技术领域
[0001] 本
发明涉及储能技术领域，具体涉及一种新型高密度空气储能发电系统。
背景技术
[0002] 全球面临着
能源和环境的双重压
力，为了协调社会的发展与自然环境保护的关系，大力发展
可再生能源、增加可再生能源在能源格局中的占比已经成为各界人士的共识。其中，压缩空气储能具有储能容量大、存储时间长、寿命长且无污染等优点，被广泛应用于
削峰填谷、平抑可再生能源间歇性和参与
电网二次调频等场合。
[0003] 压缩空气储能具备两大优势：第一、压缩空气储能装机容量高达100-300MW，规模仅次于抽
水蓄能，便于开展大规模的商业化应用；第二、压缩空气储能不仅技术成熟、发展前景广阔、响应时间短，而且几乎对地理条件无特殊要求，建设周期较短，一般仅需3～5年时间，而建设一座同样规格的
抽水蓄能电站则需要5～8年。另外，压缩空气储能电站的使用寿命与抽水蓄能电厂的寿命相当，如果在使用的过程中注意维护，压缩空气储能电站的使用寿命也可达四五十年。
[0004] 目前，压缩空气储能电站通常采用空气作为储能介质，不仅会导致压缩空气储能系统的
能量密度较低，而且还会增加储气室投资成本。虽然将空气
液化之后再进行存储的技术路径可有效提升储能密度，但由于现有的压缩空气储能系统的冷能、
热能匹配度较差，从而整个系统的能效很低。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种高效、低成本的新型高密度空气储能发电系统。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种新型高密度空气储能发电系统，该系统包括压缩单元、液化单元、ORC单元和发电单元；
[0007] 所述压缩单元包括多级
压缩机和多级冷却器，相邻的各级压缩机通过级间冷却器连通，末级压缩机通过末级冷却器与所述液化单元连通；
[0008] 所述液化单元用于将所述末级冷却器的排气液化后进行存储以及将存储的液化空气
气化为低温空气后输送至所述ORC单元，所述液化单元的出口与所述ORC单元连通；
[0009] 所述ORC单元用于利用所述液化单元提供的低温空气冷却有机工质、并将升温后的所述低温空气输出至所述发电单元；
[0010] 所述发电单元包括多级透平膨胀机和多级换热器，所述ORC单元的出口通过初级换热器与初级透平膨胀机的进口连通，相邻的各级透平膨胀机通过级间换热器连通。
[0011] 其中，所述液化单元包括常温冷却器、低温冷却器、气液分离器和储液室，所述常温冷却器和所述低温冷却器均具有第一通道和第二通道；所述常温冷却器的第一通道的进口与所述末级冷却器连通、出口依次通过所述低温冷却器的第一通道和节流
阀与所述气液分离器的进液口连通；所述气液分离器的出液口通过所述储液室与所述ORC单元连通，所述气液分离器的出气口通过所述低温冷却器的第二通道与所述常温冷却器的第一通道连通。
[0012] 其中，所述液化单元还包括
蒸发器、低温
蓄热器和低温蓄冷器，所述低温冷却器还具有第三通道；所述低温冷却器的第三通道、所述低温蓄热器、所述
蒸发器的高温侧和所述低温蓄冷器首尾依次连接；所述储液室通过所述蒸发器的低温侧与所述ORC单元连通。
[0013] 其中，所述常温冷却器还具有第三通道，所述常温冷却器的第三通道与外部冷源连通。
[0014] 其中，所述发电单元还包括预热器，所述预热器低温侧的进口与所述ORC单元连通、出口与所述初级换热器连通；所述预热器高温侧进口与末级透平膨胀机的出口连通,所述预热器高温侧出口与大气连通。
[0015] 其中，所述ORC单元包括三通道
