超臨界空氣儲能系統

《超臨界空氣儲能系統》是中國科學院工程熱物理研究所於2009年11月18日申請的發明專利，該專利申請號為2009102252523，公布號為CN102052256A，專利公布日為2011年5月11日，發明人是陳海生、譚春青、劉佳、張冬陽、徐玉傑。該發明涉及能量儲存技術領域。

《超臨界空氣儲能系統》公開了一種超臨界空氣儲能系統，為新型儲能系統，涉及能量儲存技術，它採用電站低谷（低價）電將空氣壓縮至超臨界狀態（同時存儲壓縮熱），並利用已存儲的冷能將超臨界空氣冷卻、液化並存儲（儲能）；在用電高峰，液態空氣加壓、吸熱至超臨界狀態（同時冷能回收），並在進一步吸收壓縮熱後通過膨脹機驅動發電機發電（釋能）。該發明的系統具有能量密度高、效率高、不受儲能周期和地理條件限制、適用於各種電站（包括風能等可再生能源電站）、對環境友好、可回收中低溫（熱值）廢熱等優點。

2017年12月，《超臨界空氣儲能系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《超臨界空氣儲能系統》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：超臨界空氣儲能系統
• 公布號： CN102052256A
• 申請號：2009102252523
• 公布日： 2011年5月11日
• 申請人： 中國科學院工程熱物理研究所
• 類別：發明專利
• 申請日：2009年11月18日
• 發明人：陳海生、譚春青、劉佳、張冬陽、徐玉傑
• 代理人：周國城
• 代理機構：中科專利商標代理有限責任 公司
• 地址：北京市北四環西路11號

專利背景

為了滿足電力負荷的要求，電力部門不得不根據最大負荷要求建設發電能力。這一方面造成了大量發電能力的過剩和浪費，另一方面，電力部門又不得不常常在用電尖峰時段限制用電。特別是近年來，中國電力電網中的大型機組不斷增多，電力系統的自身功率調節能力受到限制，而系統負荷的峰谷比卻不斷增大，因此迫切需要經濟、可靠、高效的電力儲能系統與之相配套。特別對於核能電站等僅能高位運行的電力系統，電力儲能系統的需求就更為迫切。

更為重要的是，電力儲能系統是截止到2009年制約可再生能源大規模利用的最重要瓶頸之一。截止到2009年，世界各國紛紛將發展可再生能源作為國家能源發展的重要戰略，截止到2009年主要的可再生能源，如風能、太陽能、潮汐能等，均是間歇式能源，如何利用儲能技術將這些間歇式能源“拼接”起來，是提高可再生能源比例必須解決的問題。

同時，電力儲能系統還是分散式能源系統的關鍵技術。分散式能源系統採用大量小型分散式電力系統代替常規大型集中式電力系統，具有能源綜合利用、熱效率高、低污染等優點。但同時由於線路、運行等原因造成的系統故障率會高於常規大型集中式電力系統。並且，由於系統的容量較小，系統負荷的波動也將大幅增加。因此，採用電力儲能系統作為負荷平衡裝置和備用電源是分散式能源系統必須考慮的措施。

截止到2009年，已有電力儲能技術包括抽水電站、壓縮空氣、蓄電池、超導磁能、飛輪和電容等。但由於容量、儲能周期、能量密度、充放電效率、壽命、運行費用、環保等原因，截止到2009年已在大型商業系統中運行的只有抽水電站和壓縮空氣兩種。

抽水電站儲能系統在用電低谷通過水泵將水從低位水庫送到高位水庫，從而將電能轉化為水的勢能存儲起來，在用電高峰，水從高位水庫排放至低位水庫驅動水輪機發電。抽水電站儲能系統具有技術成熟、效率高（～70％）、容量大、儲能周期不受限制等優點，截止到2009年廣泛使用的電力儲能系統。但是，抽水電站儲能系統需要特殊的地理條件建造兩個水庫和水壩，建設周期很長（一般約7～15年），初期投資巨大。更為棘手的是，建造大型水庫會大面積淹沒植被甚至城市，造成生態和移民問題，因此建造抽水電站儲能系統受到了越來越大的限制。

