CN218673286U - 一种塔式结构的电热储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种塔式结构的电热储能系统，包括储热罐、低温介质吸入分配器、高温介质吸入分配器、低温介质泵、高温介质泵、电热装置、热交换器、取热工质泵，模式切换阀A，模式切换阀B，模式切换阀C，排空阀A，排空阀B。该塔式结构的电热储能系统，可以最大限度减少储能系统的占地面积；多种模式的运行方式提高了系统灵活性；塔式结构布置方式可以简化系统的流程，便于实现无人值守；实现了高温储热介质与低温储热介质的梯级存储，减少了储能系统的初投资；高温介质吸入分配器融合了高温储热介质的吸入与分配供能，低温介质吸入分配器融合了低温储热介质的吸入与分配供能，实现了系统简化。

Description

一种塔式结构的电热储能系统

技术领域

本实用新型涉及一种塔式结构的电热储能系统，可应用于储能调峰、工业加热、清洁采暖、余热利用等领域。

背景技术

近年来，随着光伏、风电成本的迅速下降，我国可再生能源的装机规模增长迅速。截止到2021年底，我国光伏、风电的装机容量在所有装机中的占比超过了26%。但光伏、风电的出力随资源波动而快速变化，由此会给电网带来冲击。当可再生能源的占比逐渐升高时，这个矛盾更加突出。

因此，在电源侧需要可实现灵活性调度、带储能功能的电源；而在用户侧需要适应峰谷负荷特性、分布式储能装置。在电网的供需两端共同解决功率及电量不平衡、频率波动等带来的问题。

利用谷电或绿电实现储能，在电网的高峰、尖峰时段对外发电或供热，这种分布式储能模式在近几年发展迅速。储电和储热是其中重要的两种方式，由于储热技术具有成本较低、方案灵活、应用场景多等特点，在近几年快速发展的储能市场中占据了越来越重要的位置。

随着我国太阳能光热发电示范项目的成功实施，在中温、高温储热领域，以熔盐或导热油为介质的储能系统在大容量储能方面展示了越来越突出的优势。但在面对中、小规模的应用场景时，上述技术由于系统与设备复杂，初投资成本高，运行维护困难等问题，给储热技术的应用带来障碍。

实用新型内容

为解决上述问题，适应中、小型容量分布式储能、发电、供热或采暖等应用场景，本实用新型设计了一种塔式结构的电热储能系统，可以实现系统在多种模式下的运行方式，同时简化系统的运行及维护，降低系统的投资成本。

本实用新型采用如下技术方案：

一种塔式结构的电热储能系统，包括储热罐、低温介质吸入分配器、高温介质吸入分配器、低温介质泵、高温介质泵、电热装置、热交换器、取热工质泵；

储热罐位于系统的最下部，电热装置布置在储热罐上方，热交换器布置在电热装置上方；在高度方向上，三个主要设备沿介质的流动方向从下向上依次布置，呈塔式排列；

储热罐内装有一定容量的储热介质，储热罐的下部布置有低温介质吸入分配器，低温介质吸入分配器与低温介质泵通过管路连接，并且与热交换器放热路出口的介质返回管路连接；低温介质泵的出口通过管路与电热装置连接；低温介质泵出口管路上设置有逆止阀，逆止阀后的管路上连接有排空管路，排空管路连通储热罐，排空管路上设置有排空阀A；

储热罐的上部布置有高温介质吸入分配器，高温介质吸入分配器与高温介质泵通过管路连接，并且与电热装置出口的介质返回管路连接；高温介质泵的出口管路与热交换器放热路入口的介质管路连接，高温介质泵的出口管路上先后设置有逆止阀与模式切换阀C，逆止阀后的管路上连接有排空管路，排空管路连通储热罐，排空管路上设置有排空阀B；

热交换器内，取热工质通过管路连通热交换器吸热路，取热工质的入口管路上设置有取热工质泵；

电热装置出口的介质管路分成两路，一路进入到热交换器放热路，进入热交换器放热路的介质管路上设置有模式切换阀A；另一路直接返回到储热罐上部的高温介质吸入分配器；该返回管路上设置有模式切换阀B；

