CN207866073U - 固体蓄热储能系统及包含其的储能电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体蓄热储能系统及包含其的储能电站，固体蓄热储能系统包括有换热器和发电单元，换热器的外壁面设有热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口，冷侧出口连接于发电单元并与发电单元相连通，固体蓄热储能系统还包括有固体蓄能单元，固体蓄能单元包括有电加热器和蓄热器，蓄热器内具有固体蓄热工质，电加热器连接于蓄热器并用于加热固体蓄热工质，蓄热器和换热器之间相连通并形成有空气回路。储能电站包括有如上的固体蓄热储能系统。本实用新型具有在高温段热性能好，运行温度范围大，且使用寿命长。在运行过程中无需伴热，也不存在冻堵和腐蚀问题；且不受地理条件限制，同时，结构简单，制造方便，成本低。

Description

固体蓄热储能系统及包含其的储能电站

技术领域

本实用新型涉及一种储能技术领域，特别涉及一种固体蓄热储能系统及包含其的储能电站。

背景技术

我国可再生能源正处于快速大规模发展的新时期，以风电和光伏为代表的可再生能源具有波动性和间歇性的特点，大规模纳入会对电网的安全稳定带来很大的冲击，因此弃风、弃光现象严重。2015年全国全年累计弃风电量为339亿千瓦时，平均弃风率15％，弃光电量为46.87亿千瓦时，平均弃光率12.62％。另一方面，随着我国电力设施的不断发展建设，“谷电”无法消纳问题严重，夜间“赋闲”的机组多达4亿千瓦，占总装机容量的近38％。那么，从技术上解决以风电和光伏为代表的可再生能源并网和电网峰谷差问题的有效途径是采用储能技术。

目前，大规模商业化应用且成本比较低廉的储能技术有抽水储能和压缩空气储能，但这两种技术对选址的要求都过高，因此不具有普遍性。近几年兴起采用熔盐作为蓄热介质的发电储能电站，由于熔盐的熔点温度较高且高温热稳定性较差，如Solar salt(NaNO3-KNO3，60-40wt.％)熔点约220度左右，最高使用温度不超过650℃，而且运行过程中需伴热保温，否则存在熔盐冻堵问题。同时，熔盐具有腐蚀性，造成系统复杂，且其容器材料以及泵、阀等关键设备的费用高，因此系统发电成本高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有熔盐储能电站存在冻堵问题，材料腐蚀性，系统复杂，设备要求高，成本高等缺陷，提供一种固体蓄热储能系统及包含其的储能电站。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种固体蓄热储能系统，其包括有换热器和发电单元，所述换热器的外壁面设有热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口，所述冷侧出口连接于所述发电单元并与所述发电单元相连通，其特点在于，所述固体蓄热储能系统还包括有固体蓄能单元，所述固体蓄能单元包括有电加热器和蓄热器，所述蓄热器内具有固体蓄热工质，所述电加热器连接于所述蓄热器并用于加热所述固体蓄热工质，所述蓄热器的外壁面设有进风口和出风口，所述进风口连接于所述热侧出口，所述出风口连接于所述热侧进口，所述蓄热器和所述换热器之间相连通并形成有空气回路。

在本方案中，固体蓄热工质的熔点温度高，在高温段热性能优于熔盐，且运行温度范围大，固体蓄热工质使用寿命长。同时，导热系数大，传热速度快，能够将热源中心处的热量迅速传出。

另外，通过空气回路进行传热，在运行过程中无需伴热，也不存在冻堵和腐蚀问题，在使用过程中对周围环境没过多要求，不受地理条件限制。同时，结构简单，制造方便，成本低。

较佳地，所述空气回路上设有调节阀，所述固体蓄能单元还包括有旁通阀，所述旁通阀的两端分别连接于所述热侧出口和所述热侧进口并与所述换热器相连通。

在本方案中，调节阀用于调节空气回路中通过蓄热器的热空气流量大小，同时，旁通阀用于调节旁路中冷空气流量大小，通过调节阀和旁通阀的联合调控，在释热过程中保证进入换热器的空气流量和温度稳定，从而保证了发电单元稳定的电力输出。

