CN111706477A

CN111706477A - 一种温差蓄能发电装置及其发电方法

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Publication number: CN111706477A
Application number: CN202010585507.3A
Authority: CN
Inventors: 陆盛宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2020-09-25

Abstract

本发明属于蓄能发电技术领域，提供一种温差蓄能发电装置及其发电方法。该温差蓄能发电装置包括电机、传动机构、制冷剂、换热器、飞轮、储液装置、储存水的A池和储存水的B池中均设置有换热器。低温热源A池、换热器、高温热源B池组成封闭的循环系统。电网用电低谷时，消耗电能将热量从低温热源A池传递到高温热源B池中，以内能形式储存。电网用电高峰时，通过液态制冷剂从高温热源B池中蒸发变成气态制冷剂推动飞轮来带动发动机发电，内能转变成电能，再把气态制冷剂送入低温热源A池中放出液化热变成液态制冷剂储存起来，多次循环使用。本发明通过温差蓄能以内能形式储存起来后再进行发电，其具有蓄水库容小及内部压力小的优点。

Description

一种温差蓄能发电装置及其发电方法

技术领域

本发明属于蓄能发电技术领域，尤其涉及一种温差蓄能发电装置及其发电方法。

背景技术

目前蓄能发电方式一般采用电能转化为水机械能储存起来，水的机械能WK＝mgh，其中g＝9.8N/kg,当需要WK比较大时，水的质量非常大，水位差h也比较大，就目前情况看，较大的蓄能发电站蓄水量达数千万立方，水位差高达数百米，水轮机水压达40到50个大气压。这类发电站需要很大容量的水库及提升数百米的水位，由于水位差大，产生压强大，需要设备具有较大的抗压能力，增加了成本投入。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种温差蓄能发电装置及其发电方法，旨在解决现有技术中的发电方式为将电能转化为水机械能储存起来所存在的水库设备内部压力大而造成成本投入高的问题。

本发明是这样实现的，提供一种温差蓄能发电装置，包括电机、传动机构、制冷剂、换热器、飞轮、储存所述制冷剂的储液装置、储存水的A池以及储存水的B池，所述A池与所述B池中均设置有所述换热器，所述传动机构的一端分别与所述A池中的换热器的一端、所述B池中的换热器的一端连通，所述储液装置分别与所述A池中的换热器的另一端、所述B池中的换热器的另一端连通，所述传动机构的另一端连接所述电机，所述电机与电网连接，所述电机与所述飞轮同轴设置；

所述传动机构包括气缸本体、活塞、第一连杆、第二连杆以及转轮，所述转轮连接在所述电机的输出轴上，所述活塞可滑动地套设于气缸本体内，所述第一连杆的一端与所述活塞的下端中部相互铰接，所述第一连杆的另一端与所述第二连杆的一端相互枢接于所述转轮的周缘，所述第二连杆的另一端连接在所述电机的输出轴上，所述转轮与所述电机同轴设置，所述换热器通过管道与所述气缸本体连通，所述气缸本体与所述A池中的换热器的连通通道通过第一阀门进行控制打开与关闭，所述气缸本体与所述B池中的换热器的连通通道通过第二阀门进行控制打开与关闭，当所述第一阀门和第二阀门均处于关闭状态时，所述活塞的上端、气缸本体、第一阀门以及第二阀门构成一个密闭空间。

进一步地，所述温差蓄能发电装置还包括节流阀和增压装置，所述A池中的换热器、节流阀、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接，所述A池中的换热器、增压装置、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接。

本发明还提供一种上述的温差蓄能发电装置的发电方法，该发电方法包括如下步骤：

a、在电网用电低谷时，电网供电给电机工作，传动机构在电机的驱动下，活塞向下运动，打开第一阀门，并关闭第二阀门，储液装置向A池中的换热器传送制冷剂，此时，置于A池中的换热器为蒸发器，液态制冷剂吸收汽化热变为低温低压气态制冷剂，气缸本体从A池的换热器中吸入低温低压的气态制冷剂，当活塞下行至最低端时第一阀门关闭，吸气过程完毕。在电机的继续驱动下，活塞往上运动，气缸本体内的制冷剂被压缩成高温高压气体，当气缸本体内气体压强大于放置在B池中的冷凝器内气态制冷剂的气体压强时第二阀门打开，向B池中的换热器送入高温高压气态制冷剂，此时，B池中的换热器为冷凝器，让气态制冷剂在B池内放出液化热变为液态制冷剂，实现将热量从A池中传递到B池中，以热能的形式储存起来，实现将电能转换成内能进行蓄能，此时A池中的水温低，B池中的水温高；

b、在电网用电高峰时，打开第二阀门，根据蒸发器与冷凝器的可逆性，此时B中的换热器为蒸发器，由于B池中的水温较高，A池中的水温较低，液态制冷剂在B池中的蒸发器蒸发吸热变成高温高压气态制冷剂，高温高压气态制冷剂进入气缸本体内推动活塞做功，活塞往下运动，通过第一连杆和第二连杆将平动转变为转轮和飞轮的转动，根据电动机与发电机的可逆性，转轮和飞轮的转动带动电机发电，向电网输送电能，实现内能转变成电能。

