CN117108487A - 一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用搭配高温磁性相变材料胶囊、中低温磁性相变材料胶囊、固定多孔支架和电磁铁，提供了一种高温储换热一体罐和中温储换热一体罐的组合设计，并据此提出了一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统及方法，可实现利用空气和蒸汽的储换热循环以代替储气库，解决储气库选址难的问题，大大节省建设储气库的投资和工程量，通过磁场控制和温度监控储热和换热的速率，以维持空气和蒸汽出口的参数、保障发电的稳定性和调节的灵活性；利用变频压缩机、定压空气膨胀机和定压蒸汽轮机，提供压缩空气储热发电和蒸汽空气联合储换热循环发电两种工作状态，可以根据不同的用电量需求，进行梯级发电。

Description

一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统及方法

技术领域

本发明涉及新型储能和发电技术领域，尤其涉及一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统及方法。

背景技术

随着可再生能源的快速发展和电动化趋势的兴起，储能技术变得越来越重要。压缩空气储能作为一种可持续、高效的储能方式，具有灵活的调度能力，可以在电力需求高峰时段释放储存的能量，缓解电力系统压力。它可以与可再生能源发电系统相结合，提供调峰、备用电源等功能，有助于提高电力系统的可靠性和稳定性。

压缩空气储能通常依赖于地下储气库来存储高压空气。地下储气库通常是通过改造已有的地下盐穴或岩石腔体而成。储气库需要位于地质结构稳定的区域，以确保储气库的安全运行和避免地质灾害风险。地震、地下水流动、地层变形等地质活动可能对储气库造成影响，因此，必须进行详尽的地质勘测和评估。不仅如此，岩石的透气性是影响储气库效率和能量损失的重要因素。如果储气库所处的岩层透气性较高，会导致气体的泄漏和能量的损失，降低系统的效率。综上所述，储气库选址面临地质条件的严格要求，这导致了压缩空气储能系统的选址困难和应用场景的限制。

为了克服传统压缩空气储能电站储气库选址的限制，并扩大压缩空气储能技术的应用范围，需要创新研发一款彻底摆脱储气库的压缩空气储能系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供具有新型的高温储换热一体罐和中温储换热一体罐的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，包括串联的至少两个高温储换热一体罐以及串联的至少两个中温储换热一体罐；

第一个高温储换热一体罐的空气入口与压缩机的空气出口相连通，最后一个高温储换热一体罐的空气出口与空气膨胀机的入口相连通，所述空气膨胀机的出口之路之一与第一个中温储换热一体罐的空气入口相连通，最后一个中温储换热一体罐的空气出口连通至压缩机的空气入口；

最后一个高温储换热一体罐的蒸汽出口与蒸汽轮机的蒸汽入口相连通，第一个中温储换热一体罐的蒸汽冷凝管的入口与蒸汽轮机的蒸汽出口相连通，最后一个中温储换热一体罐的冷水出水管管与储水箱相连通；

所述高温储换热一体罐包括罐体和处于罐体内的电磁铁、固定多孔支架、空气放热管、冷水吸热管、高温磁性相变材料胶囊；所述罐体内顶部和内底部分别设置电磁铁且工作时：顶部电磁铁为N级，底部电磁铁为S级或者顶部电磁铁为S级，底部电磁铁为N级；所述罐体中央设置固定多孔支架，所述固定多孔支架的上部设置空气放热管，所述固定多孔支架的下部设置冷水吸热管；所述高温磁性相变材料胶囊填充在罐体的空腔内，所述高温磁性相变材料胶囊的外壳为磁性材料；所述高温磁性相变材料胶囊在上下一对电磁铁的驱动下向空气放热管聚拢或者向冷水吸热管聚拢；

所述中温储换热一体罐包括罐体和处于罐体内的电磁铁、固定多孔支架、蒸汽冷凝管、空气吸热管和中低温磁性相变材料胶囊；所述罐体内顶部和内底部分别设置电磁铁且工作时：顶部电磁铁为N级，底部电磁铁为S级或者顶部电磁铁为S级，底部电磁铁为N级；所述罐体中央设置固定多孔支架，所述固定多孔支架的上部设置蒸汽冷凝管，所述固定多孔支架的下部设置空气吸热管；所述中低温磁性相变材料胶囊填充在罐体的空腔内，所述中低温磁性相变材料胶囊的外壳为磁性材料；所述中低温磁性相变材料胶囊在上下一对电磁铁的驱动下向蒸汽冷凝管聚拢或者向空气吸热管聚拢。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的一种优选技术方案：所述高温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择温度在300~600℃之间的高温相变储热材料。