较佳地，所述固体蓄能单元还包括有混合室，所述混合室的一端连接于所述出风口和所述旁通阀并与所述蓄热器和所述旁通阀相连通，所述混合室的另一端连接于所述热侧进口并与所述换热器相连通。

在本方案中，采用上述结构形式，通过混合室实现蓄热器排出的高温空气与经过旁通阀的冷空气进行均匀混合，均匀混合之后将进入至换热器内进行换热，保证了发电单元稳定的电力输出。

较佳地，所述空气回路上设有截止阀。

在本方案中，采用上述结构形式，通过截止阀用于控制空气回路的开关，固体蓄热储能系统在蓄热的时候，通过截止阀和调节阀能够实现空气回路中的空气不流动，减少热损失。

较佳地，所述空气回路上还设有风机。

在本方案中，采用上述结构形式，通过风机提供空气回路中空气流动的动力，保证空气回路的正常运行。

较佳地，所述固体蓄能单元还包括有控制器，所述控制器电连接于所述电加热器和外部的电源，且所述控制器用于控制所述电加热器与外部的所述电源之间的电能调节和开断。

在本方案中，采用上述结构形式，通过控制器便于控制固体蓄能单元的开断，提高了固体蓄能单元的安全性。

较佳地，所述发电单元包括发电组件和冷却器，所述发电组件的进口连接于所述冷侧出口，所述发电组件的出口连接于所述冷却器的热源进口，所述冷却器的热源出口连接于所述冷侧进口，所述发电组件、所述冷却器和所述换热器之间相连通并形成有发电回路。

在本方案中，采用上述结构形式，在发电回路中通过发电组件实现发电。

另外，通过冷却器能够进一步利用发电工质的余热，用于对外部进行供暖等，进一步达到节能效果，

较佳地，所述发电组件包括有蒸汽轮机和发电机，所述发电机连接于所述蒸汽轮机，所述蒸汽轮机、所述冷却器和所述换热器之间相连通并形成有所述发电回路，所述发电回路上设置有泵。

较佳地，所述发电组件包括有透平和发电机，所述发电机连接于所述透平，所述透平的进口和出口分别连接于所述冷侧出口和所述冷却器的热源进口，所述发电单元还包括有压缩机，所述压缩机与所述透平通过传动轴连接，且所述压缩机的进口和出口分别连接于所述冷却器的热源出口和所述冷侧进口，所述透平、所述冷却器、所述压缩机和所述换热器之间相连通并形成有所述发电回路。

在本方案中，采用上述结构形式，采用透平进行发电，具有热功转换效率高，设备初投资少，运行费用及维修成本低，安全性高，选址灵活，具备模块化发展等优点。

另外，通过冷却器能够进一步利用发电工质的余热，用于对外部进行供暖等，进一步达到节能效果，

较佳地，所述发电单元还包括有回热器，所述回热器的外壁面设有加热进口、加热出口、回热进口、回热出口，所述加热进口连接于所述透平并与所述透平相连通，所述加热出口连接于所述冷却器并与所述冷却器相连通，所述回热进口连接于所述压缩机并与所述压缩机相连通，所述回热出口连接于所述冷侧进口并与所述换热器相连通。

在本方案中，采用上述结构形式，通过回热器能够对发电工质的热能进一步回收利用，达到节能效果。

一种储能电站，其特点在于，其包括有如上所述的固体蓄热储能系统。

在本方案中，固体蓄热在高温段热性能好，运行温度范围大，且使用寿命长。同时，在运行过程中无需伴热，且不受地理条件限制。结构简单，制造方便，成本低。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型的积极进步效果在于：

本实用新型的固体蓄热储能系统及包含其的储能电站，通过固体蓄热工质进行储能，在高温段热性能好，运行温度范围大，且使用寿命长。通过空气回路进行传热，在运行过程中无需伴热，也不存在冻堵和腐蚀问题；且不受地理条件限制，同时，结构简单，制造方便，成本低。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的储能电站的结构示意图。

