CN116412103A - 紧凑式压缩空气储能系统、电力系统及压缩空气储能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了紧凑式压缩空气储能系统、电力系统及压缩空气储能方法，涉及储能技术领域。紧凑式压缩空气储能系统包括空气压缩系统、联合储气装置和空气膨胀系统；联合储气装置包括相互连通的第一、第二储气装置。第一储气装置包括风机塔筒，第二储气装置设于地下、固定于水下或悬浮于水中；空气压缩系统的中心轴和空气膨胀系统的中心轴同轴布置，空气压缩系统的输入轴和空气膨胀系统的输出轴与三合一电机可拆卸地连接。本发明能够解决现有的压缩空气储能系统的储气装置受地理条件限制、建设成本高，机电设备布置分散、结构复杂、设备众多成本高的问题，具有不受地理条件限制、结构紧凑、占地面积小、节约基建和设备成本等效果。

Description

紧凑式压缩空气储能系统、电力系统及压缩空气储能方法

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种紧凑式压缩空气储能系统、电力系统及压缩空气储能方法。

背景技术

大规模压缩空气储能技术是解决弃风、弃光问题，显著提高新能源消纳水平，推动主体能源由化石能源向可再生能源更替，实现分布式能源系统、区域级智能微电网、友好性源网荷储的关键技术。

由于陆上或海上的风况多变，包括稳定风况、阵风风况以及渐变风况，而风力发电机组发电量受风况影响，导致风电存在间歇性、波动性和不可控性，风电并网波动会对电网造成冲击。因此，现有技术中，采用压缩空气储能装置来调节电网不稳定性和削峰填谷。常规压缩空气储能耦合风电技术包括陆上和海上两种应用场景，而且均是通过大电网间接连接。

针对陆上压缩空气储能系统的储气装置，现有技术中建设成本较低的方法是利用地下废弃空间进行压缩空气储能，在地下空间内壁上敷设柔性气密高分子薄膜以存储高压空气。具体的，地下废弃空间包括地下洞穴，地下洞穴包括盐穴、地下含水层、硬岩层洞穴、天然盐岩洞、废弃天然气以及石油储气室。而这些地下废弃空间一方面受地理条件限制，另一方面，需要铺设较长的输送管路，建设成本高。

针对海上压缩空气储能系统的储气装置，现有技术中，第一种方案是建设海平面储气装置，这面临着近远海域大面积征用等问题；第二种方案是建设沿岸地面储气装置时，这面临着海岸线附近昂贵土地征用等问题。

现有技术中，压缩空气储能系统包括压缩子系统和膨胀子系统，压缩子系统和膨胀子系统均需要连接机械设备和电气设备，而机械设备和电气设备布置分散、设备众多，导致机电设备成本高昂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的压缩空气储能受地理条件限制、压缩空气储能成本高、储能系统结构复杂的缺陷，从而提供一种紧凑式压缩空气储能系统、电力系统及压缩空气储能方法。

为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种紧凑式压缩空气储能系统，包括空气压缩系统、联合储气装置和空气膨胀系统；空气压缩系统的输出端和联合储气装置的输入端连接，联合储气装置的输出端和空气膨胀系统的输入端连接；其中，联合储气装置包括第一储气装置和/或第二储气装置。第一储气装置包括风机塔筒，风机塔筒设有第一储气空腔；第二储气装置设于地下、水下或悬浮于水中，第二储气装置设有第二储气空腔，第一储气空腔和第二储气空腔连通；空气压缩系统的中心轴和空气膨胀系统的中心轴同轴布置，空气压缩系统的输入轴和空气膨胀系统的输出轴与三合一电机可拆卸地连接。

可选的，塔筒包括沿轴向分体设置的多个塔筒节；第一储气空腔设于一个或多个塔筒节内。

可选的，塔筒包括沿径向套设的外筒体和内筒体；外筒体和内筒体之间的环形间隙构成第一储气空腔。

可选的，第二储气装置包括人造硐室，人造硐室的空腔构成第二储气空腔，人造硐室设于塔筒的下方，第一储气空腔与第二储气空腔贯穿连通或通过管路连通。

可选的，联合储气装置包括固定设于海底的储罐，储罐的内腔构成第二储气空腔，储罐设于塔筒的下方，第一储气空腔与第二储气空腔贯穿连通或通过管路连通。

可选的，联合储气装置包括悬浮于水中的气囊，气囊的内腔构成第二储气空腔，塔筒的第一储气空腔设有接口，气囊的气嘴和接口之间通过管路连接。

可选的，空气压缩系统包括串联的多级压缩机，多级压缩机的中心轴同轴布置；空气膨胀系统包括串联的多级气体膨胀机，多级气体膨胀机的中心轴同轴布置；位于空气压缩系统末端的压缩机的中心轴和位于空气膨胀系统末端的气体膨胀机的中心轴通过切换装置连接。

