CN113339090A - 布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种布雷顿‑有机朗肯循环式储能供电方法，包括储能模式和供电模式。在储能模式时，常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，通过蓄热系统进行等压放热；工作介质向余热锅炉排出热量，进入透平进行绝热膨胀，然后通过蓄冷系统进行等压吸热；有机工质进入余热锅炉以吸收热量成为蒸汽，蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，排气在冷凝器中等压放热，凝结为冷凝的有机工质，工质泵将冷凝的有机工质绝热压缩，有机工质回到余热锅炉并重复上述过程。供热供电模式为此过程的逆循环。本发明还提供相应的储能供电装置。本发明的储能供电方法通过互为可逆的布雷顿循环，并利用有机朗肯循环回收利用低温余热，进一步提高储能效率。

Description

布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法及装置

技术领域

本发明涉及一种储能的方法及其装置，特别是一种布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法及装置。

背景技术

以太阳能、风能以及水力势能为代表的绿色能源具有环保且取之不尽的优势，然而由于绿色能源一般受到天气、季节，阳光等自然条件的影响，难以提供稳定的能源输出，从而很难输出与电网匹配的电力。因此采取一定的储能技术，以空间换取时间是一个较好的解决方案。以熔盐储能为代表的物理储能相对而言具有低成本，高效率以及结构简单等特点。目前主要以电加热方式或者通过电加热导热介质进行蓄热。但缺点是蓄热和发电之间的转换效率仍不理想。

本申请人的在先授权专利(热泵式储能供电供热方法及装置ZL201711402735.7)公开了一种热泵式储能供电供热方法及装置，通过互为可逆的布雷顿循环作为储能发电原理，逆布雷顿循环储能，布雷顿循环发电。其中通过熔盐蓄热以及防冻液蓄冷储能；在发电模式下蓄冷介质降低压缩机入口气体温度，同时蓄热介质提高透平的入口气体温度以实现储能并发电目的。本专利在此基础上考虑到此储能系统的实际储能效率约为40％-70％，根据能量守恒，会有大量的低温余热排出，此专利利用有机朗肯循环系统回收利用低温余热。有机朗肯循环利用低熔点有机溶剂作为工作介质，可以有效回收利用低温热能并发电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服传统电加热蓄热介质储能方式效率低下的缺点，同时解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题，提供一种高效的热泵式储能供电供热的方法及其装置。

这里我们考虑借鉴热力学中卡诺循环与逆卡诺循环互为可逆的原理，通过逆卡诺循环做功将低温热源的热量转移到高温热源实现储能，再通过高温热源的热量转移到低温热源时对外界做功实现释能发电。但现实中，卡诺循环和逆卡诺循环的物理过程难以实现，因而本发明利用逆布雷顿循环储能，正布雷顿循环发电，由于逆布雷顿循环与正布雷顿循环在理想情况下互为可逆，因此其理论储能后发电的转换效率一般来说优于直接电加热或电加热导热介质等传统方式。这种储能方式同时具备成本低廉的特点，熔盐成本很低，用不锈钢做容器成本也较低，工作介质可选用空气；储电的同时可以供应暖气和冷气。

此外，本发明利用有机朗肯循环系统回收利用低温余热。有机朗肯循环利用低熔点有机溶剂作为工作介质，可以有效回收利用低温热能并发电。

为了实现上述目的，由此，本发明提供一种布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法，包括如下模式：

(1)储能模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩之后，通过蓄热系统进行等压放热过程；工作介质向余热锅炉排出热量，进入透平进行绝热膨胀以对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热过程，再循环或释放到外界；

(2)供电模式：常温工作介质通过蓄冷系统进行等压放热，然后经过压缩机绝热压缩，继而通过主蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平进行绝热膨胀以对外做功，然后工作介质向余热锅炉排出热量，随后循环或释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电；

对于所述储能模式和供电模式，有机工质进入余热锅炉以吸收所述工作介质向余热锅炉排出的热量，使之等压吸热成为有机工质的蒸汽，有机工质的蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，汽轮机的排气在冷凝器中等压放热，凝结为冷凝的有机工质，工质泵将冷凝的有机工质绝热压缩，有机工质回到余热锅炉并重复上述过程。

所述工作介质包括空气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳；所述有机工质包括烃类、醇类、醚类、酯类、酮类、醛类、酚类、羧酸、胺类、二醇衍生物以及杂环类化合物中的至少一种。

所述工作介质在储能模式下，与主蓄热系统换热，使得主蓄热系统中的低温点所在位置的蓄热介质从其低温点

升高到其高温点

并转移到主蓄热系统的高温点所在位置；并与蓄冷系统换热，使得蓄冷系统中的高温点所在位置的蓄热介质从空气常温T_air降低到其低温点T₀并转移到蓄冷系统的低温点所在位置；

所述工作介质在供电模式下，与蓄冷系统换热，使得蓄冷系统中的低温点所在位置的蓄热介质从其低温点T₀升高并转移到蓄冷系统的高温点所在位置；并与主蓄热系统换热，使得主蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点

降低到其低温点

并转移到主蓄热系统的低温点所在位置。

在储能模式下，在工作介质进入压缩机之前，通过回热蓄热系统进行等压吸热，使得回热蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点T₁降低到低温点T_air+ΔT并转移到回热蓄热系统的低温点所在位置；

在供电模式下，在工作介质通过余热锅炉之后，通过回热蓄热系统进行等压放热，使得回热蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其低温点T_air+ΔT升高到其高温点T₁并转移到回热蓄热系统7的高温点所在位置；ΔT为换热温差。

另一方面，本发明提供一种布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其基于上文所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法；

对应于储能模式，其包括沿工作介质的走向依次串联的进气装置、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、余热锅炉、透平、与蓄冷系统相连的蓄冷换热器、和出气装置；

对应于供电模式，其包括沿工作介质的走向依次串联的进气装置、与蓄冷系统相连的蓄冷换热器、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、透平、余热锅炉、和出气装置；

对应于所述储能模式和供电模式，所述余热锅炉、汽轮机、冷凝器和工质泵沿有机工质的走向依次串联并形成回路，汽轮机与一发电机相连。

余热锅炉和汽轮机之间设有一过热器；且汽轮机和冷凝器之间以及所述工质泵和余热锅炉之间分别设有同一个有机朗肯循环换热器的两个换热通道。

所述主蓄热系统由一个以上的蓄热模块串联而成，每个蓄热模块包含至少两个相互连通且内部的蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者至少一个相互连通且内部的蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器；且所述蓄冷系统包括至少两个相互连通且内部的蓄冷介质温度不同的蓄冷介质保温容器或者至少一个相互连通且内部的蓄冷介质具有温差梯度的斜温层的蓄冷介质保温容器。

所述主蓄热系统的蓄热介质均包括有机热载体、溶液、熔盐和压缩气体中的一种或多种的混合物，所述溶液为无机盐或含碳化合物的一种或多种与水的液态混合物，所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐和氟盐的一种或多种的混合物在高温下的液态熔融物质，所述有机热载体包括矿物油以及合成导热油的一种或多种的液态混合物；且所述蓄冷系统的蓄冷介质包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、润滑油等物质中的一种或多种与水的混合物。

