CN210829414U - 一种基于相变储热的电力储能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相变储热的电力储能装置，包括一用于通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能的超临界二氧化碳循环发电装置；该基于相变储热的电力储能装置还包括一用于将电能转换成热能并将其热能储存于相变储热材料内的高温蓄热器，高温蓄热器设置在热力循环发电装置上，在放热过程中，相变储热材料将热量传递给超临界二氧化碳工质。本实用新型高温蓄热器中的相变储热体的热量被超临界二氧化碳工质吸收，可使其达到1000℃以上的高温，超临界二氧化碳循环的热效率可达63％以上，高温蓄热器的热能在夜间电费较低时通过电加热方式蓄积，白天在电费较高时，通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能，所构成的储能装置的能量转换效率可达60％以上。

Description

一种基于相变储热的电力储能装置

技术领域

本实用新型涉及电力储能技术领域，特别涉及到一种基于相变储热的电力储能装置。

背景技术

随着能源转型发展的需要，电网接入的可再生能源的比例不断提高，迫切需要大容量电力储能装置，预计至2030年，我国的储能规模将达到40GW。与此同时，储能技术也迅速发展，新型的先进储能技术不断涌现。除了成熟的抽水蓄能技术以外，压缩空气储能、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、飞轮储能、超级电容、超导储能已处于示范阶段或开始商业应用，其他新的储能技术也在加紧研发。

近年来，在发电领域出现了先进的超临界二氧化碳循环发电技术，可以使热力发电效率大幅提升，甚至可以超过先进燃气-蒸汽联合循环的效率。超临界二氧化碳循环采用二氧化碳作为工质，二氧化碳化学性质不活泼，无色无味无毒、安全、价格便宜、易获得，是一种优良的天然工质。对于某些金属，如铜，二氧化碳与其不发生反应，这就为二氧化碳与金属相变储热材料直接接触换热创造了条件，而且相变储热材料(铜)具有高储能密度，可达50w·h/kg。当运行于1000℃以上温度时，超临界二氧化碳循环的热效率可达63％以上，可以满足电力储能对于效率指标的要求。超临界二氧化碳循环及金属相变储热材料的投资成本都比较低，经济性好。因此，将超临界二氧化碳循环与相变储热相结合组成新型的电力储能装置对于电力储能技术的发展有重要意义。

实用新型内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型目的提供了一种设计合理、结构简单、能够使高温蓄热器的储热效率可达97％以上，使超临界二氧化碳循环的热效率可达63％，能够使储能装置的能量转换效率可达60％的基于相变储热的电力储能装置。

为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案来实现的：

一种基于相变储热的电力储能装置，包括

一用于通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能的超临界二氧化碳循环发电装置；

其特征在于，该基于相变储热的电力储能装置还包括一用于将电能转换成热能并将其热能储存于相变储热材料内的高温蓄热器，所述高温蓄热器设置在热力循环发电装置上，在放热过程中，相变储热材料将热量传递给超临界二氧化碳工质。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述高温蓄热器包括

一用于隔热的耐火隔热层；

一用于承受超临界二氧化碳工质高压的圆筒形压力容器，所述圆筒形压力容器包覆在耐火隔热层的外周面上；

一用于储存电加热的热量的相变储热体，所述相变储热体布置于耐火隔热层围成的空间内，所述相变储热体两端设有通电端，在所述相变储热体内部设置有相变储热材料。

在本实用新型的一个优选实施例中，在所述圆筒形压力容器的外周面上包覆有保温层。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述超临界二氧化碳循环发电装置包括

一用于对超临界二氧化碳工质进行冷却液化的冷却器；

一用于将通过冷却器液化的超临界二氧化碳工质增压至设定压力值的主泵，所述主泵的进液口与冷却器的出液口相连通；

一用于对经过主泵增压后的超临界二氧化碳工质进行加热的低温回热器，所述低温回热器的高压侧进口与主泵的出液口相连通，所述低温回热器的低压侧出口与冷却器的进口相连通；

一用于对经过低温回热器加热的超临界二氧化碳工质进行加热的高温回热器，所述高温回热器的高压侧进口与低温回热器的高压侧出口相连通，所述高温回热器的低压侧出口与低温回热器的低压侧进口相连通；

一用于对经过高温回热器加热的超临界二氧化碳工质进行加热的超高温回热器，所述超高温回热器的高压侧进口与高温回热器的高压侧出口相连通，所述超高温回热器的低压侧出口与高温回热器的低压侧进口相连通，所述超高温回热器的高压侧出口与高温蓄热器的进口相连通；

