CN116247828B - 一种基于卡诺电池和地热能的储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能技术领域，提供一种基于卡诺电池和地热能的储能系统，其包括蓄热件、储电循环系统、发电循环系统和地热换热系统。夏季气温较高，土壤温度相对较低，充电过程中低温低压液体流至第二换热器与空气换热升温；过渡季节，气温波动大，充电过程中低温低压液体流至地热换热系统换热升温；冬季气温较低，土壤温度相对较高，充电过程中从减压机构流出的低温低压液体流至地热换热系统换热升温。系统可根据季节不同选择换热方式，保证工质的稳定换热，以使各个机构达到要求的工作状态，保证系统全年始终高效运行，保证系统的充电效率。系统利用地热能作为稳定的热源，避免系统受外界温度的影响，保证其在不同季节始终高效运行。

Description

一种基于卡诺电池和地热能的储能系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种基于卡诺电池和地热能的储能系统。

背景技术

可再生能源提供了清洁化的电力但其随机性和波动性增加了电网的不确定性，因此，在此背景下，大型储能系统是促进能源资源更好整合、克服其波动性的关键。

现有技术中的大型储能系统包括热泵循环机构和热机循环机构，热泵循环过程中，工质经压缩机压缩成高温高压状态，高温高压工质进入第一换热器换热为低温高压工质，低温高压工质再经节流阀减压后进入第二换热器后再回到压缩机完成热泵循环。

由于夏季气温高、冬季气温低，气温温度的变化导致热泵循环过程中工质的换热不稳定，影响后续压缩机做功，进而影响储能系统的充电效率。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的储能系统换热不稳定的缺陷。

为此，本发明提供一种基于卡诺电池和地热能的储能系统，包括

蓄热件；

储电循环系统，包括通过第一管道依次连通的空气压缩机构、第一换热器、减压机构和第二换热器，所述空气压缩机构与所述第一换热器之间连接所述蓄热件；

发电循环系统，包括通过第二管道依次连通的第一泵体、第三换热器、透平发电机构和第四换热器，所述第三换热器与所述透平发电机构之间连接所述蓄热件；

地热换热系统，所述第二换热器的低温侧的进口端和出口端的第一管道分别连通所述地热换热系统。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，所述第四换热器的高温侧的进口端和出口端的第二管道分别连通所述地热换热系统。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，所述地热换热系统包括地热换热站和与所述地热换热站连接的多个地热管。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，多个所述地热管与所述地热换热站并联连接。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，所述地热换热系统包括总管和与所述地热管一一对应设置的支管，所述总管连接所述地热换热站，所有所述支管并联连接所述总管，每个所述支管上设有阀门。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，所述第二换热器的低温侧的进口端和出口端的第一管道上分别设有第一三通阀和第二三通阀，所述第一管道通过所述第一三通阀和第二三通阀连接所述地热换热系统；所述第四换热器的高温侧的进口端和出口端的第二管道上分别设有第三三通阀和第四三通阀，所述第二管道通过第三三通阀和第四三通阀连接所述地热换热系统。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，还包括调温系统，所述调温系统包括通过第三管道依次连通的高温储罐、第二泵体、低温储罐和第三泵体，所述第三换热器的高温侧连接所述高温储罐的出口端；所述第一换热器的低温侧连接所述低温储罐的出口端。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，还包括光热集热器，所述光热集热器的进口和出口分别连接所述蓄热件。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，所述蓄热件为相变蓄热体。

可选地，上述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，所述空气压缩机构为压缩机，和/或所述减压机构为节流阀，和/或所述透平发电机构为膨胀机。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的基于卡诺电池和地热能的储能系统工作时，夏季气温较高，土壤温度相对较低，充电过程中从减压机构流出的低温低压液体流至第二换热器与空气换热升温；过渡季节，气温波动大，充电过程中从减压机构流出的低温低压液体流至地热换热系统换热升温；冬季气温较低，土壤温度相对较高，充电过程中从减压机构流出的低温低压液体流至地热换热系统换热升温。储能系统可根据季节不同灵活选择换热方式，保证热泵循环过程中工质的稳定换热，以使各个机构达到要求的工作状态，保证储能系统全年始终高效运行，保证储能系统的充电效率。系统利用地热能作为稳定的热源，避免储能系统受外界温度的影响，保证其在不同季节始终高效运行。系统利用地热能作为稳定的热源，为储能系统提供稳定的储能容量；储能系统不包含大容量压力容器且不依赖特殊地质资源，可灵活布置，提高储能系统的应用范围。

