CN115807702A

CN115807702A - 集成热化学转化的热泵储电系统

Info

Publication number: CN115807702A
Application number: CN202111079237.XA
Authority: CN
Inventors: 许诚; 庞劲松; 许宏宇; 杨勇平
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-03-17

Abstract

本发明公开了属于电网级储能领域的集成热化学转化的热泵储电系统。该系统主要由压缩机、膨胀机、换热器、反应容器、储冷层、蒸汽发生器、发电机等部分组成。在该系统中，充电时，电能驱动压缩机将工作流体压缩至高温高压状态，工作流体在反应容器内放热并使氢氧化钙发生分解生成氧化钙；放电时，低温低压状态的工作流体经压缩机压缩后与水蒸气混合流入反应容器，水蒸气与氧化钙反应放热，工作流体吸热后达到高温高压状态，并进入膨胀机做功，膨胀机驱动发电机发电。经过这样一整套完整的充电和放电循环，新能源电力的稳定性差和周期性波动问题被很好地解决，这为新能源的开发提供了新的方案。

Description

集成热化学转化的热泵储电系统

技术领域

本发明属于电网级储电领域，特别涉及集成热化学转化的热泵储电系统，具体说是一种利用压缩机将电能转化为热能，并最终转化为氧化钙中稳定的化学能而进行存储的新型储电系统。

背景技术

伴随着化石能源的枯竭，太阳能、风能等新能源由于其分布广泛、储量丰富、清洁无污染的优良特性，被视为未来电力的解决方案；与此同时，太阳能、风能等本身所存在的稳定性差，周期性波动等问题，也极大地限制了其发展与稳定运行。储能是解决可再生能源电力的重要手段。目前，满足电网级储放电要求的成熟储电方案有抽水蓄能、压缩空气储能等。然而，这两种储电方案都受到地理位置的限制，前者需要具有巨大落差的大型水库，后者需要有能够储存压缩空气的大型洞库；为了更好地满足未来可再生电力的发展，需要研发更为灵活、实用的储能技术。

热泵储能是一种较为新型的储电技术，它是基于逆向动力循环，利用压缩机将电能转化为热能，并以显热或潜热的形式存储在储热介质中，具有不受地理位置限制，往返效率高，工作稳定等优点，然而，显热或潜热储能本身也具有热量不宜长期存储，容量密度有限等缺点。

集成热化学转化的热泵储电系统具有与热泵储能系统相似的动力循环，但用更稳定的化学能存储代替了较不稳定的显热或潜热存储，因此，它既具有泵热储能技术的诸多优点，也具有较高的储能稳定性。与此同时，该储电技术以空气作为工作流体，以氢氧化钙作为储能物质，以混凝土作为储冷层，采用直接换热，成本低廉、安全高效，不会对环境造成任何污染，同时也具有数倍乃至于数十倍于热泵储能的高容量密度，可以很好地适应未来可再生电力的发展需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有电网级储能方案的不足，提出集成热化学转化的热泵储电系统，其特征在于，在充电模式中，电网与1号电动机连接，1号电动机与1号压缩机连接，来自电网的电能驱动1号电动机运转，1号电动机带动1号压缩机工作；1号压缩机与1号涡轮膨胀机连接在同一根轴上；反应容器与1号压缩机连接；1号换热器通过1号压缩机与反应容器连接，同时反应容器连接1号压缩机和1号换热器，并通过1号换热器与1号涡轮膨胀机连接；1号发电机和储冷层分别与1号涡轮膨胀机连接；在放电模式中，储冷层通过2号压缩机与2号换热器连接；2号电动机与2号压缩机连接；2号压缩机连接2号换热器；蒸汽发生器连接流量控制阀；2号换热器和流量控制阀同时通过合流阀与反应容器连接；反应容器通过2号涡轮膨胀机与2号换热器连接；2号发电机与2号涡轮膨胀机连接，发出电能并返回电网；余热综合利用装置连接2号换热器。

