CN210370822U - 一种基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，该系统包括热泵制热制冷储能回路和冷热能热机发电回路，该系统的热能和冷能分别存储于多个高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并分别存储于高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中；在用电高峰，回路中的气体通过阵列化控制吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。本实用新型的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统具有储能密度高、成本低、效率高、运行稳定、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

一种基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统

技术领域

本实用新型属于能量储存技术领域，涉及一种基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，是一种基于热泵循环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基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，该系统包括热泵制热制冷储能回路和冷热能热机发电回路，该系统的热能和冷能分别存储于多个填充床组成的阵列中。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并存储于储热储冷阵列中；在用电高峰，回路中的气体储热储冷阵列，通过阵列化控制吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。本实用新型的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统具有储能密度高、成本低、效率高、运行稳定、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。

为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

一种基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、若干并联的低温蓄冷换热器、若干并联的高温蓄热换热器、第一低压换热器、第一高压换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元，其特征在于，

所述若干并联的低温蓄冷换热器形成为低温蓄冷换热器阵列，所述若干并联的高温蓄热换热器形成为高温蓄热换热器阵列；

所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列、第一低压换热器、第一高压换热器形成为热泵制热制冷储能回路；

所述低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列还与所述释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元形成为冷热能热机发电回路；

其中，

--所述热泵制热制冷储能回路中，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，

所述储能压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热换热器阵列、第一高压换热器的热侧与所述储能膨胀机组的进气口连通，

所述储能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述低温蓄冷换热器阵列、第一低压换热器的冷侧与所述储能压缩机组的进气口连通；

--所述冷热能热机发电回路中，所述释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元依次传动连接，

所述释能压缩机组的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器的热侧、高温蓄热换热器阵列与所述释能膨胀机组的进气口连通，

所述释能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器的冷侧、低温蓄冷换热器阵列与所述释能压缩机组的进气口连通。

优选地，所述系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐的进口通过一带有阀门的管路与所述高温蓄热换热器阵列连通，所述缓冲罐的出口通过一带有阀门的管路与所述第二低压换热器的冷侧进口连通。

优选地，各所述高温蓄热换热器的底部端口管线上设有控制阀门，顶部端口管线上设有温度传感器。

进一步地，所述系统还包括一第一控制器，所述第一控制器与各所述控制阀门和温度传感器通信连接，并根据各所述温度传感器反馈的温度信息，控制各所述控制阀门的开度进而控制各所述高温蓄热换热器的流量。

优选地，各所述低温蓄冷换热器的顶部端口管线上设有控制阀门，底部端口管线设有温度传感器。

进一步地，所述系统还包括一第二控制器，所述第二控制器与各所述控制阀门和温度传感器通信连接，并根据各所述温度传感器反馈的温度信息，控制各所述控制阀门的开度进而控制各所述低温蓄冷换热器的流量。

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、水电或潮汐发电中的一种或多种为电源。

优选地，所述储能压缩机组和/或释能压缩机组，其总压比在5～40之间；当所述储能压缩机组和/或释能压缩机组包括多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式或分轴并联形式，分轴并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；所述储能膨胀机组和/或释能膨胀机组，其总膨胀比在5～40之间；当所述储能膨胀机组和/或释能膨胀机组包括多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式或分轴并联形式，分轴并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

优选地，各所述高温蓄热换热器、各所述低温蓄冷换热器均为填充床式蓄能装置，整体呈圆柱体、球体或长方体，其中填充的蓄能材料为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖等材料的一种或至少二种的组合。

优选地，在释能过程中，所述高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中的各所述高温蓄热换热器和低温蓄冷换热器不同时工作，而是在上一个高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器达到临界蓄热或蓄冷温度时，切断上一个高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器，下一个高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器进行工作，直至所有的高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器达到临界蓄热或蓄冷温度时，所述系统停止工作。

优选地，所述循环气体工质为氩气、氦气、氢气、氮气、氧气或空气的其中一种或至少两种的混合。

同现有技术相比，本实用新型的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并分别存储于高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中的蓄能材料中；在用电高峰，回路中的高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列，通过阵列化控制吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。本实用新型的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，具有储能密度高、成本低、效率高、运行稳定、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。

附图说明

图1为实用新型的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统示意图。

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，本实用新型的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，由驱动单元1、储能压缩机组2、储能膨胀机组3、低温蓄冷换热器4、低温蓄冷换热器5、低温蓄冷换热器6、高温蓄热换热器7、高温蓄热换热器8、高温蓄热换热器9、第一低压换热器10、第一高压换热器11、释能压缩机组 12、释能膨胀机组13、发电单元14、第二高压换热器15、第二低压换热器 16、第一控制器17、第二控制器18、缓冲罐19、阀门 21,22,104～106,207～209、温度传感器107～109,204～206及多根管线30～43组成。

