CN115930475A - 一种热电联供的热泵储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电联供的热泵储能系统，其特征在于，包括高温热泵系统、储能系统、发电系统和第一热泵系统，高温热泵系统包括第一电动机、膨胀机、压缩机、换热器、回热器、吸热器，储能系统包括高温热罐、高温冷罐、蒸汽发生器，发电系统包括发电机、汽轮机、冷凝器和高低压加热器，高温热泵与储能系统通过换热器连接，发电系统和储能系统通过蒸汽发生器连接，高温热泵系统通过第一热泵系统与发电系统连接。本发明将高温热泵系统、储能系统和发电系统相互耦合设置，完成由电‑热‑电转换过程中热量的储存和梯级利用，实现热电联供，达到提高系统能量利用率的目的，具有稳定性高，无特殊地理条件要求，寿命长和运行成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于储能领域，尤其涉及一种热电联供的热泵储能系统。
背景技术
在“双碳”背景下，光伏发电、风力发电等可再生能源发电技术不断发展壮大，对储能的需求日趋旺盛。目前大规模储能主要形式有抽水蓄能、压缩空气储能及化学电储能等。
抽水蓄能和压缩空气储能均是利用物理势能实现储能，具有较高的效率，但需要特定的地理条件，例如需要一定高度差的湖泊和大规模地下盐穴、废弃矿洞等，否则建造成本和周期大幅上涨，储能达不到灵活、低成本应用的要求，而锂电池储能的成本高，寿命较短，且存在安全风险。
“卡诺电池”是近年发展的储能新概念，其本质是充电时，把电转化为热储存，放电时再把储存的热通过热机驱动发电机转化为电。热泵储能是一种典型的“卡诺电池”技术，但现有热泵储能技术的能量利用效率不足60％，若要实现高效率，则对压缩机、透平、换热器等设备提出了更高的技术要求。
发明内容
本发明提供了一种热电联供的热泵储能系统，将高温热泵系统、储能系统和发电系统相互耦合设置，由于高温热泵的COP大于1，性能优于电阻加热技术，然后再利用具有经济性的谷电和蒸汽发电系统的废热为高温热泵提供能量，因此储能系统可以高效加热储热介质并储热，利用发电系统将热能转化为电能，实现热电联供，达到提高系统能量利用率的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种热电联供的热泵储能系统，包括高温热泵系统、储能系统、发电系统和第一热泵系统，
所述高温热泵系统包括第一电动机、膨胀机、压缩机、换热器、回热器、吸热器，所述第一电动机、膨胀机和压缩机同轴配置，第一工质经所述压缩机出口流经所述换热器的高温侧、回热器的高温侧，进入所述膨胀机，经膨胀机出口流经所述吸热器的低温侧、回热器的低温侧，回到所述压缩机；
所述发电系统包括发电机、汽轮机、冷凝器、蒸汽发生器和第一加热装置，所述发电机和所述汽轮机连接，蒸汽工质经所述汽轮机出口流经所述冷凝器冷凝侧、第一加热装置、蒸汽发生器蒸发侧，进入所述汽轮机；
所述储能系统包括高温热罐、高温冷罐，所述高温热罐内的储热介质经所述蒸汽发生器的高温侧，进入所述高温冷罐内，所述高温冷罐内的储热介质经所述换热器的低温侧进入所述高温热罐；
所述第一热泵系统包括第一热泵、第二电动机、第一低温热罐、第一低温冷罐，所述第二电动机和所述第一热泵连接，所述第一热泵的冷凝侧与吸热器的高温侧连通；
所述第一低温热罐内的第二工质流经所述第一热泵的蒸发侧、第一低温冷罐、冷凝器的冷侧，回到所述第一低温热罐内，第二工质优选为水。
设置高温热泵系统、储能系统和发电系统，利用廉价的谷电为高温热泵提供能量，高温热泵中压缩机产生的热能通过换热器传递给储能系统储存，储能系统的能量通过蒸汽发生器产生过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机做功，推动发电机发电，实现电-热-电转换过程中热量的储存。
通常情况下，高温热泵系统内膨胀机流出的第一工质需要设置逐级加热才能进入压缩机内，一般需要加热装置低温加热，再进入回热器，在本实施例中在进入回热器之前设计了吸热器，吸热器的低温侧参与到高温热泵系统的循环，吸热器的高温侧通过第一热泵系统与发电系统连接，将发电系统中的废热通过第一低温热罐储存，通过第一热泵进一步循环加热，传递给第三工质，加热后的第三工质在吸热器的高温侧释放热量，吸热器低温侧的第一工质吸收热量后，再进入回热器低温侧。因此设置第一热泵可提升高温热泵的吸热温度，提升高温热泵COP。
