CN114353569A - 直接电转热式高效储释能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接电转热式高效储释能系统，包括IGBT电源模块，IGBT电源模块通过线缆连接有电转热储热模块，电转热储热模块通过管道连接有流态化换热模块，流态化换热模块通过管道连接有固体蓄热材料中间罐，固体蓄热材料中间罐还通过管道连接电转热储热模块，流态化换热模块通过热风循环模块连接有发电或供暖模块并与发电或供暖模块形成循环回路。本发明的直接电转热式高效储释能系统，解决了现有技术中存在的电转热储能无法直接连接中高压电网及储释能速率慢的问题。

Description

直接电转热式高效储释能系统
技术领域
本发明属于储能技术领域，涉及一种直接电转热式高效储释能系统。
背景技术
在“双碳”目标的背景下，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源清洁利用水平和电力系统运行效率，促进源网荷储一体化和多能互补，提升可再生能源开发消纳水平和非化石能源消费比重意义非凡。为实现上述目标，建立高电压大功率的电热转化与再利用系统尤为重要。本专利以显热储能为基础，搭建满足上述工艺要求的直接电转热式高效储释能系统。
显热电热转化储释能系统的技术关键点为蓄热材料、储能加热方式、换热方式及电源系统的选择。现有储能蓄热技术的蓄热材料多为水、导热油及熔盐，此类材料储能密度低、储能过程不稳定。储能加热方式多为间接加热，蓄热效率低、速率慢，加热时加热器蓄热不均匀、寿命短、加热功率小、加热元件处易过热。换热方式多为换热器间接换热，换热效率低、速度慢、换热面积小、残余热量浪费严重。加热电源系统均为晶闸管相控电源加热，此类电源系统不能直接连接中高压电网，工作时电压低、响应速度慢、对电网冲击大且有谐波污染，不适用于短路容量小、输出容量的波动性和不可预测性较大的新能源电网。
现有显热储能蓄热技术所存在的种种问题，都不利于储能蓄热再利用的高效化、规模化。亟待研发一种工作时设备稳定可靠、功率大、效率高的电转热储释能系统。
发明内容
本发明的目的是提供直接电转热式高效储释能系统，解决了现有技术中存在的电转热储能无法直接连接中高压电网及储释能速率慢的问题。
本发明所采用的技术方案是，直接电转热式高效储释能系统，包括IGBT电源模块，IGBT电源模块通过线缆连接有电转热储热模块，电转热储热模块通过管道连接有流态化换热模块，流态化换热模块通过管道连接有固体蓄热材料中间罐，固体蓄热材料中间罐还通过管道连接电转热储热模块，流态化换热模块通过热风循环模块连接有发电或供暖模块并与发电或供暖模块形成循环回路。
本发明的特征还在于，
电转热储热模块包括炉壳，炉壳上设置有炉盖，炉盖上连接有下料管，炉壳内底部铺设有一层耐火砖层，炉壳内侧壁绕其侧壁浇筑有一圈环状的浇筑层，浇筑层底部与耐火砖层连接，浇筑层相对应的两内侧壁上分别设置有炉壁电极且两侧的炉壁电极设计为异型电极，环状的浇筑层中间为颗粒状固体储能蓄热材料腔体，浇筑层上方设置有耐火砖层a，炉壳底部还设置有与颗粒状固体储能蓄热材料腔体连通的出料口，两侧的炉壁电极上还连接有与对应炉壁电极为一体设置且材质相同的电极伸出端，电极伸出端伸对应一侧的炉壳，电极伸出端和炉壳接触处还套设有陶瓷绝缘套筒，IGBT电源模块通过线缆连接两个电极伸出端，流态化换热模块通过管道连接出料口，固体蓄热材料中间罐通过管道连接下料管，浇筑层采用高铝质浇注料进行浇筑，耐火砖层a和耐火砖层采用耐火砖制作而成。
电转热储热模块和流态化换热模块之间还设置有台车轨道，台车轨道上设置有台车，固体蓄热材料中间罐位于台车上。
固体蓄热材料中间罐和下料管之间的管道上还设置有振动给料器a。
流态化换热模块的出料口还通过管道连接有储料仓，储料仓通过管道连接固体蓄热材料中间罐，固体蓄热材料中间罐和储料仓之间的管道上设置有振动给料器。
流态化换热模块通过蓄热材料保温循环管路连接出料口，蓄热材料保温循环管路上还设置有振动给料器b。
