CN104534731B - 一种冷热功储存与转换系统和方法 - Google Patents

一种冷热功储存与转换系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷热功储存与转换系统和方法，可以将电能、热能或其它富余的能量以为LiBr、LiCl、Ca2Cl的水溶液，或它们二者、或三者的混合溶液的形式储存、转换或运输，需要时，可利用渗透压原理通过单级或多级串联的阻尼渗透输出机械能、电能，或者通过反向电渗析输出电能，也可通过水的蒸发与浓溶液对水蒸汽的吸收作用以热能、冷能的形式输出供建筑或工艺加热、冷却之用。

Description

一种冷热功储存与转换系统和方法
技术领域
本发明涉及一种基于溶液及渗透压的储能系统。
背景技术
生产和生活中需要热能、电能、机械能等各种形式的能量。大多数情况下，用户对各种能量的需求和供能系统的额定输出能力之间总有一定差异，存在负荷的高峰和低谷，例如建筑物，夏季空调负荷在一天中是变化的，夜间和白天有较大差异，再如太阳能、风能等可再生能源，易受天气影响而时有时无；这样，就产生了储能的必要，出现了各种储能技术,获得了不同程度的应用。
目前的储能技术种类繁多，但大多局限于一种能量形式的储存与转化，即只能储电，或储冷、储热，而建筑及许多生产活动中，用能形式多样，对电力、热、冷等各种形式的能量都有需求，都有储存转化需要，目前的储能技术，尚不能实现多种能量形式的储存、转化。如各类电池只能将电力转化为化学能储存，需要时再转化为电能输出；近年来研究的压缩空气储能，可以将电能或机械能转化为压缩空气势能储存，需要时再转化为机械能或电能；空调系统中，夜间负荷较低时，利用廉价的低谷电制冰，白天空调负荷高峰时，通过融冰释放冷量供建筑物空调使用，等等。但是上述储能技术还不能实现多种形式能量的储存与转化。
近年来出现了一种利用溶液浓度差的能量转换与利用技术。在空调系统中，利用热能、电能等富余或廉价的能源将溶液浓缩，在空调高峰时用于处理空气，使空气中的水份被吸收、空气被干燥，从而实现空气湿度调节的功能；此外，在河流入海口处，则利用海水与河水的盐度差，通过渗透压方式发电。
空调系统中利用盐溶液浓差储能密度高，提高了空调系统能源利用效率，但目前的溶液储能技术还仅限于储存热能，进行冷热转换利用，而建筑物往往同时有热能和电能的需求，目前的溶液储能不能满足建筑物对热能、电能的储存和相互转化利用的需求，在不需要供热空调、但需要电力的时候这套系统不能发挥作用；在热电联产等分布式能源系统中，目前的溶液储能空调系统也很难通过蓄能对机组热、电出力进行储存、转换或调节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种冷热功储存与转换系统和方法，将电能、热能或其它富余的能量以溶液形式储存并根据需要转化为热能、机械能或电能输出，可用于空调制冷、余热回收等能量转化与利用领域。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种冷热功储存与转换系统，包括溶液储能模块和溶液释能模块，所述溶液储能模块包括稀溶液储罐、溶液蒸发装置、浓溶液储罐及冷剂水储罐，所述稀溶液储罐中的稀溶液送入溶液蒸发装置蒸发，蒸发出的水蒸汽冷却变为液体后储存在冷剂水储罐中，稀溶液蒸发被浓缩成浓溶液后送入浓溶液储罐中；所述溶液释能模块统包括闭式制冷制热释能装置、开式溶液除湿释能装置、机械功转换释能装置，所述制冷制热释能装置利用溶液储能模块中储存的能量制冷或者制热，所述开式溶液除湿释能装置利用溶液直接与空气接触对空气进行干燥除湿，所述机械功转换释能装置利用溶液储能模块储存的能量通过阻尼渗透或反向电渗析直接输出机械功或者再进一步转换为电能。
