CN114658504B - 一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热泵储电和压缩空气储能技术领域，具体涉及一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，在释能发电过程中，热泵储电子系统中发电压缩机中输出中高温余热，进入到耦合换热器的第一侧，经过换热降温后输入到发电膨胀机组，驱动发电膨胀机组运转，发电膨胀机组通过转轴带动发电机发电即可对外输出电能；压缩空气储能子系统中，压缩空气储存件输出高压空气，经过耦合换热器的第二侧，经过换热升温后在输入到压缩空气释能膨胀机组。通过设置耦合换热器，对输出的中温高压气体进行温度补偿后，再输入到各自的膨胀机组中进行发电，使得热泵储电子系统与压缩空气储能子系统的均能保持较高的储能效率，进而提升系统整体的储能效率。
Description
技术领域
本发明涉及热泵储电和空气储能技术领域，具体涉及一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统。
背景技术
电力储能技术主要是指在电网低负荷期间将难以储存的电能转化为其他容易储存的能量进行储存，在电网高负荷的时候输出能量，用于削峰填谷，减轻电网波动。能量有多种形式，包括辐射，化学的，重力势能，电势能，电力，高温，潜热和动力。
现有技术中传统的压缩空气储能系统需要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、可再生的能源发展要求。现有技术中的其他新型的压缩空气储能系统，如先进绝热压缩空气储能系统、地面压缩空气储能系统、带回热的压缩空气储能系统和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统等，虽然使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，并且还需要大型储气室的问题。
现有热泵储电技术中由于循环过程的不可逆损失产生大量热能，无法加以利用，向环境中排放造成了能量的大量浪费。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在如何充分利用热泵储电的不可逆余热，从而提供一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，包括：
热泵储电子系统，包括依次循环连接的储电压缩机组、储电蓄热器、储电膨胀机组和储电蓄冷器；
热泵储电子系统还包括轴连接的发电压缩机组和发电膨胀机组，发电压缩机组的入口端与储电蓄冷器连通，发电压缩机组的出口端与储电蓄热器连通，发电膨胀机组的入口端与储电蓄热器连通，发电膨胀机组的出口端与储电蓄冷器连通；
压缩空气储能子系统，包括依次连接的压缩空气储能压缩机组、压缩空气储存件、压缩空气释能膨胀机组；
耦合换热器，其第一侧连通在发电压缩机组与储电蓄热器之间，第二侧连通在压缩空气储存件与压缩空气释能膨胀机组之间。
可选地，热泵储电子系统还包括回热换热器，其低压侧的一端与储电蓄冷器连通，其低压侧的另一端分别与储电压缩机组和发电膨胀机组连通，其高压的一端与储电蓄热器连通，其高压侧的另一端分别与储电膨胀机组和发电压缩机组连通。
可选地，耦合换热器的第一侧连通在回热换热器与发电压缩机组之间。
可选地，压缩空气储能子系统还包括第一蓄热换热器和第一放热换热器，第一蓄热换热器的气体侧连通在压缩空气储能压缩机组与压缩空气储存件之间，第一放热换热器的气体侧连通在压缩空气储存件与压缩空气释能膨胀机组之间。
可选地，还包括空气储能蓄热器和空气储能蓄冷器，空气储能蓄热器、第一放热换热器、空气储能蓄冷器和第一蓄热换热器之间依次循环连通。
可选地，压缩空气储能压缩机组包括低压级压缩机组和高压级压缩机组，低压级压缩机组与高压级压缩机组之间安装有第二蓄热换热器，第二蓄热换热器的气体侧安装在压缩空气储存件与高压级压缩机组之间，储热工质侧与第一蓄热换热器并联安装在空气储能蓄热器和空气储能蓄冷器之间。
可选地，压缩空气释能膨胀机组包括高压级膨胀机组和低压级膨胀机组，高压级膨胀机组与低压级膨胀机组之间安装有第二放热换热器，第二放热换热器的气体侧安装在高压级膨胀机组与低压级膨胀机组之间，储热工质侧与第一放热换热器并联安装在空气储能蓄热器和空气储能蓄冷器之间。