可选的，切换装置包括与空气压缩系统的中心轴可拆卸连接的第一离合器以及与空气膨胀系统的中心轴可拆卸连接的第二离合器。

可选的，空气压缩系统和空气膨胀系统之间设有公共换热装置，公共换热装置包括第一换热通道、第二换热通道和第三换热通道；第一换热通道的输入端和空气压缩系统的热输出端连接，第一换热通道的输出端和联合储气装置的输入端连接；第二换热通道的输入端和联合储气装置的输出端连接，第二换热通道的输出端和空气膨胀系统的热输入端连接；第三换热通道流通换热工质。

本发明的第二方面提供了一种电力系统，包括电网、风力发电机组以及以上技术方案中任一项所述的紧凑式压缩空气储能系统，空气压缩系统和电网电连接，或空气压缩系统和风力发电机组电连接，空气膨胀系统和电网电连接。

本发明的第三方面提供了一种压缩空气储能方法，利用以上技术方案中任一项所述的紧凑式压缩空气储能系统进行空气储能，包括以下步骤：储能过程，将三合一电机和空气压缩系统的输入轴连接，将空气进行压缩和冷却，并将压缩空气存储于联合储气装置中；释能过程，将三合一电机和空气膨胀系统的输出轴连接，将存储于联合储气装置中的压缩空气加热后注入空气膨胀系统，进行膨胀做功输出；其中，所述“将压缩空气存储于联合储气装置中”包括将压缩空气存储于第一储气装置和/或第二储气装置中。

可选的，将在储能过程中空气压缩产生的热能用于释能过程中将压缩空气加热；将在释能过程中压缩空气膨胀产生的冷能用于储能过程中将空气冷却。

可选的，在储能过程中，将空气压缩至超临界状态，并将超临界状态的压缩空气存储于联合储气装置中。

本发明具有以下优点：

1.利用本发明的技术方案，利用本发明提供的压缩空气联合储能系统或压缩空气储能方法，在储能时，通过空气压缩系统将空气压缩并存储于联合储气装置中，在释能时，释放联合储气装置中的压缩空气，输出至空气膨胀系统，通过膨胀做功发电；空气压缩系统的中心轴和空气膨胀系统的中心轴同轴布置，空气压缩系统的输入轴和空气膨胀系统的输出轴与三合一电机可拆卸地连接，能够使压缩空气联合储能系统结构更加紧凑，能大幅降低机械设备和电气设备成本；

通过设置联合储气装置，其中，塔筒设置第一储气空腔，能够利用塔筒自身的空间作为一部分的储能空间，且设置第二储气装置，第二储气装置设置第二储气空腔，第一储气空腔和第二储气空腔连通，实现第二储气装置和塔筒联合储气，能够扩大压缩空气的储能空间，用于陆上时，第二储气装置设于地下，相比于现有技术中利用废气地下空间，本发明不受地理条件的限制，第二储气装置能够靠近塔筒设置，缩短气体输送管路，降低储能装置的建设成本；用于海上时，第二储气装置设于水下或悬浮于水中，相比于现有技术中沿海建设地下空间，无需占用沿海昂贵的陆地空间，且缩短了气体输送管路的长度，缩减了建设成本；

可根据选址风场、地质条件、深海条件等实际储能需求，灵活分配第一储气空腔和第二储气空腔的储能容量；

用于海上时，第二储气装置设于水下或悬浮于水中，利用水的静压维持海上的压缩空气联合储能系统定压运行，避免因压力变化而使空气压缩系统和空气膨胀系统偏离设计工况低效率运行，提高系统能量转化效率。

2.塔筒沿轴向设置一个或多个塔筒节，第一储气空腔设于一个或多个塔筒节内，或者塔筒设置外筒体和内筒体，两者之间的环形间隙构成第一储气空腔，能够根据塔筒的实际情况，灵活选择第一储气空腔的设置方式，由于塔筒本身是类管线钢储罐结构，可通过对塔筒内部空间结构进行优化和利用，代替现有的地下储气空间，减少了地下或地面储气空间的建设成本。

3.通过设置公共换热装置，能够将在储能过程中空气压缩产生的热能用于释能过程中将压缩空气加热；将在释能过程中压缩空气膨胀产生的冷能用于储能过程中将空气冷却，其中的公共换热装置为储能过程和释能过程共用，在储能时，对空气进行压缩和冷却，将压力势能和温度热能分别存储于联合储气装置和公共换热装置中；在释能时，联合储气装置中的高压空气经公共换热装置增温，变为高压高温空气，再注入气体膨胀机内膨胀做功。设置公共换热装置一方面能够提高系统热能利用率，提高系统运行效率，另一方面，有利于简化系统结构，减少占用空间，降低建设和运维成本，具有降本增效的效果。

