CN111075668A - 一种利用固体颗粒储热的储电系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用固体颗粒储热的储电系统，包括储热环节和热功转换环节。储热环节中，进料斗下方出口通过控制阀门一与电加热器上方入口相连，电加热器下方出口通过控制阀门二与热储仓上方入口相连，热储仓下方出口通过控制阀门三与换热器上方颗粒入口相连，换热器下方颗粒出口通过控制阀门四与冷储仓相连。提升机底端与冷储仓相连，顶端与进料斗上方入口相连。热功转换环节中，压缩机出口与回热器冷侧入口相连，回热器冷侧出口与换热器下方工质入口相连，换热器上方工质出口与透平入口相连，透平旋转带动发电机发电，发电机输出端与电网相连，透平出口与回热器热侧入口相连，回热器热侧出口与冷却器入口相连，冷却器出口与压缩机入口相连。

Description

一种利用固体颗粒储热的储电系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电储能领域，特别涉及一种利用固体颗粒储热的储电系统。
背景技术
为应对能源枯竭，环境污染带来的严峻挑战，节能减排与发展新能源是必经之路，推进新能源的清洁替代在当今能源领域受到了广泛关注。新能源接入电力系统，会增加系统的调节负担，因为常规能源不仅要跟随负荷的变化，还要平衡新能源的出力波动。当新能源的渗透率较高，超出系统的调节范围时，为维持电力系统的动态稳定不得不控制新能源的出力，导致弃风、弃光等现象的产生。在冬季供暖期，对于承担区域供暖任务的常规电源，为保证供热需求，其调节能力进一步下降，再度压缩了新能源的上网空间。利用储能系统将不能上网的新能源电力直接或间接储存起来，在电网或本地需要时再通过能源网供应出去，是提高新能源利用率的有效方法。
储热系统可以将电能转换为热能存储，在需要时释放出来推动热力循环发电，实现电能的储存。与传统的抽水蓄能、电化学储能等储电技术方式相比，利用储热系统进行储电的优势在于储热系统成本不高，易于推广，使用寿命长，易于维护。储热技术按储热介质的不同可分为显热储热、潜热储热及热化学储热三类。热化学储热利用正、逆化学反应的热效应进行储放热，技术成熟度较低；潜热储热利用材料的相变潜热储热，尚无成熟的商业应用示范；显热储热利用材料自身的比热容，通过温度变化进行热量的储放，技术最成熟。
目前的显热储热材料如水，熔盐等工作温度区间较窄，相同的储热容量下使用储热材料量较大。采用陶粒沙，石英沙，河沙等固体颗粒作为储热材料时，其工作温度范围较宽，通常可以达-200℃-1300℃，材料化学性质稳定，易于获得。由于固体颗粒工作温度范围较宽，作为显热储热时可以通过提高储热温差的方式提高其储热密度。
美国专利US10012216公布了一种带有固体颗粒储热的太阳能热发电系统，系统输入为太阳能，利用颗粒储热方式保证电力输出的稳定性，后端采用高温空气的布雷顿循环可以提高发电效率。但系统输入单一，只有太阳能可以作为稳定电源使用，无法作为负载对电力系统进行调节。美国专利US20190162482A1公布了利用固体颗粒储热的一种泵送热能存储系统，根据热泵的工作原理，利用电能将低温热转化为高温热能储存，在外界需要时利用工质热功循环输出技术功。这种系统结构复杂，运行繁琐，能量转化步骤多，总体效率不高。中国专利CN104047818A公布了一种利用储热和液态金属电池储电的方法，将液态金属电池充电过程释放的热量利用熔融盐进行存储，存储的热量带动热力循环系统进行发电。该种方式的储热温度范围较窄，还需满足液态金属电池工作温度要求，导致熔融盐的储热温差较小，储热密度较低。中国专利CN209415569U公布了一种发电厂熔融盐储热发电及供暖系统，将低谷电能转化为熔融盐热能储存起来或用于供暖，尖峰时段熔融盐放热带动热力循环发电系统进行发电。这种系统可以削峰填谷，减小锅炉负荷变化范围，延长寿命，但由于熔融盐储热温度低，低于600℃，发电循环效率低。凝固点高使得熔融盐工作温区窄，储热密度低。
发明内容
