮机工况开始工作。此时，打开第一阀门16，第三阀门25打开，第四阀门26打开，空气补气管12关闭，第二阀门24关闭，第五阀门27关闭。高压空气从储气罐19中流出，并通过高压空气出气管15流入高压水气仓模块5中的上气仓。上气仓内的高压空气通过第三阀门25流入带毛细孔的喷射管6中，高压空气通过带毛细孔的喷射管6表面的毛细孔，以细空气柱的形式喷射入高压水气仓模块5的下气仓内。高压空气通过这种喷射的方法进入水中，可以增大高压空气与水的接触面积，从而使高压空气充分吸收压缩过程中存储在高压水气仓模块5中的下气仓内的热水的热量。当高压水气仓模块5中的下气仓内的热水温度降低时，相变储热内胆8内的相变材料进一步凝固放热可以给高压水气仓模块5的下气仓内的热水进行补热，从而避免空气温度和压力下降过快。进入高压水气仓模块5内的高压空气，对高压水气仓模块5内的热水进行挤压，使热水通过高压水气仓出水管21流入全变频水泵水轮机31。此时，全变频水泵水轮机31处于水轮机工况，流入全变频水泵水轮机31内的热水带动全变频水泵水轮机31做功发电，然后废水通过水轮机出水管22流入集水池1中进行回收。

在发电过程中高压空气的温度和压力进一步降低时，为了维持发电过程的稳定性，需要给高压空气进行补热。温度传感器11实时监测高压水气仓模块5的下气仓内的空气温度：当温度低于第一阈值时时，通过云控制中枢23打开蒸汽发生器14。蒸汽发生器14产生高温蒸汽通过带喷头的蒸汽管13喷淋进入高压水气仓模块5的下气仓。通过喷淋高温蒸汽的方法，空气与水蒸气的接触面积增大，可以强化空气和水蒸气之间的换热。此外，微纳结构涂层7的超疏水性质，可以避免水蒸气在微纳结构涂层7表面冷凝时形成水膜，因此强化了水蒸气在微纳结构涂层7表面的冷凝换热，促进了水蒸气和空气之间的换热。水蒸气冷凝成为水，可以补充高压水气仓模块5的下气仓内的水量，这部分水通过高压水气仓出水管21流入全变频水泵水轮机31做功发电，提高了水流量，从而可以增大发电量，提高发电效率。压力传感器10实时监测高压水气仓模块5内下气仓的空气压力，当压力达到第四阈值时，第四阈值具体为1MPa，发电过程结束。云控制中枢23关闭第一阀门16，关闭第三阀门25，第四阀门26。在非水气压缩换热储能工况和蒸汽补气换热发电工况两种工作状态下，打开空气补气管12和第五阀门27，以便给高压水气仓模块5内的上气仓和下气仓补充空气。

请参见图3，一种用于抽水压缩空气储能的水气换热方法，包括：

步骤1：在用电低谷时间段内抽水。

步骤1具体可由前述的水泵水轮机模块3执行，具体可参见前述水泵水轮机模块3的介绍，在此不作赘述。

步骤2：喷射抽取的水形成细水柱。

步骤2具体可由前述的喷射管6执行，具体可参见前述喷射管6的介绍，在此不作赘述。

步骤3：细水柱压缩空气产生热量，形成热水和高压空气，并储存热量。

步骤3具体可由前述的高压水气仓模块5执行，具体可参见前述高压水气仓模块5的介绍，在此不作赘述。

步骤4：储存高压空气。

步骤4具体可由前述的储气模块28执行，具体可参见前述储气模块28的介绍，在此不作赘述。

步骤5：在用电高峰时间段内，使用热水发电。

步骤5具体可由前述的水泵水轮机模块3执行，具体可参见前述水泵水轮机模块3的介绍，在此不作赘述。

步骤6：在使用热水发电的同时或之后，释放热量加热热水，以降低热水温度的下降速度。

步骤6具体可由前述的高压水气仓模块5执行，具体可参见前述高压水气仓模块5的介绍，在此不作赘述。

步骤7：喷射储存的高压空气形成细空气柱，以降低高压空气温度和压力的下降速度。

步骤7具体可由前述的喷射管6执行，具体可参见前述喷射管6的介绍，在此不作赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明实施例的限制。

Claims (10)

1.一种用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，包括：

水泵水轮机模块(3)，用于：

在用电低谷时间段内抽水；

在用电高峰时间段内发电；

高压水气仓模块(5)，与所述水泵水轮机模块(3)连接，用于：

在用电低谷时间段内，所述水泵水轮机模块(3)抽取的水压缩空气产生热量，形成热水和高压空气，并储存热量；

在用电高峰时间段内，在发电的同时或之后，释放热量加热所述热水，以降低所述高压空气温度和压力的下降速度，并使用所述热水带动所述水泵水轮机模块(3)发电；

储气模块(28)，与所述高压水气仓模块(5)连接，用于：

在用电低谷时间段内且所述高压水气仓模块(5)的气压高于所述储气模块(28)的气压时，储存高压空气；

在用电高峰时间段内且所述高压水气仓模块(5)的气压低于所述储气模块(28)的气压时，释放高压空气以降低所述高压水气仓模块(5)中高压空气压力的下降速度；

喷射管(6)，设置在所述高压水气仓模块(5)内，用于：

在用电低谷时间段内，喷射所述水泵水轮机模块(3)抽取的水；

在用电高峰时间段内且所述高压水气仓模块(5)的气压低于所述储气模块(28)的气压时，喷射所述储气模块(28)释放的高压空气；

所述喷射管(6)具有毛细孔和微纳结构涂层(7)；毛细孔用于形成细水柱或细空气柱；微纳结构涂层(7)涂覆于所述喷射管(6)表面，用于疏水和传热。

2.根据权利要求1所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，还包括：

控制模块(29)，分别与所述水泵水轮机模块(3)，所述高压水气仓模块(5)和所述储气模块(28)连接，用于：

在用电低谷时间段内，控制所述水泵水轮机模块(3)抽水的启停，检测所述高压水气仓模块(5)的工作状态，控制所述储气模块(28)的启停；工作状态包括：压力状态和温度状态；

