本发明涉及一种储能的方法及其装置，特别是一种固体串联型热泵式循环储能方法及装置。
背景技术：
随着科技的发展以工业的进步，现代社会原来越离不开以电能为基础的能源，然后电能的供需不匹配往往照成很多的浪费，从电能的供应角度讲，以太阳能以及风能为代表的绿色能源是能源发展的一个长期趋势，然而由于绿色能源一般受到天气、季节，阳光等自然条件的影响，难以提供稳定的能源输出，从而很难输出与电网匹配的电力。因此现阶段绿色能源的弃风以及弃光问题非常严重。另一方面，从电能的需求角度讲，社会对电能的需求在时间上是不均匀的，时段上昼夜用电的峰谷现象以及夜间对冷气以及暖气的需求高于用于驱动电器的电力，
为了将弃风以及弃光的电能加以利用，另一方面根据用电需求对供电削峰填谷并满足冷气与供暖的需求，通过储能技术将能源供需不匹配问题均匀化，并综合考虑电能的综合利用是很有必要的。蓄热储能作为三大储能技术中唯一没有选址要求的，蓄热砖或陶瓷作为一种廉价且高热容的材料，具有很高的温度适用性，即可用于蓄热也可用于蓄冷，结合可逆热力学循环原理，通过制冷循环将电能通过蓄热以及蓄冷进行储能，另一方面根据需求，在用电高峰时期通过发电，供暖以及冷气等形式释放。
本申请人的在先申请(申请号201711402735.7)公开了一种热泵式储能供电供热方法及装置，通过互为可逆的制冷储能和供电供热的方法及其装置，解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题，一方面该在先申请仅仅具有一种供电模式，未考虑夜间对冷气以及供暖需求大于电能的情况；另一方面液体蓄热有很严格的温度显示，需要考虑液体蓄热介质的熔点以及沸点。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服传统电加热蓄热介质储能方式转换效率低下的缺点，同时克服光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光以及峰谷电的削峰填谷问题，提供一种储能综合利用的固体串联型热泵式循环储能方法及装置。
本发明一方面借鉴热力学中卡诺循环与逆卡诺循环互为可逆的原理，通过逆卡诺循环做功将低温热源的热量转移到高温热源实现储能，再通过高温热源的热量转移到低温热源时对外界做功实现释能。另一方面采用价格低廉的蓄热砖以及陶瓷材料作为蓄热或蓄冷介质，这些材料具有适用温度广、成本低，不相变等特性。此外我们将固体蓄热系统或固体蓄冷系统设计为蓄热砖或陶瓷材料的固体小块串联的形式，使得每个固体蓄热子模块或固体蓄冷子模块之间相互独立，以便于形成自然的温度梯度。
由此，本发明提供一种固体串联型热泵式循环储能方法，其包括储能模式和释能模式，其中，
储能模式：常温的工作介质经过压缩机绝热压缩之后，通过固体蓄热系统进行等压放热过程，然后进入透平绝热膨胀对外做功，然后通过固体蓄冷系统进行等压吸热；随后回到压缩机并重复上述过程；
所述释能模式包括以下两种可切换的模式：
(1)发电模式：常温的工作介质通过固体蓄冷系统进行等压放热，然后经过压缩机绝热压缩，继而通过固体蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平绝热膨胀对外做功，最后作为热源释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电；
(2)热能综合利用模式：包括供冷子模式和发电与供热子模式，在所述供冷子模式中，常温的工作介质通过固体蓄冷系统进行等压放热，最后作为冷源供应释放到外界；在所述发电与供热子模式中，常温的工作介质经过压缩机绝热压缩，继而通过固体蓄热系统进行等压吸热，然后进入透平绝热膨胀对外做功，最后作为热源与外界换热并释放到外界；在此过程中净输出的功用于供电。
