CN114857973B - 一种电热储能系统及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电热储能系统及换热方法，能够提高系统设备利用率，提升电热储能效率，降低系统投资成本。包括储热回路和储冷回路，所述储热回路和储冷回路通过回热器连接；其中，所述储冷回路包括依次连接的第一辅助换热器、第一充放电装置、冷却器和第二辅助换热器，所述冷却器的出口连接有储冷装置；所述储热回路上包括依次连接的加热器和第二充放电装置，所述加热器的出口连接有储热装置。

Description

一种电热储能系统及换热方法

技术领域

本发明涉及电热储能技术领域，具体为一种电热储能系统及换热方法。

背景技术

构建以新能源为主体的新型电力系统亟需发展规模大时间长的储能技术。现有的大规模长时间储能技术主要有抽水蓄能和压缩空气储能，这两者对储能地点的地质条件要求极为苛刻，因此其发展受到了一定的限制。

电热储能技术最早于1924年由德国学者Marguerre提出，是一种基于动力循环和热能储存技术发展出来的电能储存技术。在储能时，消耗电能驱动逆向动力循环，即热泵循环，将热量从低温储罐泵到高温储罐中，同时获得相对于环境的高温热能和低温冷能储存起来；释能时，将储存的高温热能和低温冷能通过热机循环转化成机械能，膨胀机驱动发电单元发电。跨临界二氧化碳循环电热储能技术，具有规模大、寿命长、边际成本低、不受地理条件限制和安全可靠性好等优势，是极具前景的大规模长时间储能技术。

但是由于不可逆损失的存在，热泵循环储存的热量和冷量，与热机循环所消耗的热量和冷量之间往往是不匹配的，两者偏差越大，则不可逆损失越大，，导致循环效率偏低。另外，由于做功介质在换热时往往要经历一个大比热区，比热变化是非线性的，而储热介质比热的变化大多是线性的，在这种情况下如果换热过程中流量保持不变，那么换热效率就会很低，最终导致换热过程中的不可逆损失较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种电热储能系统及换热方法，能够提高系统设备利用率，提升电热储能效率，降低系统投资成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电热储能系统，包括储热回路和储冷回路，所述储热回路和储冷回路通过回热器连接；

其中，所述储冷回路包括依次连接的第一辅助换热器、第一充放电装置、冷却器和第二辅助换热器，所述冷却器的出口连接有储冷装置；

所述储热回路上包括依次连接的加热器和第二充放电装置，所述加热器的出口连接有储热装置。

优选地，充电时，所述第二充放电装置的出口与所述加热器的热侧入口相连，加热器的热侧出口与所述回热器的热侧入口相连，回热器的热侧出口与所述第一辅助换热器相连，第一辅助换热器的出口与所述第一充放电装置的入口相连，第一充放电装置的出口与所述冷却器的冷侧入口相连，冷却器的冷侧出口与所述第二辅助换热器的入口相连，第二辅助换热器的出口与回热器的冷侧入口相连，回热器的冷侧出口与第二充放电装置的入口相连。

优选地，放电时，所述第一充放电装置的出口与所述第一辅助换热器的入口相连，第一辅助换热器的出口与所述回热器的冷侧入口相连，回热器的冷侧出口与所述加热器的冷侧入口相连，加热器的冷侧出口与所述第二充放电装置的入口相连，第二充放电装置的出口与回热器的热侧入口相连，回热器的热侧出口与所述第二辅助换热器的入口相连，第二辅助换热器的出口与所述冷却器的热侧入口相连，冷却器的热侧出口与第一充放电装置的入口相连。

优选地，所述第一辅助换热器和第二辅助换热器采用间断翅片结构的印刷电路板式换热器。

优选地，所述第一辅助换热器和第二辅助换热器上均设置有多个进口和出口。

优选地，所述第一充放电装置包括降压装置和泵；其中，所述降压装置用于充电过程，所述泵用于放电过程。

优选地，所述降压装置采用膨胀机或者节流装置。

优选地，所述第二充放电装置包括压缩机和透平，其中，所述压缩机用于充电过程，所述透平用于放电过程。

优选地，所述储热装置中装有储热介质，所述储热介质为导热油、溶液或者水，所述储冷装置中装有储冷介质，所述储热介质为冰浆或者盐水。

一种电热储能系统的换热方法，包括如下步骤：

充电时，压缩机压缩工质，升温后的工质依次进入加热器的放热侧和回热器释放热量，放热后的工质经辅助换热器向环境释放热量后进入第一充放电装置做工，做工完成依次进入冷却器、辅助换热器和回热器吸收热量，吸热后的工质进入压缩机，实现热泵循环；