2.第四换热器的高温侧的进口端和出口端的第二管道分别连通地热换热系统。储能系统通过换热在冬季从土壤吸收热量、夏季向土壤注入热量，保证地热换热系统区域全年高效运行的基础上兼顾土壤热平衡，保证系统可长期运行。

3.多个地热管与地热换热站并联连接，地热换热站根据不同区域的地热情况动态调整工质进入的地热管，以在充电和发电过程与地热换热系统均匀换热，防止地热换热系统区域内局部温度低或者局部温度高，保证土壤温度平衡。

4.本系统充电过程通过蓄热件与第一换热器逐级冷却二氧化碳工质，发电过程通过第三换热器与蓄热件逐级加热二氧化碳工质，以减小换热损耗，提高系统换热效率。储能系统通过低温储罐和高温储罐与储电循环系统和发电循环系统形成循环回路，通过高温储罐回收充电过程中的低温压缩热，并用于预热发电过程中的二氧化碳工质，以充分利用储能系统热量，提高系统效率。

5.基于卡诺电池和地热能的储能系统还包括光热集热器。光热集热器可将聚焦得到的高温热能存储至蓄热件，将光能转换为热能存储，以在发电过程加热二氧化碳介质，在储能系统无多余电力输入时也可发电，以储备一定的调峰电能，同时可减小系统能量损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于卡诺电池和地热能的储能系统的原理图；

图2为图1中地热换热系统的示意图。

附图标记说明：

1、蓄热件； 21、第一管道；22、空气压缩机构；23、第一换热器；24、减压机构；25、第二换热器；26、第一三通阀；27、第二三通阀；31、第二管道、32、第一泵体；33、第三换热器；34、透平发电机构；35、第四换热器；36、第三三通阀；37、第四三通阀；41、地热换热站；42、地热管；43、总管；44、支管；51、第三管道；52、高温储罐；53、第二泵体；54、低温储罐；55、第三泵体；6、光热集热器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本实施例提供一种基于卡诺电池和地热能的储能系统，如图1所示，其包括蓄热件1、储电循环系统、发电循环系统和地热换热系统，其中，储电循环系统包括通过第一管道21依次连通的空气压缩机构22、第一换热器23、减压机构24和第二换热器25，空气压缩机构22与第一换热器23之间连接蓄热件1；发电循环系统包括通过第二管道31依次连通的第一泵体32、第三换热器33、透平发电机构34和第四换热器35，第三换热器33与透平发电机构34之间连接蓄热件1；地热换热系统第二换热器25的低温侧的进口端和出口端的第一管道21分别连通地热换热系统。

此结构的基于卡诺电池和地热能的储能系统的充电过程为：需要消纳的可再生能源电力输入至空气压缩机构22，空气压缩机构22作为动力源将工质压缩成高温高压气体并驱动高温高压气体流动至蓄热件1，高温高压气体将热量传递给蓄热件1变为低温高压液体，低温高压液体流经第一换热器23进一步冷却降温，然后低温高压液体流经减压机构24后变为低温低压液体，最后低温低压液体流经第二换热器25或者地热换热系统换热后蒸发成饱和气体再回到空气压缩机构22。

基于卡诺电池和地热能的储能系统发电过程为：第一泵体32工作将工质输送至第三换热器33，工质与第三换热器33换热升温后再流经蓄热件1进一步吸热升温转变为高温高压气体，高温高压气体进入透平发电机构34后做功发电，做功后从透平发电机构34流出的高温低压气体在第四换热器35中冷凝为饱和液体，饱和液体再由第一泵体32泵送至第三换热器33。

夏季气温较高，土壤温度相对较低，充电过程中从减压机构24流出的低温低压液体流至第二换热器25与空气换热升温；过渡季节，气温波动大，充电过程中从减压机构24流出的低温低压液体流至地热换热系统换热升温；冬季气温较低，土壤温度相对较高，充电过程中从减压机构24流出的低温低压液体流至地热换热系统换热升温。基于卡诺电池和地热能的储能系统可根据季节不同灵活选择换热方式，保证热泵循环过程中工质的稳定换热，以使各个机构达到要求的工作状态，保证储能系统全年始终高效运行，保证储能系统的充电效率。系统利用地热能作为稳定的热源，避免储能系统受外界温度的影响，保证其在不同季节始终高效运行。系统利用地热能作为稳定的热源，为储能系统提供稳定的储能容量；储能系统不包含大容量压力容器且不依赖特殊地质资源，可灵活布置，提高储能系统的应用范围。