冷凝器、高温ORC透平机、低温ORC透平机、高温ORC蒸发器和低温ORC蒸发器；所述液化单元通过所述三通道冷凝器的第一通道与所述初级换热器连通；所述三通道冷凝器的第二通道、所述低温ORC蒸发器的低温侧和所述低温ORC透平机首尾依次连接；所述三通道冷凝器的第三通道、所述高温ORC蒸发器的低温侧和所述高温ORC透平机首尾依次连接。
[0016] 其中，所述级间冷却器包括低压高温冷却器和低压中温冷却器，所述末级冷却器包括高压高温冷却器和高压中温冷却器；相邻的各级压缩机中前级压缩机的出口依次通过所述低压高温冷却器和所述低压中温冷却器的高温侧与后级压缩机的进口连通，所述末级压缩机的出口依次通过所述高压高温冷却器和所述高压中温冷却器的高温侧与所述液化单元连通。
[0017] 其中，所述低压高温冷却器和所述高压高温冷却器的低温侧出口均通过高温蓄热器与所述初级换热器和所述级间换热器的高温侧进口连通，所述初级换热器和所述级间换热器的高温侧出口均通过高温蓄冷器与述低压高温冷却器和所述高压高温冷却器的低温侧进口连通。
[0018] 其中，所述ORC单元还包括低温ORC再热器和低温ORC冷凝器，所述低温ORC蒸发器的低温侧依次通过所述低温ORC再热器的低温侧和所述低温ORC透平机与所述低温ORC冷凝器高温侧连通；所述液化单元通过所述低温ORC冷凝器低温侧与所述三通道冷凝器的第一通道连通，所述低温ORC再热器高温侧进、出口分别与所述高温蓄热器和所述高温蓄冷器连通。
[0019] 其中，所述低压中温冷却器和所述高压中温冷却器的低温侧出口均通过中温蓄热器与所述低温ORC蒸发器和所述高温ORC蒸发器的低温侧进口连通，所述低温ORC蒸发器和所述高温ORC蒸发器的低温侧出口均通过中温蓄冷器与所述低压中温冷却器和所述高压中温冷却器的低温侧进口连通。
[0020] 其中，所述ORC单元还包括高温ORC再热器，所述高温ORC蒸发器的低温侧通过所述高温ORC再热器的低温侧与所述高温ORC透平机连通，所述高温ORC再热器的高温侧与外部热源连通。
[0021] 本发明结构简单、安装便捷，通过利用液化单元将压缩单元排气液化，就能以液化空气作为储能介质来大幅提高该系统的储能密度。与此同时，该系统通过利用液化空气冷却ORC单元内的有机工质，不仅能使液化空气的冷能得到充分利用，而且还能提高整个系统的能效。
附图说明
[0022] 图1是本发明
实施例中的一种新型高密度空气储能发电系统的结构示意图；
[0023] 图2是本发明实施例中压缩单元的结构示意图；
[0024] 图3是本发明实施例中液化单元的结构示意图；
[0025] 图4是本发明实施例中ORC单元的结构示意图；
[0026] 图5是本发明实施例中发电单元的结构示意图。
[0027] 附图标记：
[0028] 1、低压压缩机；2、
高压压缩机；3、常温冷却器；
[0029] 4、低温冷却器；5、
节流阀；6、气液分离器；7、储液室；
[0030] 8、高压透平膨胀机；9、低压透平膨胀机；
[0031] 10、低压高温冷却器；11、高压高温冷却器；12、高温蓄冷器；
[0032] 13、高温蓄热器；14、初级换热器；15、级间换热器；
[0033] 16、低压中温冷却器；17、高压中温冷却器；18、中温蓄冷器；
[0034] 19、中温蓄热器；20、液化
天然气源；21、蒸发器；
[0035] 22、低温蓄热器；23、低温蓄冷器；24、预热器；
[0036] 25、低温ORC冷凝器；26、三通道冷凝器；
[0037] 27、低温ORC蒸发器；28、低温ORC再热器；
[0038] 29、低温ORC透平膨胀机；30、高温ORC蒸发器；
