CN108151364B - 热泵式储能供电供热方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热泵式储能供电供热方法及装置，包括制冷储热模式和供热供电模式。在采用制冷储热模式时，常温工作气体经压缩机绝热压缩，再经蓄热系统进行等压放热，后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热，最后作为冷源供应释放到外界；其装置则沿工作气体的走向依次串联有进气装置、压缩机、换热器、蓄热系统、透平、换热器、蓄冷系统和出气装置。反之则为供热供电模式。本发明通过互为可逆的制冷储能和供电供热的方法及其装置，解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题，在储能供电的同时，应对诸如西部地区昼夜温差大的问题，日间为公司或工厂提供冷气而夜间供电的同时，为社区提供暖气。

Description

热泵式储能供电供热方法及装置

技术领域

本发明涉及一种储能的方法及其装置，特别是一种热泵式储能供电供热方法及装置。

背景技术

以太阳能以及风能为代表的绿色能源是能源发展的一个长期趋势，绿色能源具有环保且取之不尽的优势，然而由于绿色能源一般受到天气、季节，阳光等自然条件的影响，难以提供稳定的能源输出，从而很难输出与电网匹配的电力。因此现阶段绿色能源的弃风以及弃光问题非常严重。为了让绿色能源也能输出时间上分布均匀的电力，采取一定的储能技术，以空间换取时间是一个较好的解决方案。另一方面我国西北地区的日照和风力较强且人口较为稀少，太阳能与风能具有较大的应用前景。这些地方同时具有昼夜温差大的气温特点，因此储能的同时，开发冷气和供暖功能也是非常有必要的。同时储能供电对于西部欠发达地区而言，是一套经济实惠的能源解决方案。

储能可以分为物理储能与化学储能，化学储能通常容量较小，难以满足大型电站需求。传统的物理储能一般采用电加热蓄热介质的方式进行，由于一般的金属容器对高温蓄热介质的承受度有限，且受到部分蓄热介质腐蚀性的影响，因此储电效率相对而言比较低。

以熔盐储能为代表的物理储能相对而言具有低成本，高效率以及结构简单等特点。一般采用单罐熔盐储热或者双罐熔盐储热，目前主要以电加热方式或者通过电加热导热介质进行蓄热。但缺点是蓄热和发电之间的转换效率仍不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服传统电加热蓄热介质储能方式效率低下的缺点，同时解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题，提供一种高效的热泵式储能供电供热的方法及其装置。

这里我们考虑借鉴热力学中卡诺循环与逆卡诺循环互为可逆的原理，通过逆卡诺循环做功将低温热源的热量转移到高温热源实现储能，再通过高温热源的热量转移到低温热源时对外界做功实现释能发电。但现实中，卡诺循环和逆卡诺循环的物理过程难以实现，因而本发明利用逆布雷顿循环储能，正布雷顿循环发电，由于逆布雷顿循环与正布雷顿循环在理想情况下互为可逆，因此其理论储能后发电的转换效率一般来说优于直接电加热或电加热导热介质等传统方式。这种储能方式同时具备成本低廉的特点，熔盐成本很低，用不锈钢做容器成本也较低，工作介质可选用空气；储电的同时可以供应暖气和冷气。

由此，本发明提供一种热泵式储能供电供热方法，包括如下模式：

(1)制冷储热模式：常温工作介质经过压缩机绝热压缩之后，通过蓄热系统进行等压放热过程，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热，最后作为冷源供应释放到外界；

(2)供热供电模式：常温工作介质通过蓄冷系统进行等压放热，然后经过压缩机绝热压缩，继而通过蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平绝热膨胀对外做功，最后作为热源供应释放到外界。

所述常温工作介质包括在储能供电过程中可以维持气相的以空气为代表的单原子气体、以氩气、氮气或氦气为代表的单原子气体，以及以二氧化碳为代表的多原子气体，其中选用空气作为工作介质具有成本低廉、工作温度范围广，绝热指数高等优势

本发明还提供一种热泵式储能供电供热装置，包括沿工作介质的走向由管线依次串联的以下装置而形成两种排布方式：

(1)制冷储热模式：进气装置、压缩机、蓄热换热器、蓄热系统、透平、蓄冷换热器、蓄冷系统和出气装置。

(2)供热供电模式：进气装置、蓄冷换热器、蓄冷系统、压缩机、蓄热换热器、蓄热系统、透平和出气装置。

所述蓄热系统包括至少两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器。

所述蓄冷系统包括至少两个相互连通且内部蓄冷介质温度不同的蓄冷介质保温容器或者至少一个相互连通且内部蓄冷介质具有温差梯度的斜温层的蓄冷介质保温容器。

所述蓄热介质包括工作温度范围内表现为液相的熔融盐、导热油、溶液；蓄冷介质包括工作温度范围内表现为液相的导热油、防冻液以及溶液。

其中所述熔融盐为硝酸盐、氯盐、氟盐、碳酸盐以及硫酸盐的熔融液体。

所述导热油为烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、烷基联苯型导热油、联苯和联苯醚低熔混合物型导热油以及烷基联苯醚型导热油等其他比热容较大、化学性质稳定以及传热效果好的热载体油。

