CN108204349B - 独立熔盐蓄热电站 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种独立熔盐蓄热电站，所述独立熔盐蓄热电站的热电转换装置包括至少一个热声转换模块和至少一个双向透平发电模块；所述热声转换模块通过声学谐振管首尾连接形成闭环；所述闭环内充满工质气体；所述双向透平发电模块设置于所述声学谐振管内或所述声学谐振管旁接的空腔管内；所述热声转换模块用于将热能转换为往复式的机械能；所述双向透平发电模块用于将所述往复式的机械能转换为电能。本发明采用的热声转换模块和双向透平发电模块不仅成本低，且由于结构简单、运行可靠，维护难度也较小。

Description

独立熔盐蓄热电站

技术领域

本发明涉及储能技术领域，更具体地，涉及一种独立熔盐蓄热电站。

背景技术

为了充分利用光伏电、风电和低谷电等不稳定或多余的电能，一般采用熔盐作为蓄热介质，将这些电能转化为热能存储于熔盐中。待需要用电时，再利用蒸汽轮机将热能转化为电能。

将热能转化为电能的过程中，蒸汽轮机需与蒸汽发生装置配套使用才可使用。但蒸汽轮机与蒸汽发生装置配套作为发电设备，存在制造成本高和维护难度大的问题。

发明内容

本发明提供一种独立熔盐蓄热电站，以克服现有技术中以蒸汽轮机与蒸汽发生装置配套作为发电设备存在制造成本高和维护难度大的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种独立熔盐蓄热电站，所述独立熔盐蓄热电站的热电转换装置包括至少一个热声转换模块和至少一个双向透平发电模块；所述热声转换模块通过声学谐振管首尾连接形成闭环；所述闭环内充满工质气体；所述双向透平发电模块设置于所述声学谐振管内或所述声学谐振管旁接的空腔管内；所述热声转换模块用于将热能转换为往复式的机械能；所述双向透平发电模块用于将所述往复式的机械能转换为电能。

其中，所述双向透平发电模块包括一个双向透平发电单元。

其中，所述双向透平发电单元包括双向透平、两个整流罩和至少一个旋转电机；所述双向透平、所述整流罩和所述旋转电机均设置于同一长轴上，所述长轴与所述双向透平发电单元所在的管道的中轴线平行；所述管道为声学谐振管或空腔管；所述双向透平包括动叶片和两个导流叶片；两个所述导流叶片分别设置于所述动叶片两侧；两个所述整流罩分别设置于所述双向透平两侧；所述旋转电机设置于任一所述整流罩内侧或外侧。

其中，所述导流叶片为固定式导流叶片或可调节式导流叶片。

其中，所述双向透平发电模块包括两个双向透平发电单元；所述两个双向透平发电单元相互隔离且沿所在声学谐振管或声学谐振管旁接的空腔管的中轴线方向并列设置。

其中，所述双向透平发电单元包括单向透平、一个整流罩、至少一个旋转电机和一对整流阀；所述单向透平、所述整流罩和所述旋转电机均设置于同一长轴上，所述长轴与所述双向透平发电单元所在的管道的中轴线平行；所述管道为声学谐振管或空腔管；所述单向透平包括动叶片和一个固定式导流叶片；所述导流叶片设置于所述动叶片进风一侧；所述整流罩设置于所述单向透平进风一侧；所述旋转电机设置于所述整流罩外部两侧或内部；所述一对整流阀分别设置于所述长轴两端外侧且开口方向一致；同一声学谐振管或空腔管内的两个所述双向透平发电单元对应的整流阀的开口方向相反。

其中，所述热声转换模块包括第一连接管、主冷却器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次冷却器和第二连接管；所述第一连接管、主冷却器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次冷却器和第二连接管依次直线连接；所述第一连接管和所述第二连接管均用于与所述声学谐振管连接；任一所述热声转换模块对应的第一连接管内设置有直流抑制器。