放电时，第一充放电装置将工质升压后送入辅助换热器吸收环境热量后依次进入回热器和加热器中吸热升温，吸热后的工质进入第二充放电装置中做工，做工完成依次进入回热器、辅助换热器和冷却器中释放热量，放热后的工质进入第一充放电装置中升压，实现热机循环。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种电热储能系统，通过在现有电热储能系统的基础上，在储冷回路的设定位置处增加第一辅助换热器和第二辅助换热器，辅助换热器的设置能够使电热储能系统充分利用环境中的能量，实现在该位置处的做功工质的温度与环境温度相接近，从而使得循环效率显著提高。传统的电热储能系统没有考虑到通过与环境之间的能量交换提升换热储能效率。本发明所述的电热储能系统通过多级储热放热技术和回热技术的结合，以及增加辅助换热器充分利用环境与系统之间的能量交换，能够实现超过70％的储能效率，显著提升了电热储能系统的储能效率。

本发明中的换热循环分为热泵循环和热机循环，储能时启用热泵循环，释能时启用热机循环，热泵循环和热机循环共用系统中的加热器、冷却器、回热器、辅助换热器和其余管路等主要设备，提高了系统设备利用率，降低了系统的复杂程度和投资成本，进一步提高了电热储能技术的应用范围，较大程度的发挥电热储能技术的规模大、寿命长、成本低、不受地理条件限制和安全可靠性好的优势。

附图说明

图1为本发明充电时的电热储能系统示意图；

图2为本发明放电时的电热储能系统示意图；

图3为本发明所述电热储能系统与现有的电热储能系统储能效率的结果对比图。

图中，最低温储热罐1，第一次低温储热罐2，第二次低温储热罐3，第一次高温储热罐4，第二次高温储热罐5，最高温储热罐6，加热器7，压缩机8，透平9，回热器10，第一辅助换热器11，第二辅助换热器12，膨胀机13，泵14，冷却器15，第一储冷罐16，第二储冷罐17。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1和2所示，本发明一种电热储能系统，包括储热回路和储冷回路，所述储热回路和储冷回路通过回热器10连接；

其中，所述储冷回路上依次设置有第一辅助换热器11、第一充放电装置、冷却器15和第二辅助换热器12，所述冷却器15的出口连接有储冷装置；

所述储热回路上依次设置有加热器7和第二充放电装置，所述加热器7的出口连接有储热装置。

本发明提供一种电热储能系统，通过在现有电热储能系统的基础上，设计在储冷回路的设定位置处增加第一辅助换热器11和第二辅助换热器12，辅助换热器的设置能够使电热储能系统充分利用环境中的能量，实现在该位置处的做功工质的温度与环境温度相接近，从而使得循环效率显著提高。传统的电热储能系统没有考虑到通过与环境之间的能量交换提升换热储能效率，降低不可逆损失，而本发明所述的电热储能系统通过多级储热放热技术和回热技术的结合，以及增加辅助换热器充分利用环境与系统之间的能量交换，能够实现超过70％的储能效率，显著提升了电热储能系统的储能效率，同时充分利用废热能量，减少能量浪费，可保障大规模长时间的电热储能。

进一步地，如图1所示，充电时，本发明所述的电热储能系统为进行热泵循环的热泵14系统，热泵工质在加热器7中实现对储热介质的加热，在冷却器15中实现对储冷介质的冷却。本发明所述的电热储能系统在储能充电时的具体连接方式为：

所述第二充放电装置(本实施例中为压缩机8)的出口，与所述加热器7的热侧入口相连，加热器7的热侧出口与所述回热器10的热侧入口相连，回热器10的热侧出口与所述第一辅助换热器11相连，第一辅助换热器11的出口与所述第一充放电装置的入口相连，第一充放电装置(本实施例中为膨胀机13)的出口与所述冷却器15的冷侧入口相连，冷却器15的冷侧出口与所述第二辅助换热器12的入口相连，第二辅助换热器12的出口与回热器10的冷侧入口相连，回热器10的冷侧出口与第二充放电装置的入口相连。

