CN112302750B - 基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

一种基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，包括：电动机、发电机、高温压缩机、低温压缩机、高温膨胀机、低温膨胀机、储热装置、储冷装置、外部换热器、回热器和缓冲室，其中：电动机为储能过程中的高温压缩机提供能量，发电机将释能过程中高温膨胀机的膨胀功转换为电能，压缩机、储热装置、膨胀机和储冷装置依次闭环连接，回热器设置于换热器与压缩机之间或换热器与膨胀机之间，换热器连接回热器和储冷装置或回热器和储热装置。本发明通过管壳式或堆积床式梯级相变储热装置与储冷装置对系统储能与释能过程中的热能和冷能进行存储和利用，实现了冷热电联供，提升了储能密度，并可为用户进一步提供不同品位的热能与冷能以满足不同的能量需求。

Description

基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统

技术领域

本发明涉及的是一种储能领域的技术，具体是一种基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统。

背景技术

现有的大规模储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和液流电池储能等。抽水蓄能与压缩空气储能的建设周期长，对环境影响大，且受到地理、地质条件的限制。而液流电池储能则面临使用寿命不足和成本较高的问题。热泵式储电系统能够弥补上述大规模储能技术的缺点和不足，其中，基于布雷顿循环的热泵式储电系统是重要的技术分支。目前，基于布雷顿循环的热泵式储电系统仍然仅限于完成电能的存储与释放，不能实现冷热电联供，无法满足用户对多样化能源的需求。此外，基于布雷顿循环的热泵式储电系统依然采用堆积床式单级显热储热罐与储冷罐，储能密度小，且无法为用户提供多品位的热能与冷能。

现有储热与储冷装置均是采用显热材料的单级堆积床式储热与储冷装置，储热密度小，并且无法实现冷热电的同时联供，更无法实现不同品位热能与冷能的供应。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，采用了梯级相变装置，在目前热泵式储电技术的基础上通过管壳式或堆积床式梯级相变储热装置与储冷装置对系统储能与释能过程中的热能和冷能进行存储和利用，实现了冷热电联供，并增大了储能密度，而且进一步实现了为用户提供多品位热能与冷能的目标。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，包括：电动机、发电机、高温压缩机、低温压缩机、高温膨胀机、低温膨胀机、储热装置、储冷装置、外部换热器、回热器和缓冲室，其中：电动机为储能过程中的高温压缩机提供能量，发电机将释能过程中高温膨胀机的膨胀功转换为电能，压缩机、储热装置、膨胀机和储冷装置依次闭环连接，回热器设置于换热器与压缩机之间或换热器与膨胀机之间，换热器连接回热器和储冷装置或回热器和储热装置。

所述的储热装置和储冷装置采用管壳式梯级相变装置或堆积床式梯级相变装置。

所述的管壳式梯级相变装置为填充多种相变材料的多个管壳式罐体依次排列而成的储热罐序列与储冷罐序列，或是填充多种相变材料的单个管壳式储热罐与储冷罐。

所述的堆积床式梯级相变装置是填充多种相变胶囊的多个堆积床式罐体依次排列而成的储热罐序列与储冷罐序列，或是填充多种相变胶囊的单个堆积床式储热罐与储冷罐。

所述的相变材料或相变胶囊的排布原则是：在储热装置中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次降低；在储冷装置中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次升高。

所述的压缩机和膨胀机采用同时用于储能与释能过程的可逆式压缩机与膨胀机，或采用分别用于储能与释能过程的压缩机与膨胀机。

所述的基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统中进一步设有用于调节系统管路内的工质压力与流量的缓冲室。

技术效果

本发明整体解决了现有大规模储能技术的储能密度低、供能形式与品位单一等问题。与现有技术相比，本发明通过管壳式或堆积床式梯级相变储热装置与储冷装置对系统储能与释能过程中的热能和冷能进行存储和利用，实现了大规模储能技术的冷热电联供，根据热用户的需求提供特定品位和形式的能源，提升了可再生能源发电和电网的综合能量利用效率和灵活性；为用户提供不同品位的热能与冷能以满足不同的用热与用冷需求。

附图说明

图1为本发明储能过程的原理图；

图2为本发明释能过程的原理图；

图3为实施例中管壳式储热或储冷罐体序列的示意图，图中每个罐体中填充一种材料；

图4为实施例中单个管壳式储热或储冷罐的示意图，图中单个罐体内部填充不同的材料；

图5为实施例中堆积床式储热或储冷罐体序列的示意图，图中每个罐体中填充一种材料；

图6为实施例中单个堆积床式储热或储冷罐的示意图，图中单个罐体内部填充不同的材料；

图中：箭头为工质流向；虚线为分层线；电动机101、发电机102、高温压缩机201、低温膨胀机301、低温压缩机202、高温膨胀机302、储热装置4、储冷装置5、第一换热器6、第二换热器7、回热器8、缓冲室9、管壳式储能罐序列1001、管壳式储能罐单体1002、堆积床式储能罐序列1101、堆积床式储能罐单体1102、第一阀门～第六阀门a～f。

