一种涡流管式热泵储能发电系统的制作方法

1.本发明属于能源领域，尤其涉及一种涡流管式热泵储能发电系统。


背景技术：

2.在碳达峰碳中和的背景下，需架构以新能源为主体的新型电力系统，而新能源(风电、光伏)发电不稳定、不可控的特点会对新能源的装机量造成影响，目前在青海、甘肃、新疆等风光资源较好的地域，新能源的装机量已接近天花板，因此必须配备储能才能进一步提升新能源的装机量。
3.目前主流的储能技术为抽水蓄能，其优势在于寿命长(50年以上)、充放电效率高(75％-77％)，是目前最主流的储能技术。2021年8月，国家能源局在《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035年)》中提出，到2030年抽水蓄能投产装机达到1.2亿千瓦左右，是目前存量的4倍左右，但抽水蓄能存在建设周期长、初投资高、受地理条件限制等缺陷，制约其灵活应用。
4.国家也在大力推行新型储能技术的发展，2021年4月，国家发改委、能源局在《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》中明确提出，到2025年，实现新型储能装机规模达到3000万千瓦以上，而截至2020年，我国已投运的新型电力储能(包含电化学储能、压缩空气储能、飞轮、超级电容器等)累计装机规模达到328万千瓦，这意味着到2025年，新型储能市场规模比2020年底的水平扩大10倍左右。而目前新型储能技术中，占据主流地位的电化学储能存在成本高昂、安全性低、寿命周期短等缺陷，多为小规模、短时间储能电站，压缩空气储能的单位储能密度低，采用地面压力储罐成本高，利用地下盐穴、废弃矿洞可降低投资成本，但也存在受地理条件限制等缺陷，其灵活性不足。
5.因此，如何设计一种可以不受地域限制且能实现高效储能的发电系统，成为了当下的重点研究课题之一。进一步的，申请人经研究实践发现，目前压缩机技术较为成熟，以压缩机为核心的热泵储能技术是可以应用到该课题解决方案中的选择之一，但是针对高温领域(300℃)以上的高温压缩机技术存在较多的技术难点，系统搭建难度较高，且使用材料较为昂贵，大大提升了高温压缩机制造成本，也提升了高温热泵系统的造价。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种涡流管式热泵储能发电系统，有效实现以投入高温领域中的压缩机为核心的系统搭建，可不受地域限制，同时高效储能以帮助应对电网缺电问题，系统成本较低、安全性高、节能降耗、运行稳定可靠。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种涡流管式高温热泵储能发电系统，包括高温热泵系统、主级储热系统和发电系统，
9.所述高温热泵系统包括第一压缩机、涡流管、高温放热器、第一回热器、第一膨胀机、电动机、低温吸热器，所述第一压缩机与第一膨胀机同轴连接，所述第一压缩机和电动
机电性连接，所述第一压缩机的出口与所述涡流管的进口连通，所述涡流管高温出口流出的工质，经过高温放热器的高温侧、第一回热器的高温侧、第一膨胀机、低温吸热器的低温侧、第一回热器的低温侧，回到第一压缩机；
10.所述主级储热系统与所述高温放热器的低温侧连通，用于储存热能；
11.所述主级储热系统与所述发电系统通过换热器连通，所述换热器用于将所述主级储热系统的热能转换为所述发电系统中的发电工质的热量，所述发电系统用于将所述发电系统中的发电工质的热量转换为电能。
12.优选地，在所述高温热泵系统中，所述涡流管的低温出口与所述第一膨胀机的进口连通，或与所述第一压缩机的进口连通。从涡流管的低温出口流出的工质还具有一定的余温，因此该部分工质可以进一步在第一膨胀机内做功，或与进入第一压缩机的工质混合，提升进入第一压缩机的工质的温度。
13.优选地，所述主级储热系统包括主级储热介质热罐和主级储热介质冷罐，所述主级储热介质热罐流出的储热介质，经过所述换热器的高温侧、主级储热介质冷罐、高温放热器的低温侧，回到所述主级储热介质热罐；