对应于储能模式，所述进气装置和压缩机之间串联有一回热换热器，该回热换热器与回热蓄热系统相连；对应于供电模式，所述余热锅炉和出气装置之间串联有一回热换热器，该回热换热器与回热蓄热系统相连；所述回热蓄热系统包括至少两个相互连通且内部的蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者至少一个相互连通且内部的蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器。

所述回热蓄热系统的蓄热介质包括有机热载体、溶液、熔盐和压缩气体中的一种或多种的混合物，所述溶液为无机盐或含碳化合物的一种或多种与水的液态混合物，所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐和氟盐的一种或多种的混合物在高温下的液态熔融物质，所述有机热载体包括矿物油以及合成导热油的一种或多种的液态混合物。

本发明的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法加入了基于有机朗肯循环的余热回收利用系统，从而利用有机朗肯循环系统并利用低熔点有机溶剂作为有机工质，有效地将余热转化为电力。此外，本发明通过互为可逆的布雷顿循环作为储能发电原理，逆布雷顿循环储能，布雷顿循环供电，其中通过熔盐蓄热以及防冻液蓄冷储能；在发电模式下蓄冷介质降低压缩机入口气体温度，同时蓄热介质提高透平的入口气体温度以实现储能并发电目的。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的制冷储能模式的原理图。

图2为根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的供热供电模式的原理图。

图3为根据本发明的第二实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置在制冷储能模式下的结构示意图。

图4为根据本发明的第二实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置在供热供电模式下的结构示意图。

图5是根据本发明的第三实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的储能余冷回收模式的原理图。

图6是根据本发明的第三实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式的原理图。

图7为根据本发明的第四实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置在储能余冷回收模式下的结构示意图。

图8为根据本发明的第四实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置在布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的结构示意图。

附图标记：

1、进气装置；2、回热换热器；3、压缩机；4、主换热器；5、透平；6、出气装置；7、回热蓄热系统；8、主蓄热系统；9、回热介质泵；10、储热介质泵；11、低温回热罐；12、高温回热罐；13、低温储热罐；14、高温储热罐；15、低温蓄冷罐；16、常温蓄冷罐；17、蓄冷介质泵；18、蓄冷换热器；19、蓄冷系统；20、有机朗肯循环系统；21、余热锅炉；22、过热器；23、汽轮机；24、换热器；25、冷凝器；26、工质泵。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

第一实施例基于蓄冷型布雷顿的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法

图1-图2为根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的原理图，该方法包括储能模式和供电模式。在本实施例中，由于布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法基于蓄冷型布雷顿，因此储能模式为制冷储能模式，供电模式为供热供电模式。

图1为布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的制冷储能模式的原理图。在制冷储能模式下，进气装置1从外界吸收干燥空气(以空气为例)作为工作介质，该工作介质为气体，常温的工作介质进入压缩机3后做绝热压缩，将工作介质压缩为高温高压气体，高温高压气体从压缩机3的出口出来后进入主换热器4，来通过主换热器4与主蓄热系统8进行换热，从而通过主蓄热系统8进行等压放热过程，即该主换热器4将压缩机3的出口的高温工作介质的热量传递给主蓄热系统8，使得高温的工作介质温度降低；同时，主蓄热系统8内的蓄热介质被加热，使得蓄热系统完成蓄热储能。此时由于压缩机3、透平5的等熵效率小于1，因此工作介质需要释放一部分热量。工作介质向余热锅炉21排出热量，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过工作介质向余热锅炉21排出热量后，工作介质进入透平5后做绝热膨胀以对外做功，按照一定的压缩比，将高温高压工作介质膨胀为低温常压工作介质，低温的工作介质从透平5的出口出来后进入蓄冷换热器18，该蓄冷换热器18通过透平出口的低温工作介质吸收蓄冷系统19中的蓄冷介质的热量，使得低温工作介质温度升高；同时，蓄冷介质的温度则降低，使得蓄冷系统19完成蓄冷储能。然后排出的工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。

图2为根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的供热供电模式的原理图。对于供热供电模式，如图2所示，其正好与制冷储能模式相反，进气装置1从外界吸收干燥空气作为工作介质，工作介质首先进入防冻液工作介质的蓄冷换热器18与蓄冷系统19进行换热，从而通过蓄冷系统19进行等压放热过程，即该蓄冷换热器18通过蓄冷系统19中的蓄冷介质吸收常温工作介质的热量，使得工作介质温度降低；同时，蓄冷系统19中的低温蓄冷介质升温。随后，工作介质经过换热降温以后，进入压缩机3做绝热压缩，而将工作介质压缩为高温高压气体，从压缩机3的出口出来后进入熔盐工作介质的主换热器4以通过主换热器4与主蓄热系统8换热，从而通过主蓄热系统8进行等压吸热，即该主换热器4将主蓄热系统8内的蓄热介质的热量传递给压缩机出口的工作介质，使得工作介质温度升高，同时，主蓄热系统8内的蓄热介质降温。随后，工作介质进入透平5做绝热膨胀，以对外做功，将高温高压的工作介质膨胀为低温常压的工作介质，此时工作介质仍然比常温高很多，工作介质通过余热锅炉21进行换热，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23进行绝热膨胀以对外做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过工作介质向余热锅炉排出热量后，工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。在此过程中向外净输出功，净输出的功用于供电。

第二实施例基于蓄冷型布雷顿的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置

我们定义如下符号：

主蓄热系统低温点，单位：K；

主蓄热系统高温点，单位：K；

T₀：蓄冷系统低温点，单位：K；

T_air：空气常温，单位：K；蓄冷系统高温点也是T_air；

制冷储能模式下的余热锅炉入口温度，单位：K；

制冷储能模式下的透平入口温度，单位：K；

制冷储能模式下的压缩机的出口温度，单位：K；

T_0c1：制冷储能模式下的透平的出口温度，单位：K；

T_1c1：制冷储能模式下的压缩机的入口温度，单位：K；

供热供电模式下的压缩机的出口温度，单位：K；

供热供电模式下的透平的入口温度，单位：K；

T_0c2：供热供电模式下的压缩机的入口温度，单位：K；

T_1c2：供热供电模式下的透平的出口温度，单位：K；

T_out1：制冷储能模式下的出口温度，单位：K；

T_out2：供热供电模式下的出口温度，单位：K；

Q_2c1b：制冷储能模式下工作介质从蓄冷系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_1c1：制冷储能模式下工作介质从主蓄热系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_2c2b：供热供电模式下工作介质从蓄冷系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_1c2：供热供电模式下工作介质从主蓄热系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

