CN114483238B - 一种基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，包括：制冷热能回路，借助电能产生冷能和热能；蓄热单元，与制冷热能回路对应设置，蓄热单元用于存储热能；蓄冷单元，与制冷热能回路对应设置，蓄冷单元用于存储冷能；回热换热器，与蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置；回热换热器用于将蓄热侧低于目标温度的热能与蓄冷侧高于目标温度的冷能进行热交换；在冷热能发电回路，与蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置，冷热能发电回路适于吸收蓄热单元内的热能以及蓄冷单元内的冷能并进行发电。本发明在不同的用电工况下，冷热能与电能进行相互转化，成本低、储能密度高、安全性高、结构紧凑，不产生污染物、节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及能量存储技术领域，具体涉及一种基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统。
背景技术
目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。其中，以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的90％以上。
传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。
传统的压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高(50％～70％)和单位投资相对较小等优点；但依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。
发明内容
因此，本发明提供一种基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，包括：
制冷热能回路，借助电能产生冷能和热能；
蓄热单元，与所述制冷热能回路对应设置，所述蓄热单元用于存储热能；
蓄冷单元，与所述制冷热能回路对应设置，所述蓄冷单元用于存储冷能；
回热换热器，与所述蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置；所述回热换热器用于将蓄热侧低于目标温度的热能与蓄冷侧高于目标温度的冷能进行热交换；
冷热能发电回路，与所述蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置，所述冷热能发电回路适于吸收所述蓄热单元内的热能以及所述蓄冷单元内的冷能、并进行发电。
进一步地，所述制冷热能回路包括传动连接的储能压缩机组、储能膨胀机组以及储能驱动单元，所述储能压缩机组与所述储能膨胀机组通过管路循环连通；所述蓄热单元连通在所述储能压缩机组的排气侧，所述蓄冷单元连通在所述储能膨胀机组的排气侧；
所述回热换热器的热侧连通在所述蓄热单元与所述储能膨胀机组的进气侧之间，所述回热换热器的冷侧连通在所述蓄冷单元与所述储能压缩机组的进气侧之间。
进一步地，所述蓄热单元包括：第一换热器、第一循环风机以及化学蓄热罐；
所述第一换热器的热侧连通在所述储能压缩机组的排气侧与所述回热换热器的热侧之间，所述第一换热器的冷侧、第一循环风机以及化学蓄热罐循环连通。
进一步地，所述化学蓄热罐内的蓄热介质为颗粒状或多孔状固体，所述蓄热介质的主要成分为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、碳酸镁、氧化镁、氢氧化镁、碳酸铅、氧化钡、氧化钴、氧化铝等中一种或多种，所述化学蓄热罐内的反应气体为氧气、二氧化碳、水蒸气、氢气、氮气等中一种或多种组合。
进一步地，所述蓄冷单元包括：第二换热器、第二循环风机以及蓄冷罐；
所述第二换热器的冷侧连通在所述储能膨胀机组的排气侧与所述回热换热器的冷侧之间，所述第二换热器的热侧、第二循环风机以及蓄冷罐循环连通。
进一步地，所述蓄冷罐内的蓄冷介质为颗粒状或多孔状固体，所述蓄冷介质的主要成分为岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球、金属、封装的相变材料等中一种或多种，所述蓄冷罐内的传热工质为空气、氮气、氧气、二氧化碳等中一种或多种混合。
进一步地，所述冷热能发电回路包括传动连接的释能压缩机组、释能膨胀机组以及发电单元，所述释能压缩机组与所述释能膨胀机组通过管路循环连通；
所述第一换热器的热侧通过第一阀门分别与所述释能膨胀机组的进气侧以及所述储能压缩机组的排气侧连通；
所述回热换热器的热侧通过第二阀门分别与所述释能压缩机组的排气侧以及所述储能膨胀机组的进气侧连通；
所述第二换热器的冷侧通过第三阀门分别与所述释能压缩机组的进气侧以及所述储能膨胀机组的排气侧连通；
所述回热换热器的冷侧通过第四阀门分别与所述释能膨胀机组的排气侧以及所述储能压缩机组的进气侧连通；
其中，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门均为三通阀。