可选地，第二放热换热器与低压级膨胀机组之间连通有耦合换热器的第三侧。
可选地，储电蓄冷器通过第一三通阀与储电压缩机组和发电膨胀机组连通，储电蓄冷器通过第二三通阀与储电膨胀机组和发电压缩机组连通。
可选地，储电蓄热器通过第三三通阀与储电压缩机组和发电膨胀机组连通，储电蓄热器通过第四三通阀与储电膨胀机组和发电压缩机组连通。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，在释能发电过程中，热泵储电子系统中发电压缩机组中输出中高温余热，进入到耦合换热器的第一侧，经过换热降温后输入到发电膨胀机组，驱动发电膨胀机组运转，发电膨胀机组通过转轴带动发电机发电或通过其他方式发电，即可对外输出电能；压缩空气储能子系统中，压缩空气储存件输出高压空气，经过耦合换热器的第二侧，经过换热升温后在输入到压缩空气释能机组。通过设置耦合换热器，通过将热泵储电子系统中输出的高温高压气体与压缩空气储能子系统中输出的中温高压气体进行换热，对压缩空气储能子系统中输出的中温高压气体进行温度补偿后，再输入到各自的膨胀机组中进行发电，使得热泵储电子系统与压缩空气储能子系统的均能保持较高的储能效率，通过热泵储电和压缩空气储能深度耦合，进而提升耦合储能系统整体的储能效率。
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为本发明的实施方式中提供的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统的示意图，
附图标记说明：1、第一电动机；2、储电压缩机组；3、储电膨胀机组；4、第一发电机；5、发电膨胀机组；6、发电压缩机组；7、储电蓄热器；8、回热换热器；9、储电蓄冷器；10、耦合换热器；11、第一三通阀；12、第三三通阀；13、第四三通阀；14、第二电动机；15、低压级压缩机组；16、高压级压缩机组；18、第一蓄热换热器；17、第二蓄热换热器；19、空气储能蓄热器；20、第一动力泵；21、入口阀门；22、压缩空气储存件；23、出口阀门；24、第一放热换热器；25、空气储能蓄冷器；26、第二动力泵；27、第二放热换热器；28、高压级膨胀机组；29、低压级膨胀机组；30、第二发电机；31、第二三通阀。
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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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。
实施例1
如图1所示为本实施例提供的一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，包括通过耦合换热器10耦合连接的热泵储电子系统和压缩空气储能子系统。
热泵储电子系统包括依次循环连接的储电压缩机组2、储电蓄热器7、储电膨胀机组3和储电蓄冷器9。
热泵储电子系统还包括轴连接的发电压缩机组6和发电膨胀机组5，发电压缩机组6的入口端与储电蓄冷器9连通，发电压缩机组6的出口端与储电蓄热器7连通，发电膨胀机组5的入口端与储电蓄热器7连通，发电膨胀机组5的出口端与储电蓄冷器9连通。
储电蓄冷器9通过第一三通阀11与储电压缩机组2和发电膨胀机组5连通，储电蓄冷器9通过第二三通阀31与储电膨胀机组3和发电压缩机组6连通。储电蓄热器7通过第三三通阀12与储电压缩机组2和发电膨胀机组5连通，储电蓄热器7通过第四三通阀13与储电膨胀机组3和发电压缩机组6连通。
热泵储电子系统还包括回热换热器8，其低压侧的一端与储电蓄冷器9连通，其低压侧的另一端通过第一三通阀11分别与储电压缩机组2和发电膨胀机组5连通，其高压侧的一端与储电蓄热器7连通，其高压侧的另一端通过第四三通阀13分别与储电膨胀机组3和发电压缩机组6连通。
压缩空气储能子系统包括依次连接的压缩空气储能压缩机组、压缩空气储存件22、压缩空气释能膨胀机组。在压缩空气储存件22的入口端安装有入口阀门21，压缩空气储存件22的出口端安装有出口阀门23。