图2为本实用新型实施例2的储能电站的结构示意图。

附图标记说明：

固体蓄能单元1，蓄热器11，进风口111，出风口112，电加热器12；

调节阀13，旁通阀14，混合室15，截止阀16，风机17，控制器18；

换热器2，热侧进口21，热侧出口22，冷侧进口23，冷侧出口24；

发电单元3，发电组件31，发电机311，蒸汽轮机312，透平313；

冷却器32，热源进口321，热源出口322，冷源进口323，冷源出口324；

泵33，压缩机34，回热器35，加热进口351，加热出口352；

回热进口353，回热出口354；

电源10。

具体实施方式

下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例的储能电站包括有固体蓄热储能系统。该固体蓄热储能系统包括有固体蓄能单元1、换热器2和发电单元3，换热器2的外壁面设有热侧进口21、热侧出口22、冷侧进口23和冷侧出口24，冷侧出口 24连接于发电单元3并与发电单元3相连通。固体蓄能单元1包括有电加热器12和蓄热器11，蓄热器11内具有固体蓄热工质，电加热器12连接于蓄热器11并用于加热固体蓄热工质，蓄热器11的外壁面设有进风口111和出风口112，进风口111连接于热侧出口22，出风口112连接于热侧进口21，蓄热器11和换热器2之间相连通并形成有空气回路。

储能电站在需要蓄热储能时，通过电加热器12使得外部的电源10对蓄热器11内的固体蓄热工质进行加热，将低温的固体蓄热工质加热至高温的固体蓄热工质，从而使得电能转化为热能，从而实现将热能存储在蓄热器11 内。在需要用电时，空气回路内的空气将通过进风口111进入至蓄热器11 内，空气与高温的固体蓄热工质直接接触，高温的固体蓄热工质将热能传递给空气，使得空气的温度升高，高温的空气将通过出风口112被排出，之后再通过热侧进口21进入至换热器2内，高温的空气通过换热器2将热能传递给到换热器2内的发电工质，发电工质将通过换热器2的冷侧出口24输出并进入至发电单元3，使得热能输出至发电单元3，通过发电单元3将发电工质的热能转化为机械能，然后转化为电能，从而实现了供电；同时，换热器2的空气换热之后将通过热侧出口22排出，之后通过进风口111进入至蓄热器11内，从而完成一次循环。

蓄热器11内的固体蓄热工质具有熔点温度高，导热系数大，传热速度快。同时，在高温段热性能好，运行温度范围大，且使用寿命长。优选地，固体蓄热工质可以采用熔点1800℃以上的耐火砖，耐火砖包括氧化镁砖、氧化铝砖或者镁铁砖等，价格低廉，且具有良好的蓄热能力。

通过空气回路进行传热，在运行过程中无需伴热，也不存在冻堵和腐蚀问题，在使用过程中对周围环境没过多要求，不受地理条件限制。同时，固体蓄能单元1的结构简单，制造方便，成本低。

电加热器12可以采用运行温度峰值能到1000℃及以上的金属的电加热元件或者非金属的电加热元件。其中，金属的电加热元件包括有铁铬铝合金和镍铬合金等，非金属的电加热元件包括有碳化硅电加热器，二硅化钼电加热器等。电加热器12设置在蓄热器11内，其布置方向可以与蓄热器11中耐火砖内的通风通道平行，也可以与耐火砖内的通风通道垂直。由于碳化硅电加热器的长度常见在1-2m之间，最大长度在4m以内；二硅化钼电加热器可造长度不足，通常在0.5m-1.5m之间，而且运行温度越高，可造长度越短。因此，金属的电加热元件的布置方向与耐火砖内的通风通道垂直，非金属的电加热元件的布置方向可以与耐火砖内的通风通道平行或者垂直。

空气回路上可以设有调节阀13。调节阀13用于调节空气回路中通过蓄热器11的热空气流量大小，在一开始发电时，调节阀13可以将空气回路中空气的流量调小，在发电的过程中，随着固体蓄热工质温度的降低，通过调节阀13控制空气回路中空气流量从小到大。固体蓄能单元1还可以包括有旁通阀14，旁通阀14的两端分别连接于热侧出口22和热侧进口21并与换热器2相连通。通过旁通阀14使得换热器2排出的冷空气中部分冷空气不经过蓄热器11而进入混合室15后，直接进入至换热器2内，通过调节阀13 和旁通阀14的联合调控，在释热过程中保证进入换热器2的空气流量和温度稳定，从而保证了发电单元3稳定的电力输出。