其中，所述双向透平发电模块靠近次冷却器设置。

本发明提出的独立熔盐蓄热电站，通过独立熔盐蓄热电站的热电转换装置包括至少一个热声转换模块和至少一个双向透平发电模块，热声转换模块通过声学谐振管首尾连接形成闭环，所述闭环内充满工质气体，双向透平发电模块设置于所述声学谐振管内或所述声学谐振管旁接的空腔管内，热声转换模块将热能转换为机械能，双向透平发电模块将机械能转换为电能，实现热电转换。本发明采用的热声转换模块和双向透平发电单元不仅成本低，且由于结构简单、运行可靠，维护难度也较小。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种热电转换装置结构示意图；

图2为根据本发明实施例的另一种热电转换装置结构示意图；

图3为根据本发明实施例的再一种热电转换装置结构示意图；

图4为根据本发明实施例的一种独立熔盐蓄热电站结构示意图；

图5为根据本发明实施例的另一种独立熔盐蓄热电站结构示意图；

图6为根据本发明实施例的双向透平发电单元的结构示意图；

图7为根据本发明实施例的管道内相互隔离并列设置的两个双向透平发电单元示意图；

图8为根据本发明实施例的热声转换模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

根据本发明的一个方面，提供一种独立熔盐蓄热电站，所述独立熔盐蓄热电站的热电转换装置10包括至少一个热声转换模块11和至少一个双向透平发电模块12；所述热声转换模块11通过声学谐振管20首尾连接形成闭环；所述闭环内充满工质气体；所述双向透平发电模块12设置于所述声学谐振管21内或所述声学谐振管21旁接的空腔管22内；所述热声转换模块11用于将热能转换为往复式的机械能；所述双向透平发电模块12用于将所述往复式的机械能转换为电能。

在本实施例中，热声转换模块11数目为一个时，声学谐振管20为一条。热声转换模块11的两端分别与声学谐振管20的两端连接。热声转换模块11数目为多个时，声学谐振管20也为多条，热声转换模块11与声学谐振管20数目相同，一一对应。每一热声转换模块11两端分别与两条声学谐振管20连接形成闭环。图1示出了包括三个热声转换模块且双向透平发电模块置于声学谐振管内的热电转换装置。图2示出了包括四个热声转换模块且双向透平发电模块置于声学谐振管内的热电转换装置。图3示出了包括三个热声转换模块且双向透平发电模块置于空腔管内的热电转换装置。热声转换模块11通过声学谐振管20连接形成的闭环具有良好的阻抗相位，可提高热电转换效率。

独立熔盐蓄热电站的热电转换装置为图1所示的热电转换装置时，独立熔盐蓄热电站的结构示意图如图4所示，包括：热电转换装置10、熔盐加热器30、高温熔盐灌40、低温熔盐灌50、控制器60以及电源70，所述热电转换装置10包括热声转换模块11和双向透平发电模块12；所述控制器60分别与所述电源70、所述熔盐加热器30、所述高温熔盐灌40、所述低温熔盐灌50、所述高温熔盐泵和所述低温熔盐泵连接；所述电源70与所述熔盐加热器30电连接；所述熔盐加热器30的进口与所述低温熔盐灌50的出口通过第一管道连接；所述熔盐加热器30的出口与所述高温熔盐灌40的进口通过第二管道连接；所述高温熔盐灌40的出口与所述低温熔盐灌50的进口通过第三管道连接；所述第三管道流经所述热电转换装置10的所述热声转换模块11，用于为所述热声转换模块11提供热能；所述热声转换模块11用于将所述热能转换为机械能；所述双向透平发电单元12用于将所述机械能转换为电能。

电源70可以为风力发电电站、光伏发电电站、智能电网储能电站或其他电力不稳定的发电站，也可以是城市低谷电。电源70用于为熔盐加热器30供电以加热熔盐加热器30中的熔盐。

