一种高温热泵与超临界二氧化碳联合循环储能发电系统的制作方法

1.本发明属于能源技术领域，尤其涉及一种高温热泵与超临界二氧化碳联合循环储能发电系统。


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，因此必须配备储能系统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，限制了其灵活应用。
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。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明是提供一种高温热泵与超临界二氧化碳联合循环储能发电系统，在光伏/风电存在弃光、弃风现象时，将电能采用高温热泵系统以热量的形式储存，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。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种高温热泵与超临界二氧化碳联合循环储能发电系统，包括高温热泵系统、超临界二氧化碳发电系统、高温储能系统，
8.所述高温热泵系统包括压缩机、高温放热器、回热器a、膨胀机a、膨胀机b、电动机、回热器b、低温吸热器a，所述压缩机、膨胀机a、膨胀机b和电动机同轴布置；
9.所述高温热泵系统的工质经所述压缩机进入所述高温放热器高温侧，从所述高温放热器高温侧流出的工质一部分依次流经所述回热器a高温侧、膨胀机a、低温吸热器a低温侧、回热器a低温侧回到所述压缩机；另一部分依次流经所述回热器b高温侧、膨胀机b、回热器b低温侧回到所述压缩机a；
10.所述超临界二氧化碳发电系统包括发电机、膨胀机、换热器、回热器、预冷器、主压缩机，所述膨胀机和发电机同轴布置，二氧化碳工质在所述膨胀机内做功后，依次经过所述回热器高温侧、预冷器高温侧、主压缩机、回热器低温侧、换热器低温侧，回到所述膨胀机内；
11.所述高温储能系统包括高温罐、低温罐，所述高温罐内的蓄热介质依次进入所述换热器高温侧、低温罐、低温吸热器a高温侧、高温放热器低温侧，回到所述高温罐。
12.还包括低温储热系统，低温储热系统包括冷水罐、热水罐、低温吸热器b，所述冷水罐内的冷水依次经所述预冷器低温侧、热水罐和低温吸热器b高温侧回到冷水罐；
13.所述高温热泵系统中从所述膨胀机b流出的工质经过所述低温吸热器b低温侧后，进入所述回热器b低温侧。
14.所述预冷器是一种换热器。
15.所述回热器包括依次连通的高温回热器和低温回热器，所述超临界二氧化碳发电系统还包括再压缩机；二氧化碳工质在所述膨胀机内做功后，依次经过所述高温回热器高温侧和低温回热器高温侧，经过所述低温回热器高温侧的二氧化碳工质，一部分经所述预冷器高温侧、主压缩机进入低温回热器低温侧，另一部分进入所述再压缩机，与流经所述低温回热器低温侧的二氧化碳工质汇合后进入所述高温回热器低温侧。
16.所述预冷器包括第一预冷器、第二预冷器和中间冷却器，所述主压缩机包括主压缩机低压部分和主压缩机高压部分，
17.经过所述低温回热器高温侧的二氧化碳工质一部分流经第一预冷器高温侧，另一部分流经第二预冷器高温侧后，与流经第一预冷器高温侧的二氧化碳工质汇合，然后依次流经所述主压缩机低压部分、中间冷却器高温侧、主压缩机高压部分、低温回热器低温侧；
18.所述冷水罐的水依次流经所述第二预冷器低温侧和热水罐。
19.所述高温热泵系统的工质为氮气、氩气、空气或二氧化碳。
20.所述高温储能系统的传热介质为熔盐、颗粒或pcm。
21.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：
22.(1)本发明一实施例中将从经过高温放热器的工质分为两路，一路经过膨胀机b后回到压缩机，另外一路经过回热器a高温侧释放热量后，进入膨胀机a做功，为压缩机供能，从膨胀机a做功后的工质进入低温吸热器a低温侧吸热，低温吸热器a高温侧由低温罐内的介质残余的热量为流经低温吸热器a低温侧的工质加热，使低温罐内的介质温度进一步降低，使介质吸收高温热泵系统的工质热量增多；