W_c1：制冷储能模式下的压缩机的功率，单位：MW；

W_t1：制冷储能模式下的透平的功率，单位：MW；

W_c2：供热供电模式下的压缩机的功率，单位：MW；

W_t2：供热供电模式下的透平的功率，单位：MW；

制冷储能模式下的净输入功率，单位：MW；

供电供热模模式下的净输出功率，单位：MW；

η_cp：压缩机的多变效率；

η_tp：透平的多变效率；

η_s：制冷储能模式下的储热效率；

η_w：供热供电模式下的发电效率；

η_all：系统储能综合效率；

κ：工作介质绝热指数；

π：制冷储能模式下压缩机3以及透平5的压缩比；

π′：供热供电模式下压缩机3以及透平5的压缩比；

P：制冷储能模式下压缩比；

P′：供热供电模式下压缩比；

W_all：储电容量，单位：J/K或MW·H；

C：比热容，单位：J/(kg·K)；

M：熔盐总质量，单位：Kg或t；

V：熔盐总体积，单位：m³；

M′：防冻液总质量，单位：Kg或t；

V′：防冻液总体积，单位：m³；

W_cold：制冷储能模式下可提供的冷气功率；

W_hot：供热供电模式下可提供的暖气功率；

F：工作介质流量

根据图1和图2所示的制冷储热和供热供电模式，图3和图4给出了根据本发明的第二实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置。在本实施例中，该装置的主蓄热系统8和蓄冷系统19均为双罐形式。其中，主蓄热系统8包括高温容器——此处为高温储热罐14(即高温熔盐罐)与低温容器——此处为低温储热罐13(即低温熔盐罐)，两容器体均采用耐高温耐腐蚀的不锈钢材料外加保温层制作，低温容器温度维持在

高温容器温度维持在

容器体内采用熔盐或导热油作为蓄热介质；而蓄冷系统19则由常温池——此处为常温蓄冷罐16(即防冻液池)与低温容器——此处为低温蓄冷罐15(即低温防冻液罐)组成，低温容器体外加保温层，而常温容器的外部不设置保温层，低温容器温度维持在T₀，常温容器温度维持在T₁(在本实施例中，T₁为常温T_air)，容器体内的蓄冷介质以汽车防冻液为例。由此，主蓄热系统8的低温点为

主蓄热系统8的高温点为

蓄冷系统19的低温点为T₀，蓄冷系统19的高温点为空气常温T_air。

一般来说高温熔盐对金属有较高的腐蚀性，因此本实施例中熔盐温度控制在700摄氏度。当然熔盐温度也可以控制在更高的温度，但其对材料要求较高，成本也会相应增加。

如图3所示，对应于制冷储能模式，所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置包括沿工作介质的走向由管线依次串联的进气装置1、压缩机3、与主蓄热系统8相连的主换热器4、余热锅炉21、透平5、与蓄冷系统19相连的蓄冷换热器18、和出气装置6；所述余热锅炉21、汽轮机23、冷凝器25和工质泵26沿有机工质的走向依次串联并形成回路，汽轮机23与一发电机相连，从而带动发电机(图未示)发电。由此，所述余热锅炉21、汽轮机23、冷凝器25、工质泵26共同构成了一个有机朗肯循环系统20，且上述所有装置形成了第一种排布。此外，余热锅炉21和汽轮机23之间可以设有一过热器22，过热器22设置为将蒸汽从饱和温度进一步加热至高压过热温度；且汽轮机23和冷凝器25之间以及所述工质泵26和余热锅炉21之间分别设有同一个有机朗肯循环换热器24的两个换热通道，以通过进入余热锅炉21之前的有机工质对汽轮机23排出的蒸汽进行降温。

在制冷储能模式下，所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置自进气装置1从外界吸收一定流量的温度为T₁的干燥空气作为工作介质，该工作介质进入压缩机3后做绝热压缩，对于给定压缩比P，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机3并非理想压缩机，应考虑压缩机3的绝热效率η_c和多变效率η_cp，等熵效率又称为绝热效率，和多变效率可以换算，根据不同的设备，其给出的参数也不同。气体从压缩机出口出来后温度升高为

(ψ为压缩比中间参数，

κ为绝热指数，π为制冷储能模式的压缩比，即制冷储能模式下压缩机3以及透平5的压缩比)，然后工作介质进入主换热器4，该主换热器4将压缩机3的出口的高温工作介质的热量传递给主蓄热系统8的低温储热罐13中的低温熔盐，使得高温工作介质温度从

降低到

另一方面低温熔盐从温度

被加热到

后经储热介质泵10进入高温储热罐14中。也就是说，工作介质在制冷储能模式下通过主换热器4与主蓄热系统8换热，使得主蓄热系统8中的低温点所在位置的蓄热介质从其低温点

升高到高温点

并转移到主蓄热系统8的高温点所在位置。此时由于压缩机透平的等熵效率小于1，因此工作介质需要释放一部分热量。工作介质向余热锅炉21排出热量，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过工作介质向余热锅炉21排出热量后，工作介质的温度降低到

后进入透平5做绝热膨胀，按照一定的压缩比，将高温高压工作介质膨胀为低温常压工作介质，这里的透平5并非理想透平，应考虑透平的绝热效率η_t和多变效率η_tp，气体从透平5的出口出来后温度降低为

然后工作介质进入蓄冷换热器18，该蓄冷换热器18通过透平5的出口的低温工作介质吸收蓄冷系统19的高温点所在的冷却液池——此处是常温蓄冷罐16中的常温防冻液的热量，使得低温工作介质温度从T_0c1升高到T_1c1，另一方面蓄冷介质(即防冻液)的温度从蓄冷系统19的高温点(即空气常温T_air)降温到低温点T₀后经蓄冷介质泵17进入低温冷却液罐——此处为低温蓄冷罐15中，也就是说，工作介质在制冷储能模式下通过蓄冷换热器18与蓄冷系统19换热，使得蓄冷系统19中的高温点所在位置的蓄冷介质从其高温点(即空气常温T_air)降低到低温点T₀并转移到蓄冷系统19的低温点所在位置。此处若设定蓄冷系统19的高温点为常温，则工作介质温度T_1c1略低于常温，可作为冷气供应。然后排出的工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。

而对于供热供电模式，如图4所示，所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置包括沿工作介质的走向由管线依次串联的进气装置1、与蓄冷系统19相连的蓄冷换热器18、压缩机3、与主蓄热系统8相连的主换热器4、透平5、余热锅炉21、和出气装置6；所述余热锅炉21、汽轮机23、冷凝器25和工质泵26沿有机工质的走向依次串联并形成回路。由此，所述余热锅炉21、汽轮机23、冷凝器25、工质泵26共同构成了一个有机朗肯循环系统20，且上述所有装置形成了第二种排布。此外，余热锅炉21和汽轮机23之间可以设有一过热器22，过热器22设置为将蒸汽从饱和温度进一步加热至高压过热温度；且汽轮机23和冷凝器25之间以及所述工质泵26和余热锅炉21之间分别设有同一个有机朗肯循环换热器24的两个换热通道，以通过进入余热锅炉21之前的有机工质对汽轮机23排出的蒸汽进行降温。

在供热供电模式下，所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置正好与制冷储能模式相反，自进气装置1从外界吸收一定流量的温度为T_1c2＝T_air的干燥空气作为工作介质，工作介质首先进入蓄冷换热器18进行换热，该蓄冷换热器18通过低温蓄冷罐15中的低温防冻液吸收常温工作介质的热量，使得工作介质温度从常温降低到T_0c2，另一方面低温蓄冷罐15中温度为T₀的低温防冻液，被升温到T₁，经蓄冷介质泵17进入常温蓄冷罐16，也就是说，工作介质在供热供电模式下通过蓄冷换热器18与蓄冷系统19换热，使得蓄冷系统19中的低温点所在位置的蓄冷介质从其低温点T₀升高到高温点(即空气常温T_air)并转移到蓄冷系统19的高温点所在位置。工作介质经过换热降温以后，进入压缩机3做绝热压缩，对于给定压缩比P′，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机同样并非理想压缩机，同样应考虑压缩机的绝热效率η_c和多变效率η_cp，气体从压缩机3出口出来后温度升高为