一用于推动发电机产生电力的透平，所述透平的进口与高温蓄热器的出口相连通，所述透平的排气口与超高温回热器的低压侧进口相连通。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述超临界二氧化碳循环发电装置还包括一用于对从低温回热器的低压侧出口分流的超临界二氧化碳工质进行压缩的分流压缩机，所述分流压缩机的进口与低温回热器的低压侧出口相连通，所述分流压缩机的出口与高温回热器的高压侧进口相连通。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述超临界二氧化碳循环发电装置还包括一用于对从主泵的出液口分流的超临界二氧化碳工质进行加热的低温蓄热器，所述低温蓄热器的进口与主泵的出液口相连通，所述低温蓄热器的出口与低温回热器的高压侧出口相连通。

与现有技术相比，本实用新型的高温蓄热器中的相变储热体的热量被超临界二氧化碳工质吸收，可使其达到1000℃以上的高温，超临界二氧化碳循环的热效率可达63％以上，高温蓄热器的热能在夜间电费较低时通过电加热方式蓄积，白天在电费较高时，通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能，所构成的储能装置的能量转换效率可达60％以上，本实用新型的装置集成已有的设备和技术，通过系统优化配置，不需要重新开发关键设备，其中相变储热材料可完全回收和直接利用或销售，总体的投资经济性好，可建于环境冷却条件较好且有废热的工业设施内，如：发电厂、化工厂、冶炼厂等，利用厂址的冷却装置、电力设施和管理资源，储能的综合效益将更加突出。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型的控制原理图。

图2为本实用新型的高温蓄热器的纵向截面示意图。

图3为本实用新型的高温蓄热器的横向截面示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参照图1-图3所示，图中给出了一种基于相变储热的电力储能装置，包括超临界二氧化碳循环发电装置和高温蓄热器600。

超临界二氧化碳循环发电装置用于通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能，高温蓄热器用于将电能转换成热能并将其热能储存于相变储热材料内，高温蓄热器设置在热力循环发电装置上，在放热过程中，相变储热材料将热量传递给超临界二氧化碳工质。

高温蓄热器600包括耐火隔热层620、圆筒形压力容器610和相变储热体630，耐火隔热层620用于隔热，圆筒形压力容器610用于承受超临界二氧化碳工质高压，圆筒形压力容器610包覆在耐火隔热层620的外周面上。

相变储热体630用于储存电加热的热量，相变储热体630布置于耐火隔热层620围成的空间内，相变储热体630两端设有通电端631、632，在相变储热体630内部设置有相变储热材料，在本实施例中相变储热材料为铜。

在圆筒形压力容器610的外周面上包覆有保温层，有效的提高了该高温蓄热器的保温性能，减少热量的损失。

相变储热体630中盛放有相变储热材料，在储能和释能过程中，相变储热材料发生相变，即熔化和凝固。相变储热体630分成多个敞口的仓，仓与仓之间的间隙为超临界二氧化碳工质流通和换热的通道。耐火隔热层620使圆筒形压力容器610的温度在150℃以下。

超临界二氧化碳循环发电装置包括冷却器900、主泵100、低温回热器200、高温回热器400、超高温回热器500和透平700，冷却器900用于对超临界二氧化碳工质进行冷却液化。

主泵100用于将通过冷却器900液化的超临界二氧化碳工质增压至设定压力值，主泵100的进液口与冷却器900的出液口相连通，低温回热器200用于对经过主泵100增压后的超临界二氧化碳工质进行加热，低温回热器200的高压侧进口与主泵100的出液口相连通，低温回热器200的低压侧出口与冷却器900的进口相连通。

高温回热器400用于对经过低温回热器200加热的超临界二氧化碳工质进行加热，高温回热器400的高压侧进口与低温回热器200的高压侧出口相连通，高温回热器400的低压侧出口与低温回热器200的低压侧进口相连通。

超高温回热器500用于对经过高温回热器400加热的超临界二氧化碳工质进行加热，超高温回热器500的高压侧进口与高温回热器400的高压侧出口相连通，超高温回热器500的低压侧出口与高温回热器400的低压侧进口相连通，超高温回热器500的高压侧出口与高温蓄热器600的进口相连通。

透平700用于推动发电机800产生电力，透平700的进口与高温蓄热器600的出口相连通，透平700的排气口与超高温回热器500的低压侧进口相连通。

超临界二氧化碳循环发电装置还包括一用于对从低温回热器的低压侧出口分流的超临界二氧化碳工质进行压缩的分流压缩机1000，分流压缩机1000的进口与低温回热器200的低压侧出口相连通，分流压缩机1000的出口与高温回热器400的高压侧进口相连通。

超临界二氧化碳循环发电装置还包括一用于对从主泵的出液口分流的超临界二氧化碳工质进行加热的低温蓄热器300，低温蓄热器300的进口与主泵100的出液口相连通，低温蓄热器300的出口与低温回热器200的高压侧出口相连通。

本实用新型具体工作原理如下：

储能工况下，高温蓄热器600的相变储热体630中的相变储热材料在电加热储能过程中加热至熔点(1083.4℃)以上，由固态转变为液态，将电能转换为热能。同时，低品位的废热通过低温蓄热器300进入收集。