4.通过设置机电同轴装置，将三合一电机、离合器、压缩/膨胀系统的叶轮机械部分紧凑地集成起来。储能时，三合一电机作为电动机和空气压缩系统的输入轴连接，驱动压缩机组的中心轴转动来实现空气压缩和能量转化；释能时，三合一电机作为发电机和空气膨胀系统的输出轴连接，由膨胀机组的中心轴带动来实现空气膨胀和对外输出；同时，三合一电机可作为调相机应用于电力系统，在电网电压下降时增加无功输出，在电网电压上升时吸收无功功率，维持电网电压，提高系统稳定性，改善系统供电质量。设置机电同轴装置一方面能够减少多轴连接带来的机电转化损耗，提高能量转化效率，另一方面，有利于提高系统集成水平和空间利用率，节约建设和运维成本，达到降本增效的效果。

5.空气压缩系统和空气膨胀系统能够将空气压缩至超临界状态，可显著提高系统效率且减少储气占用空间，也可以将空气压缩至非超临界状态，能够根据风电场或电网低谷电所需存储电能的功率和时长，来灵活选择紧凑式压缩空气储能系统的具体储气状态。

6.利用本发明的电力系统，将压缩空气联合储能系统直接和风速相对较高且稳定的海风电场进行耦合时，能够实现分布式储能和区域性微电网，靠近沿海负荷中心，降低输配电成本。

7.电力系统中，用于海上时，除了联合储气装置布置于海上，其余部分可布置于海上，能够缩短输气管路，也可以分布于陆上，用远距离输电取代远距离输气，可充分利用压缩热，减少能量的浪费，提高系统效率。

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地介绍，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示出了本发明实施例提供的压缩空气联合储能系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的压缩空气联合储能系统中的联合储气装置的第一种实施方式的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的压缩空气联合储能系统中的联合储气装置的第二种实施方式的结构示意图；

图4示出了本发明提供的压缩空气联合储能系统中的第一储气装置的第三种实施方式的结构示意图；

图5示出了本发明提供的压缩空气联合储能系统中的第一储气装置的第一种实施方式的结构示意图；

图6示出了本发明提供的压缩空气联合储能系统中的第一储气装置的第二种实施方式的结构示意图；

图7示出了本发明提供的压缩空气联合储能系统中的公共换热装置位于低压侧的结构示意图；

图8示出了本发明提供的压缩空气联合储能系统中的公共换热装置位于高压侧的结构示意图。

附图标记说明：

1、空气压缩系统；11、压缩机；12、冷却器；2、联合储气装置；21、塔筒；211、塔筒节；212、外筒体；213、内筒体；214、第一储气空腔；215、人孔；216、连接管；22、第二储气装置；221、储罐；222、气囊；223、第二储气空腔；224、人造硐室；3、空气膨胀系统；31、气体膨胀机；4、降压装置；41、液体膨胀机；5、加压装置；51、低温泵；6、蓄冷换热器；7、公共换热装置；8、三合一电机；9、切换装置；91、第一离合器；92、第二离合器；100、紧凑式压缩空气储能系统；300、风力发电机组。

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、完整地描述，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，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

为了便于介绍本发明的技术方案，以下结合附图以及具体的实施例来详细说明，但实施例不应看作是对本发明的限制。

实施例1

一种压缩空气联合储能系统，参照图1-图8，包括空气压缩系统1、联合储气装置2和空气膨胀系统3；空气压缩系统1的输出端和联合储气装置2的输入端连接，联合储气装置2的输出端和空气膨胀系统3的输入端连接；联合储气装置2包括第一储气装置和/或第二储气装置22。第一储气装置包括风机塔筒21，风机塔筒21设有第一储气空腔214；第二储气装置22设于地下、水下或悬浮于水中，第二储气装置22设有第二储气空腔223，第一储气空腔214和第二储气空腔223连通；空气压缩系统1的中心轴和空气膨胀系统3的中心轴同轴布置，空气压缩系统1的输入轴和空气膨胀系统3的输出轴与三合一电机8可拆卸地连接。