然后工作介质进入熔盐工作介质的主换热器4，该换热器将高温储热罐14中的高温熔盐的热量传递给压缩机3的出口的工作介质，使得工作介质温度从

升高到

另一方面温度为

的高温熔盐被降温到

经储热介质泵10进入低温储热罐13中，也就是说，工作介质在供热供电模式下通过主换热器4与主蓄热系统8换热，使得主蓄热系统8中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点

降低到低温点

并转移到主蓄热系统8的低温点所在位置。工作介质经过换热升温以后，进入透平5做绝热膨胀，按照一定的压缩比，将高温高压工作介质膨胀为低温常压工作介质，这里的透平5同样并非理想透平，同样应考虑透平的绝热效率η_t和多变效率η_tp，气体从透平5的出口出来后温度降低为

(ψ′为压缩比中间参数，

κ为绝热指数，π′为供热供电模式的压缩比，即供热供电模式下压缩机3以及透平5的压缩比)，此时工作介质仍然比常温高，因此可以通过有机朗肯循环系统20进行余热回收。具体来说，工作介质向余热锅炉21排出热量，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。过热器22将蒸汽从饱和温度进一步加热至高压过热温度。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽从汽轮机23排出的低压湿蒸汽通过有机朗肯循环换热器24回热降温达到低压饱和温度后，在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过有机朗肯循环系统20吸热后的工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。

本发明的主换热器4为熔盐工作介质的换热器，其应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为15度-30度。对于制冷储能模式以及供电供热模式，参见如下温度关系，

本发明的蓄冷换热器18应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为15度-30度。对于制冷储能模式以及供电供热模式，其温度关系如下，

T_0c1＝T₀-ΔT，

T_1c1＝T₁-ΔT，

T_0c2＝T₀+ΔT，

T_1c2＝T₁+ΔT。

本发明中工作介质的压缩机3并非理想压缩机，应考虑压缩机的绝热效率η_c和多变效率η_cp均小于1，对于制冷储能模式以及供电供热模式，工作介质在压缩机3进出口温度关系为：

本发明中透平5并非理想透平，应考虑透平的绝热效率η_t和多变效率η_tp均小于1，对于制冷储能模式以及供电供热模式，透平5的进出口温度关系为：

本发明中制冷储能循环的朗肯循环发电效率η′可根据等效的卡诺循环获得，通过引入工质平均吸热温度T_H1和工质冷凝温度T_L1，通常如果T₀温度较低，则η^′可以忽略不计。

所述制冷储能循环的朗肯循环发电效率η′为：

有机朗肯循环系统20中的朗肯循环发电效率η″可根据等效的卡诺循环，通过引入工质平均吸热温度T_H2和工质冷凝温度T_L2来获得。

有机朗肯循环系统20中的朗肯循环发电效率η″为：

本发明中供电供暖模式下工作介质在压缩机3以及透平5的压缩比由压缩机绝热效率以及出入口温度决定。工作介质在压缩机3以及透平5的压缩比中间参数ψ^′为：

本发明中系统储能综合效率由制冷储能循环的制冷系数ε、供电供暖模式下的热机效率η以及制冷储能循环和有机朗肯循环系统的朗肯循环发电效率η^′和η″决定，此处由于η^′忽略不计。

本发明中，工作介质的管道需密封处理，且可以耐受至少30Bar的压力以及600度高温。

第三实施例基于回热型布雷顿的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法

图5-图6为根据本发明的第三实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的原理图，该方法包括储能模式和供电模式。在本实施例中，由于布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法基于回热型布雷顿，因此储能模式为储能余冷回收模式，供电模式为布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式。

如图5所示根据本发明的第三实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的储能余冷回收模式的原理图。储能余冷回收模式与根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法中的制冷储能模式基本相同，其区别仅仅在于：在工作介质进入压缩机3之前，先进入回热换热器2，从而通过回热蓄热系统7进行等压吸热。

具体来说，进气装置1从外界吸收干燥空气(以空气为例)作为工作介质，该工作介质进入回热换热器2，从而通过回热蓄热系统7进行等压吸热，通过从回热蓄热系统7中吸收热量升高温度；然后进入压缩机3做绝热压缩，将工作介质压缩为高温高压气体；然后工作介质进入主换热器4通过主蓄热系统8吸收高温高压气体的热量来进行等压放热，从而将工作介质的热量释放到主蓄热系统8中，同时主蓄热系统完成蓄热储能。此时由于压缩机透平的等熵效率小于1，因此工作介质需要释放一部分热量。工作介质排出的热量进入余热锅炉21进行换热，加热余热锅炉21中的有机工质，有机工质在余热锅炉21中等压吸热成为高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在凝汽器25中等压放热，凝结成液态(即凝结成冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩，随后有机工质回到余热锅炉21并重复上述步骤，如此完成循环。经过工作介质向余热锅炉21排出热量后，工作介质进入透平5做绝热膨胀以对外做功，工作介质膨胀为低温常压气体，此时工作介质温度比常温低不少，然后工作介质进入蓄冷换热器18，从而通过蓄冷系统19做等压吸热，即通过从蓄冷系统19吸收热量升高温度；同时，蓄冷介质的温度则降低，使得蓄冷系统19完成蓄冷储能。然后排出的工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。

图6为根据本发明的第三实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法的布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式的原理图。对于布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，则如图6所示，其正好与储能余冷回收模式相反，且储能余冷回收模式与根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法中的供热供电模式基本相同，其区别仅仅在于：在工作介质通过余热锅炉21之后，进入回热换热器2，从而通过回热蓄热系统7进行等压放热。

进气装置1从外界吸收干燥空气作为工作介质，工作介质首先进入蓄冷换热器18与蓄冷系统19进行换热，从而通过蓄冷系统19进行等压放热过程，即通过向蓄冷系统19释放热量降低温度；同时，蓄冷系统19中的低温蓄冷介质升温。然后工作介质进入压缩机3做绝热压缩，将工作介质压缩为高温高压气体；然后工作介质从压缩机3出口出来后进入主换热器4以通过主换热器4与主蓄热系统8换热，从而通过主蓄热系统8进行等压吸热，即该主换热器4将主蓄热系统8中的热量传递给工作介质以继续升高工作介质的温度，同时，主蓄热系统8内的蓄热介质降温。然后，工作介质进入透平5做绝热膨胀，以对外做功，将高温高压工作介质膨胀为常压的工作介质，然后工作介质释放多余热量后进入回热换热器2与回热蓄热系统7换热，以通过回热蓄热系统7做等压放热，即将工作介质的热量释放到回热蓄热系统7中后温度降低，同时回热蓄热系统7的温度升高。由于换热温差的存在，回热蓄热系统7出口的工作介质仍然比常温高，工作介质向余热锅炉21排出热量，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过工作介质向余热锅炉21排出热量后，工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。在此过程中向外净输出功，净输出的功用于供电。

