技术领域
[0001] 本
发明属
能量储存、节能技术领域。涉及一种热泵耦合系统，特别涉及一种绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统，可以实现
电能的高效存储和利用。相比传统的绝热压缩空气储能，本发明的绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统有两个储热子系统，提高了系统的储能效率和能量
密度、以及可以降低系统占地面积、减少废热
水的排放。
背景技术
[0002] 压缩空气储能能够实现大容量和长时间电能储存，绝热压缩空气储能是一种不依赖
燃料的先进储能系统。在运行过程中会产生大量压缩热，这部分压缩热不能够完全传递给释能过程的压缩空气，所以会导致储热系统中的储热介质
温度上升。这会对系统运行效率产生不利影响，解决方法通常是引入额外的冷却装置，但这会导致系统复杂程度的增加和
热能的浪费。另一方面，绝热压缩空气储能对储气装置也有严格的限制，当不能够使用天然洞穴储气时，储气罐的体积大小就成为限制绝热压缩空气储能系统发展的重要原因。气体的体积与温度为正相关关系，所以可以通过降低储气温度、增加储能密度来减少系统的初投资和回收周期。电热存储技术应用热泵原理将电能转化为高温热能和冷能，在释能过程中利用高低温温度差将热能转化为电能，其储能密度高，但是由于受到
热机效率的影响，导致储能效率较低。
发明内容
[0003] 针对现有压缩空气储能和电热存储技术所存在的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统，通过将绝热压缩空气系统中的热量通过电热存储技术储存、将电热存储技术的能量通过绝热压缩空气系统转化为电能，提高了系统的储能效率和
能量密度、以及可以降低系统占地面积、减少废热水的排放。
[0004] 本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：
[0005] 一种绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统，包括空气
压缩机组、储气罐和空气膨胀机组，所述空气压缩机组包括至少一级空气压缩机，所述空气膨胀机组包括至少一级空气膨胀机，其特征在于：
[0006] 所述系统还包括一低温储热装置和一高温储热装置，所述低温储热装置和高温储热装置中均设置有储热体以及设置在所述储热体中的取热换热部件和放热换热部件，[0007] 所述空气压缩机组的进气口与大气连通，所述空气压缩机组的排气口依次经一第一高温换热器的热侧和一第一低温换热器的热侧后与所述储气罐的进气口连通，[0008] 所述第一高温换热器的冷侧通过管路与所述低温储热装置中的取热换热部件构成循环回路，
[0009] 所述第一低温换热器的冷侧出口经一热泵压缩机与所述高温储热装置中的取热换热部件的进口连通，所述高温储热装置中的取热换热部件的出口经一热泵膨胀机与所述第一低温换热器的冷侧进口连通，所述第一低温换热器的冷侧、热泵压缩机、高温储热装置的取热换热部件和热泵膨胀机构成一高温热泵单元；
[0010] 所述储气罐的出气口依次经一第二低温换热器的冷侧和一第二高温换热器的冷侧后与所述空气膨胀机组的进气口连通，所述空气膨胀机组的排气口与大气连通，[0011] 所述第二低温换热器的热侧通过管路与所述低温储热装置中的放热换热部件构成循环回路，
[0012] 所述第二高温换热器的热侧通过管路与所述高温储热装置中的放热换热部件构成循环回路。
[0013] 本发明的绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统，其工作原理为：
[0014] 在电
力波谷期，系统运行于蓄能压缩阶段，用来将电能转化为机械能和热能储存起来。首先，电能通过所述空气压缩机组，将环境中的空气压缩为高温高压状态的空气；高温高压状态的空气再流经第一高温换热器的热侧，将一部分热量传给低温储热装置，空气温度下降；空气再流经第一低温换热器的热侧，温度降低到室温以下；从第一低温换热器出来的低温高压空气进入储气罐中储存起来；并且，在蓄能压缩阶段时，高温热泵单元中的热泵压缩机、热泵膨胀机处在运行状态，所述高温热泵单元利用其工作介质，可以产生高于空气压缩机组出口温度的热能和低于
