非补燃式压缩空气储能中的热处理专利技术.pdf

中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-36-专利分析在全球推进绿色低碳能源的背景下，水力、风力、光伏等清洁能源近年来得到了大力推广，为了避免这些能源的浪费，配套的储能行业也在不断发展。其中，压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）由于摆脱了对储能电池的依赖，属于目前具有代表性的储能方式之一。压缩空气储能主要是通过压缩机将气体进行压缩存储，从而获得具有高能量的高压气体，需要使用时再通过膨胀机将存储的高压气体进行膨胀，并带动发电机运行，从而将能量释放。在这个过程中，空气压缩时会释放热量，而膨胀时则需要吸收热量，因此，热处理是压缩空气储能的重要环节。在早期的应用中，主要采用补燃式压缩空气储能技术，通过燃气轮机来实现空气膨胀过程中的升温和释能，其存在环境污染、热处理率低等问题。目前更多采用的是具有热循环处理的非补燃式压缩空气储能。基于此，本文针对非补燃式压缩空气储能的热处理技术这一主题下近 20 年的专利进行了检索和分析。相关数据基于 Patsnap 全球专利数据库，检索截止日为 2023 年 12 月 3 日。整体态势分析申请趋势分析相关专利的全球申请趋势如图 1 所示，其中绿色部分代表中国的专利，蓝色部分代表其他国家或地区的专利。从图中可以看到，近 20 年中，整体专利趋势基本呈阶梯式上升的状态，以 2010 年和 2021 年为分界点，申请量趋势被分为三个阶梯段。其中，2010 年主要是受全球对储能领域的重视化，国际上在该领域下的专利申请量迎来了一次增长，这一年，德国莱茵电力公司与通用电气、德国宇航中心、德国旭普林共同启动了一套非补燃式技术方向的大规模洞穴式绝热压缩空气储能电站 Adele 的建设。而 2021 年申请量出现的阶梯式上涨则主要是受中国专利量的增长影响，在这一年 7 月，我国国家发展改革委、国家能源局发布了关于加快推动新型储能发展的指导意见，明确提出要实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。此后，2022 年 3 月和 8 月，我国又相继发布了“十四五”新型储能发展实施方案和加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划，进一步为压缩空气储能的产业化发展奠定了基础。受国内政策环境影响，我国在 2022 年的相关专利量也达到了最高的 174 件。另外，需要说明的是，图中 20222023行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度非补燃式压缩空气储能中的热处理专利技术庞滨洋 邱云飞庞滨洋1 邱云飞21.北京超凡宏宇专利代理事务所（特殊普通合伙）成都分所2.四川省知识产权发展研究中心-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析年由于部分专利有 18 个月的公开周期，因此这两年中存在部分专利因未公开而不在统计数据中的情况。重点申请人分析经统计该技术领域下专利数量排名前十的申请人，如图2 所示，其中包括 4 家国外企业，分别是位于并列第 1 位的法国石油公司（即 IFP 新能源公司）、株式会社神户制钢所，第 4 位的光帆能源公司以及第 9 位的通用电气公司，其余 6位均为国内申请人。而在 6 位国内申请人的构成中，分别包括了研究所、大学以及公司三种类型，并且从这三类国内申请人中研究所和大学就占了 4 位，国内公司申请人仅有 2 位，再结合数量排名可见，我国在该领域下的技术更多处于科研阶段，实际应用相对于国外是偏少的，当然这也与空气压缩储能领域本身在应用中对成本和场地要求较高有关。再来看排名前十位申请人历年的相关专利申请量，从图3 中可以看出，并列排名第一的法国石油公司和株式会社神户制刚所他们的申请量主要集中在 20152018 年，而近几年的申请量相比之下很少，另外两家美国公司光帆能源和通用电气则更加明显，2016 年之后就没有再在该领域下进一步布局专利了。而与之相反的是，国内申请人除了中国科学院工程热物理研究所从很早在该领域下有专利申请外，其余国内申请人主要申请量较多的时间都相对靠后，且近年来也基本都有专利申请。这些排名前十的重点申请人的专利申请集中时间段的分布也从一定程度上反映出了中国、美国、日本、法国几个国家在压缩空气储能领域的发展先后情况。