CN215676609U - 一种压缩空气储热发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压缩空气储热发电系统，属于清洁能源利用领域，包括通过吸收太阳光加热内部空气并释放高温空气的太阳能吸热器、能够储存高温空气热量的储热装置、能够被高温压缩空气推动做功的涡轮机、能够被涡轮机带动发电的发电机、风机、能够用高温空气对压缩空气加热的一级回热器和二级回热器、对过滤后的空气压缩加压的压缩机、能够过滤空气中杂质的过滤器、相应的连接管路以及设置在连接管路上的若干个阀门；在白天光照条件良好时，系统同时运行在发电模式和储热模式下；在夜晚或阴天无太阳光照时，系统运行在放热模式下发电。本实用新型利用空气作为工质耦合太阳能热和储热技术从而实现储热发电，系统简洁、使用寿命长、清洁无污染。

Description

一种压缩空气储热发电系统

技术领域

本实用新型涉及储热、太阳能发电领域，尤其是一种压缩空气储热发电系统。

背景技术

在国家“碳达峰”、“碳中和”的迫切目标下，在国际热能利用的严峻形势下，热量正在变成一种稀有的资源，我国能源政策鼓励多种形式的清洁能源发展；储热能够促进各种可再生能源的融合，使得这些分散的随机可再生能源做到按需供应，并可以转移电力负荷的峰值。

目前多数太阳能发电技术多采用熔盐储热的蒸汽轮机发电技术，系统复杂运行维护成本较高。

当前国际上开发的压缩空气储能发电技术采用存储高压气体储能，在空气压缩时温度升高，存储时温度下降能量散失，需要设置补热系统提供额外热量，总体发电效率低；并且传统压缩空气储能发电需要建设大型的高压储气罐或寻找大型的储气设施，这些限制使其不能够灵活布置和应用，以致没有得到进一步推广。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供一种压缩空气储热发电系统，是利用空气作为工质耦合太阳能热和储热技术从而实现一种简洁并具有较长的使用寿命和较低的环境影响的新型储热发电技术。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种压缩空气储热发电系统，包括通过吸收太阳光加热内部空气并释放高温空气的太阳能吸热器、能够储存太阳能吸热器释放的高温空气热量并能释放热量的储热装置、能够被高温压缩空气推动做功的空气涡轮机、能够被空气涡轮机带动发电的发电机、能够使系统内空气循环的风机、能够用高温空气对压缩空气加热的一级回热器和二级回热器、对过滤后的空气压缩加压的压缩机、能够过滤空气中杂质的过滤器、相应的连接管路以及设置在连接管路上的若干个阀门；在白天光照条件良好时，所述系统能够同时运行在发电模式和储热模式下；在夜晚或阴天无太阳光照时，所述系统还能够运行在放热模式下发电。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：发电模式下，经过滤器过滤后的空气经压缩机压缩加压并升温至预设温度一，压缩空气经一级回热器与来自太阳能吸热器的高温空气换热从而被加热至预设温度二；随后压缩空气进入二级回热器，继续吸收来自太阳能吸热器的高温空气中的热量被加热至预设温度三后进入空气涡轮机，推动空气涡轮机做功并带动发电机发电。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述预设温度一为200℃，所述预设温度二为540℃，所述预设温度三为920℃。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述阀门至少包括设置在风机与太阳能吸热器之间管路上的阀门一、设置在空气涡轮机与太阳能吸热器之间管路上的阀门二、设置在风机与储热装置回路上的阀门三、设置在太阳能吸热器与二级回热器之间管路上的阀门四和设置在阀门四到储热装置之间管路上的阀门五。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：发电模式下，当太阳能吸热器出口空气温度达到预设温度四时，压缩机启动，开启阀门一、阀门二、阀门四、阀门五，关闭阀门三；太阳能吸热器出来的高温空气先在二级回热器中被压缩机出来的压缩空气吸热冷却从而使其温度降低为预设温度五，然后经一级回热器再一次被压缩空气冷却从而其温度降低为预设温度六；启动时系统中的空气通过风机输送至安装在吸热塔顶部的太阳能吸热器中，空气经风机在太阳能吸热器中循环，定日镜反射的太阳光加热太阳能吸热器中的空气，使其温度快速提升。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述预设温度四为950℃，所述预设温度五为590℃，所述预设温度六为250℃。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：储热模式下，太阳能吸热器出口空气温度达到预设温度七时，阀门五开启，高温空气进入储热装置，高温空气由上而下流经储热装置内设置的储热体并排出，热量被吸收储存在储热体中；所述储热体中设置多组温度传感器，当储热体上部温度平均温度达到预设温度八或储热体下部温度达到预设温度九时，关闭阀门五，储热过程结束。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述预设温度七为950℃，所述预设温度八为900℃，所述预设温度九为350℃。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：放热模式下发电时，关闭阀门一、阀门四，开启阀门二、阀门三、阀门五，，风机开始运行，系统中的空气经回路送至储热装置，空气在储热装置中被加热至预设温度十；放热模式下当储热装置出口温度达到预设温度十一以上时，压缩机开始运行；经过滤器过滤后的空气经压缩机压缩升压后并升温至预设温度十二，压缩机出来的压缩空气经一级回热器被来自储热装置的高温空气加热至预设温度十三；压缩空气进入二级回热器，继续吸收来自储热装置的高温空气中的热量被加热至预设温度十四，进入空气涡轮机，推动空气涡轮机做功并带动发电机发电，从而保证不间断发电。