所述的集成热化学转化的热泵储电系统原理，当发电功率大于用电负荷时，充电模式运转；来自电网的电能驱动1号电动机运转，1号电动机带动1号压缩机工作，并对来自1号换热器的空气进行压缩，使其达到一定的温度和压力，高温高压的空气流入装有氢氧化钙的反应容器中并与其直接接触，氢氧化钙吸热分解生成氧化钙和水蒸气；工作流体从反应容器内流出后流入1号换热器中，对来自环境A的空气进行加热，之后进入1号涡轮膨胀机内继续做功并驱动1号发电机工作，产生的电能用于供给1号压缩机；流出1号涡轮膨胀机的低温低压流体流入储冷层，与储冷介质发生换热，吸收热量并将冷量储存其中；最后，恢复到接近环境状态的工作流体再次返回环境A，充电过程完成；当发电功率小于用电负荷时，放电模式运转；来自环境A的空气流入储冷层并发生换热，放出热量后进入2号压缩机内压缩；工作流体流出2号压缩机后进入2号换热器，与2号涡轮膨胀机排气发生换热，吸热后与由蒸汽发生器产生的并流经流量控制阀的蒸汽一起流入合流阀，混合后流入反应容器；水蒸气与反应容器内的氧化钙发生化合反应，生成氢氧化钙并放出大量热量；工作流体在反应容器内吸热后达到高温高压状态，之后流入2号涡轮膨胀机内做功，做出的功小部分用于驱动2号电动机运转并带动2号压缩机工作，其余部分用于驱动2号发电机运转，产生电能供给电网；工作流体流出2号涡轮膨胀机后流入2号换热器，与来流的空气发生换热并放出热量，之后流入余热综合利用装置，完成对余热的最后一步利用之后排入环境A，放电过程完成。

所述的集成热化学转化的热泵储电系统，在充电模式中，1号发电机发出的电能小于1号电动机消耗的电能；在放电模式中，1号发电机发出的电能大于1号电动机消耗的电能。

所述反应容器内的储能物质采用固定床布置，以翅片或金属骨架来增强换热，工作流体与储电物质之间进行直接接触式换热，以最大程度地增强换热效果。

所述的集成热化学转化的热泵储电系统，在充电模式中，反应容器中的氢氧化钙在大于550℃的温度下发生分解，通过降低工作流体中水蒸气的分压力，可以使氢氧化钙的分解温度得到进一步降低；在放电模式中，蒸汽发生器中产生的水蒸气与氧化钙发生反应并放出热量，工作流体吸热后达到450-550℃的温度，通过改变水蒸气的分压力和工作流体的质量流量，可以改变工作流体吸热后的温度，通过降低充电模式中氢氧化钙的分解温度和提高放电模式中工作流体的吸热温度，可以提高系统的充放电效率。

所述的集成热化学转化的热泵储电系统，在充电模式中，通过增加换热器，解除了反应容器出口温度的限制，降低了1号膨胀机的排气温度，提高了充电效率；在放电模式中，通过增加换热器，提高了工作流体进入反应容器的温度，提高了反应速率，利用了2号膨胀机的排气余热，降低了损失，提高了系统的放电效率。

所述的集成热化学转化的热泵储电系统，在放电模式中，流出2号换热器的工作流体仍带有低温余热，余热综合利用装置实现了对低温余热的利用；余热综合利用装置的表现方式不唯一，可以通过供暖实现对余热的利用，在海岛地区，余热可用作海水淡化，蒸发海水以获得淡水，实现对该系统的综合化利用。

本发明的有益效果：通过热泵储能循环将电能转化为热能，并以氧化钙中稳定化学能的形式实现储存，提高了容量密度和储能稳定性；同时，通过增加换热设备，极大地增加了系统的充放电效率，具有以下特点：

（1）通过分别在新能源电力的波峰和波谷期采用充电和放电循环，可以达到“削峰填谷”的作用，极大地降低了新能源电力的波动性对电网造成的不利影响，提高了电网稳定性，为新能源电力的发展提供了基础性保障。

