一种光热联合压缩空气储能系统及方法与流程

本发明涉及非补燃压缩空气储能，尤其是一种光热联合压缩空气储能系统及方法。

背景技术：

1、储能是新能源消纳和能源转型的重要支撑技术。作为一种新型的物理储能技术，压缩空气储能有着对地理条件依赖低、寿命长以及可大规模化等优势。目前已经过工程实践验证的压缩空气储能技术有两种，一种是补燃式系统，该系统在储能时利用压缩机将高压空气储存于储气设备中，在释能时储存于储气设备的高压空气通过推动膨胀机进行发电，为提高发电功率，补燃式技术通过燃烧天然气以大幅提高膨胀机的进气温度；另一种为非补燃系统。非补燃压缩空气储能作为一种大规模长时储能技术，在国内已经实现了不同容量等级的工程实证。该技术利用电能驱动空气压缩机对环境空气进行压缩，获取高温高压压缩空气，然后利用载热介质与其换热后吸收大部分热能并存储，空气放热降温后进入储气装置，从而将电能以载热介质和压缩空气两种载体进行存储；在释放能量时，存储的压缩空气再次与存储的载热介质换热，吸收热量升温后进入空气膨胀机中降压做功，并驱动发电机旋转发电，同时存储降温后的载热介质，从而实现电能的再生。该技术中用于加热膨胀机进气温度的热源来自于压缩过程中回收的压缩热，从而可实现完全清洁无碳排。

2、虽然具有上述优点，但非补燃式压缩空气储能并非已无可提升的空间。从系统性能来看，由于膨胀过程采用回收的压缩热，这导致储能时的压缩机耗功和释能时的膨胀机出力相互制约，追求低耗功会导致压缩热品位过低而降低膨胀机出力，反之亦然。从系统对清洁能源的消纳程度来看，非补燃式压缩空气储能由于在压缩侧和膨胀侧各含一个热能的接口，因此该技术在消纳和利用地热、太阳能光热等清洁热能方面仍有巨大的潜力。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种光热联合压缩空气储能系统及方法，通过光热集热实现压缩空气储能系统蓄热温度的整体提升，降低对高温压缩机的依赖性；同时，通过光热集热与压缩空气储能的联合，实现以太阳能光热为支撑的长周期供电。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种光热联合压缩空气储能系统，包括空气压缩机、换热器、储气库、回热器、空气膨胀机、光热集热器、低温储罐、中温储罐和高温储罐；所述空气压缩机和空气膨胀机的主轴之间设置有能够开合的联轴器；所述空气压缩机能够由外部电动机驱动，还能够直接由空气膨胀机通过联轴器驱动；所述空气膨胀机联接有发电机组。

4、本发明技术方案的进一步改进在于：所述换热器设置在所述低温储罐和所述中温储罐之间；所述光热集热器设置在所述中温储罐和所述高温储罐之间；所述回热器设置在所述低温储罐和所述高温储罐之间；所述中温储罐和高温储罐还直接相连；所述换热器和所述回热器直接相连或通过所述储气库相连；所述空气压缩机与所述换热器相连；所述空气膨胀机与所述回热器相连。

5、本发明技术方案的进一步改进在于：所述系统的各连接管路上包含有若干个用于控制介质流动的阀门和泵。

6、一种光热联合压缩空气储能方法，所述方法包括集热发电模式和非集热发电模式；所述集热发电模式指光热集热器有太阳能的输入；所述非集热发电模式指光热集热器无太阳能的输入。

7、本发明技术方案的进一步改进在于：所述集热发电模式的运行过程如下：

8、空气压缩机与外部驱动电动机脱开，通过联轴器和空气膨胀机轴连接；储气库释放存储的压缩空气通过回热器后进入空气膨胀机，膨胀做功并驱动空气膨胀机5带动发电机组发电，同时带动空气压缩机旋转，由环境吸入空气并压缩至高压；此时，根据系统运行需求，空气压缩机排气能够选择全部进入储气库，也能够选择关闭储气库而全部通过回热器进入空气膨胀机，或者选择部分进入储气库、部分通过回热器进入空气膨胀机；

9、与此同时，低温储罐中的低温蓄换热介质依次流经换热器、光热集热器和回热器；在换热器中，蓄换热介质首先与空气压缩机排气进行换热，压缩空气放热降温后进入下一环节，根据系统运行需求，蓄换热介质吸热升温后能够选择全部进入光热集热器中进一步加热，或部分进入中温储罐存储、部分进入光热集热器中进一步加热；在光热集热器中，蓄换热介质吸收太阳能光热后进一步升温，然后根据系统运行需求，全部通过回热器放热后返回低温储罐，或部分进入高温储罐、部分通过回热器后返回低温储罐。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：上述集热发电过程中，中温储罐、光热集热器和高温储罐也能够形成一个相对独立的循环，即蓄换热介质依次沿中温储罐、光热集热器、高温储罐、中温储罐的路线进行循环加热，以最大限度的向系统输入太阳能光热。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述非集热发电模式的运行过程如下：

