CN110206599A - 一种冷热电联储联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热电联储联供系统，该系统包括热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、供热回路和供冷回路。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并存储于储热储冷装置中；在用电时段，回路中的气体吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电，供给用户；在用热时段，供热回路通过换热器将储热装置内热能供给用户；在用冷时段，供冷回路通过换热器将储冷装置内热能供给用户。本发明的冷热电联储联供系统可以实现冷热电三种能量的同时存储与供应，满足用户的各种需要，该系统具有储能密度高、成本低、效率高、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。

Description

一种冷热电联储联供系统

技术领域

本发明属于能量储存技术领域，涉及一种冷热电联储联供系统，是一种基于热泵循环存储冷能和热能以及把利用所存储的冷能和热能能量产生电能，并且把电能、冷能和热能供给用户的系统。

背景技术

传统分布式供能的冷、热、电三联供系统一般包含发电、余热供热、余热制冷等环节。目前包含储冷储热的冷热电三联供系统也获得大量研究，但是考虑储电系统比较少，尤其是冷热电存储相互转化与联供的研究尚未见报道。

目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的99.5％。

抽水电站储能系统在电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。抽水电站储能系统技术上成熟可靠、效率高(～70％)、储能容量大等优点，目前已经广泛使用。但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长(一般约7～15年)，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造抽水电站储能系统受到了越来越大的限制。

传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高(50％～70％)和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低，难点是需要合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。

为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，最近几年国内外学者分别开展了先进绝热压缩空气储能系统(AACAES)、地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)的研究等，使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，需要大型的储气室。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明旨在提供一种冷热电联储联供系统，该系统包括热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、供热回路和供冷回路。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并存储于储热储冷装置中；在用电时段，回路中的气体吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电，供给用户；在用热时段，供热回路通过换热器将储热装置内热能供给用户；在用冷时段，供冷回路通过换热器将储冷装置内热能供给用户。本发明的冷热电联储联供系统可以实现冷热电三种能量的同时存储与供应，满足用户的各种需要，该系统具有储能密度高、成本低、效率高、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种冷热电联储联供系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、蓄冷器、低温换热器、蓄热器、低温泵、高温泵、高温换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，所述释能膨胀机组、释能压缩机组、发电单元依次传动连接，其特征在于，

所述系统整体可换分为热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、供热回路和供冷回路，各回路中充有循环气体工质，其中，

--所述热泵制热制冷储能回路，包括所述储能压缩机组、蓄热器、蓄冷器、储能膨胀机组，其中，所述储能压缩机组的排气口通过管线经所述蓄热器与所述储能膨胀机组的进气口连通，所述储能膨胀机组的排气口通过管线经所述蓄冷器与所述储能压缩机组的进气口连通；

--所述冷热能热机发电回路，包括所述释能压缩机组、蓄热器、蓄冷器、释能膨胀机组，其中，所述释能压缩机组的排气口通过管线经所述蓄热器与所述释能膨胀机组的进气口连通，所述释能膨胀机组的排气口通过管线经所述蓄冷器与所述释能压缩机组的进气口连通；

--所述供热回路，包括所述蓄热器、高温泵和高温换热器，所述蓄热器底部的一个出口通过管线依次经所述高温换热器的热侧、高温泵与所述蓄热器顶部的一个进口连通从而形成回路，所述高温换热器的冷侧通过管路与热用户连通；

--所述供冷回路，包括所述蓄冷器、低温泵和低温换热器，所述蓄冷器顶部的一个出口通过管线依次经所述低温换热器的冷侧、低温泵与所述蓄冷器底部的一个进口连通从而形成回路，所述低温换热器的热侧通过管路与冷用户连通。

优选地，所述系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐的进气口通过带有阀门的管线与所述蓄热器底部的一个出气口连通，所述缓冲罐的排气口通过带有阀门的管线与所述蓄冷器顶部的一个进气口连通。储能时，蓄热器流出的少量气体进入缓冲罐，以保证系统压力稳定；释能发电时，少量气体从缓冲罐流入系统，以保证系统压力稳定。

