一种二氧化碳混合工质热泵储能系统及运行方法

本发明属于能量储存、可再生能源利用、电网稳定性调节及分布式能源等，具体涉及一种二氧化碳混合工质热泵储能系统及运行方法。

背景技术：

1、发展可再生能源是解决世界能源短缺、环境污染严重等问题的有效方法。然而，可再生能源自身所具有的间歇性和不稳定性威胁了电网的安全和稳定，阻碍了可再生能源发电技术的发展。

2、热泵储能技术是一种新型的可用于大规模储能的电力储存技术，该技术将来自电网的多余电能转化为热能储存在储热介质中，并在需要时将储存的热能转化为电能并输送给电网；由于热泵储电的能量是以热能的形式储存，因此循环工质和储热介质之间的换热效率是影响系统性能的重要因素；换热器内工作流体与储热介质的温差越大，换热效率就越低；

3、当二氧化碳热泵储能系统跨临界运行时，二氧化碳在热泵循环和热机循环的冷端发生等温相变；为获得良好的热匹配，减少换热损失，可通过增大换热面积或者使用相变储热材料，但这两种方案均会导致高昂的成本，且其实际运行难度很大。

4、因此，亟需一种二氧化碳混合工质热泵储能系统及运行方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二氧化碳混合工质热泵储能系统及工作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的热泵储能系统，可解决现有的跨临界二氧化碳热泵储能系统换热效率低、换热成本高的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种二氧化碳混合工质热泵储能系统，其特征在于，包括：热泵循环模块、热机循环模块、储冷模块、高温储热模块和低温储热模块；

4、所述热泵循环模块用于蓄能时将电能转换成热能和冷能；

5、所述热机循环模块用于释能时将热能和冷能转换成电能；

6、所述储冷模块用于储存热泵循环模块产生的冷量；

7、所述高温储热模块用于储存热泵循环模块产生的高温热量；

8、所述低温储热模块用于储存热泵循环模块产生的部分低温热量。

9、本发明的进一步改进在于，所述热泵循环模块包括蒸发器、第一回热器、压缩机、气体冷却器、第一换热器、第一膨胀机；所述蒸发器冷侧通道的出口经过所述第一回热器的冷侧通道与所述压缩机的入口相连通，所述压缩机的出口经过所述气体冷却器的热侧通道、所述第一换热器的热侧通道与所述第一膨胀机相连通，所述第一膨胀机的出口与所述蒸发器的冷侧通道入口相连通；

10、更进一步地，所述气体冷却器热侧通道出口经过所述第一回热器热侧通道与所述第一膨胀机入口相连通；

11、所述热机循环模块包括冷凝器、泵、第二换热器、气体加热器、第二膨胀机、第二回热器；所述冷凝器的热侧通道出口与所述泵的入口相连通，所述泵的出口经过所述第二换热器的冷侧通道、所述气体加热器的冷侧通道与所述第二膨胀机相连通，所述第二膨胀机的出口经过所述第二回热器的热侧通道与所述冷凝器的热侧通道入口相连通；

12、更进一步地，所述泵的出口经过所述第二回热器的冷侧通道与所述气体加热器的冷侧通道入口相连通；

13、所述储冷模块包括第一冷储罐、第二冷储罐；所述第一冷储罐的出口经过所述蒸发器的热侧通道与所述第二冷储罐的入口相连，所述第二冷储罐的出口经过所述冷凝器的冷侧通道与所述第一冷储罐的入口相连；

14、所述高温储热模块包括第三热储罐、第四热储罐；所述第三热储罐的出口经过所述气体冷却器的冷侧通道与所述第四热储罐的入口相连，所述第四热储罐的出口经过所述气体加热器的热侧通道与所述第三热储罐的入口相连；

15、所述低温储热模块包括第一热储罐、第二热储罐；所述第一热储罐的出口经过所述第一换热器的冷侧通道与所述第二热储罐的入口相连，所述第二热储罐的出口经过所述第二换热器的热侧通道与所述第一热储罐的入口相连。