利用本发明的技术方案，利用本发明提供的压缩空气联合储能系统或压缩空气联合储气方法，在储能时，通过空气压缩系统1将空气压缩并存储于联合储气装置2中，在释能时，释放联合储气装置2中的压缩空气，输出至空气膨胀系统3，通过膨胀做功发电；空气压缩系统1的中心轴和空气膨胀系统3的中心轴同轴布置，空气压缩系统1的输入轴和空气膨胀系统3的输出轴与三合一电机8可拆卸地连接，能够使压缩空气联合储能系统结构更加紧凑，能大幅降低机械设备和电气设备成本；

通过设置联合储气装置2，其中，塔筒21设置第一储气空腔214，能够利用塔筒21自身的空间作为一部分的储能空间，且设置第二储气装置22，第二储气装置22设置第二储气空腔223，第一储气空腔214和第二储气空腔223连通，实现第二储气装置22和塔筒21联合储气，能够扩大压缩空气的储能空间，用于陆上时，第二储气装置22设于地下，相比于现有技术中利用废气地下空间，本发明不受地理条件的限制，第二储气装置22能够靠近塔筒21设置，缩短气体输送管路，降低储能装置的建设成本；用于海上时，第二储气装置22设于水下或悬浮于水中，相比于现有技术中沿海建设地下空间，无需占用沿海昂贵的陆地空间，且缩短了气体输送管路的长度，缩减了建设成本；

可根据选址风场、地质条件、深海条件等实际储能需求，灵活分配第一储气空腔214和第二储气空腔223的储能容量；

用于海上时，第二储气装置22设于水下或悬浮于水中，利用水的静压维持海上的压缩空气联合储能系统定压运行，避免因压力变化而使空气压缩系统1和空气膨胀系统3偏离设计工况低效率运行，提高系统能量转化效率。

具体的，空气压缩系统1的输出端是指空气压缩系统1输出气体的端口，也可以说是出气端。联合储气装置2的输入端，是指联合储气装置2输入压缩空气的端口，也可以说是进气端。联合储气装置2的输出端是指输出压缩空气的端口，也可以说是出气端。空气膨胀系统3的输入端是指向空气膨胀系统3内输入压缩空气的端口，也可以说是进气端。

可选的，三合一电机8为发电机、电动机和调相机三者集成。当三合一电机8和空气压缩系统1的输入轴连接时，可作为电动机驱动空气压缩系统1的中心轴转动，实现空气压缩；当三合一电机8和空气膨胀系统3的输出轴连接时，可作为发电机使用，使空气膨胀做功发电；当三合一电机8作为调相机使用时，调相机即同步调相机，是一种同步电机，当应用于电力系统时，能根据系统的需要，自动地在电网电压下降时增加无功输出，在电网电压上升时吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量。

可选的，参照图1，空气压缩系统1包括串联的多级压缩机11，多级压缩机11的中心轴同轴布置；空气膨胀系统3包括串联的多级气体膨胀机31，多级气体膨胀机31的中心轴同轴布置；位于空气压缩系统1末端的压缩机11的中心轴和位于空气膨胀系统3末端的气体膨胀机31的中心轴通过切换装置9连接。

可选的，切换装置9包括与空气压缩系统1的中心轴可拆卸连接的第一离合器91以及与空气膨胀系统3的中心轴可拆卸连接的第二离合器92。在储能过程中，三合一电机8的一个输出端通过第一离合器91实现和空气压缩系统1的中心轴的连接，此时，第二离合器92处于断开状态；在释能过程中，三合一电机8的另一个输出端通过第二离合器92实现和空气膨胀系统3的中心轴连接，此时，第一离合器91处于断开状态。

可选的，图5提供了塔筒21的第一种实施例的结构示意图，塔筒21包括沿轴向分体设置的多个塔筒节211；第一储气空腔214设于一个或多个塔筒节211内。具体的，沿塔筒21的轴向，塔筒节211的连接端设置法兰盘，相邻的两个塔筒节211之间通过螺栓连接。自下而上，塔筒节211的内径逐渐减小，因此，多个塔筒节211内的第一储气空腔214的容量也自下而上地递减。可选的，在塔筒节211内设置储气桶，储气桶的内腔构成第一储气空腔214。

可选的，在塔筒节211上设有人孔215，便于进入塔筒21内进行检修。

可选的，图6提供了塔筒21的第二种实施例的结构示意图，塔筒21包括沿径向套设的外筒体212和内筒体213；外筒体212和内筒体213之间的环形间隙构成第一储气空腔214。可选的，内筒体213的长度等于外筒体212的长度，内筒体213和外筒体212之间的环形间隙构成第一储气空腔214。

以上两种第一储气空腔214的实施方式，设计人员可根据塔筒21的实际情况以及储能需求灵活选择，从而对塔筒21的内部空间进行充分利用。

用于海上时，参照图2，第二储气装置22包括固定设于海底的储罐221，储罐221的内腔构成第二储气空腔223，储罐221设于塔筒21的下方，塔筒21的底部与储罐221贯穿连通，即储罐221可作为塔筒21底部的基础，塔筒21的底部与储罐221贯通，则，塔筒21的内腔和储罐221的内腔直接连通。