通过低温介质泵、高温介质泵、电热装置、热交换器、取热工质泵、模式切换阀A、模式切换阀B、模式切换阀C、排空阀A、排空阀B的状态切换，塔式结构的电热储能系统可在单独储热模式、单独放热模式、电热与放热等功率模式、电热高于放热的储能模式和排空模式间切换。

模式1：单独储热模式（冷出-热进）；

当系统不需热功率输出，而又需要进行电热储能时，系统进入单独储热模式；单独储热模式下，电热装置运行，热交换器停运，低温介质泵运行，高温介质泵停运，取热工质泵停运；模式切换阀A关闭，模式切换阀B打开，模式切换阀C关闭，排空阀A关闭、排空阀B关闭；

低温介质泵从储热罐下部抽取低温储热介质，在电热装置内被加热变成高温介质，再通过电热装置后的介质回流管路返回到储热罐的上部。

通过上述模式，实现储热罐内介质热上、冷下的梯级存储。当整个储热罐内全部变成高温介质后，系统完成储热过程。

模式2：单独放热模式（热出-冷进）；

当储热系统需要放热，而不需要电热储能时，系统进入单独放热模式；单独放热模式下，电热装置停运，热交换器运行，低温介质泵停运，高温介质泵运行，取热工质泵运行；模式切换阀A关闭，模式切换阀B关闭，模式切换阀C打开，排空阀A关闭、排空阀B关闭；

高温介质泵从储热罐上部抽取高温介质，在热交换器内把热量传递给取热工质，然后通过介质回流管路返回到储热罐的下部。

在该模式下，上部的高温介质不断被抽出，温度降低后的低温介质返回到储热罐的下部，当储热罐内的高温介质全部被低温介质置换后，完成系统的放热过程。

模式3：电热与放热等功率模式（冷出-冷进）；

当系统电热与放热同时进行，并且功率基本相等时，系统进入电热与放热等功率模式；在电热与放热等功率模式下，电热装置运行，热交换器运行，低温介质泵运行，高温介质泵停运，取热工质泵运行；模式切换阀A打开，模式切换阀B关闭，模式切换阀C关闭，排空阀A关闭、排空阀B关闭；

低温介质泵从储热罐下部抽取温度较低的介质，先进入电热装置进行加热，升温后的介质进入到热交换器，把热量传递给取热工质，介质温度再次降低后通过返回管路进入到储热罐的下部。

在上述工作模式下，系统输入的电能转化成工质的热能对外实现供热或采暖等，而储热罐内的介质温度不发生显著变化。

模式4：电热高于放热的储能模式（冷出-热进/冷进）；

当系统储热与放热同时进行，电热装置功率大于放热功率，系统进入电热高于放热的储能模式；在电热高于放热的储能模式下，电热装置运行，热交换器运行，低温介质泵运行，高温介质泵停运，取热工质泵运行；模式切换阀A打开，模式切换阀B打开，模式切换阀C关闭，排空阀A关闭、排空阀B关闭；

低温介质泵从储热罐下部抽取温度较低的介质，进入电热装置进行加热，升温后的介质一路直接通过电热装置后的返回管路进入到储热罐的上部；另一路进入热交换器，把热量传递给取热工质，温度降低后通过介质管路返回到储热罐的下部。

上述模式下，系统输入的电能一部分通过热交换器加热取热工质，实现对外供热，另一部分以高品质热能的形式储存在罐内，供后续时段使用，实现储能。

模式5：排空模式；当系统停运或故障状态下，系统进入排空模式；在排空模式下，电热装置停运，热交换器停运，低温介质泵停运，高温介质泵停运，取热工质泵停运；模式切换阀A打开，模式切换阀B打开，模式切换阀C打开，排空阀A打开、排空阀B打开；

通过开启低温介质泵与高温介质泵逆止阀后排空管路上的排空阀，以及通过电热储能系统自身的回流能力，实现电热装置、热交换器、管路阀门等设备、及配套件内的储热介质迅速排空。

对于凝固点较高的储热介质，比如熔盐、液态金属等介质，系统的排空能力是保证系统安全、长期运行的关键。

根据系统需求，储热罐内装有一定容量的储热介质；储热介质通常为熔盐、导热油、硅油、液态金属、水中间的一种，或其他具有储热能力的流体介质。

在热交换器内，取热工质吸收储热介质放出的热量，温度升高或相变汽化，产生符合要求的工质，供后续工艺流程使用；取热工质泵为热交换器工质提供驱动力；常用的取热工质为导热油、熔盐、水或水蒸汽中的一种，也可以是其他具有类似功能的流体。

