CN113540504A - 热泵式-氢能复合储能发电方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热泵式‑氢能复合储能发电方法，其储能制氢模式下，常温工作介质经过压缩机绝热压缩，然后通过氢能系统放热，此时氢能系统制氢；然后通过主蓄热系统进行等压放热过程以完成蓄热储能，进入透平绝热膨胀对外做功，最后排出的工作介质循环或释放到外界；其发电模式下，常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，然后通过主蓄热系统进行等压吸热；然后工作介质一路进入透平绝热膨胀对外做功，另一路通过氢能系统放热，此时氢能系统发电；最后工作介质循环或释放到外界。本发明还提供相应的装置。本发明的储能发电方法在通过布雷顿循环发电的同时，为燃料电池提供高温热，以显著提高氢能系统的发电效率。

Description

热泵式-氢能复合储能发电方法及装置
技术领域
本发明涉及一种储能供电的方法及其装置，特别是一种热泵式-氢能复合储能发电方法及装置。
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和热泵式交替储能供电方法及装置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，逆布雷顿循环储能，布雷顿循环发电。其中热泵式储能供电供热方法及装置(ZL201711402735.7)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。热泵式交替储能供电方法及装置(ZL201810180017.8)通过回收发电模式下透平的余热，用于余热储能制氢模式下压缩机的入口温度，以达到提升效率的模式。然而，由于在这两种方式下，非理想压缩机的出口温度通常高于理想温度，因此蓄热和发电之间的转换效率有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包含供热功能的高效的热泵式-氢能复合储能发电方法及装置，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。
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，同时由于换热端差以及压缩机透平等熵效率不够高导致储能效率达不到理想状态，根据能量守恒，在储能和发电的过程中，必然有废热排出，因此我们利用储能系统中的高温热制氢以及为燃料电池供热，利用蒸汽动力循环回收利用储能系统排出的低温热，以实现达到能源综合利用的复合能源系统。
由此，本发明提供一种热泵式-氢能复合储能发电方法，包括如下模式：
(1)储能制氢模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，然后通过氢能系统放热，此时氢能系统通过高温固体氧化物电解水制氢法和热化学制氢法来制氢；然后通过主蓄热系统进行等压放热过程以使主蓄热系统完成蓄热储能，然后进入透平绝热膨胀对外做功，最后排出的工作介质循环或释放到外界；
(2)发电模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，然后通过主蓄热系统进行等压吸热；然后工作介质分为两路，一路进入透平绝热膨胀对外做功，另一路通过氢能系统放热，此时氢能系统通过高温固体氧化物燃料电池系统发电；然后两路工作介质汇合，最后工作介质循环或释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电。
在储能制氢模式中，常温的工作介质在经过压缩机绝热压缩之前，通过回热蓄热系统进行等压吸热；在发电模式中，工作介质在循环或释放到外界之前，通过回热蓄热系统进行等压放热；和/或
在储能制氢模式中，工作介质在进入透平绝热膨胀对外做功之后且循环或释放到外界之前，通过蓄冷系统进行等压吸热以蓄冷于蓄冷系统；在发电模式中，常温的工作介质在经过压缩机绝热压缩之前，先通过蓄冷系统进行等压放热；且工作介质在两路工作介质汇合后，向低温蒸汽动力系统的余热锅炉排出热量，进而使得低温蒸汽动力系统储能。
所述低温蒸汽动力系统为卡琳娜循环系统或有机朗肯循环系统。
所述工作介质包括空气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳。
另一方面，本发明提供一种热泵式-氢能复合储能发电装置，其基于上文所述的热泵式-氢能复合储能发电方法；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)储能制氢模式：进气装置、压缩机、与氢能系统相连的氢能换热器、与主蓄热系统相连的主换热器以及透平；
(2)发电模式：进气装置、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、以及彼此并联的透平和与氢能系统相连的氢能换热器；
所述氢能系统设置为在储能制氢模式下包括与氢能换热器相连并形成回路的高温固体氧化物电解水制氢系统以及与氢能换热器相连并形成回路的热化学制氢系统，在发电模式下包括高温固体氧化物燃料电池系统。
所述主蓄热系统包括至少两个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至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器。
所述热泵式-氢能复合储能发电装置还包括与回热蓄热系统相连的回热换热器，其在储能制氢模式下串联于进气装置和压缩机之间，且在发电模式下设于彼此并联的透平和氢能换热器的下游；所述回热蓄热系统包括至少两个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至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器；和/或
所述热泵式-氢能复合储能发电装置还包括与蓄冷系统相连的蓄冷换热器，其在储能制氢模式下其设于透平的下游，且在发电模式下设于进气装置和压缩机之间；以及低温蒸汽动力系统的余热锅炉，其在发电模式下设于彼此并联的透平和氢能换热器的下游；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。
所述主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。
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；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。
所述低温蒸汽动力系统为卡琳娜循环系统或有机朗肯循环系统；所述卡琳娜循环系统的工作介质为氨水混合物，其包括沿氨水混合物的走向依次串联并形成回路的余热锅炉、分离器、汽轮机、混合器、冷凝器、工质泵和氨循环换热器，且分离器通过其富氨蒸汽出口与所述汽轮机相连，分离器的贫氨溶液出口和所述混合器之间还设有沿氨水混合物介质的走向依次串联的所述氨循环换热器和节流阀；所述有机朗肯循环系统的工作介质为有机溶剂，其包括沿有机溶剂的走向依次串联并形成回路的余热锅炉、过热器、汽轮机、冷凝器和工质泵，所述汽轮机与一发电机相连，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。
本发明的热泵式-氢能复合储能发电方法将高温热用于电解水制氢以及热化学制氢，高温固体氧化物电解水制氢系统在合适的温度下电-氢转换效率可接近100％，热化学制氢在高温下，热-氢转换效率也可以高达50％以上。在发电模式下氢能系统的高温固体氧化物燃料电池系统也需要高温环境，因此工作介质经过蓄热系统吸热后为燃料电池供热可以显著提高高温固体氧化物燃料电池的发电效率。本发明的储能发电方法在通过布雷顿循环发电的同时，为燃料电池提供高温热，以显著提高氢能系统的发电效率，且达到能源综合利用。