优选地，参见图1，第四换热器35的高温侧的进口端和出口端的第二管道31分别连通地热换热系统。夏季气温较高，土壤温度相对较低，充电过程中从减压机构24流出的低温低压液体流至第二换热器25与空气换热升温，放电过程中从透平发电机构34流出的高温低压气体在地热换热系统中换热冷凝；过渡季节，气温波动大，充电和放电过程工质的换热均在地热换热系统进行；冬季气温较低，土壤温度相对较高，充电过程中从减压机构24流出的低温低压液体流至地热换热系统换热升温，放电过程中从透平发电机构34流出的高温低压气体在第四换热器35中换热冷凝。基于卡诺电池和地热能的储能系统可根据季节不同灵活选择换热方式，保证充电和发电过程工质稳定换热，保证储能系统高效运行，保证储能系统的充电和发电效率。同时，由于地热使用后恢复较慢，本结构的储能系统通过换热在冬季从土壤吸收热量、夏季向土壤注入热量，保证地热换热系统区域全年高效运行的基础上兼顾土壤热平衡，保证系统可长期运行。

参见图1和图2，地热换热系统包括地热换热站41和与地热换热站41连接的多个地热管42，地热换热站41控制将工质注入地热管42并在换热后将工质从地热管42抽出。例如，地热换热站41内设置工质泵以向地热管42中注入或从地热管42中抽出工质。

参见图2，多个地热管42与地热换热站41并联连接，地热换热站41根据不同区域的地热情况动态调整工质进入的地热管42，以在充电和发电过程与地热换热系统均匀换热，防止地热换热系统区域内局部温度低或者局部温度高，保证土壤温度平衡。

参见图2，地热换热系统包括总管43和与地热管42一一对应设置的支管44，总管43连接地热换热站41内的工质泵，所有支管44并联连接总管43，每个支管44上设有阀门，通过各个支管44上的阀门的开启控制各个地热管42的通断。可选地，多根地热管42呈阵列状排布。

参见图1，第二换热器25的低温侧的进口端和出口端的第一管道21上分别设有第一三通阀26和第二三通阀27，第一管道21通过第一三通阀26和第二三通阀27连接地热换热系统，以使第一管道21与地热换热系统形成循环回路；第四换热器35的高温侧的进口端和出口端的第二管道31上分别设有第三三通阀36和第四三通阀37，第二管道31通过第三三通阀36和第四三通阀37连接地热换热系统，以使第二管道31与地热换热系统形成循环回路。

可选地，工质为二氧化碳工质，基于卡诺电池和地热能的储能系统回收利用二氧化碳作为工质，利于实现碳中和；并且二氧化碳超临界状态性能好，循环过程中损耗小，做功效率高。

参见图1，基于卡诺电池和地热能的储能系统还包括调温系统，调温系统包括通过第三管道51依次连通的高温储罐52、第二泵体53、低温储罐54和第三泵体55，第三换热器33的高温侧连接高温储罐52的出口端；第一换热器23的低温侧连接低温储罐54的出口端，第一换热器23的高温侧连接第一管道21，第三换热器33的低温侧连接第二管道31。充电过程中高温高压气体将热量传递给蓄热件1变为低温高压液体，第三泵体55工作将低温储罐54中的工质泵送至第一换热器23的低温侧，低温高压液体在第一换热器23中换热后进一步冷却，第二泵体53工作使换热后的低温余热存储至高温储罐52。发电过程中，第一泵体32工作将二氧化碳工质输送至第三换热器33，第二泵体53工作将高温储罐52中的工质泵送至第三换热器33的高温侧以预热二氧化碳工质，换热后的低温工质存储至低温储罐54中。由于换热前后温差越大，换热效率越低，本系统充电过程通过蓄热件1与第一换热器23逐级冷却二氧化碳工质，发电过程通过第三换热器33与蓄热件1逐级加热二氧化碳工质，以减小换热损耗，提高系统换热效率。基于卡诺电池和地热能的储能系统通过低温储罐54和高温储罐52与储电循环系统和发电循环系统形成循环回路，通过高温储罐52回收充电过程中的低温压缩热，并用于预热发电过程中的二氧化碳工质，以充分利用储能系统热量，提高系统效率。

