CN208870659U - 一种热泵压缩空气储能系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种热泵压缩空气储能系统，包括热泵高温制热循环回路和压缩空气储能‑释能回路，采用电站低谷(低价)电将空气压缩至高压状态(同时将空气压缩热存储)，利用热泵高温制热循环回路制取高温热并存储；在用电高峰，高压压缩空气依次吸收已存储的压缩热和高温热能，进入膨胀机驱动发电机发电。本实用新型的热泵压缩空气储能系统具有结构简单、效率高、灵活性强、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于能量储存技术领域，涉及一种热泵压缩空气储能系统，是一种基于热泵循环和压缩空气存储能量以及利用所存储能量产生电能的储能系统。
背景技术
近年来，可再生能源正逐步成为新增电力重要来源，电网结构和运行模式都发生了重大变化。随着可再生能源(风能、太阳能等)的日益普及,以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求,电力储能系统的重要性日益凸显。储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源(以下简称能源互联网)的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。
目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的99.5％。
抽水电站储能系统在电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。抽水电站储能系统技术上成熟可靠、效率高(～70％)、储能容量大等优点，目前已经广泛使用。但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长(一般约7～15年)，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造抽水电站储能系统受到了越来越大的限制。
传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高(50％～70％)和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低，难点是需要合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。
为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，最近几年国内外学者分别开展了先进绝热压缩空气储能系统(AACAES)、地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)的研究等，使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，需要大型的储气室。
实用新型内容
针对现有技术所存在的上述缺点和不足，本实用新型的目的是提供一种热泵压缩空气储能系统，采用电站低谷电将空气压缩至高压状态同时将空气压缩热存储，利用热泵循环系统制取高温热并存储；在用电高峰，压缩高压依次吸收已存储的压缩热和高温热能，进入膨胀机驱动发电机发电。相比现有的压缩空气储能系统等，本实用新型的热泵压缩空气储能系统具有结构简单、温度高、储热密度高、灵活性强等特点，可以适合各种类型的电站配套使用。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
一种热泵压缩空气储能系统，包括热泵高温制热循环回路和压缩空气储能-释能回路，其特征在于，
--所述热泵高温制热循环回路，包括循环压缩机组、高温蓄热/换热器、换热器、热泵循环膨胀机组，所述循环压缩机组由驱动单元驱动，且所述循环压缩机组与热泵循环膨胀机组传动连接，所述循环回路中充有热泵循环气体工质，其中，
所述循环压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热/换热器、换热器与所述热泵循环膨胀机组的进气口连通，
所述热泵循环膨胀机组的排气口通过管线经所述换热器的冷侧与所述循环压缩机组的进气口连通；
--所述压缩空气储能-释能回路，包括空气压缩机组、中低温蓄热/换热器、储气罐、所述高温蓄热/换热器、空气膨胀机组，所述空气压缩机组由驱动电机驱动，所述空气膨胀机组驱动连接一发电机，其中，
所述空气压缩机组的进气口与大气连通，排气口通过管线经所述中低温蓄热/换热器与所述储气罐的进气口连通，
所述储气罐的出气口通过管线经所述中低温蓄热/换热器、所述高温蓄热/换热器后与所述空气膨胀机组的进气口连通，所述空气膨胀机组的排气口与大气连通，
至少在所述储气罐的出气管线上设有阀门。
优选地，在用电低谷期，所述系统利用所述热泵高温制热循环回路制备高温热能并储热，具体为：驱动单元驱动所述热泵循环压缩机组将中温低压的热泵循环气体工质压缩至高温高压态；利用所述高温蓄热/换热器将高温高压的热泵循环气体工质的温度降低至中温，并将高温热能存储在所述高温蓄热/换热器的蓄热介质中；中温高压的热泵循环气体工质经过所述换热器的热侧后转变为中低温高压；中低温高压的热泵循环气体工质进一步经过所述热泵循环膨胀机组至低温低压；低温低压的热泵循环气体工质经所述换热器的冷侧后温度升高至中温；中温低压的热泵循环气体工质重新进入所述热泵循环压缩机组的入口参与热泵循环，如此循环往复，不断将高温热能存储在所述高温蓄热/换热器的蓄热介质中；