固体蓄能单元1还可以包括有混合室15，混合室15的一端连接于出风口112和旁通阀14并与蓄热器11和旁通阀14相连通，混合室15的另一端连接于热侧进口21并与换热器2相连通。通过混合室15实现蓄热器11排出的高温空气与经过旁通阀14的空气进行均匀混合，均匀混合之后将进入至换热器2内进行换热，保证了储能电站能够稳定的电力输出。

空气回路上设有截止阀16。通过截止阀16用于控制空气回路的开关，固体蓄热储能系统在蓄热的时候，通过截止阀16和调节阀13能够实现空气回路中的空气不流动，减少热损失。

空气回路上设有风机17。通过风机17提供空气回路中空气流动的动力。

固体蓄能单元1还可以包括有控制器18，控制器18电连接于电加热器 12和外部的电源10，且控制器18用于控制电加热器12与外部的电源10之间的电能调节和开断。通过控制器18便于控制固体蓄能单元1的开断，提高了固体蓄能单元1的安全性。其中，外部的电源10可以是风力发电电站、光伏发电电站或其他电力不稳定的发电电站，以及有多余电能的火电电站。当外部的电源10受电网调度限负荷时，控制器18可以根据调度指令，将不稳定的电能经控制器18馈入电加热器12，实现电能转化为热能并把能量存贮起来。

发电单元3可以包括发电组件31和冷却器32，发电组件31的进口连接于冷侧出口24，发电组件31的出口连接于冷却器32的热源进口321，冷却器32的热源出口322连接于冷侧进口23，发电组件31、冷却器32和换热器2之间相连通并形成有发电回路。

在发电回路中的发电工质通过换热器2被加热后升温，升温之后的发电工质进入至发电组件31内，实现热能转换成机械能，通过发电组件31实现发电。发电工质通过发电组件31之后再进入至冷却器32，通过冷却器32 中的冷源进口323和冷源出口324能够连接于外部，进一步利用发电工质的余热，用于对外部进行供暖等，进一步达到能量梯级利用的效果。同时，发电工质在冷却器32内换热后将会进一步温度降低，通过冷却器32的出口输出并进入至换热器2内，实现循环。

发电组件31可以包括有蒸汽轮机312和发电机311，发电机311连接于蒸汽轮机312，蒸汽轮机312、冷却器32和换热器2之间相连通并形成有发电回路。通过驱动蒸汽轮机312来发电。发电回路上设置有泵33，通过泵 33提供发电回路中流动的动力，保证发电回路的正常运行。

实施例2

如图2所示，本实施例的储能电站结构与实施例1的相同部分不再复述，仅对不同之处作说明。在本实施例的储能电站中，发电组件31可以包括有透平313和发电机311，发电机311连接于透平313，透平313的进口和出口分别连接于冷侧出口24和冷却器32的热源进口321，发电单元3还包括有压缩机34，压缩机34与透平313通过传动轴连接，且压缩机34的进口和出口分别连接于冷却器32的热源出口322和冷侧进口23，透平313、冷却器32、压缩机34和换热器2之间相连通并形成有发电回路。

发电工质通过换热器2被加热升温，升温之后的发电工质进入至透平 313，实现热能转换成机械能，再通过发电机311实现发电，发电工质通过透平313之后再进入至冷却器32，通过冷却器32能够进一步利用发电工质的余热，用于对外部进行供暖等，进一步达到能量梯级利用的效果。同时，发电工质换热后将会进一步温度降低，通过冷却器32的出口输出并进入至压缩机34内；通过压缩机34之后发电工质通过冷侧进口23进入至换热器2 内，并循环利用。通过发电回路联合循环或者热电联供，达到节能效果，且提高了发电效率。同时，采用透平313进行发电，具有热功转换效率高，设备初投资少，运行费用及维修成本低，安全性高，选址灵活，具备模块化发展等优点。其中，发电回路内的发电工质可以为超临界二氧化碳，或者可以为氦气，或者还可以为氦气和氮气的混合气体。