可选的，参照图3，第二储气装置22包括悬浮于水中的气囊222，气囊222的内腔构成第二储气空腔223，塔筒21设有接口，气囊222的气嘴和塔筒21的接口之间通过管路连接，以将第一储气空腔214和第二储气空腔223连通。

采用气囊222，能够实现海上漂浮式的紧凑式压缩空气储能系统100，能够突破近海限制，避免多功能干扰，适用于海上大型漂浮式的风力发电机组300，满足海上的风力发电机组300单机容量持续增大的发展需求。

用于海上时，紧凑式压缩空气储能系统的空气压缩系统1和空气膨胀系统3采用同轴布置的方式。由于海陆风场资源等差异，目前海上的风力发电机组300最大单机容量已达18MW，而陆上的风力发电机组300最大单机容量约8MW，相同风电场容量下对征用占地面积的需求不同，海上的风力发电机组300更具优势。而且海域征用成本更高，需求更紧迫，紧凑式同轴布置更能体现其价值，而且具备将分散式小容量压缩空气储能系统整体集成至大海上风机机舱的应用前景。用于陆上时，参照图4，第二储气装置22包括人造硐室224，人造硐室224的空腔构成第二储气空腔223，人造硐室224设于塔筒21的下方，第一储气空腔214与第二储气空腔223贯穿连通或通过管路连通。

可选的，第一储气空腔214和第二储气空腔223通过连接管216连通。

可选的，空气压缩系统1和联合储气装置2之间设有降压装置4；空气压缩系统1的输出端和降压装置4的输入端连接，降压装置4的输出端和联合储气装置2的输入端连接；联合储气装置2和空气膨胀系统3之间设有加压装置5，加压装置5的输入端和联合储气装置2的输出端连接，加压装置5的输出端和空气膨胀系统3的输入端连接。

压缩空气的存储状态包括气态和非气态，非气态包括液态和超临界状态。

作为紧凑式压缩空气储能系统100的第一种实施例，参照图1，空气压缩系统1包括依次串联的多级压缩机11，每级压缩机11后连接有冷却器12；具体的，冷却器12包括设于两个压缩机11之间的间冷器以及设于末端的压缩机11的下游的后冷器。空气膨胀系统3包括依次串联的多级气体膨胀机31，每级气体膨胀机31前连接有再热器；空气压缩系统1和联合储气装置2之间、空气膨胀系统3和联合储气装置2之间连接有蓄冷换热器6，空气压缩系统1的输出端和蓄冷换热器6的第一输入端连接，蓄冷换热器6的第一输出端和联合储气装置2的输入端连接；联合储气装置2的输出端和蓄冷换热器6的第二输入端连接，蓄冷换热器6的第二输出端和空气膨胀系统3连接。

工作原理：在储能时，多级压缩机11和级间冷却器12能够对空气进行多级压缩和冷却，将空气压缩，并存储于联合储气装置2中，压缩空气的存储状态为气态；在释能时，压缩空气注入气体膨胀机31内，经过多级加热和膨胀，对外做功输出。

作为紧凑式压缩空气储能系统100的第二种实施例，空气压缩系统1和联合储气装置2之间设有蓄冷换热器6，空气压缩系统1包括设于蓄冷换热器6和联合储气装置2之间的降压装置4。蓄冷换热器6具有第一进口、第一出口、第二进口和第二出口。压缩机11的输出端和蓄冷换热器6的第一进口连接，蓄冷换热器6的第一出口和降压装置4的输入端连接，降压装置4的输出端和联合储气装置2的输入端连接。储能时，高压气体经过多级压缩机11和级间冷却器12进行压缩和冷却，经过蓄冷换热器6进行换热，再次冷却，经过降压装置4降压后常压存储于联合储气装置2中，压缩空气的存储状态为非气态。可选的，降压装置4包括液体膨胀机41或节流阀。

可选的，空气膨胀系统3包括加压装置5，加压装置5的输入端和联合储气装置2的输出端连接，加压装置5的输出端和蓄冷换热器6的第二进口连接，蓄冷换热器6的第二出口和气体膨胀机31的输入端连接。在释能时，联合储气装置2内的压缩空气经加压装置5加压，再经蓄冷换热器6加热至常温，后经多级气体膨胀机31和级前再热器进行加热和膨胀，最终输出。可选的，加压装置5包括低温泵51。