进一步地，如图2所示，放电时，本发明所述的电热储能系统为进行热机循环的热机系统，储热介质通过加热器7加热热机工质，储冷介质在冷却器15中实现对热机介质的冷却。本发明所述的电热储能系统在释能放电时的具体连接方式为：

所述第一充放电装置(本实施例中为泵14)的出口与所述第一辅助换热器11的入口相连，第一辅助换热器11的出口与所述回热器10的冷侧入口相连，回热器10的冷侧出口与所述加热器7的冷侧入口相连，加热器7的冷侧出口与所述第二充放电装置的入口相连，第二充放电装置(本实施例中为透平9)的出口与回热器10的热侧入口相连，回热器10的热侧出口与所述第二辅助换热器12的入口相连，第二辅助换热器12的出口与所述冷却器15的热侧入口相连，冷却器15的热侧出口与第一充放电装置的入口相连。

本发明中的换热循环分为热泵循环和热机循环，储能时启用热泵循环，释能时启用热机循环，热泵循环和热机循环共用电热储能系统中的加热器7、冷却器15、回热器10、辅助换热器和其余管路等主要设备，提高了系统设备利用率，降低了系统的复杂程度和投资成本，进一步提高了电热储能技术的应用范围，较大程度的发挥电热储能技术的规模大、寿命长、成本低、不受地理条件限制和安全可靠性好的优势。

优选地，所述第一辅助换热器11和第二辅助换热器12采用间断翅片结构的印刷电路板式换热器。间断翅片结构的印刷电路板式换热器其具体结构为：包括自上到下依次分布的多个储热介质通道及多个储冷介质通道，各储冷介质通道内及各储热介质通道内均设置有若干行翅片，其中，同一行翅片中相邻两个翅片之间有间隙，呈间断翅片结构；各翅片采用机翼型翅片或S型翅片。

进一步地，储热介质通道内相邻行翅片中的各翅片错列分布或者相对分布。

进一步地，储冷介质通道内相邻行翅片中的各翅片错列分布或者相对分布。

优选地，本发明中所述第一辅助换热器11和第二辅助换热器12上均设置有多个进口和出口，多个进出口的设计方式能够进一步减少换热过程中的换热温差，同时提高循环效率。

优选地，所述热泵循环中，其循环的热泵工质为二氧化碳或有机工质，循环为带回热的逆向跨临界二氧化碳朗肯循环或逆向有机朗肯循环。

优选地，所述热机循环中，其循环的热机工质为二氧化碳或有机工质，循环为带回热的正向跨临界二氧化碳朗肯循环或正向有机朗肯循环。

本实施例中，所述第一充放电装置采用降压装置和泵14；其中，所述降压装置为充电过程的专用设备，所述泵14为放电过程的专用设备。

进一步地，本实施例中采用膨胀机13，膨胀机13也可以采用节流装置替代，所述膨胀机13的原理为：利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低，由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低，所述节流装置的原理为：流经节流装置的换热工质流束在节流装置处可以形成局部收缩，从而使流速增加，静压力降低，在节流装置前后产生静压力差，实现与膨胀机13相同的功能。

本实施例中，所述第二充放电装置采用压缩机8和透平9，其中，所述压缩机8为充电过程的专用设备，所述透平9为放电过程的专用设备。

本发明中加入第一辅助换热器11和第二辅助换热器12，其具体实现位置处做功工质的温度与环境温度相接近的工作原理为：

在热泵循环中，当回热器10的热侧出口的工质温度显著高于环境温度时，第一辅助换热器11将工质的废热释放给环境，将进入膨胀机13前的工质温度进一步降低，从而使膨胀后的工质具有更多的冷量。从冷却器15流出的热泵工质，当其温度显著低于环境温度时，则通过第二辅助换热器12提高进入回热器10冷侧的工质温度，从而使回热器10出口的工质温度更高，提高循环效率。

在热机循环中，当从泵14流出工质的温度显著低于环境温度时，则利用第一辅助换热器11将工质温度加热到接近环境温度，这样可以提高回热器10冷侧出口工质温度，有利于提高热机效率。当从回热器10流出的低压侧工质温度显著高于环境温度时，则利用第二辅助换热器12将工质废热排向环境，废热减小的工质再进入冷却器15继续释放废热。这样减小了工质通过冷却器15向储冷介质释放废热的热量，使得储热量与储冷量更加匹配，有利于循环效率的提高。