进一步地，所述释能压缩机组的排气侧与所述回热换热器的热侧之间连通有第三换热器，所述第三换热器用于将压缩气体换热至室温。
进一步地，所述制冷热能回路以及所述冷热能发电回路均设有稳压气罐，所述稳压气罐通过调压压缩机将工作气体注入所述制冷热能回路以及所述冷热能发电回路。
进一步地，所述工作气体为氩气、氦气、氮气、空气等中一种或多种混合。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，在用电低谷期，制冷热能回路利用电能直接或间接的产生冷能和热能，通过蓄热单元对热能进行存储，通过蓄冷单元对冷能进行存储；在用电高峰期，冷热能发电回路吸收热能和冷能，并将热能、冷能直接或间接的转化成电能。上述系统，在不同的用电工况下，冷热能与电能进行相互转化，成本低、储能密度高、安全性高、结构紧凑，无需消耗其他能源、不产生污染物、节能环保。另外，在储能过程中，通过回热换热器来释除中间温度的热能和冷能，以提升热能的存储温度和降低冷能的存储温度，最终提高储能过程的换热效率和释能过程中的转化效率。
2.本发明提供的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，在储能、释能的间歇过程中，由调压压缩机将稳压装置内工作气体注入储电系统回路中，以保证储能回路与释能回路的初始压力一致，以提高转化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中提供的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统的示意图。
图2为制冷热能回路的示意图。
图3为冷热能发电回路的示意图。
附图标记说明：
1、回热换热器；2、储能压缩机组；3、储能膨胀机组；4、储能驱动单元；5、第一换热器；6、第一循环风机；7、化学蓄热罐；8、第二换热器；9、第二循环风机；10、蓄冷罐；11、气体储罐；12、释能压缩机组；13、释能膨胀机组；14、发电单元；15、第一阀门；16、第二阀门；17、第三阀门；18、第四阀门；19、第五阀门；20、第三换热器；21、稳压气罐；22、调压压缩机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例中提供的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，包括：制冷热能回路、蓄热单元、蓄冷单元、回热换热器1以及冷热能发电回路。
在本实施例中，在用电低谷期，所述制冷热能回路借助电能产生冷能和热能；制冷热能回路上对应设置有蓄热单元，所述蓄热单元对热能进行存储；制冷热能回路上对应设置有蓄冷单元，所述蓄冷单元对冷能进行存储。所述蓄热单元以及蓄冷单元均与回热换热器1对应设置；回热换热器，与所述蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置；所述回热换热器用于将蓄热侧低于目标温度的热能与蓄冷侧高于目标温度的冷能进行热交换。冷热能发电回路与所述蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置，在用电高峰期，所述冷热能发电回路适于吸收所述蓄热单元内的热能以及所述蓄冷单元内的冷能、并进行发电。
在本实施例中，在不同的用电工况下，冷热能与电能进行相互转化，成本低、储能密度高、安全性高、结构紧凑，无需消耗能源、不产生污染物、节能环保。其中，在储能过程中，通过回热换热器1来释除中间温度的热能和冷能，以提升热能的存储温度和降低冷能的存储温度，最终提高储能过程的换热效率和释能过程中的转化效率。
如图1、图2所示，所述制冷热能回路包括传动连接的储能压缩机组2、储能膨胀机组3以及储能驱动单元4，所述储能压缩机组2与所述储能膨胀机组3通过管路循环连通；其中，所述储能驱动单元4为驱动电机或风力机；当所述储能驱动单元4为驱动电机时，驱动电机的电源可以是常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电、或者潮汐发电中的一种或多种。
如图1、图2所示，所述蓄热单元连通在所述储能压缩机组2的排气侧，所述蓄冷单元连通在所述储能压缩机组2的进气侧；所述回热换热器1的热侧连通在所述蓄热单元与所述储能膨胀机组3的进气侧之间，所述回热换热器1的冷侧连通在所述蓄冷单元与所述储能压缩机组2的进气侧之间。其中，所述蓄热单元包括：第一换热器5、第一循环风机6以及化学蓄热罐7；所述第一换热器5的热侧连通在所述储能压缩机组2的排气侧与所述回热换热器1的热侧之间，所述第一换热器5的冷侧、第一循环风机6以及化学蓄热罐7循环连通。其中，所述蓄冷单元包括：第二换热器8、第二循环风机9以及蓄冷罐10；所述第二换热器8的冷侧连通在所述储能膨胀机组3的排气侧与所述回热换热器1的冷侧之间，所述第二换热器8的热侧、第二循环风机9以及蓄冷罐10循环连通。