附图说明
图1为按照本发明的第一实施例的热泵式-氢能复合储能发电方法的储能制氢模式的原理图。
图2为按照本发明的第一实施例的热泵式-氢能复合储能发电方法的发电模式的原理图。
图3为按照本发明的第二实施例的热泵式-氢能复合储能发电装置在储能制氢模式下的结构示意图。
图4为按照本发明的第二实施例的热泵式-氢能复合储能发电装置在发电模式下的结构示意图。
图5为按照本发明的第三实施例的简化的热泵式-氢能复合储能发电装置在储能制氢模式下的结构示意图。
图6为按照本发明的第三实施例的简化的热泵式-氢能复合储能发电装置在发电模式下的结构示意图。
图7为按照本发明的第四实施例的简化的热泵式-氢能复合储能发电装置在储能制氢模式下的结构示意图。
图8为按照本发明的第四实施例的简化的热泵式-氢能复合储能发电装置在发电模式下的结构示意图。
附图标记说明：
1、进气装置；2、回热换热器；3、压缩机；4、主换热器；5、透平；6、氢能系统；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、低温蒸汽动力系统；21、余热锅炉；22、分离器；23、汽轮机；24、氨循环换热器；25、冷凝器；26、工质泵；27、混合器；28、节流阀；29、氢能换热器；30、SOEC(高温固体氧化物电解水制氢系统)；31、SOFC(高温固体氧化物燃料电池系统)；32、热化学制氢系统。
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。
第一实施例热泵式-氢能复合储能发电方法
图1-图2为根据本发明的第一实施例的热泵式-氢能复合储能发电方法的原理图，该方法包括储能模式和发电模式。在本实施例中，储能模式为储能制氢模式。
如图1所示，为本发明的热泵式-氢能复合储能发电方法的储能制氢模式的原理图。在储能制氢模式下，系统自进气装置1从外界吸收干燥空气(以空气为例)作为常温的工作介质，工作介质为气体，该常温的工作介质进入回热换热器2做等压吸热，从而通过回热蓄热系统7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；此时由于燃气轮机(即压缩机3)的等熵效率小于1，因此工作介质需要释放一部分热量。工作介质通过氢能系统6放热，使得排出的热量由氢能换热器29进入氢能系统6放热，其中氢能系统6的工作模式是储能制氢模式，该制氢模式下氢能系统6通过高温固体氧化物电解水制氢法和热化学制氢法来制氢。其中，高温固体氧化物电解水制氢法和热化学制氢法只在制氢模式工作，而另一个模式下未被激活。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。然后工作介质进入透平绝热膨胀对外做功，此时由于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。然后工作介质进入蓄冷换热器18做等压吸热，通过从蓄冷系统19吸收热量升高温度，然后排出的工作介质视情况循环或释放到外界。
对于发电模式，则如图2所示，其正好与储能制氢模式相反，系统自进气装置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通过蓄冷系统19做等压放热，从而从蓄冷系统19释放热量降低温度；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以通过主蓄热系统8进行等压吸热，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；然后工作介质分为两路，一路进入透平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；另一路进入氢能系统6放热，此时氢能系统6的工作模式是发电模式，发电模式下氢能系统6通过高温固体氧化物燃料电池系统31(SOFC)发电，由此可以利用储能制氢模式中制得的氢来发电。然后两路工作介质汇合后进入低温蒸汽动力系统20的余热锅炉21以向余热锅炉21排出热量，进而使得低温蒸汽动力系统20储能。
在本实施例中，低温蒸汽动力系统20为卡琳娜循环系统，所述余热锅炉21、分离器22、汽轮机23、混合器27、冷凝器25、工质泵26和氨循环换热器24沿氨水混合物介质的走向依次串联并形成回路，且分离器22通过其富氨蒸汽出口与所述汽轮机23相连，分离器22的贫氨溶液出口和所述混合器27之间还设有沿氨水混合物介质的走向依次串联的所述氨循环换热器24和节流阀28，从而形成了卡琳娜循环系统的形式的低温蒸汽动力系统20。通过低温蒸汽动力系统20放热的具体过程如图4所示，工作介质通过进入余热锅炉21加热基本氨溶液，使得基本氨溶液等压吸热变为氨水气液混合物进入分离器22。随后，利用分离器22将气液两相混合物分离为富氨蒸汽及贫氨溶液，其中富氨蒸汽进入汽轮机23进行绝热膨胀以对外做功，贫氨溶液进入氨循环换热器24在基本氨溶液进入余热锅炉21前对其进行预热，贫氨溶液放完热后经节流阀28节流降压，再与从汽轮机23排出的乏汽在混合器27中混合成为基本氨溶液进入冷凝器25等压放热后，通过工质泵26升压，然后进入氨循环换热器24被贫氨溶液预热，然后基本氨溶液再次进入余热锅炉21并重复上述过程，如此完成循环。经过余热锅炉21吸热后的工作介质进入回热换热器2做等压放热，将工作介质热量是释放到回热蓄热系统7中后温度降低，回热蓄热系统7出口的工作介质视情况循环或释放到外界。
此外，在其他实施例中，工作介质经过回热换热器2的过程可以省去，和/或工作介质经过余热锅炉21和蓄冷系统19的过程可以省去，由此得到简化的热泵式-氢能复合储能发电方法。
在其他实施例中，低温蒸汽动力系统20为有机朗肯循环系统，其工作介质为有机溶剂，其包含维持循环的烃类、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。所述余热锅炉、过热器、汽轮机、冷凝器和工质泵沿有机溶剂的走向依次串联并形成回路，汽轮机与一发电机相连，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，从而形成有机朗肯循环系统的形式的低温蒸汽动力系统20。由此，工作介质通过余热锅炉21进行换热，以加热余热锅炉21中的有机溶剂，使得有机溶剂等压吸热成为高温高压的有机溶剂的蒸汽。蒸汽进入汽轮机进行绝热膨胀以对外做功，从而带动发电机(图未示)发电。从汽轮机排出的蒸汽在冷凝器中等压放热，凝结成液态(即凝结为冷凝的有机溶剂)，工质泵将冷凝有机溶剂绝热压缩后，有机溶剂回到余热锅炉并重复上述过程，如此完成循环。
第二实施例热泵式-氢能复合储能发电装置
我们定义如下符号：
Figure BDA0003166073050000071
主蓄热系统8的低温点，单位：K；
Figure BDA0003166073050000072
主蓄热系统8的高温点，单位：K；
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；
Figure BDA0003166073050000073
储能制氢模式下的余热锅炉21的入口温度，单位：K；
Figure BDA0003166073050000081
储能制氢模式下的透平5的入口温度，单位：K；
Figure BDA0003166073050000082
储能制氢模式下的压缩机3的出口温度，单位：K；
T0c1：储能制氢模式下的透平5的出口温度，单位：K；
T1c1：储能制氢模式下的压缩机3的入口温度，单位：K；
