一种基于化学链热泵储电并回收余热的方法及其装置

1.本发明涉及热泵储电装置技术领域，特别是涉及一种基于化学链热泵储电并回收余热的方法及其装置。


背景技术：

2.随着全球经济的快速增长，能源问题逐渐成为制约全球经济发展的瓶颈。由于煤、石油、天然气等传统化石能源具有不可再生性，终究会走向枯竭，所以可再生能源如太阳能、风能、潮汐能受到人们的广泛关注。然而存在时间分布不均问题，可再生能源在利用时一般都需要采取储能技术。
3.化学链热泵储能基于热化学反应，通过金属氧化物载氧体吸热分解实现能量的储存。在储能充电过程中，高价态金属氧化物吸收高温空气热量分解为低价态金属氧化物和氧气，将高温空气中的热量储存在低价态金属氧化物的化学能中。当需要放电时，空气和低价态金属氧化物反应，将储存的化学能转化为热能释放出来。化学链热泵储能系统除了具有储能密度高，可逆反应易控制且无副反应以外，还具有其他储能技术不具备的独特优点，如蓄热装置内金属氧化物能够长期稳定储存，不受场地限制，充放电过程中排出的余热气体利用有机朗肯循环装置提高了总体充放电效率。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于化学链热泵储电并回收余热的方法和装置。本发明提出了一种储能新方法，具有储能密度高，储能效率高，且不受地理条件限制的优点，同时能够有效处理排出的余热气体，具有提高总体充放电效率的优点。
5.本发明的技术方案，一种基于化学链热泵储电并回收余热的装置，包括化学链热泵储电系统和有机朗肯循环系统，化学链热泵储电系统包括空气换热器、空气压缩机、蓄热床层和膨胀机，上述设备通过管线依次串联设置；空气压缩机和膨胀机同轴连接；
6.有机朗肯循环系统包括有机压缩机、蒸发器、有机透平、凝汽器；上述设备沿着有机工质的流向由管线依次串联上述装置形成闭环；化学链热泵储电系统和有机朗肯循环系统之间相连并配置有管路切换阀；管路切换阀分别编号1、2、7、8、9、10。
7.优选的，化学链热泵储电系统中的工作介质为空气。
8.优选的，有机朗肯循环系统中的有机工质为r245fa或r600。
9.优选的，蓄热床层中的金属氧化物载氧体为cr5o
12
、mno2、co3o4、bao2金属氧化物或sr
0.5
ba
0.5
feo
3-δ
、srco
1-x
fe
xo3-δ
、la
x
sr
1-x
coymn
1-yo3-δ
、caal
x
mn
1-xo3-δ
钙钛矿氧化物。
10.优选的，充电模式中，在凝汽器中，与有机工质交换热量的为回收的低温富氧空气；蒸发器中，与有机工质交换热量的为常温空气；
11.放电模式中，在凝汽器中，与有机工质交换热量的为常温空气；蒸发器中，与有机工质交换热量的为高温欠氧空气。
12.一种基于化学链热泵储电并回收余热的方法，包括以下具体步骤：
13.s1、充电模式下、管路切换阀2、8、10关，管路切换阀1、7、9开；空气进入化学链热泵储电系统进行循环形成常压低温富氧空气并进入有机朗肯循环系统中对有机工质进行冷凝；
14.s2、有机工质在有机朗肯循环系统中循环流动；
15.s3、放电模式下、管路切换阀1、7、9关，管路切换阀2、8、10开；空气压缩机对空气进行膨胀、膨胀机对空气进行压缩；
16.s4、常温空气通过管路切换阀进入化学链热泵储电系统进行循环形成高温常压欠氧空气并进入有机朗肯循环系统并对有机工质进行加热；
17.s5、有机工质在有机朗肯循环系统中循环流动，回收利用高温余热气体中的热能。
18.优选的，s1中空气进入化学链热泵储电系统中，由管路切换阀进入空气换热器中预热，进入空气压缩机绝热压缩，空气温度升高；经过蓄热床层，高温空气的热量被高价态金属氧化物载氧体吸收；高温空气的热量以金属氧化物化学能的形式被储存在蓄热床层中，释放的氧气进入空气形成富氧空气，富氧空气温度沿蓄热床层逐渐降低，离开蓄热床层的富氧空气进入空气换热器，预热进口新鲜空气，富氧空气降温后进入膨胀机做绝热膨胀，膨胀为常压低温富氧空气。
19.优选的，s2中低压有机工质被冷凝为液态，进入有机压缩机加压后被送入蒸发器中，常温空气通过管路切换阀进入蒸发器，高压有机工质被常温空气加热，汽化形成高压有机蒸汽，高压有机蒸气然后进入有机透平膨胀做功；有机透平产生的低压蒸汽再进入凝汽器被膨胀机排出的低温富氧空气冷凝，如此往复循环。
20.优选的，s4中常温空气通过管路切换阀进入膨胀机，做绝热压缩，常温空气被压缩为高温高压气体，然后从膨胀机出口出来后进入蓄热床层，空气压缩后的温度低于载氧体分解氧气的平衡分压下的温度，低价态金属氧化物被氧化成高价态金属氧化物载氧体，放出热量形成高温高压欠氧空气；
21.进入空气压缩机做绝热膨胀，膨胀后的气体为高温常压欠氧空气，高温常压欠氧空气通过管路切换阀2进入有机朗肯循环系统；在有机朗肯循环系统的蒸发器中，高温欠氧空气对加压过的有机工质进行加热，最后离开系统。