在本实施例中，所述化学蓄热罐7内的蓄热介质为颗粒状或多孔状固体，所述蓄热介质的主要成分为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、碳酸镁、氧化镁、氢氧化镁、碳酸铅、氧化钡、氧化钴、氧化铝等中一种或多种，所述化学蓄热罐7内的反应气体为氧气、二氧化碳、水蒸气、氢气、氮气等中一种或多种。其中，所述化学蓄热罐7与气体储罐11连通，蓄热过程中因化学反应生成的气体存在所述气体储罐11内，以缓解化学蓄热罐7的压力。
在本实施例中，所述蓄冷罐10内的蓄冷介质为颗粒状或多孔状固体，所述蓄冷介质的主要成分为岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球、金属、封装的相变材料等中一种或多种，所述蓄冷罐10内的传热工质为空气、氮气、氧气、二氧化碳等中一种或多种。
如图1、图3所示，所述冷热能发电回路包括传动连接的释能压缩机组12、释能膨胀机组13以及发电单元14，所述释能压缩机组12与所述释能膨胀机组13通过管路循环连通。所述第一换热器5与储能压缩机组2的排气侧之间设有第一阀门15，所述第一换热器5的热侧通过第一阀门15分别与所述释能膨胀机组13的进气侧以及所述储能压缩机组2的排气侧连通。所述回热换热器1的热侧与所述储能膨胀机组3的进气侧之间设有第二阀门16，所述回热换热器1的冷侧与所述储能压缩机组2的进气侧之间设有第四阀门18，所述回热换热器1的热侧通过第二阀门16分别与所述释能压缩机组12的排气侧以及所述储能膨胀机组3的进气侧连通，所述回热换热器1的冷侧通过第四阀门18分别与所述释能膨胀机组13的排气侧以及所述储能压缩机组2的进气侧连通。所述第二换热器8与储能膨胀机组3之间设有第三阀门17，所述第二换热器8的冷侧通过第三阀门17分别与所述释能压缩机组12的进气侧以及所述储能膨胀机组3的排气侧连通。其中，所述第一阀门15、第二阀门16、第三阀门17以及第四阀门18均为三通阀。
如图1、图3所示，所述释能压缩机组12的排气侧与所述回热换热器1的热侧之间连通有第三换热器20，所述第三换热器20用于将压缩气体换热至室温。
如图1、图2、图3所示，所述制冷热能回路以及所述冷热能发电回路均设有稳压气罐21，所述稳压气罐21分别与所述储能膨胀机组3的进气侧以及所述释能膨胀机组13的进气侧连通；所述稳压气罐21的管线是设有第五阀门19，所述第五阀门19为三通阀；调压压缩机22的进气侧与所述稳压气罐21连通，调压压缩机22的排气侧与第五阀门19连通，所述稳压气罐21通过调压压缩机22将工作气体注入所述制冷热能回路以及所述冷热能发电回路。其中，所述工作气体为氩气、氦气、氮气、空气等中一种或多种。
在本实施例中，在蓄热单元以及蓄冷单元内，均设有温度检测装置、压力检测装置以及安全阀。
在本实施例中，所述储能压缩机组2以及释能压缩机组12的总压比均在3～40之间，当所述压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式或者分轴并联形式。所述储能膨胀机组3以及释能膨胀机组13的总膨胀比均在3～40之间，当所述膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式或分轴并联形式。
在制冷热能回路运行时，冷热能发电回路停止运行；在冷热能发电回路运行时，冷热能发电回路停止运行。具体的工作过程如下：
在用电低谷期，制冷能回路运行：控制第一阀门15，使第一换热器5的热侧与储能压缩机组2的排气侧连通；控制第二阀门16，使回热换热器1的热侧与储能膨胀机组3的进气侧连通；控制第三阀门17，使第二换热器8的冷侧与储能膨胀机组3的排气侧连通；控制第四阀门18，使回热换热器1的冷侧与储能压缩机组2的进气侧连通。
在蓄热过程中，储能驱动单元4驱动储能压缩机组2，将常温低压的气体工质压缩至高温高压状态；经第一换热器5进行换热降温，高温高压的气体工质降温至次高温高压状态，并将高温热能存储至化学蓄热罐7内；经回热换热器1的热侧进行换热降温，次高温高压的气体工质降温至常温高压状态；经储能膨胀机组3后，常温高压的气体工质被膨胀至低温低压状态。在蓄热过程中，回热换热器1的热侧吸收低于目标温度的热能。
在蓄冷过程中，经第二换热器8的冷侧进行换热，低温低压的气体工质升温至次高温低压状态，并将低温冷能存储至蓄冷罐10内；经回热换热器1的冷侧继续升温，次高温低压的气体工质升温至高温低压状态；高温低压的气体工质进入储能压缩机组2，继续循环，不断将高温热能存储在化学蓄热罐7内和将低温冷能存储在蓄冷罐10内。
在用电高峰期，冷热能发电回路运行：控制第一阀门15，使第一换热器5的热侧与释能膨胀机组13的进气侧连通；控制第二阀门16，使回热换热器1的热侧与释能压缩机组12的排气侧连通；控制第三阀门17，使第二换热器8的冷侧与释能压缩机组12的进气侧连通；控制第四阀门18，使回热换热器1的冷侧与释能膨胀机组13的排气侧连通。
在释热过程中，释能压缩机组12将低压的气体工质压缩至高压状态；经第三换热器20进行换热降温，至室温；经回热换热器1的热侧进行换热升温，至次高温高压状态；经第一换热器5的热侧进行升温，吸收化学蓄热罐7内反应释放的热能，升温至高温高压状态；经释能膨胀机组13后，膨胀至次高温低压状态。