14.所述换热器的低温侧与所述发电系统连通。
15.优选地，所述发电系统为超临界二氧化碳发电系统，
16.所述超临界二氧化碳发电系统包括发电机、第二膨胀机、第二回热器、第三回热器、冷却器、第二压缩机，所述第二膨胀机与所述发电机连接；
17.所述第二膨胀机流出的二氧化碳工质，经过所述第二回热器的高温侧、第三回热器的高温侧、冷却器、第二压缩机、第三回热器的低温侧、第二回热器的低温侧、换热器的低温侧，回到所述第二膨胀机。
18.优选地，所述超临界二氧化碳发电系统还包括再压缩机，所述第三回热器的高温侧出口管道分为两路，第一路管道连通所述再压缩机的进口，所述再压缩机的出口连通所述第二回热器的低温侧；
19.第二路管道连通所述冷却器。
20.优选地，所述冷却器包括第一冷却器和第二冷却器，所述第三回热器的高温侧出口分别与所述第一冷却器的高温侧进口、第二冷却器的高温侧进口连通，所述第一冷却器的高温侧出口、第二冷却器的高温侧出口均与所述第二压缩机进口连通；
21.所述第一冷却器低温侧与冷却装置连通，所述第二冷却器低温侧与副级储热系统连接，所述副级储热系统用于储存所述超临界二氧化碳发电系统的废热。
22.优选地，所述副级储热系统与高温热泵系统通过所述低温吸热器连通，所述副级储热系统连通所述低温吸热器的高温侧，所述高温热泵系统连通所述低温吸热器的低温侧，将超临界二氧化碳发电系统中的废热为高温热泵系统的低温端提供能量。
23.优选地，所述副级储热系统包括副级储热介质冷罐和副级储热介质热罐，所述副级储热介质冷罐流出的储热介质，经过所述第二冷却器的低温侧、副级储热介质热罐、低温吸热器的高温侧，回到所述副级储热介质冷罐；
24.所述第一膨胀机的出口与所述低温吸热器的低温侧进口连通，所述低温吸热器的低温侧出口与所述第一回热器的低温侧进口连通。
25.优选地，所述高温热泵系统中的工质为氮气、氩气、空气或二氧化碳。
26.优选地，所述主级储热系统的储热介质为熔盐、颗粒或pcm，所述副级储热系统中的储热介质为水。
27.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
28.本发明将高温热泵系统和发电系统耦合，不受地域限制且储能效率高，能在光伏/风电存在弃光/风现象或谷电时，将电能用高温热泵系统以热量的形式储存再来，当电网缺电时，通过超临界二氧化碳发电系统发电上网，解决电量供应问题。
29.本发明的高温热泵系统还可实现制冷，以关联发电系统并降低发电系统中的冷却成本，且高温热泵系统制冷能力较强，有效冷却发电系统中的压缩机的进口温度，从而降低压缩机功耗，提升发电系统的发电效率；
30.本发明利用涡流管分流制热/制冷原理，将涡流管设计在高温热泵系统中第一压缩机和高温放热器之间，从第一压缩机出口流出的工质进入涡流管内进一步的提升温度，因此从涡流管高温出口流出的工质温度升高，为主级储热系统提供更多的热量，大幅降低第一压缩机高温阶段的开发难度及降低高温热泵系统的造价，保证整个系统基础框架的搭建及有效运行。
附图说明
31.图1为本发明实施例1的涡流管式高温热泵储能发电系统示意图；
32.图2为本发明实施例2的涡流管式高温热泵储能发电系统示意图；
33.附图标记说明：1-第一压缩机；2-高温放热器；3-第一回热器；4-第一膨胀机；5-电动机；6-低温吸热器；7-主级储热介质热罐；8-主级储热介质冷罐；9-换热器；10-第二膨胀机；11-第二回热器；12-第三回热器；13-第一冷却器；14-冷却装置；15-第二冷却器；16-副级储热介质热罐；17-副级储热介质冷罐；18-第二压缩机；19-再压缩机；20-发电机；21-涡流管。
具体实施方式
34.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种涡流管式高温热泵储能发电系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
