一种零废热冷热-电互换的蓄热储能系统

1.本发明属于热电储能技术领域，具体涉及一种零废热冷热-电互换的蓄热储能系统。


背景技术：

2.随着经济发展和环境保护的需要，可再生能源快速发展，可再生能源具有间歇性的特点使得可再生能源发电时，容易导致电力系统的不稳定。而储能技术通过电能多余时储存，缺乏时释放的方式，解决电网的稳定性问题，大大提升能源利用率和电网安全性。因此，大规模储能是可再生能源大规模开发不可或缺的保障。在传统方式中，当热能转化为电能时，工质流出透平后，需要通过自然环境进行散热，形成了废热的排放和能量的损失且储能效率受环境温度影响。
3.迄今为止，大规模商业化储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气蓄能和储热技术。抽水蓄能需要具有高度差的大型蓄水区域，对地理环境具有较强的依赖性，难以普及。压缩空气蓄能由于压缩空气的能量密度低，需要有大量的储罐或者矿井岩穴对压缩后的空气进行储存，占地面积大，使用条件苛刻。储热技术，其中包括冷热-电互换技术，具有能量密度高，不需要大量占地，应用场景广泛的优势。然而，现有的储热技术采用热泵循环进行储能，空气布雷顿循环或蒸汽朗肯循环进行发电，循环过程中有废热的排放，热—电转换的效率低。同时，该方式的现有设计通常需要电—热储热系统和热—电发电系统，系统复杂，成本较高，不利于大规模推广使用。
4.例如，公开号为cn114857973a的“一种热电储能系统及换热方法”的发明专利，其公开了一种基于储冷储热技术的热电转换储能系统，通过多级储热放热技术和回热技术的结合，利用环境与系统之间的能量交换，提升了电热储能系统的储能效率，但是存在设备多，占地大，且需要向环境排出废热而导致无法最大程度地利用热能等问题。此外，公开号为cn112985145a的“基于二氧化碳气液相变的储能装置与方法”的发明专利，其公开了一种压缩超临界二氧化碳储能的系统，通过使用压缩机压缩超临界二氧化碳的方式，将多余的能量以高压超临界二氧化碳的形式进行储存，并在需要的时候释放出高压超临界二氧化碳用于发电，但其本质上仍为压缩气体储能的方式，效率难以提高，且单位体积储蓄的能量较低，占地大、成本较高。