所述工作介质包括空气、氩气、氮气、氦气或二氧化碳，包括以空气为代表的双原子气体、以氩气为代表的单原子气体，以及以二氧化碳为代表的多原子气体，其中选用空气作为工作介质具有成本低廉、工作温度范围广，绝热指数高等优势。
本发明还提供一种固体串联型热泵式循环储能装置，其对应于上述的储能模式，沿工作介质的走向依次排布有流量控制阀、压缩机、固体蓄热系统、透平和固体蓄冷系统且形成回路；
对应于上述的发电模式，沿工作介质的走向依次排布有第一进气装置、固体蓄冷系统、压缩机、固体蓄热系统、透平和第一出气装置；
对应于上述的热能综合利用模式，包括：
对应于所述供冷子模式而沿工作介质的走向依次排布的第一进气装置、风机、固体蓄冷系统、分流阀和第二出气装置；
以及对应于所述发电与供热子模式而沿工作介质的走向依次排布的第二进气装置、压缩机、固体蓄热系统、透平、供暖换热器、供暖系统和第一出气装置。
所述固体蓄热系统包括至少一个按顺序排列且相互独立隔热的固体蓄热子模块，这些固体蓄热子模块由一条工作介质密封管道串联。
每个固体蓄热子模块分别包含固体蓄热介质和设于该固体蓄热介质外的保温层，所述工作介质密封管道的位于固体蓄热子模块外的部分均覆盖有保温层。这使得工作介质密封管道在固体蓄热子模块内与固体蓄热介质之间不隔热，在固体蓄热子模块外与外界隔热。
所述固体蓄热介质为包含氧化镁或氧化铁的蓄热砖材料或包含硅酸盐成分的陶瓷材料。
所述固体蓄冷系统包括至少一个按顺序排列且相互独立隔热的固体蓄冷子模块，这些固体蓄冷子模块由一条工作介质密封管道串联。
每个固体蓄冷子模块分别包含固体蓄冷介质和设于该固体蓄冷介质外的保温层，所述工作介质密封管道的位于固体蓄冷子模块外的部分均覆盖有保温层。这使得工作介质密封管道在固体蓄冷子模块内与固体蓄冷介质之间不隔热，在固体蓄冷子模块外与外界隔热。
所述固体蓄冷介质为包含氧化镁或氧化铁的蓄热砖材料或包含硅酸盐成分的陶瓷材料。
本发明克服传统电加热蓄热介质储能方式效率低下的缺点，在蓄热的同时蓄冷，释能时根据天气温度分为两种模式：发电模式为冬季模式，具有较高的热功转换效率以及较大的暖气供应功率；热能综合利用模式为夏季模式，在发电的同时，既可以为居民办公楼提供冷气，又可以供热，解决用户的生活供热以及热水供应的问题，从而本发明有效地在不需要冷气供应时切换模式以提高储电综合效率，由此，本发明除了提供发电模式还提供了热能综合利用模式。此外，固体蓄热材料一般温度适应性较好，不容易发生事故，安全可靠，且不需要复杂的液体泵和气液换热系统，大大的简化了系统设计优化了设备成本。再者，本发明通过采用固体串联式的蓄热系统，使得每个固体蓄热子模块或固体蓄冷子模块之间相互独立，以便于形成自然的温度梯度，从而使可以使固体蓄热子模块或固体蓄冷子模块有序地依次进入工作状态，以维持温度的稳定，而不至于同时衰减。
附图说明
图1为本发明的储能模式的原理图。
图2为本发明的固体蓄热介质保温模块或固体蓄冷介质保温模块的结构示意图。
图3为本发明的发电模式的原理图。
图4为本发明的热能综合利用模式的原理图。
附图标记说明：
a、压缩机
b、透平
c、固体蓄冷系统
d、流量控制阀
e、分流阀
f、供暖系统
g、供暖换热器
h、固体蓄热系统
i、第一出气装置
j、第一进气装置
k、第二进气装置
m、第三进气装置
n、第二出气装置
1固体蓄热介质
1’固体蓄冷介质
2保温层
3工作介质密封管道
具体实施方式
首先，定义如下符号：
t0：储能模式下的固体蓄冷系统低温点，单位：k
t1：储能模式下的固体蓄冷系统高温点，单位：k
tair1：发电模式下的入口温度，单位：k
t0c1：发电模式下的压缩机入口温度，单位：k
t1c1：发电模式下的透平出口温度，单位：k
tair2：热能综合利用模式下的入口温度，单位：k