35.实施例1
36.参看图1，一种涡流管式高温热泵储能发电系统，包括高温热泵系统、主级储热系统和发电系统。
37.高温热泵系统包括第一压缩机1、涡流管21、高温放热器2、第一回热器3、第一膨胀机4、电动机5、低温吸热器6，第一压缩机1、第一膨胀机4和电动机5同轴设置，第一压缩机1的出口与涡流管21的进口连通，涡流管21的高温出口流出的工质，经过高温放热器2的高温侧、第一回热器2的高温侧、第一膨胀机4、低温吸热器6的低温侧、第一回热器3低温侧，进入第一压缩机1；
38.由于涡流管21的低温出口流出的工质还具有一定的温度，因此将涡流管21的低温出口与第一膨胀机4的进口连通，该部分工质进入第一膨胀机4内膨胀做功。
39.高温热泵系统中的工质可以为氮气、氩气、空气或二氧化碳。
40.发电系统可为蒸汽发电系统或超临界二氧化碳发电系统等其他工质的发电系统，在本实施例中优选为发电效率高的超临界二氧化碳系统，超临界二氧化碳发电系统包括发电机20、第二膨胀机10、换热器9、第二回热器11、第三回热器12、冷却器、第二压缩机18，第二膨胀机10与发电机20连接；从第二膨胀机10流出的二氧化碳工质，经过第二回热器11的高温侧、第三回热器12的高温侧、冷却器、第二压缩机18、第三回热器12的低温侧、第二回热器11的低温侧、换热器9的低温侧，回到第二膨胀机10。
41.高温热泵系统通过主级储热系统与超临界二氧化碳发电系统耦合，主级储热系统通过高温放热器2的低温侧与高温热泵系统连接，用于将高温热泵系统中的热能传递给主级储热系统内的储热介质，主级储热系统主要用于储存热能；主级储热系统通过换热器9的高温侧与超临界二氧化碳发电系统连接，换热器9将储热系统的热能传递给进入第二膨胀机10内的二氧化碳工质，接收了主级储热系统的热能后的二氧化碳工质进入第二膨胀机10内做功，带动发电机20发电，将热能转化为电能。
42.主级储热系统可以为将高温储热介质和低温储热介质设计在同一罐，也可为分两种罐设置，在本实施例中分两种罐设置，即主级储热系统包括主级储热介质热罐7和主级储热介质冷罐8，从主级储热介质热罐7流出的储热介质经过换热器9的高温侧、主级储热介质冷罐8、高温放热器2的低温侧，回到主级储热介质热罐7。主级储热系统的储热介质可以为熔盐、颗粒或pcm。
43.本实施例利用主级储热系统将高温热泵系统和超临界二氧化碳发电系统耦合，利用弃光/弃风的电能，用高温热泵系统以热量的形式储存再来，当电网缺电时，通过超临界二氧化碳发电系统发电上网，解决电量供应问题。
44.重要的是利用了涡流管21的制冷/制热原理，在不用提升第一压缩机1性能的情况下，即可提升进入高温放热器2高温侧进口的工质温度，提升高温热泵的热量输出。因此，降低了第一压缩机1在高温领域的制造成本和开发成本，降低高温热泵系统的造价，提升高温热泵系统的可行性。
45.为了解决超临界二氧化碳发电系统中二氧化碳工质的夹点现象，超临界二氧化碳发电系统还包括再压缩机19，第三回热器12的高温侧出口管道分为两路，第一路管道连通再压缩机19的进口，再压缩机19的出口连通第二回热器11的低温侧；第二路管道连通冷却器。
46.由于从第三回热器12的高温侧出口流出的二氧化碳工质还具有一定的温度，需要将其冷却后才能进入第二压缩机18内，因此可将这部分的低温热量储存，设计了副级储热系统。将冷却器设置为并列的第一冷却器13和第二冷却器15，第三回热器12的高温侧出口分别与第一冷却器13的高温侧进口、第二冷却器15的高温侧进口连通，第一冷却器13的高温侧出口、第二冷却器15的高温侧出口均与第二压缩机18进口连通；
47.第一冷却器13的低温侧与冷却装置14连通，采用冷却装置14(冷却装置具体可以为空冷岛的形式)冷却，第二冷却器15的低温侧与副级储热系统连接，副级储热系统用于储存超临界二氧化碳发电系统的废热。
