CN113465226A - 热泵式储能供电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热泵式储能供电方法，包括储能余冷回收模式和供电余热回收模式。在储能余冷回收模式时，常温工作介质通过回热蓄热系统等压吸热后，经过压缩机绝热压缩，再通过主蓄热系统等压放热，后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热并蓄冷于蓄冷系统，最后作为冷源供应释放到外界；另一种相反的模式则为供电余热回收模式。本发明还提供了相应的热泵式储能供电装置。本发明的热泵式储能供电方法及装置解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题以及峰谷电的削峰填谷问题，在储能和供电的同时供冷供暖，并将废气的余热余冷回收于回热蓄热系统和蓄冷系统中，提高了热功转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能供电的方法及其装置，特别是一种余热余冷回收型热泵式储能方法及装置。
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(申请号为ZL201711402735.7和申请号为ZL201810180017.8)公开了两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，理想布雷顿循环及其逆循环一般分为四个过程，两个绝热过程和两个等压过程。从可行性角度和经济性角度，常压段是合适的装置起点和终点的选择范围。其中热泵式储能供电供热方法及装置(申请号为ZL201711402735.7)选取布雷顿循环常压段的热端作为储能和发电循环的起点和终点，热泵式交替储能供电方法及装置(申请号为ZL201810180017.8)选取布雷顿循环常压段的冷端作为储能和发电循环的起点和终点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热泵式储能供电方法及装置，以克服传统电加热蓄热介质储能方式转换效率低下的缺点，同时解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题。
本发明试图选取布雷顿循环常压段的中间点为储能和发电的起点和终点。本发明一方面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。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，因此其储能后发电的转换效率一般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。另一方面使用了废热再入压缩机技术，利用供电余热回收模式下经过透平的废气热量的回收利用，让这部分热量用于预热储能余冷回收模式下的压缩机入口空气。因此采用这种方法储能后，发电的转换效率优于直接电加热或不采用废热再入压缩机技术的热泵式储能等方式。
由此，本发明提供一种热泵式储能供电方法，包括如下模式：
(1)储能余冷回收模式：常温的工作介质通过回热蓄热系统进行等压吸热后，经过压缩机绝热压缩，然后通过主蓄热系统进行等压放热过程，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热以蓄冷于蓄冷系统，最后作为冷源供应释放到外界；
(2)供电余热回收模式：常温的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后，然后通过主蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过回热蓄热系统进行等压放热，最后作为暖气源供应释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电。
所述回热蓄热系统的高温点为T1，低温点为Tair+ΔT；工作介质在储能余冷回收模式下与回热蓄热系统换热，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Tair+ΔT并转移到回热蓄热系统的低温点所在位置；工作介质在供电余热回收模式下与回热蓄热系统换热，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Tair+ΔT升高到高温点T1并转移到回热蓄热系统的高温点所在位置；
所述主蓄热系统的低温点为
高温点为
工作介质在储能余冷回收模式下与主蓄热系统换热，使得主蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其低温点
升高到高温点
并转移到主蓄热系统的高温点所在位置；工作介质在供电余热回收模式下与主蓄热系统换热，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
降低到低温点
并转移到主蓄热系统的低温点所在位置；
所述蓄冷系统的低温点为T0，蓄冷系统的高温点为空气常温Tair；工作介质在储能余冷回收模式下与蓄冷系统换热，使得蓄冷系统中的高温点所在位置的蓄冷介质从常温Tair降低到低温点T0并转移到蓄冷系统的低温点所在位置；工作介质在供电余热回收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冷介质从低温点T0升高到常温Tair并转移到蓄冷系统的高温点所在位置。
所述常温工作介质包括以空气为代表的双原子气体、以氩气为代表的单原子气体，以及以二氧化碳为代表的多原子气体，其中选用空气作为工作介质具有成本低廉、工作温度范围广，绝热指数高等优势。
本发明还提供一种热泵式储能供电装置，其包括沿工作介质的走向由管线依次串联的以下装置而形成两种排布方式：
(1)储能余冷回收模式：进气装置、与回热蓄热系统相连的回热换热器、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、透平、与蓄冷系统相连的蓄冷换热器、和出气装置；
(2)供电余热回收模式：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、与回热蓄热系统相连的回热换热器、和出气装置。
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。