作为本发明的一种优选技术方案：所述高温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择熔融盐、多元醇。

作为本发明的一种优选技术方案：所述高温磁性相变材料胶囊内的相变材料为多种材料且同一个胶囊内相变材料为一种。

作为本发明的一种优选技术方案：所述高温磁性相变材料胶囊的尺寸为毫米级，远小于固定多孔支架的空隙尺寸。因此，高温磁性相变材料胶囊受磁场作用，可在固定多孔支架的空隙间自由移动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择温度在100~300℃之间的中低相变储热材料。

作为本发明的一种优选技术方案：所述中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择烷烃、水合盐、多元醇。

作为本发明的一种优选技术方案：所述中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料为多种材料且同一个胶囊内相变材料为一种。

作为本发明的一种优选技术方案：所述中低温磁性相变材料胶囊的尺寸为毫米级，远小于固定多孔支架的空隙尺寸。因此，中低温磁性相变材料胶囊受磁场作用，可在固定多孔支架的空隙间自由移动。

本发明第二个目的在于，提供基于前文所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统的发电方法。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统的发电方法，包括压缩空气储热发电和蒸汽空气联合储换热循环发电两种工作状态过程；

所述压缩空气储热发电工作状态过程包括如下过程步骤：

初始状态下，风力发电或光伏发电产生波动的电能时，电力驱动压缩机开始工作；打开与压缩机的入口相连通的四通阀；环境中的空气从导气管进入四通阀经过压缩机进气管，流入压缩机；低温低压的空气在压缩机中被压缩到高温高压状态，并通过压缩机出气管流出，流入第一个高温储换热一体罐，此时第一个高温储换热一体罐率先工作并处于储热工作状态，可以将空气放热管中的热能吸收并储存；当第一个高温储换热一体罐内热量储存满之后，计算机收到红外测温仪的测温反馈后，控制下一个高温储换热一体罐再开始工作并处于储热工作状态，继续工作；通过至少两个高温储换热一体罐之间的搭配，来维持出口空气温度恒定；释放热量之后的中温高压空气，通过膨胀机进气管流入空气膨胀机中，中温高压空气在空气膨胀机内膨胀做功对外发电，变成低温低压空气通过膨胀机出气管流入四通阀处，并再通过压缩机进气管进入压缩机，重复上述的压缩空气储热发电过程；在压缩空气储热发电工作状态下，可以将风力发电或光伏发电产生波动的电能转化成持续稳定的电能进行输出；

所述蒸汽空气联合储换热循环发电工作状态过程包括如下过程步骤：

当压缩空气储热发电时，若外界的电力需求增大，则在压缩空气储热发电工作状态维持运行的条件下，高温储换热一体罐的冷水吸热管被打开开始工作；此时，至少两个高温储换热一体罐交替处于储热和放热工作状态；冷水从储水箱流出，通过低温水管先流入第一个高温储换热一体罐内的冷水吸热管中，此时第一个高温储换热一体罐处于放热工作状态，冷水在冷水吸热管内吸热变成高温高压的蒸汽，从高温蒸汽管流出；当第一个高温储换热一体罐内的储热量完全释放时，此时第一个高温储换热一体罐切换至储热工作状态，下一个高温储换热一体罐切换至放热工作状态对冷水吸热管继续放热；高温高压的蒸汽从高温储换热一体罐流出，流入蒸汽轮机中膨胀对外发电；高温高压的蒸汽经蒸汽轮机膨胀发电后，变成中低温低压的蒸汽从蒸汽轮机的中低温蒸汽管流出，并先流入第一个中温储换热一体罐内的蒸汽冷凝管中，此时，第一个中温储换热一体罐先处于储热工作状态，吸收中低温低压的蒸汽在蒸汽冷凝管中冷凝的放热量；完成储热后，此时空气膨胀机出口的空气从另一条支路流入第一个中温储换热一体罐内，第一个中温储换热一体罐切换至放热工作状态，给空气吸热管放热；与此同时，下一个中温储换热一体罐开始在储热状态工作；至少两个中温储换热一体罐通过红外测温仪的测温反馈，互相在储热工作状态和放热工作状态之间切换，保证储热和换热的连续；空气吸热管内的低温低压空气吸热后变成中低温低压空气，从储换热器出气管流出，经过四通阀流入压缩机进气管进入压缩机；此时，四通阀的导气管被关闭。