压缩空气储能子系统还包括第一蓄热换热器18和第一放热换热器24，第一蓄热换热器18的气体侧连通在压缩空气储能压缩机组与压缩空气储存件22之间，第一放热换热器24的气体侧连通在压缩空气储存件22与压缩空气释能膨胀机组之间。
压缩空气储能子系统还包括空气储能蓄热器19和空气储能蓄冷器25，空气储能蓄热器19、第一放热换热器24、空气储能蓄冷器25和第一蓄热换热器18之间依次循环连通。空气储能蓄热器19和空气储能蓄冷器25中的传储热流体为水或导热油。
压缩空气储能压缩机组包括低压级压缩机组15和高压级压缩机组16，低压级压缩机组15与高压级压缩机组16之间安装有第二蓄热换热器17，第二蓄热换热器17的气体侧安装在低压级压缩机组15与高压级压缩机组16之间，储热工质侧与第一蓄热换热器18并联安装在空气储能蓄热器19和空气储能蓄冷器25之间。压缩空气释能膨胀机组包括高压级膨胀机组28和低压级膨胀机组29，高压级膨胀机组28与低压级膨胀机组29之间安装有第二放热换热器27，第二放热换热器27的气体侧安装在高压级膨胀机组28与低压级膨胀机组29之间，储热工质侧与第一放热换热器24并联安装在空气储能蓄热器19和空气储能蓄冷器25之间。
耦合换热器10第一侧连通在发电压缩机组6与储电蓄热器7之间，第二侧连通在压缩空气储存件22与压缩空气释能膨胀机组的高压级膨胀机组28之间。第二放热换热器27与低压级膨胀机组29之间连通有耦合换热器10的第三侧。
本实施例中提供的压缩机组均包括多级压缩机本体，每级压缩机压缩比在1－10之间。膨胀机组中均包括多级膨胀机本体，每级膨胀机的膨胀比在1－10之间。储电蓄热器7和储电蓄冷器9均为填充床，形状为圆柱体、球体或者长方体，内部填充固体蓄冷蓄热介质，固体蓄冷蓄热介质为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖等材料中的一种或者至少两种的组合。空气储能蓄热器19和空气储能蓄冷器25中存储的传储热流体为水或导热油。
耦合储能系统在储能过程中，打开压缩空气储存件22入口侧的入口阀门21，关闭压缩空气储存件22出口侧的出口阀门23；调节第一三通阀11使储电压缩机组2与回热换热器8连接、与发电膨胀机组5断开；调节第三三通阀12使储电压缩机组2与储电蓄热器7连接、与发电膨胀机组5断开；调节第二三通阀31使储电膨胀机组3与储电蓄冷器9连接、与发电压缩机组6断开；调节第四三通阀13使得储电膨胀机组3与回热换热器8连接、与耦合换热器10断开即与发电压缩机组6断开。
热泵储电子系统中，储电压缩机组2上同轴安装有第一电动机1，发电膨胀机组5上同轴安装有第一发电机4。启动第一电动机1驱动储电压缩机组2对气体进行压缩，热泵储电子系统中的气体经过储电压缩机组2压缩至高温高压态，经过储电蓄热器7将热量存储蓄热介质中。高温高压状态的气体进一步进入回热换热器8的高温侧，将热量传递给低压侧流体。回热换热器8出口的高压气体进入储电膨胀机组3膨胀做功产生一部分功通过轴传给储电压缩机组2，以降低储电压缩机组2的工作能耗。储电膨胀机组3出口的低温低压气体进入储电蓄冷器9，经过储电蓄冷器9将冷能存储蓄冷介质中，低温低压气体进一步进入回热换热器8的低温侧，吸收高压侧流体热能，回热换热器8低压侧出口的流体进一步储电压缩机组2的入口，重新进入下一次循环。
压缩空气储能子系统中，压缩空气储能压缩机组上同轴安装有第二电动机14，放热膨胀机组上同轴安装有第二发电机30。热泵储电子系统进行储电工作的同时压缩空气储能子系统进行压缩储能工作。启动第二电动机14驱动低压级压缩机组15将空气压缩至中温中压态，同时启动空气储能蓄冷器25出口端的第二动力泵26，将蓄热蓄冷件内的蓄热介质泵送到第二蓄热换热器17和第一蓄热换热器18。低压级压缩机组15出口的中温中压态空气与蓄热蓄冷件泵出的常温蓄热介质在第二蓄热换热器17发生换热，第二蓄热换热器17出口排出常温中压态空气和中温蓄热介质，中温蓄热介质经过管道存储在空气储能蓄热器19中。常温中压态空气进入高压级压缩机组16压缩至中温高压态，高压级压缩机组16出口的中温高压态空气与空气储能蓄热器19泵出的常温蓄热介质在第二蓄热换热器17发生换热，第二蓄热换热器17出口排出常温高压态空气和中温蓄热介质，中温蓄热介质经过管道存储在空气储能蓄热器19中，常温高压态空气存储在压缩空气储存件22中。