优选的，所述机械功转换释能装置为阻尼渗透释能装置，所述阻尼渗透释能装置包括渗透膜组件、水力透平，所述浓溶液储罐中的浓溶液先经功回收器加压后再经高压溶液泵升压后进入渗透膜组件的浓溶液通道，冷剂水储罐中的冷剂水加压至一定压力后进入渗透膜组件的稀溶液通道，水分子向渗透膜的浓溶液通道渗透，使浓溶液通道内压力升高，浓溶液通道与水力透平相连，一部分高压液体通过水力透平膨胀对外作功，另一部分高压液体通过功回收器对浓溶液进行加压。
优选的，所述的渗透膜组件采用多级串联结构。
优选的，所述机械功转换释能装置为反向电渗析释能装置，所述反向电渗析释能装置包括离子交换膜组件，淡水或稀溶液储罐中的稀溶液由泵打入离子交换膜组件中由阴阳离子交换膜相隔构成的稀溶液通道中，浓溶液储罐中的浓溶液由泵打入离子交换膜组件的浓溶液通道中，阴阳离子分别向交换膜两侧的稀溶液通道扩散，在一侧电极通道内阳离子通过离子交换膜向膜外侧扩散、通道内阴离子富集呈负电势，在相邻的电极通道内，阳离子通过离子交换膜向通道内扩散、通道内阳离子富集呈正电势，正负电极间接入电力负载控制系统构成回路输出电力。
优选的，所述的离子交换膜组件采用多级串联结构。
优选的，所述制冷制热释能装置包括第一换热管束和第二换热管束，浓溶液储罐中的浓溶液经溶液泵布洒在第一换热管束外表面，冷剂水储罐中的水经节流阀布洒在第二换热管束外表面蒸发、变成水蒸汽，被第一换热管束表面的浓溶液吸收；
制冷时，第一换热管束内通入冷却水，吸收管外溶液吸收水蒸气产生的吸收热，为溶液降温，降低溶液蒸汽压力，第二换热管束内通入空调冷冻水，被第二管束表面蒸发汽化的冷剂水冷却、降温；
制热时，第二换热管束内通入低温介质，使外表面的冷剂水蒸发、汽化，产生的水蒸汽被布洒在第一换热管束外表面的溶液吸收、放出吸收热使第一管束内的介质被加热、升温。
优选的，该冷热功储存与转换系统使用的溶液为LiBr、LiCl、Ca2Cl的水溶液，或上述任意二者、三者的混合溶液。
一种冷热功储存与转换方法，所述闭式制冷制热释能装置、开式溶液除湿释能装置、机械功转换释能装置可根据需要单独或串联或并联组合运行：当空调负荷高峰时，闭式制冷制热释能装置或开式溶液除湿释能装置单独或二者串联、并联组合运行、释放能量供建筑物供热空调使用；当空调负荷较低或只需要电力时，机械功转换释能装置利用溶液储能模块储存的能量直接输出机械功或者再进一步转换为电能；当同时需要空调、电力时，闭式制冷制热释能装置、开式溶液除湿释能装置、机械功转换释能装置可组合运行：浓溶液先进入闭式制冷制热释能装置释放冷量，从闭式制冷制热释能装置出来的溶液再进入开式溶液除湿释能装置处理空气，从开式溶液除湿释能装置出来的溶液再进入机械功释能单元输出机械功或电力；或者仅闭式制冷制热释能装置与机械功转换释能装置组合运行，或者开式溶液除湿释能装置与机械功转换释能装置组合运行。
本发明为解决目前空调储能技术的不足，设计了基于溶液及半透膜的联合储存系统，可以将电能、热能或其它富余的能量以为LiBr、LiCl、Ca2Cl的水溶液，或它们二者、或三者的混合溶液的形式储存、转换或运输，需要时，可利用渗透压原理通过单级或多级串联的阻尼渗透输出机械能、电能，或者通过反向电渗析输出电能，也可通过水的蒸发与浓溶液对水蒸汽的吸收作用以热能、冷能的形式输出供建筑或工艺加热、冷却之用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1是本发明设计的储能系统及储能过程工作原理图；
图2是本发明设计的储能系统中，基于阻尼渗透的释能系统工作原理图；
图3a是本发明设计的串联的阻尼渗透释能系统原理图；
图3b是本发明设计的另一种串联阻尼渗透释能系统的原理图；
图4是本发明设计的基于吸收式制冷制热的释能系统原理图；
图5是本发明设计的基于反向电渗析的释能系统工作原理图；
图6是本发明设计的串联反向电渗析释能系统的原理图；
图7a是本发明设计的溶液储能模块与溶液除湿系统集成示意图一；
图7b是本发明设计的溶液储能模块与溶液除湿系统集成示意图二；