t0c2：热能综合利用模式下的压缩机入口温度，单位：k
t1c2：热能综合利用模式下的透平出口温度，单位：k
tout：热能综合利用模式下的出口温度，单位：k
wc0：储能模式下的压缩机的功率，单位：mw
wt0：储能模式下的透平的功率，单位：mw
wc1：发电模式下的压缩机的功率，单位：mw
wt1：发电模式下的透平的功率，单位：mw
wc2：热能综合利用模式下的压缩机的功率，单位：mw
wt2：热能综合利用模式下的透平的功率，单位：mw
ηco-----压缩机绝热效率
ηtp----透平绝热效率
ηh：储能模式下的储热效率
ηc：储能模式下的储冷效率
ηw1：发电模式下的发电效率
ηw2：热能综合利用模式下的发电效率
ηall1：发电模式下的系统储能综合效率
ηall2：热能综合利用模式下的系统储能综合效率
κ：工作介质绝热指数
π：储能供热模式下压缩机a以及透平b的压缩比
π′：供电供热模式下压缩机a以及透平b的压缩比
如图1所示，为本发明的储能模式原理图。在储能模式下，系统中的温度为t1的常温气体作为常温工作介质，首先经流量控制阀d进入压缩机a做绝热压缩，将工作介质压缩为温度为
其中，固体蓄热系统h包括至少一个按顺序排列且相互独立隔热的如图2所示的固体蓄热子模块h1，h2，……，hn-1，hn，并由一条用于使工作介质通过的工作介质密封管道串联起来；每个固体蓄热子模块分别包含固体蓄热介质1和设于该固体蓄热介质外的保温层2；工作介质密封管道3位于这些固体蓄热子模块内的那部分为换热通道，位于固体蓄热子模块外的那部分均覆盖有保温层2，使得该工作介质密封管道在固体蓄热子模块内与固体蓄热介质之间不隔热，且在固体蓄热子模块外与外界隔热。
固体蓄热系统h吸收工作介质的热量以后温度升高，蓄热时，其固体蓄热子模块的蓄热顺序按照h1，h2，……，hn-1，hn的顺序，工作介质依次通过固体蓄热系统h的固体蓄热子模块h1，h2，……，hn-1，hn，这样序号小的固体蓄热子模块(如h1)先达到固体蓄热系统高温点
其中，固体蓄冷系统c包括至少一个按顺序排列且相互独立隔热的同样如图2所示的固体蓄冷子模块cn，cn-1，……，c2，c1，并由一条用于使工作介质通过的工作介质密封管道3串联起来；每个固体蓄冷子模块分别包含固体蓄冷介质1’和设于该固体蓄冷介质外的保温层2；该工作介质密封管道3的位于这些固体蓄冷子模块内的那部分为换热通道，位于固体蓄冷子模块外的那部分均覆盖有保温层2，使得该工作介质密封管道在固体蓄冷子模块内与固体蓄冷介质之间不隔热，且在固体蓄冷子模块外与外界隔热。
固体蓄冷系统c对工作介质释放热量以后温度降低，蓄冷时，其固体蓄冷子模块的蓄冷顺序按照cn，cn-1，……，c2，c1的顺序工作介质依次通过固体蓄冷系统c的固体蓄冷子模块cn，cn-1，……，c2，c1，这样序号大的固体蓄冷子模块(如cn)先达到固体蓄冷系统低温点t0，后面的固体蓄冷子模块(如c1)温度相对较高仍然在t1附近，由于固体蓄冷子模块间相对绝热，因此中间会存在温度梯度，由于位于固体蓄冷子模块内的换热通道足够长，因此工作介质通过固体蓄冷系统c的出口温度为t1，最后工作介质再次进入压缩机a，并重复上述循环过程，依此类推，周而复始。
对于储能模式，其温度关系如下：
蓄热效率为
蓄冷效率为
本发明的释能模式为两种可切换的模式，包括发电模式和热能综合利用模式，以根据不同的天气温度，在冬季气温较低时采用发电模式，在夏季气温较高时采用热能综合利用模式。
