高效利用低品位热能的压缩空气储能系统及控制方法

权利要求书： 1.一种高效利用低品位热能的压缩空气储能系统，包括一压缩空气储能单元，所述压缩空气储能单元包括一储能压缩机组、一储能膨胀机组、一高压储气室、一电动机和一发电机，其中，所述储能压缩机组的低压进气管线与大气连通，所述储能压缩机组的高压排气管线与所述高压储气室的进气口连通，所述储能膨胀机组的高压进气管线与所述高压储气室的排气口连通，所述电动机与所述储能压缩机组的动力输入端传动连接，所述储能膨胀机组的动力输出端与所述发电机传动连接，其特征在于，所述系统还包括一低品位热能输入单元和一高温热能利用单元，其中，所述低品位热能输入单元，包括一低温蓄热装置和一第一换热器，其中，所述低温蓄热装置中设置有蓄热材料及用以引入低品位热能的结构，所述低温蓄热装置中还设置有换热盘管，所述第一换热器的热侧通过管路与低温蓄热装置中的换热盘管连通形成一低温热能循环回路，所述第一换热器的冷侧设置在所述储能压缩机组的低压进气管线上；

所述高温热能利用单元，包括一热机、一第二换热器、一高温蓄热装置和一热机侧压缩机组，其中，所述储能压缩机组的高压排气管线依次经所述第二换热器的热侧、所述高温蓄热装置的第一换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，所述第二换热器的冷侧设置在所述热机的气体工质进气管线上，所述热机的第一输出轴驱动连接所述热机侧压缩机组，所述热机的第二输出轴通过一离合器驱动连接所述储能压缩机组，所述热机侧压缩机组的进气口与大气连通、排气口通过管路经所述高温蓄热装置的第二换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，且所述高温蓄热装置的第二换热盘管与所述高压储气室的进气口之间的连通管路上至少设置一调压阀，所述高压储气室的排气口通过管路经所述高温蓄热装置的第三换热盘管与所述储能膨胀机组的高压进气管线连通，且在所述高压储气室的排气管路上至少设置一控制阀；

所述低温蓄热装置、高温蓄热装置中的蓄热材料为水、砂石或土壤。

2.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述热机为燃气轮机、活塞式内燃机、朗肯循环热机或斯特林机。

3.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述低品位热能来自太阳能低温蓄热、工业余热或跨季节蓄热。

4.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述储能压缩机组、热机侧压缩机组、膨胀机组为活塞式、离心式、轴流式或转子式中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述第一换热器、第二换热器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述电动机的电能来自风力发电、太阳能发电、电网中的一种或多种组合。

7.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述的储能压缩机组、膨胀机组为单级或多级。

8.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述高温蓄热装置、低温蓄热装置为双罐间接蓄热、填充床蓄热或熔融盐单罐蓄热。

9.根据权利要求1所述的压缩空气储能系统，其特征在于，所述系统包括储能工作模式和释能工作模式。

10.根据权利要求9所述的压缩空气储能系统，其特征在于，当所述系统处于储能工作模式时，启动所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，关闭所述高压储气室排气管路上的控制阀，所述低温蓄热装置中的低品位热能通过所述第一换热器传输至所述储能压缩机组的进口空气中，所述储能压缩机组排出的高温高压压缩空气在所述第二换热器中释放热量以加热进入所述热机的气体工质，之后进入所述高温蓄热装置进一步释放热量后以接近常温状态储存在所述高压储气室中；同时，所述热机驱动所述热机侧压缩机组所述热机侧压缩机组排出的高温高压压缩空气在进入高温蓄热装置释放热量后，经所述调压阀调压后储存在所述高压储气室中。

11.根据权利要求10所述的压缩空气储能系统，其特征在于，当所述电动机的输入功率不能满足需求时，关闭所述离合器，使所述热机为所述储能压缩机组提供部分功，以满足储能需求。

12.根据权利要求9所述的压缩空气储能系统，其特征在于，当所述系统处于释能模式时，打开所述高压储气室排气管路上的控制阀，关闭所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，所述高压储气室中的高压压缩空气进入所述高温蓄热装置吸热后通入所述膨胀机组中膨胀做功，带动所述发电机工作并对外输出电能。

