CN103195525B - 一种正逆有机朗肯循环储能的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种正逆有机朗肯循环储能系统包括：由绝热保温材料层包覆的低压和高压工质储罐，分别置于低压和高压罐的低温和高温相变材料；空气换热器置于低压罐中并与外部相通；低压罐上端分两路，一路依次通过程控阀与压缩机和高压罐相连；另一路依次通过程控阀与膨胀机和高压罐相连；其储能过程：开启压缩机进行逆向朗肯循环，低压储罐中工质压缩至高压罐中，输入功及低压罐中低温相变工质的凝结热储存为高压罐中高温相变工质的溶解热；发电过程：开启膨胀机进行正向朗肯循环，工质从高压储膨胀做功后进入低压工质罐，在其中被低温相变工质及空气冷凝，同时高压罐中高温相变工质放热凝结；本发明利用相变储能，蓄能密度大，可稳定连续实现电能储存及释放。

Description

一种正逆有机朗肯循环储能的方法及系统

技术领域

本发明属于储能的方法及系统，特别涉及一种正逆有机朗肯循环储能的方法及系统，是一种利用相变材料及有机工质作为储能介质的储能发电方法及系统。

背景技术

近年来，世界范围内电力生产与使用量持续增长，电力设施建设发展迅速，在传统的热电厂之外，水能、风能、太阳能等可再生资源发电量也获得了快速的增长。然而，这类可再生能源发电量受到自然条件的限制，具有不稳定和间歇性的特点。另一方面，用户的电力消耗量有明显的周期性，白天的用电以工业为主，用电量要远高于夜晚，夏季的炎热天气又增加了日间的用电需求。

这种发电量与用电量之间的不平衡对电力系统的安全运行造成了很大麻烦。针对这一需求，人们研究储能技术削峰填谷，将电力过剩时的发电量储存起来，在用电量需求大的时候补充进电网。储能技术能够维持电力系统稳定运行，避免因为用电量波动对电网的冲击。在用户方面，用户可以根据电价的谷峰值来选择电能的储存和释放，提高电力的经济效益。

应对这一需求，研究人员开发出了多种储能技术，主要有抽水电站储能系统、压缩空气储能系统、飞轮储能系统、蓄电池储能系统、超导磁能储能系统和超级电容等。但由于能量密度、效率、寿命，运行费用等原因，迄今大规模应用的仅有抽水电站储能系统及压缩空气储能系统两种。

抽水电站储能系统具有技术成熟、效率高、容量大等优点，是目前应用最广泛的电力储能系统。但是抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造水库及水坝，选址困难，同时建设周期长、投资大，因此受到很多限制。

而压缩空气储能系统，通过将空气压缩以储存储能，在需要时，将高压空气释放通过膨胀机做功发电。一般压缩空气储能系统需要将空气压缩至7Mpa～10Mpa，由于制作大容积的高压储罐所需的技术难度及成本都非常巨大，因而通常需要洞穴、矿井等特殊地形条件来实现空气存储，这极大的限制了压缩空气储能的发展；另一方面，压缩空气在释放过程中压力不断减小，为保证膨胀机稳定运行，需要通过稳压装置将高压空气节流后降压后使用，这一过程浪费了大量的压缩能。

鉴于上述已有储能技术的局限，本发明提供一种正逆有机朗肯循环储能方法。本方法利用有机工质的相态变化，有机工质的压缩与膨胀均在稳定工况下运行，可保证电能连续、稳定的储存与释放，其蓄能密度大，储能效率高。

发明内容

本发明目的在于针对现有储能技术的不足，而提供一种正逆有机朗肯循环储能的方法及系统，可实现电能连续、稳定的储存与释放，起到电网削峰填谷或利用峰谷电价差，获得经济效益的作用。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的正逆有机朗肯循环储能的方法，其包含储能过程与发电过程；