[0039] 31、高温ORC蒸发器；32、高温ORC透平膨胀机；
[0040] A、外界空气；B、压缩单元排气；C、低温空气；
[0041] D、ORC单元的排气；E、天然气。
具体实施方式
[0042] 为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
[0043] 在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0044] 需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
[0045] 如图1所示，本发明提供了一种新型高密度空气储能发电系统，该系统包括该系统包括压缩单元、液化单元、ORC单元和发电单元；
[0046] 压缩单元包括多级压缩机和多级冷却器，相邻的各级压缩机通过级间冷却器连通，末级压缩机通过末级冷却器与液化单元连通；
[0047] 液化单元用于将末级冷却器的排气液化后进行存储以及将存储的液化空气气化为低温空气后输送至ORC单元，液化单元的出口与ORC单元连通；
[0048] ORC单元用于利用液化单元提供的低温空气冷却有机工质、并将升温后的低温空气输出至发电单元；
[0049] 发电单元包括多级透平膨胀机和多级换热器，ORC单元的出口通过初级换热器14与初级透平膨胀机的进口连通，相邻的各级透平膨胀机通过级间换热器15连通。
[0050] 下面以两级压缩机和两级透平膨胀机为例，对该系统的使用方法进行说明：
[0051] 如图2所示，储能时：首先，启动低压压缩机1和高压压缩机2。外界空气A经过低压压缩机1压缩后进入级间冷却器冷却，冷却降温后的压缩空气则进入高压压缩机2继续压缩，高压压缩机2的排气经过末级冷却器降温后便进入液化单元进行液化。液化产生的液化空气存储在液化单元中、以备发电阶段使用。
[0052] 如图5所示，发电时：存储在液化单元中的液化空气气化为低温空气C后被输送至ORC(Organic Rankine Cycle，全称有机
朗肯循环)单元，ORC单元利用低温空气C冷却其内有机工质，升温后的低温空气经初级换热器14加热后再进入高压透平膨胀机8膨胀做功，高压透平膨胀机8的排气则进入级间换热器15进行加热，升温后的压缩空气便流入低压透平膨胀机9中膨胀做功。
[0053] 可见，该系统结构简单、成本低，通过利用液化单元将压缩单元排气B液化，就能以液化空气作为储能介质来大幅提高该系统的储能密度。与此同时，该系统通过利用液化单元排出的低温空气冷却ORC单元内的有机工质，不仅能使液化空气的冷能得到充分利用，而且还能提高整个系统的能效。
[0054] 优选地，级间冷却器包括低压高温冷却器10和低压中温冷却器16，末级冷却器包括高压高温冷却器11和高压中温冷却器17；相邻的各级压缩机中前级压缩机的出口依次通过低压高温冷却器10和低压中温冷却器16的高温侧与后级压缩机的进口连通，末级压缩机的出口依次通过高压高温冷却器11和高压中温冷却器17的高温侧与液化单元连通。其中，低压高温冷却器10和高压高温冷却器11的低温侧出口均通过高温蓄热器13与初级换热器14和级间换热器15的高温侧进口连通，初级换热器14和级间换热器15的高温侧出口均通过高温蓄冷器12与低压高温冷却器10和高压高温冷却器11的低温侧进口连通。进一步地，发电单元还包括预热器24，预热器24低温侧的进口与ORC单元连通、出口与初级换热器14连通；预热器24高温侧进口与末级透平膨胀机的出口连通，预热器24高温侧出口与大气连通。