所述主蓄热系统的蓄热介质包括有机热载体和溶液中的一种或多种的混合物；且所述回热蓄热系统的蓄热介质包括有机热载体、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几种与水的液态混合物。
所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐或氟盐等一种或几种盐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几种的液态混合物。所述合成导热油包括选自包括烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、烷基联苯型导热油、联苯和联苯醚低熔混合物型导热油以及烷基联苯醚型导热油的其中至少一种的热载体油。
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几种与水的混合物。
本发明克服传统电加热蓄热介质储能方式效率低下的缺点，通过结合单罐或双罐熔盐储热与热泵的原理，提供一种高效的储能供电的方法及其装置，该储能供电方法可以解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题，为了应对诸如西部地区昼夜温差大的问题，在储能和供电的同时为社区提供暖气。
本发明的热泵式储能供电供热方法及装置通过回热蓄热系统、主蓄热系统和蓄冷系统的设置，从而将布雷顿循环中透平出口废气的余热回收于回热蓄热系统中，在逆布雷顿循环中，这部分废热用于预热进入压缩机的空气，这样做的好处是有效的利用了系统发电时的废热，另一方面提高了压缩机入口温度，使得压缩比可以有效地降低，以降低对系统设计的难度，降低了系统部件的成本；同时，简化了蓄冷系统，本发明将逆布雷顿循环中透平出口废气的余冷回收于蓄冷系统中，在布雷顿循环中，蓄冷系统用于降低进入压缩机的空气温度，这样做的好处是使得布雷顿循环工作温度范围更加宽广，以降低换热温差带来的影响，同时蓄冷系统在夏天可以为社区或部分工业设施提供较为廉价的冷气。由此，本发明的热泵式储能供电供热方法及装置综合了申请号为ZL201711402735.7和ZL201810180017.8两个专利文件所公开的方法的优点，在储能和供电的同时供冷供暖，并将废气的余热余冷回收于回热蓄热系统和蓄冷系统中，提高了热功转换效率。
此外，本发明通过回热蓄热系统、主蓄热系统和蓄冷系统和相应的储能和供电模式的设置，使得布雷顿循环常压段的中间点为储能和发电的起点和终点，其优势在于一方面扩大了常压段的温度范围，使得高压段温度范围扩大，有利于降低换热端差的影响，另一方面常压段的温度范围与高压段温度范围接近，可以有效降低压缩比，使得高压段工质流速降低，增强换热效果，同时减少压缩机等熵效率的影响。
附图说明
图1为本发明的热泵式储能供电方法的储能余冷回收模式的原理图。
图2为本发明的热泵式储能供电方法的供电余热回收模式的原理图。
图3为根据本发明的一实施例的热泵式储能供电装置在储能余冷回收模式下的结构示意图。
图4为根据本发明的一实施例的热泵式储能供电装置在供电余热回收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。
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。
如图1-图2所示，本发明的热泵式储能供电方法为余热余冷回收型的方法，其包括两种模式：储能余冷回收模式和供电余热回收模式。
如图1所示为储能余冷回收模式原理图。储能余冷回收模式下，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回热换热器2来与回热蓄热系统7进行换热，从而通过回热蓄热系统7来进行等压吸热，即从回热蓄热系统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来与主蓄热系统8进行换热，从而通过主蓄热系统8(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，此时工作介质的温度降低；然后进入透平5绝热膨胀对外做功，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；随后，工作介质进入蓄冷换热器18来与蓄冷系统19进行换热，通过蓄冷系统19进行等压吸热以蓄冷于蓄冷系统19；在此过程中，工作介质从蓄冷系统19吸收热量升高温度，此时工作介质温度仍低于常温，因此其可以作为冷气源，根据需求自出气装置6排出，供应到外界。在此过程中，通过外界的净输入的功来实现储能。
如图2所示为供电余热回收模式的原理图。如图2所示，供电余热回收模式正好与储能余冷回收模式相反，进气装置1从外界吸收干燥空气作为工作介质，常温的工作介质首先进入蓄冷换热器18来与蓄冷系统19进行换热，通过蓄冷系统19进行等压放热，即向蓄冷系统19释放热量以降低温度；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；然后工作介质从压缩机3出口出来后进入主换热器4来与主蓄热系统8进行换热，使得工作介质通过主蓄热系统8来进行等压吸热，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；然后进入透平5绝热膨胀对外做功，将高温高压工作介质膨胀为常压气体；然后工作介质进入回热换热器2来与回热蓄热系统7进行换热，使得工作介质通过回热蓄热系统7进行等压放热，将工作介质的热量释放到回热蓄热系统7中后温度降低。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，因此工作介质的可以作为暖气源，根据需求自出气装置6排出，供应到外界；在此过程中向外净输出功，净输出的功用于供电。
下面定义如下符号，以对本发明的热泵式储能供电装置进行具体描述。
T0：蓄冷系统19的低温点，单位：K；
T1：回热蓄热系统7的高温点，单位：K；
Tair：空气常温，单位：K，也是蓄冷系统19的高温点；
Tair+ΔT：回热蓄热系统7的低温点，单位：K；
T0c1：储能余冷回收模式下的透平5的出口温度，单位：K；
T1c1：储能余冷回收模式下的压缩机3的入口温度，单位：K；
T0c2：供电余热回收模式下的压缩机3的入口温度，单位：K；
T1c2：供电余热回收模式下的透平5的出口温度，单位：K；
T1c2i：供电余热回收模式下的回热蓄热系统7的入口温度，单位：K；
Tin1：储能余冷回收模式下的入口温度，单位：K；
Tin2：供电余热回收模式下的入口温度，单位：K；
Tout1：储能余冷回收模式下的出口温度，单位：K；