高温储换热一体罐的外壳采用保温材料，具有储热和放热两种工作状态，两种工作状态通过控制磁场的方向来控制，磁场的方向通过改变电磁铁内通过的电流的方向来控制。高温磁性相变材料胶囊内的相变材料，选择温度在300~600℃之间的高温相变储热材料，例如熔融盐、多元醇等材料。采用的相变材料可根据实际工况进行灵活选取。不仅如此，在同一个高温储换热一体罐内，不同高温磁性相变材料胶囊可以同时采用不同材料且同一个胶囊内相变材料为一种，储热温度区间不同，温度较低时多元醇先熔化吸热，温度较高时熔融盐后熔化吸热，以实现均匀地、分阶段的储热和放热，提升储换热速率调节的灵活性。

当处于储热工作状态时：高温储换热一体罐内的顶部电磁铁为N级，底部电磁铁为S级。高温磁性相变材料胶囊的外壳为磁性材料，会受到磁场的吸引和排斥作用，聚集在顶部，并围绕在空气放热管周围。高温磁性相变材料胶囊内的固态相变材料吸收空气放热管放出的热量并熔化，将热能以相变潜热的形式储存。

当处于放热工作状态时：高温储换热一体罐内的顶部电磁铁为S级，底部电磁铁为N级。高温磁性相变材料胶囊受到磁场的吸引和排斥作用，聚集在底部，并围绕在冷水吸热管周围。高温磁性相变材料胶囊内的液态相变材料凝固并向冷水吸热管放热，将储存的热能进行释放。

中温储换热一体罐的外壳采用保温材料，具有储热和放热两种工作状态，两种工作状态通过控制磁场的方向来控制，磁场的方向通过改变电磁铁内通过的电流的方向来控制。中温储换热一体罐采用中低温磁性相变材料胶囊，中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料，选择温度在100~300℃之间的中低相变储热材料，例如烷烃、水合盐、多元醇等材料。采用的相变材料可根据实际工况进行灵活选取。

当处于储热工作状态时：中温储换热一体罐内的顶部电磁铁为N级，底部电磁铁为S级。中低温磁性相变材料胶囊会受到磁场的吸引和排斥作用，聚集在顶部，并围绕在蒸汽冷凝管周围。中低温磁性相变材料胶囊内的固态相变材料吸收蒸汽冷凝管放出的热量并熔化，将热能以相变潜热的形式储存。

当处于放热工作状态时：高温储换热一体罐内的顶部电磁铁为S级，底部电磁铁为N级。中低温磁性相变材料胶囊受到磁场的吸引和排斥作用，聚集在底部，并围绕在空气吸热管周围。中低温磁性相变材料胶囊内的液态相变材料凝固并向空气吸热管放热，将储存的热能进行释放。

不同的高温储换热一体罐或者不同的中温储换热一体罐可以处于不同的工作状态，且可以根据热负荷需要，串联多个。

电磁铁为多个，分布安装在高温储换热一体罐以及中温储换热一体罐的外壳内，每次工作时，可以通过开关控制电磁铁的铁芯外面的导线线圈内流过的电流方向，产生方向相反的磁场。改变工作电磁铁的数目也可以改变磁场的强弱，通过改变电流方向改变的频率，可以控制磁场交替的频率，从而控制高温磁性相变材料胶囊或者中低温磁性相变材料胶囊的运动，从而维持一定的热交换频率，以保证流入空气膨胀机的中温高压的压缩空气的温度可以维持恒定，保障空气膨胀机可以在恒定工况下运行，使得空气膨胀机保持在较高的额定效率下工作。

本发明利用搭配高温磁性相变材料胶囊、中低温磁性相变材料胶囊、固定多孔支架和电磁铁，提供了一种高温储换热一体罐和中温储换热一体罐的组合设计，并据此提出了一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统及方法，可实现利用空气和蒸汽的储换热循环以代替储气库，解决储气库选址难的问题，大大节省建设储气库的投资和工程量，通过磁场控制和温度监控储热和换热的速率，以维持空气和蒸汽出口的参数、保障发电的稳定性和调节的灵活性；利用变频压缩机、定压空气膨胀机和定压蒸汽轮机，提供压缩空气储热发电和蒸汽空气联合储换热循环发电两种工作状态，可以根据不同的用电量需求，进行梯级发电。本发明不仅摆脱了压缩空气储能对地下储气库的依赖，还能提供一种高效、经济的储换热和发电系统和方法，对践行节能减排具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所提供的高温储换热一体罐结构及其在储热工作状态的示意图。