针对陆上和海上的压缩空气储能系统的换热装置，现有技术中需要在空气压缩系统1和空气膨胀系统3的每侧各自布置多个换热装置、冷热储罐和泵送装置，且换热管路复杂，带来不可避免的沿程压损和热耗散较大。

为了解决上述问题，可选的，空气压缩系统1和空气膨胀系统3之间设有公共换热装置7，公共换热装置7和空气压缩系统1连接，用于在空气压缩过程中对气体进行冷却，公共换热装置7和空气膨胀系统3连接，用于在空气膨胀过程中对气体进行加热。

具体的，压缩空气联合储能系统包括公共换热装置7，公共换热装置7包括第一换热通道、第二换热通道和第三换热通道，第一换热通道的输入端和空气压缩系统1的热输出端连接，第一换热通道的输出端和联合储气装置2的输入端连接；第二换热通道的输入端和联合储气装置2的输出端连接，第二换热通道的输出端和空气膨胀系统3的热输入端连接，第三换热通道流通换热工质。

具体的，在空气压缩过程中，产生的压缩热量进入第一换热通道，和第三换热通道内的换热工质换热，第一换热通道内的空气被冷却，热量储存在第三换热通道的换热工质中。在空气膨胀过程，第三换热通道内的换热工质和第二换热通道内的空气进行热交换，将空气加热，用于空气膨胀做功，同时，第三换热通道内的换热工质被冷却，可用于在下一轮空气压缩过程中对空气进行降温，从而实现空气压缩系统1和空气膨胀系统3共用公共换热装置7。通过设置公共换热装置7，能够将在储能过程中空气压缩产生的热能用于释能过程中将压缩空气加热，将在释能过程中空气膨胀产生的冷能用于在储能过程中将压缩空气冷却，其中的公共换热装置7为储能过程和释能过程共用，在储能时，对空气进行压缩和冷却，将压力势能和温度热能分别存储于联合储气装置2和公共换热装置7中；在释能时，联合储气装置2中的高压空气经公共换热装置7增温，变为高压高温空气，再注入气体膨胀机31内膨胀做功。设置公共换热装置7一方面能够简化管路布置，减少沿程压损和热耗散，提高系统热能利用率，提高系统运行效率，另一方面，有利于提高系统集成水平和空间利用率，节约建设成本，达到降本增效的效果。

本实施例中，由于空气压缩系统1和空气膨胀系统3共用公共换热装置7，因此，公共换热装置7作为再热器。

空气压缩系统1和空气膨胀系统3共用公共换热装置7，在储能过程中，公共换热装置7的第一换热通道运行，用于冷却空气；在释能过程中，公共换热装置7的第二换热通道运行，用于加热空气。第一换热通道和第二换热通道不同时运行，采用一台公共换热装置7，能够实现储能和释能过程中的两种功能。

可选的，空气压缩系统1具有第一压力侧和第二压力侧，第二压力侧的压力大于第一压力侧的压力；空气压缩系统1包括至少两个串联的压缩机11，多个压缩机11分设于第一压力侧和第二压力侧；空气膨胀系统3包括至少两个串联的气体膨胀机31，多个气体膨胀机31分设于第一压力侧和第二压力侧。具体的，第一压力侧为低压侧，第二压力侧为高压侧。

作为其中第一种共用公共换热装置7的实施方式，在低压侧，相邻的压缩机11之间连接公共换热装置7的第一换热通道，相邻的气体膨胀机31之间连接公共换热装置7的第二换热通道，如图7所示，在这种实施方式中，低压侧的公共换热装置7的温度参数相近，由于压力相差小，共用公共换热装置7后，能够减少换热设备的数量及吨位。

作为其中第二种共用公共换热装置7的实施方式，在高压侧，相邻的压缩机11之间连接公共换热装置7的第一换热通道，相邻的气体膨胀机31之间连接公共换热装置7的第二换热通道，如图8所示，在这种实施方式中，高压侧的公共换热装置7的温度参数相近，由于压力相差大，在第一换热通道和第二换热通道切换运行时，需要考虑压力变化，共用公共换热装置7后，能够明显减少换热设备的数量及吨位。

作为其中第三种共用公共换热装置7的实施方式，在低压侧和高压侧，相邻的压缩机11之间连接公共换热装置7的第一换热通道，相邻的气体膨胀机31之间连接公共换热装置7的第二换热通道，如图1所示。