Tout2：供电余热回收模式下的出口温度，单位：K；
Q2c1a：储能余冷回收模式下工作介质从回热蓄热系统7中吸收的热量的功率，单位：MW；
Q2c1b：储能余冷回收模式下工作介质从蓄冷系统19中吸收的热量的功率，单位：MW；
Q1c1：储能余冷回收模式下工作介质从主蓄热系统8中吸收的热量的功率，单位：MW；
Q2c2a：供电余热回收模式下工作介质从回热蓄热系统7中吸收的热量的功率，单位：MW；
Q2c2b：供电余热回收模式下工作介质从蓄冷系统19中吸收的热量的功率，单位：MW；
Q1c2：供电余热回收模式下工作介质从主蓄热系统8中吸收的热量的功率，单位：MW；
Q1c2：供电余热回收模式下工作介质进入回热蓄热系统7前释放热量的功率，单位：MW；
Wc1：储能余冷回收模式下的压缩机3的功率，单位：MW；
Wt1：储能余冷回收模式下的透平5的功率，单位：MW；
Wc2：供电余热回收模式下的压缩机3的功率，单位：MW；
Wt2：供电余热回收模式下的透平5的功率，单位：MW；
ηcp：压缩机3的等熵效率；
ηtp：透平5的等熵效率；
ηs：储能余冷回收模式下的储热效率；
ηw：供电余热回收模式下的发电效率；
ηall：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′：供电余热回收模式下压缩机3以及透平5的压缩比；
P：储能余冷回收模式下的压缩比；
P′：供电余热回收模式下的压缩比；
Wall：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：m3m；
M′：防冻液总质量，单位：Kg或t；
V′：防冻液总体积，单位：m3；
Wcold：储能余冷回收模式下可提供的冷气功率；
Whot：供电余热回收模式下可提供的暖气功率；
F：工作介质流量。
按照图1和图2所示的余热余冷回收型的热泵式储能供电方法的储能余冷回收模式和供电余热回收模式，图3和图4给出了一种余热余冷回收型的热泵式储能供电装置的实施例。
在本实施例中，热泵式储能供电装置的回热蓄热系统7、主蓄热系统8和蓄冷系统19均为一组以上的双罐系统。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，两个容器的外部加保温层，回热蓄热系统7的低温容器温度维持在Tair+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13，两个容器均采用耐高温耐腐蚀的不锈钢材料外加保温层制作，主蓄热系统8的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，低温容器的外部加保温层，而常温容器的外部不设置保温层，蓄热系统19的低温容器温度维持在T0，常温容器温度维持在常温Tair；容器的内部采用防冻液作为蓄冷介质。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Tair+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Tair。
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，在储能余冷回收模式下，热泵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、与回热蓄热系统7相连的回热换热器2、压缩机3、与主蓄热系统8相连的主换热器4、透平5、与蓄冷系统19相连的蓄冷换热器18、和出气装置6，从而形成第一种排布形式。
热泵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Tair的干燥空气作为工作介质，该常温的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Q2c1a后升高温度，使得高温的工作介质温度从常温Tair升高到T1c1，另一方面回热蓄热系统7的高温回热罐12中蓄热介质从温度T1降低到Tair+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Tair+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ηc和多变效率ηcp，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3的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-Q1c1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
另一方面主蓄热系统8的低温储热罐13中熔盐从温度
升高到
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T0 +升高到高温点
并转移到主蓄热系统8的高温点所在位置。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并非理想透平，应考虑等熵效率ηt和多变效率ηtp。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Q2c1b后升高温度，使得工作介质温度从低温T0c1升高到高温Tair-ΔT，另一方面蓄冷系统19的常温蓄冷罐16中蓄冷介质从常温Tair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常温Tair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Tair-ΔT自出气装置6排出，作为冷气源供应到外界。
而对于供电余热回收模式下，如图4所示，其正好与储能余冷回收模式相反，热泵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、与回热蓄热系统7相连的回热换热器2、和出气装置6，从而形成第二种排布形式。两种排布方式之间可以通过阀门等装置来切换。
