CN115095402A - 卡诺电池储能系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卡诺电池储能系统及使用方法，该卡诺电池储能系统包括储能工作单元，储能工作单元，包括用于流通储能工作介质的第一通路，第一通路中包括依次连接的蒸发器、压缩机组、储热装置和减压装置；释能工作单元，包括用于流通释能工作介质的第二通路，第二通路中包括与储热装置一端连接的预热器，以及依次连接于储热装置另一端的膨胀机组、释能回热器、冷凝器、增压装置和三通阀，三通阀通过第一管道与释能回热器连接，释能回热器与储热装置相连；三通阀通过第二管道与预热器连接；其中，蒸发器与预热器串联排列于工业余热介质流道中。

Description

卡诺电池储能系统及使用方法
技术领域
本发明涉及储能及工业余热利用领域，具体涉及一种高效利用低品位 工业余热的卡诺电池储能系统及使用方法。
背景技术
目前，工业领域的中高温余热利用技术已经较为成熟，如何合理利用 低品位工业余热是工业领域亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种通过高效利用低品位工业余热 的卡诺电池储能系统及使用方法，高效利用低品位工业余热的卡诺电池储 能系统可以灵活的应用于各种工业场景。
根据本发明的一个方面，提供了一种卡诺电池储能系统，包括：
储能工作单元，包括用于流通储能工作介质的第一通路，上述第一通 路中包括依次连接的蒸发器、压缩机组、储热装置和减压装置；
释能工作单元，包括用于流通释能工作介质的第二通路，上述第二通 路中包括与上述储热装置一端连接的预热器，以及依次连接于上述储热装 置另一端的膨胀机组、释能回热器、冷凝器、增压装置和三通阀，上述三 通阀通过第一管道与上述释能回热器连接，上述释能回热器与上述储热装 置相连；
上述三通阀通过第二管道与上述预热器连接；
其中，上述蒸发器与上述预热器串联排列于工业余热介质流道中。
根据本发明的实施例，其中，上述储能工作单元还包括储能回热器， 上述储能回热器用于使上述蒸发器流出的上述储能工作介质与经过压缩 后回流的上述储能工作介质进行热交换；
上述储能回热器的吸热端连接于上述蒸发器和上述压缩机组之间，放 热端连接于上述储热装置和上述减压装置之间。
根据本发明的实施例，其中，上述蒸发器的热源包括低品位工业余热 或环境。
根据本发明的实施例，其中，上述减压装置包括节流阀、膨胀阀、膨 胀机、透平的一种。
根据本发明的实施例，其中，上述蒸发器与上述预热器均为盘管式换 热器。
根据本发明的实施例，其中，上述释能工作介质与上述储能工作介质 的介质种类包括有机工质，水，二氧化碳，氨的一种。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用上述卡诺电池储能系统的 方法，包括：
上述储能工作介质从上述压缩机组进行压缩后流出，经过上述储热装 置释放热量，进入上述减压装置膨胀，后流通至上述蒸发器吸收工业余热 热量，再流通至上述压缩机组，完成储能工作单元循环；
上述释能工作介质由上述增压装置压缩后流出，经过上述三通阀分别 流入上述第一管道和上述第二管道中，一部分上述释能工作介质通过上述 第一管道流通至上述释能回热器，另一部分上述释能工作介质通过上述第 二管道流通至上述预热器，分别由上述释能回热器和上述预热器中流出的 上述释能工作介质汇合，流通至上述储热装置吸收热量，上述释能工作介 质进入上述膨胀机组进行做功发电，随后上述释能工作介质进入上述释能 回热器释放热量，再进入上述冷凝器向环境释放热量，上述释能工作介质 再流通至上述增压装置，完成释能工作单元循环。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的高效利用低品位工业余热的 卡诺电池储能系统及使用方法具有以下有益效果：
工业余热与卡诺电池储能系统进行耦合时，蒸发器与预热器串联排列， 储能系统根据需求进行储/释能工作单元切换时，无需切换工业余热介质流 道，结构简单，维护及运行成本低。
高效利用低品位工业余热的卡诺电池储能系统不受地理位置限制，对 环境无影响，成本较低，运行及配套设施相对简单，使用寿命长。
通过使低品位工业余热与卡诺电池储能系统进行耦合，解决了工业领 域中低品位工业余热利用难以利用的问题，实现了节能减排的目的，为我 国碳减排事业做出贡献。
应用场景广，高效利用低品位工业余热的卡诺电池储能系统可以灵活 的应用于各种工业场景，如发电站、钢铁厂、水泥厂等。
附图说明
图1为本发明实施例的卡诺电池储能系统的结构示意图Ⅰ；
图2为本发明实施例的卡诺电池储能系统的结构示意图Ⅱ。
图中：
1-蒸发器；2-压缩机组；3-储热装置；4-减压装置；5-预热器；6-膨胀 机组；7-释能回热器；8-冷凝器；9-增压装置；10-三通阀；11-第一管道； 12-储能回热器；13-第一通路；14-第二通路；15-第二管道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