热风循环模块包括与流态化换热模块进气口连接的回风道，回风道另一端连接发电或供暖模块，热风循环模块还包括与流态化换热模块出气口连接的送风道，送风道另一端连接发电或供暖模块。
回风道和送风道上分别设置有进气泵和抽气泵。
回风道和送风道内均设置有保温层。
本发明的有益效果是：
1. 采用IGBT电源模块对电转热储热模块进行功率调整，能直接连接中高压电网，与传统技术相比，省略了冗繁的交变压设备，且运行过程不受负载波动影响，可直接消纳3kV内中高压直流或交流电能，运行平稳且调整迅速，响应时间快，对电网冲击小且无谐波污染。
2. 本发明采用颗粒状固体类矿石储能蓄热材料，相比水、导热油与熔盐，温升范围内物化性能稳定，储能密度大，热能品味高。
3. 本发明电转热储热模块加热元件采用炉壁电极和电极伸出端，料堆发热均匀，解决了加热时电极处过热问题，效率达96%以上，蓄热速率快。因加热元件为蓄热材料自身，寿命高且更换成本低。
4.电转热储热模块加热器可将蓄热材料从低温快速升温至最高1400℃。平均20m3储罐15min内最大可储热9×107kJ，实现高电压、大功率、高温域的电热转换。
5. 本发明换热过程采用直接接触式的流态化换热模块，流态化换热模块的换热效率可达96%以上，且换热面积大，换热系数可达150W/m2K，可实现迅速将空气流从低温升温至最高900℃。
6. 储释能过程物质及热量损失小，实现储释能系统物质及能量的循环低损模式。
附图说明
图1是本发明直接电转热式高效储释能系统的结构示意图；
图2是本发明直接电转热式高效储释能系统中电转热储热模块的结构示意图；
图3是图2的俯视图。
图中，1.IGBT电源模块，2.电转热储热模块，3.振动给料器b，4.蓄热材料保温循环管路，5.流体化换热模块，6.储料仓，7.振动给料器，8.台车，9.固体蓄热材料中间罐，10.振动给料器a，11.台车轨道，12.热风循环模块，13.抽气泵，14.进气泵，15.回风道，16.发电或者供暖模块，17.送风道；
2-1.下料管，2-2.炉盖，2-3.炉壁电极，2-4.颗粒状固体储能蓄热材料腔体，2-5.出料口，2-6.浇注层，2-7.炉壳，2-8.耐火砖层a，2-9.耐火砖层，2-10.电极伸出端，2-11.陶瓷绝缘套筒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明直接电转热式高效储释能系统，包括IGBT电源模块1，IGBT电源模块1通过线缆连接有电转热储热模块2，电转热储热模块2通过管道连接有流态化换热模块5，流态化换热模块5通过管道连接有固体蓄热材料中间罐9，固体蓄热材料中间罐9还通过管道连接电转热储热模块2，流态化换热模块5通过热风循环模块12连接有发电或供暖模块16并与发电或供暖模块16形成循环回路。
如图2-3所示，电转热储热模块2包括炉壳2-7，炉壳2-7上设置有炉盖2-2，炉盖2-2上连接有下料管2-1，炉壳2-7内底部铺设有一层耐火砖层2-9，炉壳2-7内侧壁绕其侧壁浇筑有一圈环状的浇筑层2-6，浇筑层2-6底部与耐火砖层2-9连接，浇筑层2-6相对应的两内侧壁上分别设置有炉壁电极2-3且两侧的炉壁电极2-3设置为异型电极，环状的浇筑层2-6中间为颗粒状固体储能蓄热材料腔体2-4，浇筑层2-6上方设置有耐火砖层a2-8，炉壳2-7底部还设置有与颗粒状固体储能蓄热材料腔体2-4连通的出料口2-5，两侧的炉壁电极2-3上还连接有与对应炉壁电极2-3为一体设置且材质相同的电极伸出端2-10，电极伸出端2-10和炉壳2-7接触处还套设有陶瓷绝缘套筒2-11，电极伸出端2-10伸对应一侧的炉壳2-7，IGBT电源模块1通过线缆连接两个电极伸出端2-10，流态化换热模块5通过管道连接出料口2-5，固体蓄热材料中间罐9通过管道连接下料管2-1。
电转热储热模块2和流态化换热模块5之间还设置有台车轨道11，台车轨道11上设置有台车8，固体蓄热材料中间罐9位于台车8上。
固体蓄热材料中间罐9和下料管2-1之间的管道上还设置有振动给料器a10。