耦合储能系统在释能过程中，关闭压缩空气储存件22入口侧的入口阀门21，打开压缩空气储存件22出口侧的出口阀门23；调节第一三通阀11使发电膨胀机组5与回热换热器8连接、与储电压缩机组2断开；调节第三三通阀12使发电膨胀机与储电蓄热器7连接、与储电压缩机组2断开；调节第二三通阀31使发电压缩机组6与储电蓄冷器9连接、与储电膨胀机断开；调节第四三通阀13使得耦合换热器10与回热换热器8连接、与储电膨胀机组3断开。
热泵储电子系统中的储电蓄热器7出口的高温高压气体进入发电膨胀机组5膨胀做功产生一部分功通过轴传给发电压缩机组6，另一部分驱动第一发电机4发电；发电膨胀机组5出口的低压气体进入回热换热器8的高温侧，将释放高压侧流体热能，进一步进入储电蓄冷器9，储电蓄冷器9出口的低温低压气体进入发电压缩机组6压缩至高压态，发电压缩机组6出口的高压气体进入耦合换热器10的作为第一侧的高温侧。温度降低后，进入回热换热器8的低温侧，将吸收低侧流体热能，进一步进入储电蓄热器7，储电蓄热器7出口的高温高压气体重新进入循环。
热泵储电子系统中释能过程的同时，压缩空气储能子系统中开启出口阀门23将压缩空气储存件22中存储的压缩空气释放出来，同时启动空气储能蓄热器19出口端的第一动力泵20将空气储能蓄热器19内的蓄热介质泵送到第一放热换热器24和第二放热换热器27，常温高压态空气与空气储能蓄热器19中泵出的中温蓄热介质在第一放热换热器24发生换热，第一放热换热器24出口排出中温高压态空气和常温蓄热介质，常温蓄热介质经过管道存储在空气储能蓄冷器25中，中温高压态空气进一步进入耦合换热器10温度进一步升高至高温高压态进入高压级膨胀机组28膨胀做功，高压级膨胀机组28排出常温中压空气。高压级膨胀机组28排出的常温中压空气与空气储能蓄热器19中泵出的中温蓄热介质在释能第二放热换热器27发生换热，第二放热换热器27出口排出中温中压态空气和常温蓄热介质，常温蓄热介质经过管道存储在空气储能蓄冷器25中，中温中压态空气进一步进入耦合换热器10进一步升高至高温中压态进入低压级膨胀机组29膨胀做功，低压级膨胀机组29出口端排出空气。高压级膨胀机组28和低压级膨胀机组29膨胀做功通过第二发电机30产生电能。
本发明提供的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，在释能发电过程中，热泵储电子系统中发电压缩机组中输出中高温余热，进入到耦合换热器的第一侧，经过换热降温后输入到发电膨胀机组，驱动发电膨胀机组运转，发电膨胀机组通过转轴带动发电机发电或通过其他方式发电，即可对外输出电能；压缩空气储能子系统中，压缩空气储存件输出高压空气，经过耦合换热器的第二侧，经过换热升温后在输入到压缩空气释能机组。通过设置耦合换热器，通过将热泵储电子系统中输出的高温高压气体与压缩空气储能子系统中输出的中温高压气体进行换热，对压缩空气储能子系统中输出的中温高压气体进行温度补偿后，再输入到各自的膨胀机组中进行发电，使得热泵储电子系统与压缩空气储能子系统的均能保持较高的储能效率，进而提升耦合储能系统整体的储能效率。
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 (6)
1.一种多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，其特征在于，包括：
热泵储电子系统，包括依次循环连接的储电压缩机组(2)、储电蓄热器(7)、储电膨胀机组(3)和储电蓄冷器(9)；
所述热泵储电子系统还包括轴连接的发电压缩机组(6)和发电膨胀机组(5)，所述发电压缩机组(6)的入口端与所述储电蓄冷器(9)连通，所述发电压缩机组(6)的出口端与所述储电蓄热器(7)连通，所述发电膨胀机组(5)的入口端与所述储电蓄热器(7)连通，所述发电膨胀机组(5)的出口端与所述储电蓄冷器(9)连通；
压缩空气储能子系统，包括依次连接的压缩空气储能压缩机组、压缩空气储存件(22)、压缩空气释能膨胀机组；
所述压缩空气储能子系统还包括第一蓄热换热器(18)和第一放热换热器(24)，所述第一蓄热换热器(18)的气体侧连通在所述压缩空气储能压缩机组与所述压缩空气储存件(22)之间，所述第一放热换热器(24)的气体侧连通在所述压缩空气储存件(22)与所述压缩空气释能膨胀机组之间；