图1中，1.浓溶液储罐，2，4.溶液泵，3.发生器，5.稀溶液储罐，6.冷剂水储罐；图2中，7.高压溶液泵，8.渗透膜组件，9.功回收器，10.水力透平；图3a\图3b中，81，82，83，84，85渗透膜组件，101，102，103，104，105.水力透平；图5、6中，11.电力负载控制系统，12.循环泵，13，14.电极，15.离子交换膜组件；图7a\图7b中，71，72，73.填料单元，74.填料塔。
具体实施方式
如图1至图7所示，一种冷热功储存与转换系统，包括溶液储能模块和溶液释能模块，所述溶液储能模块包括稀溶液储罐5、溶液蒸发装置、浓溶液储罐1及冷剂水储罐6，溶液蒸发装置采用发生器3，所述稀溶液储罐中的稀溶液送入溶液蒸发装置蒸发，蒸发出的水蒸汽冷却变为液体后储存在冷剂水储罐中，稀溶液蒸发被浓缩成浓溶液后送入浓溶液储罐中；所述溶液释能模块包括制冷制热释能装置、机械功转换释能装置，所述制冷制热释能装置利用溶液储能模块中储存的能量制冷或者制热，所述机械功转换释能装置利用溶液储能模块储存的能量直接输出机械功或者再进一步转换为电能。
如图1所示，溶液储能模块储能运行时，稀溶液由溶液泵4送入发生器3内，布洒到发生器内换热管束外表面，被管内的热媒加热，水分被蒸发，蒸发出的水蒸汽被热媒冷却，变为液体后，储存在冷剂水储罐中。
稀溶液被浓缩成浓溶液后，由溶液泵2送入浓溶液储罐1中，为改善加热效果，部分浓溶液回流布洒到中部换热管束表面。其中换热管内热媒可以是热水、水蒸汽、制冷剂压缩机或空压机压缩机排气、高温烟气等等。热媒可为冷却水、低压制冷剂或其它液体、气体。
如图2所示，溶液释能模块为阻尼渗透释能装置，浓溶液储罐1中的浓溶液先经功回收器9加压后再经高压溶液泵7升压后进入渗透膜组件8的浓溶液通道，冷剂水储罐中的淡水(或其它浓度较低的稀溶液)加压至一定压力后进入渗透膜组件8的淡水(或稀溶液)通道，水分子向渗透膜的浓溶液通道渗透，使膜组件浓溶液通道内压力升高，浓溶液通道与水力透平10相连，一部分高压液体通过水力透平膨胀对外作功，带动发电机发电或驱动水泵、风机、压缩机等。另一部分高压液体通过功回收器9对浓溶液进行加压。
渗透膜组件也可以采用多级串联结构，在图3a所示的串联阻尼渗透释能系统中，浓溶液储罐中的浓溶液经泵加压后进入渗透膜组件85的浓溶液通道；
来自水力透平104的溶液进入渗透膜组件85的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件85的浓溶液通道扩散，使浓溶液侧压力升高,浓溶液进入水力透平105膨胀作功后，进入渗透膜组件84的浓溶液通道；
来自水力透平103的溶液进入渗透膜组件84的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件84的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，溶液进入水力透平104膨胀作功后，进入渗透膜组件83的浓溶液通道；
来自水力透平102的溶液进入渗透膜组件83的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件83的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，浓溶液进入水力透平103膨胀作功后，进入渗透膜组件82的浓溶液通道；
来自水力透平101的溶液进入渗透膜组件82的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件82的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，浓溶液进入水力透平102膨胀作功后，进入渗透膜组件81的浓溶液通道；
来自冷剂水储罐的淡水经加压后进入渗透膜组件81的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件81的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，溶液进入水力透平101膨胀作功后，一部分进入渗透膜组件82的稀溶液通道，一部分进入稀溶液储罐。
