CN215170566U - 一种布雷顿热泵循环储能系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种布雷顿热泵循环储能系统，包括太阳能集热器、压气机、透平、低温换热器、高温换热器、低温储罐、高温储罐、电动机，热泵介质经过所述压气机压缩提高温度，进入所述高温换热器，加热从所述低温储罐出来的储热介质，经过加热后的储热介质进入高温储罐存储；经过高温换热器冷却后的热泵介质进入所述透平膨胀做功并降低温度，低温热泵介质再进入所述低温换热器，被从所述太阳能集热器出来的传热介质加热，经过加热后的热泵介质进入所述压气机再次压缩升温，完成热泵循环，经过热泵的作用，将太阳能集热器中传热介质的低温热量存储在高温储热介质中，电动机通过轴与压气机、透平连接，提供额外动力。
Description
技术领域
本实用新型涉及储能利用，尤其涉及一种布雷顿热泵循环储能系统。
背景技术
随着传统化石能源的巨大消耗，人们正面对日益严峻的能源与环境问题。新的能源技术革命要从提高能源利用效率以及优化能源消费结构着手。提高非化石能源比例，特别是提高可再生能源比例对于未来的能源和环境有着重要的意义。可再生能源已经被作为新一代能源技术的战略制高点。可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。其中太阳能分布广泛，安全清洁，总量巨大，取之不尽用之不竭，受到了广泛关注，是可再生能源中的重要组成部分。
随着我国能源安全与碳减排要求逐渐提高，清洁低碳的光伏和风力发电装机持续增长，电力系统进入高比例可再生能源并网的时代。高比例光伏、风电出力的强波动性与随机性将对电力系统灵活性提出更高要求，其通过电力电子装置并网带来系统低惯量与安全稳定等问题，新能源的大规模消纳成了一个亟需突破的难点。
太阳能热发电的原理是利用吸热器将聚焦太阳光转化为高温热能，作为动力循环的热源，产生机械能，带动发电机组发电。太阳能热发电技术集发电与大容量储能为一身，是具有灵活调节能力的可再生能源。在高比例风电光伏并网下能够发挥调峰、调频、备用等作用。未来光热发电应作为电力系统重要的清洁灵活调节电源，成为高比例可再生能源基地重要的组成部分。随着可再生能源利用比例的大幅增加，太阳能热发电可作为基础负荷以及调峰电源，对提高电网对光伏、风电等不稳定的可再生能源的消纳能力具有重要作用。
常见太阳能热发电形式点聚光和线聚光两种聚光集热形式。点聚光太阳能集热器主要有塔式、碟式等，其特点为聚光比高，集热温度高，但成本较高。线聚光太阳能集热器有槽式、线性菲涅尔式等，其主要特点为聚光比和集热温度相对较低，同时成本也低。太阳能热发电可以通过廉价的储热，提高发电时长和效率，具有良好的电力输出稳定性和可调度性。
太阳能热发电技术种类较多，目前逐步成熟，进入商业化阶段，但是成本依然较高，竞争力不强，亟需进行技术创新以提高效率和降低成本。太阳能热发电工作温度越高，效率越高。以蒸汽朗肯循环为例，汽轮机的蒸汽参数从530℃提高到550℃，其热耗将下降1%，对于100兆瓦的机组，全年可增加发电量近400万千瓦时；当蒸汽参数达到620℃时，发电效率可达48%，大幅高于目前太阳能热发电站中的朗肯循环效率（~40%）。
综上，目前太阳能发电技术面临的主要问题是：光伏发电成本较低，但波动性大，电网消纳成为其进一步发展的瓶颈，若配备电池储能，则成本高，难以盈利；太阳能热发电输出稳定，但造价高，为进一步提高发电效率，需提高其工作温度。
发明内容
本实用新型针以上太阳能等新能源所面临的问题，提出了一种布雷顿热泵循环储能系统，利用光伏或者风力发电系统不能被电网消纳的余电作为热泵动力输入，将太阳能集热器作为低温热源，加热储热介质进行高温存储。一方面提高储热介质的储热温度和发电效率，另一方面将光伏或者风力发电系统所产生的“弃电”进行储能，根据电网需要再通过热功转换输出。本实用新型的具体方案如下：
一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于包括太阳能集热器、压气机、透平、高温储罐、低温储罐、高温换热器、低温换热器，所述太阳能集热器出口与所述低温换热器热侧进口相连，所述低温换热器热侧出口与所述太阳能集热器进口相连；所述压气机出口与所述高温换热器热侧进口相连，所述高温换热器热侧出口与所述透平进口相连，所述透平出口与所述低温换热器冷侧进口相连，所述低温换热器冷侧出口与所述压气机进口相连；所述低温储罐出口连接所述高温换热器冷侧进口，所述高温换热器冷侧出口连接所述高温储罐进口。
工作流程为：传热介质在所述太阳能集热器中被加热，再进入所述低温换热器，加热从所述透平出来的低温热泵介质；加热后的热泵介质进入所述压气机压缩升温后，进入所述高温换热器，加热从所述低温储罐出来的储热介质，加热后的储热介质进入所述高温储罐进行存储；经过所述高温换热器冷却后的热泵介质进入所述透平膨胀做功，为所述压气机提供部分动力。此外，由于所述压气机耗功大于所述透平，该系统还包括电动机，所述电动机通过轴与所述压气机及所述透平相连接，为布雷顿热泵循环提供所需动力。
作为优选，该系统还包括电加热器，所述高温换热器冷侧出口与所述电加热器进口相连，所述电加热器出口与所述高温储罐进口相连；储热介质经过所述高温换热器加热后再经过所述电加热器加热，进一步提高储热介质温度。
进一步，该系统还包括光伏发电系统或风力发电系统，所述电动机以及所述电加热器所需电能来自于所述光伏发电系统或风力发电系统。
作为优选，所述太阳能集热器包括塔式、碟式、槽式、线性菲涅尔式；所述传热介质为导热油、熔盐、水工质、空气、液态金属中的任一种；所述储热介质为熔盐、固体颗粒中任一种；所述热泵介质为空气、氢气、二氧化碳、氮气、氦气中的任一种或多种。