本实用新型技术方案的进一步改进在于：所述预设温度十为800℃～900℃，所述预设温度十一为850℃，所述预设温度十二为200℃，所述预设温度十三为500℃，所述预设温度十四为800℃～900℃。

由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的技术进步是：

1、本实用新型利用安全易得的压缩空气作为工质，利用太阳能热提供热量，耦合了储热，实现了发电储热多功能一体，是一种绿色可再生的发电技术，是实现碳中和的有效途径。

2、本实用新型采用空气吸收太阳能热，然后加热空气和循环流程中的空气进行换热，无需中间其他介质补热系统，系统简洁，整个系统全部采用空气作为工质，清洁无污染，设备安全性高，建设投资少，与采用蒸汽，熔盐等介质对比具有明显成本优势。

3、本实用新型中采用的太阳能吸热器的循环工质仅是空气，吸收定日镜反射的太阳光，能够将空气直接加热到950℃，从而为储热装置及回热器提供高温空气，从而对低温的压缩空气进行加热，推动涡轮机做功并带动发电机发电。

4、本实用新型采用空气直接加热蜂窝岩石的超高温储热装置，可灵活设置储热时长，系统储热效率高，提高了发电整体效率，与常规的压缩空气储能发电不同，储存的能量为热量，不需要设置大型高压的空气储罐，节省投资，储存容量大功率高，总体储热效率高。

5、本实用新型的寿命长且具有显著的环境优势，制造生产过程及其生命周期中排放的温室气体很少；部件很容易被替换和回收。

6、本实用新型在白天光照条件良好时，可同时运行在发电模式和储热模式下。

7、本实用新型能够代替传统的燃气补热压缩空气储能发电系统和蒸汽轮机发电系统，是一种清洁能源利用系统，减少了二氧化碳及污染物的排放，能够有效实现“碳中和”。

附图说明

图1是本实用新型系统结构示意图；

其中，1、太阳能吸热器，2、储热装置，3、空气涡轮机，4、发电机，5、风机，6、一级回热器，7、二级回热器，8、压缩机，9、过滤器、10、阀门一、11、阀门二，12、阀门三，13、阀门四，14、阀门五。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明：

如图1所示，一种压缩空气储热发电系统，包括通过吸收太阳光加热内部空气并释放高温空气的太阳能吸热器1、能够储存太阳能吸热器1释放的高温空气热量并能释放热量的储热装置2、能够被高温压缩空气推动做功的空气涡轮机3、能够被空气涡轮机3带动发电的发电机4、能够使系统内空气循环的风机5、能够用高温空气对压缩空气加热的一级回热器6和二级回热器7、对过滤后的空气压缩加压的压缩机8、能够过滤空气中杂质的过滤器9、相应的连接管路以及设置在连接管路上的若干个阀门；在白天光照条件良好时，所述系统能够同时运行在发电模式和储热模式下；在夜晚或阴天无太阳光照时，所述系统还能够运行在放热模式下发电。