释能工况下，超临界二氧化碳循环工作，主泵100将超临界二氧化碳工质增压至约25MPa，增压后的超临界二氧化碳工质分两路，一路经低温回热器200加热至约180℃，另一路经低温蓄热器300加热至约180℃，两路工质与来自分流压缩机1000的工质汇合后，再经高温回热器400加热至约600℃，经超高温回热器500加热至约750℃，然后进入高温蓄热器600加热至1000℃，然后进入透平700膨胀至约7MPa，透平700推动发电机800产生电力，透平700排气依次经超高温回热器500、高温回热器400和低温回热器200释放余热，低温回热器200的低压侧出口工质分两路，一路进入分流压缩机1000增压后进入高温回热器400，另一路经冷却器900冷却至25℃，再回到主泵100。高温蓄热器600的相变储热体630中的相变储热材料在释热过程中由液态转变为固态，并释放出热量。

综上所述本实用新型的高温蓄热器中的相变储热体的热量被超临界二氧化碳工质吸收，可使其达到1000℃以上的高温，超临界二氧化碳循环的热效率可达63％以上，高温蓄热器的热能在夜间电费较低时通过电加热方式蓄积，白天在电费较高时，通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能，所构成的储能装置的能量转换效率可达60％以上，本实用新型的装置集成已有的设备和技术，通过系统优化配置，不需要重新开发关键设备，其中相变储热材料可完全回收和直接利用或销售，总体的投资经济性好，可建于环境冷却条件较好且有废热的工业设施内，如：发电厂、化工厂、冶炼厂等，利用厂址的冷却装置、电力设施和管理资源，储能的综合效益将更加突出。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种基于相变储热的电力储能装置，包括

一用于通过超临界二氧化碳循环将热能转换为电能的超临界二氧化碳循环发电装置；

其特征在于，该基于相变储热的电力储能装置还包括一用于将电能转换成热能并将其热能储存于相变储热材料内的高温蓄热器，所述高温蓄热器设置在热力循环发电装置上，在放热过程中，相变储热材料将热量传递给超临界二氧化碳工质。

2.如权利要求1所述的一种基于相变储热的电力储能装置，其特征在于：所述高温蓄热器包括

一用于隔热的耐火隔热层；

一用于承受超临界二氧化碳工质高压的圆筒形压力容器，所述圆筒形压力容器包覆在耐火隔热层的外周面上；

一用于储存电加热的热量的相变储热体，所述相变储热体布置于耐火隔热层围成的空间内，所述相变储热体两端设有通电端，在所述相变储热体内部设置有相变储热材料。

3.如权利要求2所述的一种基于相变储热的电力储能装置，其特征在于：在所述圆筒形压力容器的外周面上包覆有保温层。

4.如权利要求1所述的一种基于相变储热的电力储能装置，其特征在于：所述超临界二氧化碳循环发电装置包括

一用于对超临界二氧化碳工质进行冷却液化的冷却器；

一用于将通过冷却器液化的超临界二氧化碳工质增压至设定压力值的主泵，所述主泵的进液口与冷却器的出液口相连通；

一用于对经过主泵增压后的超临界二氧化碳工质进行加热的低温回热器，所述低温回热器的高压侧进口与主泵的出液口相连通，所述低温回热器的低压侧出口与冷却器的进口相连通；

一用于对经过低温回热器加热的超临界二氧化碳工质进行加热的高温回热器，所述高温回热器的高压侧进口与低温回热器的高压侧出口相连通，所述高温回热器的低压侧出口与低温回热器的低压侧出口相连通；

一用于对经过高温回热器加热的超临界二氧化碳工质进行加热的超高温回热器，所述超高温回热器的高压侧进口与高温回热器的高压侧出口相连通，所述超高温回热器的低压侧出口与高温回热器的低压侧进口相连通，所述超高温回热器的高压侧出口与高温蓄热器的进口相连通；

一用于推动发电机产生电力的透平，所述透平的进口与高温蓄热器的出口相连通，所述透平的排气口与超高温回热器的低压侧进口相连通。

5.如权利要求4所述的一种基于相变储热的电力储能装置，其特征在于：所述超临界二氧化碳循环发电装置还包括一用于对从低温回热器的低压侧出口分流的超临界二氧化碳工质进行压缩的分流压缩机，所述分流压缩机的进口与低温回热器的低压侧出口相连通，所述分流压缩机的出口与高温回热器的高压侧进口相连通。

6.如权利要求4所述的一种基于相变储热的电力储能装置，其特征在于：所述超临界二氧化碳循环发电装置还包括一用于对从主泵的出液口分流的超临界二氧化碳工质进行加热的低温蓄热器，所述低温蓄热器的进口与主泵的出液口相连通，所述低温蓄热器的出口与低温回热器的高压侧进口相连通。

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