通过空气压缩系统1和空气膨胀系统3共用公共换热装置7，减少了换热系统的投资建设成本。

工作原理：

在储能时，多级压缩机11和冷却器12能够对空气进行多级压缩和冷却，将高压空气换热降压后，以超临界状态或液态存储；在释能时，超临界状态或液态空气经增压换热后，进行多级加热和膨胀，对外做功输出。空气压缩系统1和空气膨胀系统3能够将空气压缩至超临界状态，可显著提高系统效率，也可以将空气压缩至液态，根据风电场或电网低谷电所需存储电能的功率和时长，来灵活选择储能系统的具体储气状态。比如，在用电高峰或风力较小等其他因素导致储能低于需求时，因超临界状态的空气比非超临界状态的空气占用空间小，因此，可将空气压缩至超临界状态，以提高现有的联合储气装置2的容积即可满足实际储能需求的能力。

实施例2

针对陆上和海上的压缩空气储能耦合风电系统，目前应用的均是调节电网侧的不稳定电源，压缩空气储能系统和风电等源侧电源并网均需敷设较长的输配电线路，成本高昂。

一种电力系统，参照图1，包括电网、风力发电机组300以及实施例1中的紧凑式压缩空气储能系统100，空气压缩系统1和电网电连接，或空气压缩系统1和风力发电机组300电连接，空气膨胀系统3和电网电连接。将紧凑式压缩空气储能系统100和电网、风力发电机组300耦合，紧凑式压缩空气储能系统100中的驱动电力可由电网提供，也可以由风力发电机组300提供。

利用本发明的电力系统，将紧凑式压缩空气储能系统100直接就近耦合源侧风电场电源，能够实现分布式储能和区域性微电网，与海上的风力发电机组300耦合时，靠近沿海负荷中心，降低输配电成本。

电力系统中，与海上的风力发电机组300耦合时，除了联合储气装置2布置于海上，其余部分可布置于海上，能够缩短输气管路，也可以分布于陆上，用远距离输电取代远距离输气，可充分利用压缩热，减少能量的浪费，提高系统效率。

工作原理：

由于空气储存状态可根据存储电能的功率和时长选择，以下以超临界状态进行储存为例来说明。

储能时，利用风力发电机组300或电网负荷低谷多余的电能驱动多级压缩机11，将低压空气压缩至超临界状态，并经多级冷器冷却至常温后，利用蓄冷换热器6中存储的冷能将其等压冷却液化，经降压装置4降压后，常压存储于联合储气装置2中，同时空气压缩热被回收存储于公共换热装置7中；

释能时，联合储气装置2中的超临界状态的空气经加压装置5加压后，经蓄冷换热器6加热至常温，通过多级再热器，并吸收公共换热装置7中的压缩热，最后经多级气体膨胀机31膨胀做功对外输出，同时空气膨胀冷被回收存储于公共换热装置7中。

本实施例提供的电力系统应用于海上时，联合储气装置可利用水的静压维持系统定压运行，避免空气压缩系统1和空气膨胀系统3因压力变化而偏离设计工况低效率运行，提高系统能量转化效率。

针对陆上和海上的压缩空气储能系统和风电耦合得到的电力系统，采用同轴紧凑式布置的压缩空气储能系统便于在大容量海上风机机舱内集成，具备更大空间条件和更优应用前景。

实施例3

一种压缩空气储能方法，利用实施例1中所述的紧凑式压缩空气储能系统100进行空气储能，包括以下步骤：储能过程，将三合一电机8和空气压缩系统1的输入轴连接，将空气进行压缩和冷却，并将压缩空气存储于联合储气装置2中；释能过程，将三合一电机8和空气膨胀系统3的输出轴连接，将存储于联合储气装置2中的压缩空气加热后注入空气膨胀系统3，进行膨胀做功输出；其中，所述“将压缩空气存储于联合储气装置2中”包括将压缩空气存储于第一储气装置和/或第二储气装置22中。

可选的，将在储能过程中空气压缩产生的热能用于释能过程中将压缩空气加热；将在释能过程中压缩空气膨胀产生的冷能用于储能过程中将空气冷却。

可选的，在储能过程中，将空气压缩至超临界状态，并将超临界状态的压缩空气存储于联合储气装置2中。

采用本实施例提供的压缩空气储能方法具有实施例1中所有的有益效果，此处不再赘述。

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。而由此所引伸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)

1.一种紧凑式压缩空气储能系统，其特征在于，包括空气压缩系统(1)、联合储气装置(2)和空气膨胀系统(3)；所述空气压缩系统(1)的输出端和联合储气装置(2)的输入端连接，所述联合储气装置(2)的输出端和所述空气膨胀系统(3)的输入端连接；其中，所述联合储气装置(2)包括：

第一储气装置，所述第一储气装置包括风机塔筒(21)，所述风机塔筒(21)设有第一储气空腔(214)；

第二储气装置(22)，所述第二储气装置(22)设于地下、水下或悬浮于水中，所述第二储气装置(22)设有第二储气空腔(223)，所述第一储气空腔(214)和所述第二储气空腔(223)连通；