本发明针对新能源运行过程产生的富余电力及电力系统低谷电力难以消纳的问题，提出一种利用固体颗粒储热的储电系统，通过固体颗粒储热对电力进行储存，在电能富余时将电能通过电加热转换为固体颗粒的热能进行存储，在需要电能时，存储的热能释放给动力循环中的发电工质，发电工质在动力循环中发电。
本发明利用固体颗粒储热的储电系统，包括储热环节和热功转换环节。所述储热环节包括进料斗、控制阀门一、电加热器、控制阀门二、热储仓、控制阀门三、换热器、控制阀门四、冷储仓和提升机。进料斗布置在储热环节最顶端，进料斗的下方出口通过控制阀门一与电加热器的上方入口相连，电加热器电源与电网相连，电加热器的下方出口通过控制阀门二与热储仓的上方入口相连，热储仓的下方出口通过控制阀门三与换热器的上方颗粒入口相连，换热器的下方颗粒出口通过控制阀门四与冷储仓相连，提升机的底端与冷储仓相连，提升机的顶端与进料斗的上方入口相连。进料斗、电加热器、热储仓、换热器、冷储仓在空间上依次从高到低布置，固体颗粒的流动驱动力为颗粒重力。所述的热功转换环节包括压缩机、回热器、换热器、透平、发电机、电网和冷却器。压缩机的出口与回热器的冷侧入口相连，回热器的冷侧出口与换热器下方的工质入口相连，换热器上方的工质出口与透平的入口相连，透平的出口与回热器的热侧入口相连，透平转动带动发电机旋转，发电机输出端与电网相连，回热器的热侧出口与冷却器的入口相连，冷却器的出口与压缩机的入口相连。热功转换环节部件可依现场条件便利布置。
所用的固体颗粒具有较好的热稳定性，抗蠕变性，抗磨损及抗疲劳损坏性能，在高温下不分解，且能在冷热交替条件下长期使用，固体颗粒材料来源很广泛，成本低廉，包括但不限于陶粒沙，石英沙，河沙，碳化硅，氮化硅等材料，固体颗粒的粒径范围为10微米-2毫米，球度越高越好，适合输运。
所用的电加热器的工作电压范围为220V～10kV。
本发明主要包括储热环节和热功转换环节。储热环节的充放热过程实现如下：提升机将冷颗粒从冷储仓中提升到进料斗，由进料斗进入电加热器中，富余电力通过电加热器对冷颗粒进行电加热，电加热器和热储仓前四分别有控制阀门一和控制阀门二控制流过电加热器和流入热储仓的颗粒流量，加热完成后的颗粒进入热储仓中储存，完成充热过程。在外界需要电时，将热储仓下方的控制阀门三打开，热颗粒流入换热器中，完成换热的颗粒经过换热器下方的控制阀门四流入冷储仓中储存，完成放热过程。另一侧的高压低温工质在流经回热器和换热器后变为高温高压工质，进入透平中膨胀做功，带动发电机发电，将电能输送给电网。然后发电工质流经回热器和冷却器变为低温低压工质。再在压缩机的作用下转变为高压低温工质，完成热功转换过程。电加热器，热储仓，换热器，冷储仓在空间上为从高到低依次布置，颗粒侧流动驱动力为重力。
本发明具有如下优点：
(1)所用固体储热颗粒来源广泛，成本低廉，单位能量储热成本不到50元/kWh。常用二元熔盐储热成本为100元/kWh，而常规锂电池直接储电成本高达2000元/kWh。固体颗粒的工作温度区间为常温到1200℃，而熔盐工作温区为200℃～600℃，可用温区只有400℃，固体颗粒的工作范围可达到熔盐的三倍。固体颗粒的比热容稍低于熔盐，但密度较大，因此单位体积单位温度下二者的储热量相当，由于固体颗粒储热温区宽，因此固体颗粒的储热密度高于熔盐。
(2)固体颗粒的高温储热可支持热功转换环节的布雷顿循环，循环效率高于二元熔盐所能支持的朗肯循环。
(3)固体颗粒热稳定性好，不存在腐蚀设备的情况。
(4)颗粒从进料斗到冷储仓之间的流动驱动力为重力，循环过程仅采用一套提升机将颗粒提升至进料斗，节省一套提升机设备，且提升机仅提升冷颗粒，工作温度低，制造成本低。
(5)利用新能源的“弃风弃光”能源驱动系统运行，降低能源成本的同时减少了资源浪费；
(6)适应峰谷电价市场环境，低谷用电，高峰发电；
(7)作为高度可控的电源和负载，可响应电力系统调节指令；
(8)可以与现有火力发电厂耦合，共用一套热功转换系统，节省投资。
附图说明
图1固体颗粒充放热及热功转换结构图；
图2固体颗粒储热耦合朗肯循环结构图；
图3固体颗粒储热耦合超临界CO2结构图；