技术实现要素：

5.针对上述不足，本发明的目的是提供一种零废热冷热-电互换的蓄热储能系统，能量转化为电能时，流出的工质无需通过自然环境冷却，直接通过储能过程中储存的冷源进行冷却，没有废热向环境释放，实现了零废热排放的目标；通过设计新型等焓膨胀阀实现了较大范围内循环参数的调节，将热能转化为电能时，无需排出废热，解决了废热排出导致转换效率下降的问题；结合超临界二氧化碳系统和焦耳—汤姆逊效应，采用超临界二氧化碳作为工质，解决了传统采用空气作为工质所带来的低效、低能量密度的问题，实现采用同一
套设备正向运行发电，逆向运行储能的零废热冷热-电互换的储热系统。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种零废热冷热-电互换的蓄热储能系统，包括储冷系统、储热系统、透平—压缩一体机、电动—发电一体机、副压缩机、联轴器和等焓膨胀阀，电动—发电一体机左端连接透平—压缩一体机，电动—发电一体机右端连接联轴器，联轴器右端连接副压缩机；透平—压缩一体机高温高压侧通过双向管路与储热系统的储热—释热换热器高温侧连接，透平—压缩一体机低温低压侧通过双向管路与储冷系统的储冷—释冷换热器高温侧连接，储热—释热换热器低温侧向副压缩机高压侧单向连通，副压缩机的低压侧向储冷—释冷换热器的低温侧单向连通；储冷—释冷换热器接连副压缩机的低压侧通过单向管道向等焓膨胀阀的低压侧连通，通过等焓膨胀阀的高压侧单向连通至储热—释热换热器与副压缩机连通的高压侧。
8.进一步的，所述储热系统包括储热—释热换热器、高温储热罐、低温储热罐，储热—释热换热器高温侧通过双向管道与高温储热罐连接，储热—释热换热器低温侧通过双向管道与低温储热罐连接。
9.进一步的，所述储冷系统包括储冷—释冷换热器、低温储冷罐、高温储冷罐，储冷—释冷换热器低温侧通过双向管道与高温储冷罐连接，储冷—释冷换热器高温侧通过双向管道与低温储冷罐连接。
10.进一步的，所述透平—压缩一体机采用静叶可调的透平—压缩一体机技术，通过轴流式涡轮机，正向使用时作为透平，逆向使用时作为压缩机。通过调节静叶角度，实现所透平—压缩机之间的转换。
11.进一步的，所述透平—压缩一体机根据系统参数反馈的压力数值，改变静叶角度，动叶入射气流的角度改变，使透平—压缩一体机在较宽的压力范围能运行，保持在最佳工况下运行。
12.进一步的，电动—发电一体机采用发电—电动一体机技术，正向使用时作为发电机，逆向使用时作为电动机。
13.进一步的，等焓膨胀阀由竖直的多孔式节流孔板、闸板、测量及反馈控制系统组成，是一种可根据系统状态自动调节闸板开度的节流阀；阀门前端、后端连接反馈回路，反馈回路通过控制电机连接在阀门内部闸板上，闸板通过步进电机控制上下移动，对节流孔板开孔进行遮挡。
14.进一步的，透平—压缩一体机、电动—发电一体机、副压缩机同轴布置。
15.进一步的，超临界二氧化碳作为本系统的流通介质。
16.进一步的，本系统的储热介质为用熔盐，储冷介质为水、有机介质或熔盐。
17.本发明的有益效果在于：
18.根据本发明提供的一种基于透平压缩一体化技术和超临界二氧化碳循环，冷热-电互换的零废热排放储热系统，能够实现通过同一套设备，实现正向运行发电，逆向运行储能的效果，使得储能系统紧凑高效。
19.通过静叶可调的涡轮机械设计，使得透平—压缩一体机正向运行时作为透平，逆向运行时作为压缩机，并能处于最佳运行工况；同时采用了发电—电动机一体化技术，大大减少了设备数量，使得结构紧凑。基于焦耳—汤姆逊效应，创新等焓膨胀阀的设计和使用，
使得循环参数可控可调，实现零废热排出的目的，提高了储能效率。此外，基于超临界二氧化碳循环系统技术，有效提高了整体储能效率，减少设备腐蚀，同时减少了储冷、储热介质的使用，使得储能系统整体结构紧凑，体积小。
20.超临界二氧化碳循环电热储能技术能量转换率超过80％，其值远超现有商业储能技术相应数值，更具有占地面积小、体积小、不受地理位置限制、无需燃料、投资成本低、无安全和环境问题等优点，同时降低了工质腐蚀设备的强度，提高了设备使用寿命，是极具前景的大规模长时间储能技术。
附图说明
21.图1为本发明所述的一种零废热、冷热-电互换的蓄热储能系统示意图；
22.图2为本发明所述的一种零废热、冷热-电互换的蓄热储能系统处于释能状态时的示意图；
23.图3为本发明所述的一种零废热、冷热-电互换的蓄热储能系统处于储能状态时的示意图；
24.图中：1、透平—压缩一体机；2、高温储冷罐；3、储冷—释冷换热器；4、低温储冷罐；5、电动—发电一体机；6、副压缩机；7、储热—释热换热器；8、等焓膨胀阀；9、低温储热罐；10、高温储热罐；11、联轴器；
25.图4为本发明所述的一种零废热、冷热-电互换的蓄热储能系统以超临界二氧化碳为工质时的焓熵图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1：
29.一种零废热冷热-电互换的蓄热储能系统，包括储冷系统、储热系统、透平—压缩一体机1、电动—发电一体机5、副压缩机6和等焓膨胀阀8。储冷系统包括储冷—释冷换热器3、高温储冷罐2、低温储冷罐4；储热系统包括储热—释热换热器7、低温储热罐9、高温储热罐10、联轴器11。
30.电动—发电一体机5左端连接透平—压缩一体机1，电动—发电一体机5右端连接联轴器11，联轴器11右端连接副压缩机6。透平—压缩一体机1高温高压侧通过双向管路与储热系统的储热—释热换热器7高温侧连接，透平—压缩一体机1低温低压侧通过双向管路与储冷系统的储冷—释冷换热器3高温侧连接，储热—释热换热器7低温侧向副压缩机6高压侧单向连通，副压缩机6的低压侧向储冷—释冷换热器3的低温侧单向连通；储冷—释冷换热器3接连副压缩机6的低压侧通过单向管道向等焓膨胀阀8的低压侧连通，通过等焓膨胀阀8的高压侧单向连通至储热—释热换热器7与副压缩机6连通的高压侧。