环境温度的冷能，其中的热能储存在高温储热子系统中，其中的冷能通过经由第一低温换热器传给其热侧的空气，将压缩空气转变为低温高压空气存储在所述储气罐中。
[0015] 在电力波峰期，系统运行于释能膨胀阶段，此时，储气罐中的低温高压的空气首先经过第二低温换热器，从低温储热装置中吸收热能、恒压升温，同时低温储热装置的能量减少，在释能阶段结束时其温度等于蓄能阶段之前时的温度；空气再进入第二高温换热器，从高温储热装置中吸收热能、恒压升温，同时高温储热装置的能量减少，在释能阶段结束时其温度等于蓄能阶段之前时的温度；经两次加热后的空气进入空气膨胀机组，对外做功、发电。
[0016] 优选地，所述空气压缩机组、热泵压缩机均由电能驱动。
[0017] 优选地，所述储气罐的进气管路和出气管路上均设置有控制
阀门。
[0018] 优选地，所述高温储热装置在蓄热过程之后的储热介质温度要高于同一时刻所述低温储热装置的储热介质温度。
[0019] 优选地，所述高温热泵单元中的循环工质为CFI/Rfa混合物。
[0020] 优选地，所述热泵压缩机采取高压比、多级压缩机；所述热泵膨胀机采取高压比、多级膨胀机。
[0021] 优选地，所述第一低温换热器构成所述高温热泵单元的低温侧，所述高温储热装置中的取热换热部件构成所述高温热泵单元的高温侧，所述高温热泵单元的高温侧温度在100℃以上，低温侧温度在环境温度以下。
[0022] 优选地，所述储气罐的储气温度低于环境温度。
[0023] 优选地，所述系统包括蓄能压缩阶段和释能膨胀阶段。
[0024] 进一步地，所述系统运行于蓄能压缩阶段时，所述空气压缩机组、热泵压缩机、热泵膨胀机均处于运行状态，所述储气罐进气管路上的
控制阀门打开，出气管路上控制阀门关闭，所述空气膨胀机组不工作。
[0025] 进一步地，在电力波谷期，所述系统运行于蓄能压缩阶段，此时，所述所述空气压缩机组利用电能将常温常压的空气压缩成高温高压的超
临界状态；所述第一高温换热器利用温差将压缩机组排出的高温空气中的热量传导到低温储热装置中；所述高温热泵单元通过高温差热泵循环，将进入所述第一低温换热器中的压缩空气的温度进一步降到环境温度以下，并将低温压缩空气储存在储气罐中，同时将热泵产生的高温热能储存在所述高温储热装置中。
[0026] 进一步地，所述系统运行于释能膨胀阶段时，所述储气罐出气管路上控制阀门打开，进气管路上的控制阀门关闭，所述空气压缩机组不工作。
[0027] 进一步地，在电力波峰期，系统运行于释能膨胀阶段，此时，超临界压缩空气从所述储气罐流出，利用所述第二低温换热器从所述低温储热装置中取热，对所述超临界压缩空气进行加热；空气流经第二高温换热器时进一步从所述高温储热装置取热，温度进一步升高；两次升温后的压缩空气流经所述空气膨胀机组，对外做功，输出电能。
[0028] 进一步地，所述空气膨胀机组的出口空气温度不低于环境温度。
[0029] 进一步地，所述低温储热装置在经过蓄能、释能的循环过程之后，其储热介质的温度不高于系统运行前储热介质的温度。
[0030] 同
现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：①储气温度低于大气温度，所以与传统的压缩空气储能相比，储气罐的体积更小，能量密度提高，单位kWh投资减少；②更低的空气温度在释能过程中可以吸收由于换热器不可逆损失造成的低品位的热源，提高系统热效率；③运用热泵将低品位的热能转换为高品位的热能，从而提高膨胀机入口温度，膨胀机做功增多；④将膨胀机排气温度由低于环境温度提升至高于环境温度，利用了这部分冷量火用。②③④三点的综合收益大于热泵消耗的电能，所以系统总效率增加；⑤由于利用了因换热器不可逆损失造成的低品位的热源，可以节省一个冷却
水循环，节约了投资；⑥采用了适合膨胀机进口温度的热泵，选取了适合于此温差下的CF3I/R245fa混合物作为循环工质，提高热泵系数。
附图说明
[0031] 图1为本发明的绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统示意图；
[0032] 图2为本发明的绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统温度效果示意图。