48.副级储热系统的热量可以用作其他用处，优选为高温热泵低温端供能，将副级储热系统储存的热量为低温吸热器6的高温侧提供能量，因此低温吸热器6将高温热泵系统与副级储热系统耦合，低温吸热器6的低温侧接入第一膨胀机4和第一回热器3低温侧之间，低
温吸热器6的高温侧接入副级储热系统。
49.副级储热系统包括副级储热介质冷罐17和副级储热介质热罐16，副级储热介质冷罐17出口流出的储热介质，经过第二冷却器15的低温侧、副级储热介质热罐16、低温吸热器6的高温侧连通，低温吸热器6的高温出口，回到副级储热介质冷罐17。副级储热系统的储热介质可以为水等其他，在此不做限制。
50.本实施例的储能发电系统的工作原理如下：
51.在光伏/风电存在弃光/风现象时，将电能用高温热泵系统以热量的形式储存再来，当电网缺电时，通过超临界二氧化碳发电系统发电上网，
52.(1)高温热泵系统：高温热泵中的工质从第一压缩机1被压缩后的高温高压工质进入涡流管21，利用涡流管21分流制热/制冷原理，高温端出口形成高温工质，进入高温放热器2的高温侧，将热量传递给主级储热介质冷罐8内的低温储热介质(低温储热介质获取到热量后，储存在主级储热介质热罐7内)，从高温放热器2内的流出的中低温高压工质，经过第一回热器3的高温侧，进一步释放热量，工质为低温高压状态，进入第一膨胀机4内做功，从第一膨胀机4内流出的工质为低温低压状态，首先经过低温吸热器6的低温侧吸收热量，然后进一步经过第一回热器3的低温侧吸热热量，进入第一压缩机1，完成整个循环。涡流管21低温端出口流出的低温工质，还具有一定的温度，这部分的低温工质与从第一回热器3的高温侧流出的低温工质一起进入第一膨胀机4内做功，第一膨胀机4、第一压缩机1和电动机5同轴设置，第一膨胀机4做功可以抵消一部分第一压缩机11耗功，剩余第一压缩机11耗功由电动机5提供。
53.(2)超临界二氧化碳发电系统：二氧化碳工质从第二膨胀机10内膨胀做功后的状态为高温低压状态，进入第二回热器11的高温侧和第三回热器12的高温侧释放热量后，变为低温低压状态，为了避免二氧化碳夹点现象，从第三回热器12高温侧流出的二氧化碳工质分流，一路再次分为两路分别进入第一冷却器13和第二冷却器15降温，降低第二压缩机18的耗功，然后汇合进入第二压缩机18压缩，得到高压超临界二氧化碳，随后进入第三回热器12低温侧和第二回热器11低温侧吸收热量；另一路的二氧化碳工质进入再压缩机19被压缩至高温高压状态，进入第二回热器11的低温侧进一步吸收热量；从第二回热器11吸收热量的二氧化碳工质进入换热器9的低温侧进一步吸收热量，然后再进入第二膨胀机10内做功发电，完成整个循环。
54.高温热泵与超临界二氧化碳发电系统的耦合通过主级储热系统—主级储热介质热罐7和主级储热介质冷罐8、副级储热系统
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副级储热介质冷罐17和副级储热介质热罐16，主级储热系统用来储存高温热泵中制出的高温热量，供给超临界二氧化碳发电系统发电，副级储热系统用来储存超临界二氧化碳发电系统中的废热，供给高温热泵系统低温端吸热。
55.实施例2
56.参看图2，实施例2与实施例基本相同，区别在于：将涡流管21低温出口流出的低温工质与从第一回热器3的低温侧流出的工质汇合，共同流入第一压缩机1内进行压缩，降低第一压缩机1出口压力，从而降低第一压缩机1耗功，提升高温热泵系统的cop。
57.本发明系统中的高温热泵系统也可制冷，可降低超临界二氧化碳发电系统中冷却装置14的投资，且高温热泵系统可制冷至较低的温度，冷却超临界二氧化碳发电系统中压
缩机的进口温度，从而降低压缩机耗功，提升超二发电系统的发电效率。
58.本发明的储能发电系统具有安全可靠、成本低廉、可向电网提供转动惯量等优势。
59.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上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。