热泵储能系统还包括第二热泵、第三电动机、第二低温热罐和第二低温冷罐，所述第三电动机与所述第二热泵连接，第三工质经所述第二热泵的蒸发侧出口，流经所述第一热泵的冷凝侧、吸热器的高温侧，回到所述第二热泵的蒸发侧；
所述第二低温热罐通过所述第二热泵的冷凝侧与所述第二低温冷罐连通，第四工质从第二低温冷罐流出，流经第二热泵的冷凝侧，进入第二低温热罐储存。
设置第二热泵的目的是，利用高温热泵系统吸收第三工质的热量后作为低温热源，利用第二热泵循环提升其低温热源的温度，传递给第四工质，储存在第一低温热罐，第四工质优选水工质，实现高效供热或供暖等，实现能量的梯级利用，大大提升系统的能量利用率。
所述第一热泵的冷凝侧、第二热泵的蒸发侧、吸热器的高温侧循环的第三工质为有机工质或二氧化碳。
所述储能系统内的储热介质为熔盐。
所述储能系统还包括第二加热装置，所述第二加热装置设置在换热器低温侧和高温热罐之间，进一步加热高温热罐内的储热介质。
所述高温热泵系统内的第一工质为空气、氩气、氦气或氮气。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明实施例中采用廉价的谷电为高温热泵系统内的压缩机提供能量，压缩机流出的高温高压工质，经过换热器高温侧释放热量，将热量传递给低温侧的储热介质，获得热量的储热介质储存在高温热罐；高温热罐内的热量经蒸汽发生器传递给水产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机做功，发电机发电。由于高温热泵的COP(制热性能系数COP指热泵所能实现的制热量和输入功率的比值，数值越大说明热泵系统的效率越高越节能)大于1，性能优于电阻加热技术。因此通过设置高温热泵，实现利用低谷电高效加热储热介质并储存热量，实现能量的高效利用。
在本发明实施例中在进入回热器之前设计了吸热器，吸热器的低温侧参与到高温热泵系统的循环，吸热器的高温侧通过第一热泵系统与发电系统连接，将发电系统中的废热通过第一低温热罐储存，通过第一热泵进一步循环加热，传递给第三工质，加热后的第三工质在吸热器的高温侧释放热量，吸热器低温侧的第三工质吸收热量。因此本发明实施例利用发电系统的废热，作为第一热泵的低温吸热热源，经第一热泵输出更高的温度，为高温热泵系统提供温度更高的热源，从而形成了发电冷却废热储存和梯级升温利用，从而保证系统高效、稳定运行。
本发明实施例通过高温热泵系统、储能系统、发电系统以及第一热泵系统的相互耦合设置，完成由电-热-电转换过程中热量的储存和梯级利用，实现热电联供，达到提高系统能量利用率的目的，具有稳定性高，无特殊地理条件要求，寿命长和运行成本低的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的热电联供的热泵储能系统流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种热电联供的热泵储能系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1，一种热电联供的热泵储能系统，包括高温热泵系统、储能系统、发电系统和第一热泵系统，
高温热泵系统包括第一电动机3、膨胀机2、压缩机1、换热器4、回热器5、吸热器6，第一电动机3、膨胀机2和压缩机1可同轴连接也可通过齿轮箱等设备间接连接，膨胀机2做功可抵消一部分压缩机1耗能；
第一工质经压缩机1出口流经换热器4的高温侧402、回热器5的高温侧502，进入膨胀机2，经膨胀机2出口流经吸热器6的低温侧602、回热器5的低温侧501，进入压缩机1；
高温热泵系统内的第一工质为空气、氩气、氦气或氮气，优选为氦气；
发电系统包括发电机18、汽轮机17、冷凝器19和第一加热装置20，发电机18和汽轮机17连接，蒸汽工质经汽轮机17出口流经冷凝器19冷凝侧1901、第一加热装置20、蒸汽发生器16蒸发侧1601，进入汽轮机17；
储能系统包括高温热罐8、高温冷罐9，高温热罐8内的储热介质经蒸汽发生器16的高温侧1602，进入高温冷罐9内，高温冷罐9内的储热介质经换热器4的低温侧401进入高温热罐8；
储能系统内的储热介质为熔盐；
第一热泵系统包括第一热泵10、第二电动机3’、第一低温热罐11、第一低温冷罐12，第二电动机3’与第一热泵10连接；第一热泵10的冷凝侧1002与吸热器6的高温侧601连通，第三介质经第一热泵10的冷凝侧1002回到吸热器6的高温侧601；