所述储能过程为逆向朗肯循环：低压工质储罐中的低压气相有机朗肯工质经压缩机增压后进入高压工质储罐中，同时低压工质储罐中的低压液相有机朗肯工质从布置于低压工质储罐中的低温相变材料吸热得到蒸发，而低温相变材料放热凝结；另一方面，增压后的高压气相有机朗肯工质进入高压工质储罐后向布置于高压工质储罐中的高温相变材料5放热得到冷凝，而高温相变材料吸热融化；此逆向朗肯循环过程中将驱动压缩机的电量储存为高温相变工质及高压罐中有机工质的相变热；

所述发电过程为正向朗肯循环：高压工质储罐中的高压气相有机朗肯工质推动膨胀机做功后进入低压工质储罐，同时高压工质储罐中的液相有机朗肯工质从布置于高压工质储罐中的高温相变材料吸热得到蒸发，而高温相变材料放热凝结；另一方面，膨胀后的低压气相有机朗肯工质进入低压工质储罐后向布置于低压工质储罐中的低温相变材料放热得到冷凝，而低温相变材料吸热融化；此正向朗肯循环过程中将存储在高温相变工质及高压有机工质中的相变热转化为膨胀机的输出功而用于发电。

所述低温相变材料的凝固点在-10℃～32℃之间；所述高温相变材料5的凝固点在110℃～160℃之间。所述低压工质储罐及高压工质储罐外部包覆有绝热保温材料层。所述低压工质储罐中还包含一个通过进口管路及出口管路与外部环境相连通的空气换热器，以使低压工质储罐中工质与外界空气交换热量。所述高压工质储罐内的高压气相有机朗肯工质在进入膨胀机之前通过一个加热器进行加热；所述加热器的加热方式为太阳能加热、烟气余热加热或蒸汽余热加热。

本发明提供的正逆有机朗肯循环储能系统，其包括：

一由绝热保温材料层包覆的低压工质储罐，置于所述低压工质储罐内的低温相变材料；

一由绝热保温材料层包覆的高压工质储罐；置于所述高压工质储罐内的高温相变材料；

一压缩机；

一膨胀机；

一空气换热器；

第一～第四程控阀；

所述空气换热器置于所述低压工质储罐之中并通过进口管路及出口管路与外部环境相连通；

所述低压工质储罐的上端连接管路分为两路，一路通过第一程控阀与压缩机入口相连接，压缩机出口通过第二程控阀与高压工质储罐相连通；另一路通过第四程控阀与膨胀机出口相连接，膨胀机入口通过第三程控阀与高压工质储罐相连通。

本发明提供的正逆有机朗肯循环储能系统，还包括一加热器，所述加热器连接于所述第四程控阀与膨胀机入口之间的管路上。

本发明的有益效果是：

本发明利用有机工质及相变材料的相态变化，蓄能密度大，储能效率高；同时可使工质的压缩与膨胀均在稳定工况下运行，可保证电能连续、稳定的储存与释放；可避免目前压缩空气储能系统压力高、储气罐制作难度大、膨胀前的节流过程浪费压缩能的问题。

附图说明：

图1是本发明及实施例1的正逆有机朗肯循环储能系统的结构示意图。

图2是实施例2的正逆有机朗肯循环储能系统的结构示意图。

具体实施方式

图1和图2为本发明的正逆有机朗肯循环储能系统两个实施例所示的结构示意图。由图可知，本发明的正逆有机朗肯循环储能系统，其包括：

一由绝热保温材料层1包覆的低压工质储罐2，置于所述低压工质储罐2内的低温相变材料4；

一由绝热保温材料层1包覆的高压工质储罐3；置于所述高压工质储罐3内的高温相变材料5；

一压缩机7；

一膨胀机8；

一空气换热器6；

第一～第四程控阀（9,10,12和11）；

所述空气换热器6置于所述低压工质储罐2之中并通过进口管路及出口管路与外部环境相连通；

所述低压工质储罐2的上端连接管路分为两路，一路通过第一程控阀9与压缩机7入口相连接，压缩机7出口通过第二程控阀10与高压工质储罐3相连通；另一路通过第四程控阀12与膨胀机8出口相连接，膨胀机8入口通过第三程控阀11与高压工质储罐3相连通。