根据储热介质与取热工质的不同配对方案，可以有多种类型组合，以满足多场景下的用热、用能方式。常用的组合主要有如下几种：

1）储热介质-熔盐，取热工质-水或水蒸汽；

2）储热介质-导热油，取热工质-水或水蒸汽；

3）储热介质-熔盐，取热工质-导热油；

4）储热介质-硅油，取热工质-水或水蒸汽。

本实用新型的有益效果为：

（1）、本实用新型塔式结构让电热储能系统的主要设备沿高度方向布置，由此可以最大限度节省占地空间，拓宽电热储能系统的应用场景；与常见的双罐储热系统相比，本实用新型采用的设计方案可以最大限度节省了储能系统的初投资成本；

（2）、本实用新型高温介质吸入分配器融合了高温储热介质的吸入与分配功能，低温介质吸入分配器融合了低温储热介质的吸入与分配功能，实现了系统简化；通过低温介质吸入分配器、高温介质吸入分配器的设计和布置，以及多种运行模式的灵活切换，实现高温介质处上、低温介质处下的梯级存储方式；

（3）、本实用新型描述的电热储能系统共具有4种工作模式和1种排空模式，具有系统简单、占地节省、功能多样、运维方便等特点，易于实现无人值守，特别适用于中型、小型储能等用热场景；

（4）、本实用新型描述的电热储能系统可以与电网的峰谷负荷特性紧密结合起来，在电网低谷时段或风电、光伏过剩时段实现储能，在高峰、尖峰时段对外输出热功，达到促进可再生能源消纳、及削峰填谷的效用。

附图说明

图1为本实用新型在单独储热模式的原理示意图；

图2为本实用新型在单独放热模式的原理示意图；

图3为本实用新型在电热与放热等功率模式的原理示意图；

图4为本实用新型在电热高于放热储能模式的原理示意图；

图5为本实用新型在系统排空模式的原理示意图。

图中：1、储热罐，2、低温介质吸入分配器，3、高温介质吸入分配器，4、低温介质泵，5、高温介质泵，6、电热装置，7、热交换器，8、取热工质泵，9、模式切换阀A，10、模式切换阀B，11、模式切换阀C，12、排空阀A，13、排空阀B。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：如附图1所示，一种塔式结构的电热储能系统，包括储热罐1、低温介质吸入分配器2、高温介质吸入分配器3、低温介质泵4、高温介质泵5、电热装置6、热交换器7、取热工质泵8，模式切换阀A9，模式切换阀B10，模式切换阀C11，排空阀A12，排空阀B13；

储热罐位于系统的最下部，电热装置布置在储热罐上方，热交换器布置在电热装置上方；在高度方向上，三个主要设备沿介质的流动方向从下向上依次布置，呈塔式排列；

储热罐内装有一定容量的储热介质，储热罐的下部布置有低温介质吸入分配器，低温介质吸入分配器与低温介质泵通过管路连接，并且与热交换器放热路出口的介质返回管路连接；低温介质泵的出口通过管路与电热装置连接；低温介质泵出口管路上设置有逆止阀，逆止阀后的管路上连接有排空管路，排空管路连通储热罐，排空管路上设置有排空阀A；

储热罐的上部布置有高温介质吸入分配器，高温介质吸入分配器与高温介质泵通过管路连接，并且与电热装置出口的介质返回管路连接；高温介质泵的出口管路与热交换器放热路入口的介质管路连接，高温介质泵的出口管路上先后设置有逆止阀与模式切换阀C，逆止阀后的管路上连接有排空管路，排空管路连通储热罐，排空管路上设置有排空阀B；

热交换器内，取热工质通过管路连通热交换器吸热路，取热工质的入口管路上设置有取热工质泵；

电热装置出口的介质管路分成两路，一路进入到热交换器放热路，进入热交换器放热路的介质管路上设置有模式切换阀A；另一路直接返回到储热罐上部的高温介质吸入分配器；该返回管路上设置有模式切换阀B；