上述系统中，驱动单元1为驱动电机或风力机，当驱动单元1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。

各低温蓄冷换热器4～6、各高温蓄热换热器7～9均为填充床式蓄能装置，整体呈圆柱体、球体或长方体，其中填充的蓄能材料为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖等材料的一种或至少二种的组合。其中，低温蓄冷换热器 4、低温蓄冷换热器5、低温蓄冷换热器6等部件形成低温蓄冷换热器阵列，各低温蓄冷换热器4～6的顶部管线上均设有控制阀门104～106，底部管线上设有温度传感器204～206，各控制阀门104～106及各温度传感器204～206均与第一控制器17通信连接；高温蓄热换热器7、高温蓄热换热器8、高温蓄热换热器9等部件形成高温蓄热换热器阵列，各高温蓄热换热器7～9的底部管线上均设有控制阀门207～209，顶部管线上均设有温度传感器107～109，各控制阀门207～209及各温度传感器107～109均与第二控制器17通信连接。第一控制器17、第二控制器17分别根据各温度传感器204～206、107～109反馈的温度信息，控制各控制阀门104～106、207～209的开度进而控制各高温蓄热换热器7～9及各低温蓄冷换热器4～6的流量。

本实用新型的上述基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，整体可划分为热泵制热制冷储能回路和冷热能热机发电回路，该系统的热能和冷能分别存储于多个填充床组成的储热储冷阵列中。其中，储能压缩机组2、高温蓄热换热器阵列7～9、第一高压换热器11、储能膨胀机组3、低温蓄冷换热器阵列4～6、第一低压换热器11及管线31、32、33、34、35、36等部件形成热泵制热制冷储能回路，储能回路中充有循环气体工质。驱动单元1优选为驱动电机，储能压缩机组2和储能膨胀机组3的传动轴共轴布置，驱动单元1与储能压缩机组2和储能膨胀机组3的共有传动轴传动连接。储能压缩机组2的排气口通过管线31、32、33依次经高温蓄热换热器阵列7～9、第一高压换热器11的热侧与储能膨胀机组3的进气口连通，储能膨胀机组3的排气口通过管线34、35、36依次经低温蓄冷换热器阵列4～6、第一低压换热器10的冷侧与储能压缩机组2的进气口连通；高温蓄热换热器阵列7～9的排气管线32还通过一设有阀门21的分支管线37与缓冲罐19的进口相连接，储能时，通过将高温蓄热换热器阵列排出的少量气体分流至缓冲罐19，可以保证系统压力稳定。

释能压缩机组12、第二高压换热器15、高温蓄热换热器阵列7～9、释能膨胀机组13、第二低压换热器16、低温蓄冷换热器阵列4～6、发电单元14 及管线38～43等部件形成冷热能热机发电回路，发电回路中充有循环气体工质。释能压缩机组12和释能膨胀机组13的传动轴共轴布置，发电单元14与释能压缩机组12和释能膨胀机组13的共有传动轴传动连接。释能压缩机组 12的排气口通过管线42、43、38依次经第二高压换热器的热侧、高温蓄热换热器阵列7～9与释能膨胀机组13的进气口连通，释能膨胀机组13的排气口通过管线39、40依次经第二低压换热器16的冷侧、低温蓄冷换热器阵列 4～6与释能压缩机组12的进气口连通；第二低压换热器16的进气口还通过管道39与缓冲罐19的出口管道44相连接，出口管道44上设有阀门22，释能发电时，少量气体从缓冲罐19流入第二低压换热器16，以保证系统压力稳定。

在用电低谷期，驱动单元1驱动储能压缩机组2将常温低压的循环气体工质压缩至高温高压态；之后经过高温蓄热换热器阵列7～9将高温高压的循环气体工质的温度降低至常温，并将高温热能存储在高温蓄热换热器阵列 7～9的蓄热介质中；之后常温高压的循环气体工质经过第一高压换热器11的热侧后温度降至室温附近；室温高压的循环气体工质进一步经过储能膨胀机组3膨胀降温至低温低压；低温低压的循环气体工质经过低温蓄冷换热器阵列4～6后将低温低压的循环气体工质的温度升高至常温，并将低温冷能存储在低温蓄冷换热器阵列4～6的蓄冷介质中；常温低压的循环气体工质经过第一低压换热器10后温度至室温附近；室温低压的循环气体工质重新进入储能压缩机组2的入口参与热泵循环，如此循环往复，不断将高温热能和低温冷能分别存储在高温蓄热换热器阵列7～9的蓄热介质和低温蓄冷换热器阵列 4～6的蓄冷介质中。在整个储能过程中，缓冲罐进口阀门打开，出口阀门关闭；调节缓冲罐进口管路上阀门的开度，一定量的循环气体从系统进入缓冲罐19中，以保证系统压力稳定；储能过程结束后，缓冲罐进口管路上阀门关闭。