进一步地，在用电低谷期，所述压缩空气储能-释能回路储能，采用电站低谷电驱动所述空气压缩机组，将空气压缩为中低温高压空气；中低温高压空气经过所述中低温蓄热/换热器后温度降低并存储于储气罐中。
进一步地，在用电高峰期，所述压缩空气储能-释能回路释能，储气罐内的压缩空气依次经所述中低温蓄热/换热器和所述高温蓄热/换热器后温度不断升高直至转变为高温高压空气；高温高压空气在空气膨胀机组中膨胀做功，驱动发电机发电。
优选地，所述的热泵循环气体工质为单原子分子气体、双原子气体分子或多原子分子气体的一种或多种的混合。
优选地，所述的单原子分子气体的热泵循环气体工质，为氦气、氩气的一种或两种混合。
优选地，所述驱动单元为驱动电机或风力机，当所述驱动单元为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电其中的一种或多种为电源。
优选地，所述压缩空气储能-释能回路中还设有空气净化与纯化设备，所述空气净化与纯化设备集成在所述空气压缩机组及中低温蓄热/换热器中，所述空气净化与纯化设备用以在空气压缩、冷却过程中对空气进行净化与纯化，除去空气中的固体物及杂质气体。
优选地，所述空气压缩机组，总压比在36～340之间；当所述空气压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
优选地，所述空气膨胀机组，总膨胀比在38～340之间，末级膨胀机排气接近常压；当所述空气膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级膨胀机的进气均先经过蓄热/换热器加热升温。
优选地，所述热泵循环压缩机组，总压比在5～40之间；当所述热泵循环压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
优选地，所述热泵循环膨胀机组，总膨胀比在5～40之间；当所述热泵循环膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
优选地，所述的空气压缩机、空气膨胀机、热泵循环压缩机、和/或热泵循环膨胀机，为活塞式、轴流式、离心式、螺杆式或混合式。
优选地，所述的多台压缩机、多台膨胀机分别分布在一根驱动轴或多根驱动轴上；所述的热泵循环压缩机、热泵循环膨胀机分布在一根驱动轴上，或通过变速箱连接的多根驱动轴上。
优选地，所述中低温蓄热/换热器和高温蓄热/换热器，其蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种，其换热形式是高压空气直接接触蓄热材料或者通过换热表面与蓄热材料换热；采用的蓄热介质是水、石蜡、生物质油、无机类结晶水合盐、熔融盐、金属及其合金、有机类脂肪酸、石头、岩石或混凝土，蓄热介质储存在绝热容器中。
优选地，所述换热器，其形式为列管式、管翅式、板翅式或板式的一种或多种的组合。
同现有技术相比，本实用新型的热泵-压缩空气储能系统，采用电站低谷电将空气压缩至高压状态同时将空气压缩热存储，利用热泵循环系统制取高温热并存储；在用电高峰，压缩高压依次吸收已存储的压缩热和高温热能，进入膨胀机驱动发电机发电。相比现有的压缩空气储能系统等，本实用新型的热泵压缩空气储能系统具有结构简单、温度高、储热密度高、灵活性强等特点，可以适合各种类型的电站配套使用。
附图说明
图1为本实用新型的热泵-压缩空气储能系统实施例1结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的热泵压缩空气储能系统由空气压缩机组1、中低温蓄热/换热器2、储气罐3、高温蓄热/换热器4、空气膨胀机组5、热泵循环压缩机组6、热泵循环膨胀机组7、换热器8、驱动电机9、发电机10、热泵驱动电机11、阀门14及多根管线12、13、15～22组成。
热泵循环压缩机组6、高温蓄热/换热器4、换热器8、热泵循环膨胀机组7及管线18、19、20、21、22形成热泵高温制热回路。热泵驱动电机11与热泵循环压缩机组6和热泵循环膨胀机组7的共有传动轴固接，循环压缩机组6的排气口通过管线依次经高温蓄热/换热器4、换热器8的热侧与热泵循环膨胀机组7的进气口连通，热泵循环膨胀机组7的排气口通过管线经换热器8的冷侧与循环压缩机组6的进气口连通。
空气压缩机组1、中低温蓄热/换热器2、储气罐3、高温蓄热/换热器4、空气膨胀机组5及管线12、13、15、16、17形成空气储能-释能回路。空气压缩机组1由驱动电机9驱动，空气膨胀机组5驱动连接一发电机10。空气压缩机组1的进气口与大气A连通，排气口通过管线经中低温蓄热/换热器2与储气罐3的进气口连通，储气罐3的出气口通过管线经中低温蓄热/换热器2、高温蓄热/换热器4后与空气膨胀机组5的进气口连通，空气膨胀机组5的排气口与大气连通，至少在储气罐3的出气管线上设有阀门14。
在用电低谷期，系统利用热泵高温制热循环回路制备高温热能并储热，具体为：利用驱动单元11驱动热泵循环压缩机组6，将一定量的中温低压热泵循环气体工质压缩至高温高压态；经过高温蓄热/换热器4温度降低至中温，同时将高温热能存储与高温蓄热/换热器4中；中温高压的热泵循环气体经过换热器8冷却至中低温高压；中低温高压的热泵循环气体进一步经过热泵循环膨胀机组7至低温低压，同时产生膨胀功补充压缩机组耗功；低温低压的热泵循环气体工质经换热器8温度升高至中温；中温低压的气体重新进入热泵循环压缩机组6的入口参与热泵循环。