傳統壓縮空氣儲能系統是基於燃氣輪機技術開發的一種儲能系統。在用電低谷，將空氣壓縮並存於儲氣室中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃氣輪機燃燒室同燃料一起燃燒，然後驅動透平發電。壓縮空氣儲能系統具有儲能容量較大、儲能周期長、效率高（50％～70％）和單位投資相對較小等優點，但是，傳統壓縮空氣儲能系統不是一項獨立的技術，它必須同燃氣輪機電站配套使用，不能適合其他類型，如燃煤電站、核電站、風能和太陽能等電站，特別不適合中國以燃煤發電為主，不提倡燃氣燃油發電的能源戰略。而且，壓縮空氣儲能系統仍然依賴燃燒化石燃料提供熱源，一方面面臨化石燃料逐漸枯竭和價格上漲的威脅，另一方面其燃燒仍然產生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合綠色（零排放）、可再生的能源發展要求。更為致命的是，由於儲能密度低，壓縮空氣儲能系統也需要特定的地理條件建造大型儲氣室，如岩石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，從而大大限制了壓縮空氣儲能系統的套用範圍。

為解決傳統壓縮空氣儲能系統面臨的主要問題，特別是對燃氣輪機的依賴問題，截止到2009年，中國國內外學者分別開展了地面壓縮空氣儲能系統（SVCAES）、帶回熱的壓縮空氣儲能系統（AACAES）和空氣蒸汽聯合循環壓縮空氣儲能系統（CASH）等，使壓縮空氣儲能系統基本可以脫離化石燃料燃燒熱源。但同時，由於不採用化石燃料熱源，壓縮空氣儲能系統的能量密度更低，更加凸顯了對大型儲氣室依賴。必須找到合理的解決辦法，才能使壓縮空氣儲能系統得到更廣泛而又有效地利用。

發明內容

專利目的

《超臨界空氣儲能系統》的目的是公開一種超臨界空氣儲能系統，是新型空氣儲能系統，利用超臨界狀態下空氣的特殊性質，解決壓縮空氣儲能系統面臨的主要問題，可以適合各種類型的電站配套使用。

技術方案

一種超臨界空氣儲能系統，壓縮機組、蓄熱/換熱器、蓄冷/換熱器、節流閥、低溫儲罐、閥門、低溫泵、膨脹機組、發電機、驅動單元及多根管線；其中：壓縮機組包括至少一台低壓壓縮機、至少一台高壓壓縮機，相互串聯或集成為整體多級壓縮機，每一台低壓壓縮機入口接空氣源；膨脹機組包括至少一台低壓膨脹機、至少一台高壓膨脹機，相互串聯或集成為整體多級膨脹機，每一台低壓膨脹機的氣體出口通大氣；驅動單元與壓縮機組的傳動軸固接，發電機與兩膨脹機組的傳動軸固接；低壓壓縮機經管線（13）、高壓壓縮機經管線（14、15）分別與蓄熱/換熱器（2）相通連；蓄熱/換熱器（2）、蓄冷/換熱器、低溫儲罐經管線（16、17、18、19、30）順序相通連；在管線（30）中設有節流閥，在管線（31）中設有閥門、至少一台低溫泵，閥門位於低溫泵上游；蓄熱/換熱器經管線（20、21、22）分別與高壓膨脹機、低壓膨脹機相通連；蓄冷/換熱器底端設有排渣管線（24）；其流程為：儲能時，利用驅動單元驅動由低壓壓縮機與高壓壓縮機組成的壓縮機組，將一定量的空氣壓縮至超臨界狀態，壓縮熱被回收並存儲在蓄熱/換熱器（2）中；超臨界空氣進入蓄冷/換熱器中冷卻，絕大部分低溫壓縮空氣通過節流閥後液化，液態空氣進入低溫儲罐存儲；釋能時，低溫泵對液態空氣加壓，高壓液態空氣在蓄冷/換熱器中升溫至超臨界狀態並回收冷能，在蓄熱/換熱器（2）中吸收壓縮熱將超臨界空氣進一步升溫，然後進入高壓膨脹機與低壓膨脹機組成的膨脹機組膨脹做功，帶動發電機發電。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述驅動單元，為驅動電機或風力機；為驅動電時，是以常規電站低谷電、核電、風電、太陽能發電、水電或潮汐發電其中的一種或多種為電源。