随着化石能源比重的不断降低，电网需大规模可再生能源，但由于其 具有发电的波动与不确定等特性，需要配备储能系统实现负荷平衡。目前 储能系统包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，其中卡诺电池储能 系统一般包括热泵循环和动力循环，通过储存电能驱动热泵系统产生的热 能实现储能需求。相较于其他储能技术，卡诺电池储能技术具有不受地域 限制、可大规模储电、供能多样灵活性高等优点，近年来受到了各国学者 的广泛关注，但常规卡诺电池储能系统储能时一般以环境为低温热源，储 能效率较低。
根据本发明一方面总体上的发明构思，提供了一种卡诺电池储能系统， 包括储能工作单元和释能工作单元。
图1为本发明实施例的卡诺电池储能系统的结构示意图Ⅰ。
如图1所示，储能工作单元，包括用于流通储能工作介质的第一通路 13，第一通路13中包括依次连接的蒸发器1、压缩机组2、储热装置3和 减压装置4；
释能工作单元，包括用于流通释能工作介质的第二通路14，第二通路 14中包括与储热装置3一端连接的预热器5，以及依次连接于储热装置3 另一端的膨胀机组6、释能回热器7、冷凝器8、增压装置9和三通阀10， 三通阀10通过第一管道11与释能回热器7连接，释能回热器7与储热装 置3相连；
三通阀10通过第二管道15与预热器5连接；
其中，蒸发器1与预热器5串联排列于工业余热介质流道中。
工业余热与卡诺电池储能系统进行耦合时，蒸发器1与预热器5串联 排列，储能系统根据需求进行储/释能工作单元切换时，无需切换工业余热 介质流道，结构简单，维护及运行成本低。
高效利用低品位工业余热的卡诺电池储能系统不受地理位置限制，对 环境无影响，成本较低，运行及配套设施相对简单，使用寿命长。
通过使低品位工业余热与卡诺电池储能系统进行耦合，解决了工业领 域中低品位工业余热利用难以利用的问题，实现了节能减排的目的，为我 国碳减排事业做出贡献。
应用场景广，高效利用低品位工业余热的卡诺电池储能系统可以灵活 的应用于各种工业场景，如发电站、钢铁厂、水泥厂等。
提出分流结构，释能工作单元工作时，一路工作介质吸收低品位工业 余热热量，另一路通过释能循环单元，经过释能回热器7吸收热量，而后 混合进入储热装置3吸收中高品位热能，实现了低品位工业余热及卡诺电 池储能系统的能量梯级利用，在合理且高效利用低品位工业余热的前提下， 提升了卡诺电池储能系统的储能效率。
图2为本发明实施例的卡诺电池储能系统的结构示意图Ⅱ。
如图2所示，根据本发明的实施例，其中，储能工作单元还包括储能 回热器12，储能回热器12用于使蒸发器1流出的储能工作介质与经过压 缩后回流的储能工作介质进行热交换；
储能回热器12的吸热端连接于蒸发器1和压缩机组2之间，放热端 连接于储热装置3和减压装置4之间。
储能回热器12能够在储能工作介质经过储热装置3后，再次释放热 量，蒸发器1出口工作介质进入吸收热量，出口工作介质进入压缩机组2， 电能驱动压缩机组2对工作介质进行压缩；压缩机组2出口工作介质经过 储热装置3释放热量，将热能储存在储热装置3中；储热装置3出口的工 作介质进入储能回热器12释放热量，出口工作介质进入减压装置4进行 膨胀；由此完成储能工作单元循环。
根据本发明的实施例，其中，蒸发器1的热源包括低品位工业余热或 环境。
蒸发器1的热源优先为为低品位工业余热，若无低品位工业余热，则 为环境，低品位工业余热来源于各种工业领域场景，包括但不限于发电站、 钢铁厂、水泥厂等。
根据本发明的实施例，其中，压缩机组2可以选用压缩机等。
根据本发明的实施例，其中，储热装置3，储热方式可以选用显热储 热、潜热储热中的一种或多种。
根据本发明的实施例，其中，减压装置4可以选用节流阀、膨胀阀、 膨胀机、透平的一种。
根据本发明的实施例，其中，增压装置9可以选用泵、压缩机等。
根据本发明的实施例，其中，冷凝器8，其冷源可以为环境，冷却介 质包括但不限于水、空气等。
根据本发明的实施例，其中，蒸发器1与预热器5均为盘管式换热器。
根据本发明的实施例，其中，释能工作介质与储能工作介质的介质种 类包括有机工质，水，二氧化碳，氨的一种。
根据本发明的实施例，其中，释能工作介质与储能工作介质的介质可 以为同种，也可以为不同种。
根据本发明的另一个方面的发明构思，提供了一种使用卡诺电池储能 系统的方法，包括：
储能工作介质从压缩机组2进行压缩后流出，经过储热装置3释放热 量，进入减压装置4膨胀，后流通至蒸发器1吸收工业余热热量，再流通 至压缩机组2，完成储能工作单元循环；
释能工作介质由增压装置9压缩后流出，经过三通阀10分别流入第 一管道11和第二管道15中，一部分释能工作介质通过第一管道11流通 至释能回热器7，另一部分释能工作介质通过第二管道15流通至预热器5， 分别由释能回热器7和预热器5中流出的释能工作介质汇合，流通至储热 装置3吸收热量，释能工作介质进入膨胀机组6进行做功发电，随后释能 工作介质进入释能回热器7释放热量，再进入冷凝器8向环境释放热量， 释能工作介质再流通至增压装置9，完成释能工作单元循环。
通过将工业场景中的低品位余热汇聚并应用于卡诺电池储能系统，能 够高效利用工业余热，且通过蒸发器1与预热器5串联排列，储能系统和 释能分别设置两条回路，能够根据需求进行储/释能工作单元切换时，无需 切换工业余热介质流道，结构简单，维护及运行成本低。