图4固体颗粒储热耦合空气布雷顿循环结构图；
图5固体颗粒储热耦合空气-水联合循环结构图；
图中：1提升机、2冷颗粒、3进料斗、4控制阀门一、5电加热器、6控制阀门二、7热储仓、8控制阀门三、9热颗粒、10换热器、11控制阀门四、12冷储仓、13控制阀门五、14高温高压工质、15透平、16发电机、17电网、18回热器、19冷却器、20低温低压工质、21压缩机、22低温高压工质、23空气控制阀门、24低温工质控制阀门、25高温高压水蒸气、26汽轮机、27冷凝器、28水回热器、29给水泵、30高压给水、31汽轮机抽汽、32高温高压CO2、33CO2透平、34CO2回热器35CO2冷却器、36一级压缩机、37中间冷却器、38二级压缩机、39高温高压空气、40空气透平、41空气回热器、42空气冷却器、43空气压缩机、44低温高压空气、45余热锅炉、46水蒸汽控制阀、47朗肯循环发电机、48给水控制阀、49空气控制阀、50布雷顿循环发电机。
具体实施方式
如图1所示，一种利用固体颗粒储热的储电系统，包括储热环节和热功转换环节。所述储热环节包括进料斗3、控制阀门一4、电加热器5、控制阀门二6、热储仓7、控制阀门三8、换热器10、控制阀门四11、冷储仓12和提升机1。进料斗3的下方出口通过控制阀门一4与电加热器5的上方入口相连，电加热器5的电源取自电网17，电加热器5下方出口通过控制阀门二6与热储仓7的上方入口相连，热储仓7的下方出口通过控制阀门三8与换热器10的上方颗粒入口相连，换热器10的下方颗粒出口通过控制阀门四11与冷储仓12相连，提升机1底端与冷储仓12相连，顶端与进料斗3上方入口相连。除上述连接顺序外，进料斗3、电加热器5、热储仓7、换热器10、冷储仓12在空间上依次从高到低布置。所述的热功转换环节包括压缩机21、回热器18、换热器10、透平15、发电机16、电网17、冷却器19。压缩机21出口与回热器18冷侧入口相连，回热器18冷侧出口与换热器10下方的工质入口相连，换热器10上方的工质出口与透平15入口相连，透平15出口与回热器18热侧入口相连，回热器18热侧出口与冷却器19入口相连，冷却器19出口与压缩机21入口相连。
本发明颗粒和发电工质的温度不宜过高或过低。测量电加热器5出口颗粒温度以及换热器10出口发电工质的温度，分别和各自预定的温度值比较，差值作为控制信号控制电加热器下方控制阀门二6的开度和换热器10颗粒侧控制阀门四11及工质侧控制阀门五13的开度，以调节电加热器出口固体颗粒的温度和换热器出口发电工质的温度。
实施例1：如图2所示，冷颗粒2通过提升机1提升到进料斗3，经过控制阀门一4进入电加热器5中加热，冷颗粒2加热到650℃以上，加热之后的颗粒流入热储仓7中储存，完成储热过程。放热过程与水蒸气朗肯循环耦合：打开热储仓7下方连接换热器10的控制阀门三8，热颗粒9经过换热器10流入下方的冷储仓12中，完成放热。来自给水泵29的高压给水30在换热器10中经历水冷，蒸发，过热变为高温高压水蒸气25，温度达到550℃，然后进入汽轮机26中膨胀做功，带动发电机16发电，将电能输送给电网17。汽轮机抽汽31经过水回热器28之后汇入冷凝器27中。做完功后的乏汽进入冷凝器27冷却为凝结水，经过水回热器28，给水泵29后变为高压给水30，完成做功循环。
实施例2：如图3所示，冷颗粒2过提升机1提升到进料斗3，经过控制阀门一4进入电加热器5中加热，冷颗粒2加热到850℃以上，加热之后的颗粒流入热储仓7中储存，完成储热过程。放热过程与超临界CO2的布雷顿循环耦合：打开热储仓7下方连接换热器10的控制阀门三8，热颗粒9经过换热器10流入下方的冷储仓12中，完成放热。来自二级压缩机38的高压低温CO2在CO2回热器34及换热器10中吸热变为高温高压的CO232，温度达到750℃，然后进入CO2透平33中膨胀做功，带动发电机16发电，将电能输送给电网17。做完功后的乏气先通入CO2回热器34再经过CO2冷却器35进入一级压缩机36中，一次压缩之后进入中间冷却器37冷却，然后进入二级压缩机38中再次压缩完成做功循环。整个循环过程工质CO2的状态保持在临界状态以上。