在用电高峰期，常温低压的循环气体工质首先经过低温蓄冷换热器阵列4～6，吸收低温冷能后温度降至低温低压，经过释能压缩机组12将低温低压的循环气体工质压缩至常温高压态；常温高压的循环气体工质经过第二高压换热器15的热侧温度降至室温附近；经过高温蓄热换热器阵列7～9将室温高压的循环气体工质温度升高至高温；高温高压的循环气体工质进一步经过释能膨胀机组13膨胀降温至常温低压；常温低压的循环气体工质经过第二低压换热器16后温度至室温附近；室温低压的循环气体工质重新进入低温蓄冷换热器阵列4～6的入口参与热机循环。释能膨胀机组13驱动连接一发电单元14(优选为发电机)，且释能压缩机组12与释能膨胀机组13的传动轴传动连接。如此循环往复，不断将存储的高温热能和低温冷能通过热机循环转化为电能输出出来。在整个释能过程中，缓冲罐出口阀门打开，进口阀门关闭；调节缓冲罐出口管路上阀门的开度，一定量的循环气体从缓冲罐 19进入系统中，以保证系统压力稳定；释能过程结束后，缓冲罐出口管路上阀门关闭。

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)

1.一种基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、若干并联的低温蓄冷换热器、若干并联的高温蓄热换热器、第一低压换热器、第一高压换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元，其特征在于，

所述若干并联的低温蓄冷换热器形成为低温蓄冷换热器阵列，所述若干并联的高温蓄热换热器形成为高温蓄热换热器阵列；

所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列、第一低压换热器、第一高压换热器形成为热泵制热制冷储能回路；

所述低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列还与所述释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元形成为冷热能热机发电回路；

其中，

--所述热泵制热制冷储能回路中，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，

所述储能压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热换热器阵列、第一高压换热器的热侧与所述储能膨胀机组的进气口连通，

所述储能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述低温蓄冷换热器阵列、第一低压换热器的冷侧与所述储能压缩机组的进气口连通；

--所述冷热能热机发电回路中，所述释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元依次传动连接，

所述释能压缩机组的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器的热侧、高温蓄热换热器阵列与所述释能膨胀机组的进气口连通，

所述释能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器的冷侧、低温蓄冷换热器阵列与所述释能压缩机组的进气口连通。

2.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，所述系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐的进口通过一带有阀门的管路与所述高温蓄热换热器阵列的底部总管连通，所述缓冲罐的出口通过一带有阀门的管路与所述第二低压换热器的冷侧进口连通。

3.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，各所述高温蓄热换热器的底部端口管线上设有控制阀门，顶部端口管线上设有温度传感器。

4.根据权利要求3所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，所述系统还包括一第一控制器，所述第一控制器与各所述控制阀门和温度传感器通信连接，并根据各所述温度传感器反馈的温度信息，控制各所述控制阀门的开度进而控制各所述高温蓄热换热器的流量。

5.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，各所述低温蓄冷换热器的顶部端口管线上设有控制阀门，底部端口管线设有温度传感器。

6.根据权利要求5所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，所述系统还包括一第二控制器，所述第二控制器与各所述控制阀门和温度传感器通信连接，并根据各所述温度传感器反馈的温度信息，控制各所述控制阀门的开度进而控制各所述低温蓄冷换热器的流量。

7.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，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。

8.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，所述储能压缩机组和/或释能压缩机组，其总压比在5～40之间；当所述储能压缩机组和/或释能压缩机组包括多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式或分轴并联形式，分轴并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接；所述储能膨胀机组和/或释能膨胀机组，其总膨胀比在5～40之间；当所述储能膨胀机组和/或释能膨胀机组包括多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式或分轴并联形式，分轴并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。

9.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，各所述高温蓄热换热器、各所述低温蓄冷换热器均为填充床式蓄能装置，整体呈圆柱体、球体或长方体，其中填充的蓄能材料为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖中的一种或至少二种的组合。

10.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储能发电系统，其特征在于，在释能过程中，所述高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中的各所述高温蓄热换热器和低温蓄冷换热器不同时工作，而是在上一个高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器达到临界蓄热或蓄冷温度时，切断上一个高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器，下一个高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器进行工作，直至所有的高温蓄热换热器或低温蓄冷换热器达到临界蓄热或蓄冷温度时，所述系统停止工作。

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