Figure BDA0003166073050000083
发电模式下的压缩机3的出口温度，单位：K；
Figure BDA0003166073050000084
发电模式下的透平5的入口温度，单位：K；
T0c2：发电模式下的压缩机3的入口温度，单位：K；
T1c2：发电模式下的透平5的出口温度，单位：K；
T1c2i：发电模式下的回热蓄热系统7的入口温度，单位：K；
Tout1：储能制氢模式下的出口温度，单位：K；
Tout2：发电模式下的出口温度，单位：K；
Q2c1a：储能制氢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：储能制氢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：储能制氢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：发电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：发电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：发电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：发电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：储能制氢模式下的压缩机3的功率，单位：MW；
Wt1：储能制氢模式下的透平5的功率，单位：MW；
Wc2：发电模式下的压缩机3的功率，单位：MW；
Wt2：发电模式下的透平5的功率，单位：MW；
Figure BDA0003166073050000085
储能制氢模式下的净输入功率，单位：MW；
Figure BDA0003166073050000091
供电供热模模式下的净输出功率，单位：MW；
ηcp：压缩机3的等熵效率；
ηtp：透平5的等熵效率；
ηs：储能制氢模式下的储热效率；
ηw：发电模式下的发电效率；
ηall：系统储能综合效率；
κ：工作介质绝热指数；
π：储能制氢模式下压缩机3以及透平5的压缩比；
π′：发电模式下压缩机3以及透平5的压缩比；
P：储能制氢模式下的压缩比；
P′：发电模式下的压缩比；
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：储能制氢模式下可提供的冷气功率；
Whot：发电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所示的储能制氢模式和发电模式，图3和图4给出了根据本发明的第二实施例的热泵式-氢能复合储能发电装置。在本实施例中，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组成(回热蓄热系统7、主蓄热系统8也可以由多罐、单罐系统构成；蓄冷系统19也可以由多罐系统构成；即，回热蓄热系统7、主蓄热系统8均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，且蓄冷系统19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两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)。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
Figure BDA0003166073050000101
高温容器温度维持在
Figure BDA0003166073050000102
蓄冷系统19由低温容器——此处为低温蓄冷罐15(即防冻液蓄冷罐)与常温容器——此处为常温蓄冷罐16(即防冻液池)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常温Tair；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摄氏度以下。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
Figure BDA0003166073050000103
主蓄热系统8的高温点为
Figure BDA0003166073050000104
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。
如图3所示，在储能制氢模式下，所述热泵式-氢能复合储能发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、与氢能系统6相连的氢能换热器29、与主蓄热系统8相连的主换热器4、透平5以及与蓄冷系统19相连的蓄冷换热器18。其中，由于处于储能制氢模式，氢能系统6的工作模式是储能制氢模式，制氢模式下氢能系统6包括与氢能换热器29相连并形成回路的高温固体氧化物电解水制氢系统30(SOEC)，以及与氢能换热器29相连并形成回路的热化学制氢系统32。
由此，所述热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置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，使得高温工作介质温度从常温Tair升高到T1c1，另一方面高温回热罐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，工作介质在储能制氢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π，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。工作介质从压缩机3的出口出来后温度升高为
Figure BDA0003166073050000111
(ψ为压缩比中间参数，
Figure BDA0003166073050000112
κ为绝热指数，π为储能制氢模式下压缩机3以及透平5的压缩比)；此时由于燃气轮机的等熵效率小于1，因此工作介质需要释放一部分热量。排出的热量由氢能换热器29进入氢能系统6。工作介质经氢能系统6放热后温度降为
Figure BDA0003166073050000113
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
Figure BDA0003166073050000114
降低到
Figure BDA0003166073050000115
另一方面低温储热罐13中熔盐从温度
Figure BDA0003166073050000116
升高到
Figure BDA0003166073050000117
后经储热介质泵10进入高温储热罐14中，也就是说，工作介质在储能制氢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
Figure BDA0003166073050000118
升高到高温点
Figure BDA0003166073050000119
并转移到主蓄热系统8的高温点所在位置；工作介质温度降低到
Figure BDA00031660730500001110
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ηt和多变效率ηtp。气体从透平5的出口出来后温度降低为
Figure BDA00031660730500001111