优选地，所述储热装置中装有储热介质，所述储热介质为导热油、溶液或者水等。

优选地，所述储冷装置中装有储冷介质，所述储热介质为冰浆或者盐水等。

所述储热装置为储热罐，本实施例中，设置一组共6个储热罐1～6。

所述储冷装置为储冷罐，本实施例中，设置一组共2个储冷罐，第一储冷罐16和第二储冷罐17。

本实施例中，充电过程与放电过程共用储热罐1～6、加热器7、回热器10、第一辅助换热器11和第二辅助换热器12、冷却器15、第一储冷罐16和第二储冷罐17等设备，充电过程的专用设备为压缩机8和膨胀机13，放电过程的专用设备为泵14和透平9。

本发明还提供一种电热储能系统的换热方法，包括如下步骤：

充电时，压缩机8压缩工质，升温后的工质依次进入加热器7的放热侧和回热器10释放热量，放热后的工质经辅助换热器11向环境释放热量后进入第一充放电装置做工，做工完成依次进入冷却器15、辅助换热器12和回热器10吸收热量，吸热后的工质进入压缩机8，实现热泵循环；

放电时，第一充放电装置将工质升压后送入辅助换热器11吸收环境热量后依次进入回热器10和加热器7中吸热升温，吸热后的工质进入第二充放电装置中做工，做工完成依次进入回热器10、辅助换热器12和冷却器15中释放热量，放热后的工质进入第一充放电装置中升压，实现热机循环。

本发明所述电热储能系统的具体工作过程为：

储能时，利用可再生能源电力或电网负荷低谷时的电力驱动电机M，电机M带动压缩机8运转，压缩机8压缩工质，使工质温度升高，高温高压的工质进入加热器7的放热侧释放热量，放热后的工质进入回热器10进一步放热，然后经辅助换热器11向环境释放热量，之后进入膨胀机13做工，膨胀机出口的工质温度和压力都降低，下一步进入冷却器15吸收热量，吸热后工质进入辅助换热器12吸热，然后回热器10吸热，再进入压缩机8，完成热泵循环。热泵系统中的膨胀机13可用节流装置替代。

发电时，热机系统中的泵14将工质升压后送入辅助换热器11吸收环境热量后再进入回热器10中吸热升温，然后进入加热器7中吸收高温储热介质的热量，吸热后的工质进入透平9中做工，透平9带动发电机发电，从透平9出来的工质温度和压力降低，进入热机回热器10中释放热量，之后进入辅助换热器12向环境放热，下一步再进入冷却器15将自身的废热释放给低温储冷介质，最后进入泵14中升压，完成热机循环。

储能时，高温高压的工质进入加热器7的放热侧释放热量，将热量传递给温度较低的储热介质。

本实施例中，储热装置包含最低温储热罐1、最高温储热罐6，还包含若干对中间温度的储热罐，其中，中间储热罐有2对，即第一次低温储热罐2和第二次低温储热罐3，以及第一次高温储热罐4和第二次高温储热罐5。

工作时，最低温储热罐1中的介质流经加热器7吸热后进入储热罐7，第一次低温储热罐2中的介质流经加热器7吸热后进入第二次低温储热罐3，第一次高温储热罐4中的介质流经加热器7吸热后进入第二次高温储热罐5。释能时，热机循环的工质流经加热器7吸收热量，而储热介质流经加热器7释放热量。具体工作过程为：最高温储热罐6中的介质流经加热器7放热后进入最低温储热罐1，第二次高温储热罐5中的介质流经加热器7放热后进入第一次高温储热罐4，第二次低温储热罐3中的介质流经加热器7放热后进入第一次低温储热罐2。

本发明的电热储能系统，比现有的电热储能系统增加了多级储热技术和辅助换热器，使得循环效率提高了2到3个百分点。经计算，如图3所示，在1MW容量级别和典型的设计条件下，本发明的电热储能效率达到58％，而现有的电热储能系统的效率只有55％；在50MW容量级别和典型的设计条件下，本发明的电热储能效率达到71％，而现有的电热储能系统的效率只有68％。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电热储能系统，其特征在于，包括储热回路和储冷回路，所述储热回路和储冷回路通过回热器（10）连接；