图2为本发明所提供的高温储换热一体罐在储热和放热的交替工作状态的示意图。

图3为本发明所提供的中温储换热一体罐结构及其在储热和放热交替工作状态的示意图。

图4为本发明所提供的一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统的示意图。

图5为压缩空气储热发电工作状态示意图。

图6为蒸汽空气联合储换热循环发电工作状态示意图。

附图中，各部件的列表如下：

标号	部件名称	标号	部件名称
				1	导气管	16	中低温蒸汽管
2	四通阀	17	蒸汽轮机
				3	压缩机进气管	18	计算机
4	储换热器出气管	19	数据采集线I
				5	压缩机	20-1	红外测温仪I
6	压缩机出气管	20-2	红外测温仪II
				7-1	高温储换热一体罐I	21	数据采集线II
7-2	高温储换热一体罐II	22-1	红外测温仪III
				8	膨胀机进气管	22-2	红外测温仪V
9	低温水管	23	电磁铁
				10	高温蒸汽管	24	固定多孔支架
11	空气膨胀机	25	空气放热管
				12-1	膨胀机出气管I	26	冷水吸热管
12-2	膨胀机出气管II	27	高温磁性相变材料胶囊
				13-1	中温储换热一体罐I	28	蒸汽冷凝管
13-2	中温储换热一体罐II	29	空气吸热管
				14	冷水出水管	30	中低温磁性相变材料胶囊
15	储水箱

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

根据图1、图2、图3所设计的高温储换热一体罐和中温储换热一体罐，设计了如图4所示的一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，包括导气管1、四通阀2、压缩机进气管3、储换热器出气管4、压缩机5、压缩机出气管6、高温储换热一体罐I7-1、高温储换热一体罐II7-2、膨胀机进气管8、低温水管9、高温蒸汽管10、空气膨胀机11、膨胀机出气管I12-1、膨胀机出气管II12-2、中温储换热一体罐I13-1、中温储换热一体罐II13-2、冷水出水管14、储水箱15、中低温蒸汽管16、蒸汽轮机17、计算机18、数据采集线I19、红外测温仪I20-1、红外测温仪II20-2、数据采集线II21、红外测温仪III22-1、红外测温仪V22-2、电磁铁23、固定多孔支架24、空气放热管25、冷水吸热管26、高温磁性相变材料胶囊27、蒸汽冷凝管28、空气吸热管29、中低温磁性相变材料胶囊30。

导气管1通过四通阀2和压缩机进气管3相连，四通阀2另一端和储换热器出气管4相连，压缩机进气管3、压缩机5、压缩机出气管6、高温储换热一体罐I7-1、高温储换热一体罐II7-2、膨胀机进气管8顺次相连，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2串联连接，高温储换热一体罐I7-1与低温水管9相连，高温储换热一体罐II7-2与高温蒸汽管10相连，膨胀机进气管8、空气膨胀机11、膨胀机出气管II12-2、中温储换热一体罐I13-1、中温储换热一体罐II13-2顺次相连，此外空气膨胀机11通过膨胀机出气管I12-1和四通阀2相连。中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2串联连接，中温储换热一体罐II13-2通过冷水出水管14与储水箱15相连，储水箱15还与低温水管9相连，中温储换热一体罐II13-2通过中低温蒸汽管16与蒸汽轮机17相连，蒸汽轮机17还与高温蒸汽管10相连，计算机18通过数据采集线I19和红外测温仪I20-1、红外测温仪II20-2相连，红外测温仪I20-1、红外测温仪II20-2分别和中温储换热一体罐I13-1、中温储换热一体罐II13-2相连，计算机18通过数据采集线II21和红外测温仪III22-1、红外测温仪V22-2相连，红外测温仪III22-1、红外测温仪V22-2分别和高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2相连，多个电磁铁23分布安装在高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2的外壳内，环形固定多孔支架24顶部嵌入了空气放热管25，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2内的空气放热管25与压缩机出气管6、膨胀机进气管8相连，环形固定多孔支架24底部嵌入了冷水吸热管26，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2内的冷水吸热管26与低温水管9、高温蒸汽管10相连，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2内的环形固定多孔支架24与高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2的外壳之间充满了高温磁性相变材料胶囊27，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2内的环形固定多孔支架24的圆环内充满了高温磁性相变材料胶囊27，多个电磁铁23分布安装在中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2的外壳内，环形固定多孔支架24顶部嵌入了蒸汽冷凝管28，中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2内的蒸汽冷凝管28与冷水出水管14、中低温蒸汽管16相连，环形固定多孔支架24底部嵌入了空气吸热管29，中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2内的空气吸热管29与储换热器出气管I4、膨胀机出气管II12-2相连，中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2内的环形固定多孔支架24与中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2的外壳之间充满了中低温磁性相变材料胶囊30，中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2内的环形固定多孔支架24的圆环内充满了中低温磁性相变材料胶囊30。