熔盐加热器30采用蛇形圆管作为加热元件，蛇形圆管的外面有壳层，壳层上分别设有出口和进口。熔盐加热器30的进口和出口可分别设置温度传感器以监测进口和出口的温度。

高温熔盐灌40用于储存经熔盐加热器30加热升温后的高温熔盐。

低温熔盐灌50用于存储电站启动初期或运行期间经过热电转换装置10放热后的低温熔盐。高温熔盐灌40和低温熔盐灌50上分别可安装温度传感器、液位监测口和排盐口以分别用于实时检测高温熔盐灌40内熔盐的温度、监测液化的熔盐的液位和事故或常规检修时排放熔盐。

第一管道和第二管道上均可设置管路温度传感器、管路压力传感器和管路流量传感器以测量管道中输送的熔盐的温度、压力和流量。在第一管道上靠近低温熔盐灌50的一端设置有两台低温熔盐泵，在第三管道上靠近高温熔盐灌40的一端设置有两台高温熔盐泵，用于向外输送熔盐。熔盐泵采用一用一备的形式，防止由于熔盐泵故障而造成整个电站的意外事故发生。此外，在第三管道上靠近低温熔盐灌50的一端设置有温度传感器以检测进入低温熔盐灌50的熔盐的温度。

控制器60用于控制电站的工作状态，例如，熔盐的加热和运输。控制器60还可用于根据各传感器的数据调整熔盐加热器30的功率以及高温熔盐泵或低温熔盐泵的频率。

当电源70有电力输出需要储能时，首先从低温熔盐灌50中抽取低温熔盐(约为200℃左右)至熔盐加热器30，利用电源70为熔盐加热器30供电将低温熔盐加热至高温(约为500℃左右)，将热能存储至高温熔盐中并将高温熔盐输送至高温熔盐灌40中存储。当需要用电或用电高峰期时，将高温熔盐灌40中储存的高温熔盐输送至热声转换模块，为热声转换模块供热。热声转换模块11将热能转换为机械能，双向透平发电单元12将机械能转换为电能，实现热电转换。高温熔盐放热变为低温熔盐被输送至低温熔盐灌50，完成一次储能放能过程。

独立熔盐蓄热电站的热电转换装置为图2所示的热电转换装置时，独立熔盐蓄热电站的结构示意图如图5所示，具体结构和各部件的功能与图4所示的独立熔盐蓄热电站相近，在此不再复述。

本发明提出的独立熔盐蓄热电站，通过独立熔盐蓄热电站的热电转换装置包括至少一个热声转换模块和至少一个双向透平发电模块12，热声转换模块通过声学谐振管首尾连接形成闭环，述闭环内充满工质气体，双向透平发电模块12设置于所述声学谐振管或所述声学谐振管旁接的空腔管内，热声转换模块将热能转换为机械能，双向透平发电模块12将机械能转换为电能，实现热电转换。本发明采用的热声转换模块和双向透平发电单元不仅成本低，且由于结构简单、运行可靠，维护难度也较小。

作为一种可选实施例，所述双向透平发电模块12包括一个双向透平发电单元121。

作为一种可选实施例，所述双向透平发电单元121包括双向透平1211、两个整流罩1212和至少一个旋转电机1213；所述双向透平1211、所述整流罩1212和所述旋转电机1213均设置于同一长轴上，所述长轴与所述双向透平发电单元所在的管道的中轴线平行；所述管道为声学谐振管21或空腔管22；所述双向透平1211包括动叶片12111和两个导流叶片12112；两个所述导流叶片12112分别设置于所述动叶片12111两侧；两个所述整流罩1212分别设置于所述双向透平1211两侧；所述旋转电机1213设置于任一所述整流罩1212内侧或外侧。