通过低温介质泵、高温介质泵、电热装置、热交换器、取热工质泵、模式切换阀A、模式切换阀B、模式切换阀C、排空阀A、排空阀B的状态切换，塔式结构的电热储能系统可在单独储热模式、单独放热模式、电热与放热等功率模式、电热高于放热的储能模式和排空模式间切换。

M1：系统在单独储热模式（冷出-热进）的工作原理，参见图1：

单独储热模式下，主要设备、泵组及阀门的状态如下：

低温介质泵4：运行；

高温介质泵5：停运；

电热装置6：运行；

热交换器7：停运；

取热工质泵8：停运；

模式切换阀A9：关闭；

模式切换阀B10：打开；

模式切换阀C11：关闭；

排空阀A12：关闭；

排空阀B13：关闭。

低温介质泵4通过低温介质吸入分配器2从储热罐1下部抽取温度较低的储热介质，在电热装置6内被加热升温，再通过电热装置6后的回流管路进入到高温介质吸入分配器3，返回到储热罐1的上部。

通过上述模式，实现储热罐1内储热介质热上、冷下的梯级存储。当整个储热罐1内全部变成高温介质后，系统完成储热过程。

M2：系统在单独放热模式（热出-冷进）的工作原理，参见图2：

单独放热模式下，主要设备、泵组及阀门的状态如下：

低温介质泵4：停运；

高温介质泵5：运行；

电热装置6：停运；

热交换器7：运行；

取热工质泵8：运行；

模式切换阀A9：关闭；

模式切换阀B10：关闭；

模式切换阀C11：开启；

排空阀12A：关闭；

排空阀13B：关闭。

高温介质泵5通过高温介质吸入分配器3抽取高温介质，经模式切换阀11后进入到热交换器7；取热工质泵8驱动取热工质在热交换器7内吸收高温介质释放的热量，品质提升后送到后续的用热系统；储热介质的温度下降，从热交换器7出来后返回到低温介质吸入分配器2，进入到储热罐1的下部。

储热罐1内低温介质逐渐增加，高温介质逐渐减少，当整个储热罐1充满低温介质时，系统放热完毕。

M3：电热与放热等功率模式（冷出-冷进）的工作原理，参见图3：

该模式下，主要设备、泵组及阀门的状态如下：

低温介质泵4：运行；

高温介质泵5：停运；

电热装置6：运行；

热交换器7：运行；

取热工质泵8：运行；

模式切换阀A9：开启；

模式切换阀B10：关闭；

模式切换阀C11：关闭；

排空阀12A：关闭；

排空阀13B：关闭。

低温介质泵4通过低温介质吸入分配器2抽取低温介质，在电热装置6中被加热变成高温介质，通过模式切换阀9，进入到热交换器7；取热工质泵8驱动取热工质在热交换器7内吸收高温介质放出的热量，品质提升后用于系统对外发电、供热或采暖。放热后的储热介质通过热交换器7后的管路进入到低温介质吸入分配器2，重新返回到储热罐1下部。

在上述工作模式下，储能系统输入的电能转化成取热工质的热能对外实现发电、供热或采暖等，储热介质是换热的载体，储热罐内介质的温度不发生显著变化。

M4：电热高于放热储能模式（冷出-热进/冷进）的工作原理，参见图4：

该模式下，主要设备、泵组及阀门的状态如下：

低温介质泵4：运行；

高温介质泵5：停运；

电热装置6：运行；

热交换器7：运行；

取热工质泵8：运行；

状态切换阀A9：开启；

状态切换阀B10：开启；

状态切换阀C11：关闭；

排空阀A12：关闭；

排空阀B13：关闭。

系统该模式下工作时，储热与放热同时进行，电热功率大于放热功率，剩余的能量储存在高温熔盐内。低温介质泵4通过低温介质吸入分配器2抽取低温介质，在电热装置6中被加热变成高温介质，升温后的介质一路直接通过电热装置6后的回流管路及状态切换阀10进入到高温介质吸入分配器3，返回到储热罐1的上部；另一路通过状态切换阀9进入热交换器7，把热量传递给取热工质，介质温度降低后通过回流管路进入到低温介质吸入分配器2，返回到储热罐1的下部。

