CN114294861B - 一种自持式超高温热泵储热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热能动力技术领域，具体提供了一种自持式超高温热泵储热系统，可产生500‑900℃的高温热并完成高温热存储，包括蓄能模块和供电模块，其中蓄能模块包括压缩机、电动机、熔盐换热器、膨胀机、低温熔盐储罐、高温熔盐储罐、缓冲罐；供电模块包括风电发电子模块、光伏发电子模块、电池储能子模块、逆变调压子模块。本发明实现无需外部电力输入，实现用电低谷时太阳能光伏、风电输出能量的独立存储，节约能源，提高能效。

Description

一种自持式超高温热泵储热系统

技术领域

本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种自持式超高温热泵储热系统。

背景技术

所谓蓄能，是根据水、冰及其他物质的蓄能（冷/热）特性，尽量地利用非峰值电力，使制冷/热设备在满负荷条件下运行，将调峰所需能量以显热或潜热的形式、部分或全部蓄存于水、冰或其他物质中。峰值电力出现调峰负荷，则通过换热器、传热工质和动力泵等设备取出这些蓄能物质蓄存的冷（热）量，以满足调峰的需要。

蓄能包括蓄冷和蓄热，目前蓄能系统按蓄能介质可划分成冰蓄能系统、水蓄能系统以及共晶盐蓄能系统。同等蓄能量的水蓄能系统与其他蓄冷系统相比，不仅系统造价相对较低，还夜间蓄能效率高。以水蓄能系统为例，大多数的水蓄能系统均选用蓄能设备蓄能，在蓄能设备内完成全部蓄能和放能过程。

太阳能光伏、风电等新能源装机容量将迅速增加。而太阳能光伏、风电呈现显著的间歇性，其装机容量不断攀升将对电网运行的安全性和稳定性提出巨大挑战，电网级的大规模、长时间、快响应的调峰手段成为保障电网安全性和稳定性，提高新能源消纳能力的重要保障。

随着我国经济发展的快速增长，用电量也增长迅速，白天峰电的需求越来越高，全国大面积的缺电形势严峻，夜间谷电浪费严重，而储能调峰技术成本高。目前储能调峰技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、电池储能和高温热泵储能。但现有的技术方案均需要从电网取电，建设相应的输配电网络成本高，与电网协调匹配控制要求较高。同时还会受到停电情况的限制。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进，需要一种自持式超高温热泵储热系统。

发明内容

针对上述的缺陷，满足大规模电网调峰需求，缩减建设成本，减少控制难度，提出一种自持式超高温热泵储热系统，产生500-900℃的高温热并完成高温热存储。

为了实现上述目的，本发明提供一种自持式超高温热泵储热系统，包括蓄能模块和供电模块；其中蓄能模块包括压缩机、电动机、熔盐换热器、膨胀机、低温熔盐储罐、高温熔盐储罐、缓冲罐，其主要功能是利用供电模块提供的电能产生高温热并加热熔盐实现能量存储。供电模块包括风电发电子模块、光伏发电子模块、电池储能子模块、逆变调压子模块，其主要功能是为制热模块提供电能。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，系统中的工质为空气、氦气、氩气、氙气、氮气中的任意一种或多种。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，蓄能模块中，电动机与压缩机通过联轴器连接。压缩机出口与熔盐换热器的气体工质侧入口通过管道连接，熔盐换热器的气体工质侧出口与膨胀机入口通过管道连接，膨胀机出口与压缩机入口相连通，构成一个完整的气体侧循环。

缓冲罐与膨胀机出口通过管道连接，低温熔盐储罐出口与熔盐换热器熔盐侧进口通过管道连接，熔盐换热器熔盐侧出口与高温熔盐储罐进口通过管道连通，构成整个制热模块循环。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，供电模块中，风电发电子模块的输出端分为两路，一路与逆变调压子模块的输入端通过电缆连接，另一路与电池储能子模块的输入端通过电缆连接。光伏发电子模块的输出端分为两路，一路与逆变调压子模块的输入端通过电缆连接，另一路与电池储能子模块的输入端通过电缆连接。

电池储能子模块的输入端同时与风电发电子模块的输出端、光伏发电子模块的输出端通过电缆连接，电池储能子模块的输出端与逆变调压子模块的输入端通过电缆连接。逆变调压子模块的输入端与风电发电子模块的输出端、光伏发电子模块的输出端、电池储能子模块的输出端通过电缆连接，逆变调压子模块的输出端与电动机的电源输入端通过电缆连接。