在用电高峰时间段内，控制所述水泵水轮机模块(3)发电的启停，检测所述高压水气仓模块(5)的工作状态，控制所述储气模块(28)的启停。

3.根据权利要求1所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，所述高压水气仓模块(5)包括：

空气补气管(12)，用于补充空气；

上气仓，所述上气仓的第一进气口与所述空气补气管(12)的出气口连接；

下气仓，包括：

相变储热内胆(8)，用于：

在用电低谷时间段内，储存热量；

在用电高峰时间段内，释放热量；

所述相变储热内胆(8)的表面涂覆微纳结构涂层(7)，所述覆微纳结构涂层(7)用于疏水和传热；

第三阀门(25)，与所述喷射管(6)的进口连接，位于所述上气仓内；

第五阀门(27)，分别与所述上气仓和所述下气仓连接，用于联通所述上气仓和所述下气仓。

4.根据权利要求3所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，所述水泵水轮机模块(3)包括：

集水池(1)；

水泵入水管(2)，所述水泵入水管(2)的入水口与所述集水池(1)的出水口连接；

全变频水泵水轮机(31)，所述全变频水泵水轮机(31)的第一入水口与所述水泵入水管(2)的出水口连接；

水泵出水管(4)，所述水泵出水管(4)的入水口与所述全变频水泵水轮机(31)的第一出水口连接；所述水泵出水管(4)的出水口与所述喷射管(6)的进口连接；

水轮机出水管(22)，所述水轮机出水管(22)的进水口与所述全变频水泵水轮机(31)的第二出水口连接；所述水轮机出水管(22)的出水口与所述集水池(1)的进水口连接；

高压水气仓出水管(21)，所述高压水气仓出水管(21)的出水口与所述全变频水泵水轮机(31)的第二进水口连接；所述高压水气仓出水管(21)的进水口与所述下气仓的出气口连接；

第二阀门(24)，所述第二阀门(24)安装在所述水泵出水管(4)上，用于根据控制指令控制所述水泵出水管(4)的流量；

第四阀门(26)，所述第四阀门(26)安装在所述高压水气仓出水管(21)上，用于根据控制指令控制所述高压水气仓出水管(21)的流量。

5.根据权利要求4所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，所述储气模块(28)包括：

高压空气出气管(15)，所述高压空气出气管(15)的进气口与所述上气仓的第二进气口连接；

第一阀门(16)，所述第一阀门(16)的进气口与所述高压空气出气管(15)的出气口连接；所述第一阀门(16)包括N个出气口；

N个储气罐进气管(17)，所述N个储气罐进气管(17)与所述第一阀门(16)的N个出气口一一对应；

N个储气罐(19)，N大于等于2；储气罐(19)的进气口与储气罐进气管(17)的出气口连接。

6.根据权利要求5所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，所述控制模块(29)包括：

压力传感器(10)，安装于所述下气仓内，用于测量压力并监测所述压力状态；

温度传感器(11)，安装于所述下气仓内，用于测量温度并监测所述温度状态；

云控制中枢(23)，分别与所述压力传感器(10)，所述温度传感器(11)，所述全变频水泵水轮机(31)，所述空气补气管(12)，所述第一阀门(16)，所述第二阀门(24)和所述第四阀门(26)连接，用于根据所述压力状态和所述温度状态发送控制指令；

所述控制指令用于：

控制所述全变频水泵水轮机(31)的启停；

控制所述空气补气管(12)的开度；

控制所述第一阀门(16)，所述第二阀门(24)和所述第四阀门(26)的开度；

控制所述蒸汽发生器(14)的启停和蒸汽出气量。

7.根据权利要求3所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，还包括：

蒸汽管(13)，所述蒸汽管(13)的出口与所述下气仓的第一进气口连接；

蒸汽发生器(14)，所述蒸汽发生器(14)的出口与所述蒸汽管(13)的进口连接。

8.根据权利要求3所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，所述微纳结构涂层(7)的材质为金属铜，金属银，和/或，石墨烯。

9.根据权利要求3所述的用于抽水压缩空气储能的水气换热系统，其特征在于，所述相变储热内胆(8)的材质为多元糖醇材料、熔融盐材料、液态镓铟锡合金或液态铅锡铟合金。

10.一种用于抽水压缩空气储能的水气换热方法，其特征在于，包括：

在用电低谷时间段内抽水；

喷射所述抽取的水形成细水柱；

所述细水柱压缩空气产生热量，形成热水和高压空气，并储存热量；

储存高压空气；

在用电高峰时间段内，使用所述热水发电；

在使用所述热水发电的同时或之后，释放热量加热所述热水，以降低热水温度的下降速度；

喷射储存的高压空气形成细空气柱，以降低所述高压空气温度和压力的下降速度。

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