在释冷过程中，经回热换热器1的冷侧进行换热降温，至常温低压状态；经第二换热器8的冷侧进行降温，吸收蓄冷罐10内的冷能，至低温低压状态；低温低压的气体工质进入释能压缩机组12，继续循环，不断将存储的热化学能和低温冷能转化为电能输出。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，包括：
制冷热能回路，借助电能产生冷能和热能；
蓄热单元，与所述制冷热能回路对应设置，所述蓄热单元用于存储热能；
蓄冷单元，与所述制冷热能回路对应设置，所述蓄冷单元用于存储冷能；
回热换热器（1），与所述蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置；所述回热换热器（1）用于将蓄热侧低于目标温度的热能与蓄冷侧高于目标温度的冷能进行热交换；
冷热能发电回路，与所述蓄热单元以及蓄冷单元均对应设置，所述冷热能发电回路适于吸收所述蓄热单元内的热能以及所述蓄冷单元内的冷能、并进行发电；
所述制冷热能回路以及所述冷热能发电回路均设有稳压气罐（21），所述稳压气罐（21）通过调压压缩机（22）将工作气体注入所述制冷热能回路以及所述冷热能发电回路。
2.根据权利要求1所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述制冷热能回路包括传动连接的储能压缩机组（2）、储能膨胀机组（3）以及储能驱动单元（4），所述储能压缩机组（2）与所述储能膨胀机组（3）通过管路循环连通；所述蓄热单元连通在所述储能压缩机组（2）的排气侧，所述蓄冷单元连通在所述储能膨胀机组（3）的排气侧；
所述回热换热器（1）的热侧连通在所述蓄热单元与所述储能膨胀机组（3）的进气侧之间，所述回热换热器（1）的冷侧连通在所述蓄冷单元与所述储能压缩机组（2）的进气侧之间。
3.根据权利要求2所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述蓄热单元包括：第一换热器（5）、第一循环风机（6）以及化学蓄热罐（7）；
所述第一换热器（5）的热侧连通在所述储能压缩机组（2）的排气侧与所述回热换热器（1）的热侧之间，所述第一换热器（5）的冷侧、第一循环风机（6）以及化学蓄热罐（7）循环连通。
4.根据权利要求3所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述化学蓄热罐（7）内的蓄热介质为颗粒状或多孔状固体，所述蓄热介质的主要成分为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、碳酸镁、氧化镁、氢氧化镁、碳酸铅、氧化钡、氧化钴、氧化铝中一种或多种，所述化学蓄热罐（7）内的反应气体为氧气、二氧化碳、水蒸气、氢气、氮气中一种或多种混合。
5.根据权利要求3所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述蓄冷单元包括：第二换热器（8）、第二循环风机（9）以及蓄冷罐（10）；
所述第二换热器（8）的冷侧连通在所述储能膨胀机组（3）的排气侧与所述回热换热器（1）的冷侧之间，所述第二换热器（8）的热侧、第二循环风机（9）以及蓄冷罐（10）循环连通。
6.根据权利要求5所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述蓄冷罐（10）内的蓄冷介质为颗粒状或多孔状固体，所述蓄冷介质的主要成分为岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球、金属、封装的相变材料中一种或多种，所述蓄冷罐（10）内的传热工质为空气、氮气、氧气、二氧化碳中一种或多种混合。
7.根据权利要求5所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述冷热能发电回路包括传动连接的释能压缩机组（12）、释能膨胀机组（13）以及发电单元（14），所述释能压缩机组（12）与所述释能膨胀机组（13）通过管路循环连通；
所述第一换热器（5）的热侧通过第一阀门（15）分别与所述释能膨胀机组（13）的进气侧以及所述储能压缩机组（2）的排气侧连通；
所述回热换热器（1）的热侧通过第二阀门（16）分别与所述释能压缩机组（12）的排气侧以及所述储能膨胀机组（3）的进气侧连通；
所述第二换热器（8）的冷侧通过第三阀门（17）分别与所述释能压缩机组（12）的进气侧以及所述储能膨胀机组（3）的排气侧连通；
所述回热换热器（1）的冷侧通过第四阀门（18）分别与所述释能膨胀机组（13）的排气侧以及所述储能压缩机组（2）的进气侧连通；
其中，所述第一阀门（15）、第二阀门（16）、第三阀门（17）以及第四阀门（18）均为三通阀。
8.根据权利要求7所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述释能压缩机组（12）的排气侧与所述回热换热器（1）的热侧之间连通有第三换热器（20），所述第三换热器（20）用于将压缩气体换热至室温。
9.根据权利要求1所述的基于热化学储能的布雷顿热泵储电系统，其特征在于，所述工作气体为氩气、氦气、氮气、空气中一种或多种混合。
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