流态化换热模块5的出料口还通过管道连接有储料仓6，储料仓6通过管道连接固体蓄热材料中间罐9，固体蓄热材料中间罐9和储料仓6之间的管道上设置有振动给料器7；
当设置储料仓6时，台车轨道11位于电转热储热模块2和储料仓6之间。
流态化换热模块5通过蓄热材料保温循环管路4连接出料口2-5，蓄热材料保温循环管路4上还设置有振动给料器b3。
热风循环模块12包括与流态化换热模块5进气口连接的回风道15，回风道15另一端连接发电或供暖模块16，热风循环模块12还包括与流态化换热模块5出气口连接的送风道17，送风道17另一端连接发电或供暖模块16。
回风道15和送风道17上分别设置有进气泵14和抽气泵13。
回风道15和送风道17内均设置有保温层。
本发明颗粒状固体储能蓄热材料为颗粒状固体类矿石材料，系统运行过程中，材料始终保持固态。
本发明在系统运行时，IGBT电源模块1直接与电网连接，发电或者供暖模块之后连接电网或者用户终端取暖装置。
本发明直接电转热式高效储释能系统的工作原理为：
IGBT电源模块1将发电侧3kV内中高压电能进行交流-直流-交流变化，输出可调压、调频的交流电至匹配颗粒状固体储能蓄热材料的电转热储热模块2，通过两侧设计为异型的炉壁电极2-3通过对颗粒状固体储能蓄热材料提供电场，利用颗粒状固体储能蓄热材料自身电阻发热，原理如下式（1），实现电热转换：
Figure 99011DEST_PATH_IMAGE001
其中，Q为颗粒状固体储能蓄热材料的蓄热热量，J；I为通过颗粒状固体储能蓄热材料的电流，A；R为颗粒状固体储能蓄热材料的电阻，Ω；t为蓄热时间，s；
蓄热完成的颗粒状固体储能蓄热材料，通过出料口2-5经过振动给料器b3工作，经过蓄热材料保温循环管路4进入流态化换热模块5，流态化换热模块5将颗粒状固体储能蓄热材料形成流化层，并利用空气将颗粒状固体储能蓄热材料所携带热能快速置换并带走至发电或供暖模块16，进行热能直接供暖利用或转化成电能利用，换热完成的含残余热量的颗粒状固体储能蓄热材料经过流态化换热模块5、储料仓6，通过振动给料器7工作，经过料管输送至固体蓄热材料中间罐9中。
固体储能蓄热材料中间罐9不仅保证颗粒状固体储能蓄热材料在系统内的循环，并且作为换热完成后固体蓄热材料的储存收集容器，具有加料及系统运行过程中补料的功能。输送管道以及固体储能蓄热材料中间罐9均设置有保温层，减少残余热能损失，固体储能蓄热材料中间罐9中的通过振动给料器a10将含残余热量的颗粒状固体储能蓄热材料重返电转热储热模块2，其热量被重新利用。
因为储能释能过程为周期性作业，中间罐9通过振动给料器10完成对电转热储热模块2加料及补料后，通过台车8，沿轨道11转移至流态化换热模块5或者储料仓6下料口下方，待流态化换热模块完成换热后，进行接料，接料完成后，沿轨道11返回电转热储热模块2加热器，进行加料及补料。
热风循环模块12包含抽气泵13、进气泵14、回风道15以及送风道17，以保证气体在系统内的循环，回风道15以及送风道17设计保温层，减少热能损失。重返流态化换热模块5的含残余热量的气体及其热量被重新利用。
采用对电网无冲击与污染的IGBT电源模块1，省略冗繁的交变压设备，直接将3kV内发电侧随机电能输送至电转热储热模块2，利用颗粒状固体储能蓄热材料自身电阻均匀发热储能，实现高电压大功率高温域的电热转换，效率达96%以上，电转热储热模块加热器可将蓄热材料从低温快速升温至最高1400℃，平均20m3储罐15min内最大可储热9×107kJ。
本发明释能时，基于高循环比的流化床技术实现高温颗粒与传热流体的高效换热，换热效率达96%以上，且换热面积大，换热系数可达150W/m2K，可实现迅速将空气流从低温升温至最高900℃。换热后含残余热量的低温颗粒固体蓄热材料与气体可再循环实现储热系统低损运行。

Claims (9)