本发明提供的正逆有机朗肯循环储能系统，还包括一加热器13，所述加热器13连接于所述第四程控阀11与膨胀机8入口之间的管路上。

实施例1：为应用本发明方法的正逆有机朗肯循环储能系统，如图1所示：

正逆有机朗肯循环储能系统包括通过管路相连的低压工质储罐2及布置于其中的低温相变材料4、空气换热器6，高压工质储罐3及布置于其中的高温相变材料5，压缩机7，膨胀机8及第一至第四程控阀9、10、11、12，绝热保温结构层1为高、低压工质储罐提供保温。

本实施例1中进行正逆有机郎肯循环的有机工质为R245fa，低温相变材料选用相变温度为32℃的癸酸，高温相变材料选用低熔点合金，相变温度160℃。

高压工质储罐中压力为高温相变材料相变温度下的工质饱和压力3.9MPa。低压工质储罐中压力为低温相变材料相变温度下的工质饱和压力0.19MPa。

本实施例的逆向朗肯循环储能过程：第一程控阀9和第二程控阀10开启，第三程控阀12和第四程控阀11、关闭，压缩机7开启；低压工质储罐2中的低压气相工质被压缩机7抽出，液相低温工质蒸发以保持低压工质储罐2中压力稳定，同时低压工质储罐2中的液相低温相变工质4凝结放热，并调节空气换热器6中空气流量可保持低压工质储罐2中温度稳定；另一方面，经压缩机7压缩后的高压气相工质进入高压工质储罐3，在其中凝结成液体工质以保持高压工质储罐3中压力稳定，同时高压工质储罐3中的高温相变工质5融化吸热，保持高压工质储罐3中温度稳定；此逆向朗肯循环过程中将驱动压缩机的电量储存为高温相变工质及高压有机工质的相变热；

本实施例的正向朗肯循环发电过程：第四程控阀11和第三程控阀12开启，第一程控阀9和第二程控阀10关闭，膨胀机8开启，高压工质储罐3中的高压气相工质被膨胀机8抽出，液相工质蒸发以保持高压工质储罐3中压力稳定，同时高压工质储罐3中的高温相变工质5凝结放热，保持高压工质储罐3中温度稳定；另一方面，高压气相工质从高压工质储罐3出来后进入膨胀机8膨胀做功，随后进入低压工质储罐2，在其中凝结成液体以保持低压工质储罐2中压力稳定，同时低压工质储罐2中的低温相变工质4融化吸热，并调节空气换热器6中空气流量可保持低压工质储罐2中温度稳定；正向朗肯循环发电过程中可将存储在高温相变工质及高压有机工质中的相变热转化为膨胀功的输出功，用于生产电力。

本实施例的正逆有机朗肯循环储能系结构简单，在稳定工况下运行，可迅速在储能、发电之间切换，储能效率可达0.69。

实施例2：另一种应用本发明方法的正逆有机朗肯循环储能系统，如图2所示。

本实施例2与实施例1系统的不同之处在于：在高压工质储罐3与膨胀机8入口之间的管路上连接有一利用烟气余热的加热器13，其余部分与实施例1相同。

本实施例2中的有机工质为正戊烷，低温相变材料选用相变温度为21℃的石蜡，高温相变材料选用高密度聚乙烯，相变温度130℃。

高压工质储罐中压力为高温相变材料相变温度下的工质饱和压力1.1MPa。低压工质储罐中压力为低温相变材料相变温度下的工质饱和压力0.06MPa。储能时，压缩机消耗电能，将低压工质储罐中工质增压输送到高压工质罐中；发电时，高压工质罐中工质经加热器13加热至180℃后驱动膨胀机，然后进入低压工质储罐，膨胀机输出电能。