对于发电模式，则如图2所示，其正好与储能模式相反，属于释能模式，将热能用于发电以及供暖。系统自第一进气装置j从外界吸收干燥空气作为工作介质，常温tair1的工作介质经过固体蓄冷系统c做等压放热，一方面工作介质温度降低到室温以下的低温t0c1，另一方面固体蓄冷系统c吸收热量，一部分固体蓄冷子模块升高温度，在固体蓄冷系统c吸收热量时，其固体蓄冷子模块按照c1，c2，c3……，ck(k≤n)的顺序吸收热量，工作介质依次从较高温的固体蓄冷子模块流动到较低温的固体蓄冷子模块并与这些固体蓄冷子模块c1，c2，c3……，ck(k≤n)换热，而剩下的固体蓄冷子模块ck+1，ck+2，ck+3……，cn(k≤n)则不参与工作介质等压放热过程。其中固体蓄冷子模块ck为第一个(即下标最小的)其温度t0c1与固体蓄冷系统低温点t0温差小于δt的固体蓄冷子模块，当固体蓄冷子模块ck的温度t0c1与固体蓄冷系统低温点t0温差大于δt的时，则按顺序工作介质进一步进入固体蓄冷子模块ck+1进行等压放热。然后离开固体蓄冷系统c的低温t0c1的工作介质进入压缩机a做绝热压缩，将工作介质压缩为温度为
对于发电模式，其温度关系如下，
t0≤t0c1≤t0+δt
发电效率为
储电综合效率为
对于热能综合利用模式，则如图3所示，其同样与储能模式相反，属于释能模式，将热能用于发电以及供暖的同时释放冷气。热能综合利用模式包括供冷子模式和发电与供热子模式，使得分别位于供冷子模式和发电与供热子模式中的常温工作介质同时工作。
在供冷子模式中，系统自第一进气装置j从外界吸收常温tair2的干燥空气作为工作介质，常温tair2的工作介质经过固体蓄冷系统c做等压放热，一方面工作介质温度降低到室温以下的低温tcold，另一方面固体蓄冷系统c吸收热量，部分其固体蓄冷子模块升高温度，固体蓄冷系统c吸收热量时，其固体蓄冷子模块按照c1，c2，c3……，ck(k≤n)的顺序吸收热量，工作介质依次从较高温的固体蓄冷子模块流动到较低温的固体蓄冷子模块并与这些固体蓄冷子模块c1，c2，c3……，ck(k≤n)换热，其中固体蓄冷子模块ck为第一个(即下标最小的)其温度tcold与t0温差小于δt的固体蓄冷子模块，当固体蓄冷子模块ck的温度不符合条件时，则按顺序工作介质进一步进入固体蓄冷子模块ck+1进行等压放热。由于离开固体蓄冷系统c的工作介质的温度tcold低于常温，因此工作介质可以作为冷源供应给外界，具体地，工作介质可经过分流阀e，使得该工作介质与自第三进气装置m进入分流阀e的外界干燥空气混合并达到指定温度tout1后自第二出气装置n排出用于供冷气。该分流阀e也可以换成供冷换热器e。
对于热能综合利用模式的供冷子模式，其温度关系如下，
t0≤tcold≤t0+δt
在发电与供热子模式中，系统自第二进气装置k从外界吸收常温tair2的干燥空气作为工作介质，常温tair2＝t0c2的工作介质进入压缩机a做绝热压缩，将工作介质压缩为高温
对于热能综合利用模式的发电与供热子模式，其温度关系如下
t0c2＝t1
发电效率为
储电综合效率为
根据以上公式，试举一实例说明：
在储能模式下，系统中的温度为常温25度的工作介质，首先经流量控制阀进入压缩机(绝热效率＝0.9，多变效率＝0.93)做绝热压缩消耗218.1mw，将工作介质压缩为温度为524.5度且压强为25的高温高压气体。然后该工作介质进入固体蓄热系统，一方面使工作介质做等压放热141.5mw并降低温度，另一方面使得固体蓄热系统吸收工作介质的热量以后温度升高并蓄热。固体蓄热系统吸收工作介质的热量以后温度升高，工作介质通过固体蓄热系统的出口温度为200.5度，然后工作介质进入透平(绝热效率＝0.95，多变效率＝0.92)做绝热膨胀对外做功118.1mw，工作介质膨胀为温度为-70度的低温常压气体，此时工作介质的温度为-70度，比常温低很多，然后工作介质进入固体蓄冷系统，一方面使工作介质做等压吸热41.5mw升高温度为常温25度，最后工作介质再次进入压缩机，并重复上述循环过程，依此类推，周而复始。净消耗功为100mw，蓄热功率为141.5mw，蓄冷功率为41.5mw，蓄热效率为141.5％，总储能(蓄冷+蓄热)效率为183％。