上述电力线路构成完整的输电线路，为电动机提供电源。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，系统运行分为高功率运行和低功率运行两种工况。高功率运行工况下，风电发电子模块或光伏发电子模块输出电能通过逆变调压子模块调压调频后驱动压缩机工作；低功率运行工况下，超高温热泵进口压力迅速降低，电池储能子模块输出电能通过逆变调压子模块调压调频后驱动压缩机进入低功耗热备用工作模式。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，逆变调压子模块可完成直流到交流电转换，并完成电压调节，所输出电压可以根据需要选择，如220V，380V，6kV，10kV等。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，电池储能子模块的输入端附带整流器，电池储能子模块主要提供压缩机热备用状态用电需求。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，电动机、压缩机、膨胀机同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。

根据本发明的自持式超高温热泵储热系统，压缩机为多级离心式压缩机，也可采用整体齿轮式压缩机或者多级轴流式压缩机，膨胀机为多级轴流式膨胀机，也可采用径流式膨胀机。熔盐换热器为印刷电路板式换热器（PCHE），也可采用管壳式换热器。

本发明的有益技术效果：

本发明的目的提供一种自持式超高温热泵储热系统，无需外部电力输入，实现用电低谷时太阳能光伏、风电输出电能的独立存储，为用电高峰发电提供待用能源，减少输配电建设成本。低功率状态时，通过降低超高温热泵系统循环工质压力，利用系统内部电池供电，实现低负荷热备用状态运行，减少电网调峰压力。

附图说明

图1是本发明的自持式超高温热泵储热系统的流程图。

在图中，1压缩机、2电动机、3熔盐换热器、4膨胀机、5低温熔盐储罐、6高温熔盐储罐、7风电发电子模块、8光伏发电子模块、9电池储能子模块、10逆变调压子模块、11缓冲罐。

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。

如图1所示，一种自持式超高温热泵储热系统，包括蓄能模块和供电模块，其中蓄能模块包括压缩机1、电动机2、熔盐换热器3、膨胀机4、低温熔盐储罐5、高温熔盐储罐6、缓冲罐11，其主要功能是利用供电模块提供的电能产生高温热并加热熔盐实现能量存储。供电模块包括风电发电子模块7、光伏发电子模块8、电池储能子模块9、逆变调压子模块10，其主要功能是为制热模块提供电能。

该系统采用空气、氦气、氩气、氙气、氮气等可在高温下稳定运行的气体作为循环工质。

作为优选，热泵系统可产生290-900℃，进一步优选500-900℃高温热。

作为优选，电动机选用10-500MW大功率电动机。

根据本发明的综合能源系统，气体侧循环系统中还设有气体储罐A、气体储罐B；

气体储罐A、气体储罐B设置在压缩机与熔融盐换热器3之间的气体管路上，其中气体储罐A和气体储罐B分别装载气体成分A和气体成分B；

气体成分A为氖气、氩气、氙气中的任意一种；

气体成分B为空气、二氧化碳、氮气、氦气中的任意一种；

气体成分A具有易升温易压缩，传热较弱的特性，气体成分B具有不易升温不易压缩，传热较强的特性。以超高温压缩机进口温度300℃，进口压力2MPa，超高温压缩机目标出口温度600℃为例，气体成分A选择氩气，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为157.6kJ/kg，定压比热为0.52kJ/kg/K，气体成分B选择二氧化碳，则超高温压缩机等熵压缩的比焓升为329.3kJ/kg，定压比热为1.16kJ/kg/K。

根据不同超高温压缩机出口温度要求，协同利用气体成分A的易压缩易升温性能和气体成分B的高传热性能，综合改善了超高温热泵系统气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积。在高温模式下，即超高温压缩机出口温度T是500-800℃范围内，通过气体储罐A向气体侧循环系统内注入更多气体成分A，使气体循环内气体成分A的体积百分数X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=（T-320）/6。在中温模式下，即超高温压缩机出口温度T是300-500℃范围内，通过气体储罐B向气体侧循环系统内注入更多气体成分B，使得气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=T/10-20。

作为优选，当温度低于300摄氏度时候，全部是气体B。

作为优选，当温度高于800摄氏度的时候，全部是气体A。

通过上述设置，综合改善了超高温热泵系统气体升温性能和传热能力，降低压缩机压缩功耗和换热器体积，在实现高温熔盐储能的同时产生中温蒸汽和冷水，并实现储能调峰和低品质能量的充分利用。