31.在储热系统中，储热—释热换热器7高温侧通过双向管道与高温储热罐10 连接，储热—释热换热器7低温侧通过双向管道与低温储热罐9连接。
32.在储冷系统中，储冷—释冷换热器3低温侧通过双向管道与低温储冷罐4 连接，储冷—释冷换热器3高温侧通过双向管道与高温储冷罐2连接。
33.本系统采用超临界二氧化碳作为介质，相比于其他工质而言，可以获得更高的高温，减少了储热介质的用量，使得结构紧凑，占地小。同时，其效率相比于其他工质较高。此外，由于超临界二氧化碳的化学性质稳定，进一步减少了对材料的腐蚀，提高设备使用寿命。
34.储热介质选用熔盐，储冷介质选用水、有机介质或熔盐，提高换热器换热效率和整体储能系统效率。
35.正向运行时，该系统用于发电，此时，透平—压缩一体机1用作透平，电动—发电一体机5用作发电机，系统进行释能。系统循环过程如下：超临界二氧化碳通过储热—释热换热器7进行吸热后，进入透平—压缩一体机1进行做功发电。随后通过储冷—释冷换热器3进行降温，最后通过副压缩机6进行升压，形成回路。电动—发电一体机5经过轴的带动，可以向外输送电能。低温储冷罐4中的储冷介质经过储冷—释冷换热器3流量高温储冷罐2，释放冷量；高温储热罐10中的储热介质经过储热—释热换热器7流向低温储热罐9，释放热量。逆向运行时，该系统用于储能，此时，透平—压缩一体机1用作压缩机，电动—发电一体机5用作电动机，系统进行储能。系统循环过程如下：超临界二氧化碳通过储热—释热换热器7进行放热后，进入等焓膨胀阀8进行等焓膨胀降温。随后通过储冷—释冷换热器3进行升温，最后通过透平—压缩一体机1 进行升压，形成回路。电动—发电一体机5带动轴，为透平—压缩一体机1提供动力。高温储冷罐2中的储冷介质经过储冷—释冷换热器3流向低温储冷罐4，储存冷量；低温储热罐9中的储热介质经过储热—释热换热器7流量低温储热罐9，储存热量。
36.透平—压缩一体机1采用一种静叶可调的透平—压缩一体机技术，采用轴流式涡轮机，正向使用时作为透平，可以让工质的膨胀做功，推动轴系旋转进行发电，逆向使用时作为压缩机，消耗能量，使工质升温升压。通过调节静叶角度，实现所透平—压缩机之间的转换。根据具体系统参数反馈的压力数值，改变静叶角度，动叶入射气流的角度改变，使得透平—压缩一体机可以在较宽的压力范围能运行，并使其运行在最佳工况。该设计使得储能系统结构紧凑，降低成本，减小占地。
37.电动—发电一体机5采用发电—电动一体机技术，正向使用时作为发电机，将机械能转化为电能进行输出，实现发电的目的，逆向使用时作为电动机，消耗电能，带动整个轴系做功。该设计使得储能系统灵活可靠，可以根据负荷变化进行功率调节。同时有效减少了设备数量，简化系统的复杂程度。
38.等焓膨胀阀由多孔式节流孔板、闸板、测量及反馈控制系统组成，是一种可根据系统状态自动调节闸板开度的节流阀。阀门前端、后端连接反馈回路，反馈回路通过控制电机连接在阀门内部闸板上。通过对阀门前端后端气体温度、压力进行测量，反馈到回路中定位闸板位置，闸板通过步进电机控制移动，对节流孔板开孔进行遮挡，进而控制流体流过节流板上节流孔有效面积，实现压力范围7.3-16mpa、温度范围300-350k宽范围降温、降压连续调节。通过对于节流强度的调整，实现在调节循环最低温度和最低压力的目的，从而平衡储冷量与储热量，实现了零废热。
39.透平—压缩一体机1、电动—发电一体机5、副压缩机6、联轴器11采用同轴布置的
方式，使得系统整体结构紧凑。通过一体化的方式进行发电和储能的过程，提高了系统整体可靠性。通过联轴器11可以实现通过调节转速，对循环参数进行调节的目的。此外，当系统进行储能循环时，联轴器11可以用于断开副压缩机的连接，避免产生鼓风热。
40.当以超临界二氧化碳为工质时，其焓熵图如图4所示。其中，黑色实线为等焓线，红色实线为等压线。蓝色实线表示储能循环(1-2-3-4)：1-2表示等焓膨胀过程，2-3表示等压吸热过程，3-4表示等熵压缩过程，4-1表示等压放热过程；红色虚线表示释能循环(1
’‑4’‑3’‑2’
)：1
’‑4’
表示等压吸热过程，4
’‑3’
表示等熵膨胀过程，3
’‑2’
表示等压放热过程，2
’‑1’
表示等熵压缩过程。由于传热过程需要有一定的温差才能进行，因此1’、4’的位置位于1、4的下方，2’、3’的位置位于2、3的上方。通过调节循环参数，实现储能-释能过程中零废热的目标。以下给出一个可供参考的循环参数：当循环正向运行时，系统释能发电，如图2所示，透平—压缩一体机1入口参数为15.5mpa/695k，出口参数为 9.1mpa/629k；副压缩机6入口参数为9mpa/307k，出口参数为15.6mpa/321k。当循环逆向运行时，系统储能耗电，如图3所示，透平—压缩一体机1入口参数为7.38mpa/607k，出口参数为16mpa/700k；等焓膨胀阀8入口参数为 15.9mpa/323k，出口参数为7.4mpa/304k。低温储热罐温度为322k，高温储热罐温度为698k，低温储冷罐温度为305k，高温储冷罐温度为610k。
41.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
42.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发明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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
44.本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的方法，其他方法可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
45.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。