进一步地，所述所述温差蓄能发电装置还包括节流阀和增压装置，所述A池中的换热器、节流阀、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接，所述A池中的换热器、增压装置、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接；

在所述步骤a中，通过节流阀将储液装置中的液态制冷剂输送到A池的换热器中。

进一步地，在所述步骤b中，通过增压装置将A池中的热换器输出的低温低压制冷剂液体压到储液装置中。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的温差蓄能装置的发电方法在电网用电低谷时，电网供电给电机工作，传动机构在电机的驱动下，活塞向下运动，打开第一阀门，并关闭第二阀门，储液装置向A池中的换热器传送制冷剂，此时，置于A池中的换热器为蒸发器，液态制冷剂吸收汽化热变为低温低压气态制冷剂，气缸本体从A池的换热器中吸入低温低压的气态制冷剂，当活塞下行至最低端时第一阀门关闭，吸气过程完毕。在电机的继续驱动下，活塞往上运动，气缸本体内的制冷剂被压缩成高温高压气体，当气缸本体内气体压强大于放置在B池中的冷凝器内气态制冷剂的气体压强时第二阀门打开，向B池中的换热器送入高温高压气态制冷剂，此时，B池中的换热器为冷凝器，让气态制冷剂在B池内放出液化热变为液态制冷剂，实现将热量从A池中传递到B池中，以热能的形式储存起来，实现将电能转换成内能进行蓄能，此时A池中的水温低，B池中的水温高。

在电网用电高峰时，打开第二阀门，根据蒸发器与冷凝器的可逆性，此时B中的换热器为蒸发器，由于B池中的水温较高，A池中的水温较低，液态制冷剂在B池中的蒸发器蒸发吸热变成高温高压气态制冷剂，高温高压气态制冷剂进入气缸本体内推动活塞做功，活塞往下运动，通过第一连杆和第二连杆将平动转变为转轮和飞轮的转动，根据电动机与发电机的可逆性，转轮和飞轮的转动带动电机发电，向电网输送电能，实现内能转变成电能。

本发明的温差蓄能发电装置的发电方法通过温差蓄能以内能形式储存起来后再转化成电能供电，使得该发电方法所采用的发电装置具有蓄水库容小、内部压力小的优点，无需很大容量的水库及提升数百米的水位形成水位差，对设备无需要求较大的抗压能力，减少成本投入。

附图说明

图1是本发明实施例的温差蓄能发电装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的温差蓄能发电装置的蓄能工作过程示意图；

图3是本发明实施例的温差蓄能发电装置的发电工作过程示意图；

图4是本发明实施例的温差蓄能发电装置发电方法的蓄能工作原理图；

图5是本发明实施例的温差蓄能发电装置发电方法的发电工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，是本发明实施例提供的一种温差蓄能发电装置。该温差蓄能发电装置包括电机1、传动机构2、制冷剂3、换热器4、飞轮5、储存制冷剂3的储液装置6、储存水的A池7以及储存水的B池8，A池7与B池8中均设置有换热器4，传动机构2的一端分别与A池7中的换热器4的一端、B池8中的换热器4的一端连通，储液装置分别与A池中的换热器4的另一端、B池8中的换热器4的另一端连通，传动机构2的另一端连接电机1，电机1与电网连接，电机1与飞轮5同轴设置。

传动机构2包括气缸本体21、活塞22、第一连杆23、第二连杆24以及转轮25，转轮25连接在电机1的输出轴上，活塞22可滑动地套设于气缸本体21内，第一连杆23的一端与活塞22的下端中部相互铰接，第一连杆23的另一端与第二连杆24的一端相互枢接于转轮25的周缘，第二连杆24的另一端连接在电机1的输出轴上，转轮25与电机1同轴设置，换热器4通过管道10与气缸本体21连通，气缸本体21与A池7中的换热器4的连通通道通过第一阀门11进行控制打开与关闭，气缸本体21与B池8中的换热器4的连通通道通过第二阀门12进行控制打开与关闭，当第一阀门11和第二阀门12均处于关闭状态时，活塞22的上端、气缸本体21、第一阀门11以及第二阀门12构成一个密闭空间。

