热泵储电双循环发电系统的制作方法

1.本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种热泵储电双循环发电系统。


背景技术：

2.现有的储能发电技术主要包括两个阶段：一是储能阶段，将电能、太阳能等能源转换成热能，再将热量进行储存；二是发电供热阶段，利用换热技术向热用户释放热量，释放热量的形式包括供应蒸汽、通过供应蒸汽来推动汽轮机发电、供热等多种形式。该技术可适用于光热电站储热、弃风弃光等可再生能源电量消纳、火电厂调峰、低谷电利用等储能系统，起到移峰填谷、平衡热能供求的作用。专利cn201810180017.8提供了一种热泵式交替储能供电方法及装置，包括储能供热模式和供电供热模式，通过两套蓄热系统分别在储能供热和供电供热模式下交替储能与释能，达到储能与供电的作用。但是，该技术方案为开式循环，不能适用于所有循环工质如氦气、氩气等气体。由于系统各项损失类因素导致放电(释能)和充电(储能)过程的不可逆，导致系统熵增和多余热量的产生，这些多余热量将作为废热排出系统，从而降低了系统循环效率。并且该技术方案没有考虑由于不可逆损失导致的储热和储冷量的不匹配问题，导致系统循环效率降低。


技术实现要素：

3.本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
4.为此，本申请的第一个目的在于提出一种热泵储电双循环发电系统，能够降低热泵储电装置由于正逆循环的不可逆损失导致的储热量和储冷量的不匹配，增加发电量，提升能源品位，发电系统灵活性，节省成本，提高循环效率以及能量转换总效率。
5.为了实现上述目的，本申请第一方面实施例提出一种热泵储电双循环发电系统，包括热泵储电装置和朗肯循环发电装置，其中，所述热泵储电装置包括压缩机、储热罐、透平和储冷罐，所述朗肯循环发电装置包括余热回收器；当所述热泵储电装置处于储能阶段时，所述压缩机、所述储热罐、所述透平和所述储冷罐依次串联，形成第一循环回路；当所述热泵储电装置处于发电阶段时，所述压缩机、所述余热回收器、所述储热罐、所述透平和所述储冷罐依次串联，形成第二循环回路；所述余热回收器，用于将所述热泵储电装置产生的余热提供至所述朗肯循环发电装置。
6.可选的，所述热泵储电装置还包括第一发电机，所述第一发电机与所述透平相连。
7.可选的，所述热泵储电装置还包括第一阀门和第一三向阀，所述第一阀门分别与所述压缩机、所述第一三向阀相连；所述第一三向阀分别与所述第一阀门、所述储热罐的上端、所述透平相连。
8.可选的，所述热泵储电装置还包括第二阀门、第二三向阀、第三三向阀和第四三向阀，所述第二阀门分别与所述压缩机、所述余热回收器相连；所述第二三向阀分别与所述余热回收器、所述储热罐的下端、所述透平相连；所述第三三向阀分别与所述压缩机、所述储冷罐的上端、所述透平相连；所述第四三向阀分别与所述压缩机、所述储冷罐的下端、所述
透平相连。
9.可选的，所述朗肯循环发电装置还包括泵、冷凝器、汽轮机，所述余热回收器、所述泵、所述冷凝器、所述汽轮机、所述储热罐依次串联，形成第三循环回路。
10.可选的，所述朗肯循环发电装置还包括冷却塔，所述冷却塔与所述冷凝器相连。
11.可选的，所述朗肯循环发电装置还包括第二发电机，所述第二发电机与所述汽轮机相连。
12.可选的，所述朗肯循环发电装置还包括第三阀门，所述第三阀门分别与所述汽轮机、所述储热罐的上端相连。
13.可选的，所述朗肯循环发电装置还包括第四阀门，所述第四阀门分别与所述余热回收器、所述储热罐的下端相连。
14.本申请的热泵储电双循环发电系统，朗肯循环发电装置回收利用了热泵储电装置的中低温余热，并利用储热罐内存储的热量作为蒸发热源，降低了热泵储电装置由于正逆循环的不可逆损失导致的储热量和储冷量的不匹配，增加发电量，提升能源品位，发电系统灵活性，节省成本，提高循环效率以及能量转换总效率。
15.本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