所述压缩空气储能压缩机组包括低压级压缩机组(15)和高压级压缩机组(16)，低压级压缩机组(15)与高压级压缩机组(16)之间安装有第二蓄热换热器(17)，第二蓄热换热器(17)的气体侧安装在低压级压缩机组(15)与高压级压缩机组(16)之间，储热工质侧与第一蓄热换热器(18)并联安装在空气储能蓄热器(19)和空气储能蓄冷器(25)之间；所述压缩空气释能膨胀机组包括高压级膨胀机组(28)和低压级膨胀机组(29)，高压级膨胀机组(28)与低压级膨胀机组(29)之间安装有第二放热换热器(27)，第二放热换热器(27)的气体侧安装在高压级膨胀机组(28)与低压级膨胀机组(29)之间，储热工质侧与第一放热换热器(24)并联安装在空气储能蓄热器(19)和空气储能蓄冷器(25)之间；压缩空气储能压缩机组上同轴安装有第二电动机(14)，压缩空气释能膨胀机组上同轴安装有第二发电机(30)；
耦合换热器(10)，其第一侧连通在所述发电压缩机组(6)与所述储电蓄热器(7)之间，第二侧连通在压缩空气储存件(22)与压缩空气释能膨胀机组之间；
热泵储电子系统中释能过程的同时，压缩空气储能子系统将压缩空气储存件(22)中存储的压缩空气释放出来，同时将空气储能蓄热器(19)内的蓄热介质泵送到第一放热换热器(24)和第二放热换热器(27)，常温高压态空气与空气储能蓄热器(19)中泵出的中温蓄热介质在第一放热换热器(24)发生换热，第一放热换热器(24)出口排出中温高压态空气和常温蓄热介质，常温蓄热介质经过管道存储在空气储能蓄冷器(25)中，中温高压态空气进一步进入耦合换热器(10)温度进一步升高至高温高压态进入高压级膨胀机组(28)膨胀做功，高压级膨胀机组(28)排出常温中压空气，高压级膨胀机组(28)排出的常温中压空气与空气储能蓄热器(19)中泵出的中温蓄热介质在释能第二放热换热器(27)发生换热，第二放热换热器(27)出口排出中温中压态空气和常温蓄热介质，常温蓄热介质经过管道存储在空气储能蓄冷器(25)中，中温中压态空气进一步进入耦合换热器(10)进一步升高至高温中压态进入低压级膨胀机组(29)膨胀做功，低压级膨胀机组(29)出口端排出空气，高压级膨胀机组(28)和低压级膨胀机组(29)膨胀做功通过第二发电机(30)产生电能。
2.根据权利要求1所述的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，其特征在于，所述热泵储电子系统还包括回热换热器(8)，其低压侧的一端与所述储电蓄冷器(9)连通，其低压侧的另一端分别与所述储电压缩机组(2)和所述发电膨胀机组(5)连通，其高压的一端与所述储电蓄热器(7)连通，其高压侧的另一端分别与所述储电膨胀机组(3)和所述发电压缩机组(6)连通。
3.根据权利要求2所述的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，其特征在于，所述耦合换热器(10)的第一侧连通在所述回热换热器(8)与所述发电压缩机组(6)之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，其特征在于，所述第二放热换热器(27)与所述低压级膨胀机组(29)之间连通有所述耦合换热器(10)的第三侧。
5.根据权利要求1至3任一项所述的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，其特征在于，所述储电蓄冷器(9)通过第一三通阀(11)与储电压缩机组(2)和发电膨胀机组(5)连通，所述储电蓄冷器(9)通过第二三通阀(31)与所述储电膨胀机组(3)和所述发电压缩机组(6)连通。
6.根据权利要求1至3任一项所述的多级压缩空气储能和热泵储电耦合储能系统，其特征在于，所述储电蓄热器(7)通过第三三通阀(12)与储电压缩机组(2)和发电膨胀机组(5)连通，所述储电蓄热器(7)通过第四三通阀(13)与所述储电膨胀机组(3)和所述发电压缩机组(6)连通。
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- 2022-04-12 CN CN202210386747.XA patent/CN114658504B/zh active Active
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