所述的超臨界空氣儲能系統，其儲能過程在電力低谷、可再生能源限電或電能質量不符合上網要求時啟用；釋能過程在用電高峰、電力事故、可再生能源發電大幅波動時啟用。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述蓄熱/換熱器（2）還設有管線（23），該管線與外界熱源相通連。

所述的超臨界空氣儲能系統，其空氣壓縮、冷卻過程中還包括空氣淨化與純化，除去空氣中的固體物及雜質氣體；空氣淨化與純化設備集成在壓縮機組及蓄冷/換熱器中，不單獨表示。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述空氣純化設備，在原料空氣中的CO2，水蒸氣，氬對空氣壓縮、冷卻、液化設備的正常工作和液態空氣的產量影響小時，為過濾裝置。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述壓縮機組，總壓比在38～340之間；當為多台壓縮機時，多台壓縮機為共軸串聯形式、或分軸並聯形式；並聯形式中，各分軸與主驅動軸動連線；各級壓縮機的排氣均經過蓄熱/換熱器（2）。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述膨脹機組，總膨脹比在38～340之間，末級膨脹機排氣接近常壓；當為多台膨脹機時，多台膨脹機為共軸串聯形式、或分軸並聯形式；並聯形式中，各分軸與主驅動軸動連線；各級膨脹機的進氣均先經過蓄熱/換熱器加熱升溫。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述壓縮機，是活塞式、軸流式、離心式、螺桿式或混合式。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述膨脹機，是活塞式、軸流式、向心式、螺桿式或混合式。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述在多台壓縮機、多台膨脹機時，多台壓縮機、多台膨脹機分布在一根驅動軸或多根驅動軸上。

所述的超臨界空氣儲能系統，其壓縮空氣的流量大於工作空氣的流量，其多出的量低於工作空氣流量的10％。

所述的超臨界空氣儲能系統，其還包括蓄熱/換熱器（25），蓄熱/換熱器（25）通過管線（26、27）與太陽能集熱器相通連，形成載熱循環迴路；蓄熱/換熱器（2）、蓄熱/換熱器（25）、低壓膨脹機、高壓膨脹機經管線（20、21、22）順序連線，形成做功迴路；其流程為：而出蓄熱/換熱器（2）的超臨界空氣在蓄熱/換熱器（25）中被加熱至高溫，然後經過管線（20）進入高壓膨脹機膨脹做功，高壓膨脹機出口空氣再依次經過管線（21）、蓄熱/換熱器（2）、蓄熱/換熱器（25）、管線（22）完成級間加熱升溫後，進入低壓膨脹機膨脹做功。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述蓄熱/換熱器，其蓄熱形式是顯熱、潛熱或化學反應熱中的一種或幾種；採用的蓄熱介質是水、石蠟、生物質油、無機類結晶水合鹽、熔融鹽、金屬及其合金、有機類脂肪酸、石頭、岩石或混凝土，蓄熱介質儲存在絕熱容器中；其中，蓄熱/換熱器（2），儲能時，回收並儲存壓縮機產生的壓縮熱，釋能時，加熱進各級膨脹機前的壓縮空氣；同時，釋能時，經管線（23）輸進餘熱、廢熱為蓄熱/換熱器（2）補充熱量。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述蓄冷/換熱器，將超臨界空氣冷卻至81K-150K（K為開氏溫度單位），是顯熱蓄冷或固液相變蓄冷中的一種或組合；採用的顯熱蓄冷介質，是密封冰球、沙石子、混凝土、鋁帶盤或其它金屬物質中的一種或幾種；固液相變蓄冷介質，是固液相變溫度在81K～273K之間的氨及其水溶液、鹽類水溶液、烷烴類、烯烴類物質及其化合物，醇類及其水溶液中的一種或幾種，蓄冷介質存儲在絕熱容器中；超臨界空氣或液態空氣在蓄冷/換熱器中與蓄冷介質直接接觸換熱或非直接接觸換熱；儲能時，蓄冷/換熱器對超臨界空氣進行冷卻，釋能時，蓄冷/換熱器回收並儲存高壓液態空氣升溫過程中的冷量。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述蓄冷/換熱器，在低溫冷量不足時，加裝有低溫透平膨脹機或節流裝置，提供冷量補充；同時，低溫壓縮空氣經節流閥後大部分液化，未液化的一小部分低溫空氣提供冷量補償。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述低溫儲罐，為杜瓦儲罐或低溫儲槽，液態空氣在常壓或帶壓力狀況下儲存。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述低溫泵，為往復式，離心式或混合式，將液態空氣增壓至3.8兆帕-34兆帕；當多台時，是多級串聯或並聯。