13.一种权利要求1至12任一项所述的系统的控制方法，其特征在于，当需要储能时，启动所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，关闭所述高压储气室排气管路上的控制阀，所述低温蓄热装置中的低品位热能通过所述第一换热器传输至所述储能压缩机组的进口空气中，所述储能压缩机组排出的高温高压压缩空气在所述第二换热器中释放热量以加热进入所述热机的气体工质，之后进入所述高温蓄热装置进一步释放热量后以接近常温状态储存在所述高压储气室中；同时，所述热机驱动所述热机侧压缩机组所述热机侧压缩机组排出的高温高压压缩空气在进入高温蓄热装置释放热量后，经所述调压阀调压后储存在所述高压储气室中。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当所述电动机的输入功率不能满足需求时，关闭所述离合器，使所述热机为所述储能压缩机组提供部分功，以满足储能需求。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当需要释能时，打开所述高压储气室排气管路上的控制阀，关闭所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，所述高压储气室中的高压压缩空气进入所述高温蓄热装置吸热后通入所述膨胀机组中膨胀做功，带动所述发电机工作并对外输出电能。

说明书： 一种高效利用低品位热能的压缩空气储能系统及控制方法技术领域[0001] 本发明属于压缩空气储能等技术领域，涉及一种压缩空气储能系统，特别涉及一种高效利用低品位热能的压缩空气储能系统及其控制方法，可以实现低品位热能高效利

用，提高系统效率和运行工况范围。

背景技术[0002] 能源和环境问题的可持续发展是国民经济发展的基础，而解决电力行业中的能源环境问题是保证我国经济可持续发展的重要组成部分。电力储能是调整我国能源结构、大

规模发展可再生能源、提高能源安全的关键技术之一，大规模储能技术的研究具有重要理

论和实践价值。

[0003] 目前的储能系统有抽水蓄能、压缩空气储能、燃料电池等，抽水蓄能和压缩空气储能具有储能密度大、输出功率大等特点，已被大规模利用。但抽水蓄能电站必须建设大坝，

耗水量大，对生态也会造成一定得破坏。而压缩空气储能系统不耗水，对生态环境基本没有

影响，具有初始投资成本低、效率高、无毒、寿命长等优点，具有较大的发展前景。此外，目前

低品位热源如工业余热等的利用率低，可再生能源由于波动性和间歇性利用率低，压缩空

气储能系统工况运行范围有限。

发明内容[0004] 针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种高效利用低品位热能的压缩空气储能系统及其控制方法，通过在现有的压缩空气储能系统中增加低品位热源输入部

分和高温热能利用部分，利用低品位热源对进入储能压缩机组的入口空气进行加热，由此

也提高了储能压缩机组出口气体的压缩空气温度，并且利用储能压缩机组出口部分的热量

作为热机气体工质的热源，该热机可同时为储能压缩机和热机侧压缩机提供动力。采用该

耦合系统，将低品位热能转化为高品位热能，可以实现低品位热能的高效利用，该系统具有

节能、高效、可再生能源适用强等特点。

[0005] 本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：[0006] 一种高效利用低品位热能的压缩空气储能系统，包括一压缩空气储能单元，所述压缩空气储能单元包括一储能压缩机组、一储能膨胀机组、一高压储气室、一电动机和一发

电机，其中，所述储能压缩机组的低压进气管线与大气连通，所述储能压缩机组的高压排气

管线与所述高压储气室的进气口连通，所述储能膨胀机组的高压进气管线与所述高压储气

室的排气口连通，所述电动机组与所述储能压缩机组的动力输入端传动连接，所述储能膨

胀机组的动力输出端与所述发电机组传动连接，其特征在于，

[0007] 所述系统还包括一低品位热能输入单元和一高温热能利用单元，其中，[0008] 所述低品位热能输入单元，包括一低温蓄热装置和一第一换热器，其中，所述低温蓄热装置中设置有蓄热材料及用以引入低品位热能的结构，所述低温蓄热装置中还设置有

换热盘管，所述第一换热器的热侧通过管路与低温蓄热装置中的换热盘管连通形成一低温

热能循环回路，所述第一换热器的冷侧设置在所述储能压缩机组的低压进气管线上；

[0009] 所述高温热能利用单元，包括一热机、一第二换热器、一高温蓄热装置和一热机侧压缩机组，其中，所述储能压缩机组的高压排气管线依次经所述第二换热器的热侧、所述高