[0055] 储能时，低压压缩机1的排气经过低压高温冷却器10和低压中温冷却器16双级冷却后再进入高压压缩机2，而高压压缩机2的排气经过高压高温冷却器11和高压中温冷却器17双级冷却后才进入液化单元。与此同时，高温蓄冷器12中的蓄热工质被分别输送至低压高温冷却器10和低压中温冷却器16的低温侧、以与流经低压高温冷却器10和低压中温冷却器16高温侧的压缩空气进行换热，蓄热工质吸热升温后直接流入高温蓄热器13以备发电阶段使用。
[0056] 发电时，ORC单元的排气D经预热器24和初级换热器14进行两级加热后进入高压透平膨胀机8中膨胀做功，高压透平膨胀机8的排气再经级间换热器15加热后进入低压透平膨胀机9中膨胀做功。低压透平膨胀机9做功产生的乏气则重新进入预热器24、以预热ORC的排出的低温空气，乏气放热降温后则直接排入大气中。在此过程中，高温蓄热器13中存储的高温蓄热工质被分别输送至初级换热器14和级间换热器15中、以给流经初级换热器14和级间换热器15的压缩空气提供热能，放热降温后的蓄热工质则直接流入高温蓄冷器12以备储能阶段使用。
[0057] 优选地，如图3所示，液化单元包括常温冷却器3、低温冷却器4、气液分离器6和储液室7，常温冷却器3和低温冷却器4均具有第一通道和第二通道；常温冷却器3的第一通道的进口与末级冷却器连通、出口依次通过低温冷却器4的第一通道和节流阀5与气液分离器6的进液口连通；气液分离器6的出液口通过储液室7与ORC单元连通，气液分离器6的出气口通过低温冷却器4的第二通道与常温冷却器3的第一通道连通。进一步地，液化单元还包括蒸发器21、低温蓄热器22和低温蓄冷器23，低温冷却器4还具有第三通道；低温冷却器4的第三通道、低温蓄热器22、蒸发器21的高温侧和低温蓄冷器23首尾依次连接；储液室7通过蒸发器21的低温侧与ORC单元连通。
[0058] 由此，液化单元在储能时：末级冷却器的排气经常温冷却器3和低温冷却器4双级冷却后流入节流阀5，在节流效应下压缩空气转变为气液混合物。气液混合物经气液分离器6后，液态空气直接流入储液室7内，气态空气则通过气液分离器6的出气口流入低温冷却器
4和常温冷却器3的第二通道、以与流经低温冷却器4和常温冷却器3第一通道的压缩空气进行换热。与此同时，低温蓄冷器23中的蓄冷工质被输送至低温冷却器4的第三通道、以给流经低温冷却器4第一通道的压缩空气提供冷能，升温后的蓄热工质则流入低温蓄热器22以备发电阶段使用。
[0059] 需要说明的是，常温冷却器3上还可设置用于与外部冷源连通的第三通道，其中，外部冷源可为
液化天然气运输
站点，由此当该系统临近液化天然气源20等液化天然气运输站点时，就可利用高压压缩机2的排气使液化天然气气化，与此同时，液化天然气气化时产生的冷能也可作为液化压缩单元排气B所需的部分冷能。
[0060] 液化单元在发电时：储液室7中存储的液态空气气化后被输送至蒸发器21的低温侧，与此同时，存储在低温蓄热器22中蓄冷工质被输送至蒸发器21的高温侧，液态空气吸热升温后流入ORC单元，而蓄热工质放热降温后则直接流入低温蓄冷器23以备储能阶段使用。
[0061] 优选地，如图4所示，ORC单元包括三通道冷凝器26、高温ORC透平膨胀机32、低温ORC透平膨胀机29、高温ORC蒸发器30和低温ORC蒸发器27；液化单元通过三通道冷凝器26的第一通道与初级换热器14连通；三通道冷凝器26的第二通道、低温ORC蒸发器27的低温侧和低温ORC透平膨胀机29首尾依次连接，以形成低温