所述的超臨界空氣儲能系統，生產空分產品時，在蓄冷/換熱器與低溫儲罐之間的管線（32、33）上設定空氣分離設備，空氣分離設備底部設有管線（29）；其流程為：在蓄冷/換熱器中冷卻至一定溫度的低溫流體進入空氣分離設備後，分離出的氣體產品從管線（29）引出，提純的液態產品通過管線（33）送至低溫儲罐中儲存。

所述的超臨界空氣儲能系統，將低壓膨脹機排氣用於空調、製冷時，通過調節低壓膨脹機的進口溫度與膨脹比，控制低壓膨脹機出口氣體B的溫度。

所述的超臨界空氣儲能系統，其儲能時，通過控制第一級壓縮機進氣量來調節儲能能力。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述控制第一級壓縮機進氣量，是通過調節壓縮機負載、開停部分壓縮機或調節壓比來實現進氣量的控制。

所述的超臨界空氣儲能系統，其釋能時，通過控制液態空氣氣化量來調節發電能力。

所述的超臨界空氣儲能系統，將餘熱、廢熱或太陽能集熱儲存在蓄熱/換熱器（2、25）中用於加熱超臨界空氣，或通過餘熱/廢熱換熱器直接加熱超臨界空氣，來提高進膨脹機前超臨界空氣的溫度。

所述的超臨界空氣儲能系統，其所述餘熱、廢熱，為電廠、水泥行業、鋼鐵冶金行業、化工行業的餘熱、廢熱；餘熱、廢熱儲存在蓄熱/換熱器（2）中，太陽能集熱儲存在蓄熱/換熱器（25）中。

改善效果

《超臨界空氣儲能系統》的優點在於：能量密度高、儲能效率高、儲能周期不受限制，適用於各種類型電站，具有廣闊的使用前景。不需要大的儲存裝置，對環境友好、廢熱回收，提高了土地和資源使用效率。