技术方向分析在压缩空气储能中，非补燃式的压缩空气储能的技术分支主要包括先进绝热式压缩空气储能（AA-CAES）、等温式压缩空气储能（I-CAES）、液态压缩空气储能（LAES）以及超临界压缩空气储能（SC-CAES），而其中所涉及的热处理技术在基于这四类分支上又形成了不同的技术方向。因此，本节主要对这几类压缩空气储能中的热处理相关技术进行介绍，并基于相关专利的申请时间、同族信息、被引证次数、当前法律状态筛选出了各个技术下具有代表性的重点专利进行展示。先进绝热式压缩空气储能中的热处理技术先进绝热压缩空气储能的特点是在系统中加入了储热装置，其用于将压缩空气过程所产生的热量进行储存，并在膨胀释能过程中将热量用于加热压缩空气，驱动膨胀机发电，从而实现更高效的能源利用。先进绝热压缩空气储能也是目前应用最多的一个方向。其中具有代表性的专利是由诺沃皮尼奥内有限公司于 2010 年 10 月 29 日 申 请 的 专 利 US8739522B2，该 专 利 具 有 7 件 简 单 同 族 专 利，中 国 同 族 专 利 号 为CN102536352B，且美国、中国、欧洲同族专利均处于授权有效状态。该专利公开了一种预热高级绝热压缩空气蓄能系统中压缩空气的系统和方法，代表附图如图 4 所示。其核心点在于当空气压缩过程中，通过换热器 208 对第一压缩机图 3 全球排名前十申请人历年专利申请量图 2 相关专利申请量全球排名前十申请人图 1 相关专利近 20 年申请趋势204 压缩后的热空气进行冷却换热，其中采用油作为换热介质，换热后的油则被送到热油罐 220 进行隔热存储；而当空气膨胀释能时，则优先通过热油罐对来自地下储槽 216 的压缩空气进行预热。该专利通过回收压缩空气蓄能系统中压缩机之间损失的热能以进一步利用，从而提高发电效率。等温式压缩空气储能中的热处理技术等温压缩空气储能是在恒定温度下进行空气压缩，并且膨胀过程中也是在恒定温度下进行的。恒定温度是采用一定措施（如活塞、喷淋、底部注气等），通过比热容大的液体（水或者油）提供近似恒定的温度环境。由此可见，热处理技术是等温压缩空气储能中最核心的部分。该方向下具有代表性的专利是由瑟斯特克斯有限公司在2009 年 12 月 16 日申请的专利 US8225606B2，其最早优先权日为 2008 年 4 月 9 日，该专利共计有 10 件简单同族，包括中国同族 CN102498638B，专利族共计被引用次数 227 次。但该专利族目前均因未缴年费而失效。该专利公中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-38-专利分析开了一种通过气体的快速等温膨胀和压缩来储存和再生能量的系统和方法，其中提出了如图 5 所示的架构，该架构用于往复式空气压缩机上，在其中一侧设置有传热子系统，该传热子系统可采用能够将传热流体引入气缸一侧的喷射机构，由此实现对压缩气体的热量调节以等温压缩和膨胀。液态空气压缩储能中的热处理技术随着空气压缩技术的发展，除了传统方式中将空气压缩为高压气体之外，目前还包括液态压缩空气储能以及后面介绍到的超临界压缩空气储能。其中，前者是将空气进一步压缩为液体，后者是将空气压缩到超临界状态，两者均可以减小空气存储的体积，属于未来的重要发展方向。同时，由于这两者都对空气的压缩程度更高，也就使得这个过程中释放的热能更多，压缩后的空气温度更低，从而出现了对冷能进行利用的技术分支。因此，在液态压缩空气储能和超临界压缩空气储能中关于热处理技术的研发创新也是其重要方向。对于冷能的处理，中国科学院理化技术研究所在 2015年 6 月 25 日申请了专利 CN105043147B，其针对液态空气压缩储能领域，在换热介质上进行了改进，采用了凝固点低、沸点高的液态蓄冷工质来回收液态空气的冷能，利用液态工质比热容大的特性实现大温跨换热，性能稳定，损失小；相对于目前的相变蓄冷材料，可以减少多种材料配置的烦琐过程，成本较低；相对于石子填充床蓄冷器，具有更少的损失。另外，全球能源互联网研究院和国家电网公司在2016 年 6 月 14 日申请的专利 CN106050344B，其中提出了一种混合工质型深冷液态空气储能方法和系统，通过冷能存储装置的设置，使得冷能可以通过换热器暂存在低温工质存储装置中的储冷工质中，并且配合惰性气体特别是氦气，化学性质稳定，凝固点低、沸点高的特性，使得损失减小，进而保证了冷能存储装置中的冷能品质，降低了冷能浪费。超临界空气压缩储能中的热处理技术正如前面所介绍到的，超临界空气压缩储能与液体空气压缩储能具有一定的相似性，但其对空气的压缩程度相对于后者要弱一些，压缩后的空气具有接近液体和气体的双重特性。