CN114812007A - 一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热能动力技术领域，具体提供了一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，包括高温热泵储能系统与风力发电系统，二者通过离合器连接。高温热泵储能系统包括超高温压缩机、熔盐换热器、膨胀机、回热器、风冷式换热器、低温熔盐罐、高温熔盐罐；风力发电系统包括发电机、风机、变压器、变速箱、离合器。借此，本发明将风力发电系统与高温热泵储能系统整合在一起，解决了风力发电不稳定的缺点，实现了风力发电系统的可控运行、负功率与超功率控制。

Description

一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统

技术领域

本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统。

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。

风力发电是一种利用风力带动风车叶片旋转，再通过发电机发电的动力设备。风力发电作为一种清洁的可再生能源，具有蕴量巨大、基建周期短、装机规模灵活等优势，是我国新能源战略的重要组成部分。另外，由于风力发电机因风量不稳定、受限于自然环境，导致其发电功率不稳定与不可控，给电网运行带来较大的运行挑战。

超高温热泵储能发电系统是利用超高温热泵方式将多余电能转化为热能进行储存的方式，具有转化效率高、经济性好、可大规模推广利用等优点。为充分发挥风力发电系统与超高温热泵储能发电系统二者优势，本发明提出一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，将高温热泵储能系统与风力发电系统集成整合在一起，解决了风力发电不稳定的缺点，极大范围增加了风力发电系统的功率调节空间和功率输出可控性，进一步提升风力发电系统与高温热泵系统的竞争力。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明提出一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，通过集成高温热泵储能系统与发电系统，实现了风力发电系统的可控运行、负功率与超功率控制。

为了实现上述目的，本发明提供一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，包括高温热泵储能系统和风力发电系统，二者通过离合器连接。

高温热泵储能系统包括超高温压缩机、熔盐换热器、膨胀机、回热器、风冷式换热器、低温熔盐罐、高温熔盐罐；风力发电系统包括发电机、风机、变压器、变速箱、离合器。

根据本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，超高温压缩机、膨胀机、风冷式换热器、风机、发电机、变速箱和离合器全部共用一个轴，使风力发电系统与高温热泵储能系统整合在一起。

根据本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，高温热泵储能系统的吸热器采用风冷式换热器方式，一侧为高温热泵工质，另一侧为风力发电机转导过来的风，使经过风在风力发电后，进一步利用余速，加热或冷却高温热泵储能系统的工质，实现风能的集成高效利用。

根据本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，系统具有三种运行模式，分别是储能模式、纯风力发电模式和混合发电模式，可使风力发电系统的功率调整区间覆盖-100%-200%，极大增加风力发电系统的功率调整范围。

根据本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，当系统处于储能模式，离合器接合，高温热泵储能系统处于储能模式，风力发电系统处于发电模式，风机在风力作用下，一方面带动发电机产生电能，另一方面将多余的能量通过转轴带动超高温压缩机、膨胀机转化为高温熔盐的热量，实现热量储存。

根据本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，当系统处于纯风力发电模式，离合器断开，高温热泵储能系统处于闲置模式，风力发电系统处于发电模式，风机在风力作用下，全部用于带动发电机产生电能。

根据本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，当系统处于混合发电模式，离合器接合，高温热泵储能系统处于发电模式，风力发电系统处于发电模式，发电机在高温热泵储能系统与风力发电系统的共同作用下产生电能，发电功率总输出值超过风力发电系统的自身值。

本发明的有益技术效果：

本发明提出一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，将高温热泵储能系统与风力发电系统集成整合在一起，解决了风力发电不稳定的缺点，极大范围增加了风力发电系统的功率调节空间和功率输出可控性，进一步提升风力发电系统与高温热泵系统的竞争力，实现了风力发电系统的可控运行、负功率与超功率控制。

附图说明

图1是本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统的整体布局图。

图2是本发明的耦合风力发电的超高温热泵储能系统的模式状态表。

在图中，1超高温压缩机、2熔盐换热器、3膨胀机、4发电机、5回热器、6风冷式换热器、7低温熔盐罐、8高温熔盐罐、9风机、10变压器、11变速箱、12离合器。

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-图2所示，一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，该系统包括超高温压缩机1、熔盐换热器2、膨胀机3、发电机4、回热器5、风冷式换热器6、低温熔盐罐7、高温熔盐罐8、风机9、变压器10、变速箱11、离合器12。一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统整体流程见图1，其模式状态表见图2。其中图1中左侧部分为高温热泵储能系统，右侧部分为风力发电系统。

高温热泵储能系统包括超高温压缩机1、熔盐换热器2、膨胀机3、回热器5、风冷式换热器6、低温熔盐罐7、高温熔盐罐8；风力发电系统包括发电机4、风机9、变压器10、变速箱11、离合器12。

超高温压缩机1、膨胀机3、风冷式换热器6、风机9、发电机4、变速箱11和离合器12全部共用一个轴，使风力发电系统与高温热泵储能系统整合在一起。

高温热泵储能系统的吸热器采用风冷式换热器方式，一侧为高温热泵工质，另一侧为风力发电机转导过来的风，使经过风在风力发电后，进一步利用余速，加热或冷却高温热泵储能系统的工质，实现风能的集成高效利用。