附圖說明

圖1為《超臨界空氣儲能系統》的超臨界空氣儲能系統實施例1結構示意圖；

圖2為該發明的超臨界空氣儲能系統實施例2結構示意圖；

圖3為該發明的超臨界空氣儲能系統實施例3結構示意圖；

圖4為該發明的超臨界空氣儲能系統實施例4結構示意圖。

權利要求

1.一種超臨界空氣儲能系統，該系統具有壓縮機組（1，3）、蓄熱／換熱器（2）、蓄冷／換熱器（4）、節流閥（5）、低溫儲罐（6）、閥門（7）、低溫泵（8）、膨脹機組（9，10）、發電機（11）、驅動單元（12）及多根管線；其特徵在於：所述壓縮機組（1，3）的總壓比在38～340之間，包括至少一台低壓壓縮機（1）、至少一台高壓壓縮機（3），相互串聯或集成為整體多級壓縮機，每一台低壓壓縮機（1）入口接空氣源；膨脹機組（9，10）包括至少一台低壓膨脹機（10）、至少一台高壓膨脹機（9），相互串聯或集成為整體多級膨脹機，每一台低壓膨脹機（10）的氣體出口通大氣；驅動單元（12）與壓縮機組（1，3）的傳動軸固接，發電機（11）與兩膨脹機組（9，10）的傳動軸固接；低壓壓縮機（1）的出氣口、經管線（13）、高壓壓縮機（3）的進／出氣口經管線（14、15）分別與蓄熱／換熱器（2）相通連；蓄熱／換熱器（2）、蓄冷／換熱器（4）、低溫儲罐（6）經管線（16、17、18、19、30）順序相通連；在蓄冷／換熱器（4）的超臨界空氣出氣管線（30）中設有節流閥（5），在低溫儲罐（6）的液態空氣出液管線（31）中設有閥門（7）、至少一台低溫泵（8），閥門（7）位於低溫泵（8）上游；蓄熱／換熱器（2）經管線（20、21、22）分別與高壓膨脹機（9）、低壓膨脹機（10）相通連；蓄冷／換熱器（4）底端設有排渣管線（24）；其流程為：儲能時，利用驅動單元（12）驅動由低壓壓縮機（1）與高壓壓縮機（3）組成的壓縮機組（1，3），將一定量的空氣壓縮至超臨界狀態，壓縮熱被回收並存儲在蓄熱／換熱器（2）中；超臨界空氣進入蓄冷／換熱器（4）中冷卻，絕大部分低溫壓縮空氣通過節流閥（5）後液化，液態空氣進入低溫儲罐（6）存儲；釋能時，低溫泵（8）對液態空氣加壓，高壓液態空氣在蓄冷／換熱器（4）中升溫至超臨界狀態並回收冷能，在蓄熱／換熱器（2）中吸收壓縮熱將超臨界空氣進一步升溫，然後進入高壓膨脹機（9）與低壓膨脹機（10）組成的膨脹機組（9，10）膨脹做功，帶動發電機（11）發電。

2.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述驅動單元（12），為驅動電機或風力機；為驅動電機時，是以常規電站低谷電、核電、風電、太陽能發電、水電或潮汐發電其中的一種或多種為電源。

3.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：儲能過程在電力低谷、可再生能源限電或電能質量不符合上網要求時啟用；釋能過程在用電高峰、電力事故、可再生能源發電大幅波動時啟用。

4.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述蓄熱／換熱器（2）還設有與外界熱源相通連的管線。

5.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：空氣壓縮、冷卻過程中還包括空氣淨化與純化設備，除去空氣中的固體物及雜質氣體；空氣淨化與純化設備集成在壓縮機組（1，3）及蓄冷／換熱器（4）中。

6.根據權利要求5所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述空氣淨化與純化設備，在原料空氣中的CO2，水蒸氣，氬對空氣壓縮、冷卻、液化設備的正常工作和液態空氣的產量影響小時，為過濾裝置。

7.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述壓縮機組（1，3），總壓比在38～340之間；當為多台壓縮機時，多台壓縮機為共軸串聯形式、或分軸並聯形式；並聯形式中，各分軸與主驅動軸動連線；各級壓縮機的排氣均經過蓄熱／換熱器（2）。

8.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述膨脹機組（9，10），總膨脹比在38～340之間，末級膨脹機排氣接近常壓；當為多台膨脹機時，多台膨脹機為共軸串聯形式、或分軸並聯形式；並聯形式中，各分軸與主驅動軸動連線；各級膨脹機的進氣均先經過蓄熱／換熱器（2）加熱升溫。

9.根據權利要求1或7所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述壓縮機，是活塞式、軸流式、離心式、螺桿式或混合式。

10.根據權利要求1或8所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述膨脹機，是活塞式、軸流式、向心式、螺桿式或混合式。

11.根據權利要求7或8所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：存在多台壓縮機、多台膨脹機時，多台壓縮機、多台膨脹機分布在一根驅動軸或多根驅動軸上。

12.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：壓縮空氣的流量大於工作空氣的流量，其多出的量低於工作空氣流量的10％。

13.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：還包括蓄熱／換熱器II（25），蓄熱／換熱器II（25）通過管線（26、27）與太陽能集熱器相通連，形成載熱循環迴路；蓄熱／換熱器（2）、蓄熱／換熱器II（25）、低壓膨脹機（10）、高壓膨脹機（9）經管線（20、21、22）順序連線，形成做功迴路；其流程為：流出蓄熱／換熱器（2）的超臨界空氣在蓄熱／換熱器II（25）中被加熱至高溫，然後經過管線（20）進入高壓膨脹機（9）膨脹做功，高壓膨脹機（9）出口空氣再依次經過管線（21）、蓄熱／換熱器（2）、蓄熱／換熱器II（25）、管線（22）完成級間加熱升溫後，進入低壓膨脹機（10）膨脹做功。