所述防冻液为包含水、乙二醇、甘油、甲醇以及乙醇中一种或几种的混合液体。

所述溶液为为包含水或者含碳化合物的液体混合物。

本发明克服传统电加热蓄热介质储能方式效率低下的缺点，通过结合单罐或双罐熔盐储热与热泵的原理，提供一种高效的储能供电供热的方法及其装置，该储能方法可以解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题，在储能供电的同时，应对诸如西部地区昼夜温差大的问题，日间为公司或工厂提供冷气同时夜间供电的同时，为社区提供暖气。

附图说明

图1为本发明制冷储热模式原理图。

图2为本发明供热供电模式原理图。

图3为按照本发明的一实施例在制冷储热模式下的示意图。

图4为按照本发明的一实施例在供热供电模式下的示意图。

附图标记说明：

1、进气装置

2、工作气体压缩机

3、低温熔盐罐

4、蓄热换热器

5、熔盐泵

6、高温熔盐罐

7、透平

8、低温防冻液罐

9、防冻液泵

10、蓄冷换热器

11、防冻液池

12、出/进气装置

13、出气装置

14、蓄热系统

15、蓄冷系统

具体实施方式

如图1所示，为本发明制冷储热模式原理图。系统自进气装置1从外界吸收干燥空气(以空气为例)作为工作介质，该工作气体进入压缩机2后做绝热压缩，将工作气体压缩为高温高压气体，高温高压气体从压缩机出口出来后进入蓄热换热器4，该蓄热换热器4将压缩机出口的高温工作气体的热量传递给蓄热系统14，使得高温工作气体温度降低，另一方面蓄热系统14内的蓄热介质被加热。工作气体经过换热降温以后，进入透平7后做绝热膨胀，按照一定的压缩比，将高温高压工作气体膨胀为低温常压工作气体，低温气体从透平出口出来后进入蓄冷换热器10，该蓄冷换热器10通过透平出口的低温工作气体吸收蓄冷系统15中的蓄冷介质的热量，使得低温工作气体温度升高，另一方面蓄冷介质的温度则降低。由于换热温差的存在，蓄冷换热器10出口的工作气体温度低于常温，因此可以算作冷气，根据需求自出/进气装置12排出,供应给办公楼和工厂。

而对于供热供电模式，则如图2所示，其正好与制冷储热模式相反，系统自出/进气装置12从外界吸收干燥空气作为工作气体，工作气体首先进入蓄冷换热器10进行换热，该蓄冷换热器10通过蓄冷系统15中的蓄冷介质吸收常温工作气体的热量，使得工作气体温度降低，另一方面蓄冷系统15中的低温蓄冷介质升温。工作气体经过换热降温以后，进入压缩机2做绝热压缩，而将工作气体压缩为高温高压气体，气体从压缩机2出口出来后进入蓄热换热器4，该换热器将蓄热系统14内的蓄热介质的热量传递给压缩机出口的工作气体，使得工作气体温度升高，另一方面蓄热介质降温。工作气体经过换热升温以后，进入透平做绝热膨胀，将高温高压工作气体膨胀为低温常压工作气体，此时工作气体仍然比常温高很多，因此可以算作为暖气，根据需求自出气装置13排出，供应给社区。

按照图1和图2所示的制冷储热和供热供电模式，图3和图4给出了一种热泵式储能供电供热装置的实施例。该装置的蓄热系统14和蓄冷系统15均为双罐系统。其中，蓄热系统14包括高温容器——此处为高温熔盐罐6与低温容器——此处为低温熔盐罐3，两容器体均采用耐高温耐腐蚀的不锈钢材料外加保温层制作，低温容器温度维持在高温容器温度维持在容器体内采用熔盐或导热油作为蓄热介质；而蓄冷系统15则由常温池——此处为防冻液池11与低温容器——此处为低温防冻液罐8组成，低温容器体外加保温层，低温容器温度维持在T₀，常温容器温度维持在常温T₁，容器体内蓄冷介质以汽车防冻液为例。一般来说高温熔盐对金属有较高的腐蚀性，因此本实施例中熔盐温度控制在700摄氏度。当然熔盐温度也可以控制在更高的温度，但其对材料要求较高，成本也会相应增加。