温蓄热装置的第一换热盘管后与所述高压储气室的进气口连通，所述第二换热器的冷侧设

置在所述热机的气体工质进气管线上，所述热机的第一输出轴驱动连接所述热机侧压缩机

组，所述热机的第二输出轴通过一离合器驱动连接所述储能压缩机组，所述热机侧压缩机

组的进气口与大气连通、排气口通过管路经所述高温蓄热装置的第二换热盘管后与所述高

压储气室的进气口连通，且所述高温蓄热装置的第二换热盘管与所述高压储气室的进气口

之间的连通管路上至少设置一调压阀，所述高压储气室的排气口通过管路经所述高温蓄热

装置的第三换热盘管与所述储能膨胀机组的高压进气管线连通，且在所述高压储气室的排

气管路上至少设置一控制阀。

[0010] 本发明的上述系统中，所述储能压缩机组前方设置第一换热器，所述第一换热器与所述低温蓄热装置进行热量交换，所述低温蓄热装置引入并存储低品位热能，通过对进

入所述储能压缩机组的空气进行预热实现对低品位热源中热量的利用。由于利用低品位热

源对进入储能压缩机组的入口空气进行了加热，由此也提高了储能压缩机组出口气体的压

缩空气温度，实现了将低品位热能转化为高品位热能利用。

[0011] 本发明的上述系统中，所述热机的气体工质进气管线上设置第二换热器，通过与所述储能压缩机组排出的高温高压压缩空气进行换热，提高进入所述热机的气体工质的入

口温度，为所述热机提供热源，同时降低所述高压储气室存储空气的温度。

[0012] 本发明的上述系统中，所述热机驱动所述热机侧压缩机组，所述热机侧压缩机组将空气压缩至所述高温蓄热装置的临近温度和所述高压储气室的临近压力，高温高压空气

经所述高温蓄热装置蓄热后储存在高压储气室，实现更多空气的储存。

[0013] 本发明的上述系统中，所述热机的第二输出轴上设置有离合器，所述离合器连接所述储能压缩机组和热机，通过离合器的开启和关闭实现接入负荷的变化。

[0014] 本发明的上述系统中，所述高温蓄热装置的第二换热盘管与所述高压储气室的进气口之间的连通管路上设置有调压阀门，用于调节来自所述热机侧压缩机组的压缩空气的

压力。

[0015] 优选的，所述热机为燃气轮机、活塞式内燃机、朗肯循环热机或斯特林机。[0016] 优选的，所述低品位热能来自太阳能低温蓄热、工业余热或跨季节蓄热。[0017] 优选的，所述低温蓄热装置、高温蓄热装置中的蓄热材料为水、砂石或土壤。[0018] 优选的，所述储能压缩机组、热机侧压缩机组、膨胀机组为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式中的一种或几种的组合。

[0019] 优选的，所述第一换热器、第二换热器为管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式中的一种或几种的组合。

[0020] 优选的，所述电动机的电能来自风力发电、太阳能发电、电网中的一种或多种组合。

[0021] 优选的，所述的储能压缩机组、膨胀机组为单级或多级。[0022] 优选的，所述高温蓄热装置、低温蓄热装置为双罐间接蓄热、填充床蓄热或熔融盐单罐蓄热。

[0023] 优选的，所述系统包括储能工作模式和释能工作模式。[0024] 进一步地，当所述系统处于储能工作模式时，启动所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，关闭所述高压储气室排气管路上的控制阀，所述低温蓄热装置中的低

品位热能通过所述第一换热器传输至所述储能压缩机组的进口空气中，所述储能压缩机组

排出的高温高压压缩空气在所述第二换热器中释放热量以加热进入所述热机的气体工质，

之后进入所述高温蓄热装置进一步释放热量后以接近常温状态储存在所述高压储气室中；

同时，所述热机驱动所述热机侧压缩机组所述热机侧压缩机组排出的高温高压压缩空气在

进入高温蓄热装置释放热量后，经所述调压阀调压后储存在所述高压储气室中。

[0025] 进一步地，当所述电动机的输入功率不能满足需求时，关闭所述离合器，使所述热机为所述储能压缩机组提供部分功，以满足储能需求。

[0026] 进一步地，当所述系统处于释能模式时，打开所述高压储气室排气管路上的控制阀，关闭所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，所述高压储气室中的高压压缩

空气进入所述高温蓄热装置吸热后通入所述膨胀机组中膨胀做功，带动所述发电机工作并

对外输出电能。

[0027] 根据本发明的另一方面，还提供了一种上述系统的控制方法，其特征在于，当需要储能时，启动所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，关闭所述高压储气室排气