1.直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，包括IGBT电源模块（1），所述IGBT电源模块（1）通过线缆连接有电转热储热模块（2），所述电转热储热模块（2）通过管道连接有流态化换热模块（5），所述流态化换热模块（5）通过管道连接有固体蓄热材料中间罐（9），所述固体蓄热材料中间罐（9）还通过管道连接所述电转热储热模块（2），所述流态化换热模块（5）通过热风循环模块（12）连接有发电或供暖模块（16）并与发电或供暖模块（16）形成循环回路。
2.根据权利要求1所述的直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述电转热储热模块（2）包括炉壳（2-7），所述炉壳（2-7）上设置有炉盖（2-2），所述炉盖（2-2）上连接有下料管（2-1），所述炉壳（2-7）内底部铺设有一层耐火砖层（2-9），所述炉壳（2-7）内侧壁绕其侧壁浇筑有一圈环状的浇筑层（2-6），所述浇筑层（2-6）底部与所述耐火砖层（2-9）连接，所述浇筑层（2-6）相对应的两内侧壁上分别设计有异型的炉壁电极（2-3），环状的所述浇筑层（2-6）中间为颗粒状固体储能蓄热材料腔体（2-4），所述浇筑层（2-6）上方设置有耐火砖层a（2-8），所述炉壳（2-7）底部还设置有与所述颗粒状固体储能蓄热材料腔体（2-4）连通的出料口（2-5），两侧所述的炉壁电极（2-3）上还连接有与对应炉壁电极（2-3）为一体设置且材质相同的电极伸出端（2-10），所述电极伸出端（2-10）伸对应一侧的所述炉壳（2-7），电极伸出端（2-10）和炉壳（2-7）接触处还套设有陶瓷绝缘套筒（2-11），所述IGBT电源模块（1）通过线缆连接两个所述电极伸出端（2-10），所述流态化换热模块（5）通过管道连接所述出料口（2-5），所述固体蓄热材料中间罐（9）通过管道连接所述下料管（2-1）。
3.根据权利要求2所述的直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述电转热储热模块（2）和流态化换热模块（5）之间还设置有台车轨道（11），所述台车轨道（11）上设置有台车（8），所述固体蓄热材料中间罐（9）位于所述台车（8）上。
4.根据权利要求2所述直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述固体蓄热材料中间罐（9）和下料管（2-1）之间的管道上还设置有振动给料器a（10）。
5.根据权利要求2所述直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述流态化换热模块（5）的出料口还通过管道连接有储料仓（6），所述储料仓（6）通过管道连接所述固体蓄热材料中间罐（9），所述固体蓄热材料中间罐（9）和储料仓（6）之间的管道上设置有振动给料器（7）。
6.根据权利要求2所述的直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述流态化换热模块（5）通过蓄热材料保温循环管路（4）连接所述出料口（2-5），所述蓄热材料保温循环管路（4）上还设置有振动给料器b（3）。
7.根据权利要求2所述的直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述热风循环模块（12）包括与所述流态化换热模块（5）进气口连接的回风道（15），所述回风道（15）另一端连接所述发电或供暖模块（16），所述热风循环模块（12）还包括与所述流态化换热模块（5）出气口连接的送风道（17），所述送风道（17）另一端连接所述发电或供暖模块（16）。
8.根据权利要求7所述的直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述回风道（15）和送风道（17）上分别设置有进气泵（14）和抽气泵（13）。
9.根据权利要求7所述的直接电转热式高效储释能系统，其特征在于，所述回风道（15）和送风道（17）内均设置有保温层。
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