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Tair-ΔT，另一方面常温蓄冷罐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，工作介质在储能制氢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自出气装置排出，然后排出的工作介质视情况循环或释放到外界。
而对于发电模式，如图4所示，其正好与储能制氢模式相反，所述热泵式-氢能复合储能发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、彼此并联的透平5和与氢能系统6相连的氢能换热器29、低温蒸汽动力系统20的余热锅炉21以及与回热蓄热系统7相连的回热换热器2。在本实施例中，低温蒸汽动力系统20为卡琳娜循环系统，所述余热锅炉21、分离器22、汽轮机23、混合器27、冷凝器25、工质泵26和氨循环换热器24沿氨水混合物介质的走向依次串联并形成回路，且分离器22通过其富氨蒸汽出口与所述汽轮机23相连，分离器22的贫氨溶液出口和所述混合器27之间还设有沿氨水混合物介质的走向依次串联的所述氨循环换热器24和节流阀28，从而形成了卡琳娜循环系统的形式的低温蒸汽动力系统20。由此，形成了第二种排布。
所述热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置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，也就是说，工作介质在发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
Figure BDA0003166073050000121
Figure BDA0003166073050000122
(ψ为压缩比中间参数，
Figure BDA0003166073050000123
κ为绝热指数，π'为发电模式的压缩比)；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Q1c2升高温度，使得高温工作介质温度从
Figure BDA0003166073050000124
升高到
Figure BDA0003166073050000125
另一方面高温储热罐14中储热介质从温度
Figure BDA0003166073050000126
降低到
Figure BDA0003166073050000127
后经储热介质泵10进入低温储热罐13中，也就是说，工作介质在发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
Figure BDA0003166073050000128
降低到低温点
Figure BDA0003166073050000129
并转移到主蓄热系统8的低温点所在位置。然后工作介质分为两路，一路进入透平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，这里的透平5并非透平，应考虑等熵效率ηt和多变效率ηtp。工作介质从透平5的出口出来后温度降低为
Figure BDA00031660730500001210
另一路进入氢能系统6放热，其中氢能系统的工作模式是发电模式，通过高温固体氧化物燃料电池系统31(SOFC)发电。然后两路工作介质汇合后进入低温蒸汽动力系统20放热，工作介质对余热锅炉21释放能量Qout使得气体温度降低到T1c2i＝T1+ΔT，排出的热量进入余热锅炉21加热基本氨溶液，使得基本氨溶液等压吸热变为氨水气液混合物进入分离器22。在分离器22中气液两相混合物被分离为富氨蒸汽及贫氨溶液，其中富氨蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀对外做功，贫氨溶液进入氨循环换热器24在基本氨溶液进入余热锅炉21前对其进行预热，贫氨溶液放完热后经节流阀28节流降压，再与从汽轮机23排出的乏汽在混合器27中混合成为基本氨溶液进入冷凝器25等压放热后，通过工质泵26升压，然后进入氨循环换热器24被贫氨溶液预热，然后基本氨溶液再次进入余热锅炉21并重复上述步骤，如此完成循环。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，工作介质在发电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自出气装置排出，作为暖气源供应到外界。在发电模式下，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。
在其他实施例中，低温蒸汽动力系统20也可以是有机朗肯循环形式，其工作介质为有机溶剂，包含维持循环的烃类、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。所述余热锅炉、过热器、汽轮机、冷凝器和工质泵沿有机溶剂的走向依次串联并形成回路，汽轮机与一发电机相连，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，从而形成有机朗肯循环系统的形式的低温蒸汽动力系统20。
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。对于储能制氢模式以及发电模式，参见如下温度关系，
Figure BDA0003166073050000131
Figure BDA0003166073050000132
Figure BDA0003166073050000133
Figure BDA0003166073050000134
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。对于储能制氢模式以及发电模式，其温度关系如下，
T1c1i＝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。对于储能制氢模式以及发电模式，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，对于储能制氢模式以及发电模式，工作介质压缩机3的进出口温度关系为：
Figure BDA0003166073050000141
Figure BDA0003166073050000142
上式中，中间
Figure BDA0003166073050000143
Figure BDA0003166073050000144
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，对于储能制氢模式以及发电模式，透平5的进出口温度关系为：
Figure BDA0003166073050000145
Figure BDA0003166073050000146
上式中
Figure BDA0003166073050000147
Figure BDA0003166073050000148
本发明中发电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
Figure BDA0003166073050000149
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700度高温。
第三实施例简化的热泵式-氢能复合储能发电装置
按照图1和图2所示的储能和发电模式，图5和图6给出了根据本发明的第三实施例的简化的热泵式-氢能复合储能发电装置。所述热泵式-氢能复合储能发电装置利用乙二醇溶液等防冻液具有高沸点以及低熔点，将采用防冻液作为蓄冷介质的蓄冷系统19作为储能循环的低温端，这样可以减少一个换热系统(在本实施例中，减少了回热蓄热系统7)，从而减小换热端差所造成的能量损失。同时可以提高高温热源与低温热源的温差，并提高燃气轮机压缩比，此模式下压缩机由于无法做到绝热压缩，因此为了达到设定压比需要做更多的功，从而使得工作介质比设定温度点更高，因此引入氢能系统能有效地提高储能系统的能源综合利用率。