对于发电模式，系统自第一进气装置从外界吸收干燥空气作为工作介质，常温25度的工作介质经过固体蓄冷系统做等压放热37.1mw～41.5mw，一方面工作介质温度降低到室温以下的低温-60～-70度，另一方面固体蓄冷系统吸收热量，然后工作介质进入压缩机(绝热效率＝0.9，多变效率＝0.93)做绝热压缩消耗108.8mw～123.1mw，将工作介质压缩为温度为189.1度～200.5度，压强为14.5的高温高压气体；再然后工作介质进入固体蓄热系统，做等压吸热132.2mw～146.5mw并进一步升高温度为514.5度～524.5度左右，然后工作介质进入透平(绝热效率＝0.95，多变效率＝0.93)做绝热膨胀对外做功172.5mw～179.0mw，工作介质膨胀为温度为114.5度～119.4度的低温常压气体，最后工作介质作为废气自第一出气装置i排出并释放到外界，该废气可以作为暖气。暖气输出功率为39.1mw～41.2mw。在发电模式下，透平对外做功，压缩机消耗功，在此过程中向外净输出功，该功即用于供电。净输出功为49.4mw～70.2mw，发电效率约为43.0％，综合储能效率约为60.8％。
对于热能综合利用模式，其包括供冷子模式和发电与供热子模式。
在供冷子模式下，系统自第一进气装置从外界吸收常温25度(的干燥空气作为工作介质，工作介质经过固体蓄冷系统做等压放热，一方面工作介质温度降低到室温以下的低温20度，另一方面固体蓄冷系统吸收热量，由于离开固体蓄冷系统的工作介质的温度低于常温，因此工作介质可以作为冷源供应给外界，具体地，工作介质可经过分流阀，使得该工作介质与自第三进气装置进入分流阀的外界干燥空气混合并达到指定温度例如27度后自第二出气装置排出用于供冷气。
在发电与供热子模式下，系统自第二进气装置k从外界吸收常温25度干燥空气作为工作介质，常温25度的工作介质进入压缩机做绝热压缩消耗76.7mw，将工作介质压缩为温度为200.5度气压为4.4的高温高压气体；然后工作介质进入固体蓄热系统做等压吸热137.1mw～141.5mw，一方面工作介质的温度进一步升高至514.5度～524.5度，。然后工作介质进入透平做绝热膨胀对外做功110.3mw～117.6mw，将工作介质膨胀为温度为255.3度～262.0度的中温常压气体，由于此时工作介质温度比常温高很多，工作介质可以作为暖气进入供暖换热器与外界的一供暖系统f换热并降低温度，供暖系统f获得热量后对用户进行供暖，最后工作介质作为废气或低温暖气排放，总的暖气功率为100.6mw～103.6mw。在发电与供热子模式下，透平对外做功，压缩机消耗功，在此过程中向外净输出功，该功即用于供电。净输出功为33.6mw～40.9mw，发电效率约为19.4％，综合储能效率约为27.4％。
上述实施例中，固体蓄热子模块的固体蓄热介质1为包含氧化镁或氧化铁等金属氧化物的蓄热砖材料，或包含硅酸盐成分的陶瓷材料。固体蓄冷子模块的固体蓄冷介质1’为包含氧化镁或氧化铁等金属氧化物的蓄热砖材料，或包含硅酸盐成分的陶瓷材料。
上述实施例中，工作介质均为空气，也可以更换为任何在工作温度下不会相变的气体，如二氧化碳。一般来说单原子气体由于绝热指数较高，有助于提高系统工作效率，如氩气、氮气或氦气。但由于成本问题，单原子气体应进行回收利用以降低成本，一般用于储能模式，空气作为双原子气体，是非常容易获取的零成本工作介质，一般用于发电模式或热能综合利用模式。本发明实施例中出于简化系统以及优化成本的考虑采用空气作为工作介质。此外，本发明的各个模式下的工作介质不必相同。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。