16.构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
17.图1为本申请一个实施例的热泵储电双循环发电系统的第一结构示意图；
18.图2为本申请一个实施例的热泵储电双循环发电系统的第二结构示意图；
19.图3为本申请另一个实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图；
20.图4为本申请又一个实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图；
21.图5为本申请再一个实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图；
22.图6为本申请一个具体实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图；
23.图7为本申请另一个具体实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图；
24.图8为本申请又一个具体实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图；
25.图9为本申请再一个具体实施例的热泵储电双循环发电系统的结构示意图。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
27.以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
28.本申请提供了一种具有耐火材料的储热罐和储冷罐的热泵储电双循环发电系统，包括基于正逆布雷顿循环的热泵储电装置，利用中低温余热、储热罐在储能阶段存储的高温热量作为热源来驱动朗肯循环发电装置进行发电，降低热泵储电装置由于正逆循环的不可逆损失导致的储热量和储冷量的不匹配。双循环联合发电系统，能够实现余热利用，提高
能量转换效率，增加发电量，提升能源品位，发电系统灵活性、安全性和经济性。同时，朗肯循环发电装置可利用现有火电厂、冶金厂、化工厂、舰船动力装置等已有设备，节省成本，提高系统效率和灵活性。
29.本申请的热泵储电双循环发电系统普遍适用于电源侧储能、电网侧储能、用户侧储能等领域。该热泵储电双循环发电系统应用于电源侧储能时，主要包括应用于新能源发电、提供调峰调频等辅助服务、火电灵活性改造等，包括平抑风电或光伏发电等不稳定性和间歇性、实现可再生能源电力稳定输出和消纳；为发电机组提供调峰调频等辅助服务；提升火电机组灵活性，增加调峰深度和提升自动发电控制的调频性能；常规电力系统削峰填谷，提高区域能源系统效率和安全性。应用于电网侧储能时，主要包括调峰调频、黑启动、缓解输配电阻塞及延缓输配电设备投资、提高供电可靠性等。应用于用户侧储能时，主要包括基于峰谷电价的谷电利用、降低用电成本、提高用户侧电能可靠性等。
30.下面参考附图描述本申请实施例的热泵储电双循环发电系统。
31.如图1所示，热泵储电双循环发电系统包括：热泵储电装置100和朗肯循环发电装置200。
32.热泵储电装置100包括压缩机2、储热罐3、透平4和储冷罐5，朗肯循环发电装置200 包括余热回收器7。
33.当热泵储电装置100处于储能阶段时，压缩机2、储热罐3、透平4和储冷罐5依次串联，形成第一循环回路。
34.当热泵储电装置100处于发电阶段时，压缩机2、余热回收器7、储热罐3、透平4和储冷罐5依次串联，形成第二循环回路。
35.余热回收器7，用于将热泵储电装置100产生的余热提供至朗肯循环发电装置200。
36.在本申请的一个实施例中，如图2所示，热泵储电装置100还包括电动机1，电动机1与压缩机2相连。
37.在本申请的另一个实施例中，如图3所示，热泵储电装置100还包括第一发电机12，第一发电机12与透平4相连。
38.在本申请的又一个实施例中，如图4所示，热泵储电装置100还包括第一阀门13和第一三向阀17。
39.第一阀门13分别与压缩机2、第一三向阀相连17。
40.第一三向阀17分别与第一阀门13、储热罐3的上端、透平4相连。