发电模式下，20℃的空气，经过滤器9过滤后经压缩机8压缩加压并升温至约200℃，压缩空气经一级回热器6与来自太阳能吸热器1的高温空气换热从而被加热至540℃；随后压缩空气进入二级回热器7，继续吸收来自太阳能吸热器1的高温空气中的热量被加热至920℃后进入空气涡轮机3，推动空气涡轮机3做功并带动发电机4发电。

所述阀门至少包括设置在风机5与太阳能吸热器1之间管路上的阀门一10、设置在空气涡轮机3与太阳能吸热器1之间管路上的阀门二11、设置在风机5与储热装置2回路上的阀门三12、设置在太阳能吸热器1与二级回热器7之间管路上的阀门四13和设置在阀门四13到储热装置2之间管路上的阀门五14。

发电模式下，当太阳能吸热器1出口空气温度达到950℃时，压缩机8启动，开启阀门一10、阀门二11、阀门四13、阀门五14，关闭阀门三12；太阳能吸热器1出来的高温空气先在二级回热器7中被压缩机8出来的压缩空气吸热冷却从而使其温度降低为590℃，然后经一级回热器6再一次被压缩空气冷却从而其温度降低为预设250℃；启动时系统中的空气通过风机5输送至安装在吸热塔顶部的太阳能吸热器1中，空气经风机5在太阳能吸热器1中循环，定日镜反射的太阳光加热太阳能吸热器1中的空气，使其温度快速提升。

储热模式下，太阳能吸热器1出口空气温度达到950℃时，阀门五14开启，高温空气进入储热装置2，高温空气由上而下流经储热装置2内设置的储热体并排出，热量被吸收储存在储热体中；所述储热体中设置多组温度传感器，当储热体上部温度平均温度达到900℃或储热体下部温度达到350℃时，关闭阀门五14，储热过程结束。所述储热体可以选择蜂窝岩石等。

储热与发电同时进行，实际运行时早晨先启动发电，到中午太阳光强度（DNI）高时进行储热。阀门四13、阀门五14同时开启。

在夜晚或阴天无太阳光照时，本系统可运行在放热模式下；储存在储热装置2中的热量，通过空气带出并加热压缩空气，从而保证不间断发电。

具体的，放热模式下发电时，关闭阀门一10、阀门四13，开启阀门二11、阀门三12、阀门五14，风机5开始运行，系统中的空气经回路送至储热装置2，空气在储热装置2中被加热至800℃～900℃；放热模式下当储热装置2出口温度达到850℃以上时，压缩机8开始运行；经过滤器9过滤后的空气经压缩机8压缩升压后并升温至200℃，压缩机8出来的压缩空气经一级回热器6被来自储热装置2的高温空气加热至约500℃；压缩空气进入二级回热器7，继续吸收来自储热装置2的高温空气中的热量被加热至约800℃～900℃，进入空气涡轮机3，推动空气涡轮机3做功并带动发电机4发电，从而保证不间断发电。

为了保证整个系统的安全运行，在风机5与一级回热器6相连接的管路上设置放空阀。

发电模式下，20℃空气经过滤器9过滤后经压缩机8压缩后依次进入一级回热器6、二级回热器7、空气涡轮机3、阀门二11、太阳能吸热器1、阀门四13、二级回热器7、一级回热器6，放空管路放空；

系统内空气经风机5依次通过阀门一10、太阳能吸热器1、阀门四13、二级回热器7、一级回热器6、放空管路放空。

放热模式下发电，空气经压缩机8压缩后依次进入一级回热器6、二级回热器7、空气涡轮机3、阀门二11、太阳能吸热器1；

系统内空气经风机5依次通过阀门三12、储热装置2、阀门五、二级回热器7、一级回热器6、放空管路放空。

所述储热装置2底部与风机5相连通，与放空管路连通；风机5通过阀门三12后形成回路再与储热装置2底部相连通。

综上所述，本实用新型采用空气吸收太阳能热，加热后的高温空气和循环流程中的空气进行换热，无需中间其他介质补热系统，能够在白天光照条件良好时，同时运行在发电模式和储热模式下；在夜晚或阴天无太阳光照时，系统可运行在放热模式下发电，释放存在储热装置中的热量，通过空气带出并加热压缩空气，从而保证不间断发电。

Claims (10)