23.因此，本实施例利用了低温罐内介质残余热量为高温热泵系统内一部分工质的低温侧供热，降低进入高温放热器低温侧的介质温度，同时分为两路后，每一路均设计了膨胀机(膨胀机b、膨胀机a)，膨胀机b、膨胀机a做功抵消压缩机部分耗功，因此提升了高温热泵系统的cop(同等功率下提高了热量输出)，进一步提高本发明储能发电系统的发电效率。
24.(2)本发明的另一实施例中采用低温储热系统，用来储存利用超临界二氧化碳发电系统中的废热，供给高温热泵系统中一部分工质的低温侧吸热，达到高效储能的目的。
25.(3)本发明的另一实施例在超临界二氧化碳发电系统的将回热器分为串联的高温回热器和低温回热器，并将流经低温回热器的二氧化碳工质分流，一部分经过主压缩机，另
一部分经过再压缩机，避免了二氧化碳夹点现象。
26.(4)二氧化碳温度越低，密度越大，压缩机的耗功就会越小，因此本发明的另一实施例在将超临界二氧化碳系统中主压缩机低压部分和高压部分分开，串联中间冷却器，中低压状态的二氧化碳经过中间冷却器冷却之后进行高压压缩，降低了主压缩机高压部分的耗功，提高发电效率。
27.(5)本发明通过高温储能系统将高温热泵与超临界二氧化碳发电系统耦合，当谷电或光伏/风电存在弃光、弃风现象时，高温储能系统用来储存高温热泵中制出的高温热能，在用电高峰期，超临界二氧化碳发电系统发电，具有安全可靠、成本低廉、可向电网提供转动惯量等优势，且不受地域限制。
附图说明
28.图1为本发明实施例的高温热泵与超临界二氧化碳联合循环储能发电系统的结构图。
29.附图标记说明：1-压缩机；2-膨胀机a；3-电动机；4-膨胀机b；5-高温放热器；6-回热器a；7-低温吸热器a；8-回热器b；9-低温罐；10-高温罐；11-膨胀机；12-发电机；13-换热器；14-高温回热器；15-低温回热器；16-再压缩机；17-主压缩机低压部分；18-中间冷却器；19-主压缩机高压部分；20-第一预冷器；21-第二预冷器；22-空冷岛；23-冷水罐；24-热水罐；25-低温吸热器b。
具体实施方式
30.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高温热泵与超临界二氧化碳联合循环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。
31.参看图1，一种高温热泵与超临界二氧化碳联合循环储能发电系统，包括高温热泵系统、超临界二氧化碳发电系统、高温储能系统，
32.高温热泵系统包括压缩机1、高温放热器5、回热器a6、膨胀机a2、膨胀机b3、电动机4、回热器b8、低温吸热器a7，压缩机1、膨胀机a2、膨胀机b3和电动机4同轴布置；
33.高温热泵系统的工质经压缩机1进入高温放热器5高温侧，从高温放热器5高温侧流出的工质一部分依次流经回热器a6高温侧、膨胀机a2、低温吸热器a7低温侧、回热器a6低温侧回到压缩机1；另一部分工质依次流经回热器b8高温侧、膨胀机b3、回热器b8低温侧回到压缩机1a；
34.超临界二氧化碳发电系统包括发电机12、膨胀机11、换热器13、回热器、预冷器、主压缩机，膨胀机11和发电机12同轴布置，二氧化碳工质在膨胀机11内做功后，依次经过回热器高温侧、预冷器高温侧、主压缩机、回热器低温侧、换热器13低温侧，回到膨胀机11内；
35.高温储能系统包括高温罐10、低温罐9，高温罐10内的蓄热介质依次进入换热器13高温侧、低温罐9、低温吸热器a7高温侧、高温放热器5低温侧，回到高温罐10，高温储能系统的传热介质可以为熔盐、颗粒或pcm。
36.低温储热系统包括冷水罐23、热水罐24、低温吸热器b25，冷水罐23内的冷水依次经预冷器低温侧、热水罐24和低温吸热器b25高温侧回到冷水罐23；
37.高温热泵系统中从膨胀机b3流出的工质经过低温吸热器b25低温侧后，进入回热
器b8低温侧。
38.低温储热系统，用来储存利用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侧吸热，达到高效储能的目的。