如图3所示，在制冷储热模式下，双罐系统自进气装置1从外界吸收一定流量的温度为T₁的干燥空气作为工作气体，该工作气体进入压缩机2后做绝热压缩，对于给定压缩比P，将工作气体压缩为高温高压气体，这里的压缩机并非理想压缩机，应考虑绝热效率η_c和多变效率η_cp，气体从压缩机出口出来后温度升高为 然后工作气体进入蓄热换热器4，该蓄热换热器4将压缩机2出口的高温工作气体的热量传递给低温熔盐罐3中的低温熔盐，使得高温工作气体温度从降低到另一方面低温熔盐从温度被加热到后经熔盐泵5进入高温熔盐罐6中。工作气体经过换热降温以后，进入透平7做绝热膨胀，按照一定的压缩比，将高温高压工作气体膨胀为低温常压工作气体，这里的透平7并非理想透平，应考虑绝热效率η_t和多变效率η_tp，气体从透平7出口出来后温度降低为然后工作气体进入蓄冷换热器10，该换热器10通过透平7出口的低温工作气体吸收冷却液池一一此处是防冻液池11中的常温防冻液的热量，使得低温工作气体温度从T_0C1升高到T_1c1，另一方面常温防冻液的温度从T₁降温到T₀后经防冻液泵9进入低温冷却液罐——此处为防冻液罐8中。

由于换热温差的存在，蓄冷换热器10出口的工作气体温度低于常温，因此可以算作冷气，以温度T_cold根据需求自出/进气装置12排出，供应给办公楼和工厂。

而对于供热供电模式，如图4所示，其正好与制冷储热模式相反，系统自出/进气装置12从外界吸收一定流量的温度为T_1c2＝T₁的干燥空气作为工作气体，工作气体首先进入蓄冷换热器10进行换热，该换热器10通过低温防冻液容器8中的低温防冻液吸收常温工作气体的热量，使得工作气体温度从常温降低到T_0c2，另一方面低温防冻液容器8中温度为T₀的低温防冻液，被升温到T₁，经防冻液泵9进入常温防冻液池11。工作气体经过换热降温以后，进入压缩机2做绝热压缩，对于给定压缩比P′，将工作气体压缩为高温高压气体，这里的压缩机同样并非理想压缩机，同样应考虑绝热效率η_c和多变效率η_cp，气体从压缩机2出口出来后温度升高为然后工作气体进入蓄热换热器4，该换热器将高温熔盐罐6中的高温熔盐的热量传递给压缩机2出口的工作气体，使得工作气体温度从升高到另一方面温度为的高温熔盐被降温到经熔盐泵5进入低温熔盐罐3中。工作气体经过换热升温以后，进入透平7做绝热膨胀，按照一定的压缩比，将高温高压工作气体膨胀为低温常压工作气体，这里的透平7同样并非理想透平，同样应考虑绝热效率η_t和多变效率η_tp，气体从透平7出口出来后温度降低为为κ为绝热指数，π为供热供电模式的压缩比)，此时工作气体仍然比室温高很多，因此可以算作为暖气，以温度T_hot根据需求自出气装置13排出，供应给社区。

本发明的蓄热换热器4应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为15度-30度。对于制冷储能模式以及供电供热模式，参见如下温度关系，

本发明的蓄冷换热器10应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为15度-30度。对于制冷储能模式以及供电供热模式，其温度关系如下，

T_0c1＝T₀-ΔT

T_0c2＝T₀+ΔT

本发明中工作气体压缩机2并非理想压缩机，应考虑绝热效率η_c和多变效率η_cp均小于1，对于制冷储能模式以及供电供热模式，工作气体压缩机2进出口温度关系为：

本发明中透平7并非理想透平，应考虑绝热效率η_t和多变效率η_tp均小于1，对于制冷储能模式以及供电供热模式，透平7进出口温度关系为：

本发明中供电供暖模式下工作气体压缩机2以及透平7的压缩比由压缩机绝热效率以及出入口温度决定

本发明中制冷储能循环的制冷系数可以由工作气体压缩机2、透平7以及各工作点温度计算得到

上式中，Q---工作气体单位时间吸收的热量，单位：J

W---工作气体单位时间对外作的功，单位：J

T---温度，单位：K

η_c-----压缩机绝热效率

ηt----透平绝热效率

κ为绝热指数，其中空气的κ＝1.4，氦气的κ＝1.66

π为增压比

本发明中供电供暖模式下的热机效率由工作气体压缩机2、透平7以及各工作点温度计算得到

本发明中系统储能综合效率由制冷储能循环的制冷系数、供电供暖模式下的热机效率以及换热器换热决定。

本发明中可提供的冷气的等效制冷功率为

本发明中可提供的暖气的功率为

本发明中熔盐储罐以及所需要的熔盐量根据储电容量W_all决定

上式中，W_all-----储电容量，单位：J/K或MW·H

C-----比热容，单位：J/(kg·K)

