回热式储能发电方法及其发电系统

1.本发明涉及热泵储电储能以及能量再利用技术领域，具体涉及一种回热式储能发电方法及其发电系统。


背景技术：

2.目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。但是，上述电力储能方法均具有较大的问题。例如，1.抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，具有建设周期很长且初期投资巨大的问题。而且，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题。2.常见的压缩空气储能系统需要依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色、可再生的能源发展要求。3.更为先进的压缩空气储能系统，如先进绝热压缩空气储能系统(aacaes)、地面压缩空气储能系统(svcaes)、带回热的压缩空气储能系统(aacaes)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(cash)的研究等。虽然使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，并且还需要大型储气室的问题。
3.为了解决现有电力储能技术的不足，本领域技术人员考虑到现有的电力储能技术其发电效率、系统稳定性都有待提高。所以，本领域技术人员需要一种效率较高且安全性好的储能发电系统。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种回热式储能发电方法及其发电系统，从而使电力储能技术在保证发电效率的同时，还可以有效地兼顾系统稳定性。为此，本发明提供一种回热式储能发电方法，包括以下步骤：
5.在储能过程中，使用电能制得低温冷能，并从热源中吸收高温热能，并储存获得的热能和冷能，具体方法如下：
6.次高温的液体蓄热工质从次高温液体蓄热罐中流出，并进入热源余热换热器中吸收热能至高温态，高温的液体蓄热工质携带着热能流入高温液体蓄热罐中存储；
7.常温常压的气体工质流入多级间冷制冷压缩机构压缩至较高温度和较高压力，经过间冷换热机构将压缩热排散到环境中。经过多级压缩和多级间冷的常温高压气体工质，流入制冷膨胀机组膨胀至低温常压态。随后低温常压的气体工质流入冷能回收换热器释放冷能至常温常压态。常温常压的气体工质再次进入多级间冷压缩机内，重复上述步骤，不断的产生低温冷能。同时，液体蓄冷工质受驱动地从常温液体储罐中流出，进入冷能回收换热器吸收冷能至低温状态，低温的液体蓄冷工质流入低温液体蓄冷罐中存储；
8.在释能过程中，将存储的高温热能和低温冷能转化为电能释放出来，具体方法如下：
9.驱动低温液体工质从低温液体蓄冷罐中流出，流入低温换热器中释放冷能。同时驱动高温液体工质从高温液体蓄冷罐中流出，流入高温换热器释放热能；
10.室温常压的气体工质流入低温换热器中，吸收冷能至低温常压状态后，流入释能压缩机组压缩至常温高压状态；常温高压气体流入中间换热器吸收热能后到达次高温高压状态；随后，次高温高压的气体工质进入高温换热器吸收高温热能至高温高压状态，高温高压的气体工质进入释能膨胀机组膨胀做功至次高温低压状态；次高温低压的气体工质进入中间换热器释放余热至常温低压状态；释能膨胀机组驱动连接释能发电单元，从而将电能释放出来；
11.上述常温常压的气体工质重新进入低温换热器吸收冷能，重复上述步骤，不断的将存储的高温热能和低温冷能转化为电能释放出来。
12.可选的，在释能过程中，经过所述释能膨胀机组膨胀后的气体中的余热由余热排散换热器排散到大气环境中。
13.可选的，在储能过程中，
14.制冷回路驱动单元驱动所述多级间冷制冷压缩机构；