41.在本申请的再一个实施例中，如图5所示，热泵储电装置100还包括第二阀门14、第二三向阀18、第三三向阀19和第四三向阀20，
42.第二阀门14分别与压缩机2、余热回收器7相连。
43.第二三向阀18分别与余热回收器7、储热罐3的下端、透平4相连。
44.第三三向阀19分别与压缩机2、储冷罐5的上端、透平4相连。
45.第四三向阀20分别与压缩机2、储冷罐5的下端、透平4相连。
46.在本申请的一个具体实施例中，如图6所示，朗肯循环发电装置200还包括泵6、冷凝器 10和汽轮机8。
47.余热回收器7、泵6、冷凝器10、汽轮机8、储热罐3依次串联，形成第三循环回路。
48.在本申请的另一个具体实施例中，如图7所示，朗肯循环发电装置200还包括冷却
塔11，冷却塔11与冷凝器10相连。
49.在本申请的又一个具体实施例中，如图8所示，朗肯循环发电装置200还包括第二发电机9，第二发电机9与汽轮机8相连。
50.在本申请的再一个具体实施例中，如图9所示，朗肯循环发电装置200还包括第三阀门 15，第三阀门15分别与汽轮机8、储热罐3的上端相连。
51.朗肯循环发电装置200还包括第四阀门16，第四阀门16分别与余热回收器7、储热罐3 的下端相连。
52.热泵储电双循环发电系统的工作原理，具体如下：
53.(一)热泵储电装置100的储能阶段
54.热泵储电装置100在储能阶段，气态工质在第一循环回路内部进行逆布雷顿循环(压缩
‑ꢀ
放热
‑
膨胀做功
‑
吸热)，利用电能驱动气态工质完成循环，将电能转化成热能和冷能的形式存储。其中，压缩机2做功大于透平4做功。外界输入的电能以储热罐3的热能进行存储，储冷罐5的冷能进行存储。
55.具体地，开启第一循环回路，即压缩机2
‑
第一阀门13
‑
第一三向阀17
‑
储热罐3
‑
第二三向阀18
‑
透平4
‑
第四三向阀20
‑
储冷罐5
‑
第三三向阀19
‑
压缩机2。利用外部电力驱动电动机1工作，电动机1功率大于发电机12功率，因此外界向系统净输入功用于储能。
56.电动机1带动压缩机2，压缩机2做功，将气态工质的温度由中温升至高温，因此将电能转化成高温气态工质的能量。高温气态工质通过第一阀门13和第一三向阀17，自上而下流入储热罐3，加热储热罐3内部的耐火材料。耐火材料从上往下逐渐被加热，高温气态工质的温度也自上而下逐渐降低。高温气态工质从储热罐3底部流出后，成为常温气态工质，再从第二三向阀18流出至透平4。高温气态工质通过透平4膨胀做功，驱动发电机12发电，回收部分电力。常温气态工质通过透平4膨胀后，降温成为低温气态工质。低温气态工质通过第四三向阀20，自下而上流入储冷罐5，冷却储冷罐5内部的耐火材料。耐火材料从下往上逐渐被冷却，低温气态工质的温度也自下而上逐渐升高。低温气态工质从储冷罐5顶部流出后，低温气态工质成为中温气态工质，并通过第三三向阀19流出至压缩机2，完成储能循环。
57.在热泵储电装置100的储能阶段，仅开启热泵储电装置100、储热罐3和储冷罐5，其他装置如朗肯循环发电装置200均关闭。第二阀门14、第三阀门15、第四阀门16处于关闭状态。
58.储能阶段多次循环后，储热罐3内耐火材料的热锋面自上而下移动，储冷罐5内耐火材料的冷锋面自下而上移动。储能阶段完成后，储热罐3内热锋面移动到底部，耐火材料完全存储了高温热量；储冷罐5内冷锋面移动到顶部，耐火材料完全存储了低温热量。
59.(二)热泵储电装置100的发电阶段
60.热泵储电装置100在发电阶段，气态工质在第二循环回路内部进行布雷顿循环(压缩
‑
吸热
‑
膨胀做功
‑
放热)，气态工质从储热罐3吸热，并向储冷罐5放热，此时透平4做功大于压缩机2做功，驱动发电机12发电。发电机12功率大于电动机1功率，热泵储电装置100向外界净输出功用于供电。
61.具体地，开启第二循环回路，即压缩机2
‑
第二阀门14
‑
余热回收器7
‑
第二三向阀18
‑
储热罐3
‑
第一三向阀17
‑
透平4
‑
第三三向阀19
‑
储冷罐5
‑
第四三向阀20
‑
压缩机2。低温气态工质被压缩机2压缩后，成为中低温气态工质，再通过余热回收器7为朗肯循环发电装