发电单元3还可以包括有回热器35，回热器35的外壁面设有加热进口 351、加热出口352、回热进口353、回热出口354，加热进口351连接于透平313并与透平313相连通，加热出口352连接于冷却器32并与冷却器32 相连通，回热进口353连接于压缩机34并与压缩机34相连通，回热出口354 连接于冷侧进口23并与换热器2相连通。

发电工质在经过透平313之后将通过加热进口351进入至回热器35内，此时发电工质的温度较高，为高温发电工质。而经过压缩机34的发电工质通过回热进口353进入至回热器35，该发电工质的温度较低，为低温发电工质，高温发电工质将热能传递给到低温发电工质之后将通过加热出口352进入至冷却器32，低温发电工质在接收热能并温度升高之后将通过回热出口 354进入至换热器2内。通过回热器35能够对发电工质的热能进一步回收利用，达到节能效果。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种固体蓄热储能系统，其包括有换热器和发电单元，所述换热器的外壁面设有热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口，所述冷侧出口连接于所述发电单元并与所述发电单元相连通，其特征在于，所述固体蓄热储能系统还包括有固体蓄能单元，所述固体蓄能单元包括有电加热器和蓄热器，所述蓄热器内具有固体蓄热工质，所述电加热器连接于所述蓄热器并用于加热所述固体蓄热工质，所述蓄热器的外壁面设有进风口和出风口，所述进风口连接于所述热侧出口，所述出风口连接于所述热侧进口，所述蓄热器和所述换热器之间相连通并形成有空气回路。

2.如权利要求1所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述空气回路上设有调节阀，所述固体蓄能单元还包括有旁通阀，所述旁通阀的两端分别连接于所述热侧出口和所述热侧进口并与所述换热器相连通。

3.如权利要求2所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述固体蓄能单元还包括有混合室，所述混合室的一端连接于所述出风口和所述旁通阀并与所述蓄热器和所述旁通阀相连通，所述混合室的另一端连接于所述热侧进口并与所述换热器相连通。

4.如权利要求1所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述空气回路上设有截止阀。

5.如权利要求1所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述空气回路上还设有风机。

6.如权利要求1所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述固体蓄能单元还包括有控制器，所述控制器电连接于所述电加热器和外部的电源，且所述控制器用于控制所述电加热器与外部的所述电源之间的电能调节和开断。

7.如权利要求1所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述发电单元包括发电组件和冷却器，所述发电组件的进口连接于所述冷侧出口，所述发电组件的出口连接于所述冷却器的热源进口，所述冷却器的热源出口连接于所述冷侧进口，所述发电组件、所述冷却器和所述换热器之间相连通并形成有发电回路。

8.如权利要求7所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述发电组件包括有蒸汽轮机和发电机，所述发电机连接于所述蒸汽轮机，所述蒸汽轮机、所述冷却器和所述换热器之间相连通并形成有所述发电回路，所述发电回路上设置有泵。

9.如权利要求7所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述发电组件包括有透平和发电机，所述发电机连接于所述透平，所述透平的进口和出口分别连接于所述冷侧出口和所述冷却器的热源进口，所述发电单元还包括有压缩机，所述压缩机与所述透平通过传动轴连接，且所述压缩机的进口和出口分别连接于所述冷却器的热源出口和所述冷侧进口，所述透平、所述冷却器、所述压缩机和所述换热器之间相连通并形成有所述发电回路。

10.如权利要求9所述的固体蓄热储能系统，其特征在于，所述发电单元还包括有回热器，所述回热器的外壁面设有加热进口、加热出口、回热进口、回热出口，所述加热进口连接于所述透平并与所述透平相连通，所述加热出口连接于所述冷却器并与所述冷却器相连通，所述回热进口连接于所述压缩机并与所述压缩机相连通，所述回热出口连接于所述冷侧进口并与所述换热器相连通。

11.一种储能电站，其特征在于，其包括有如权利要求1-10中任意一项所述的固体蓄热储能系统。