蓄能模块中，电动机2与压缩机1通过联轴器连接。压缩机1出口与熔盐换热器3的气体工质侧入口通过管道连接，熔盐换热器3的气体工质侧出口与膨胀机4入口通过管道连接，膨胀机4出口与压缩机1入口相连通，构成一个完整的气体侧循环。

缓冲罐11与膨胀机4出口通过管道连接，低温熔盐储罐5出口与熔盐换热器3熔盐侧进口通过管道连接，熔盐换热器3熔盐侧出口与高温熔盐储罐6进口通过管道连通。

电动机2拖动压缩机1压缩循环工质以产生高温热，高温热通过熔盐换热器3传递给低温熔盐储罐5流出的熔盐，产生高温熔盐后存储于高温熔盐储罐6。通过熔盐换热器3放热后的循环工质进入膨胀机4进一步降温后流回压缩机1，完成整个制热模块循环。

供电模块中，风电发电子模块7的输出端分为两路，一路与逆变调压子模块10的输入端通过电缆连接，另一路与电池储能子模块9的输入端通过电缆连接。光伏发电子模块8的输出端分为两路，一路与逆变调压子模块10的输入端通过电缆连接，另一路与电池储能子模块9的输入端通过电缆连接。

电池储能子模块9的输入端同时与风电发电子模块7的输出端、光伏发电子模块8的输出端通过电缆连接，电池储能子模块9的输出端与逆变调压子模块10的输入端通过电缆连接。逆变调压子模块10的输入端与风电发电子模块7的输出端、光伏发电子模块8的输出端和电池储能子模块9的输出端通过电缆连接，逆变调压子模块10的输出端与电动机2的电源输入端通过电缆连接。

上述电力线路构成完整的输电线路，为电动机2提供电源。其中风电发电子模块7的功能是将风能转换为电能，存储在电池储能子模块9，并通过逆变调压子模块10输送给电动机2。光伏发电子模块8的功能是将太阳能转换为电能，存储在电池储能子模块9，并通过逆变调压子模块10输送给电动机2。电池储能子模块9的功能是存储来自风电发电子模块7和光伏发电子模块8的电能，为压缩机1的启动和热备用运行提供电能，电池储能子模块9的输入端附带整流器。逆变调压子模块10的功能是将风电发电子模块7、光伏发电子模块8、电池储能子模块9输出的电能转变为满足电动机2需求的一定频率、电压的电能，以驱动电动机2转动。逆变调压子模块10可完成直流到交流电转换，并完成电压调节，所输出电压可以根据需要选择，如220V，380V，6kV，10kV等。

电动机2、压缩机1、膨胀机4同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。

压缩机1为多级离心式压缩机，也可采用整体齿轮式压缩机或者多级轴流式压缩机。膨胀机4为多级轴流式膨胀机，也可采用径流式膨胀机。熔盐换热器3为印刷电路板式换热器（PCHE），也可采用管壳式换热器。

系统运行分为高功率运行和低功率运行两种工况。

高功率运行工况：有风或有太阳光的条件下，风电发电子模块7和光伏发电子模块8分别利用风能和光能发电，输出的电能一路进入电池储能子模块9存储，另一路进入逆变调压子模块10的输入端，通过逆变调压子模块10转换为所需电压和频率的电能，电动机2从逆变调压子模块10取电，带动压缩机1旋转，将工质压缩至高温状态。高温工质流经熔盐换热器3气体工质侧，将热量传递给熔盐后，经膨胀机4回收膨胀功并进一步降温后，进入压缩机1入口。其中，从低温熔盐储罐5出口流出的低温熔盐进入熔盐换热器3熔盐工质侧进口被熔盐换热器3气体侧加热后流入高温熔盐储罐6。

低功率运行工况，没有风和太阳光或者压缩机1需要处于热备用状态时，为最大程度减少能量损耗，同时使超高温热泵储能系统处于热备用状态，以便随时投入高功率运行工况。此时，制热模块内缓冲罐11投入，压缩机1进口处循环工质进入缓冲罐11，压缩机1进口压力降低，压缩功耗降低，电池储能子模块9输出端输出电能通过逆变调压子模块10转换为所需电压和频率的电能，驱动电动机2低转速运行，使压缩机1处于热备用状态。

通过上述技术方案，全运行过程无需外部电力输入，实现用电低谷时系统内部的太阳能光伏、风电输出电能的独立存储，为用电高峰发电提供发电用热源，减少电网调峰压力，同时缩减建设成本，减少控制难度，经济效益显著。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种自持式超高温热泵储热系统，其特征在于，包括蓄能模块和供电模块；