有机朗肯循环；三通道冷凝器26的第三通道、高温ORC蒸发器30的低温侧和高温ORC透平膨胀机32首尾依次连接，以形成高温有机朗肯循环。进一步，ORC单元还包括低温ORC再热器28和低温ORC冷凝器25，低温ORC蒸发器27的低温侧依次通过低温ORC再热器28的低温侧和低温ORC透平膨胀机29与低温ORC冷凝器25高温侧连通；液化单元通过低温ORC冷凝器25低温侧与三通道冷凝器26的第一通道连通，低温ORC再热器28高温侧进、出口分别与高温蓄热器13和高温蓄冷器12连通。其中，低压中温冷却器16和高压中温冷却器17的低温侧出口均通过中温蓄热器19与低温ORC蒸发器27和高温ORC蒸发器30的低温侧进口连通，低温ORC蒸发器27和高温ORC蒸发器30的低温侧出口均通过中温蓄冷器18与低压中温冷却器16和高压中温冷却器17的低温侧进口连通。
[0062] 发电时，液化单元排气C经低温ORC冷凝器25和三通道冷凝器26双级加热进入发电单元。
[0063] 对于低温有机朗肯循环：气态低温有机工质进入低温ORC冷凝器25高温侧与流经其低温侧的低温空气进行换热，放热降温后的气态低温有机工质转变成液态低温有机工质，液态低温有机工质再经三通道冷凝器26的第二通道、低温ORC蒸发器27和低温ORC蒸发器27后转变为饱和低温有机工质。饱和低温有机工质进入低温ORC透平膨胀机29中膨胀做功，低温ORC透平膨胀机29的排气则重新流入低温ORC冷凝器25的高温侧。
[0064] 对于高温有机朗肯循环：液态高温有机工质经三通道冷凝器26和高温ORC蒸发器30后转变饱和高温有机工质，饱和高温有机工质进入高温ORC透平膨胀机32中膨胀做功，高温ORC透平膨胀机32的排气则重新流入三通道冷凝器26的第三通道与流经其第一通道的低温空气进行换热。
[0065] 与此同时，中温蓄热器19中存储的蓄热工质可分别流入低温ORC蒸发器27和高温ORC蒸发器30的高温侧、以给流经其低温侧的机工质提供热能，放热降温后的蓄热工质则流入中温蓄冷器18以备储能阶段使用。同时，高温蓄热器13中存储的则蓄热工质则流入低温ORC再热器28的高温侧、以给流经其低温侧的有机工质提供热能，放热降温后的蓄热工质则流入高温蓄冷器12以备储能阶段使用。另外，高温蓄热器13中存储的蓄热工质还可流入初级换热器14和级间换热器15的高温侧为流经其低温侧的压缩空气提供热能，放热降温后的蓄热工质则流入高温蓄冷器12以备储能阶段使用。
[0066] 需要说明的是，ORC单元还包括高温ORC再热器31，高温ORC蒸发器30的低温侧通过高温ORC再热器31的低温侧与高温ORC透平膨胀机32连通，高温ORC再热器31的高温侧与外部热源连通。其中，外部热源可为光热集热系统。由此，当该系统临近光热集热系统时，就可利用该光热集热系统的
太阳能加热流经高温ORC再热器31低温侧的有机工质。
[0067] 由上可知，低温有机朗肯循环和高温有机朗肯循环通过利用低温空气释放的冷能冷凝有机工质，同时利用高温蓄热器13和中温蓄热器19中存储的蓄热工质加热有机工质，大幅提高了该系统的综合能源利用效率。
[0068] 可见，该系统通过利用液化单元将压缩单元排气B液化，就能以液化空气作为储能介质来大幅提高该系统的储能密度。与此同时，该系统利用压缩单元储存的不同品位热能和液化单元排出的低温空气分别加热和冷却ORC单元内的有机工质，不仅能使低品位压缩热能和液化空气的冷能得到充分利用，而且还能提高整个系统的能效。
[0069] 需要说明的是，为了维持该系统中各部分
流体的平稳持续流动，如图1至图5所示，该系统中还设有多个
增压泵和/或
循环泵(图中未标出)。基于公知常识，本实施例对
增压泵和/或循环泵的设置位置和使用方法不再赘述。
[0070] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。