1.一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：包括通过吸收太阳光加热内部空气并释放高温空气的太阳能吸热器（1）、能够储存太阳能吸热器（1）释放的高温空气热量并能释放热量的储热装置（2）、能够被高温压缩空气推动做功的空气涡轮机（3）、能够被空气涡轮机（3）带动发电的发电机（4）、能够使系统内空气循环的风机（5）、能够用高温空气对压缩空气加热的一级回热器（6）和二级回热器（7）、对过滤后的空气压缩加压的压缩机（8）、能够过滤空气中杂质的过滤器（9）、相应的连接管路以及设置在连接管路上的若干个阀门；在白天光照条件良好时，所述系统能够同时运行在发电模式和储热模式下；在夜晚或阴天无太阳光照时，所述系统还能够运行在放热模式下发电。

2.根据权利要求1所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：发电模式下，经过滤器（9）过滤后的空气经压缩机（8）压缩加压并升温至预设温度一，压缩空气经一级回热器（6）与来自太阳能吸热器（1）的高温空气换热从而被加热至预设温度二；随后压缩空气进入二级回热器（7），继续吸收来自太阳能吸热器（1）的高温空气中的热量被加热至预设温度三后进入空气涡轮机（3），推动空气涡轮机（3）做功并带动发电机（4）发电。

3.根据权利要求2所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：所述预设温度一为200℃，所述预设温度二为540℃，所述预设温度三为920℃。

4.根据权利要求1所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：所述阀门至少包括设置在风机（5）与太阳能吸热器（1）之间管路上的阀门一（10）、设置在空气涡轮机（3）与太阳能吸热器（1）之间管路上的阀门二（11）、设置在风机（5）与储热装置（2）回路上的阀门三（12）、设置在太阳能吸热器（1）与二级回热器（7）之间管路上的阀门四（13）和设置在阀门四（13）到储热装置（2）之间管路上的阀门五（14）。

5.根据权利要求4所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：发电模式下，当太阳能吸热器（1）出口空气温度达到预设温度四时，压缩机（8）启动，开启阀门一（10）、阀门二（11）、阀门四（13）、阀门五（14），关闭阀门三（12）；太阳能吸热器（1）出来的高温空气先在二级回热器（7）中被压缩机（8）出来的压缩空气吸热冷却从而使其温度降低为预设温度五，然后经一级回热器（6）再一次被压缩空气冷却从而其温度降低为预设温度六；启动时系统中的空气通过风机（5）输送至安装在吸热塔顶部的太阳能吸热器（1）中，空气经风机（5）在太阳能吸热器（1）中循环，定日镜反射的太阳光加热太阳能吸热器（1）中的空气，使其温度快速提升。

6.根据权利要求5所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：所述预设温度四为950℃，所述预设温度五为590℃，所述预设温度六为250℃。

7.根据权利要求4所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：储热模式下，太阳能吸热器（1）出口空气温度达到预设温度七时，阀门五（14）开启，高温空气进入储热装置（2），高温空气由上而下流经储热装置（2）内设置的储热体并排出，热量被吸收储存在储热体中；所述储热体中设置多组温度传感器，当储热体上部温度平均温度达到预设温度八或储热体下部温度达到预设温度九时，关闭阀门五（14），储热过程结束。

8.根据权利要求7所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：所述预设温度七为950℃，所述预设温度八为900℃，所述预设温度九为350℃。

9.根据权利要求4所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：

放热模式下发电时，关闭阀门一（10）、阀门四（13），开启阀门二（11）、阀门三（12）、阀门五（14），风机（5）开始运行，系统中的空气经回路送至储热装置（2），空气在储热装置（2）中被加热至预设温度十；放热模式下当储热装置（2）出口温度达到预设温度十一以上时，压缩机（8）开始运行；经过滤器（9）过滤后的空气经压缩机（8）压缩升压后并升温至预设温度十二，压缩机（8）出来的压缩空气经一级回热器（6）被来自储热装置（2）的高温空气加热至预设温度十三；压缩空气进入二级回热器（7），继续吸收来自储热装置（2）的高温空气中的热量被加热至预设温度十四，进入空气涡轮机（3），推动空气涡轮机（3）做功并带动发电机（4）发电，从而保证不间断发电。

10.根据权利要求9所述的一种压缩空气储热发电系统，其特征在于：所述预设温度十为800℃～900℃，所述预设温度十一为850℃，所述预设温度十二为200℃，所述预设温度十三为500℃，所述预设温度十四为800℃～900℃。

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