管路上的控制阀，所述低温蓄热装置中的低品位热能通过所述第一换热器传输至所述储能

压缩机组的进口空气中，所述储能压缩机组排出的高温高压压缩空气在所述第二换热器中

释放热量以加热进入所述热机的气体工质，之后进入所述高温蓄热装置进一步释放热量后

以接近常温状态储存在所述高压储气室中；同时，所述热机驱动所述热机侧压缩机组所述

热机侧压缩机组排出的高温高压压缩空气在进入高温蓄热装置释放热量后，经所述调压阀

调压后储存在所述高压储气室中。

[0028] 进一步地，当所述电动机的输入功率不能满足需求时，关闭所述离合器，使所述热机为所述储能压缩机组提供部分功，以满足储能需求。

[0029] 进一步地，当需要释能时，打开所述高压储气室排气管路上的控制阀，关闭所述电动机、储能压缩机组、热机、热机侧压缩机组，所述高压储气室中的高压压缩空气进入所述

高温蓄热装置吸热后通入所述膨胀机组中膨胀做功，带动所述发电机工作并对外输出电

能。

[0030] 本发明的高效利用低品位热能的压缩空气储能系统，其工作原理为：[0031] 储能时，空气在第一换热器中吸收低品位热能后进入储能压缩机组，在多余电能的驱动下，空气压缩到高温高压状态，被压缩后的气体在第二换热器中被冷却，同时加热热

机的气体工质，冷却后的空气在高温蓄热装置中再次冷却，最终以常温高压形式存储于高

压存储室。同时，被加热的气体工质进入热机以热机效率，热机做的功驱动热机侧压缩机组

压缩空气，被压缩后的高温高压空气进入高温蓄热装置释放热量后进入高压储气室中储

存，当需要变动负荷时，通过关闭离合器，使热机为储能压缩机组提供部分功，减少外界负

荷。释能时，高压储气室中的气体经过高温蓄热装置被加热后，被输送至膨胀机组膨胀做

功。

[0032] 通过上述技术方案可以看出，本发明的有益效果在于：在压缩空气储能系统的基础上，将压缩空气储能、余热利用和热机相结合，利用低品位热能加入压缩机入口前的空

气，实现了低品位能量的利用，将压缩空气储能与热机相结合，提高了系统的能量利用效

率，拓宽系统工作范围。

附图说明[0033] 图1为本发明的高效利用低品位热能的压缩空气储能系统示意图。具体实施方式[0034] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

[0035] 如图1所示，本发明的高效利用低品位热能的压缩空气储能系统，包括一压缩空气储能单元，压缩空气储能单元包括一储能压缩机组C1、一储能膨胀机组12、一高压储气室

10、一电动机3和一发电机13，其中，储能压缩机组C1的低压进气管线与大气连通，储能压缩

机组C1的高压排气管线与高压储气室10的进气口连通，储能膨胀机组12的高压进气管线与

高压储气室10的排气口连通，电动机组3与储能压缩机组C1的动力输入端传动连接，储能膨

胀机组12的动力输出端与发电机组13传动连接。作为一种优选，电动机组3电能来自可再生

能源如风力发电和太阳能发电、电网等的一种或多种组合。储能压缩机组C1可为单级或多

级压缩机，储能膨胀机组12可为单级或多级膨胀机。储能压缩机组C1可为活塞式、离心式、

轴流式、螺杆式或转子式压缩机中的一种或几种的组合，储能膨胀机组12可为活塞式、轴流

式、离心式、螺杆式或混合式膨胀机中的一种。

[0036] 为实现低品位热能的高效利用，本发明的高效利用低品位热能的压缩空气储能系统中，还设置一低品位热能输入单元和一高温热能利用单元。

[0037] 参见图1，低品位热能输入单元包括一低温蓄热装置TS1和一第一换热器H1，低温蓄热装置TS1中设置诸如水、砂石、土壤等蓄热材料，采用双罐间接蓄热、填充床蓄热、熔融