在本实施例中，仅以两个高温储换热一体罐和两个中温储换热一体罐作为示意，在其他的实施例中，还可以串联更多个高温储换热一体罐以及更多个中温储换热一体罐。

储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，包括压缩空气储热发电和蒸汽空气联合储换热循环发电两种工作状态过程：

（1）、压缩空气储热发电工作状态过程：

如图5所示，初始状态下，风力发电或光伏发电产生波动的电能时，电力驱动压缩机5开始工作。打开四通阀2。环境中的空气从导气管1经过压缩机进气管3，流入压缩机5。低温低压的空气在压缩机5中被压缩到高温高压状态，并通过压缩机出气管6流出，流入高温储换热一体罐I7-1。此时高温储换热一体罐I7-1率先工作并处于储热工作状态（如图1所示），可以将空气放热管25中的热能吸收并储存。当高温储换热一体罐I7-1内热量储存满之后（通过红外测温仪III22-1的测试温度判定，出口空气温度开始升高时，即为储热达到满负荷），计算机18收到红外测温仪III22-1的测温反馈后，控制高温储换热一体罐II7-2再开始工作并处于储热工作状态（如图1所示），继续工作。通过高温储换热一体罐I7-1、高温储换热一体罐II7-2之间的搭配，来维持出口空气温度恒定。释放热量之后的中温高压空气，通过膨胀机进气管8流入空气膨胀机11中，中温高压空气在空气膨胀机11内膨胀做功对外发电，变成低温低压空气通过膨胀机出气管I12-1流入四通阀2处，并再通过压缩机进气管3进入压缩机5，重复上述的压缩空气储热发电过程。在压缩空气储热发电工作状态下，可以将风力发电或光伏发电产生波动的电能转化成持续稳定的电能进行输出。