M-----熔盐总质量，单位：Kg或t

V---熔盐总体积，单位：m³

本发明中防冻液储罐以及所需要的防冻液量根据储电容量W_all决定

M′-----防冻液总质量，单位：Kg或t

V′---防冻液总体积，单位：m³

本发明中工作气体流量由储能功率决定，进气装置需设置为根据输入功率自动控制进气流量，以保证储能循环的畅通。工作气体流量为

本发明中装置出口温度如下

T_cold＝T₁-ΔT

本发明中，工作气体的管道需密封处理，且可以耐受至少30Bar的压力以及600度高温。

根据以上公式，试举一实例说明：

对于制冷储能模式，可以先固定低温防冻液罐8的温度,对于给定压缩比22，进气装置从外界吸入干燥工作气体(假设常温为20度)作为工作气体，然后工作气体经过压缩机绝热压缩做功4.42MW之后，根据压缩机的绝热效率和压缩比可以计算得到比理想出口温度略高的482度，工作气体从压缩机出来后与熔盐储罐进行换热，将低温166度熔盐罐3中的熔盐加热至高温467度熔盐的温度，工作气体经等压放热-2.88MW后，温度降低到181度。工作气体经过与熔盐储罐换热之后，进入透平7绝热膨胀对外做功-2.42MW，此时透平7出口温度为-72度，工作气体从透平出来后与防冻液罐进行换热，将高温20度的防冻液罐11中的防冻液降温至低温-57度的防冻液温度,工作气体经等压吸热0.88MW后,温度升高到5度，此时工作气体温度低于环境温度15度，作为冷气供应，冷气功率为0.14MW。

由此可知，制冷储能模式下，当输入功率为2MW时，熔盐储热2.88MW，防冻液蓄冷0.88MW，释放冷气0.14MW。

对于供电供暖模式，使用与制冷循环不同的压缩比7.11以使整个循环自洽，工作气体从蓄冷换热器10出来后，根据换热器温差15度，温度为-42度，释放热量-0.74MW，然后工作气体经过压缩机2绝热压缩做功1.85之后，达到出口温度151度，工作气体从压缩机2出来后与熔盐储罐进行换热，将高温467度的熔盐罐6中的熔盐降温至低温166度熔盐的温度，工作气体经等压放热后，温度升高到452度。工作气体经过蓄热换热器4换热2.88MW以后，进入透平7绝热膨胀对外做功-2.83MW，达到出口温度156度，工作气体从透平出来以后，其温度比环境温度高出136度，作为暖气供应给社区，供暖功率为1.3MW。

由此可知，供电供暖模式下，供电功率为0.98MW，消耗熔盐蓄热2.88MW，消耗防冻液蓄冷0.74MW，释放暖气功率为1.3MW。

上述实施例中，工作气体均为空气，也可以更换为任何在工作温度下不会相变的气体，如二氧化碳。一般来说单原子气体由于绝热指数较高，有助于提高系统工作效率，如氩气、氮气或氦气。但由于成本问题，单原子气体应进行回收利用以降低成本，空气作为双原子气体，是非常容易获取的零成本工作气体，本发明出于简化系统以及优化成本的考虑采用空气作为工作气体。

上述实施例中，蓄热系统采用双罐蓄热介质，也可以简化为单罐形式或多罐形式。蓄热系统在制冷储热模式或供热供电时，通过蓄热介质在不同温度的蓄热介质保温容器之间流动或者容器内蓄热介质的斜温层的移动进行蓄热或释热。单罐难以形成有效的大温差，相对而言双罐储热有助于提高储能的效率与容量。另一方面蓄热介质可以为在工作温度范围内表现为液相的熔融盐，如硝酸盐、氯盐和氟盐，其中硝酸盐具有较低的成本以及较宽的工作温度，可工作在150℃～600℃，相对而言，是一种良好的蓄热介质；氯盐和氟盐一般在400℃以上工作。另一方面还可以是导热油，对于蓄热温度较低，可以采用导热油，例如烷基苯型导热油沸点在170～180℃，烷基萘型导热油沸点在240～280℃，烷基联苯型导热油沸点>330℃，联苯和联苯醚低熔混合物型导热油使用温度可达400℃，烷基联苯醚型导热油使用温度最高不超过330℃。当然蓄热介质还可以是包含水或者含碳化合物的液体混合物溶液。