优选地，在用电低谷期，所述系统利用所述热泵制热制冷循环回路制备高温热能和低温冷能并分别存储于蓄热器和蓄冷器，具体为：所述驱动单元驱动所述储能压缩机组将常温低压的循环气体工质压缩至高温高压态；经过所述蓄热器将高温高压的循环气体工质的温度降低至常温，并将高温热能存储在所述蓄热器的蓄能介质中；室温高压的循环气体工质进一步经过所述储能膨胀机组至低温低压；低温低压的循环气体工质经过所述蓄冷器将低温低压的循环气体工质的温度升高至常温，并将低温冷能存储在所述蓄冷器的蓄能介质中；室温低压的循环气体工质重新进入所述储能压缩机组的入口参与循环，如此循环往复，不断将高温热能和低温冷能存储在所述蓄热器和蓄冷器的蓄能介质中。

进一步地，储能时，打开所述缓冲罐的进气管线上的阀门、关闭排气管线上的阀门，利用所述缓冲罐存储一定量的气体，以保证系统压力稳定。

优选地，在用电时，所述系统利用存储于蓄热器和蓄冷器的高温热能和低温冷能驱动热机循环发电，具体为：所述常温低压的循环气体工质经过所述蓄冷器，吸收低温冷能后温度降至低温低压，经过所述释能压缩机组将低温低压的循环气体工质压缩至常温高压态；经过所述蓄热器将室温高压的气体工质温度升高至高温；高温高压的循环气体工质进一步经过所述释能膨胀机组至常温低压；室温低压的气体工质重新进入所述蓄冷器的入口参与热机循环，所述释能膨胀机组驱动连接一发电单元，如此循环往复，不断将存储的高温热能和低温冷能通过热机循环转化为电能输出出来。

进一步地，释能时，打开所述缓冲罐的排气管线上的阀门、关闭进气管线上的阀门，缓冲罐存储的气体释放到系统循环中，以保证系统压力稳定。

优选地，在用热时，所述系统利用存储于蓄热器的高温热能通过闭式循环、并通过所述高温换热器的冷侧将热能供给热用户，具体为：常温的循环气体工质经过所述高温泵驱动进入所述蓄热器，吸收所述蓄热器内部蓄能介质的高温热能后进入所述高温换热器的热侧，换热后的循环气体工质温度降至常温重新参与循环换热，而所述高温换热器的冷侧的流体温度升高后将热能输送给用热用户。

优选地，在用冷时，所述系统利用存储于所述蓄冷器的低温冷能通过闭式循环、并通过所述低温换热器的热侧将冷能供给冷用户，具体为：常温的循环气体工质经过低温泵驱动进入所述蓄冷器，吸收所述蓄冷器内部蓄能介质的冷能后进入所述低温换热器的冷侧，换热后的循环气体工质温度升至常温重新参与循环，而所述低温换热器热侧的流体温度降低后将冷能输送给用冷用户。

优选地，所述驱动单元，为驱动电机或风力机；当所述驱动单元为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电中的一种或多种为电源。

优选地，所述储能压缩机组或者释能压缩机组，总压比在5～40之间；当所述压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

优选地，所述储能膨胀机组或释能膨胀机组，总膨胀比在5～40之间；当所述膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

优选地，所述蓄热器和蓄冷器为圆柱体、球体或长方体，所述蓄能介质为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖等材料的一种或至少二种的组合。

同现有技术相比，本发明的冷热电联储联供系统，采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并存储于储热储冷装置中；在用电时段，回路中的气体吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电，供给用户；在用热时段，供热回路通过换热器将储热装置内热能供给用户；在用冷时段，供冷回路通过换热器将储冷装置内热能供给用户。本发明的冷热电联储联供系统可以实现冷热电三种能量的同时存储与供应，满足用户的各种需要，该系统具有储能密度高、成本低、效率高、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。

附图说明

图1为本发明的冷热电联储联供系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的基于冷热电联储联供系统，主要由驱动单元1、储能压缩机组2、储能膨胀机组3、蓄冷器4、低温换热器5、蓄热器7、低温泵6、高温泵8、高温换热器9、释能压缩机组10、释能膨胀机组11、发电单元12、缓冲罐14、阀门13，15及多根管线16～27等部件组成。