第四实施例基于回热型布雷顿的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置

我们定义如下符号：

主蓄热系统低温点，单位：K；

主蓄热系统高温点，单位：K；

T₀：回热蓄热系统低温点，单位：K；

T₁：回热蓄热系统高温点，单位：K，也是蓄冷系统19的高温点；

T_air：空气常温，单位：K；

T_air+ΔT：回热蓄热系统的低温点，单位：K；

ΔT：换热温差，单位：K；

储能余冷回收模式下的余热锅炉入口温度，单位：K；

储能余冷回收模式下的透平入口温度，单位：K；

储能余冷回收模式下的压缩机出口温度，单位：K；

T_0c1：储能余冷回收模式下的透平出口温度，单位：K；

T_1c1：储能余冷回收模式下的压缩机入口温度，单位：K；

布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的压缩机出口温度，单位：K；

布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的透平入口温度，单位：K；

T_0c2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的压缩机入口温度，单位：K；

T_1c2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的透平出口温度，单位：K；

T_1c2i：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的回热蓄热系统的入口温度，单位：K；

T_out1：储能余冷回收模式下的出口温度，单位：K；

T_out2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的出口温度，单位：K；

Q_2c1a：储能余冷回收模式下工作介质从回热蓄热系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_2c1b：储能余冷回收模式下工作介质从蓄冷系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_1c1：储能余冷回收模式下工作介质从主蓄热系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_2c2a：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下工作介质从回热蓄热系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_2c2b：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下工作介质从蓄冷系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_1c2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下工作介质从主蓄热系统中吸收的热量的功率，单位：MW；

Q_1c2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下工作介质进入回热蓄热系统前释放热量的功率，单位：MW；

W_c1：储能余冷回收模式下的压缩机的功率，单位：MW；

W_t1：储能余冷回收模式下的透平的功率，单位：MW；

W_c2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的压缩机的功率，单位：MW；

W_t2：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的透平的功率，单位：MW；

储能余冷回收模式下的净输入功率，单位：MW；

供电供热模模式下的净输出功率，单位：MW；

η_cp：压缩机的多变效率；

η_tp：透平的多变效率；

η_s：储能余冷回收模式下的储热效率；

η_w：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下的发电效率；

η_all：系统储能综合效率；

κ：工作介质绝热指数；

π：储能余冷回收模式下压缩机3以及透平5的压缩比；

π′：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下压缩机3以及透平5的压缩比；

P：储能余冷回收模式下压缩比；

P′：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下压缩比；

W_all：储电容量，单位：J/K或MW·H；

C：比热容，单位：J/(kg·K)；

M：熔盐总质量，单位：Kg或t；

V：熔盐总体积，单位：m³；

M′：防冻液总质量，单位：Kg或t；

V′：防冻液总体积，单位：m³；

W_cold：储能余冷回收模式下可提供的冷气功率；

W_hot：布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下可提供的暖气功率；

F：工作介质流量。

基于图5和图6所示的储能余冷回收模式和布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，图7和图8给出了根据本发明的第四实施例的一种布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置。在本实施例中，该装置的回热蓄热系统7、主蓄热系统8和蓄冷系统19均由一组以上的双罐形式的蓄热介质(或蓄冷介质)组成。其中，回热蓄热系统7由高温容器——此处为高温回热罐12与低温容器——此处为低温回热罐11组成，两个容器体外加保温层，低温容器温度维持在T_air+ΔT，高温容器温度维持在T₁；主蓄热系统8包括高温容器——此处为高温储热罐14与低温容器——此处为低温储热罐13，两容器体均采用耐高温耐腐蚀的不锈钢材料外加保温层制作，低温容器温度维持在

高温容器温度维持在

蓄热系统19由低温容器——此处为低温蓄冷罐15与常温容器——此处为常温蓄冷罐16组成，低温容器体外加保温层，而常温容器的外部不设置保温层，低温容器温度维持在T₀，常容器温度维持在常温T_air；容器体内采用防冻液作为蓄冷介质。一般来说高温熔盐对金属有较高的腐蚀性，因此本实施例中熔盐温度控制在700摄氏度。当然熔盐温度也可以控制在更高的温度，但其对材料要求较高，成本也会相应增加。由此，主蓄热系统8的低温点为

主蓄热系统8的高温点为

回热蓄热系统7的高温点为T₁，回热蓄热系统7的低温点为T_air+ΔT；蓄冷系统19的低温点为T₀，蓄冷系统19的高温点为空气常温T_air。

如图7所示，对应于储能余冷回收模式，所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置与根据本发明的第一实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置对应于制冷储能模式时的排布形式基本相同，其区别仅仅在于：所述进气装置1和压缩机3之间串联有一回热换热器2，该回热换热器2与回热蓄热系统7相连。

所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置自进气装置1从外界吸收一定流量的常温T_air的干燥空气作为工作介质，该工作介质进入回热换热器2以进行等压吸热，通过从回热蓄热系统7中吸收热量Q_2c1a后升高温度，使得高温工作介质温度从常温T_air升高到T_1c1，另一方面高温回热罐12中蓄热介质从温度T₁降低到T_air+ΔT后经回热介质泵9进入低温回热罐11中，也就是说，工作介质在储能余冷回收模式下通过回热换热器2与回热蓄热系统7换热，使得回热蓄热系统7中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点T₁降低到低温点T_air+ΔT并转移到回热蓄热系统7的低温点所在位置。然后工作介质进入压缩机3做绝热压缩，对于给定压缩比P，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机3并非理想压缩机，应考虑等熵效率η_c和多变效率η_cp，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为

(

κ为绝热指数，π为储能余冷回收模式下压缩机3以及透平5的压缩比)；然后工作介质进入主换热器4以进行等压放热，将工作介质热量-Q_1c1释放到主蓄热系统8中后温度降低，使得高温工作介质温度从

降低到

另一方面低温熔盐罐13中熔盐从温度

升高到

后经熔盐泵10进入高温熔盐罐14中，也就是说，工作介质在储能余冷回收模式下通过主换热器4与主蓄热系统8换热，使得主蓄热系统8中的高温点所在位置的蓄热介质从其低温点

升高到高温点

并转移到主蓄热系统8的高温点所在位置。此时由于压缩机透平的等熵效率小于1，因此需要释放一部分热量。工作介质向余热锅炉21排出热量，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过余热锅炉吸热后的工作介质温度降低到

后进入透平5做绝热膨胀，工作介质膨胀为低温常压气体，这里的透平5并非理想透平，应考虑等熵效率η_t和多变效率η_tp。气体从透平5的出口出来后温度降低为

然后该工作介质进入蓄冷换热器18以进行等压吸热，通过从蓄冷系统19中吸收热量Q_2c1b后升高温度，使得工作介质温度从低温T_0c1升高到T_air-ΔT，另一方面常温蓄冷罐16中蓄冷介质从常温T_air降低到T₀后经蓄冷介质泵17进入低温蓄冷罐15中，也就是说，工作介质在储能余冷回收模式下通过蓄冷换热器18与蓄冷系统19换热，使得蓄冷系统19中的高温点所在位置的蓄冷介质从高温点(即常温T_air)降低到低温点T₀并转移到蓄冷系统19的低温点所在位置。最后工作介质以温度T_air-ΔT自出气装置6排出，然后排出的工作介质经出气装置6视情况循环或释放到外界。