参见图1，基于卡诺电池和地热能的储能系统还包括光热集热器6，光热集热器6的进口和出口分别连接蓄热件1。光热集热器6可将聚焦得到的高温热能存储至蓄热件1，将光能转换为热能存储，以在发电过程加热二氧化碳介质，在储能系统无多余电力输入时也可发电，以储备一定的调峰电能，同时可减小系统能量损耗。可在光热集热器6内集成工质泵，以将工质泵送至光热集热器6加热升温，再将升温后的工质泵送回蓄热件1。可选地，光热集热器6为太阳能集热器。

优选地，蓄热件1为相变蓄热体，相变蓄热体为潜热储热，储存热量大。相变蓄热模块可以使用管壳式梯级相变装置或堆积床式梯级相变装置等。

可选地，空气压缩机构22为压缩机，减压机构24为节流阀，透平发电机构34为膨胀机。压缩机的形式包括但不限于活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机、隔膜压缩机等容积型压缩机，或离心压缩机等速度型压缩机或其组合。膨胀机的形式包括但不限于活塞膨胀机、螺杆膨胀机、涡旋膨胀机等或其组合。空气压缩机构22还可为压气机，透平发电机构34还可为汽轮机。

地热管42的形式包括但不限于单U形管、双U形管、小直径螺旋盘管、大直径螺旋盘管、立式柱管、套管、蜘蛛状管、管式管等形式。

压缩机的驱动电能包括但不限于风力发电、太阳能发电等形式，驱动电能通过电线连接至压缩机以驱动压缩机运转。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，包括：

蓄热件（1）；

储电循环系统，包括通过第一管道（21）依次连通的空气压缩机构（22）、第一换热器（23）、减压机构（24）和第二换热器（25），所述空气压缩机构（22）与所述第一换热器（23）之间连接所述蓄热件（1）；

发电循环系统，包括通过第二管道（31）依次连通的第一泵体（32）、第三换热器（33）、透平发电机构（34）和第四换热器（35），所述第三换热器（33）与所述透平发电机构（34）之间连接所述蓄热件（1）；

地热换热系统，所述第二换热器（25）的低温侧的进口端和出口端的所述第一管道（21）分别连通所述地热换热系统；

所述第四换热器（35）的高温侧的进口端和出口端的所述第二管道（31）分别连通所述地热换热系统。

2.根据权利要求1所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，所述地热换热系统包括地热换热站（41）和与所述地热换热站（41）连接的多个地热管（42）。

3.根据权利要求2所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，多个所述地热管（42）与所述地热换热站（41）并联连接。

4.根据权利要求3所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，所述地热换热系统包括总管（43）和与所述地热管（42）一一对应设置的支管（44），所述总管（43）连接所述地热换热站（41），所有所述支管（44）并联连接所述总管（43），每个所述支管（44）上设有阀门。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，所述第二换热器（25）的低温侧的进口端和出口端的所述第一管道（21）上分别设有第一三通阀（26）和第二三通阀（27），所述第一管道（21）通过所述第一三通阀（26）和所述第二三通阀（27）连接所述地热换热系统；所述第四换热器（35）的高温侧的进口端和出口端的所述第二管道（31）上分别设有第三三通阀（36）和第四三通阀（37），所述第二管道（31）通过所述第三三通阀（36）和所述第四三通阀（37）连接所述地热换热系统。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，还包括调温系统，所述调温系统包括通过第三管道（51）依次连通的高温储罐（52）、第二泵体（53）、低温储罐（54）和第三泵体（55），所述第三换热器（33）的高温侧连接所述高温储罐（52）的出口端；所述第一换热器（23）的低温侧连接所述低温储罐（54）的出口端。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，还包括光热集热器（6），所述光热集热器（6）的进口和出口分别连接所述蓄热件（1）。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，所述蓄热件（1）为相变蓄热体。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的基于卡诺电池和地热能的储能系统，其特征在于，所述空气压缩机构（22）为压缩机，和/或所述减压机构（24）为节流阀，和/或所述透平发电机构（34）为膨胀机。