通过使低品位工业余热与卡诺电池储能系统进行耦合，解决了工业领 域中低品位工业余热利用难以利用的问题，实现了节能减排的目的，为我 国碳减排事业做出贡献。
应用场景广，高效利用低品位工业余热的卡诺电池储能系统可以灵活 的应用于各种工业场景，如发电站、钢铁厂、水泥厂等。
该系统中储能工作单元工作时，热泵循环利用低品位工业余热作为低 温热源，将其转化成中高品位热能进行存储，实现了低品位工业余热到中 高品位热能的提升；释能工作单元工作时，动力循环利用低品位工业余热 作为预热源，释能工作介质进入预热器5吸收低品位工业余热后，再次进 入第二通路14，通过储热装置3吸收中高品位热能，实现了低品位工业余 热和储能系统的能量梯级利用。
该系统中释能循环单元工作时，动力循环利用低品位工业余热作为预 热源，释能工作介质分成两路，一路进入预热器5吸收低品位工业余热， 另一路进入释能回热器7进行加热，两路释能工作介质混合后进入储热装 置3吸收中高品位热能，实现了低品位工业余热和储能系统的能量梯级利 用；当系统根据需求进行储/释能工作单元切换时，无需切换工业余热介质 流道，结构简单，维护及运行成本低。
本发明内容对于其他布局的卡诺电池储能系统也同样适用，不局限于 以上所述卡诺电池储能系统，而非局限于图示布局。例如，其他卡诺电池 储能系统还可以采用多级冷却、多级压缩或膨胀、或不同分流结构，等等。 且本发明中对于高品位、吸热放热的描述，仅仅为了表示工质循环过程中 的相对变化，仅仅作为对系统描述的参考，不能作为具体的参数范围来限 制本发明的保护范围。
此外，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属 技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。实施例中提到 的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等， 仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。本文可提供包含 特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。并且，在制备方法中，除非特 别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且 可根据所需设计而变化或重新安排。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种卡诺电池储能系统，包括：
储能工作单元，包括用于流通储能工作介质的第一通路，所述第一通路中包括依次连接的蒸发器、压缩机组、储热装置和减压装置；
释能工作单元，包括用于流通释能工作介质的第二通路，所述第二通路中包括与所述储热装置一端连接的预热器，以及依次连接于所述储热装置另一端的膨胀机组、释能回热器、冷凝器、增压装置和三通阀，所述三通阀通过第一管道与所述释能回热器连接，所述释能回热器与所述储热装置相连；
所述三通阀通过第二管道与所述预热器连接；
其中，所述蒸发器与所述预热器串联排列于工业余热介质流道中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述储能工作单元还包括储能回热器，所述储能回热器用于使所述蒸发器流出的所述储能工作介质与经过压缩后流通至的所述储能工作介质进行热交换；
所述储能回热器的吸热端连接于所述蒸发器和所述压缩机组之间，放热端连接于所述储热装置和所述减压装置之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述蒸发器的热源包括低品位工业余热或环境。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述减压装置包括节流阀、膨胀阀、膨胀机、透平的一种。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述蒸发器与所述预热器均为盘管式换热器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述释能工作介质与所述储能工作介质的介质种类包括有机工质，水，二氧化碳，氨的一种。
7.一种使用权利要求1-6任一项所述的系统的方法，包括：
所述储能工作介质从所述压缩机组进行压缩后流出，经过所述储热装置释放热量，进入所述减压装置膨胀，后流通至所述蒸发器吸收工业余热热量，再流通至所述压缩机组，完成储能工作单元循环；
所述释能工作介质由所述增压装置压缩后流出，经过所述三通阀分别流入所述第一管道和所述第二管道中，一部分所述释能工作介质通过所述第一管道流通至所述释能回热器，另一部分所述释能工作介质通过所述第二管道流通至所述预热器，分别由所述释能回热器和所述预热器中流出的所述释能工作介质汇合，流通至所述储热装置吸收热量，所述释能工作介质进入所述膨胀机组进行做功发电，随后所述释能工作介质进入所述释能回热器释放热量，再进入所述冷凝器向环境释放热量，所述释能工作介质再流通至所述增压装置，完成释能工作单元循环。
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