而对于布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，如图8所示，其正好与储能余冷回收模式相反，且所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置与根据本发明的第二实施例的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置对应于供热供电模式时的排布形式基本相同，其区别仅仅在于：所述余热锅炉21和出气装置6之间串联有一回热换热器2，该回热换热器2与回热蓄热系统7相连。

因此，对应于布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，所述布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置自进气装置1从外界吸收一定流量的常温T_0c2＝T_air的干燥空气作为工作介质，工作介质进入蓄冷换热器18以进行等压放热，通过从蓄冷系统19中释放热量Q_2c2b后升高温度，使得工作介质温度从常温T_air降低到低温T_0c2，另一方面低温蓄冷罐15中蓄冷介质从低温T₀升高到T_air-ΔT后经防冻液泵17进入常温蓄冷罐16中，也就是说，工作介质在布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下通过蓄冷换热器18与蓄冷系统19换热，使得蓄冷系统19中的低温点所在位置的蓄冷介质从其低温点T₀升高到T_air-ΔT(略低于其高温点)并转移到蓄冷系统19的高温点所在位置，随后与外界热交换变为常温T_air。然后工作介质以温度T_0c2进入压缩机3做绝热压缩，对于给定压缩比P′，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机3并非理想压缩机，应考虑等熵效率η_c和多变效率η_cp，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为

(

k为绝热指数，π'为布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式的压缩比)；该工作介质进入主换热器4以进行等压吸热，通过从主蓄热系统8中吸收热量Q_1c2升高温度，使得高温工作介质温度从

升高到

另一方面高温储热罐14中储热介质从温度

降低到

后经储热介质泵10进入低温储热罐13中，也就是说，工作介质在布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下通过主换热器4与主蓄热系统8换热，使得主蓄热系统8中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点

降低到低温点

并转移到主蓄热系统8的低温点所在位置。然后工作介质进入透平5做绝热膨胀，对外做功，工作介质膨胀为常压气体，这里的透平5并非透平，应考虑等熵效率η_t和多变效率η_tp。气体从透平5的出口出来后温度降低为

然后工作介质对外释放能量Q_out使得气体温度从T_1c2降低，工作介质向余热锅炉21排出热量，以加热余热锅炉21中的有机工质，使得有机工质等压吸热成为高温高压的有机工质的蒸汽。蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机23排出的蒸汽在冷凝器25中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机工质)，工质泵26将冷凝的有机工质绝热压缩后，有机工质回到余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过余热锅炉吸热后的工作介质温度降低到T_1c2i＝T₁+ΔT后进入回热换热器2以进行等压放热，工作介质对回热蓄热系统7释放热量-Q_2c2a后升高温度，使得工作介质温度从温度T_1c2i降低到T_air+2ΔT，另一方面低温回热蓄热罐11中蓄热介质从温度T_air+ΔT升高到T₁后经蓄热介质泵9进入高温蓄热介质罐12中，也就是说，工作介质在布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下通过回热换热器2与回热蓄热系统7换热，使得回热蓄热系统7中的高温点所在位置的蓄热介质从其低温点T_air+ΔT升高到高温点T₁并转移到回热蓄热系统7的高温点所在位置。最后工作介质以温度T_air+2ΔT自出气装置6排出，作为暖气源供应到外界。在布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下，透平5对外做功，压缩机3消耗功，在此过程中向外净输出功，该功即用于供电。

本发明的主换热器4应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为3度-15度。对于储能余冷回收模式以及布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，参见如下温度关系，

本发明的回热换热器2应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为3度-15度。对于储能余冷回收模式以及布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，其温度关系如下，

T_1c1＝T₁-ΔT，

T_1c2i＝T₁+ΔT，

T_in1＝T_air，

T_out2＝T_air+2ΔT。

本发明的蓄冷换热器应尽可能减少换热温差以提高储能效率，一般而言合理的换热温差ΔT为3度-15度。对于储能余冷回收模式以及布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，其温度关系如下，

T_0c1＝T₀-ΔT，

T_0c2＝T₀+ΔT，

T_in2＝T_air，

T_out1＝T_air-ΔT。

本发明中工作介质压缩机3并非理想压缩机，应考虑等熵效率η_c和多变效率η_cp均小于1，对于储能余冷回收模式以及布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，工作介质压缩机3的进出口温度关系为：

上式中，

本发明中透平5并非理想透平，应考虑等熵效率η_t和多变效率η_tp均小于1，对于储能余冷回收模式以及布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，透平5的进出口温度关系为：

上式中，

本发明中布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下工作介质压缩机3以及透平5的压缩比由压缩机3的等熵效率以及出入口温度决定

本发明中系统储能综合效率由制冷储能循环的制冷系数ε、供电供暖模式下的热机效率η以及有机朗肯循环系统中的发电效率η′和η″决定，此处由于η′忽略不计。

本发明中，工作介质的管道需密封处理，且可以耐受至少30Bar的压力以及600度高温。

实验结果

下面列举两个实例，以说明本发明的第二实施例的基于蓄冷型布雷顿的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置的工作模式，以及本发明的第二实施例的基于回热型布雷顿的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置的工作模式。

根据本发明的第二实施例，对于制冷储能模式，可以先固定低温蓄冷罐15的温度，对于给定压缩比22，进气装置从外界吸入干燥工作介质(假设常温为20度)作为工作介质，然后工作介质经过压缩机绝热压缩做功4.42MW之后，根据压缩机的绝热效率和压缩比可以计算得到比理想出口温度略高的482度，工作介质从压缩机出来后与熔盐储罐进行换热，将低温166度的低温储热罐13中的熔盐加热至高温467度熔盐的温度，工作介质经等压放热-2.88MW后，温度降低到181度。工作介质经过与熔盐储罐换热之后，进入透平5绝热膨胀对外做功-2.42MW，此时透平5的出口温度为-72度，工作介质从透平5出来后与常温蓄冷罐16进行换热，将高温20度的常温蓄冷罐16中的防冻液降温至低温-57度的防冻液温度，，工作介质经等压吸热0.88MW后，，温度升高到5度，此时工作介质温度低于环境温度15度，作为冷气供应，冷气功率为0.14MW。

由此可知，制冷储能模式下，当输入功率为2MW时，熔盐储热2.88MW，防冻液蓄冷0.88MW，释放冷气0.14MW。

对于供电供暖模式，使用与制冷循环不同的压缩比7.11以使整个循环自洽，工作介质从蓄冷换热器18出来后，根据换热器温差15度，温度为-42度，释放热量-0.74MW，然后工作介质经过压缩机3绝热压缩做功1.85之后，达到出口温度151度，工作介质从压缩机3出来后与熔盐储罐进行换热，将高温467度的高温储热罐14中的熔盐降温至低温166度熔盐的温度，工作介质经等压放热后，温度升高到452度。工作介质经过主换热器4换热2.88MW以后，进入透平5绝热膨胀对外做功-2.83MW，达到出口温度156度，工作介质从透平出来以后，其温度比环境温度高出136度，余热功率为1.3MW，若此时假定有机工质的平均吸热温度为80摄氏度，冷凝温度为30摄氏度，则有机朗肯循环系统的发电效率约为14％。可回收电力0.18MW。由此可知，供电供暖模式下，供电功率为0.98MW，余热回收0.18MW，总共发电约1.16MW。综合储能效率58％。