14.根據權利要求1、4或13所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：各蓄熱／換熱器，其蓄熱形式是顯熱、潛熱或化學反應熱中的一種或幾種；採用的蓄熱介質是水、石蠟、生物質油、無機類結晶水合鹽、熔融鹽、金屬及其合金、有機類脂肪酸、石頭、岩石或混凝土，蓄熱介質儲存在絕熱容器中；其中，各蓄熱／換熱器儲能時，回收並儲存壓縮機產生的壓縮熱，釋能時，加熱進各級膨脹機前的壓縮空氣；同時，釋能時，經管線輸進餘熱、廢熱為蓄熱／換熱器補充熱量。

15.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述蓄冷／換熱器（4），將超臨界空氣冷卻至81K-150K，是顯熱蓄冷或固液相變蓄冷中的一種或組合；採用的顯熱蓄冷介質，是密封冰球、沙石子、混凝土、鋁帶盤或其它金屬物質中的一種或幾種；固液相變蓄冷介質，是固液相變溫度在81K～273K之問的氨及其水溶液、鹽類水溶液、烷烴類、烯烴類物質及其化合物，醇類及其水溶液中的一種或幾種，蓄冷介質存儲在絕熱容器中；超臨界空氣或液態空氣在蓄冷／換熱器（4）中與蓄冷介質直接接觸換熱或非直接接觸換熱；儲能時，蓄冷／換熱器（4）對超臨界空氣進行冷卻，釋能時，蓄冷／換熱器（4）回收並儲存高壓液態空氣升溫過程中釋放的冷量。

16.根據權利要求1或15所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述蓄冷／換熱器（4），在低溫冷量不足時，加裝低溫透平膨脹機或節流裝置，提供冷量補充；同時，低溫壓縮空氣經節流閥（5）後大部分液化，未液化的一小部分低溫空氣提供冷量補償。

17.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述低溫儲罐（6），為杜瓦儲罐或低溫儲槽，液態空氣在常壓或帶壓力狀況下儲存。

18.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述低溫泵（8），為往復式，離心式或混合式，將液態空氣增壓至3.8兆帕-34兆帕；當多台時，是多級串聯或並聯。

19.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：生產空分產品時，在蓄冷／換熱器（4）與低溫儲罐（6）之間的管線（32、33）上設定空氣分離設備，空氣分離設備底部設有管線（29）；其流程為：在蓄冷／換熱器（4）中冷卻至一定溫度的低溫流體進入空氣分離設備後，分離出的氣體產品從管線（29）引出，提純的液態產品通過管線（33）送至低溫儲罐（6）中儲存。

20.根據權利要求1或19所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：將低壓膨脹機（10）排氣用於空調、製冷時，通過調節低壓膨脹機（10）的進口溫度與膨脹比，控制低壓膨脹機（10）出口氣體的溫度。

21.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：儲能時，通過控制第一級壓縮機進氣量來調節儲能能力。

22.根據權利要求21所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述控制第一級壓縮機進氣量，是通過調節壓縮機負載、開停部分壓縮機或調節壓比來實現進氣量的控制。

23.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：釋能時，通過控制液態空氣氣化量來調節發電能力。

24.根據權利要求1所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：將餘熱、廢熱或太陽能集熱儲存在蓄熱／換熱器（2、25）中用於加熱超臨界空氣，或通過餘熱／廢熱換熱器直接加熱超臨界空氣，來提高進膨脹機前超臨界空氣的溫度。

25.根據權利要求24所述的超臨界空氣儲能系統，其特徵在於：所述餘熱、廢熱，為電廠、水泥行業、鋼鐵冶金行業、化工行業的餘熱、廢熱；餘熱、廢熱儲存在蓄熱／換熱器（2）中，太陽能集熱儲存在蓄熱／換熱器II（25）中。