图6示出了包括双向透平1211、两个整流罩1212和两个旋转电机1213的双向透平发电单元的结构。在本实施例中，双向透平1211可以为威尔斯透平或双向冲击式透平。双向透平1211可为单级透平，也可以为N级透平，N为大于1的整数。N级透平由单级透平串接而成，共同带动同一旋转轴单向旋转，驱动旋转电机1213发电。往复交替流动的工质气体在直接冲击双向透平1211时会导致工质气体动能的损失，进而会降低双向透平发电模块12的发电效率，因此，采取在双向透平1211两侧设置整流罩1212，用于调整双向透平1211处工质气体的流动，使得往复交替流动的工质气体的运动更加规律，以减少工质气体的动能损失。旋转电机1213可以置于整流罩1212内部，也可以置于整流罩1212外部。旋转电机1213置于整流罩1212外部时，可分别置于两个整流罩1212两侧，也可以置于任一整流罩1212的一侧。工质气体流经导流叶片12112后，产生的推力都使双向透平1211朝同一方向旋转，进而带动旋转电机1213的转子转动实现发电。

作为一种可选实施例，所述导流叶片12112为固定式导流叶片或可调节式导流叶片。

在本实施例中，固定式导流叶片在往复式流动的工质气体作用下叶片保持不动。可调节式导流叶片可根据往复式流动的工质气体流动的方向自动或被动换向，从而提高双向透平1211的效率。

作为一种可选实施例，所述双向透平发电模块12包括两个双向透平发电单元122；所述两个双向透平发电单元122相互隔离且沿所在声学谐振管21或声学谐振管21旁接的空腔管22的中轴线方向并列设置。

在本实施例中，图7示出了管道内相互隔离并列设置的两个双向透平发电单元122。将两个双向透平发电单元122相互隔离且沿所在的管道的中轴线方向并列设置，两个双向透平发电单元122不受对称结构与双向导叶限制，可显著提高效率。

作为一种可选实施例，所述双向透平发电单元122包括单向透平1221、一个整流罩1222、至少一个旋转电机1223和一对整流阀1224；所述单向透平1221、所述整流罩1222和所述旋转电机1223均设置于同一长轴上，所述长轴与所述双向透平发电单元122所在的管道的中轴线平行；所述管道为声学谐振管21或空腔管22；所述单向透平1221包括动叶片和一个固定式导流叶片；所述导流叶片设置于所述动叶片进风一侧；所述整流罩1222设置于所述单向透平1221进风一侧；所述旋转电机1223设置于所述整流罩1222内侧或外侧；所述一对整流阀1224分别设置于所述长轴两端外侧且开口方向一致；同一声学谐振管21内或空腔管22内的两个所述双向透平发电单元122对应的整流阀1224的开口方向相反。

图7示出了包括单向透平1221、一个整流罩1222、至少一个旋转电机1223和一对整流阀1224的双向透平发电单元122的结构。

在本实施例中，相较于双向透平，单向透平1221不受对称结构与双向导叶限制，可显著提高透平效率。单向流动的工质气体在直接冲击单向透平1221时会导致工质气体动能的损失，进而会降低双向透平发电模块12的发电效率，因此，采取在双向透平1221两侧设置整流罩1222，用于调整双向透平1221处工质气体的流动，使得单向流动的工质气体的运动更加规律，以减少工质气体的动能损失。设置于长轴两端外侧的开口方向一致的一对整流阀1224使得往复交替流动的工质气体被整流为单向流动，并驱动双向透平发电单元122发电。同一声学谐振管20内或空腔管22内的两个双向透平发电单元122对应的整流阀1224的开口方向相反，

作为一种可选实施例，所述热声转换模块11包括第一连接管、主冷却器111、回热器112、热端换热器113、热缓冲管114、次冷却器115和第二连接管；所述第一连接管、主冷却器111、回热器112、热端换热器113、热缓冲管114、次冷却器115和第二连接管依次直线连接；所述第一连接管和所述第二连接管均用于与所述声学谐振管连接；任一所述热声转换模块11对应的第一连接管内设置有直流抑制器80。

图8示出了热声转换模块的结构。在本实施例中，热端换热器113用于接受外部热量，主冷却器111用于带走回热器112的热量，从而在回热器112的轴向产生很大的温度梯度。被加热的工质气体在回热器112中产生热声振荡，把热能变成机械能，产生声功。热缓冲管用于实现热端换热器113与次冷却器115的热隔离，以减少热端换热器113向次冷却器115漏热，同时使得声功从高温区域向外传递。直流抑制器80用于抑制闭环内产生的质量流，提高转换效率。