具体实施方式

本实施例包括：电动机101、发电机102、高温压缩机201、低温压缩机202、低温膨胀机301、高温膨胀机302、储热装置4、储冷装置5、第一换热器6、第二换热器7、回热器8、缓冲室9和测量装置，其中：如图1所示，在储能过程中，电动机101为高温压缩机201提供能量，如图2所示，在释能过程中，发电机102将来自高温膨胀机302的膨胀功转换为电能，压缩机201或202、储热装置4、膨胀机301或302和储冷装置5依次闭环连接，回热器8设置于第二换热器7与低温膨胀机301之间以及第一换热器6与高温压缩机201之间，或第二换热器7与低温压缩机202之间以及第一换热器6与高温膨胀机302之间，第一换热器6连接回热器8和储冷装置5，第二换热器7连接回热器8和储热装置4，测量装置设置于储热装置4和储冷装置5内以及系统管路上。

所述的回热器8与第一换热器6、第二换热器7、压缩机201或202和膨胀机301或302之间设有六个阀门a～f。

所述的储热装置4和储冷装置5采用管壳式梯级相变装置或堆积床式梯级相变装置。

如图3和图4所示，所述的管壳式梯级相变装置是填充多种相变材料的多个管壳式储能罐10依次排列而成的管壳式储能罐序列1001，或是填充多种相变材料的管壳式储能罐单体1002，当采用储能罐序列时，除系统换热管路外，每个储能罐均设置独立的换热管路；采用储能罐单体时，除系统换热管路外，内部的每个分层均设置独立的换热管路。

如图5和图6所示，所述的堆积床式梯级相变装置是填充多种相变胶囊的多个堆积床式储能罐10依次排列而成的堆积床式储能罐序列1101，或是填充多种相变胶囊的堆积床式储能罐单体1102，当采用储能罐序列时，除系统换热管路外，每个储能罐均设置独立的换热管路；采用储能罐单体时，除系统换热管路外，整个储能罐另设置独立的换热管路。

所述的相变材料或相变胶囊的排布原则是：在储热装置4中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次降低；在储冷装置5中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次升高。

所述的压缩机201或202和膨胀机301或302采用同时用于储能与释能过程的可逆式压缩机与膨胀机，或采用分别用于储能与释能过程的压缩机与膨胀机。

所述的压缩机201或202采用活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机、隔膜压缩机等容积型压缩机或离心压缩机等速度型压缩机等或其组合。

所述的膨胀机301或302采用活塞膨胀机、螺杆膨胀机、涡旋膨胀机或透平膨胀机等或其组合。

所述的换热器6和7用以维持高温压缩机201和低温膨胀机301入口处工质温度的稳定，并向环境排出系统内多余的热量以维持系统的稳定运行。

所述的缓冲室9为系统提供稳定压力和流量的工质以维持系统内各部件入口处压力与流量的稳定。

所述的工质为空气、氩气、氮气、氦气或者其两种及两种以上混合气体。

所述的测量装置包括：流量传感器、压力传感器或温度传感器。

如图1所示，在储能过程中，外部电网为电动机101提供主要的电能来源，低温膨胀机301回收一部分机械能，两部分能量同时驱动高温压缩机201压缩做功，将常温常压工质压缩为高温高压工质；高温高压工质流经储热装置4，与储热装置4内介质换热后变为常温高压工质，从而将热能存储在储热装置4中，完成储热过程；常温高压工质经低温膨胀机301膨胀为低温常压工质；低温常压工质流经储冷装置5，与储冷装置5内介质换热后变为常温常压工质，从而将冷能存储在储冷装置5中。当储热装置4出口处的工质温度高于环境温度或储冷装置5出口处的工质温度低于环境温度时，工质进入回热器8中进行换热，从而降低低温膨胀机301进口处的工质温度和提高高温压缩机201进口处的工质温度，增加系统的能量利用效率。

如图2所示，在释能过程中，常温常压工质流经储冷装置5，与储冷装置5内介质换热后变为低温常压工质；低温常压工质经低温压缩机202压缩后变为常温高压工质；常温高压工质流经储热装置4，与储热装置4内介质换热后变为高温高压工质；高温高压工质进入高温膨胀机302对外做功，一部分膨胀功为低温压缩机202提供能量，其余部分膨胀功用于驱动发电机对外发电；除实现对外发电的功能外，还可通过工质分别从储热装置4与储冷装置5中吸取热量和冷量，满足用户的用电、用热和用冷需求。当低温压缩机202出口处的工质温度较低或高温膨胀机302出口处的工质温度较高时，工质仍可进入回热器8中进行换热，从而提升储热装置4进口处的工质温度和降低储冷装置5进口处的工质温度，增加系统的能量利用效率。