压缩机5为变频压缩机，根据选择压缩机型号的不同，可以适应输入电量在一定范围内变化。

空气膨胀机11为定压空气膨胀机，因为空气膨胀机11可以保持在额定工况下工作，因此不需要采用变频膨胀机，节省成本、且效率更高。

（2）、蒸汽空气联合储换热循环发电工作状态过程：

如图6所示，当压缩空气储热发电时，若外界的电力需求增大，则在压缩空气储热发电工作状态维持运行的条件下，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2内的冷水吸热管26被打开开始工作。此时，高温储换热一体罐I7-1和高温储换热一体罐II7-2交替处于储热和放热工作状态（如图2所示）。冷水从储水箱15流出，通过低温水管9先流入高温储换热一体罐I7-1内的冷水吸热管26中，此时高温储换热一体罐I7-1处于放热工作状态，冷水在冷水吸热管26内吸热变成高温高压的蒸汽，从高温储换热一体罐II7-2内穿过（高温储换热一体罐II7-2此时不工作），并从高温储换热一体罐II7-2的高温蒸汽管10流出。当高温储换热一体罐I7-1内的储热量完全释放时（通过红外测温仪III22-1的测试温度判定，出口蒸汽温度开始降低时，即为储热量完全释放），此时高温储换热一体罐I7-1切换至储热工作状态，冷水从高温储换热一体罐I7-1内穿过，高温储换热一体罐II7-2从储热工作状态切换至放热工作状态并对其中冷水吸热管26内的冷水继续放热。最终高温高压的蒸汽从高温储换热一体罐II7-2的高温蒸汽管10流出，流入蒸汽轮机17中膨胀对外发电。高温高压的蒸汽因此变成中低温低压的蒸汽从中低温蒸汽管16流出，并先流入中温储换热一体罐I13-1内的蒸汽冷凝管28中。此时，中温储换热一体罐I13-1先处于储热工作状态，吸收中低温低压的蒸汽在蒸汽冷凝管28中冷凝的放热量。完成储热后，此时空气膨胀机11出口的空气从膨胀机出气管II12-2流入中温储换热一体罐I13-1内，中温储换热一体罐I13-1切换至放热工作状态，给空气吸热管29放热。与此同时，中温储换热一体罐II13-2开始在储热状态工作。中温储换热一体罐I13-1和中温储换热一体罐II13-2，通过红外测温仪I20-1、红外测温仪II20-2的测温反馈，互相在储热工作状态和放热工作状态之间切换（如图3所示），保证储热和换热的连续。空气吸热管29内的低温低压空气吸热后变成中低温低压空气，从储换热器出气管4流出，经过四通阀2流入压缩机进气管3进入压缩机5。此时，四通阀2的导气管1段被关闭。中高温的低压空气流入压缩机5，有两点优势：一方面是当需要更多的蒸汽发电量时，在保持压缩机5的压缩比恒定条件下，提高进口温度可以使得压缩机出气管6流出的高温高压空气温度更高，可以提供更多的热量用于蒸汽的产生和发电；另一方面，若蒸汽发电的热量足够时，可以适当降低压缩机5的压缩比，这样在压缩机进气管3进口空气的温度提高时，维持压缩机出气管6流出的高温高压空气温度不变，减小了压缩机5的做功量，节约能源，提升系统的效率。

蒸汽轮机17为定压蒸汽轮机，因为蒸汽轮机17可以保持在额定工况下工作，因此不需要采用变频蒸汽轮机，节省成本、提高效率。

红外测温仪可以提供毫秒级的温度测量及反馈，分别为控制流入储换热器出气管4和膨胀机进气管8的温度提供监控，保证流入储换热器出气管4和膨胀机进气管8的压缩空气的温度可以各自维持恒定。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统包括串联的至少两个高温储换热一体罐以及串联的至少两个中温储换热一体罐；

第一个高温储换热一体罐的空气入口与压缩机的空气出口相连通，最后一个高温储换热一体罐的空气出口与空气膨胀机的入口相连通，所述空气膨胀机的出口支路之一与第一个中温储换热一体罐的空气入口相连通，最后一个中温储换热一体罐的空气出口连通至压缩机的空气入口；

最后一个高温储换热一体罐的蒸汽出口与蒸汽轮机的蒸汽入口相连通，第一个中温储换热一体罐的蒸汽冷凝管的入口与蒸汽轮机的蒸汽出口相连通，最后一个中温储换热一体罐的冷水出水管与储水箱相连通；

所述高温储换热一体罐包括罐体和处于罐体内的电磁铁、固定多孔支架、空气放热管、冷水吸热管、高温磁性相变材料胶囊；所述罐体内顶部和内底部分别设置电磁铁且工作时：顶部电磁铁为N级，底部电磁铁为S级或者顶部电磁铁为S级，底部电磁铁为N级；所述罐体中央设置固定多孔支架，所述固定多孔支架的上部设置空气放热管，所述固定多孔支架的下部设置冷水吸热管；所述高温磁性相变材料胶囊填充在罐体的空腔内，所述高温磁性相变材料胶囊的外壳为磁性材料；所述高温磁性相变材料胶囊在上下一对电磁铁的驱动下向空气放热管聚拢或者向冷水吸热管聚拢；

所述中温储换热一体罐包括罐体和处于罐体内的电磁铁、固定多孔支架、蒸汽冷凝管、空气吸热管和中低温磁性相变材料胶囊；所述罐体内顶部和内底部分别设置电磁铁且工作时：顶部电磁铁为N级，底部电磁铁为S级或者顶部电磁铁为S级，底部电磁铁为N级；所述罐体中央设置固定多孔支架，所述固定多孔支架的上部设置蒸汽冷凝管，所述固定多孔支架的下部设置空气吸热管；所述中低温磁性相变材料胶囊填充在罐体的空腔内，所述中低温磁性相变材料胶囊的外壳为磁性材料；所述中低温磁性相变材料胶囊在上下一对电磁铁的驱动下向蒸汽冷凝管聚拢或者向空气吸热管聚拢。