根据本发明的第四实施例，在储能余冷回收模式下，系统自进气装置1从外界吸收流量为256.28Kg/s的常温20度的干燥空气作为工作介质，该工作介质进入回热换热器2以进行等压吸热，通过从回热蓄热系统7中吸收热量37.69MW后升高温度，使得高温工作介质温度从常温20度升高到167度，另一方面高温回热罐12中蓄热介质从温度170降低到23后经回热介质泵9进入低温回热罐11中；然后工作介质进入压缩机3做绝热压缩，对于给定压缩比18.3，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机3并非理想压缩机，应考虑等熵效率0.9，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为

度；然后工作介质进入主换热器4以进行等压放热，将工作介质热量158.2MW释放到主蓄热系统8中后温度降低，使得高温工作介质温度从799.9度降低到183度，另一方面低温熔盐罐13中熔盐从温度180度升高到196.9度后经熔盐泵10进入高温熔盐罐14中；然后工作介质进入透平5做绝热膨胀，工作介质膨胀为低温常压气体，这里的透平5并非透平，应考虑等熵效率0.95。气体从透平5的出口出来后温度降低为-61.4度，然后该工作介质进入蓄冷换热器18以进行等压吸热，通过从蓄冷系统19中吸收热量20.1MW后升高温度，使得工作介质温度从低温-61.4度升高到17度，另一方面常温蓄冷罐16中蓄冷介质从常温20度降低到-58.4度后经蓄冷介质泵17进入低温蓄冷罐15中；最后工作介质以温度17自出气装置6排出，作为冷气源供应到外界。

而对于布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式，系统自进气装置1从外界吸收一定流量的常温20度的干燥空气作为工作介质，工作介质进入蓄冷换热器18以进行等压放热，通过从蓄冷系统19中释放热量-19.3MW后升高温度，使得工作介质温度从常温20度降低到低温-55.4度，另一方面低温蓄冷罐15中蓄冷介质从低温-58.4度度升高到17度后经防冻液泵17进入常温蓄冷罐16中，然后工作介质以温度T_0c2进入压缩机3做绝热压缩，对于给定压缩比10.57，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机3并非理想压缩机，应考虑等熵效率0.9，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为177度；该工作介质进入主换热器4以进行等压吸热，通过从主蓄热系统8中吸收热量158.2MW升高温度，使得高温工作介质温度从177度升高到793.9度，另一方面高温储热罐14中储热介质从温度797.9降低到180度后经储热介质泵10进入低温储热罐13中；然后工作介质进入透平5做绝热膨胀，对外做功，工作介质膨胀为常压气体，这里的透平5并非透平，应考虑等熵效率0.95。气体从透平5的出口出来后温度降低为297度；然后工作介质对外释放能量Q_out使得气体温度从297度降低到173度，然后工作介质进入回热换热器2以进行等压放热，工作介质对回热蓄热系统7释放热量37.7MW后升高温度，使得工作介质温度从温度177度降低到26度，另一方面低温回热蓄热罐11中蓄热介质从温度23度升高到170度后经蓄热介质泵9进入高温蓄热介质罐12中；最后工作介质以温度26度自出气装置6排出，作为暖气源供应到外界。释放的热量37.7MW进入有机朗肯循环回收利用，有机朗肯循环系统的发电效率约为15％。可回收电力5.66MW。

由此可知，储能余冷回收模式下，当输入功率为100MW时，熔盐储热158MW，消耗回热37.7MW，蓄冷20.1MW，释放冷气0.77MW。布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式下，供电功率为68MW，消耗蓄热158MW，消耗蓄冷19.3MW，回热蓄能37.7MW，释放热量为31.8MW，释放暖气1.54MW。回收电力5.66MW。储能效率为73.7％，有机朗肯循环使得储能效率提升了5.7％。

由上文给出的储能效率公式，以及储电综合效率公式，可以计算出供电功率。也就是用η_all乘以输入功率，蓄热以及供热功率则根据空气流量以及空气工作点温度计算得到供电功率。

上述多个实施例中，工作介质均为空气，也可以更换为任何在工作温度下不会相变的气体，如二氧化碳。一般来说单原子气体由于绝热指数较高，有助于提高系统工作效率，如氩气、氮气或氦气。但由于成本问题，单原子气体应进行回收利用以降低成本，空气作为双原子气体，是非常容易获取的零成本工作介质，本发明出于简化系统以及优化成本的考虑采用空气作为工作介质。所述有机工质包括烃类、醇类、醚类、酯类、酮类、醛类、酚类、羧酸、胺类、二醇衍生物以及杂环类化合物等低沸点有机溶剂。低沸点有机溶剂的沸点一般低于水的沸点，在0-100度左右。

上述多个实施例中，回热蓄热系统7采用双罐形式的蓄热介质，然而，在其他实施例中，回热蓄热系统7也可以采用单罐形式或多罐形式。也就是说，回热蓄热系统7包括不少于两个的相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者不少于一个的相互连通且内部蓄热介质存在具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器，使得回热蓄热系统7在储能余冷回收模式或布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式时，通过蓄热介质在不同温度的蓄热介质保温容器之间流动或者容器内蓄热介质的斜温层的移动进行蓄热或释热。回热蓄热系统7，主要作用是回收利用透平5出口的高温气体，将废热回收利用再入压缩机3以提高效率，降低压缩比。主蓄热系统8的蓄热介质可以为蓄热介质可以为导热油，导热油的工作温度范围在400度以内比较有优势，导热油工作温度相对高于水或防冻液，又具备良好的流动性，因此被选为回热蓄热系统7的蓄热介质。此外水或防冻液也是可以用于回热蓄热系统7。回热蓄热系统7的蓄热介质还可以为其他有机热载体，例如矿物油以及合成导热油的一种或多种的液态混合物；或者可以为溶液，即无机盐或含碳化合物的一种或多种与水的液态混合物；又或者，可以是熔盐或者压缩气体。

上述多个实施例中，主蓄热系统8采用一组以上的双罐形式的蓄热介质且蓄热介质为熔盐，然而，在其他实施例中，主蓄热系统8也可以采用单罐形式或多罐形式。也就是说，主蓄热系统8由一个以上的蓄热模块串联而成，每个蓄热模块包括不少于两个的相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者不少于一个的相互连通且内部蓄热介质存在具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器，使得主蓄热系统8在储能余冷回收模式或布雷顿-有机朗肯循环供电回热模式时，通过蓄热介质在不同温度的蓄热介质保温容器之间流动或者容器内蓄热介质的斜温层的移动进行蓄热或释热。单罐难以形成有效的大温差，相对而言双罐储热有助于提高储能的效率与容量。另一方面主蓄热系统8的蓄热介质可以为熔盐，所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐和氟盐等一种或多种盐的混合物在高温下的液态熔融物质，如硝酸盐、氯盐和氟盐，其中硝酸盐具有较低的成本以及较宽的工作温度，可工作在150℃～600℃，相对而言，是一种良好的蓄热介质；氯盐和氟盐一般在400℃以上工作。另一方面还可以是导热油。对于蓄热温度较低，可以采用导热油，例如烷基苯型导热油沸点在170～180℃，烷基萘型导热油沸点在240～280℃，烷基联苯型导热油沸点>330℃，联苯和联苯醚低熔混合物型导热油使用温度可达400℃，烷基联苯醚型导热油使用温度最高不超过330℃。当然蓄热介质还可以是溶液，即无机盐或含碳化合物的一种或多种与水的液态混合物。此外，蓄热介质还可采用压缩气体，即直接将高温高压气体封存于金属密封罐中，外加保温层。