（2）采用了氢氧化钙作为储电物质，以空气作为工作流体，以混凝土作为储冷层，成本低廉、清洁无污染，同时，由于化学能具有极高的稳定性和反应焓变，系统的灵活性、稳定性和容量密度均得到了极大提高。

（3）采用热泵储能循环，原理清晰，设备简单，工作稳定，具有较高的充放电效率。

（4）通过在系统中增加换热器，降低了排气温度对系统的不利影响，极大地增加了系统的充放电效率；工作流体与储能物质采用直接换热，增强了换热效果，降低了传热温差，进一步提高了系统效率。

（5）该系统具有广泛的应用范围，作用明显，可与风电场或太阳能发电厂配套使用，提高发电稳定性；可与火力发电厂或燃气电厂配套使用，满足电网调峰需求，利用电力市场的阶梯电价还可以增加发电厂的收益；除此之外，该系统该可以应用于海岛分布式能源系统，以较小的成本实现对偏远海岛的稳定供电，同时，系统产生的低温余热还可以应用于供暖或海水淡化等。

附图说明

图1为集成热化学转化的热泵储电系统示意图。

图中：1-电网，2-1号电动机，3-1号压缩机，4-反应容器，5-1号换热器，6-1号涡轮膨胀机，7-1号轴，8-1号发电机，9-储冷层，10-2号压缩机，11-2号电动机，12-2号换热器，13-蒸汽发生器，14-流量控制阀，15-合流阀，16-2号涡轮膨胀机，17-2号发电机，18-2号轴，19-余热综合利用装置。

具体实施方式

本发明提出了集成热化学转化的热泵储电系统，下面结合附图予以说明。

如图1所示的集成热化学转化的热泵储电系统，在充电模式中，电网1与1号电动机2连接，1号电动机2与1号压缩机3连接，来自电网1的电能驱动1号电动机2运转，1号电动机2带动1号压缩机3工作；1号压缩机3与1号涡轮膨胀机6连接在同一根轴7上；反应容器4与1号压缩机3连接；1号换热器5通过1号压缩机3与反应容器4连接，同时反应容器4连接1号压缩机3和1号换热器5，并通过1号换热器5与1号涡轮膨胀机6连接；1号发电机8和储冷层9分别与1号涡轮膨胀机6连接；在放电模式中，储冷层9通过2号压缩机10与2号换热器12连接；2号电动机11与2号压缩机10连接；2号压缩机10连接2号换热器12；蒸汽发生器13连接流量控制阀14；2号换热器12和流量控制阀14同时通过合流阀15与反应容器4连接；反应容器4通过2号涡轮膨胀机16与2号换热器12连接；2号发电机17与2号涡轮膨胀机16连接，发出电能并返回电网1；余热综合利用装置19连接2号换热器12。

本发明的集成热化学转化的热泵储电系统原理，当发电功率大于用电负荷时，充电模式运转；来自电网1的电能驱动1号电动机2运转，1号电动机2带动1号压缩机3工作，并对来自1号换热器5的空气进行压缩，使其达到一定的温度和压力，高温高压的空气流入装有氢氧化钙的反应容器4中并与其直接接触，氢氧化钙吸热分解生成氧化钙和水蒸气；工作流体从反应容器4内流出后流入1号换热器5中，对来自环境A的空气进行加热，之后进入1号涡轮膨胀机6内继续做功并驱动1号发电机8工作，产生的电能用于供给1号压缩机3；流出1号涡轮膨胀机6的低温低压流体流入储冷层9，与储冷介质发生换热，吸收热量并将冷量储存其中；最后，恢复到接近环境状态的工作流体再次返回环境A，充电过程完成；当发电功率小于用电负荷时，放电模式运转；来自环境A的空气流入储冷层9并发生换热，放出热量后进入2号压缩机10内压缩；工作流体流出2号压缩机10后进入2号换热器12，与2号涡轮膨胀机12排气发生换热，吸热后与由蒸汽发生器13产生的并流经流量控制阀14的蒸汽一起流入合流阀15，混合后流入反应容器4；水蒸气与反应容器4内的氧化钙发生化合反应，生成氢氧化钙并放出大量热量；工作流体在反应容器4内吸热后达到高温高压状态，之后流入2号涡轮膨胀机16内做功，做出的功小部分用于驱动2号电动机11运转并带动2号压缩机10工作，其余部分用于驱动2号发电机17运转，产生电能供给电网1；工作流体流出2号涡轮膨胀机16后流入2号换热器12，与来流的空气发生换热并放出热量，之后流入余热综合利用装置19，完成对余热的最后一步利用之后排入环境A，放电过程完成。