实施例3：如图4所示，冷颗粒2过提升机1提升到进料斗3，经过控制阀门一4进入电加热器5中加热，冷颗粒2加热到1200℃以上，加热之后的颗粒流入热储仓7中储存，完成储热过程。放热过程与空气的布雷顿循环耦合：打开热储仓7下方连接换热器10的控制阀门三8，热颗粒9经过换热器10流入下方的冷储仓12中，完成放热。来自空气压缩机43的低温高压空气44在空气回热器41及换热器10中吸热变为高温高压空气39，温度达到1100℃，然后通入空气透平40膨胀做功，一方面带动发电机16发电，将电能输送给电网17，另一方面带动空气压缩机43做功。空气透平40出口乏气经过空气回热器41及空气冷却器42放热，再通入空气压缩机43中压缩，变为低温高压空气44，完成做功循环。
实施例4：如图5所示，冷颗粒2过提升机1提升到进料斗3，经过控制阀门一4进入电加热器5中加热，冷颗粒2加热到1200℃以上，加热之后的颗粒流入热储仓7中储存，完成储热过程。放热过程与空气水蒸气的联合循环耦合：打开热储仓7下方连接换热器10的控制阀门三8，热颗粒9经过换热器10流入下方的冷储仓12中，完成放热。来自空气压缩机43的低温高压空气44在换热器10中吸热变为高温高压空气39，温度达到1100℃，然后通入空气透平40膨胀做功，一方面带动布雷顿循环发电机50发电，将电能输送给电网17，另一方面带动空气压缩机43做功。空气透平40出口乏气经过余热锅炉45和空气冷却器42放热，再通入空气压缩机43中压缩，完成空气布雷顿做功循环。来自给水泵29的高压给水30在余热锅炉45中经历水冷，蒸发，过热变为高温高压水蒸气25，温度达到550℃，然后进入汽轮机26中膨胀做功，带动朗肯循环发电机47发电，将电能输送给电网17。汽轮机抽汽31经过水回热器28之后汇入冷凝器27中。做完功后的乏汽进入冷凝器27冷却为凝结水，经过水回热器28，给水泵29后变为高压给水30，完成水蒸气朗肯做功循环。

Claims (11)

1.一种利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，所述的储电系统包括储热环节和热功转换环节；所述储热环节包括进料斗(3)、控制阀门一(4)、电加热器(5)、控制阀门二(6)、热储仓(7)、控制阀门三(8)、换热器(10)、控制阀门四(11)、冷储仓(12)和提升机(1)；进料斗(3)的下方出口通过控制阀门一(4)与电加热器(5)的上方入口相连，电加热器(5)的电源与电网(17)相连，电加热器(5)的下方出口通过控制阀门二(6)与热储仓(7)的上方入口相连，热储仓(7)的下方出口通过控制阀门三(8)与换热器(10)的上方颗粒入口相连，换热器(10)的下方颗粒出口通过控制阀门四(11)与冷储仓(12)相连，提升机(1)的底端与冷储仓(12)相连，提升机(1)的顶端与进料斗(3)的上方入口相连；进料斗(3)、电加热器(5)、热储仓(7)、换热器(10)、冷储仓(12)在空间上依次从高到低布置；所述的热功转换环节包括压缩机(21)、回热器(18)、换热器(10)、透平(15)、发电机(16)、以及冷却器(19)；压缩机(21)的出口与回热器(18)的冷侧入口相连，回热器(18)的冷侧出口与换热器(10)下方的工质入口相连，换热器(10)上方的工质出口与透平(15)的入口相连，透平(15)旋转带动发电机(16)发电，发电机(16)输出端与电网(17)相连，透平(15)的出口与回热器(18)的热侧入口相连，回热器(18)的热侧出口与冷却器(19)的入口相连，冷却器(19)的出口与压缩机(21)入口相连。