具体实施方式
[0033] 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。
[0034] 如图1所示，本发明的绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统系统，由空气压缩机组1、低温储热装置2、高温储热装置3、第一高温换热器4、第一低温换热器5、第二低温换热器
6、第二高温换热器7、热泵压缩机8、热泵膨胀机9、储气罐10、空气膨胀机组11等部件组成。
[0035] 低温储热装置2和高温储热装置3中均设置有储热体以及设置在储热体中的取热换热部件和放热换热部件。空气压缩机组1的进气口与大气连通，空气压缩机组1的排气口依次经一第一高温换热器4的热侧和一第一低温换热器5的热侧后与储气罐10的进气口连通；第一高温换热器4的冷侧通过管路与低温储热装置2中的取热换热部件构成循环回路；第一低温换热器5的冷侧出口经一热泵压缩机8与高温储热装置3中的取热换热部件的进口连通，高温储热装置3中的取热换热部件的出口经一热泵膨胀机9与第一低温换热器5的冷侧进口连通，第一低温换热器5的冷侧、热泵压缩机8、高温储热装置3的取热换热部件和热泵膨胀机9构成一高温热泵单元；储气罐10的出气口依次经一第二低温换热器6的冷侧和一第二高温换热器7的冷侧后与空气膨胀机组11的进气口连通，空气膨胀机组11的排气口与大气连通；第二低温换热器6的热侧通过管路与低温储热装置2中的放热换热部件构成循环回路；第二高温换热器7的热侧通过管路与高温储热装置3中的放热换热部件构成循环回路。
[0036] 本发明的绝热压缩空气-高温差热泵耦合系统系统中，空气压缩机组1、热泵压缩机8均由电能驱动；储气罐10的进、出气管路上均设置有控制阀门。高温储热装置在蓄热过程之后的储热介质温度要高于同一时刻低温储热装置的储热介质温度。高温热泵单元中的循环工质为CF3I/R245fa混合物。热泵压缩机8采取高压比、多级压缩机；热泵膨胀机9采取高压比、多级膨胀机。第一低温换热器5构成高温热泵单元的低温侧，高温储热装置3中的取热换热部件构成高温热泵单元的高温侧，高温热泵单元的高温侧温度在100℃以上，低温侧温度在环境温度以下。储气罐10的储气温度低于环境温度。
[0037] 本发明的工作原理为：在电力波谷期，系统运行于蓄能压缩阶段，用来将电能转化为机械能和热能储存起来。空气压缩机组1、热泵压缩机8、热泵膨胀机9均处于运行状态，储气罐10进气管路上的控制阀门打开，出气管路上控制阀门关闭，空气膨胀机组不工作。首先，电能通过压缩机1，将环境中的空气压缩为高温高压状态的空气；高温高压状态的空气再流经换热器4，换热器1将一部分热量传给低温储热装置，空气温度下降；空气再流经换热器5，温度降低到室温以下；从换热器5出来的低温高压空气进入储气罐10中储存起来；在蓄能压缩阶段时，热泵系统处在运行状态，热泵采用CF3I/R245fa混合物作为循环工质，可以产生高于压缩机出口温度的热能和低于环境温度的冷能，其中的热能储存在高温储热装置中，其中的冷能通过经由换热器5传给空气。
[0038] 在电力波峰期，系统运行于释能膨胀阶段，此时，储气罐10出气管路上控制阀门打开，进气管路上的控制阀门关闭，空气压缩机组1不工作。低温高压的空气首先经过换热器6，从低温储热装置中吸收热能、恒压升温，同时低温储热装置的能量减少，在释能阶段结束时其温度等于蓄能阶段之前时的温度；空气再进入高温储热装置3，从高温储热装置中吸收热能、恒压升温，同时高温储热装置的能量减少，在释能阶段结束时其温度等于蓄能阶段之前时的温度；经两次加热后的空气进入空气膨胀机11，对外做功、发电。
[0039] 图2通过系统中空气和储热介质的温度变化描述了系统的运行过程和特点。在蓄能压缩阶段，压缩空气经过了两次温降：a到b和b到i(如图2)；释能膨胀阶段，压缩空气经过了两次温升：k到h和h到l(如图2)。其中k到g这部分热量是传统的绝热压缩空气储能系统所要浪费掉的废热。本发明多回收这部分能量，达到比传统系统更高的储能往返效率。
[0040] 以上所述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。