该技术是由中国科学院工程热物理研究所于 2009 年在国际上首次提出的，并于同年 11 月 9 日申请了专利CN102052256B，该专利获得了第 19 届中国专利奖优秀奖以及第 4 届北京市发明专利奖二等奖。同时该专利共包括 8件简单同族专利，在中国、美国、日本、欧洲均获得了授权。该专利作为超临界空气压缩储能的基础专利，其提出了如图所示的代表实施例，从图 6 可以看到，该方案中的热处理设备包括蓄热换热器（2）、蓄冷换热器（4）、节流阀（5）、低温储罐（6）、低温泵（8），通过这套设备可以在储能时，将压缩为超临界的空气进入蓄冷换热器（4）中冷却，并通过节流阀（5）后液化，将液态空气存储到低温储罐（6）；在释能时，通过低温泵（8）对液态空气加压，高压液态空气在蓄冷换热器（4）中升温至超临界状态并回收冷能，在蓄热换热器（2）中吸收压缩热将超临界空气进一步升温，然后进入后续膨胀过程。图 5 专利 US8225606B2 代表附图图 4 专利 US8739522B2 代表附图技术改进路线分析本节主要统计了非补燃式压缩空气储能系统在热处理技术上的专利改进方向，并展示了其中的代表专利。非补燃式压缩空气储能系统在压缩侧基本组成结构如图7 所示，其中，热处理相关的专利中主要改进方向包括：（1）整体架构；（2）换热器；（3）蓄热/蓄冷容器；（4）换热介质；（5）其他复合热源。（1）整体架构通过在储能系统的架构及热处理回路的架构上进行改进是该领域较多的一种方式，尤其是通过新增位于多级压缩机之间的热处理回路来实现更高效的热回收。例如前文中关于先进绝热式压缩空气储能中的专利 US8739522B2，正是通过在两级压缩机之间增设了换热回路来实现了更多的热回收。另外，具有代表性的专利还包括由清华大学在 2020 年03 月 23 日申请的发明专利 CN111379626B，在该专利中，其在原始储能系统架构上加入了小流量的辅膨胀机和辅回热-39-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析器，从而实现系统的快速响应。在无发电需求时，通过调节空气的进气流量，辅回热器 9 和辅膨胀机 8 会以较小的热量和高压空气损失保证主膨胀机 4 以及发电机 10 的轴系处于热备用状态，随时可立即冲转升速并加载发电；一旦电网或用户发出发电调度指令，储气库 2 中的常温高压空气便可立即以大流量进入主回热器 3，被来自蓄热器 6 的高温换热介质加热至额定温度后进入主膨胀机 4 中膨胀做功、带动发电机 10 对外发电。（2）换热器换热器作为 CAES 系统中热处理技术最前端的一个环节，其重要性不言而喻。目前，对于换热器的专利技术改进主要集中在增加换热效果以及降低经济成本方面。在该技术方向下，具有代表性的专利是中国科学院工程热物理研究所在 2015 年 12 月 16 日申请的发明专利 CN105370408B，该专利在蓄热式压缩空气储能系统的基础上，重新优化系统工作流程，利用压缩机组和膨胀机组共用换热器的特性，如图 9 所示，其通过三通换向阀将压缩机组、蓄热装置和膨胀机组很好的耦合在一起，具有结构简单紧凑、系统效率高、换热效果好、造价低等优点。（3）蓄热/蓄冷容器在大部分非补燃的 CAES 系统中都采用了蓄热/蓄冷容器来实现对回收热能或冷能的暂存，蓄热/蓄冷效果直接影响到整体的热处理效果。因此，相关专利技术中最主要改进就是蓄热/蓄冷容器的效果，另外也包括如何降低容器的制造成本等。在该方向下，最具代表性的申请人是 IFP 新能源公司，在其申请的相关专利中大部分是关于储热容器改进的。例如其授权的专利 CN109196296B，优先权日为 2016 年05 月 18 日，该专利中提出了将储热容器设置为包括至少两个同心的热存储容积，并且中心存储容积的壁的厚度大于外围存储容积的壁的厚度。将从高压流体获得的热量存储在中心容积中，并且将从较低压力的流体获得的热量存储在外围容积中。通过这种设置可以减小每个壁所暴露于的压差，并且可以在高压下使用，能够优化热存储和回收设备的质量和成本。（4）换热/蓄热/蓄冷介质在换热/蓄热/蓄冷介质方面，也有相关专利进行改进。除了常规的介质水之外，其他代表的换热/蓄热/蓄冷介质主要包括：熔融盐，如专利 CN206957774U（一种采用熔融盐蓄热的压缩空气储能发电系统）、CN208330637U（基于熔融盐储热及压缩空气储能的智能微能源网系统）。