2.如权利要求1所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，所述的储热环节的充放热过程如下：提升机(1)将冷颗粒(2)从冷储仓(12)中提升到进料斗(3)，由进料斗(3)进入电加热器(5)中，富余电力通过电加热器(5)对冷颗粒进行电加热，电加热器(5)和热储仓(7)前分别有控制阀门一(4)和控制阀门二(6)控制流过电加热器和流入热储仓的颗粒流量，加热完成后的颗粒进入热储仓(7)中储存，完成充热过程；在外界需要电时，将热储仓(7)下方的控制阀门三(8)打开，热颗粒(9)流入换热器(10)中，完成换热的颗粒经过换热器(10)下方的控制阀门四(11)流入冷储仓(12)中储存，完成放热过程。
3.如权利要求1所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，所述的热功转换环节的工作过程如下：低温高压工质(22)在流经回热器(18)和换热器(10)后变为高温高压工质(14)，进入透平(15)中膨胀做功，带动发电机(16)发电，将电能输送给电网(17)；然后发电工质流经回热器(18)和冷却器(19)变为低温低压工质(20)，再在压缩机(21)的作用下转变为低温高压工质(22)，完成热功转换过程。
4.如权利要求1，2或3所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，测量所述的电加热器(5)出口颗粒温度以及换热器(10)出口发电工质的温度，分别和各自预定的温度值比较，两者差值作为控制信号控制电加热器下方控制阀门二(6)的开度和换热器(10)颗粒侧控制阀门四(11)及工质侧控制阀门五(13)开度，以调节电加热器出口固体颗粒的温度和换热器出口发电工质的温度。
5.如权利要求1或2或3所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，所述的颗粒粒径范围为100微米-2毫米。
6.如权利要求1或2或3所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，固体颗粒从进料斗到冷储仓的流动驱动力为颗粒重力。
7.如权利要求1或2所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，储热环节的充热过程中，电加热器(5)对冷颗粒(2)加热至650℃～1200℃。
8.如权利要求1或2所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，储热环节的放热过程中，来自给水泵(29)的高压给水(30)在换热器(10)中经历水冷，蒸发，过热变为高温高压水蒸气(25)，温度达到550℃，然后进入汽轮机(26)中膨胀做功，带动发电机(16)发电。
9.如权利要求1或2或3所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，储热环节的放热过程中，来自二级压缩机(38)的高压低温CO2在CO2回热器(34)及换热器(10)中吸热变为高温高压的CO2(32)，温度达到750℃，然后进入CO2透平(33)中膨胀做功，带动发电机(16)发电。
10.如权利要求1或2或3所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，储热环节的放热过程中，来自空气压缩机(43)的低温高压空气(44)在空气回热器(41)及换热器(10)中吸热变为高温高压空气(39)，温度达到1100℃，然后通入空气透平(40)膨胀做功，带动发电机(16)发电。
11.如权利要求1或2或3所述的利用固体颗粒储热的储电系统，其特征在于，储热环节的放热过程中，来自空气压缩机(43)的低温高压空气(44)在换热器(10)中吸热变为高温高压空气(39)，温度达到1100℃，然后通入空气透平(40)膨胀做功，带动布雷顿循环发电机(50)发电，乏气通过余热锅炉(45)放热。来自给水泵(29)的高压给水(30)在余热锅炉(45)中经历水冷，蒸发，过热变为高温高压水蒸气(25)，温度达到550℃，然后进入汽轮机(26)中膨胀做功，带动朗肯循环发电机(47)发电。
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