置200提供中低温余热。中低温气态工质通过余热回收器7后，释放热泵储电装置100的余热，再通过第二三向阀18，自下而上流入储热罐3，吸收储热罐3内部的高温耐火材料储存的热量，气态工质的温度自下而上流动的过程中逐渐升高。气态工质从储热罐3顶部流出后，成为高温气态工质，从第一三向阀17流出至透平4。高温气态工质通过透平4膨胀做功，驱动发电机 12发电。高温气态工质膨胀后，降温成为中温气态工质。中温气态工质通过第三三向阀19，自上而下流入储冷罐5，被储冷罐5内部的耐火材料冷却。耐火材料温度升高，中温气态工质温度自上而下逐渐降低。中温气态工质从储冷罐5底部流出后，成为低温气态工质，从第四三向阀20流出至压缩机2，完成发电循环。
62.通过余热回收器7回收热泵储电装置100的余热，使得发电循环中气态工质的状态回到对应于储能循环的状态点，降低发电循环与储能循环的不可逆损失，提高了循环效率以及能量转换总效率。
63.发电阶段经过多次循环后，储热罐3内耐火材料的冷锋面自下而上移动，储冷罐5内耐火材料的热锋面自上而下移动。发电阶段完成后，储热罐3内冷锋面移动到顶部，耐火材料完全释放了高温热量；储冷罐5内热锋面移动到底部，耐火材料完全释放了低温热量。
64.发电阶段，朗肯循环发电装置200开启，和热泵储电装置100联合运行。第二阀门14、第三阀门15、第四阀门16开启。具体地，热泵储电装置100中气体工质的中低温余热通过余热回收器7，预热朗肯循环发电装置200中的循环工质。循环工质被余热回收器7加热后，自下而上流入储热罐3，并吸收储热罐3内高温耐火材料储存的热量，循环工质自下而上流动的过程中温度逐渐升高至蒸发。循环工质从储热罐3顶部流出后，高温高压蒸汽经过汽轮机8 膨胀做功，带动电动机9发电。膨胀做功后的低压蒸汽在冷凝器10中凝结，冷凝后的循环工质流经泵6升压，完成蒸汽动力循环对外做功和发电。冷却塔11作为冷凝器10的冷源。
65.本申请实施例的热泵储电双循环发电系统，具有以下有益效果：
66.1.系统由热泵储电装置、朗肯循环发电装置的双循环联合发电系统组成，闭式循环无排放；
67.2.系统在储能阶段，气态工质进行逆布雷顿循环，储热罐和储冷罐进行储热和储冷；在发电阶段，气态工质进行布雷顿循环，储热罐和储冷罐向气态工质释热和提供冷源，同时储热罐向朗肯循环发电装置提供热源；
68.3.朗肯循环发电装置回收利用了热泵储电装置的中低温余热，并利用储热罐内存储的热量作为蒸发热源，降低了热泵储电装置由于正逆循环的不可逆损失导致的储热量和储冷量的不匹配，提高了能量转换效率，增加了发电量，提升了能源品位，发电系统灵活性；
69.4.热泵储电双循环发电系统中，朗肯循环发电装置可利用现有火电厂、冶金厂、化工厂、舰船动力装置等的已有设备，节省成本，提高能量转换效率；
70.5.热泵储电装置的余热通过余热回收器7为朗肯循环发电装置的工质提供蒸发前的预热，回收了热泵储电装置的中低温余热。该余热是由于热泵储电装置不可逆损失导致的多余热量，气态工质的状态回到对应于储能循环的状态点，降低发电循环与储能循环的不可逆损失，提高了循环效率以及能量转换总效率。
71.6.储热罐和储冷罐内部的耐火材料增加了系统安全性，无燃爆风险。通过在储热罐和储冷罐的两端设置三向阀，以此来控制工质的流向，使得耐火材料从控制流向逐渐充满和释放能量(热能和冷能)，降低了传热温差，提高了系统的可逆性。
72.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
73.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器 (cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
74.应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
75.需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。