上述的温差蓄能发电装置还包括节流阀13和增压装置14，A池7中的换热器4、节流阀13、储液装置6、B池8中的换热器4通过管道10依次连接，A池7中的换热器4、增压装置14、储液装置6、B池8中的换热器4通过管道10依次连接。

请一同参阅图4所示，本发明实施例还提供一种温差蓄能发电装置发电方法，该温差蓄能发电装置发电方法的蓄能过程为：在电网用电低谷时，初始阶段A池7中水温和B池8中水温一样，电网供电给电机工作，传动机构2在电机1的驱动下，转轮25旋转带动第一连杆23和第二连杆24传动后，活塞22向下运动，打开第一阀门11，并关闭第二阀门12(参见图2中的A图示)，储液装置6向A池7中的换热器4传送制冷剂3，此时，置于A池(低温热源)7中的换热器4为蒸发器，将液态制冷剂3吸收汽化热变为低温低压气态制冷剂3后，气缸本体21从A池7的换热器4中吸入低温低压的气态制冷剂3，当活塞22下行至最低端时第一阀门11关闭，吸气过程完毕(参见图2中的B图示)。在电机1的继续驱动下，活塞22往上运动，气缸本体21内的制冷剂3被压缩成高温高压气态制冷剂3，当气缸本体21内气体压强大于放置在B池8中的换热器4内气态制冷剂3的气体压强时，第二阀门12打开(参见图2中的C图示)，向B池8中的换热器4送入高温高压气态制冷剂3，此时，B池(高温热源)8中的换热器4为冷凝器，让气态制冷剂3在换热器4内放出液化热变为液态制冷剂3，消耗电能实现将热量从低温热源A池7中传递到高温热源B池8中，以内能的形式储存起来，实现将电能转换成内能进行蓄能。当A池7、B池8的温度达到设计要求时(通常设定低温水池A有80％的水结冰)或电网即将进入用电高峰时，蓄能过程结束，第一阀门11和第二阀门12均关闭(参见图2中的D图示)。在此过程中，电机1驱动传动机构2工作相当于气泵的作用，将气体压缩成高温高压气体。低温热源A池7、换热器4、高温热源B池8组成封闭的循环系统。

在电力系统供电低谷时段，可通过节流阀13将储液装置6中的制冷剂3输送到A池7的换热器4中，利用电机1带动传动机构2将制冷剂3(如氨)在A池7中蒸发吸热，然后在B池8中冷凝放热，结果是A池7的水温下降，B池8中水温上升，当A池7的水温下降至冰点时，部分水开始结冰析放凝固热，由于水凝固热q比水的比热容c大，为了避免B池8中水温过高，B池8中水量至少是A池7的四倍。A池7中储存的水为海水，B池8中储存的水为淡水，当A池7的水结冰达到设定值，如80％的水结冰，则有20％浓盐水需排出，进入浓盐水处理工序，提取海盐及化工原料。

请一同参阅图5所示，该温差蓄能发电装置发电方法的发电过程为：在电网用电高峰时，打开第二阀门12，关闭第一阀门11(参见图3中的A图示)，根据蒸发器与冷凝器的可逆性，此时置于高温水池的B池8中的换热器4转变为蒸发器，置于低温水池的A池7中的热交换器9转变为冷凝器，由于B池8中的水温较高，A池7中的水温较低，利用液体制冷剂3在B池8的换热器4中蒸发吸热，产生高温高压气态制冷剂3后，往气缸本体21内送入高温高压气态制冷剂3，推动活塞22往下运动，通过第一连杆23和第二连杆24将平动转变为转轮25的转动，转轮25的转动带动飞轮6转动，根据电动机与发电机的可逆性，飞轮5转动带动电机1发电，电机1向电网输送电能，实现内能转变成电能。当送入一定量的高温高压气态制冷剂3后，关闭第二阀门12(参见图3中的B图示)，高温高压气态制冷剂3继续推动活塞22做功，活塞22往下运动置最低端时，打开第一阀门11，飞轮5继续转动带动活塞22向上运动(参见图3中的C图示)，向A池7中送出低温低压制冷剂3气体，活塞22上升到顶部后，关闭第一阀门11，打开第二阀门12送入高温高压气态制冷剂3推动活塞22往下运动(参见图3中的D图示)，实现飞轮5继续转动来带动电机1发电。在此过程中，高温高压气态制冷剂3推动传动机构2带动飞轮转动相当于汽轮机的作用，以利用高温高压气体推动电机1发电。