本实施例2中高压储罐压力仅为1.1MPa，减少了储罐制作难度及投资；利用了低品位的烟气余热能，储能效率约为0.60。

实施例3：

本实施例3：应用本发明方法的正逆有机朗肯循环储能系统与实施例1一样，如图1所示：

本实施例3中进行正逆有机郎肯循环的有机工质为异丁烷，低温相变材料选用相变温度为-10℃的乙二醇水溶液，高温相变材料选用聚酯热容棉，相变温度110℃。

高压工质储罐中压力为高温相变材料相变温度下的工质饱和压力1.8MPa。低压工质储罐中压力为低温相变材料相变温度下的工质饱和压力0.07MPa。储能时，压缩机消耗电能，将低压工质储罐中工质增压输送到高压工质罐中；发电时，高压工质罐中工质驱动膨胀机后进入低压工质储罐，膨胀机输出电能。

本实施例3的系统高压储罐压力为1.8MPa，相对较低，储能效率可达0.66。

本发明方法和系统使用的工质不限于实施例中所涉及的工质，只要是有机朗肯循环工质均可。

Claims (7)

1.一种正逆有机朗肯循环储能的方法，其包含储能过程与发电过程；

所述储能过程为逆向朗肯循环：低压工质储罐中的低压气相有机朗肯工质经压缩机增压后进入高压工质储罐中，同时低压工质储罐中的低压液相有机朗肯工质从布置于低压工质储罐中的低温相变材料吸热得到蒸发，而低温相变材料放热凝结；另一方面，增压后的高压气相有机朗肯工质进入高压工质储罐后向布置于高压工质储罐中的高温相变材料放热得到冷凝，而高温相变材料吸热融化；此逆向朗肯循环过程中将驱动压缩机的电量储存为高温相变材料及高压罐中有机工质的相变热；

所述发电过程为正向朗肯循环：高压工质储罐中的高压气相有机朗肯工质推动膨胀机做功后进入低压工质储罐，同时高压工质储罐中的液相有机朗肯工质从布置于高压工质储罐中的高温相变材料吸热得到蒸发，而高温相变材料放热凝结；另一方面，膨胀后的低压气相有机朗肯工质进入低压工质储罐后向布置于低压工质储罐中的低温相变材料放热得到冷凝，而低温相变材料吸热融化；此正向朗肯循环过程中将存储在高温相变材料及高压有机工质中的相变热转化为膨胀机的输出功而用于发电。

2.按权利要求书1所述的正逆有机朗肯循环储能方法，其特征在于：所述低温相变材料的凝固点在-10℃～32℃之间；所述高温相变材料的凝固点在110℃～160℃之间。

3.按权利要求书1所述的正逆有机朗肯循环储能方法，其特征在于：所述低压工质储罐及高压工质储罐外部包覆有绝热保温材料层。

4.按权利要求书1所述的正逆有机朗肯循环储能方法，其特征在于：所述低压工质储罐中还包含一个通过进口管路及出口管路与外部环境相连通的空气换热器，以使低压工质储罐中工质与外界空气交换热量。

5.按权利要求书1所述的正逆有机朗肯循环储能方法，其特征在于：所述高压工质储罐内的高压气相有机朗肯工质在进入膨胀机之前通过一个加热器进行加热；所述加热器的加热方式为太阳能加热、烟气余热加热或蒸汽余热加热。

6.一种正逆有机朗肯循环储能系统，其包括：

一由绝热保温材料层包覆的低压工质储罐，置于所述低压工质储罐内的低温相变材料；

一由绝热保温材料层包覆的高压工质储罐；置于所述高压工质储罐内的高温相变材料；

一压缩机；

一膨胀机；

一空气换热器；

第一～第四程控阀；

所述空气换热器置于所述低压工质储罐之中并通过进口管路及出口管路与外部环境相连通；

所述低压工质储罐的上端连接管路分为两路，一路通过第一程控阀与压缩机入口相连接，压缩机出口通过第二程控阀与高压工质储罐相连通；另一路通过第四程控阀与膨胀机出口相连接，膨胀机入口通过第三程控阀与高压工质储罐相连通。

7.按权利要求6所述的正逆有机朗肯循环储能系统，其特征在于，还包括一加热器，所述加热器连接于所述第四程控阀与膨胀机入口之间的管路上。