本发明的上述系统，整体可划分为热泵制热制冷回路、冷热能热机发电回路、供热回路和供冷回路，各回路中均充有循环气体工质，各个回路的具体结构如下：

储能压缩机组2、蓄热器7、储能膨胀机组3、蓄冷器4及管线16、17、27形成热泵制热制冷回路。驱动单元1与储能压缩机组2和储能膨胀机组3的共有传动轴固接。储能压缩机组2的排气口通过管线17、18经蓄热器7与储能膨胀机组3的进气口连通；储能膨胀机组3的排气口通过管线27、16经蓄冷器4与储能压缩机组2的进气口连通；缓冲罐14的进气口通过带有阀门13的管道19与储能膨胀机组3的进气管道18相连接。储能时，打开阀门13，关闭阀门15，蓄热器7流出少量气体进入缓冲罐14，以保证系统压力稳定。

释能压缩机组10、蓄热器7、释能膨胀机组11、蓄冷器4及管线21～24形成冷热能热机发电回路。发电单元12与释能压缩机组10和释能膨胀机组11的共有传动轴固接。释能压缩机组10的排气口通过管线23、24经蓄热器7与释能膨胀机组11的进气口连通，释能膨胀机组111的排气口通过管线21、22经蓄冷器4与释能压缩机组10的进气口连通；缓冲罐14的排气口通过带有阀门15的管道20与释能膨胀机组11的排气管道21相连接。释能发电时，打开阀门15，关闭阀门13，少量气体从缓冲罐14流入系统，以保证系统压力稳定。

蓄冷器4、低温泵6、低温换热器5通过管道28、29依次连通。

蓄热器7、高温泵8、高温换热器9通过管道30、31依次连通。

在用电低谷期，驱动单元1驱动储能压缩机组2将常温低压的循环气体工质压缩至高温高压态；经过蓄热器7将高温高压的循环气体工质的温度降低至常温，并将高温热能存储在蓄热器7的蓄能介质中；室温高压的循环气体工质进一步经过储能膨胀机组3至低温低压；低温低压的循环气体工质经过蓄冷器4将低温低压的循环气体工质的温度升高至常温，并将低温冷能存储在蓄冷器4中的蓄能介质中；室温低压的循环气体工质重新进入储能压缩机组2的入口参与循环，如此循环往复，不断将高温热能和低温冷能存储在蓄热器7和蓄冷器4的蓄能介质中。储能时，利用缓冲罐14存储一定量的气体，以保证系统压力稳定。

在用电时，常温低压的循环气体工质经过蓄冷器4，吸收低温冷能后温度降至低温低压，经过释能压缩机组10将低温低压的循环气体工质压缩至常温高压态；经过蓄热器7将室温高压的气体工质温度升高至高温；高温高压的循环气体工质进一步经过释能膨胀机组11至常温低压；室温低压的循环气体工质重新进入蓄冷器4的入口参与热机循环。释能膨胀机组11驱动连接一发电单元12，且释能压缩机组10与释能膨胀机组11传动连接。如此循环往复，不断将存储的高温热能和低温冷能通过热机循环转化为电能输出出来。释能时，缓冲罐14存储的气体释放到系统循环中，以保证系统压力稳定。

在用热时，常温的循环气体被高温泵8驱动进入蓄热器7，吸收蓄能介质的高温热能后进入高温换热器9的热侧，换热后的循环气体工质温度降至常温重新参与循环换热，而管道25内的流体经过换热器冷侧温度升高后将热能输送给用热用户。

在用冷时，常温的循环气体被低温泵6驱动进入蓄冷器4，吸收蓄能介质的冷能后进入低温换热器4的冷侧，换热后的循环气体温度升至常温重新参与循环，，而管道26内的流体经过换热器热侧温度降低后将冷能输送给用冷用户。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种冷热电联储联供系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、蓄冷器、低温换热器、蓄热器、低温泵、高温泵、高温换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，所述释能膨胀机组、释能压缩机组、发电单元依次传动连接，其特征在于，

所述系统整体可换分为热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、供热回路和供冷回路，各回路中充有循环气体工质，其中，

--所述热泵制热制冷储能回路，包括所述储能压缩机组、蓄热器、蓄冷器、储能膨胀机组，其中，所述储能压缩机组的排气口通过管线经所述蓄热器与所述储能膨胀机组的进气口连通，所述储能膨胀机组的排气口通过管线经所述蓄冷器与所述储能压缩机组的进气口连通；

--所述冷热能热机发电回路，包括所述释能压缩机组、蓄热器、蓄冷器、释能膨胀机组，其中，所述释能压缩机组的排气口通过管线经所述蓄热器与所述释能膨胀机组的进气口连通，所述释能膨胀机组的排气口通过管线经所述蓄冷器与所述释能压缩机组的进气口连通；