图3b的另一种串联阻尼渗透释能系统中，浓溶液储罐中的浓溶液经泵加压后进入渗透膜组件85的浓溶液通道；
来自冷剂水储罐的淡水经加压后进入渗透膜组件85的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件85的浓溶液通道扩散，使浓溶液侧压力升高，浓溶液进入水力透平105膨胀作功后，进入渗透膜组件84的浓溶液通道；
来自冷剂水储罐的淡水经加压后进入渗透膜组件84的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件84的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，溶液进入水力透平104膨胀作功后，进入渗透膜组件83的浓溶液通道；
来自冷剂水储罐的淡水经加压后进入渗透膜组件83的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件83的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，浓溶液进入水力透平103膨胀作功后，进入渗透膜组件82的浓溶液通道；
来自冷剂水储罐的淡水经加压后进入渗透膜组件82的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件82的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，浓溶液进入水力透平102膨胀作功后，进入渗透膜组件81的浓溶液通道；
来自冷剂水储罐的淡水经加压后进入渗透膜组件81的稀溶液通道，其水分子向渗透膜组件81的浓溶液通道扩散，浓溶液侧压力升高，溶液进入水力透平101膨胀作功后，进入稀溶液储罐。
如图4所示，溶液释能模块为制冷制热释能装置，其为吸收式制冷制热释能系统中，浓溶液储罐中的浓溶液经溶液泵布洒在吸收器第一换热管束外表面，冷剂水储罐中的水经节流阀布洒在第二换热管束外表面蒸发、变成水蒸汽，被第一换热管束表面的浓溶液吸收。
制冷时，第一换热管束内通入冷却水，吸收管外溶液吸收水蒸气产生的吸收热，为溶液降温，降低溶液蒸汽压力，第二换热管束内通入空调冷冻水，被第二换热管束表面蒸发汽化的冷剂水冷却、降温；制热时，第二换热管束内通入低温热水或其它低温介质，使外表面的冷剂水蒸发、汽化，产生的水蒸汽被布洒在第一换热管束外表面的浓溶液吸收、放出吸收热使第一换热管束内的介质被加热、升温。
如图5所示，机械功转换释能装置为反向电渗析释能装置，淡水或稀溶液由泵打入离子交换膜组件15中由阴阳离交换膜相隔构成的稀溶液通道中，储罐中的浓溶液由泵打入离子交换膜组件15的浓溶液通道中，阴阳离子分别向交换膜两侧的稀溶液通道扩散，在电极13的通道内阳离子通过离子交换膜向膜外侧扩散、通道内阴离子富集呈负电势，电极14相邻的通道内，阳离子通过离子交换膜向通道内扩散、通道内阳离子富集呈正电势，两电极间接入电力负载控制系统11，构成回路，输出电力。
在图6所示的串联反向电渗析释能系统中，浓溶液从离子交换膜组件15中出来后，进入下一级离子交换膜的浓溶液通道，与淡水或稀溶液进行离子交换，产生电能。
在图7a所示的系统中，溶液储能模块与溶液除湿系统集成。浓溶液储罐或稀溶液储罐中的溶液由溶液泵打入填料单元，依次流经填料单元73、72、71，湿空气则依次流过填料单元71、72、73，空气中的水蒸汽被溶液吸收，空气被干燥除湿。吸湿后的溶液可以再进入阻尼渗透系统或反向电渗析释能系统，进一步释放并输出能量；
在图7b所示的系统中，浓溶液储罐或稀溶液储罐中的溶液由溶液泵打入填料塔74，从上向下流过填料塔内的填料单元，湿空气则从塔底进入，从下向上流过填料单元，与溶液逆流接触，空气中的水蒸汽被溶液吸收，空气被干燥除湿。吸湿后的溶液可以再进入阻尼渗透系统或反向电渗析释能系统，进一步释放并输出能量。