导热油，如专利 CN217715455U（一种非补燃式压缩空气电站发电侧导热油换热系统）、CN210740716U（一种新型导热油传热储能系统）。固体蓄热材料，如颗粒状或多孔状的岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球或金属等，相关专利包括CN214403914U（基于改进型高效储热装置的压缩空气储能系统）、CN109059318B（一种喷淋式填充床储热系统及其运行方法）。另外，随着液态空气压缩和超临界空气压缩技术的发展，蓄冷介质成为必不可少的部分。其包括惰性气体、相变介质图 8 专利 CN111379626B 代表附图图 9 专利 CN105370408B 代表附图图 7 非补燃式压缩空气储能系统压缩侧示意图图 6 专利 CN102052256B 代表附图中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-40-专利分析等，相关专利如 CN106050344B（一种混合工质型深冷液态空气储能方法和系统）、CN103016152B（一种新型流程的超临界空气储能系统）。（5）复合热源目前，随着各类新能源的发展，复合热源的 CAES 也是相关专利较多的一个改进方向。其中一种是通过收集光热、地热等来实现复合热源，例如专利 CN104246217B（利 用 太 阳 热 能 和 风 能 源 进 行 发 电 的 混 合 系 统）、CN106677988B（一种风光储能系统）、CN107989757B（具有储热功能的太阳能空气透平发电系统及其控制方法）；另一种是采用电加热的热源，电能可以来自低谷电价时期的电网或者各自新能源电力，例如专利 CN103225598B（一种压缩空气与储热介质同时储能的方法及系统）、JP6752751B2（压缩空气储存发电装置）。近一年重点专利技术功效分析最后，本文对最近一年中申请的相关专利进行了统计，筛选出了其中以热处理技术作为核心发明点之一的重点专利，进一步分析了这些专利的技术功效以供该领域相关企业参考。其中，专利技术功效矩阵如图 10 所示。从图中可以看到，最近的一年中，相关专利所涉及的技术效果包括改善经济性、提升热利用率、提升换热效果、改善温控效果、提升发电效率以及增加系统稳定性。其中在效果上最多的是为了实现更好的经济性，总共有 46 件，并且图中 5 种技术类型都有涉及经济性的技术效果。经济性上又进一步可以分为降低部件的成本和增加额外经济价值，前者例如中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司申请的专利 CN116659292A，其利用空气压缩过程和膨胀发电过程的错时特性，从而提出了两个过程共用换热器的方案，减少了换热器设备的数量以及所需占用的空间，减少了设备投资成本；后者例如东方电气集团东方汽轮机有限公司申请的专利 CN115929596A，其中将压缩空气储能系统中产生的冷、热风直接送入需制冷或采暖的空间，获得了额外的使用价值。另外，提升热利用率相关的专利量也达到了 37 件，这也是热处理技术一直以来的一个主要改进方向，其中主要是对系统各部分余热的进一步利用，例如深圳市奥宇低碳技术股份有限公司的专利 CN116202355A 中，提出了利用相变储能技术，对空压站的余热进行蓄热，并利用余热驱动ORC 发电以及对压缩空气进行增压的方案。而在改进的技术点上，专利最多的是关于复合热源的，共计 51 件，其次是在整体架构上，共计 31 件。综合来看，目前的技术热点主要在基于复合热源来改善经济性或提高热利用率，以及通过整体架构的改进来提高热利用率。前者是受目前新能源快速发展的影响，具有大环境的支持，后者则是该技术领域下长久的一个热点方向。结语本文以非补燃式压缩空气储能热处理技术相关专利作为分析对象，从申请趋势、重点申请人这些角度分析了该技术领域下专利的整体情况，可以看到，近年来，无论是从整体申请趋势还是重点申请人的申请趋势看，国内对该领域的专利增长相比于其他国家或地区都更多更快。而在具体的技术方面，由于非补燃式压缩空气储能本身所涉及的技术分支较多，在此基础上进一步结合的热处理技术也同样发展出了各个不同方向，相互之间既有可借鉴的原理构思，又有基于不同应用方向的实施细节，形成了该领域的独有特点。另外，本文还对该领域下专利的主要改进方向进行了分析展示，包括整体架构、换热器、蓄热/蓄冷容器、换热/蓄热/蓄冷介质以及复合热源。最后，基于最近一年该领域下的重点专利进行了技术功效分析，通过技术功效矩阵展示了当前的技术热点。图 10 该领域下近一年重点专利技术功效矩阵图