第一低温热罐11内的第二工质流经第一热泵10的蒸发侧1001、第一低温冷罐12、冷凝器19的冷侧1902，进入第一低温热罐11内。
利用廉价的谷电为高温热泵系统内的压缩机1提供能量，压缩机1流出的高温高压第一工质，经过换热器4高温侧402释放热量，将热量传递给低温侧401的储热介质，获得热量的储热介质储存在高温热罐8；高温热罐8内的热量经蒸汽发生器16传递给水产生过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机17做功，发电机18发电。由于高温热泵的COP(制热性能系数COP指热泵所能实现的制热量和输入功率的比值，数值越大说明热泵系统的效率越高越节能)大于1，性能优于电阻加热技术。因此通过设置高温热泵系统，实现利用低谷电高效加热储热介质并储存热量，实现能量的高效利用。
通常情况下，高温热泵系统内膨胀机2流出的第一工质需要设置逐级加热才能进入压缩机1内，一般需要加热装置低温加热，再进入回热器5，在本实施例中在进入回热器5之前设计了吸热器6，吸热器6的低温侧602参与到高温热泵系统的循环，吸热器6的高温侧601通过第一热泵系统与发电系统连接，将发电系统中的废热通过第一低温热罐11储存，通过第一热泵10进一步循环加热，传递给第三工质，加热后的第三工质在吸热器6的高温侧601释放热量，第一工质在吸热器6的低温侧601吸收热量。因此设置第一热泵系统，将发电系统的废热储存在第一低温热罐11，第一热泵10进一步提升热量传递给高温热泵系统，为高温热泵提供温度更高的吸热热源，提升高温热泵COP，从而形成了发电系统冷却废热储存和梯级升温利用，从而保证系统高效、稳定运行。
热泵储能系统还包括第二热泵13、第三电动机3”、第二低温热罐14和第二低温冷罐15，第三电动机3”与第二热泵13连接，第三工质经第二热泵13的蒸发侧1301出口，流经第一热泵10的冷凝侧1002、吸热器6的高温侧601，回到第二热泵13的蒸发侧1301；
第二低温热罐14通过第二热泵13的冷凝侧1302与第二低温冷罐15连通，第四工质从第二低温冷罐15流出，流经第二热泵13的冷凝侧1302，进入第二低温热罐14储存，第二低温热罐14和第二低温冷罐15内优选储存水，第二低温冷罐15内的冷水进入第二热泵13的冷凝侧1302吸收热量，进入第二低温热罐14储存，第二低温热罐14内的热水可以作为生活热水、供暖等。
设置第二热泵13的目的是，利用高温热泵系统吸收后第三工质的余热作为第四工质的低温热源，利用第二热泵13循环提升其低温热源的温度，储存在第二低温热罐14，实现高效供热或供暖等，实现能量的梯级利用，大大提升系统的能量利用率。
第一热泵10、第二热泵13为常规热泵，第一热泵10的冷凝侧1002、第二热泵13的蒸发侧1301、吸热器6的高温侧601的循环第三工质为有机工质或二氧化碳。
储能系统还包括第二加热装置7，第二加热装置7设置在换热器4低温侧401和高温热罐8之间，进一步加热流入高温热罐8内的储热介质，提升高温储热温度。
本实施例的热电联供的热泵储能系统的工作原理：
储能系统内的储热介质采用熔盐，低温冷却系统内的介质采用水。
储能时，利用谷电或低价电使第一电动机3驱动压缩机1压缩循环第一工质(优选氩气)，其出口的循环工质温度升高(～600℃)，循环工质进入换热器4的高温侧402放热，温度降低(～300℃)，再进入回热器5高温侧502进行二次放热(温度降低至～100℃)，然后进入膨胀机2膨胀做功后温度进一步降低(～5℃)，然后进入吸热器6低温侧602吸收低温热量(～90℃)后进入回热器5低温侧501吸收热量，进入压缩机1，完成一个高温热泵压缩循环。
高温热泵压缩循环过程中，储存在高温冷罐9中的低温熔盐流过换热器4低温侧401，与换热器4的高温侧402的高温循环第一工质(～600℃)换热，低温熔盐被加热(580℃)，流入高温热罐8中储存。第二加热装置7可进一步加热流入高温热罐8中的高温熔盐，提升高温储热温度。
高温热泵压缩循环的同时，第二电动机3’、第三电动机3”分别驱动第一热泵10和第二热泵13运行。第一低温热罐11储存的热水(35℃)流过第一热泵10的蒸发侧1001，热水被蒸发侧1001吸收热量后降温(～15℃)，流入第一低温冷罐12储存。通过第一热泵10压缩循环，第一热泵10蒸发侧1001吸收低温热水热量，在其冷凝侧1002放热，也就是第三工质在冷凝侧1002吸收热量，提高进入吸热器6高温侧601的温度(～90℃)，提升了高温热泵的性能系数(COP)。