22.优选的，s5中在有机朗肯循环系统的蒸发器中，高温欠氧空气对加压过的有机工质进行加热，最后离开系统；被加热的有机工质汽化形成高压蒸汽，然后进入有机透平绝热膨胀对外做功，膨胀后的低压过热蒸汽进入凝汽器，常温空气通过管路切换阀10进入凝汽器，低压有机工质向常温空气放热，被冷凝为液态，然后进入有机压缩机增压；有机压缩机产生的高压有机工质再次进入蒸发器，往复循环。
23.与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
24.(1)本发明克服传统抽水蓄能、压缩空气储能方式储能密度低的缺点，通过在蓄热装置中采用cr5o12、mno2、co3o4、bao2以及sr0.5ba0.5feo3-δ、srco1-xfexo3-δ、laxsr1-xcoymn1-yo3-δ、caalxmn1-xo3-δ钙钛矿型金属氧化物分解吸热将热能储存在化学能的原理，提供了一种高能量密度储能供电的方法。
25.(2)本发明提供的装置结构简单，不受地理条件限制。
26.(3)本发明将余热气体用于预热空气换热器中的空气，有效的利用了排气废热；另一方面提高了压缩机入口温度，使压缩比有效降低，以降低对系统设计的难度，降低了系统
部件的成本。
27.(4)本发明的方法及其装置在储能电放电的同时能够回收利用余热气体于有机朗肯循环系统，提高总体充放电效率。
附图说明
28.图1为本发明基于化学链热泵储电并回收余热的原理图。
29.附图标记：3、空气换热器；4、空气压缩机；5、蓄热床层；6、膨胀机；11、凝汽器；12、有机压缩机；13、蒸发器；14、有机透平。
具体实施方式
30.实施例一
31.如图1所示，充电模式下、管路切换阀2、8、10关，管路切换阀1、7、9开；空气进入化学链热泵储电系统进行循环形成常压低温富氧空气并进入有机朗肯循环系统中对有机工质进行冷凝；空气进入化学链热泵储电系统中，由管路切换阀1进入空气换热器3中预热，进入空气压缩机4绝热压缩，空气温度升高；
32.经过蓄热床层5，高温空气的热量被高价态金属氧化物载氧体吸收；高价态金属氧化物载氧体分解成低价态金属氧化物和氧气(me
x
oy→
me
xoy-1
+0.5o2)，高温空气的热量以金属氧化物化学能的形式被储存在蓄热床层5中，释放的氧气进入空气形成富氧空气，富氧空气温度沿蓄热床层5逐渐降低，离开蓄热床层5的富氧空气进入空气换热器3，预热进口新鲜空气，富氧空气降温后进入膨胀机6做绝热膨胀，膨胀为常压低温富氧空气。常压低温富氧空气随后通过管路切换阀7进入有机朗肯循环系统。在有机朗肯循环系统中，低温富氧空气冷凝凝汽器11中的低压有机工质，低温富氧空气随后排出系统，低压有机工质被冷凝为液态，进入有机压缩机12加压后被送入蒸发器13中，常温空气通过管路切换阀9进入蒸发器13，高压有机工质被常温空气加热，汽化形成高压有机蒸汽，高压有机蒸气然后进入有机透平14膨胀做功；有机透平14产生的低压蒸汽再进入凝汽器11被膨胀机6排出的低温富氧空气冷凝，如此往复循环。膨胀机输出功小于压缩机输入功，实现电能储存。膨胀机输出功小于空气压缩机输入功，实现电能储存。
33.实施例二
34.如图1所示，放电模式下、管路切换阀1、7、9关，管路切换阀2、8、10开；此时空气压缩机4和膨胀机6工作性质发生转变；空气压缩机4对空气进行膨胀、膨胀机6对空气进行压缩；常温空气通过管路切换阀8进入膨胀机6，做绝热压缩，常温空气被压缩为高温高压气体，然后从膨胀机6出口出来后进入蓄热床层5，空气压缩后的温度低于载氧体分解氧气的平衡分压下的温度，低价态金属氧化物被氧化成高价态金属氧化物载氧体(me
xoy-1
+0.5o2→
me
x
oy)，放出热量形成高温高压欠氧空气；
35.进入空气压缩机4做绝热膨胀，膨胀后的气体为高温常压欠氧空气，高温常压欠氧空气通过管路切换阀2进入有机朗肯循环系统；在有机朗肯循环系统的蒸发器13中，高温欠氧空气对加压过的有机工质进行加热，最后离开系统。
36.在有机朗肯循环系统的蒸发器13中，高温欠氧空气对加压过的有机工质进行加热，最后离开系统；被加热的有机工质汽化形成高压蒸汽，然后进入有机透平14绝热膨胀对
外做功，膨胀后的低压过热蒸汽进入凝汽器11，常温空气通过管路切换阀10进入凝汽器11，低压有机工质向常温空气放热，被冷凝为液态，然后进入有机压缩机12增压；有机压缩机12产生的高压有机工质再次进入蒸发器13，往复循环回收利用高温余热气体中的热能，有效提高了能源利用效率。膨胀机输出功大于空气压缩机输入功，实现电能释放。
37.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。