實施方式

《超臨界空氣儲能系統》採用電站低谷（低價）電能將空氣壓縮至超臨界狀態（同時存儲壓縮熱），並利用存儲的冷能將超臨界空氣冷卻液化儲存（儲能）；在用電高峰，液態空氣加壓吸熱至超臨界狀態（同時液態空氣中的冷能被回收存儲），並進一步吸收存儲的壓縮熱後通過膨脹機驅動發電機發電（釋能），在此過程中電廠中的一些廢熱可以被回收以提高系統效率。由於空氣在超臨界條件下的特殊性質，該發明提出的超臨界空氣儲能系統有以下潛在優點：能量密度高：超臨界空氣和液態空氣具有很高的密度（常壓下液態空氣和氣態空氣的密度比約為800:1），因而相同條件下的能量密度可比壓縮空氣儲能系統高1個數量級以上，比抽水電站（以500米落差計）高2個數量級以上。

不需要大的儲存裝置：由於能量密度高，空氣儲罐的體積大大縮小，可以大幅節省投資，縮短建設周期。更重要是可以不受地理條件限制，解決傳統壓縮空氣儲能系統的主要缺點。

儲能效率高：由於採用必要的儲熱、儲冷設備，系統的效率可比傳統壓縮空氣儲能系統更高，初步估算可達65％以上。

儲能周期不受限制：截止到2009年常規工業用真空低溫儲罐（杜瓦罐）可大規模長期保存液態空氣，其每天的損耗散率可小於0.005。

適用各種類型電站：由於該儲能系統同電站系統僅僅交換電能，不涉及電站內部流程，因此可以適合各種類型的電站。

對環境友好：該儲能系統不涉及化石燃料的燃燒，不排放任何有害物質；不僅如此，超臨界空氣在冷卻過程中，很容易去除其中的有害物質如CO2、SOx、NOx等，從而改善大氣質量。

廢熱回收：可以和電廠及其他工業部門結合，既可儲能又可有效回收各種廢熱，如水泥行業、鋼鐵冶金行業、化工行業等。

實施例：如圖1所示，為該發明的超臨界空氣儲能系統實施例1。其中，低壓壓縮機1，蓄熱/換熱器2，高壓壓縮機3，蓄冷/換熱器4，節流閥5，低溫儲罐6，閥門7，低溫泵8，高壓膨脹機9，低壓膨脹機10，發電機11，驅動電機12，管線13、14、15、16、17、18、19、20、21、122、23、24、30、31，空氣A。

驅動電機12與壓縮機1、3的共有傳動軸固接，發電機11與膨脹機9、10的共有傳動軸固接。低壓壓縮機1經管線13、高壓壓縮機3經管線14、15分別與蓄熱/換熱器2相通連。低壓壓縮機1入口接空氣A。蓄熱/換熱器2、蓄冷/換熱器4、低溫儲罐6經管線16、17、18、19、30順序相通連。在管線30中設有節流閥5，在管線31中設有閥門7、低溫泵8，閥門7位於低溫泵8上游。蓄熱/換熱器2經管線20、21、22分別與高壓膨脹機9、低壓膨脹機10相通連。低壓膨脹機10的氣體出口通大氣。

蓄熱/換熱器2經管線23與外界熱源相通連。蓄冷/換熱器4底端設有排渣管線24。

儲能時，低谷（低價）電驅動電機12帶動壓縮機組，淨化（圖中未表示）後的空氣A進入低壓壓縮機1壓縮，出口空氣通過管線13進入蓄熱/換熱器2，與蓄熱介質換熱存儲壓縮熱，冷卻後的空氣經過管線14進入高壓壓縮機3被壓縮至超臨界狀態，經管線15將超臨界空氣再輸送到蓄熱/換熱器2存儲壓縮熱，冷卻至一定溫度的超臨界空氣經過管線16進入蓄冷/換熱器4被蓄冷介質進一步冷卻至低溫。出蓄冷/換熱器4的低溫高壓空氣流經過節流閥5後絕大部分液化，液態空氣經管線30儲存在低溫儲罐6中，少部分未液化低溫空氣通過管線17回流至蓄冷/換熱器4回收冷量。釋能時，打開閥門7，低溫泵8將來自低溫儲罐6的液態空氣增壓到一定壓力後，由管線18輸送至蓄冷/換熱器4與蓄冷介質換熱並氣化，同時回收冷量，出蓄冷/換熱器4的超臨界空氣再經由管線19進入蓄熱/換熱器2進一步升溫，溫度升高后的超臨界空氣通過管線20注入高壓膨脹機9膨脹做功，出口空氣再依次經過管線21、蓄熱/換熱器2、管線22完成級間加熱升溫後再進入低壓膨脹機10膨脹做功。