作为一种可选实施例，所述双向透平发电模块12靠近次冷却器115设置。

在本实施例中，双向透平发电模块12靠近次冷却器115设置可最有效地利用热声转换模块产生的机械能，提高发电效率。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述独立熔盐蓄热电站的热电转换装置包括至少一个热声转换模块和至少一个双向透平发电模块；

所述热声转换模块通过声学谐振管首尾连接形成闭环；所述闭环内充满工质气体；所述双向透平发电模块设置于所述声学谐振管内或所述声学谐振管旁接的空腔管内；

所述热声转换模块用于将热能转换为往复式的机械能；所述双向透平发电模块用于将所述往复式的机械能转换为电能；

所述独立熔盐蓄热电站还包括熔盐加热器、高温熔盐灌、低温熔盐灌、控制器以及电源；所述控制器分别与所述电源、所述熔盐加热器、所述高温熔盐灌、所述低温熔盐灌、所述高温熔盐泵和所述低温熔盐泵连接；所述电源与所述熔盐加热器电连接；所述熔盐加热器的进口与所述低温熔盐灌的出口通过第一管道连接；所述熔盐加热器的出口与所述高温熔盐灌的进口通过第二管道连接；所述高温熔盐灌的出口与所述低温熔盐灌的进口通过第三管道连接；所述第三管道流经所述热电转换装置的所述热声转换模块，用于为所述热声转换模块提供热能；所述热声转换模块用于将所述热能转换为机械能；所述双向透平发电单元用于将所述机械能转换为电能；

所述双向透平发电模块包括两个双向透平发电单元；所述两个双向透平发电单元相互隔离且沿所在声学谐振管或声学谐振管旁接的空腔管的中轴线方向并列设置。

2.根据权利要求1所述的独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述双向透平发电模块包括一个双向透平发电单元。

3.根据权利要求2所述的独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述双向透平发电单元包括双向透平、两个整流罩和至少一个旋转电机；所述双向透平、所述整流罩和所述旋转电机均设置于同一长轴上，所述长轴与所述双向透平发电单元所在的管道的中轴线平行；所述管道为声学谐振管或空腔管；

所述双向透平包括动叶片和两个导流叶片；两个所述导流叶片分别设置于所述动叶片两侧；两个所述整流罩分别设置于所述双向透平两侧；所述旋转电机设置于任一所述整流罩内侧或外侧。

4.根据权利要求3所述的独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述导流叶片为固定式导流叶片或可调节式导流叶片。

5.根据权利要求1所述的独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述双向透平发电单元包括单向透平、一个整流罩、至少一个旋转电机和一对整流阀；所述单向透平、所述整流罩和所述旋转电机均设置于同一长轴上，所述长轴与所述双向透平发电单元所在的管道的中轴线平行；所述管道为声学谐振管或空腔管；

所述单向透平包括动叶片和一个固定式导流叶片；所述导流叶片设置于所述动叶片进风一侧；所述整流罩设置于所述单向透平进风一侧；所述旋转电机设置于所述整流罩内部或外部；所述一对整流阀分别设置于所述长轴两端外侧且开口方向一致；

同一声学谐振管或空腔管内的两个所述双向透平发电单元对应的整流阀的开口方向相反。

6.根据权利要求1-5任一所述的独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述热声转换模块包括第一连接管、主冷却器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次冷却器和第二连接管；所述第一连接管、主冷却器、回热器、热端换热器、热缓冲管、次冷却器和第二连接管依次直线连接；所述第一连接管和所述第二连接管均用于与所述声学谐振管连接；

任一所述热声转换模块对应的第一连接管内设置有直流抑制器。

7.根据权利要求6所述的独立熔盐蓄热电站，其特征在于，所述双向透平发电模块靠近次冷却器设置。

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