简化的热泵式-氢能复合储能发电装置的主蓄热系统8和蓄冷系统19均为一组以上的双罐系统组成(主蓄热系统8也可以由多罐、单罐系统构成；蓄冷系统19也可以由多罐系统构成；即，主蓄热系统8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，且蓄冷系统19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两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)。其中，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
Figure BDA0003166073050000151
高温容器温度维持在
Figure BDA0003166073050000152
蓄冷系统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，中温容器温度维持在T1；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
Figure BDA0003166073050000153
主蓄热系统8的高温点为
Figure BDA0003166073050000154
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(在本实施例中，T1为常温Tair)。
如图5所示，在储能制氢模式下，热泵式-氢能复合储能发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、与氢能系统6相连的氢能换热器29、与主蓄热系统8相连的主换热器4、透平5以及与蓄冷系统19相连的蓄冷换热器18。其中，由于处于储能制氢模式，氢能系统6的工作模式是储能制氢模式，制氢模式下氢能系统6包括与氢能换热器29相连并形成回路的高温固体氧化物电解水制氢系统30，以及与氢能换热器29相连并形成回路的热化学制氢系统32。
由此，热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置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π，将工作介质压缩为高温高压气体，这里的压缩机并非理想压缩机，应考虑绝热效率nc和多变效率ηcp，气体从压缩机出口出来后温度升高为
Figure BDA0003166073050000161
(
Figure BDA0003166073050000162
κ为绝热指数，π为储能制氢模式的压缩比)，工作介质需要释放一部分热量。排出的热量由氢能换热器29进入氢能系统6，其中氢能系统的工作模式是储能制氢模式。工作介质经氢能系统放热后温度降为
Figure BDA0003166073050000163
然后工作介质进入主换热器4，该主换热器4将压缩机3出口的高温工作介质的热量传递给低温储热罐13中的低温熔盐，使得高温工作介质温度从
Figure BDA0003166073050000164
降低到
Figure BDA0003166073050000165
另一方面蓄热介质(即低温熔盐)从温度
Figure BDA0003166073050000166
被加热到
Figure BDA0003166073050000167
后经储热介质泵10进入高温储热罐14中，也就是说，工作介质在储能制氢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
Figure BDA0003166073050000168
升高到高温点
Figure BDA0003166073050000169
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，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，应考虑其绝热效率ηt和多变效率ηtp，气体从透平5出口出来后温度降低为
Figure BDA00031660730500001610
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出口的低温工作介质吸收冷却液池——此处是常温蓄冷罐16中的蓄冷介质(即中温防冻液)的热量，使得工作介质温度从T0c1升高到T1c1，另一方面蓄冷系统19中的蓄冷介质的温度从T1降温到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，工作介质在储能制氢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。然后排出的工作介质视情况循环或释放到外界。
而对于发电模式，如图6所示，其正好与储能制氢模式相反，所述热泵式-氢能复合储能发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、彼此并联的透平5和与氢能系统6相连的氢能换热器29、以及余热锅炉21。所述余热锅炉21、分离器22、汽轮机23、混合器27、冷凝器25、工质泵26和氨循环换热器24沿氨水混合物介质的走向依次串联并形成回路，且分离器22通过其富氨蒸汽出口与所述汽轮机23相连，分离器22的贫氨溶液出口和所述混合器27之间还设有沿氨水混合物介质的走向依次串联的所述氨循环换热器24和节流阀28，从而形成了低温蒸汽动力系统20。由此，形成了第二种排布。
由此，热泵式-氢能复合储能发电装自出/进气装置1从外界吸收一定流量的温度为T1c2＝T1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通过蓄冷系统19的低温蓄冷罐15中的蓄冷介质(在本实施例中，为低温防冻液)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T0c2，另一方面低温蓄冷罐15中温度为T0的蓄冷介质，被升温到T1，经蓄冷介质泵17进入常温蓄冷罐16，也就是说，工作介质在发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低温点T0升高到常温Tair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π′，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，同样应考虑绝热效率ηc和多变效率ηcp，气体从压缩机3出口出来后温度升高为
Figure BDA0003166073050000171
然后工作介质进入主换热器4，该主换热器4将高温储热罐14中的高温熔盐的热量传递给压缩机3出口的工作介质，使得工作介质温度从
Figure BDA0003166073050000172
升高到
Figure BDA0003166073050000173
另一方面温度为
Figure BDA0003166073050000174
的高温熔盐被降温到
Figure BDA0003166073050000175
经储热介质泵10进入低温储热罐13中，也就是说，工作介质在发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
Figure BDA0003166073050000176
降低到低温点