12、空气压缩机与外部驱动电动机连接，与空气膨胀机之间通过联轴器的轴连接断开，通过驱动电动机驱动运行；此时，空气压缩机由环境中吸气压缩，压缩空气经换热器放热后进入储气库中存储；同时，低温蓄换热介质由低温储罐进入回热器中吸热升温，然后进入中温储罐中存储；

13、空气膨胀机则直接由储气库供气运行；储气库释放的压缩空气经回热器吸热升温后进入空气膨胀机中膨胀做功，驱动发电机组发电；同时，高温蓄换热介质由高温储罐进入回热器中加热压缩空气，放热降温后返回低温储罐。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：上述非集热发电过程中，空气压缩机和空气膨胀机的运行一般为分时进行，但也能根据系统需求选择同时运行；同时运行时，换热器排出的压缩空气同样能选择部分进入储气库存储、部分直接供应给回热器；回热器进气则能选择全部来自空气压缩机排气、全部来自储气库或由空气压缩机和储气库混合供气。

15、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

16、本发明提供了一种联合的光热发电系统和压缩空气储能系统，为太阳能光热利用和大规模长时储能提供了更加丰富的技术选项：通过光热集热实现压缩空气储能系统蓄热温度的整体提升，降低对高温压缩机的依赖性；同时，通过光热集热与压缩空气储能的联合，实现以太阳能光热为支撑的长周期供电。

技术特征：

1.一种光热联合压缩空气储能系统，其特征在于：包括空气压缩机（1）、换热器（2）、储气库（3）、回热器（4）、空气膨胀机（5）、光热集热器（6）、低温储罐（7）、中温储罐（8）和高温储罐（9）；所述空气压缩机（1）和所述空气膨胀机（5）的主轴之间设置有能够开合的联轴器（10）；所述空气压缩机（1）能够由外部电动机驱动，还能够直接由所述空气膨胀机（5）通过所述联轴器（10）驱动；所述空气膨胀机（5）联接有发电机组。

2.根据权利要求1所述的一种光热联合压缩空气储能系统，其特征在于：所述换热器（2）设置在所述低温储罐（7）和所述中温储罐（8）之间；所述光热集热器（6）设置在所述中温储罐（8）和所述高温储罐（9）之间；所述回热器（4）设置在所述低温储罐（7）和所述高温储罐（9）之间；所述中温储罐（8）和高温储罐（9）还直接相连；所述换热器（2）和所述回热器（4）直接相连或通过所述储气库（3）相连；所述空气压缩机（1）与所述换热器（2）相连；所述空气膨胀机（5）与所述回热器（4）相连。

3.根据权利要求1所述的一种光热联合压缩空气储能系统，其特征在于：所述系统的各连接管路上包含有若干个用于控制介质流动的阀门和泵。

4.一种光热联合压缩空气储能方法，应用如权利要求1-3任一项所述的光热联合压缩空气储能系统，其特征在于：所述方法包括集热发电模式和非集热发电模式；所述集热发电模式指光热集热器（6）有太阳能的输入；所述非集热发电模式指光热集热器（6）无太阳能的输入。

5.根据权利要求4所述的一种光热联合压缩空气储能方法，其特征在于：所述集热发电模式的运行过程如下：

6.根据权利要求5所述的一种光热联合压缩空气储能方法，其特征在于：上述集热发电过程中，中温储罐（8）、光热集热器（6）和高温储罐（9）也能够形成一个相对独立的循环，即蓄换热介质依次沿中温储罐（8）、光热集热器（6）、高温储罐（9）、中温储罐（8）的路线进行循环加热，以最大限度的向系统输入太阳能光热。

7.根据权利要求4所述的一种光热联合压缩空气储能方法，其特征在于：所述非集热发电模式的运行过程如下：

8.根据权利要求7所述的一种光热联合压缩空气储能方法，其特征在于：上述非集热发电过程中，空气压缩机（1）和空气膨胀机（5）的运行一般为分时进行，但也能根据系统需求选择同时运行；同时运行时，换热器（2）排出的压缩空气同样能选择部分进入储气库（3）存储、部分直接供应给回热器（4）；回热器（4）进气则能选择全部来自空气压缩机（1）排气、全部来自储气库（3）或由空气压缩机（1）和储气库（3）混合供气。

技术总结本发明公开了一种光热联合压缩空气储能系统及方法，属于非补燃压缩空气储能技术领域，所述系统包括空气压缩机、换热器、储气库、回热器、空气膨胀机、光热集热器、低温储罐、中温储罐和高温储罐；所述空气压缩机和空气膨胀机的主轴之间设置有能够开合的联轴器；所述空气压缩机能够由外部电动机驱动，还能够直接由空气膨胀机通过联轴器驱动；所述空气膨胀机联接有发电机组；所述方法包括光热集热器有太阳能输入的集热发电模式和光热集热器无太阳能输入的非集热发电模式。本发明通过光热集热实现压缩空气储能系统蓄热温度的整体提升，降低对高温压缩机的依赖性；同时，通过光热集热与压缩空气储能的联合，实现以太阳能光热为支撑的长周期供电。技术研发人员：王悦,李双江,王子杰,池冉,梁正,李凯,刘健,阎占良,董舟,武洋,李智受保护的技术使用者：中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/30