上述实施例中，蓄冷系统也采用双罐蓄冷介质，也可以简化为单罐形式或多罐形式。蓄冷系统在制冷储热模式或供热供电时，通过蓄冷介质在不同温度的蓄冷介质保温容器之间流动或者容器内蓄冷介质的斜温层的移动进行蓄冷或释冷。低温防冻液罐，主要作用是作为整个系统的低温热源。防冻液具有较低的熔点，为包含水、乙二醇、甘油、甲醇以及乙醇中一种或几种的混合液体，因此适合用于蓄冷以获得较低的温度点T₀，事实上防冻液也可以更换为其他介质，例如水或导热油，甚至蓄热砖。水的熔点温度也低于熔盐温度，可以作为低温热源，水的成本也较低，由于这里对水的纯度要求不高，因此甚至可以使用零成本的天然降水。防冻液虽然有一定的成本，但是可以有效提高整个系统的储能效率，因此本发明使用防冻液作为蓄冷介质。蓄冷介质还可以为包含水或者含碳化合物的液体混合物溶液。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (8)

1.一种热泵式储能供电供热方法，其特征在于，其包括如下模式：

(1)制冷储热模式：常温工作介质经过压缩机绝热压缩之后，通过蓄热换热器与蓄热系统进行等压放热过程，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过蓄冷换热器与蓄冷系统进行等压吸热，最后作为冷源供应释放到外界；

(2)供热供电模式：常温工作介质通过蓄冷换热器与蓄冷系统进行等压放热，然后经过压缩机绝热压缩，继而通过蓄热换热器与蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平绝热膨胀对外做功，最后作为热源供应释放到外界；

所述蓄热系统包括温度的低温蓄热介质保温容器和温度的高温蓄热介质保温容器；蓄热换热器在制冷储热模式下与低温蓄热介质保温容器换热，使得低温蓄热介质保温容器中的蓄热介质从温度加热到后进入高温蓄热介质保温容器中；蓄热换热器在供热供电模式下与高温蓄热介质保温容器换热，使得高温蓄热介质保温容器中的蓄热介质从温度降低到后进入低温蓄热介质保温容器中；

所述蓄冷系统包括温度T₀的低温蓄冷介质保温容器和温度T₁的常温蓄冷介质保温容器；蓄冷换热器在供热供电模式下与低温蓄冷介质保温容器换热，使得低温蓄冷介质保温容器中的蓄冷介质从温度T₀升高到T₁后进入常温蓄冷介质保温容器中；蓄冷换热器在制冷储热模式下与常温蓄冷介质保温容器换热，使得常温蓄冷介质保温容器中的蓄冷介质从温度T₁降低到T₀后进入低温蓄冷介质保温容器中。

2.根据权利要求1所述的热泵式储能供电供热方法，其特征在于，所述常温工作介质包括在储能供电过程中可以维持气相的空气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳。

3.一种利用权利要求1-2任一项所述的热泵式储能供电供热方法的热泵式储能供电供热装置，其特征在于:其包括沿工作介质的走向由管线依次串联的以下装置而形成两种排布方式：

(1)制冷储热模式：进气装置、压缩机、蓄热换热器、蓄热系统、透平、蓄冷换热器、蓄冷系统和出气装置；

(2)供热供电模式：进气装置、蓄冷换热器、蓄冷系统、压缩机、蓄热换热器、蓄热系统、透平和出气装置。

4.根据权利要求3所述的热泵式储能供电供热装置，其特征在于所述蓄热介质包括工作温度范围内表现为液相的熔融盐、导热油、溶液；蓄冷介质包括工作温度范围内表现为液相的导热油、防冻液以及溶液。

5.根据权利要求4所述的热泵式储能供电供热装置，其特征在于所述熔融盐为包含硝酸盐、氯盐或氟盐的液体。

6.根据权利要求4所述的热泵式储能供电供热装置，其特征在于所述防冻液为包含水、乙二醇、甘油、甲醇以及乙醇中一种或几种的混合液体。

7.根据权利要求4所述的热泵式储能供电供热装置，其特征在于所述溶液为包含水或者含碳化合物的液体混合物。

8.根据权利要求4所述的热泵式储能供电供热装置，其特征在于所述导热油包括烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、烷基联苯型导热油、联苯和联苯醚低熔混合物型导热油以及烷基联苯醚型导热油的其中一种的热载体油。