【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源储存，涉及压缩空气储能系统的优化设计，具体是一种多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，通过在不同压力阶段使用不同蓄热技术，提高系统的整体效率和能量密度。
技术介绍
1、近些年，可再生能源如风能、太阳能等在全球范围内呈现快速发展态势，但其波动性和间歇性对电网造成较大负担，这种波动性不仅影响电网的稳定性，还限制了可再生能源在电力系统中的渗透率和发电效率。
2、在这一背景下，大规模储能技术的发展成为解决可再生能源消纳问题的关键。其中，压缩空气储能(compressed air energy storage，caes)作为一种能够在时间上平移能量的技术，其基本原理是利用电力驱动压缩机将空气压缩并储存于高压容器或地下洞穴中，当需要电力时，释放压缩空气驱动膨胀机发电。相比于其他储能技术，压缩空气储能具有储能容量大、寿命长、环境友好等优点，可作为可再生能源大规模消纳的关键技术之一。
3、然而，现有压缩空气储能技术仍存在一些技术瓶颈，主要体现在以下几个方面：(1)系统效率有待提高：压缩过程中产生的热量大部分被散失，而膨胀过程又需要额外的热量输入，传统caes系统的往复效率通常只有50％-60％左右，远低于抽水蓄能等其他储能技术。(2)能量密度不足：受限于压缩空气的储存压力，传统caes系统的能量密度相对较低，这不仅增加了系统的占地面积，也限制了其在一些空间受限场景下的应用。(3)蓄热方式单一：大多数caes系统采用单一的蓄热方式，难以适应不同压力阶段的热管理需求，这不仅影响了系统的整体效率，也限制了其灵活性
4、综上所述，现有压缩空气储能技术在系统效率、能量密度等方面仍然存在一些技术瓶颈，这些问题不仅限制了压缩空气储能系统的整体性能和应用范围，也阻碍了其在可再生能源大规模消纳中的关键作用。因此，如何提高压缩空气储能系统的整体效率和能量密度，优化不同压力阶段的压缩和膨胀过程，提升系统的灵活性和适应性，是亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、(一)专利技术目的
2、压缩空气储能系统的优化重点在提高效率和提高能量密度两个方面，基于此，本专利技术提出一种多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，根据压缩和膨胀过程中压力大小的不同，使用不同蓄热级的蓄热装置进行耦合，并且各段压比显著不同，总压比显著高于传统压缩空气储能系统。在低压段，压比较大，采用填充床固体高温蓄热等高温蓄热技术，提高系统能量密度，在中压段，采用双罐液体蓄热，降低蓄热损失，提高系统效率，在高压段，压比较大，系统储能压力更高，这时由于高压高温对压缩机和膨胀机效率不利，因此在高压段采用等温或近等温压缩和膨胀模式，提高能量密度的同时提高系统效率。本系统采用多类型蓄热，在不同压力等级处使用最合适的蓄热装置，提高系统能量密度和系统效率，为压缩空气储能的优化设计提供参考。
3、(二)技术方案
4、为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
5、一种多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，用于提高压缩空气储能系统的整体效率和能量密度，实现高压压缩空气的高效存储和释放，包括压缩装置、膨胀装置、蓄热装置及储气装置，具体而言：
6、所述压缩装置的进气管线与大气连通、排气管线与储气装置连通，所述膨胀装置的进气管线与储气装置连通、排气管线与大气连通；
7、所述压缩装置、膨胀装置在不同的压力等级下采用不同类型的装置形式，并使用不同蓄热级的蓄热装置进行耦合，所述压力等级至少依次包括低压段、中压段和高压段，其中：
8、在所述低压段，所述压缩装置采用高压比的低压绝热压缩机，所述膨胀装置采用高膨胀比的低压绝热膨胀机，并耦合使用蓄热温度高且蓄热密度大的高温蓄热装置，用于在储能过程中吸收和存储低压段压缩机高温排气中的压缩热，并在释能过程中利用所述高温蓄热装置释放存储的热能，为低压段膨胀机的进气预热以提高低压段膨胀机的膨胀效率；
9、在所述中压段，所述压缩装置采用低压比的中压绝热压缩机，所述膨胀装置采用低膨胀比的中压绝热膨胀机，并耦合使用中温蓄热装置，用于在储能过程中吸收中压压缩机排出的中温压缩热，并在释能过程中利用中温蓄热装置为中压段膨胀机的进气预热以提高中压段膨胀机的膨胀效率；
10、在所述高压段，所述压缩装置采用等温压缩机或近等温压缩机，所述膨胀装置采用等温膨胀机或近等温膨胀机，使得在储能过程中实现高压空气的等温或近等温压缩，并在释能过程中进行等温或近等温膨胀，从而减少热力学损失，提高系统的整体效率和可靠性。
11、(三)技术效果
12、同现有技术相比，本专利技术提出的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，具有以下有益且显著的技术效果：
13、(1)本专利技术提出的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，根据压缩和膨胀过程中压力大小的不同，使用不同蓄热级的蓄热装置进行耦合，在不同压力等级处使用最合适的蓄热装置，实现了在不同压力等级下的高效热能管理，从而显著提高了系统的能量密度。这种设计能够最大限度地利用每个压力段的热能，有效提升系统的整体性能。
14、(2)本专利技术在不同级压缩和膨胀过程中采用显著不同的压比，使总压比大幅提高，通过优化每级的压缩和膨胀比，减少了热力学损失，提高了系统效率。这种多级压缩和膨胀的设计，不仅提升了系统的能量转换效率，还增强了系统的稳定性和可靠性。