热泵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T0c2＝Tair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Q2c2b后升高温度，使得工作介质温度从常温Tair降低到低温T0c2，另一方面低温蓄冷罐15中蓄冷介质从低温T0升高到Tair-ΔT后经蓄冷介质泵17进入常温蓄冷罐16中，由于常温蓄冷罐16不设置保温层可以与外界发生热交换，因此常温蓄冷罐16中的蓄冷介质的温度会维持在室温，也就是说，工作介质在供电余热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中的低温点所在位置的蓄冷介质从低温点T0升高到Tair-ΔT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Tair。然后，工作介质以温度T0c2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ηc和多变效率ηcp，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为
(其中，ψ′为压缩比中间参数，
κ为绝热指数，π′为供电余热回收模式的压缩比，即供电余热回收模式下压缩机3以及透平5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Q1c2升高温度，使得主蓄热系统8的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，工作介质在供电余热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并非理想透平，应考虑等熵效率ηt和多变效率ηtp。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Qout使得气体温度从T1c2降低到T1c2i＝T1+ΔT，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-Q2c2a后升高温度，使得工作介质温度从温度T1c2i降低到Tair+2ΔT，另一方面低温回热罐11中蓄热介质从温度Tair+ΔT升高到T1后经回热介质泵9进入高温回热罐12中，也就是说，工作介质在供电余热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低温点Tair+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Tair+2ΔT自出气装置6排出，作为暖气源供应到外界。在供电余热回收模式下，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供电余热回收模式，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供电余热回收模式，其温度关系如下，
T1c1＝T1-ΔT，
T1c2i＝T1+ΔT，
Tin1＝Tair，
Tout2＝Tair+2ΔT。
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3度-15度。对于储能余冷回收模式以及供电余热回收模式，其温度关系如下，
T0c1＝T0-ΔT，
T0c2＝T0+ΔT，
Tin2＝Tair，
Tout1＝Tair-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ηc和多变效率ηcp均小于1，对于储能余冷回收模式以及供电余热回收模式，工作介质在压缩机3的进出口的温度关系为：
上式中，压缩比中间参数ψ、ψ′为：
本发明中透平5并非理想透平，应考虑等熵效率ηt和多变效率ηtp均小于1，对于储能余冷回收模式以及供电余热回收模式，透平5的进出口温度关系为：
上式中，
本发明中供电余热回收模式下工作介质在压缩机3以及透平5的压缩比中间参数ψ′由压缩机3的等熵效率以及出入口温度决定。
本发明中能余冷回收循环的储能效率ηs可以由工作介质压缩机3、透平5以及各工作点温度计算得到。
本发明中供电余热回收模式下的热机效率由工作介质压缩机3、透平5以及各工作点温度计算得到。
本发明中系统储能综合效率由储能余冷回收模式下循环的储能效率、供电余热回收模式下的热机效率以及换热器换热决定。
本发明中空气流量为：
本发明中储能余冷回收模式下可提供的冷气的功率为：
本发明中供电余热回收模式下释放热量的功率为
本发明中供电余热回收模式下可提供的暖气的功率为
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
根据以上公式，试举一实例说明：
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，另一方面低温储热罐13中熔盐从温度180度升高到196.9度后经储热介质泵10进入高温储热罐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并非理想透平，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。
而对于供电余热回收模式，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度后经蓄冷介质泵17进入常温蓄冷罐16中，然后工作介质以温度T0c2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并非理想透平，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Qout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，另一方面低温回热罐11中蓄热介质从温度23度升高到170度后经回热介质泵9进入高温回热罐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。
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。供电余热回收模式下，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。
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ηall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。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。