在充电模式中，1号发电机8发出的电能小于1号电动机2消耗的电能；在放电模式中，2号发电机17发出的电能大于2号电动机11消耗的电能。

其中，反应容器4内的储能物质采用固定床布置，以翅片或金属骨架来增强换热，工作流体与储能物质之间进行直接接触式换热，以最大程度地增强换热效果。

在充电模式中，反应容器4中的氢氧化钙在大于550℃的温度下发生分解，通过降低工作流体中水蒸气的分压力，可以使氢氧化钙的分解温度得到进一步降低；在放电模式中，蒸汽发生器13中产生的水蒸气在反应容器4与氧化钙发生反应并放出热量，工作流体吸热后达到450-550℃的温度，通过改变水蒸气的分压力和工作流体的质量流量，可以改变工作流体吸热后的温度，通过降低充电模式中氢氧化钙的分解温度和提高放电模式中工作流体的吸热温度，可以提高系统的充放电效率。

在充电模式中，通过增加1号换热器5，解除了反应容器4出口温度的限制，降低了1号涡轮膨胀机6的排气温度，提高了充电效率；在放电模式中，通过增加2号换热器12，提高了工作流体进入反应容器4的温度，提高了反应速率，利用了2号涡轮膨胀机16的排气余热，降低了损失，提高了系统的放电效率。

其中，在放电模式中，流出2号换热器12的工作流体仍带有低温余热，余热综合利用装置19实现了对低温余热的利用；余热综合利用装置19的表现方式不唯一，可以通过供暖实现对余热的利用，在海岛地区，余热可用作海水淡化，蒸发海水以获得淡水，实现对该系统的综合化利用。

Claims

1.一种集成热化学转化的热泵储电系统，其特征在于，在充电模式中，电网（1）与1号电动机（2）连接，1号电动机（2）与1号压缩机（3）连接，来自电网（1）的电能驱动1号电动机（2）运转，1号电动机（2）带动1号压缩机（3）工作；1号压缩机（3）与1号涡轮膨胀机（6）连接在同一根轴（7）上；反应容器（4）与1号压缩机（3）连接；1号换热器（5）通过1号压缩机（3）与反应容器（4）连接，同时反应容器（4）连接1号压缩机（3）和1号换热器（5），并通过1号换热器（5）与1号涡轮膨胀机（6）连接；1号发电机（8）和储冷层（9）分别与1号涡轮膨胀机（6）连接；在放电模式中，储冷层（9）通过2号压缩机（10）与2号换热器（12）连接；2号电动机（11）与2号压缩机（10）连接；2号压缩机（10）连接2号换热器（12）；蒸汽发生器（13）连接流量控制阀（14）；2号换热器（12）和流量控制阀（14）同时通过合流阀（15）与反应容器（4）连接；反应容器（4）通过2号涡轮膨胀机（16）与2号换热器（12）连接；2号发电机（17）与2号涡轮膨胀机（16）连接，发出电能并返回电网（1）；余热综合利用装置（19）连接2号换热器（12）。