本实用新型利用太阳能集热器加热传热介质，作为布雷顿热泵循环的低温热源加热高温储热介质，同时通过电加热器进一步加热高温储热介质。电动机以及电加热器所需电能由光伏或者风力发电系统提供。本实用新型一方面可提高储热介质温度，提高储热介质后续放热时的热功转换效率；另一方面将光伏或者风力发电系统不能被电网消纳的多余电量以热能的形式进行存储，根据电网需求在阴天或者夜间通过汽轮机发电系统对外输出电能。
附图说明
图1是具体实施例1的示意图；
图2是具体实施例2的示意图；
图中：1-压气机；2-低温换热器；3-太阳能集热器；4-透平；5-电动机；6-高温换热器；7-低温储罐；8-高温储罐；9-电加热器；10-光伏发电系统。
具体实施方式
实施例1
本实用新型提出一种布雷顿热泵循环储能系统，如图1所示，包括压气机1、低温换热器2、太阳能集热器3、透平4、电动机5、高温换热器6、低温储罐7、高温储罐8。太阳能集热器3出口与低温换热器2热侧进口相连，低温换热器2热侧出口与太阳能集热器3进口相连；压气机1出口与高温换热器6热侧进口相连，高温换热器6热侧出口与透平4进口相连，透平4出口与低温换热器2冷侧进口相连，低温换热器2冷侧出口与压气机1进口相连；低温储罐7出口连接高温换热器6冷侧进口，高温换热器6冷侧出口连接高温储罐8进口。
传热介质在太阳能集热器3中被加热至约400℃，再进入低温换热器2，加热从透平4出来的热泵介质至300-400℃；加热后的热泵介质进入压气机1压缩升温至约560℃，进入高温换热器6，加热从低温储罐7出来的储热介质至500-560℃，加热后的储热介质进入高温储罐8进行存储；经过高温换热器6冷却后的热泵介质进入透平4膨胀做功，为压气机1提供部分动力。此外，由于压气机1耗功大于透平4，该系统还包括电动机5，电动机5通过轴与压气机1及透平4相连接，为布雷顿热泵循环提供所需动力。
经过上述布雷顿热泵循环，将温度较低的太阳能集热器3中的热量存储在温度较高的储热介质中，同时将电动机5所消耗的电能存储在储热介质中，并提高了储热温度以及后续储热利用效率。本案例中太阳能集热器为槽式太阳能集热器，成本较低；热泵介质为空气，安全可靠，成本低；储热介质为熔盐，储热密度大，成本较低。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上增设电加热器9和光伏发电系统10，高温换热器6冷侧出口与电加热器9进口相连，电加热器9出口与高温储罐8进口相连；储热介质经过高温换热器6加热后再经过电加热器9加热，进一步提高储热介质温度。光伏发电系统10所产生的电能供给电动机5以及电加热器9，将电能转化为高温热能进行存储。
上述具体实施例1-2仅是本实用新型的部分实施案例，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员对相关技术特征作出等同的更改或替换的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。本说明书未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于包括太阳能集热器、压气机、透平、高温储罐、低温储罐、高温换热器、低温换热器，所述太阳能集热器出口与所述低温换热器热侧进口相连，所述低温换热器热侧出口与所述太阳能集热器进口相连；所述压气机出口与所述高温换热器热侧进口相连，所述高温换热器热侧出口与所述透平进口相连，所述透平出口与所述低温换热器冷侧进口相连，所述低温换热器冷侧出口与所述压气机进口相连；所述低温储罐出口连接所述高温换热器冷侧进口，所述高温换热器冷侧出口连接所述高温储罐进口。
2.根据权利要求1所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于传热介质在所述太阳能集热器中被加热，再进入所述低温换热器，加热从所述透平出来的热泵介质；加热后的热泵介质进入所述压气机压缩升温后，再进入所述高温换热器，加热从所述低温储罐出来的储热介质，加热后的储热介质进入所述高温储罐进行存储；经过所述高温换热器冷却后的热泵介质进入所述透平膨胀做功，为所述压气机提供动力。
3.根据权利要求1所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于还包括电动机，所述电动机通过轴与所述压气机及所述透平相连接，为布雷顿热泵循环提供所需动力。
4.根据权利要求3所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于还包括光伏发电系统或风力发电系统，所述电动机所需电能来自于所述光伏发电系统或风力发电系统。
5.根据权利要求1、2、3或4中任一所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于还包括电加热器，所述高温换热器冷侧出口与所述电加热器进口相连，所述电加热器出口与所述高温储罐进口相连；储热介质经过所述高温换热器加热后再经过所述电加热器加热，进一步提高储热介质温度。
6.根据权利要求5所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于还包括光伏发电系统或者风力发电系统，所述电加热器所需电能来自于所述光伏发电系统或风力发电系统。
7.根据权利要求1、2、3或4中任一所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于所述太阳能集热器包括塔式、碟式、槽式、线性菲涅尔式。
8.根据权利要求2所述的一种布雷顿热泵循环储能系统，其特征在于所述传热介质为导热油、熔盐、水工质、空气、液态金属中的任一种；所述储热介质为熔盐、固体颗粒中任一种；所述热泵介质为空气、氢气、二氧化碳、氮气、氦气中的任一种或多种。
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