2.根据权利要求1所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述高温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择温度在300~600℃之间的高温相变储热材料。

3.根据权利要求1或2所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述高温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择熔融盐、多元醇。

4.根据权利要求3所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述高温磁性相变材料胶囊内的相变材料为多种材料且同一个胶囊内相变材料为一种。

5.根据权利要求1所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述高温磁性相变材料胶囊的尺寸为毫米级，远小于固定多孔支架的空隙尺寸。

6.根据权利要求1所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择温度在100~300℃之间的中低相变储热材料。

7.根据权利要求1或6所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料选择烷烃、水合盐、多元醇。

8.根据权利要求7所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述中低温磁性相变材料胶囊内的相变材料为多种材料且同一个胶囊内相变材料为一种。

9.根据权利要求1所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统，其特征在于：所述中低温磁性相变材料胶囊的尺寸为毫米级，远小于固定多孔支架的空隙尺寸。

10.根据权利要求1所述的储换热一体化的无储气库式压缩空气发电系统的发电方法，其特征在于：所述方法包括压缩空气储热发电和蒸汽空气联合储换热循环发电两种工作状态过程；

所述压缩空气储热发电工作状态过程包括如下过程步骤：

初始状态下，风力发电或光伏发电产生波动的电能时，电力驱动压缩机开始工作；打开与压缩机的入口相连通的四通阀；环境中的空气从导气管进入四通阀经过压缩机进气管，流入压缩机；低温低压的空气在压缩机中被压缩到高温高压状态，并通过压缩机出气管流出，流入第一个高温储换热一体罐，此时第一个高温储换热一体罐率先工作并处于储热工作状态，可以将空气放热管中的热能吸收并储存；当第一个高温储换热一体罐内热量储存满之后，计算机收到红外测温仪的测温反馈后，控制下一个高温储换热一体罐再开始工作并处于储热工作状态，继续工作；通过至少两个高温储换热一体罐之间的搭配，来维持出口空气温度恒定；释放热量之后的中温高压空气，通过膨胀机进气管流入空气膨胀机中，中温高压空气在空气膨胀机内膨胀做功对外发电，变成低温低压空气通过膨胀机出气管流入四通阀处，并再通过压缩机进气管进入压缩机，重复上述的压缩空气储热发电过程；在压缩空气储热发电工作状态下，可以将风力发电或光伏发电产生波动的电能转化成持续稳定的电能进行输出；

所述蒸汽空气联合储换热循环发电工作状态过程包括如下过程步骤：

当压缩空气储热发电时，若外界的电力需求增大，则在压缩空气储热发电工作状态维持运行的条件下，高温储换热一体罐的冷水吸热管被打开开始工作；此时，至少两个高温储换热一体罐交替处于储热和放热工作状态；冷水从储水箱流出，通过低温水管先流入第一个高温储换热一体罐内的冷水吸热管中，此时第一个高温储换热一体罐处于放热工作状态，冷水在冷水吸热管内吸热变成高温高压的蒸汽，从高温蒸汽管流出；当第一个高温储换热一体罐内的储热量完全释放时，此时第一个高温储换热一体罐切换至储热工作状态，下一个高温储换热一体罐切换至放热工作状态对冷水吸热管继续放热；高温高压的蒸汽从高温储换热一体罐流出，流入蒸汽轮机中膨胀对外发电；高温高压的蒸汽经蒸汽轮机膨胀发电后，变成中低温低压的蒸汽从蒸汽轮机的中低温蒸汽管流出，并先流入第一个中温储换热一体罐内的蒸汽冷凝管中，此时，第一个中温储换热一体罐先处于储热工作状态，吸收中低温低压的蒸汽在蒸汽冷凝管中冷凝的放热量；完成储热后，此时空气膨胀机出口的空气从另一条支路流入第一个中温储换热一体罐内，第一个中温储换热一体罐切换至放热工作状态，给空气吸热管放热；与此同时，下一个中温储换热一体罐开始在储热状态工作；至少两个中温储换热一体罐通过红外测温仪的测温反馈，互相在储热工作状态和放热工作状态之间切换，保证储热和换热的连续；空气吸热管内的低温低压空气吸热后变成中低温低压空气，从储换热器出气管流出，经过四通阀流入压缩机进气管进入压缩机；此时，四通阀的导气管被关闭。