在上述实施例中，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供电余热回收模式时，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。回热蓄热系统7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几种的液态混合物；或者可以为溶液，即无机盐或含碳化合物的一种或几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供电余热回收模式时，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、氯盐或氟盐等一种或几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。另一方面还可以是有机热载体，有机热载体包括矿物油以及合成导热油的一种或几种的液态混合物。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溶液，即无机盐或含碳化合物的一种或几种与水的液态混合物。
上述实施例中，蓄冷系统19采用双罐形式的蓄热介质，然而，在其他实施例中，蓄冷系统19也可以转化为多罐形式。也就是说，蓄冷系统19包括不少于两个的相互连通且内部蓄冷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冷介质存在具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器，使得蓄冷系统19在储能余冷回收模式或供电余热回收模式时，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热。蓄冷系统19，主要作用是回收利用透平5出口的低温气体，展宽布雷顿循环的温度范围，减小换热温差的影响。蓄冷系统19的蓄冷介质可以为防冻液，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几种与水的任何混合液体。
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)
1.一种热泵式储能供电方法，其特征在于，其包括如下模式：
(1)储能余冷回收模式：常温的工作介质通过回热蓄热系统进行等压吸热后，经过压缩机绝热压缩，然后通过主蓄热系统进行等压放热过程，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过蓄冷系统进行等压吸热以蓄冷于蓄冷系统，最后作为冷源供应释放到外界；
(2)供电余热回收模式：常温的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后，然后通过主蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过回热蓄热系统进行等压放热，最后作为暖气源供应释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电。
2.根据权利要求1所述的热泵式储能供电方法，其特征在于，所述回热蓄热系统的高温点为T1，低温点为Tair+ΔT；工作介质在储能余冷回收模式下与回热蓄热系统换热，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Tair+ΔT并转移到回热蓄热系统的低温点所在位置；工作介质在供电余热回收模式下与回热蓄热系统换热，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Tair+ΔT升高到高温点T1并转移到回热蓄热系统的高温点所在位置；
所述主蓄热系统的低温点为
高温点为
工作介质在储能余冷回收模式下与主蓄热系统换热，使得主蓄热系统中的高温点所在位置的蓄热介质从其低温点
升高到高温点
并转移到主蓄热系统的高温点所在位置；工作介质在供电余热回收模式下与主蓄热系统换热，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
降低到低温点
并转移到主蓄热系统的低温点所在位置；
所述蓄冷系统的低温点为T0，蓄冷系统的高温点为空气常温Tair；工作介质在储能余冷回收模式下与蓄冷系统换热，使得蓄冷系统中的高温点所在位置的蓄冷介质从常温Tair降低到低温点T0并转移到蓄冷系统的低温点所在位置；工作介质在供电余热回收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冷介质从低温点T0升高到常温Tair并转移到蓄冷系统的高温点所在位置。
3.根据权利要求1所述的热泵式储能供电方法，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。
4.一种热泵式储能供电装置，其特征在于：其包括沿工作介质的走向由管线依次串联的以下装置而形成两种排布方式：
(1)储能余冷回收模式：进气装置、与回热蓄热系统相连的回热换热器、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、透平、与蓄冷系统相连的蓄冷换热器、和出气装置；
(2)供电余热回收模式：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、与回热蓄热系统相连的回热换热器、和出气装置。
5.根据权利要求4所述的热泵式储能供电装置，其特征在于，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。
6.根据权利要求4所述的热泵式储能供电装置，其特征在于，所述主蓄热系统和所述回热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。
7.根据权利要求6所述的热泵式储能供电装置，其特征在于，所述溶液为无机盐或含碳化合物的一种或几种与水的液态混合物。
8.根据权利要求6所述的热泵式储能供电装置，其特征在于，所述熔盐为包含硝酸盐、钾盐、氯盐或氟盐的一种或几种的混合物在高温下的液态熔融物质。
9.根据权利要求6所述的热泵式储能供电装置，其特征在于，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。
10.根据权利要求4所述的热泵式储能供电装置，其特征在于，所述蓄冷系统的蓄冷介质包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇、润滑油中的一种或几种与水的混合物。
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