[0001] 本公开涉及空气压缩储能技术领域，尤其涉及一种压缩空气储能实验系统。

[0002] 压缩空气储能技术(compressed air energy storage)，简称CAES，是一种利用压缩空气来储能的技术。其工作原理是，在用电低谷时段，利用电能将空气压缩至高压并存于洞穴或压力容器中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰时段，将高压空气从储气室释放，进入燃烧室燃烧利用燃料燃烧加热升温后，驱动涡盘机发电。

[0003] 目前，压缩空气储能技术，是继抽水蓄能之后，第二大被认为适合GW级大规模电力储能的技术。当前，并没有一种小型化的可供实验使用的压缩空气储能实验系统，如何设计一种压缩空气储能实验系统，以供压缩储能技术的研究，成为了一个问题。

[0033] 以下通过特定的具体实例说明本公开实施例的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开实施例的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开实施例还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开实施例的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开实施例中的实施例，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，都属于本公开实施例保护的范围。

[0034] 如图1所示的实际运行压缩储能系统示意图，CAES系统主要包括电动机、压缩机、燃烧室、储气室、膨胀机和发电机等关键部件，分为储能与释能两个过程。储能过程，利用风电、光电等可再生能源电力驱动压缩机压缩空气，将高压空气存储于储气室中；释能过程，储气室中的高压空气驱动膨胀机做功进行发电。压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的多余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，也可以是报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井，当电力系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入轮气机作功发电。

[0035] 本公开实施例提供了一种压缩空气储能实验系统，如图2所示，包括：空气压缩机、储气罐、管道加热器、小型膨胀机、发电机、电子负载、控制系统；

[0036] 所述空气压缩机、储气罐、小型膨胀机顺次通过管道连接，所述小型膨胀机连接发电机，所述控制系统用于监测、控制所述空气压缩机、储气罐、小型膨胀机、发电机、管道加热器、电子负载；

[0037] 所述管道加热器设置在储气罐、小型膨胀机之间管道上，用于调节管道中空气温度；具体地，管道加热器设置在储气罐、小型膨胀机之间近小型膨胀机侧的管道上。

[0038] 其中，空气压缩机是压缩空气储能系统的核心部件，负责将空气从大气压缩到高压状态；储气罐是用于储存压缩空气的容器，可以平衡压缩机的输出和消耗需求之间的差异，并提供稳定的气体供应；管道用于将压缩机产生的压缩空气传输到储气罐中，并在需要时将储存的空气释放出来；膨胀机，用于释能过程中，储气室中的高压空气驱动膨胀机做功进行发电；控制系统用于监测和控制压缩空气储能系统的运行，包括实时监测压力、温度、流量等参数，并根据设定的条件和策略来控制压缩机、小型膨胀机、发电机、管道加热器等的操作。其中，电子负载是通过控制内部功率(MOSFET)或晶体管的导通量(量占空比大小)，依靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性阻性和容性，容性负载电流上升时间。

[0039] 本公开提供了一种压缩空气储能实验系统，包括：空气压缩机、储气罐、管道加热器、小型膨胀机、发电机、电子负载、控制系统；所述空气压缩机、储气罐、小型膨胀机顺次通过管道连接，所述小型膨胀机连接发电机，所述控制系统用于监测、控制所述空气压缩机、储气罐、小型膨胀机、发电机、管道加热器、电子负载；所述管道加热器设置在储气罐、小型膨胀机之间管道上，用于调节管道中空气温度。也即，通过控制系统提供电源模拟实际压缩空气储能系统储能阶段电力负荷低谷时的风能、太阳能供电，通过电子负载模拟实际电能消耗，并通过使用小型的膨胀机与压缩机模拟实际运行所需要的大型压缩机、膨胀机，从而提供了一种实验用空气压缩储能系统，解决了目前无相应的实验系统供空气压缩技术研究的问题；此外，该实验系统在储气罐、小型膨胀机之间管道上设置管道加热器，从而控制空气的温度，进而能够研究不同温度下压缩空气的能量转化效率，以更好进行空气储能技术的研究。

[0040] 本公开实施例了提供了一种可能的实现方式，具体地，如图3所示，所述管道加热器包括储热材料加热结构；所述储热材料加热结构包括储热材料加注口9与储热材料排放口10，所述储热材料加热结构包覆至少部分所述储气罐与所述小型膨胀机之间的管道。其中，所述管道加热器包覆的管道采用螺旋管道，从而可以增加储热材料与空气的接触面积，提升加热效果。

[0041] 具体地，储热材料加热结构储热材料可以是通过压缩空气产生的热量对储热材料进行加热，从而提升能量的利用效率；所述储热材料加热结构可以提供初步的温度控制，所述储热材料可以是水等具有一定储热功能的材料。