所述的储能过程中为电动机101提供的电能是由电网的过剩电能或清洁能源中的一种或多种形式提供。

综上，本发明通过采用管壳式或堆积床式梯级相变储热与储冷装置，在储热装置中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次降低，在储冷装置中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次升高，从而对系统储能与释能过程中的热能和冷能进行存储和利用，实现了冷热电联供，并增大了储能密度，而且进一步实现了为用户提供多品位热能与冷能的目标。本发明显著提升了能源的综合利用率，满足用户对于多形式多品位能源的需求，增强了可再生能源发电技术以及电网的灵活性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，其特征在于，包括：电动机、发电机、高温压缩机、低温压缩机、高温膨胀机、低温膨胀机、储热装置、储冷装置、用以维持高温压缩机和低温膨胀机入口处工质温度的稳定，并向环境排出系统内多余的热量以维持系统的稳定运行的外部换热器、回热器和为系统提供稳定压力和流量的工质以维持系统内各部件入口处压力与流量的稳定的缓冲室，其中：外部换热器包括第一外部换热器和第二外部换热器，电动机为储能过程中的高温压缩机提供能量，发电机将释能过程中高温膨胀机的膨胀功转换为电能，高温压缩机、储热装置、低温膨胀机和储冷装置依次闭环连接，低温压缩机、储热装置、高温膨胀机和储冷装置依次闭环连接，回热器设置于第一外部换热器与高温压缩机之间或第二外部换热器与低温膨胀机之间，第一外部换热器连接回热器和储冷装置，第二外部换热器连接回热器和储热装置；

所述的储热装置和储冷装置采用管壳式梯级相变装置或堆积床式梯级相变装置，其中：管壳式梯级相变装置是填充多种相变材料的多个管壳式罐体依次排列而成的储热罐序列与储冷罐序列，或是填充多种相变材料的单个管壳式储热罐与储冷罐；堆积床式梯级相变装置是填充多种相变胶囊的多个堆积床式罐体依次排列而成的储热罐序列与储冷罐序列，或是填充多种相变胶囊的单个堆积床式储热罐与储冷罐；

所述的相变材料或相变胶囊的排布原则是：在储热装置中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次降低；在储冷装置中，相变温度沿储能过程中工质流动方向依次升高；

所述的热泵式储能是指：在储能过程中，电能通过电动机转换为机械能，同时回收低温膨胀机的膨胀功，两部分能量同时驱动高温压缩机压缩做功，将常温常压工质压缩为高温高压工质；高温高压工质流经储热装置，与储热装置内介质换热后变为常温高压工质，从而将热能存储在储热装置中，完成储热过程；常温高压工质经低温膨胀机膨胀为低温常压工质；低温常压工质流经储冷装置，与储冷装置内介质换热后变为常温常压工质，从而将冷能存储在储冷装置中；当储热装置出口处的工质温度高于环境温度或储冷装置出口处的工质温度低于环境温度时，工质进入回热器中进行换热，从而降低低温膨胀机进口处的工质温度和提高高温压缩机进口处的工质温度，增加系统的能量利用效率；

所述的冷热电联供是指：在释能过程中，常温常压工质流经储冷装置，与储冷装置内介质换热后变为低温常压工质；低温常压工质经低温压缩机压缩后变为常温高压工质；常温高压工质流经储热装置，与储热装置内介质换热后变为高温高压工质；高温高压工质进入高温膨胀机对外做功，一部分膨胀功为低温压缩机提供能量，其余部分膨胀功用于驱动发电机对外发电；除实现对外发电的功能外，还通过工质分别从储热装置与储冷装置中吸取不同品位的热量和冷量，满足用户的用电、用热和用冷需求；当低温压缩机出口处的工质温度较低或高温膨胀机出口处的工质温度较高时，工质仍进入回热器中进行换热，从而提升储热装置进口处的工质温度和降低储冷装置进口处的工质温度，增加系统的能量利用效率。

2.根据权利要求1所述的基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，其特征是，所述的压缩机和膨胀机采用同时用于储能与释能过程的可逆式压缩机与膨胀机，或采用分别用于储能与释能过程的压缩机与膨胀机。

3.根据权利要求1或2所述的基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，其特征是，所述的压缩机采用容积型压缩机、速度型压缩机或其组合。

4.根据权利要求1或2所述的基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，其特征是，所述的膨胀机采用活塞膨胀机、螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、透平膨胀机或其组合。

5.根据权利要求3所述的基于布雷顿循环的热泵式储能及冷热电联供系统，其特征是，所述的压缩机采用活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机、隔膜压缩机、离心压缩机或其组合。

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