Claims (7)

1.一种冷热功储存与转换系统，其特征在于：包括溶液储能模块和溶液释能模块，所述溶液储能模块包括稀溶液储罐、溶液蒸发装置、浓溶液储罐及冷剂水储罐，所述稀溶液储罐中的稀溶液送入溶液蒸发装置蒸发，蒸发出的水蒸汽冷却变为液体后储存在冷剂水储罐中，稀溶液蒸发被浓缩成浓溶液后送入浓溶液储罐中；所述溶液释能模块统包括闭式制冷制热释能装置、开式溶液除湿释能装置、机械功转换释能装置，所述制冷制热释能装置利用溶液储能模块中储存的能量制冷或者制热，所述开式溶液除湿释能装置利用溶液直接与空气接触对空气进行干燥除湿，所述机械功转换释能装置利用溶液储能模块储存的能量通过反向电渗析输出电能，所述机械功转换释能装置为阻尼渗透释能装置，所述阻尼渗透释能装置包括渗透膜组件、水力透平，所述浓溶液储罐中的浓溶液先经功回收器加压后再经高压溶液泵升压后进入渗透膜组件的浓溶液通道，冷剂水储罐中的冷剂水加压至一定压力后进入渗透膜组件的稀溶液通道，水分子向渗透膜的浓溶液通道渗透，使浓溶液通道内压力升高，浓溶液通道与水力透平相连，一部分高压液体通过水力透平膨胀对外作功，另一部分高压液体通过功回收器对浓溶液进行加压。
2.根据权利要求1所述的一种冷热功储存与转换系统，其特征在于：所述的渗透膜组件采用多级串联结构。
3.根据权利要求1所述的一种冷热功储存与转换系统，其特征在于：所述机械功转换释能装置为反向电渗析释能装置，所述反向电渗析释能装置包括离子交换膜组件，淡水或稀溶液储罐中的稀溶液由泵打入离子交换膜组件中由阴阳离子交换膜相隔构成的稀溶液通道中，浓溶液储罐中的浓溶液由泵打入离子交换膜组件的浓溶液通道中，阴阳离子分别向交换膜两侧的稀溶液通道扩散，在一侧电极通道内阳离子通过离子交换膜向膜外侧扩散、通道内阴离子富集呈负电势，在相邻的电极通道内，阳离子通过离子交换膜向通道内扩散、通道内阳离子富集呈正电势，正负电极间接入电力负载控制系统构成回路输出电力。
4.根据权利要求3所述的一种冷热功储存与转换系统，其特征在于：所述的离子交换膜组件采用多级串联结构。
5.根据权利要求1所述的一种冷热功储存与转换系统，其特征在于：所述制冷制热释能装置包括第一换热管束和第二换热管束，浓溶液储罐中的浓溶液经溶液泵布洒在第一换热管束外表面，冷剂水储罐中的水经节流阀布洒在第二换热管束外表面蒸发、变成水蒸汽，被第一换热管束表面的浓溶液吸收；
制冷时，第一换热管束内通入冷却水，吸收管外溶液吸收水蒸气产生的吸收热，为溶液降温，降低溶液蒸汽压力，第二换热管束内通入空调冷冻水，被第二管束表面蒸发汽化的冷剂水冷却、降温；
制热时，第二换热管束内通入低温介质，使外表面的冷剂水蒸发、汽化，产生的水蒸汽被布洒在第一换热管束外表面的溶液吸收、放出吸收热使第一管束内的介质被加热、升温。
6.根据权利要求1所述的一种冷热功储存与转换系统，其特征在于：该冷热功储存与转换系统使用的溶液为LiBr、LiCl、Ca2Cl的水溶液，或上述任意二者、三者的混合溶液。
7.一种冷热功储存与转换方法，其特征在于：闭式制冷制热释能装置、开式溶液除湿释能装置、机械功转换释能装置可根据需要单独或串联或并联组合运行：当空调负荷高峰时，闭式制冷制热释能装置或开式溶液除湿释能装置单独或二者串联、并联组合运行、释放能量供建筑物供热空调使用；当空调负荷较低或只需要电力时，机械功转换释能装置利用溶液储能模块储存的能量直接输出机械功或者再进一步转换为电能；当同时需要空调、电力时，闭式制冷制热释能装置、开式溶液除湿释能装置、机械功转换释能装置可组合运行：浓溶液先进入闭式制冷制热释能装置释放冷量，从闭式制冷制热释能装置出来的溶液再进入开式溶液除湿释能装置处理空气，从开式溶液除湿释能装置出来的溶液再进入机械功释能单元输出机械功或电力；或者仅闭式制冷制热释能装置与机械功转换释能装置组合运行，或者开式溶液除湿释能装置与机械功转换释能装置组合运行。
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