盐单罐蓄热等类似结构形式，用以存储低品位热能，低品位热能来自于太阳能低温蓄热、工

业余热，跨季节蓄热等。低品位热能输入低温蓄热装置TS1的方式多种多样，例如可通过热

水盘管的方式通入低温蓄热装置TS1中，以热水作为低品位热能的载体，通过热水与低温蓄

热装置TS1中的蓄热材料进行热交换，将热量传递至蓄热材料中进行蓄热，或者通过其他直

接或间接的方式将低品位热能输入低温蓄热装置TS1，这些都属于现有技术的范畴，本发明

在此不作详细展开。低温蓄热装置TS1中还设置有换热盘管(图中未示出)，第一换热器H1的

热侧通过管路与低温蓄热装置TS1中的换热盘管形成低温热能循环回路，第一换热器H1的

冷侧设置在储能压缩机组C1的低压进气管线上，通过低温热能循环回路将低温蓄热装置

TS1中蓄积的低品位热能输送至第一换热器H1的热侧中，并对通过第一换热器H1的冷侧进

入储能压缩机组C1的空气进行加热，从而实现对低品位热能的利用。

[0038] 参见图1，高温热能利用单元包括一热机6、一第二换热器H2、一高温蓄热装置TS2和一热机侧压缩机组C2，其中，储能压缩机组C1的高压排气管线依次经第二换热器H2的热

侧、高温蓄热装置TS2的第一换热盘管后与高压储气室10的进气口连通，第二换热器H2的冷

侧设置在热机6的气体工质进气管线上，热机6的第一输出轴驱动连接热机侧压缩机组C2，

热机6的第二输出轴通过一离合器15驱动连接储能压缩机组C1，热机侧压缩机组C2的进气

口与大气连通、排气口通过管路经高温蓄热装置TS2的第二换热盘管后与高压储气室10的

进气口连通，且高温蓄热装置TS2的第二换热盘管与高压储气室10的进气口之间的连通管

路上至少设置一调压阀9，与高压储气室10的排气口通过管路经高温蓄热装置TS2的第三换

热盘管与储能膨胀机组12的高压进气管线连通，且在高压储气室10的排气管路上至少设置

一控制阀。与低温蓄热装置TS1类似，高温蓄热装置TS2也可选择诸如水、砂石、土壤等蓄热

材料，并采用双罐间接蓄热、填充床蓄热、熔融盐单罐蓄热等类似结构形式，用以存储高品

位的高温热能。热机6可为燃气轮机、活塞式内燃机、朗肯循环热机和斯特林机等，这些种类

的热机在进行工作时，都需要诸如空气之类的气体工质参与工作，提高气体工质的进气温

度可以提高热机整体的工作效率，为此，本发明中的热机6在进行工作时，由于其气体工质

进气管线上经过第二换热器H2的冷侧，而第二换热器H2的热侧通入的则是从储能压缩机组

C1排出的高温高压的压缩空气，因而热机6的气体工质在进入热机前通过在第二换热器H2

中与储能压缩机组C1排出的高温高压的压缩空气进行换热，可提高热机的气体工质的入口

温度，为热机提供热源，同时也降低了后续高压储气室10存储空气的温度。此外，热机6驱动

热机侧压缩机组C2，热机侧压缩机组C2将空气压缩至高温蓄热装置TS2的临近温度和高压

储气室10的临近压力，高温高压空气经高温蓄热装置TS2后储存在高压储气室10中，实现更

多压缩空气的储存。进一步地，热机6的第二输出轴通过离合器15驱动连接储能压缩机组

C1，通过离合器15的开启和关闭实现储能压缩机组C1接入负荷的变化。高温蓄热装置TS2的

第二换热盘管与高压储气室10的进气口之间的连通管路上至少设置的调压阀9，用于调节

来自热机侧压缩机组C2的压缩空气的压力。

[0039] 本发明的高效利用低品位热能的压缩空气储能系统，在工作过程中，包括储能工作模式和释能工作模式。当整个系统处于储能工作模式时，空气1在第一换热器H1吸收低品

位热能后进入压缩机组C1被压缩，被压缩后的高温高压气体在第二换热器H2中释放热量后

进入高温蓄热装置TS2，高温高压空气冷却后以接近常温状态储存在高压储气室10中；同

时，热机6的气体工质在第二换热器H2吸热后进入热机6参与做功，热机6做功驱动热机侧压

缩机组C2，空气7在热机侧压缩机组C2中被压缩，被压缩后的气体在进入高温蓄热装置TS2

释放热量后，经调压阀9调压后储存在高压储气室10中。当电动机3的输入功率(即外界负

荷)不大时，离合器15关闭，热机6为储能压缩机组C1提供部分功，以满足储能需求。

[0040] 当整个系统处于释能模式时，高压储气室10中的高压压缩空气进入高温蓄热装置TS2吸热后进入膨胀机组12膨胀做功，其排气14与大气连通。

[0041] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。