上述多个实施例中，蓄冷系统也采用双罐形式的蓄冷介质，然而，在其他实施例中，蓄冷系统19也可以采用多罐形式。也就是说，所述蓄冷系统包括至少两个相互连通且内部蓄冷介质温度不同的蓄冷介质保温容器或者至少两个相互连通且内部蓄冷介质具有温差梯度的斜温层的蓄冷介质保温容器，使得蓄冷系统在制冷储能模式或供热供电时，通过蓄冷介质在不同温度的蓄冷介质保温容器之间流动或者容器内蓄冷介质的斜温层的移动进行蓄冷或释冷。蓄冷系统，主要作用是作为整个系统的低温热源。蓄冷系统19的蓄冷介质可以为防冻液(为包含水、乙二醇、甘油、甲醇以及乙醇中一种或多种的混合液体)，也可以为包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、润滑油等物质中的一种或多种与水的任何混合液体。防冻液具有较低的熔点，因此适合用于蓄冷以获得较低的温度点T₀，事实上防冻液也可以更换为其他介质，例如水或导热油，甚至蓄热砖。水的熔点温度也低于熔盐的温度，可以作为低温热源，水的成本也较低，由于这里对水的纯度要求不高，因此甚至可以使用零成本的天然降水。防冻液虽然有一定的成本，但是可以有效提高整个系统的储能效率，因此本发明使用防冻液作为蓄冷介质。蓄冷介质还可以为包含水或者含碳化合物的液体混合物溶液。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法，其特征在于，其包括如下模式：

(1)储能模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩之后，通过蓄热系统进行等压放热过程；工作介质向余热锅炉排出热量，进入透平进行绝热膨胀以对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热过程，再循环或释放到外界；

(2)供电模式：常温工作介质通过蓄冷系统进行等压放热，然后经过压缩机绝热压缩，继而通过主蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平进行绝热膨胀以对外做功，然后工作介质向余热锅炉排出热量，随后循环或释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电；

对于所述储能模式和供电模式，有机工质进入余热锅炉以吸收所述工作介质向余热锅炉排出的热量，使之等压吸热成为有机工质的蒸汽，有机工质的蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，汽轮机的排气在冷凝器中等压放热，凝结为冷凝的有机工质，工质泵将冷凝的有机工质绝热压缩，有机工质回到余热锅炉并重复上述过程。

2.根据权利要求1所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法，其特征在于，所述工作介质包括空气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳；所述有机工质包括烃类、醇类、醚类、酯类、酮类、醛类、酚类、羧酸、胺类、二醇衍生物以及杂环类化合物中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法，其特征在于，所述工作介质在储能模式下，与主蓄热系统换热，使得主蓄热系统中的低温点所在位置的蓄热介质从其低温点

升高到其高温点

并转移到主蓄热系统的高温点所在位置；并与蓄冷系统换热，使得蓄冷系统中的高温点所在位置的蓄热介质从空气常温T_air降低到其低温点T₀并转移到蓄冷系统的低温点所在位置；

所述工作介质在供电模式下，与蓄冷系统换热，使得蓄冷系统中的低温点所在位置的蓄热介质从其低温点T₀升高并转移到蓄冷系统的高温点所在位置；并与主蓄热系统换热，使得主蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点

降低到其低温点

并转移到主蓄热系统的低温点所在位置。

4.根据权利要求3所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法，其特征在于，在储能模式下，在工作介质进入压缩机之前，通过回热蓄热系统进行等压吸热，使得回热蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其高温点T₁降低到低温点T_air+ΔT并转移到回热蓄热系统的低温点所在位置；

在供电模式下，在工作介质通过余热锅炉之后，通过回热蓄热系统进行等压放热，使得回热蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其低温点T_air+ΔT升高到其高温点T₁并转移到回热蓄热系统7的高温点所在位置；ΔT为换热温差。

5.一种布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其特征在于，其基于权利要求1-4之一所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电方法；

对应于储能模式，其包括沿工作介质的走向依次串联的进气装置、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、余热锅炉、透平、与蓄冷系统相连的蓄冷换热器、和出气装置；

对应于供电模式，其包括沿工作介质的走向依次串联的进气装置、与蓄冷系统相连的蓄冷换热器、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、透平、余热锅炉、和出气装置；

对应于所述储能模式和供电模式，所述余热锅炉、汽轮机、冷凝器和工质泵沿有机工质的走向依次串联并形成回路，汽轮机与一发电机相连。

6.根据权利要求5所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其特征在于，余热锅炉和汽轮机之间设有一过热器；且汽轮机和冷凝器之间以及所述工质泵和余热锅炉之间分别设有同一个有机朗肯循环换热器的两个换热通道。

7.根据权利要求5所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其特征在于，所述主蓄热系统由一个以上的蓄热模块串联而成，每个蓄热模块包含至少两个相互连通且内部的蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者至少一个相互连通且内部的蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器；

且所述蓄冷系统包括至少两个相互连通且内部的蓄冷介质温度不同的蓄冷介质保温容器或者至少两个相互连通且内部的蓄冷介质具有温差梯度的斜温层的蓄冷介质保温容器。

8.根据权利要求7所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其特征在于，所述主蓄热系统的蓄热介质均包括有机热载体、溶液、熔盐和压缩气体中的一种或多种的混合物，所述溶液为无机盐或含碳化合物的一种或多种与水的液态混合物，所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐或氟盐的一种或多种的混合物在高温下的液态熔融物质，所述有机热载体包括矿物油以及合成导热油的一种或多种的液态混合物；

且所述蓄冷系统的蓄冷介质包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、润滑油中的一种或多种与水的混合物。

9.根据权利要求5所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其特征在于，对应于储能模式，所述进气装置和压缩机之间串联有一回热换热器，该回热换热器与回热蓄热系统相连；

对应于供电模式，所述余热锅炉和出气装置之间串联有一回热换热器，该回热换热器与回热蓄热系统相连；

所述回热蓄热系统包括至少两个相互连通且内部的蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者至少一个相互连通且内部的蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器。

10.根据权利要求9所述的布雷顿-有机朗肯循环式储能供电装置，其特征在于，所述回热蓄热系统的蓄热介质包括有机热载体、溶液、熔盐和压缩气体中的一种或多种的混合物，所述溶液为无机盐或含碳化合物的一种或多种与水的液态混合物，所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐和氟盐的一种或多种的混合物在高温下的液态熔融物质，所述有机热载体包括矿物油以及合成导热油的一种或多种的液态混合物。

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