Figure BDA0003166073050000177
并转移到主蓄热系统8的低温点所在位置。然后工作介质分为两路，一路进入透平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，这里的透平5并非透平，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
Figure BDA0003166073050000181
另一路进入氢能系统6放热,其中氢能系统的工作模式是发电模式，通过高温固体氧化物燃料电池系统31(SOFC)发电。然后两路工作介质汇合后进入低温蒸汽动力系统放热，工作介质对余热锅炉释放能量Qout使得气体温度降低到T1c2i＝T1+ΔT，工作介质排出的热量进入余热锅炉21加热氨溶液，使得氨溶液等压吸热变为氨水气液混合物进入分离器22。在分离器22中气液两相混合物被分离为富氨蒸汽及贫氨溶液，其中富氨蒸汽进入汽轮机23绝热膨胀对外做功，贫氨溶液进入氨循环换热器24在基本氨溶液进入余热锅炉21前对其进行预热，贫氨溶液放完热后经节流阀28节流降压，再与从汽轮机23排出的乏汽在混合器27中混合成为基本氨溶液进入冷凝器25等压放热后，通过工质泵26升压，然后进入氨循环换热器24被贫氨溶液预热，然后基本氨溶液再次进入余热锅炉21吸热，如此完成循环。经过余热锅炉吸热后的工作介质视情况循环或释放到外界。
在其他实施例中，低温蒸汽动力系统20为有机朗肯循环系统，其工作介质为有机溶剂，其包含维持循环的烃类、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。所述余热锅炉、过热器、汽轮机、冷凝器和工质泵沿有机溶剂的走向依次串联并形成回路，汽轮机与一发电机相连，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，从而形成有机朗肯循环系统的形式的低温蒸汽动力系统20。
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15度-30度。对于制冷储能制氢模式以及发电模式，参见如下温度关系，
Figure BDA0003166073050000182
Figure BDA0003166073050000183
Figure BDA0003166073050000184
Figure BDA0003166073050000185
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。对于制冷储能制氢模式以及发电模式，其温度关系如下，
T0c1＝T0-ΔT，
T1c1＝T1-ΔT，
T0c2＝T0+ΔT，
T1c2i＝T1+ΔT。
本发明中工作介质压缩机3并非理想压缩机，应考虑绝热效率ηc和多变效率ηcp均小于1，对于制冷储能制氢模式以及发电模式，工作介质压缩机3进出口温度关系为：
Figure BDA0003166073050000191
Figure BDA0003166073050000192
本发明中透平5并非理想透平，应考虑其绝热效率ηt和多变效率ηtp均小于1，对于制冷储能制氢模式以及发电模式，透平5进出口温度关系为：
Figure BDA0003166073050000193
Figure BDA0003166073050000194
本发明中供电供暖模式下工作介质压缩机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。压缩比中间参数为：
Figure BDA0003166073050000195
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700度高温。
第四实施例简化的热泵式-氢能复合储能发电装置
按照图1和图2所示的储能和发电模式，图7和图8给出了本发明的第四实施例的简化的热泵式-氢能复合储能发电装置。利用导热油具有高温稳定性以及低温流动性，将导热油作为介质的回热蓄热系统7作为储能循环的低温端，这样一方面可以减少一个换热系统(在本实施例中，减少了蓄冷系统19、低温蒸汽动力系统20)，从而减小换热端差所造成的能量损失。另一方面可以利用导热油的高温稳定性，提高布雷顿循环低温端的温度范围，降低循环压缩比，从而减小压缩机透平等熵效率不高所带来的出口温度提高问题。
在本实施例中，回热蓄热系统7和主蓄热系统8均为一组以上的双罐系统组成(在其他实施例中，回热蓄热系统7、主蓄热系统8也可以由多罐、单罐系统构成；即，回热蓄热系统7、主蓄热系统8均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)。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
Figure BDA0003166073050000201
高温容器温度维持在
Figure BDA0003166073050000202
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
Figure BDA0003166073050000203
主蓄热系统8的高温点为
Figure BDA0003166073050000204
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(在本实施例中，Tair+ΔT＝T0)。
如图7所示，在储能制氢模式下，热泵式-氢能复合储能发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、与氢能系统6相连的氢能换热器29、与主蓄热系统8相连的主换热器4、以及透平5。其中，由于处于储能制氢模式，氢能系统6的工作模式是储能制氢模式，制氢模式下氢能系统6包括与氢能换热器29相连并形成回路的高温固体氧化物电解水制氢系统30，以及与氢能换热器29相连并形成回路的热化学制氢系统32。
由此，热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置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Q1c1后升高温度，使得高温工作介质温度从常温Tair升高到T1c1，另一方面高温回热罐12中导热油从温度T1降低到T0后经回热介质泵9进入低温回热罐11中，也就是说，工作介质在储能制氢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π，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，应考虑绝热效率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
Figure BDA0003166073050000205
(
Figure BDA0003166073050000206
κ为绝热指数，π为储能制氢模式下压缩机3以及透平5的压缩比)；因此工作介质需要释放一部分热量。排出的热量由氢能换热器29进入氢能系统6，其中氢能系统的工作模式是储能制氢模式，包括高温固体氧化物电解水制氢系统30和热化学制氢系统32。工作介质经氢能系统放热后温度降为
Figure BDA0003166073050000211
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-Q2c1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
Figure BDA0003166073050000212
降低到
Figure BDA0003166073050000213
另一方面低温储热罐13中熔盐从温度