在电力系统供电高峰时段时，利用制冷剂3(如氨(R717))在B池8中蒸发吸热，产生高温高压气体(如氨在58℃时蒸汽压力2488.7kpa)，这时A池7的冰保持在0℃或以下，氨在0℃时蒸汽压力429.42kpa，A池7与B池8之间压强差为▽P＝2488.7kpa-429.42kpa＝2059.28kpa推动气轮带动电机1发电给电网供电，这时A池7中的换热器4相当于冷凝器将气态氨放热变成液态氨，在A池7的冰未完全熔解前温度保持0℃。当A池7中冰完全熔解，温度上升至设定值时发电过程结束，由于海水部分结冰时冰晶中含盐量很低几乎达到淡水标准，若一次冷冻结冰，溶解后水的含盐偏高，可采用重复冷冻结冰法，使A池中的水达到淡水标准，排出淡水供给供水系统。

以m＝1kg，h＝1m为例，水的机械能变化为WK＝mgh＝1kg×9.8N/kg×1m＝9.8j；公式Q＝cm▽t，其中水的比热容c＝4184j/kg.℃，以m＝1kg，▽t＝1℃为例，水的热能(内能)变化为：Q＝cm▽t＝4184j/kg.℃×1kg×1℃＝4184j；在条件相当的情况下，水的热能(内能)的变化是水的机械能的变化的426倍左右，而当水温到0℃时，1kg的水结成1kg0℃的冰或者1kg0℃的冰熔解成1kg0℃的水时，由公式Q＝mq，其中q＝334720j/kg，则Q＝mq＝1kg×334720j/kg＝334720j水的热能(内能)的变化是水的机械能的变化的34155倍左右。

为了提高热能转变为机械能(电能)的效率，根据热平衡方程式：P2V2/T2＝P1V1/T1，其中：V1为气缸本体的最大容积、V2为充入气缸本体内高温高压的制冷剂3气体体积，P1为低压压强其值与低温水池中冷凝器内压强值相等，T1为低温温度其值与低温水池中冷凝器内温度值相等，P2为高压压强其值与高温水池中蒸发器内压强值相等，T2为高温温度其值与高温水池中蒸发器内值温度相等。

当V2满足V2＝P1V1T2/P2T1时阀门关闭，让高温(T2)高压(P2)制冷剂3气体膨胀做功，变为低温(T1)低压(P1)制冷剂3气体，这时活塞22往上运动，将低温(T1)低压(P1)制冷剂3气体送人置于低温(设定0℃T1＝273.16K)的换热器4中放出凝固热变为液态制冷剂3，以氨(R717)为例，这时P1＝4.29atm,当活塞22运动至顶端时，进入下一个工作周期，周而复始。

由于从低温水池A池7的制冷剂3放热后变成的液态制冷剂3属于低温低压液体，而储液装置6内的制冷剂3属于高温高压液体，此时温度及压强与置于高温水池中蒸发器内的温度、压强值相当。若高温水池温度为50℃，T2＝323.16K以氨(R717)为例，这时P2＝20atm以上，故需通过增压装置14把低温低压的制冷剂3液体压到储液装置6中，才能保证制冷剂3在系统内多次循环。

综上所述，本发明的温差蓄能发电装置的发电方法为通过温差蓄能以内能形式储存起来后再转化成电能使用，该发电方法的发电装置具有蓄水库容小，内部压力小的优点，无需很大容量的水库及提升数百米的水位形成水位差，对设备无需要求较大的抗压能力，减少成本投入。

以上所述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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种温差蓄能发电装置，其特征在于，包括电机、传动机构、制冷剂、换热器、飞轮、储存所述制冷剂的储液装置、储存水的A池以及储存水的B池，所述A池与所述B池中均设置有所述换热器，所述传动机构的一端分别与所述A池中的换热器的一端、所述B池中的换热器的一端连通，所述储液装置分别与所述A池中的换热器的另一端、所述B池中的换热器的另一端连通，所述传动机构的另一端连接所述电机，所述电机与电网连接，所述电机与所述飞轮同轴设置；

2.如权利要求1所述的温差蓄能发电装置，其特征在于，所述温差蓄能发电装置还包括节流阀和增压装置，所述A池中的换热器、节流阀、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接，所述A池中的换热器、增压装置、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接。

3.一种如权利要求1所述的温差蓄能发电装置的发电方法，其特征在于：所述发电方法包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的发电方法，其特征在于，所述所述温差蓄能发电装置还包括节流阀和增压装置，所述A池中的换热器、节流阀、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接，所述A池中的换热器、增压装置、储液装置、B池中的换热器通过管道依次连接；

5.如权利要求4所述的发电方法，其特征在于，在所述步骤b中，通过增压装置将A池中的热换器输出的低温低压制冷剂液体压到储液装置中。