对于高温热泵储能系统，超高温压缩机1将叶轮的机械能转化为工质的内能，一方面提升工质的压力，另一方面提高工质的温度，将相对较低温度和较低压力的工质，经过压缩输入能量后，转变成相对较高温度和较高压力的工质。高温高压的工质经过熔盐换热器2时，将高温度工质的热量传给另一侧的熔盐工质，使来自低温熔盐罐7的低温熔盐被加热，并储存在高温熔盐罐8中。接着工质进入回热器5，用于进一步回收工质的热量。之后，工质进入膨胀机3。膨胀机3将工质的热能转换为转动轴的机械能，用于补偿一部分超高温压缩机1的耗功。从膨胀机3出来工质温度处于系统中温度最低点，通过风冷式换热器6，从环境中吸收能量。从风冷式换热器6出来的工质经过回热器5的低压侧，最后再进入超高温压缩机1，形成一个闭式高温热泵循环。

对于风力发电系统，风机9在风力带动下旋转，将大自然的风能转化为转子的机械能；接着通过变速箱11，将风机9的低转速运动转化为电机需要的高转速，驱动发电机4将转轴的机械能转化成电能，并经过变压器10，转换成可直接上电网的电能。风力发电系统与高温热泵储能系统通过离合器12进行连接。

系统具有三种运行模式，分别是储能模式、纯风力发电模式和混合发电模式，可使风力发电系统的功率调整区间覆盖-100%-200%，极大增加风力发电系统的功率调整范围。

当系统运行在储能模式，离合器12接合，风力发电系统的转轴与高温热泵储能系统的转轴传递扭矩，高温热泵储能系统处于储能模式，风力发电系统处于发电模式。风机9在风力作用下，通过转轴带动超高温压缩机1、膨胀机3和风冷式换热器6的风扇一起旋转。一方面转轴的旋转使发电机4产生电能，另一方面多余的机械能，通过超高温压缩机1把转轴的机械能转为熔盐的热能，并将储存在高温熔盐罐8中。

当系统运行在纯风力发电模式下，离合器12断开，风力发电系统的转轴与高温热泵储能系统的转轴不传递扭矩，高温热泵储能系统处于闲置模式，风力发电系统处于发电模式。风机9在风力作用下，全部用于带动发电机4产生电能。风力发电系统在风力作用下产生电能并上网。

当系统运行在混合发电模式，离合器12接合，风力发电系统的转轴与高温热泵储能系统的转轴传递扭矩。此时高温热泵储能系统运行在发电模式，即将熔盐的热能通过超高温压缩机1和膨胀机3转化为转轴的动能。另外，风力发电系统也在风力作用下，将风能转化为转轴的动能，风力发电系统处于发电模式。即高温热泵储能系统与风力发电系统共同产生电能，增加了向电网输出的功率。发电机在高温热泵储能系统与风力发电系统的共同作用下产生电能，发电功率总输出值超过风力发电系统的自身值。

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，所述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1与回热器5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。

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 (7)

1.一种耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，包括高温热泵储能系统和风力发电系统，二者通过离合器连接；

所述高温热泵储能系统包括超高温压缩机（1）、熔盐换热器（2）、膨胀机（3）、回热器（5）、风冷式换热器（6）、低温熔盐罐（7）、高温熔盐罐（8）；

所述风力发电系统包括发电机（4）、风机（9）、变压器（10）、变速箱（11）、离合器（12）。

2.根据权利要求1所述的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，所述超高温压缩机（1）、所述膨胀机（3）、所述风冷式换热器（6）、所述风机（9）、所述发电机（4）、所述变速箱（11）和所述离合器（12）全部共用一个轴，使所述风力发电系统与所述高温热泵储能系统整合在一起。

3.根据权利要求2所述的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，所述高温热泵储能系统的吸热器采用风冷式换热器方式，一侧为高温热泵工质，另一侧为风力发电机转导过来的风，使经过风在风力发电后，进一步利用余速，加热或冷却所述高温热泵储能系统的工质，实现风能的集成高效利用。

4.根据权利要求1-3任一所述的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，所述系统具有三种运行模式，分别是储能模式、纯风力发电模式和混合发电模式，可使风力发电系统的功率调整区间覆盖-100%-200%，极大增加风力发电系统的功率调整范围。

5.根据权利要求4所述的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，当系统处于储能模式，所述离合器（12）接合，所述高温热泵储能系统处于储能模式，所述风力发电系统处于发电模式，所述风机（9）在风力作用下，一方面带动所述发电机（4）产生电能，另一方面将多余的能量通过转轴带动所述超高温压缩机（1）、所述膨胀机（3）转化为高温熔盐的热量，实现热量储存。

6.根据权利要求5所述的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，当系统处于纯风力发电模式，所述离合器（12）断开，所述高温热泵储能系统处于闲置模式，所述风力发电系统处于发电模式，所述风机（9）在风力作用下，全部用于带动所述发电机（4）产生电能。

7.根据权利要求6所述的耦合风力发电的超高温热泵储能系统，其特征在于，当系统处于混合发电模式，所述离合器（12）接合，所述高温热泵储能系统处于发电模式，所述风力发电系统处于发电模式，所述发电机（4）在高温热泵储能系统与风力发电系统的共同作用下产生电能，发电功率总输出值超过风力发电系统的自身值。

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