15、(3)本专利技术为压缩空气储能的优化设计提供参考，通过多类型蓄热装置的耦合设计，使系统能够在各种工况下高效运行。不同压力等级使用不同的蓄热装置，不仅提高了系统的能量密度和效率，还降低了系统的运行成本和维护难度，具有较高的应用价值和推广前景。
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1.一种多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，包括压缩装置、膨胀装置、蓄热装置及储气装置，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，在所述低压段使用的高温蓄热装置为体积小耐高温的填充床固体蓄热装置或熔盐蓄热装置，填充床固体蓄热装置选用耐高温并兼具高比热容和高热传导性的陶瓷颗粒类或金属颗粒类高温蓄热材料，熔盐蓄热装置利用熔盐的高热容和高导热性进行热能存储。
3.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，在所述中压段使用的中温蓄热装置为双罐液体蓄热器，至少包括一高温蓄热流体储罐、一低温蓄热流体储罐、一第一换热器以及一第二换热器，蓄热流体为导热油或熔融盐，其中：所述第一换热器的热侧设置在中压绝热压缩机的排气管线上，所述低温蓄热流体储罐的冷侧设置在中压绝热膨胀机的进气管线上，在储能过程中所述低温蓄热流体储罐的出口穿过第一换热器的冷侧与高温蓄热流体储罐的进口连通，在释能过程中所述高温蓄热流体储罐的出口穿过第二换热器的热侧与低温蓄热流体储罐的进口连通。
4.根据权利要求3所述的多类型蓄热的高压压
5.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，在所述低压段和中压段的蓄热装置中分别对应引入高温工业余热和中温工业余热，工业余热引自各种工艺设备排出的高温烟气或设备冷却水，通过热交换器与蓄热介质进行热量传递，以提升膨胀机进口的工质气体温度。
6.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩装置采用多级压缩组合结构，包括但不限于离心压缩机、轴流压缩机和活塞压缩机的组合，其中，低压段采用大压比离心压缩机，中压段采用小压比轴流压缩机，高压段采用等温或近等温活塞压缩机。
7.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩装置及膨胀装置的各压力段具有不同的压比和膨胀比，其中，低压段采用高压比及高膨胀比设计，中压段采用低压比及膨胀比低设计，高压段的压比和膨胀比根据实际储能压力需求进行选择和设计。
8.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，所述压力等级根据实际储能压力需求进行调整优化，当低压段和中压段能满足能量存储和释放需求时，通过取消高压段压缩和膨胀部分以简化系统结构，减少设备的复杂性和运行能耗。
9.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩装置和膨胀装置根据实际应用场景和储能压力需求设置为多于三段的多压力段结构，每段均采用与其压比及膨胀比相匹配的压缩机和膨胀机，并在不同温度等级耦合配备不同类型的蓄热装置。
10.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，所述储气装置根据实际应用场景选择定容储气室或定压储气室，定容储气室采用高压储气罐或地下岩洞以适用于空间受限的场合，定压储气室采用水下气囊或盐穴储气以实现恒压供气。
...【技术特征摘要】
1.一种多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，包括压缩装置、膨胀装置、蓄热装置及储气装置，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，在所述低压段使用的高温蓄热装置为体积小耐高温的填充床固体蓄热装置或熔盐蓄热装置，填充床固体蓄热装置选用耐高温并兼具高比热容和高热传导性的陶瓷颗粒类或金属颗粒类高温蓄热材料，熔盐蓄热装置利用熔盐的高热容和高导热性进行热能存储。
3.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，在所述中压段使用的中温蓄热装置为双罐液体蓄热器，至少包括一高温蓄热流体储罐、一低温蓄热流体储罐、一第一换热器以及一第二换热器，蓄热流体为导热油或熔融盐，其中：所述第一换热器的热侧设置在中压绝热压缩机的排气管线上，所述低温蓄热流体储罐的冷侧设置在中压绝热膨胀机的进气管线上，在储能过程中所述低温蓄热流体储罐的出口穿过第一换热器的冷侧与高温蓄热流体储罐的进口连通，在释能过程中所述高温蓄热流体储罐的出口穿过第二换热器的热侧与低温蓄热流体储罐的进口连通。
4.根据权利要求3所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，当系统储能压力相对较低时，在所述高压段设置与中压段类似的双罐液体蓄热器或采用相变材料蓄热装置。
5.根据权利要求1所述的多类型蓄热的高压压缩空气储能系统，其特征在于，在所述低压段和中压段的蓄热装置中分别对应引入高温工业余热和中温工业余热，工业余热引自各种工艺设备排出的高温烟气或设备冷却水，通过热交换器与蓄...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭欢，熊百川，徐玉杰，葛志伟，孙建亭，陈海生，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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