第三工质(～90℃)经吸热器6高温侧601释放热量后降温(～40℃)，再进入到第二热泵13的蒸发侧1301内吸热，通过热泵压缩循环提升热量温度，由第二热泵13冷凝侧1302释放热量，加热来自第二低温冷罐15中的水(～70℃)到(90℃)，加热后的热水进入第二低温热罐14中用于供热(例如采暖、生活热水等)。
发电时，高温热罐8中储存的高温熔盐流过蒸汽发生器16的高温侧1602，通过传热使进入蒸汽发生器16蒸发侧1601的高压水(～230℃)气化并形成过热蒸汽(570℃)，过热蒸汽进入汽轮机17推动其做功，带动发电机18发电，汽轮机17排出的低温蒸汽(42℃)进入冷凝器19冷凝侧1901，同时第一低温冷罐12储存的低温冷却水(～15℃)进入冷凝器19冷测1902，冷凝侧1901中的低温蒸汽被冷侧1902的低温水等温冷却为凝结水(42℃)后进入第一加热装置20再加热，形成朗肯发电循环。冷凝器19冷侧1902流出的低温冷却水升温至(～35℃)，进入第一低温热罐11中储存，用作高温热泵压缩循环的低温热源。
上述工作过程中描述的温度是为方便解释工作过程，在实际应用过程中可根据实际情况做相应的改变。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种热电联供的热泵储能系统，其特征在于，包括高温热泵系统、储能系统、发电系统和第一热泵系统，
所述高温热泵系统包括第一电动机、膨胀机、压缩机、换热器、回热器、吸热器，所述第一电动机、膨胀机和压缩机同轴布置，第一工质经所述压缩机出口流经所述换热器的高温侧、回热器的高温侧，进入所述膨胀机，经膨胀机出口流经所述吸热器的低温侧、回热器的低温侧，回到所述压缩机；
所述发电系统包括发电机、汽轮机、冷凝器、蒸汽发生器和第一加热装置，所述发电机和所述汽轮机连接，蒸汽工质经所述汽轮机出口流经所述冷凝器冷凝侧、第一加热装置、蒸汽发生器蒸发侧，回到所述汽轮机；所述储能系统包括高温热罐、高温冷罐，所述高温热罐内的储热介质经所述蒸汽发生器的高温侧，进入所述高温冷罐内，所述高温冷罐内的储热介质经所述换热器的低温侧进入所述高温热罐；
所述第一热泵系统包括第二电动机、第一热泵、第一低温热罐、第一低温冷罐，所述第二电动机和所述第一热泵连接，所述第一热泵的冷凝侧与吸热器的高温侧连通；
所述第一低温热罐内的第二工质流经所述第一热泵的蒸发侧、第一低温冷罐、冷凝器的冷侧，回到所述第一低温热罐内。
2.根据权利要求1所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，还包括第二热泵、第三电动机、第二低温热罐和第二低温冷罐，所述第三电动机与所述第二热泵连接，第三工质经所述第二热泵的蒸发侧出口，流经所述第一热泵的冷凝侧、吸热器的高温侧，回到所述第二热泵的蒸发侧；
所述第二低温热罐通过所述第二热泵的冷凝侧与所述第二低温冷罐连通，第四工质从第二低温冷罐流出，流经第二热泵的冷凝侧，进入第二低温热罐储存。
3.根据权利要求2所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，所述第三工质为有机工质或二氧化碳。
4.根据权利要求2所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，所述第四工质为水。
5.根据权利要求1所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，所述第二工质为水。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，所述储能系统内的储热介质为熔盐。
7.根据权利要求1或2任意一项所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，所述储能系统还包括第二加热装置，所述第二加热装置设置在换热器低温侧和高温热罐之间。
8.根据权利要求1或2任意一项所述的热电联供的热泵储能系统，其特征在于，所述高温热泵系统内的循环第一工质为空气、氩气、氦气或氮气。
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