一般情況下，儲能與釋能過程不同時運行，儲能時，壓縮機組工作，膨脹機組、低溫泵8關停，閥門7關閉，蓄熱/換熱器2回收、儲存壓縮熱，同時冷卻工作氣體，蓄冷/換熱器4釋放冷量，將超臨界空氣冷卻至低溫。釋能時則相反，壓縮機組關停，膨脹機組、低溫泵8工作，閥門7開啟，蓄冷/換熱器4回收、儲存冷量，同時高壓液態空氣升溫至超臨界狀態，蓄熱/換熱器2則釋放壓縮熱，進一步提升超臨界空氣溫度。另外，外界熱量則可以隨時經由管線23進入蓄熱/換熱器2進行儲存；超臨界空氣進入蓄冷/換熱器4冷卻，這一過程中分離出的雜質和污染物通過管線24排出。

圖2是該發明的超臨界空氣儲能系統與太陽能熱發電相結合的實施例2，其主體結構與實施例1相同，另增加了與太陽能集熱器的連線部分。其中，低壓壓縮機1，蓄熱/換熱器2，高壓壓縮機3，蓄冷/換熱器4，節流閥5，低溫儲罐6，閥門7，低溫泵8，高壓膨脹機9，低壓膨脹機10，發電機11，驅動電機12，管線13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、24、26、27、30、31，高溫蓄熱/換熱器25，空氣A。

來自太陽能集熱器的高溫流體通過管線26進入高溫蓄熱/換熱器25，高溫流體放熱降溫後經管線27流回太陽能集熱器吸熱，從而完成載熱循環。而出蓄熱/換熱器2的超臨界空氣在高溫蓄熱/換熱器25中被加熱至高溫，然後經過管線20進入高壓膨脹機9膨脹做功，高壓膨脹機9出口空氣再依次經過管線21、蓄熱/換熱器2、高溫蓄熱/換熱器25、管線22完成級間加熱升溫後進入低壓膨脹機10膨脹做功。

圖3是圖1的改進型實施例3，其主體結構與實施例1相同，另增加了空氣分離設備（節流閥5集成在空氣分離設備中）。其中，低壓壓縮機1，蓄熱/換熱器2，高壓壓縮機3，蓄冷/換熱器4，低溫儲罐6，閥門7，低溫泵8，高壓膨脹機9，低壓膨脹機10，發電機11，驅動電機12，空氣分離設備28，管線13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、29、31、32、33，空氣A，出口氣體B。

在蓄冷/換熱器4中冷卻至一定溫度的低溫流體進入空氣分離設備28，氣體產品氧氣（O2）、氬氣（Ar）等從管線29引出，提純的液氮通過管線33送至低溫儲罐6中儲存。另外，通過調節低壓膨脹機10的進口溫度與膨脹比從而控制低壓膨脹機10齣口氣體B的溫度，使其可用於空調、製冷等不同用途。

圖4是該發明的超臨界空氣儲能系統與風電場結合的改進型實施例4，其主體結構與實施例1相同，但精簡掉了驅動電機。其中，低壓壓縮機1，蓄熱/換熱器2，高壓壓縮機3，蓄冷/換熱器4，節流閥5，低溫儲罐6，閥門7，低溫泵8，高壓膨脹機9，低壓膨脹機10，發電機11，管線13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、30、31，空氣A，低谷電C，壓縮功D。

不先將風能轉換成電能後再驅動壓縮機壓縮空氣，而是利用來自風力渦輪機的壓縮功D直接帶動壓縮機自身工作。各部分壓縮空氣通過各自輸氣管線輸送至蓄熱/換熱器2存儲壓縮熱。由於壓縮過程分散，壓縮熱在輸氣過程中部分散失，可以利用管線23加入廢熱、餘熱等外界熱量，或通過低谷電C加熱為蓄熱/換熱器2提供熱量補充。

榮譽表彰

2017年12月，《超臨界空氣儲能系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。