[0042] 具体地，所述管道加热器还可以包括电加热结构，电加热结构可以是通过电热丝进行加热；由于压缩空气释放过程中，空气流通相对较快，仅通过储热材料加热结构加热，可能达不到预定的温度，当管道的空气温度达不到预定监测温度时，可以通过所述电加热结构对管道的空气温度进行加热，以达到实验所需要的空气温度。当然，若仅通过储热材料加热结构或者电加热机构即能满足预定的实验要求温度，也可以单独使用相应加热结构。

[0043] 对于本公开实施例，解决了如何模拟不同的空气温度，以研究不同温度下压缩空气的能量转化效率问题。

[0044] 本公开了提供了一种可能的实现方式，所述小型膨胀机包括壳体23、吸气口18、缓冲腔21、静涡盘15、动涡盘14、排气口19、主轴24,、进气口20；

[0045] 所述动涡盘位于所述缓冲腔对侧；所述吸气口18位于缓冲腔21侧；所述主轴通过联轴器与发电机连接。

[0046] 具体地，如图4所示，提供了一种空气压缩机，具体为涡旋空气压缩机；其中，涡旋压缩机是一种容积式压缩的压缩机，压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组成；其工作原理是利用动、静涡旋盘的相对公转运动形成封闭容积的连续变化，实现压缩气体的目的。空气压缩机包括壳体23、压缩机吸气口11、缓冲腔13、静涡盘15、动涡盘14、压缩机排气口12、主轴24、单向阀16。其中，涡旋空气压缩机为现有技术，本申请不再具体阐述。

[0047] 目前，尚无小型的膨胀机，压缩空气的释放可以看做空气的压缩的逆过程，本申请对空气压缩机进行改造，得到可以用于实验使用的小型膨胀机(如图5所示)。本申请实施例的小型的膨胀机将空气压缩机的吸气口变为排气口、排气口作为吸气口，并扩大小型膨胀机吸气口的尺寸，从而能够增大进气量，提高发电功率；此外，将压缩机的皮带轮变更为联轴器，能进一步使得本申请压缩空气储能实验系统小型化，便于实验使用。

[0048] 本公开实施例，解决了小型膨胀机的实现问题，此外，通过联轴器将膨胀机与发电机连接，进一步使得本实验系统小型化。

[0049] 本公开了提供了一种可能的实现方式，如图1所示，还包括：

[0050] 储热罐；

[0051] 所述储热罐连接第一管道1与第二管道2，并通过第一管道1与第二管道2实现所述空气压缩机与所述储气罐的连通；

[0052] 所述储热罐连接第三管道3与第四管道4，并通过第三管道3与第四管道4实现所述小型膨胀机与所述储气罐的连通；

[0053] 所述第一管道1、第二管道2、第三管道3、第四管道4分别设置第一控制阀1、第二控制阀2、第三控制阀3、第四控制阀4。

[0054] 本申请实施例，通过设置储热罐，可以回收压缩空气产生的热量，并用于储能释放时加热空气，从而提升能量的利用率。

[0055] 本公开了提供了一种可能的实现方式，所述第三管道设置压力调节阀、流量计。

[0056] 本申请实施例，可以设置压力调节阀和流量计，从而可以控制空气的流量与压力，进一步分析不同压力情况下，压缩空气的能量转换效率。

[0057] 本公开了提供了一种可能的实现方式，所述管道加热器与小型膨胀机之间的管道上设置压力、温度计。

[0058] 本申请实施例，可以通过管道加热器与小型膨胀机之间的管道上设置压力、温度计确定当前管道的空气压力与温度，进一步分析不同压力情况下，压缩空气的能量转换效率。

[0059] 示例性地，如图1所示，压缩空气储能实验系统的储能过程，关闭第三控制阀7与第四控制阀8，开启第一控制阀5与第二控制阀6，控制系统可以控制空气压缩机对空气做功，将空气通过第一管道1、第二管道2压缩进储气罐中存储，当储能结束时，可以关闭第一控制阀5、第二控制阀。此过程中，由于压缩机对空气做功，空气温度升高，压缩的空气会通过储热罐，从而储热罐中能存储一部分热量。

[0060] 释能过程，开启第三控制阀与第四控制阀，由于储气罐中的气体压力较大，存在压差，从而空气可以通过第三管道3、第四管道4至膨胀机，通过膨胀机进行发电。此过程中，空气压力由大变小，对外做功会释放能量，从而温度降低，通过储热罐一定程度上可以读空气进行加热，提升了能量利用效率，此外，还可以通过管道加热器对空气进行加热，以获取进行实验研究所需要的空气温度。

[0061] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开实施例的基本构想，图式中仅显示与本公开实施例中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

[0062] 本公开实施例提供的以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

[0063] 需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

[0064] 上面所描述的实施例是本公开实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开实施例中的实施例，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，都属于本公开实施例保护的范围。

[0065] 在本公开实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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公开实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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公开实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0066] 在本公开实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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本公开实施例中的具体含义。

[0067] 以上，仅为本公开实施例的具体实施方式，但本公开实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开实施例的保护范围之内。因此，本公开实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。