2.一种权利要求1所述的集成热化学转化的热泵储电系统的工作原理，其特征在于，当发电功率大于用电负荷时，充电模式运转；来自电网（1）的电能驱动1号电动机（2）运转，1号电动机（2）带动1号压缩机（3）工作，并对来自1号换热器（5）的空气进行压缩，使其达到一定的温度和压力，高温高压的空气流入装有氢氧化钙的反应容器（4）中并与其直接接触，氢氧化钙吸热分解生成氧化钙和水蒸气；工作流体从反应容器（4）内流出后流入1号换热器（5）中，对来自环境A的空气进行加热，之后进入1号涡轮膨胀机（6）内继续做功并驱动1号发电机（8）工作，产生的电能用于供给1号压缩机（3）；流出1号涡轮膨胀机（6）的低温低压流体流入储冷层（9），与储冷介质发生换热，吸收热量并将冷量储存其中；最后，恢复到接近环境状态的工作流体再次返回环境A，充电过程完成；当发电功率小于用电负荷时，放电模式运转；来自环境A的空气流入储冷层（9）并发生换热，放出热量后进入2号压缩机（10）内压缩；工作流体流出2号压缩机（10）后进入2号换热器（12），与2号涡轮膨胀机（12）排气发生换热，吸热后与由蒸汽发生器（13）产生的并流经流量控制阀（14）的蒸汽一起流入合流阀（15），混合后流入反应容器（4）；水蒸气与反应容器（4）内的氧化钙发生化合反应，生成氢氧化钙并放出大量热量；工作流体在反应容器（4）内吸热后达到高温高压状态，之后流入2号涡轮膨胀机（16）内做功，做出的功小部分用于驱动2号电动机（11）运转并带动2号压缩机（10）工作，其余部分用于驱动2号发电机（17）运转，产生电能供给电网（1）；工作流体流出2号涡轮膨胀机（16）后流入2号换热器（12），与来流的空气发生换热并放出热量，之后流入余热综合利用装置（19），完成对余热的最后一步利用之后排入环境A，放电过程完成。

3.根据权利要求书2所述的集成热化学转化的热泵储电系统的工作原理，其特征在于，在充电模式中，1号发电机（8）发出的电能小于1号电动机（2）消耗的电能；在放电模式中，2号发电机（17）发出的电能大于2号电动机（11）消耗的电能。

4.根据权利要求书2所述的集成热化学转化的热泵储电系统的工作原理，其特征在于，反应容器（4）内的储能物质采用固定床布置，以翅片或金属骨架来增强换热，工作流体与储能物质之间进行直接接触式换热，以最大程度地增强换热效果。

5.根据权利要求书2所述的集成热化学转化的热泵储电系统的工作原理，其特征在于，在充电模式中，反应容器（4）中的氢氧化钙在大于550℃的温度下发生分解，通过降低工作流体中水蒸气的分压力，可以使氢氧化钙的分解温度得到进一步降低；在放电模式中，蒸汽发生器（13）中产生的水蒸气在反应容器（4）与氧化钙发生反应并放出热量，工作流体吸热后达到450-550℃的温度，通过改变水蒸气的分压力和工作流体的质量流量，可以改变工作流体吸热后的温度，通过降低充电模式中氢氧化钙的分解温度和提高放电模式中工作流体的吸热温度，可以提高系统的充放电效率。

6.根据权利要求书2所述的集成热化学转化的热泵储电系统的工作原理，其特征在于，在充电模式中，通过增加1号换热器（5），解除了反应容器（4）出口温度的限制，降低了1号涡轮膨胀机（6）的排气温度，提高了充电效率；在放电模式中，通过增加2号换热器（12），提高了工作流体进入反应容器（4）的温度，提高了反应速率，利用了2号涡轮膨胀机（16）的排气余热，降低了损失，提高了系统的放电效率。

7.根据权利要求书2所述的集成热化学转化的热泵储电系统的工作原理，其特征在于，在放电模式中，流出2号换热器（12）的工作流体仍带有低温余热，余热综合利用装置（19）实现了对低温余热的利用；余热综合利用装置（19）的表现方式不唯一，可以通过供暖实现对余热的利用，在海岛地区，余热可用作海水淡化，蒸发海水以获得淡水，实现对该系统的综合化利用。