所述空气压缩系统(1)的中心轴和所述空气膨胀系统(3)的中心轴同轴布置，所述空气压缩系统(1)的输入轴和所述空气膨胀系统(3)的输出轴与三合一电机(8)可拆卸地连接。

2.根据权利要求1所述的紧凑式压缩空气储能系统，其特征在于，所述塔筒(21)包括沿轴向分体设置的多个塔筒节(211)；所述第一储气空腔(214)设于一个或多个所述塔筒节(211)内；

或，所述塔筒(21)包括沿径向套设的外筒体(212)和内筒体(213)；所述外筒体(212)和所述内筒体(213)之间的环形间隙构成所述第一储气空腔(214)。

3.根据权利要求1或2所述的紧凑式压缩空气储能系统，其特征在于，所述第二储气装置(22)包括人造硐室(224)，所述人造硐室(224)的空腔构成所述第二储气空腔(223)，所述人造硐室(224)设于所述塔筒(21)的下方，所述第一储气空腔(214)与所述第二储气空腔(223)贯穿连通或通过管路连通；

或，所述联合储气装置(2)包括固定设于海底的储罐(221)，所述储罐(221)的内腔构成所述第二储气空腔(223)，所述储罐(221)设于所述塔筒(21)的下方，所述第一储气空腔(214)与所述第二储气空腔(223)贯穿连通或通过管路连通；

或，所述联合储气装置(2)包括悬浮于水中的气囊(222)，所述气囊(222)的内腔构成所述第二储气空腔(223)，所述塔筒(21)的第一储气空腔(214)设有接口，所述气囊(222)的气嘴和所述接口之间通过管路连接。

4.根据权利要求1或2所述的紧凑式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩系统(1)包括串联的多级压缩机(11)，多级所述压缩机(11)的中心轴同轴布置；所述空气膨胀系统(3)包括串联的多级气体膨胀机(31)，多级所述气体膨胀机(31)的中心轴同轴布置；位于所述空气压缩系统(1)输入端的压缩机(11)的中心轴和位于所述空气膨胀系统(3)输出端的气体膨胀机(31)的中心轴通过切换装置(9)与三合一电机(8)连接。

5.根据权利要求4所述的紧凑式压缩空气储能系统，其特征在于，所述切换装置(9)包括与所述空气压缩系统(1)的中心轴可拆卸连接的第一离合器(91)以及与所述空气膨胀系统(3)的中心轴可拆卸连接的第二离合器(92)。

6.根据权利要求1或2所述的紧凑式压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气压缩系统(1)和所述空气膨胀系统(3)之间设有公共换热装置(7)，所述公共换热装置(7)包括第一换热通道、第二换热通道和第三换热通道，所述第一换热通道的输入端和所述空气压缩系统(1)的热输出端连接，所述第一换热通道的输出端和所述联合储气装置(2)的输入端连接；所述第二换热通道的输入端和所述联合储气装置(2)的输出端连接，所述第二换热通道的输出端和所述空气膨胀系统(3)的热输入端连接；所述第三换热通道流通换热工质。

7.一种电力系统，其特征在于，包括电网、风力发电机组(300)以及权利要求1-6中任一项所述的紧凑式压缩空气储能系统，所述空气压缩系统(1)和所述电网电连接，或所述空气压缩系统(1)和所述风力发电机组(300)电连接，所述空气膨胀系统(3)和所述电网电连接。

8.一种压缩空气储能方法，其特征在于，利用权利要求1-6中任一项所述的紧凑式压缩空气储能系统进行空气储能，包括以下步骤：

储能过程：将三合一电机(8)和空气压缩系统(1)的输入轴连接，将空气进行压缩和冷却，并将压缩空气存储于联合储气装置(2)中；

释能过程：将三合一电机(8)和空气膨胀系统(3)的输出轴连接，将存储于联合储气装置(2)中的压缩空气加热后注入空气膨胀系统(3)，进行膨胀做功输出；

其中，所述将压缩空气存储于联合储气装置(2)中包括将压缩空气存储于所述第一储气装置和/或第二储气装置(22)中。

9.根据权利要求8所述的压缩空气储能方法，其特征在于，将在储能过程中空气压缩产生的热能用于释能过程中将压缩空气加热；将在释能过程中压缩空气膨胀产生的冷能用于储能过程中将空气冷却。

10.根据权利要求8或9所述的压缩空气储能方法，其特征在于，在储能过程中，将空气压缩至超临界状态，并将超临界状态的压缩空气存储于所述联合储气装置(2)中。

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