所述蓄能模块包括压缩机（1）、电动机（2）、熔盐换热器（3）、膨胀机（4）、低温熔盐储罐（5）、高温熔盐储罐（6）、缓冲罐（11）；所述供电模块包括风电发电子模块（7）、光伏发电子模块（8）、电池储能子模块（9）、逆变调压子模块（10）；

所述蓄能模块中，电动机（2）与压缩机（1）通过联轴器连接，压缩机（1）出口与熔盐换热器（3）的气体工质侧入口通过管道连接，熔盐换热器（3）的气体工质侧出口与膨胀机（4）入口通过管道连接，膨胀机（4）出口与压缩机（1）入口相连通，构成一个完整的气体侧循环；气体侧循环系统中还设有气体储罐A、气体储罐B；

气体储罐A、气体储罐B设置在压缩机与熔融盐换热器之间的气体管路上，其中气体储罐A和气体储罐B分别装载气体成分A和气体成分B；

气体成分A为氖气、氩气、氙气中的任意一种；

气体成分B为空气、二氧化碳、氮气、氦气中的任意一种；

在高温模式下，即超高温压缩机出口温度T是500-800℃范围内，通过气体储罐A向气体侧循环系统内注入更多气体成分A，使气体循环内气体成分A的体积百分数X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=（T-320）/6；在中温模式下，即超高温压缩机出口温度T是300-500℃范围内，通过气体储罐B向气体侧循环系统内注入更多气体成分B，使得气体循环中气体成分A的体积百分比X与超高温压缩机出口温度T关系满足X=T/10-20；

当温度低于300摄氏度时候，全部是气体B；

当温度高于800摄氏度的时候，全部是气体A；

缓冲罐（11）与膨胀机（4）出口通过管道连接，低温熔盐储罐（5）出口与熔盐换热器（3）熔盐侧进口通过管道连接，熔盐换热器（3）熔盐侧出口与高温熔盐储罐（6）进口通过管道连通，构成整个制热模块循环；所述供电模块中，风电发电子模块（7）的输出端分为两路，一路与逆变调压子模块（10）的输入端通过电缆连接，另一路与电池储能子模块（9）的输入端通过电缆连接；光伏发电子模块（8）的输出端分为两路，一路与逆变调压子模块（10）的输入端通过电缆连接，另一路与电池储能子模块（9）的输入端通过电缆连接；

电池储能子模块（9）的输入端同时与风电发电子模块（7）的输出端、光伏发电子模块（8）的输出端通过电缆连接，电池储能子模块（9）的输出端与逆变调压子模块（10）的输入端通过电缆连接；逆变调压子模块（10）的输入端与风电发电子模块（7）的输出端、光伏发电子模块（8）的输出端、电池储能子模块（9）的输出端通过电缆连接，逆变调压子模块（10）的输出端与电动机（2）的电源输入端通过电缆连接。

2.根据权利要求1所述的自持式超高温热泵储热系统，其特征在于，系统运行分为高功率运行和低功率运行两种工况，高功率运行工况下，风电发电子模块（7）或光伏发电子模块（8）输出电能通过逆变调压子模块（10）调压调频后驱动压缩机（1）工作；低功率运行工况下，超高温热泵进口压力迅速降低，电池储能子模块（9）输出电能通过逆变调压子模块（10）调压调频后驱动压缩机（1）进入低功耗热备用工作模式。

3.根据权利要求1所述的自持式超高温热泵储热系统，其特征在于，所述逆变调压子模块（10）可完成直流到交流电转换，并完成电压调节，所输出电压可以根据需要选择。

4.根据权利要求3所述的自持式超高温热泵储热系统，其特征在于，所述电池储能子模块（9）的输入端附带整流器。

5.根据权利要求1所述的自持式超高温热泵储热系统，其特征在于，所述电动机（2）、压缩机（1）、膨胀机（4）同轴直连，低功率热备用状态转速均为500转/分，其余工况稳定运行转速均为3000转/分。

6.根据权利要求1所述的自持式超高温热泵储热系统，其特征在于，所述压缩机（1）为多级离心式压缩机、整体齿轮式压缩机或者多级轴流式压缩机，所述膨胀机（4）为多级轴流式膨胀机或者径流式膨胀机，所述熔盐换热器（3）为印刷电路板式换热器或者管壳式换热器。

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