39.为避免夹点现象，回热器包括依次连通的高温回热器14和低温回热器15，超临界二氧化碳发电系统还包括再压缩机16，二氧化碳工质在膨胀机11内做功后，依次经过高温回热器14高温侧和低温回热器15高温侧，经过低温回热器15高温侧的二氧化碳工质，一部分二氧化碳工质经预冷器、主压缩机进入低温回热器15低温侧，另一部分二氧化碳工质进入再压缩机16，与流经低温回热器15低温侧的二氧化碳工质汇合后进入高温回热器14低温侧。
40.预冷器是一种回热器，一侧流经二氧化碳工质，另一侧流经冷水，将二氧化碳工质的热量传递给冷水，预冷器包括第一预冷器20、第二预冷器21和中间冷却器18，主压缩机包括主压缩机低压部分17和主压缩机高压部分19，
41.经过低温回热器15高温侧的二氧化碳工质一部分流经第一预冷器20高温侧，另一部分流经第二预冷器21高温侧后，与流经第一预冷器20高温侧的二氧化碳工质汇合，然后依次流经主压缩机低压部分17、中间冷却器18高温侧、主压缩机高压部分19、低温回热器15低温侧后，与经过再压缩机16的二氧化碳工质汇合进入高温回热器14低温侧、换热器13低温侧，回到膨胀机11内做功；
42.冷水罐23的冷水依次流经第二预冷器21低温侧和热水罐24，中间换热器13低温侧和第一预冷器20低温侧并联后再连通空冷岛22，中间换热器13和第一预冷器20中的任何一个或两个也可以如第一预冷器20连通冷水罐23和热水罐24，在此不做限制。
43.本实施例的储能发电系统的工作原理如下所示：
44.(1)高温热泵系统：从压缩机1被压缩的高温高压状态的工质进入高温放热器5高温侧，将热量传递给储热介质，从高温放热器5高温侧中流出的工质为中温高压状态，从高温放热器54高温侧流出的工质分为两路，第一路经过回热器a6高温侧释放热量，变为低温高压状态，进入膨胀机a2膨胀做功为压缩机1供能，从膨胀机a2流出的工质为低温低压状态，依次进入低温吸热器a7低温侧吸收热量、回热器a6低温侧吸收热量后，回到压缩机1；第二路的工质经过回热器b8高温侧释放热量，变为低温高压状态后，进入膨胀机b3内做功，为压缩机1供能，从膨胀机b3流出的工质为低温低压状态，进入低温吸热器b25低温侧吸收热量，再进入回热器b8低温侧进一步吸收热量，回到压缩机1。
45.高温热泵系统的工质可以为氮气、氩气、空气或二氧化碳。
46.高温储热系统中低温罐9内的蓄热介质进入低温吸热器a7高温侧为流经低温吸热器a7低温侧的工质提供热量，然后回流到高温放热器5低温侧吸收热量，一是可以降低回流到高温放热器5低温侧进口的介质温度，增加高温储热系统的介质吸收热量，降低高温放热器5高温侧出口的工质温度；二是有效利用低温罐9内介质残余的热量；同时高温放热器5流出的工质分为两路后，每一路均设计了膨胀机(膨胀机a2、膨胀机b3)，膨胀机a2、膨胀机b3做功抵消压缩机1部分耗功。因此有效增加了高温热泵系统的换热效率。
47.(2)超临界二氧化碳发电系统：二氧化碳工质从膨胀机11内膨胀做功后依次进入高温回热器14高温侧、低温回热器15高温侧释放热量后分流，一路进入第一预冷器20高温侧进一步释放热量，第二路进入第二预冷器21释放热量后，与第一路经过第一预冷器20的
二氧化碳工质汇合后进入主压缩机低压部分17压缩为低温中低压状态，然后进入中间冷却器18高温侧进一步释放热量，进入主压缩机高压部分19压缩为低温高压状态，进入低温回热器15低温侧吸收热量；从低温回热器15高温侧流出的第三路二氧化碳工质，进入再压缩机16压缩为高压二氧化碳，与低温回热器15的低温侧流出的二氧化碳工质汇合后进入高温回热器14低温侧吸收热量后，进入换热器13低温侧进一步吸收蓄热介质的热量，进入膨胀机11内做功完成整个循环。
48.通过高温储能系统、低温储热系统将高温热泵与超临界二氧化碳发电系统耦合，当谷电或光伏/风电存在弃光、弃风现象时，高温储能系统用来储存高温热泵中制出的高温热能，在用电高峰期，超临界二氧化碳发电系统发电，在发电过程中的低温热量通过低温储热系统的水传递给高温热泵系统中一部分流量的工质，有效利用了超临界二氧化碳发电系统的废热，达到高效储能的目的，低温罐9内的蓄热介质的残余热量为传递给高温热泵系统中另一部分流量的工质，降低高温放热段低温侧进口温度，同时在高温热泵系统中增加了一组膨胀机a2抵消压缩机1耗功，有效提高了高温热泵系统的换热效率。
49.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。