Figure BDA0003166073050000214
升高到
Figure BDA0003166073050000215
后经储热介质泵10进入高温储热罐14中，也就是说，工作介质在储能制氢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
Figure BDA0003166073050000216
升高到高温点
Figure BDA0003166073050000217
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，气体从透平5的出口出来后温度降低为
Figure BDA0003166073050000218
最后工作介质视情况循环或释放到外界。
而对于发电模式，如图8所示，其正好与储能制氢模式相反，所述热泵式-氢能复合储能发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、彼此并联的透平5和与氢能系统6相连的氢能换热器29以及与回热蓄热系统7相连的回热换热器2。由此，形成了第二种排布。
由此，热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置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，工作介质首先进入压缩机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，应考虑绝热效率nc和多变效率ncp，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为
Figure BDA0003166073050000219
(
Figure BDA00031660730500002110
κ为绝热指数，π'为发电模式的压缩比)；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Q2c2升高温度，使得高温工作介质温度从
Figure BDA00031660730500002111
升高到
Figure BDA00031660730500002112
另一方面高温储热罐14中熔盐从温度
Figure BDA00031660730500002113
降低到
Figure BDA00031660730500002114
后经储热介质泵10进入低温储热罐13中，也就是说，工作介质在发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
Figure BDA00031660730500002115
降低到低温点
Figure BDA00031660730500002116
并转移到主蓄热系统8的低温点所在位置。然后工作介质分为两路，一路进入透平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，这里的透平5并非透平，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
Figure BDA00031660730500002117
另一路进入氢能系统6放热，其中氢能系统的工作模式是发电模式，通过高温固体氧化物燃料电池系统31(SOFC)发电。然后两路工作介质汇合后进入回热换热器2以进行等压放热，工作介质对回热蓄热系统7释放热量-Q1c2后升高温度，使得工作介质温度从温度T1c2降低到Tout，另一方面低温回热罐11中导热油从温度T0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，工作介质在发电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。最后工作介质视情况循环或释放到外界。
对于储能供热模式以及供电供热模式，参见如下温度关系，
Figure BDA0003166073050000221
Figure BDA0003166073050000222
Figure BDA0003166073050000223
Figure BDA0003166073050000224
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15度-40度。对于储能供热模式以及供电供热模式，其温度关系如下，
Tair＝T0-ΔT，
T1c1＝T1-ΔT，
Tout＝T0+ΔT，
T1c2＝T1+ΔT。
本发明中工作介质压缩机3并非理想压缩机，应考虑绝热效率ηc和多变效率ηcp均小于1，对于储能供热模式以及供电供热模式，工作介质压缩机3的进出口温度关系为：
Figure BDA0003166073050000225
Figure BDA0003166073050000226
上式中，压缩比中间参数为：
Figure BDA0003166073050000227
Figure BDA0003166073050000228
本发明中透平5并非理想透平，应考虑绝热效率ηt和多变效率ηtp均小于1，对于储能供热模式以及供电供热模式，透平5的进出口温度关系为：
Figure BDA0003166073050000229
Figure BDA00031660730500002210
上式中，
Figure BDA0003166073050000231
Figure BDA0003166073050000232
本发明中供电供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的绝热效率以及出入口温度决定。压缩比中间参数为：
Figure BDA0003166073050000233
本发明中储能供热循环的储能效率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。
实验结果
根据以上公式，试举一实例说明：
在储能供热模式下，热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置1从外界吸常温干燥空气作为工作介质，该工作介质先进入回热换热器2做等压吸热，通过从回热蓄热系统7中吸收热量2.17MW升高温度，使得高温工作介质温度从常温20度升高到348度，另一方面高温回热罐12中导热油从温度350度降低到22度后经回热介质泵9进入低温回热罐11中；然后工作介质进入压缩机3，经过压缩机3绝热压缩做功3.29MW之后，被压缩为高温高压气体，对于给定压缩比6.6，由于这里的压缩机3并非理想压缩机，还应考虑压缩机的绝热效率0.9和多变效率0.92，可以计算得到工作介质从压缩机3的出口出来后温度升高为843度；工作介质需要释放一部分热量。排出的热量由氢能换热器29进入氢能系统6，其中氢能系统的工作模式是储能制氢模式，包括高温固体氧化物电解水制氢系统30和热化学制氢系统32。工作介质经氢能系统放热后温度降为701度，然后工作介质进入主换热器4做等压放热，将工作介质热量3.21MW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701度降低到2165度，另一方面低温储热罐13中熔盐从温度214升高到699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绝热膨胀对外做功1.29MW，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，应考虑绝热效率0.95和多变效率0.93，气体从透平5出口出来后温度降低为272度，最后工作介质作为暖气源供应到外界。