--所述供热回路，包括所述蓄热器、高温泵和高温换热器，所述蓄热器底部的一个出口通过管线依次经所述高温换热器的热侧、高温泵与所述蓄热器顶部的一个进口连通从而形成回路，所述高温换热器的冷侧通过管路与热用户连通；

--所述供冷回路，包括所述蓄冷器、低温泵和低温换热器，所述蓄冷器顶部的一个出口通过管线依次经所述低温换热器的冷侧、低温泵与所述蓄冷器底部的一个进口连通从而形成回路，所述低温换热器的热侧通过管路与冷用户连通。

2.根据权利要求1所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，所述系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐的进气口通过带有阀门的管线与所述蓄热器底部的一个出气口连通，所述缓冲罐的排气口通过带有阀门的管线与所述蓄冷器顶部的一个进气口连通。

3.根据权利要求1或2所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，在用电低谷期，所述系统利用所述热泵制热制冷循环回路制备高温热能和低温冷能并分别存储于蓄热器和蓄冷器，具体为：所述驱动单元驱动所述储能压缩机组将常温低压的循环气体工质压缩至高温高压态；经过所述蓄热器将高温高压的循环气体工质的温度降低至常温，并将高温热能存储在所述蓄热器的蓄能介质中；室温高压的循环气体工质进一步经过所述储能膨胀机组至低温低压；低温低压的循环气体工质经过所述蓄冷器将低温低压的循环气体工质的温度升高至常温，并将低温冷能存储在所述蓄冷器的蓄能介质中；室温低压的循环气体工质重新进入所述储能压缩机组的入口参与循环，如此循环往复，不断将高温热能和低温冷能存储在所述蓄热器和蓄冷器的蓄能介质中。

4.根据权利要求3所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，储能时，打开所述缓冲罐的进气管线上的阀门、关闭排气管线上的阀门，利用所述缓冲罐存储一定量的气体，以保证系统压力稳定。

5.根据权利要求1所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，在用电时，所述系统利用存储于蓄热器和蓄冷器的高温热能和低温冷能驱动热机循环发电，具体为：所述常温低压的循环气体工质经过所述蓄冷器，吸收低温冷能后温度降至低温低压，经过所述释能压缩机组将低温低压的循环气体工质压缩至常温高压态；经过所述蓄热器将室温高压的气体工质温度升高至高温；高温高压的循环气体工质进一步经过所述释能膨胀机组至常温低压；室温低压的气体工质重新进入所述蓄冷器的入口参与热机循环，所述释能膨胀机组驱动连接一发电单元，如此循环往复，不断将存储的高温热能和低温冷能通过热机循环转化为电能输出出来。

6.根据权利要求5所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，释能时，打开所述缓冲罐的排气管线上的阀门、关闭进气管线上的阀门，缓冲罐存储的气体释放到系统循环中，以保证系统压力稳定。

7.根据权利要求1所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，在用热时，所述系统利用存储于蓄热器的高温热能通过闭式循环、并通过所述高温换热器的冷侧将热能供给热用户，具体为：常温的循环气体工质经过所述高温泵驱动进入所述蓄热器，吸收所述蓄热器内部蓄能介质的高温热能后进入所述高温换热器的热侧，换热后的循环气体工质温度降至常温重新参与循环换热，而所述高温换热器的冷侧的流体温度升高后将热能输送给用热用户。

8.根据权利要求1所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，在用冷时，所述系统利用存储于所述蓄冷器的低温冷能通过闭式循环、并通过所述低温换热器的热侧将冷能供给冷用户，具体为：常温的循环气体工质经过低温泵驱动进入所述蓄冷器，吸收所述蓄冷器内部蓄能介质的冷能后进入所述低温换热器的冷侧，换热后的循环气体工质温度升至常温重新参与循环，而所述低温换热器热侧的流体温度降低后将冷能输送给用冷用户。

9.根据权利要求1所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，所述驱动单元，为驱动电机或风力机；当所述驱动单元为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电中的一种或多种为电源。

10.根据权利要求1所述的冷热电联储联供系统，其特征在于，所述储能压缩机组或者释能压缩机组，总压比在5～40之间；当所述压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。