在用电低谷期，压缩空气储能-释能回路储能时，低谷(低价)电驱动电机9带动压缩机组，空气A进入空气压缩机组1压缩至中低温高压状态，空气压缩机出口空气通过管线12进入中低温蓄热/换热器2，中低温蓄热/换热器2出口空气降至常温通过管线13进入储气罐3中存储起来。
在用电高峰期，压缩空气储能-释能回路释能时，打开阀门14，储气罐3的高压空气经由管线15进入中低温蓄热/换热器2升温至中低温，进一步进入高温蓄热/换热器4升温至高温，温度升高后的高温高压空气通过管线17注入空气膨胀机组5膨胀做功。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
Claims (10)
1.一种热泵压缩空气储能系统，包括热泵高温制热循环回路和压缩空气储能-释能回路，其特征在于，
--所述热泵高温制热循环回路，包括循环压缩机组、高温蓄热/换热器、换热器、热泵循环膨胀机组，所述循环压缩机组由驱动单元驱动，且所述循环压缩机组与热泵循环膨胀机组传动连接，所述循环回路中充有热泵循环气体工质，其中，
所述循环压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热/换热器、换热器的热侧与所述热泵循环膨胀机组的进气口连通，
所述热泵循环膨胀机组的排气口通过管线经所述换热器的冷侧与所述循环压缩机组的进气口连通；
--所述压缩空气储能-释能回路，包括空气压缩机组、中低温蓄热/换热器、储气罐、所述高温蓄热/换热器、空气膨胀机组，所述空气压缩机组由驱动电机驱动，所述空气膨胀机组驱动连接一发电机，其中，
所述空气压缩机组的进气口与大气连通，排气口通过管线经所述中低温蓄热/换热器与所述储气罐的进气口连通，
所述储气罐的出气口通过管线经所述中低温蓄热/换热器、所述高温蓄热/换热器与所述空气膨胀机组的进气口连通，所述空气膨胀机组的排气口与大气连通，
至少在所述储气罐的出气管线上设有阀门。
2.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：在用电低谷期，所述系统利用所述热泵高温制热循环回路制备高温热能并储热，具体为：驱动单元驱动所述热泵循环压缩机组将中温低压的热泵循环气体工质压缩至高温高压态；利用所述高温蓄热/换热器将高温高压的热泵循环气体工质的温度降低至中温，并将高温热能存储在所述高温蓄热/换热器的蓄热介质中；中温高压的热泵循环气体工质经过所述换热器的热侧后转变为中低温高压；中低温高压的热泵循环气体工质进一步经过所述热泵循环膨胀机组至低温低压；低温低压的热泵循环气体工质经所述换热器的冷侧后温度升高至中温；中温低压的热泵循环气体工质重新进入所述热泵循环压缩机组的入口参与热泵循环，如此循环往复，不断将高温热能存储在所述高温蓄热/换热器的蓄热介质中。
3.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：在用电低谷期，所述压缩空气储能-释能回路储能，采用电站低谷电驱动所述空气压缩机组，将空气压缩为中低温高压空气；中低温高压空气经过所述中低温蓄热/换热器后温度降低并存储于储气罐中。
4.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：在用电高峰期，所述压缩空气储能-释能回路释能，储气罐内的压缩空气依次经所述中低温蓄热/换热器和所述高温蓄热/换热器后温度不断升高直至转变为高温高压空气；高温高压空气在空气膨胀机组中膨胀做功，驱动发电机发电。
5.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：所述驱动单元，为驱动电机或风力机；当所述驱动单元为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电中的一种或多种为电源。
6.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：所述压缩空气储能-释能回路中还设有空气净化与纯化设备，所述空气净化与纯化设备集成在所述空气压缩机组及中低温蓄热/换热器中。
7.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：所述空气压缩机组，总压比在36～340之间；当所述空气压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
8.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：所述空气膨胀机组，总膨胀比在38～340之间，末级膨胀机排气接近常压；当所述空气膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；各级膨胀机的进气均先经过蓄热/换热器加热升温。
9.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：所述热泵循环压缩机组，总压比在5～40之间；当所述热泵循环压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
10.根据权利要求1所述的热泵压缩空气储能系统，其特征在于：所述热泵循环膨胀机组，总膨胀比在5～40之间；当所述热泵循环膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
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