16、本发明的进一步改进在于，所述第一冷储罐出口设有第一循环泵(图中未显示)；

17、所述第二冷储罐出口设有第二循环泵(图中未显示)；

18、所述第一热储罐出口设有第三循环泵(图中未显示)；

19、所述第二热储罐出口设有第四循环泵(图中未显示)；

20、所述第三热储罐出口设有第五循环泵(图中未显示)；

21、所述第四热储罐出口设有第六循环泵(图中未显示)。

22、本发明的进一步改进在于，所述储冷模块中的储冷介质为液态碳氢化化物、醇类溶液或氯化钙水溶液，优先选择氯化钙水溶液。

23、本发明的进一步改进在于，所述低温储热模块的储热介质为液态碳氢化化物、醇类溶液或氯化钙水溶液，优先选择氯化钙水溶液。

24、本发明的进一步改进在于，高温储热模块的储热介质为高压水、热油或熔融盐，优先选择热油。

25、本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳混合工质为二氧化碳与制冷剂混合形成的非共沸混合物，具体为：

26、所述二氧化碳混合工质为co2/r134a混合工质、co2/r290混合工质、co2/r600混合工质或co2/r601混合工质。

27、本发明的进一步改进在于，

28、所述co2/r134a混合工质中r134a的质量百分数为0-85％；

29、所述co2/r290混合工质中r290的质量百分数为0-70％；

30、所述co2/r600混合工质中r600的质量百分数为0-22％；

31、所述co2/r601混合工质中r601的质量百分数为0-6％。

32、本发明的进一步改进在于，所述压缩机和所述第二膨胀机均采用跨临界的方式运行。

33、本发明的一种二氧化碳混合工质热泵储能的运行方法，包括以下步骤：

34、充电过程：热泵循环模块工作，热机循环模块停机；蒸发器冷侧通道出口的二氧化碳混合工质进入第一回热器中吸收热量，随后进入压缩机被压缩并在气体冷却器中将压缩热释放给来自第三热储罐的高温储热介质，吸热后的高温储热介质储存至第四热储罐中；在气体冷却器中放热后的二氧化碳混合工质分成两路，一路进入第一回热器中释放热量给蒸发器冷侧出口的二氧化碳混合工质，另一路进入第一换热器中将热量传递给来自第一热储罐的低温储热介质，吸热后的低温储热介质储存至第二热储罐中；第一回热器热侧通道出口和第一换热器热侧通道出口的二氧化碳混合工质汇合后在第一膨胀机中膨胀做功；随后，第一膨胀机出口的二氧化碳混合工质在蒸发器中释放冷能传递给来自第一冷储罐的储冷介质，吸收冷能后的储冷介质储存至第二冷储罐中，至此，充电过程完成。

35、放电过程：热机循环模块工作，热泵循环模块停机；冷凝器出口的液态二氧化碳混合工质进入泵中被压缩，压缩后的二氧化碳混合工质分成两路，一路进入第二回热器吸收第二膨胀机出口二氧化碳混合工质的热量，另一路进入第二换热器吸收来自第二热储罐的低温储热介质的热量，放热后的低温储热介质储存至第一热储罐中；第二回热器和第二换热器出口的二氧化碳混合工质汇合后进入气体加热器中吸收来自第四热储罐的高温储热介质的热量，放热后的高温储热介质储存至第三热储罐中；在气体加热器中吸热后的二氧化碳混合工质进入第二膨胀机中膨胀做功；随后，第二膨胀机出口的二氧化碳混合工质在第二回热器释放热量后进入冷凝器并吸收来自第二冷储罐的储冷介质的冷量进行冷凝；释放冷量后的储冷介质储存至第一冷储罐中，至此，放电过程完成。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果

37、1.本发明提供的一种二氧化碳混合工质热泵储能，以二氧化碳为主要组元，将制冷剂与二氧化碳混合形成非共沸混合物，利用二氧化碳非共沸混合物在蒸发冷凝时的温度滑移特性来设计换热器和选择储冷介质，以此获得更好的换热效率和系统循环效率；

38、2.本发明的蒸发和冷凝均是在变温情况下完成的，相对于传统二氧化碳热泵储能等温蒸发和冷凝，其可以采用低温显式蓄冷介质，相对于冰、相变材料等潜式储冷介质，其应用调节能力更强，更具有工程应用性。