上述模式下，系统输入的电能一部分通过热交换器7加热取热工质，实现对外供热；另一部分以高品质热能的形式储存在储热罐1内，供后续时段使用，实现储能。

M5：系统排空模式下的工作原理，参见图5：

该模式下，主要设备、泵组及阀门的状态如下：

低温介质泵4：停运；

高温介质泵5：停运；

电热装置6：停运；

热交换器7：停运；

取热工质泵8：停运；

状态切换阀A9：开启；

状态切换阀B10：开启；

状态切换阀C11：开启；

排空阀A12：开启；

排空阀B13：开启。

系统停运或故障状态下，进入排空模式。该模式下，系统主要设备均停止运行，状态切换阀9、状态切换阀10、状态切换阀11均处于开启状态，同时开启低温介质泵4逆止阀后的排空管路上的排空阀12，以及高温介质泵5逆止阀后的排空管路上的排空阀13，通过储热系统自身的回流能力，实现主要设备、管路阀门等内部介质的迅速排空。

对于凝固点较高的储热介质，系统的排空能力是保证系统安全、长期运行的关键。

该塔式结构的电热储能系统，可以最大限度减少储能系统的占地面积；多种模式的运行方式提高了系统灵活性；塔式结构布置方式可以简化系统的流程，便于实现无人值守；实现了高温储热介质与低温储热介质的梯级存储，减少了储能系统的初投资；高温介质吸入分配器3融合了高温储热介质的吸入与分配供能，低温介质吸入分配器2融合了低温储热介质的吸入与分配供能，实现了系统简化。

本实用新型描述的电热储能系统除了满足中、小容量用户的用热需求外，还可以与电网的峰谷负荷特性结合起来：在低谷时段或光伏、风电过剩时段实现储能，在高峰、尖峰时段对外实现供热、供暖或发电。该电热储能系统即可以在电源侧促进可再生能源消纳，又可以在用户侧实现削峰填谷，在源荷两端都具有广阔的应用前景。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (3)

1.一种塔式结构的电热储能系统，其特征是，其包括储热罐、低温介质吸入分配器、高温介质吸入分配器、低温介质泵、高温介质泵、电热装置、热交换器、取热工质泵；

储热罐位于系统的最下部，电热装置布置在储热罐上方，热交换器布置在电热装置上方；在高度方向上，三个主要设备沿介质的流动方向从下向上依次布置，呈塔式排列；

储热罐内装有一定容量的储热介质，储热罐的下部布置有低温介质吸入分配器，低温介质吸入分配器与低温介质泵通过管路连接，并且与热交换器放热路出口的介质返回管路连接；低温介质泵的出口通过管路与电热装置连接；低温介质泵出口管路上设置有逆止阀，逆止阀后的管路上连接有排空管路，排空管路连通储热罐，排空管路上设置有排空阀A；

储热罐的上部布置有高温介质吸入分配器，高温介质吸入分配器与高温介质泵通过管路连接，并且与电热装置出口的介质返回管路连接；高温介质泵的出口管路与热交换器放热路入口的介质管路连接，高温介质泵的出口管路上先后设置有逆止阀与模式切换阀C，逆止阀后的管路上连接有排空管路，排空管路连通储热罐，排空管路上设置有排空阀B；

热交换器内，取热工质通过管路连通热交换器吸热路，取热工质的入口管路上设置有取热工质泵；

电热装置出口的介质管路分成两路，一路进入到热交换器放热路，进入热交换器放热路的介质管路上设置有模式切换阀A；另一路直接返回到储热罐上部的高温介质吸入分配器；该返回管路上设置有模式切换阀B；

通过低温介质泵、高温介质泵、电热装置、热交换器、取热工质泵、模式切换阀A、模式切换阀B、模式切换阀C、排空阀A、排空阀B的状态切换，塔式结构的电热储能系统可在单独储热模式、单独放热模式、电热与放热等功率模式、电热高于放热的储能模式和排空模式间切换。

2.根据权利要求1所述的一种塔式结构的电热储能系统，其特征是，所述储热介质为熔盐、导热油、硅油、液态金属或水。

3.根据权利要求1所述的一种塔式结构的电热储能系统，其特征是，所述取热工质为导热油、熔盐、水或水蒸汽。

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