而对于供电供热模式，热泵式-氢能复合储能发电装置自进气装置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，工作介质首先进入压缩机3，经过压缩机3绝热压缩做功1.26MW，被压缩为高温高压气体，对于给定压缩比5.1，这里的压缩机3并非理想压缩机，应考虑绝热效率0.9和多变效率0.92，气体从压缩机3的出口出来后温度升高为212度；该工作介质进入主换热器4做等压吸热，通过从主蓄热系统8中吸收热量3.21MW升高温度，使得高温工作介质温度从212度升高到697度，另一方面高温储热罐14中熔盐从温度699度降低到214度后经回热介质泵9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2.27MW，工作介质膨胀为常压气体，这里的透平5并非理想透平，应考虑绝热效率0.95和多变效率0.94，气体从透平5出口出来后温度降低为355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2.19MW后升高温度，使得工作介质温度从温度355度降低到24度，另一方面低温回热罐11中导热油从温度22度升高到350度后回热介质泵9进入高温回热罐12中；最后工作介质作为暖气源供应到外界。
由此可知，储能供热模式下，当输入功率为2MW时，熔盐储热3.21MW，用于制氢的高温热0.94MW。发电模式下，供电功率为1MW。
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。
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。所述有机溶剂包括烃类、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在储能制氢模式时，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，例如包含导热油的热传导液、有机传热介质以及热媒等用于传热目的的所有有机介质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在储能制氢模式时，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，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)

1.一种热泵式-氢能复合储能发电方法，其特征在于，包括如下模式：
(1)储能制氢模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，然后通过氢能系统放热，此时氢能系统通过高温固体氧化物电解水制氢法和热化学制氢法来制氢；然后通过主蓄热系统进行等压放热过程以使主蓄热系统完成蓄热储能，然后进入透平绝热膨胀对外做功，最后排出的工作介质循环或释放到外界；
(2)发电模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，然后通过主蓄热系统进行等压吸热；然后工作介质分为两路，一路进入透平绝热膨胀对外做功，另一路通过氢能系统放热，此时氢能系统通过高温固体氧化物燃料电池系统发电；然后两路工作介质汇合，最后工作介质循环或释放到外界；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-氢能复合储能发电方法，其特征在于，在储能制氢模式中，常温的工作介质在经过压缩机绝热压缩之前，通过回热蓄热系统进行等压吸热；在发电模式中，工作介质在循环或释放到外界之前，通过回热蓄热系统进行等压放热；和/或
在储能制氢模式中，工作介质在进入透平绝热膨胀对外做功之后且循环或释放到外界之前，通过蓄冷系统进行等压吸热以蓄冷于蓄冷系统；在发电模式中，常温的工作介质在经过压缩机绝热压缩之前，先通过蓄冷系统进行等压放热；且工作介质在两路工作介质汇合后，向低温蒸汽动力系统的余热锅炉排出热量，进而使得低温蒸汽动力系统储能。
3.根据权利要求2所述的热泵式-氢能复合储能发电方法，其特征在于，所述低温蒸汽动力系统为卡琳娜循环系统或有机朗肯循环系统。
4.根据权利要求1所述的热泵式-氢能复合储能发电方法，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。
5.一种热泵式-氢能复合储能发电装置，其特征在于，其基于权利要求1-4之一所述的热泵式-氢能复合储能发电方法；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)储能制氢模式：进气装置、压缩机、与氢能系统相连的氢能换热器、与主蓄热系统相连的主换热器以及透平；
(2)发电模式：进气装置、压缩机、与主蓄热系统相连的主换热器、以及彼此并联的透平和与氢能系统相连的氢能换热器；
所述氢能系统设置为在储能制氢模式下包括与氢能换热器相连并形成回路的高温固体氧化物电解水制氢系统以及与氢能换热器相连并形成回路的热化学制氢系统，在发电模式下包括高温固体氧化物燃料电池系统。
6.根据权利要求5所述的热泵式-氢能复合储能发电装置，其特征在于，所述主蓄热系统包括至少两个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至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器。
7.根据权利要求5所述的热泵式-氢能复合储能发电装置，其特征在于，还包括与回热蓄热系统相连的回热换热器，其在储能制氢模式下串联于进气装置和压缩机之间，且在发电模式下设于彼此并联的透平和氢能换热器的下游；所述回热蓄热系统包括至少两个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至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器；和/或
还包括与蓄冷系统相连的蓄冷换热器，其在储能制氢模式下其设于透平的下游，且在发电模式下设于进气装置和压缩机之间；以及低温蒸汽动力系统的余热锅炉，其在发电模式下设于彼此并联的透平和氢能换热器的下游；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。
8.根据权利要求6所述的热泵式-氢能复合储能发电装置，其特征在于，所述主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。
9.根据权利要求7所述的热泵式-氢能复合储能发电装置，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；
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。
10.根据权利要求7所述的热泵式-氢能复合储能发电装置，其特征在于，所述低温蒸汽动力系统为卡琳娜循环系统或有机朗肯循环系统；
所述卡琳娜循环系统的工作介质为氨水混合物，其包括沿氨水混合物的走向依次串联并形成回路的余热锅炉、分离器、汽轮机、混合器、冷凝器、工质泵和氨循环换热器，且分离器通过其富氨蒸汽出口与所述汽轮机相连，分离器的贫氨溶液出口和所述混合器之间还设有沿氨水混合物介质的走向依次串联的所述氨循环换热器和节流阀；
所述有机朗肯循环系统的工作介质为有机溶剂，其包括沿有机溶剂的走向依次串联并形成回路的余热锅炉、过热器、汽轮机、冷凝器和工质泵，所述汽轮机与一发电机相连，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。
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