其中，所述储冷回路包括依次连接的第一辅助换热器（11）、第一充放电装置、冷却器（15）和第二辅助换热器（12），所述冷却器（15）的出口连接有储冷装置；

所述储热回路上包括依次连接的加热器（7）和第二充放电装置，所述加热器（7）的出口连接有储热装置；

所述储热装置包括最低温储热罐（1）、第一次低温储热罐（2）、第二次低温储热罐（3）、第一次高温储热罐（4）、第二次高温储热罐（5）和最高温储热罐（6），所有储热罐均与所述加热器（7）的出口相连；

所述第二充放电装置的出口与所述加热器（7）的热侧入口相连，加热器（7）的热侧出口与所述回热器（10）的热侧入口相连，回热器（10）的热侧出口与所述第一辅助换热器（11）相连，第一辅助换热器（11）的出口与所述第一充放电装置的入口相连，第一充放电装置的出口与所述冷却器（15）的冷侧入口相连，冷却器（15）的冷侧出口与所述第二辅助换热器（12）的入口相连，第二辅助换热器（12）的出口与回热器（10）的冷侧入口相连，回热器（10）的冷侧出口与第二充放电装置的入口相连；

所述第一充放电装置的出口与所述第一辅助换热器（11）的入口相连，第一辅助换热器（11）的出口与所述回热器（10）的冷侧入口相连，回热器（10）的冷侧出口与所述加热器（7）的冷侧入口相连，加热器（7）的冷侧出口与所述第二充放电装置的入口相连，第二充放电装置的出口与回热器（10）的热侧入口相连，回热器（10）的热侧出口与所述第二辅助换热器（12）的入口相连，第二辅助换热器（12）的出口与所述冷却器（15）的热侧入口相连，冷却器（15）的热侧出口与第一充放电装置的入口相连；

充电时，最低温储热罐（1）中的介质流经加热器（7）吸热后进入最高温储热罐（6），第一次低温储热罐（2）中的介质流经加热器（7）吸热后进入第二次低温储热罐（3），第一次高温储热罐（4）中的介质流经加热器（7）吸热后进入第二次高温储热罐（5）；放电时，最高温储热罐（6）中的介质流经加热器（7）放热后进入最低温储热罐（1），第二次高温储热罐（5）中的介质流经加热器（7）放热后进入第一次高温储热罐（4），第二次低温储热罐（3）中的介质流经加热器（7）放热后进入第一次低温储热罐（2）。

2.根据权利要求1所述的一种电热储能系统，其特征在于，所述第一辅助换热器（11）和第二辅助换热器（12）采用间断翅片结构的印刷电路板式换热器。

3.根据权利要求1所述的一种电热储能系统，其特征在于，所述第一辅助换热器（11）和第二辅助换热器（12）上均设置有多个进口和出口。

4.根据权利要求1所述的一种电热储能系统，其特征在于，所述第一充放电装置包括降压装置和泵（14）；其中，所述降压装置用于充电过程，所述泵（14）用于放电过程。

5.根据权利要求4所述的一种电热储能系统，其特征在于，所述降压装置采用膨胀机（13）或者节流装置。

6.根据权利要求1所述的一种电热储能系统，其特征在于，所述第二充放电装置包括压缩机（8）和透平（9），其中，所述压缩机（8）用于充电过程，所述透平（9）用于放电过程。

7.根据权利要求1所述的一种电热储能系统，其特征在于，所述储热装置中装有储热介质，所述储热介质为导热油、溶液或者水，所述储冷装置中装有储冷介质，所述储热介质为冰浆或者盐水。

8.一种电热储能系统的换热方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的电热储能系统，包括如下步骤：

充电时，压缩机（8）压缩工质，升温后的工质依次进入加热器（7）的放热侧和回热器（10）释放热量，放热后的工质经辅助换热器（11）向环境释放热量后进入第一充放电装置做工，做工完成依次进入冷却器（15）、辅助换热器（12）和回热器（10）吸收热量，吸热后的工质进入压缩机（8），实现热泵循环；

放电时，第一充放电装置将工质升压后送入辅助换热器（11）吸收环境热量后依次进入回热器（10）和加热器（7）中吸热升温，吸热后的工质进入第二充放电装置中做工，做工完成依次进入回热器（10）、辅助换热器（12）和冷却器（15）中释放热量，放热后的工质进入第一充放电装置中升压，实现热机循环。

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