15.且，所述多级间冷制冷压缩机构包括至少三个制冷压缩机组；所述多级间冷制冷压缩机构包括：第一制冷压缩机组、第二制冷压缩机组和第三制冷压缩机组；所述间冷换热机构包括至少三个间冷换热器；所述间冷换热机构包括：第一间冷换热器、第二间冷换热器和第三间冷换热器。
16.可选的，所述热源为热电厂；
17.水工质受驱动地流入热电厂的锅炉，该水工质吸收锅炉中燃料燃烧释放的热能至高温高压蒸汽态，高温高压的水蒸气经过汽轮机的膨胀至低温低压态；
18.当用电负荷低时，汽轮机的排汽通过管道回到锅炉以吸收热量，吸收的所述热量流入热源余热换热器释放热能后至低温低压液态或汽水混合物状态后，进入冷凝器冷凝成液态，再重新被泵至锅炉中吸收燃烧热；汽轮机与热电厂发电机传动相连以发电；在上述步骤中，热电厂低负荷输出电能，汽轮机排汽中的余热被回收利用。
19.一种回热式储能发电系统，包括：
20.回热式冷热能热机发电回路，包括：低温换热器、释能压缩机组、中间换热器、高温换热器、释能膨胀机组、释能发电单元、余热排散换热器、低温增压泵、高温增压泵，以及低温液体蓄冷罐、常温液体储罐、次高温液体蓄热罐、高温液体蓄热罐。
21.可选的，回热式储能发电系统，还包括：
22.逆向布雷顿循环制冷回路，包括：制冷回路驱动单元、制冷膨胀机组、多级间冷制冷压缩机构、冷能回收换热器，以及间冷换热机构；
23.热能存储回路，包括：热源余热换热器、次高温液体蓄热罐、高温液体蓄热罐，以及热能存储回路增压泵；所述热能存储回路和所述回热式冷热能热机发电回路共用所述次高温液体蓄热罐和所述高温液体蓄热罐；
24.冷能存储回路，包括：冷能回收换热器、常温液体储罐、低温液体蓄冷罐，以及冷能存储回路增压泵；所述冷能存储回路和所述逆向布雷顿循环制冷回路共用所述冷能回收换热器；所述冷能存储回路和所述回热式冷热能热机发电回路共用所述常温液体储罐和所述低温液体蓄冷罐。
25.可选的，所述多级间冷制冷压缩机构包括：第一制冷压缩机组、第二制冷压缩机组和第三制冷压缩机组；
26.所述间冷换热机构包括：第一间冷换热器、第二间冷换热器和第三间冷换热器。
27.可选的，回热式储能发电系统，还包括：
28.热电厂余热吸收回路，包括：给水泵、锅炉、汽轮机、热电厂发电机、凝汽器，以及热源余热换热器；所述热电厂余热吸收回路和所述热能存储回路共用所述热源余热换热器。
29.所述回热式储能发电系统应用到所述的热电厂余热再利用方法中。
30.可选的，所述次高温液体蓄热罐和高温液体蓄热罐内的液体蓄热介质由硝酸钾、硝酸钙、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸锂、氯盐、氟盐、导热油、压缩气体和液态金属中的一种或多种组成。
31.所述低温液体蓄冷罐内的液体蓄冷介质由烷类：丙烷、丁烷、戊烷、己烷、庚烷、异己烷等，醇类：甲醇、乙醇等，液态气体：氮、氦、氖、氩、氪、空气、氢、甲烷等，以及液化天然气中的一种或多种组成。
32.本发明技术方案，具有如下优点：
33.1.本发明提供的回热式储能发电方法，包括以下步骤：
34.在储能过程中，使用电能制得低温冷能，并从热源中吸收高温热能，并储存获得的热能和冷能，具体方法如下：次高温的液体蓄热工质从次高温液体蓄热罐中流出，并进入热源余热换热器中吸收热能至高温态，高温的液体蓄热工质携带着热能流入高温液体蓄热罐中存储；常温常压的气体工质流入多级间冷制冷压缩机构压缩至较高温度和较高压力，经过间冷换热机构将压缩热排散到环境中。经过多级压缩和多级间冷的常温高压气体工质，流入制冷膨胀机组膨胀至低温常压态。随后低温常压的气体工质流入冷能回收换热器释放冷能至常温常压态。常温常压的气体工质再次进入多级间冷压缩机内，重复上述步骤，不断的产生低温冷能。同时，液体蓄冷工质受驱动地从常温液体储罐中流出，进入冷能回收换热器吸收冷能至低温状态，低温的液体蓄冷工质流入低温液体蓄冷罐中存储；
35.在释能过程中，将存储的高温热能和低温冷能转化为电能释放出来，具体方法如下：驱动低温液体工质从低温液体蓄冷罐中流出，流入低温换热器中释放冷能。同时驱动高温液体工质从高温液体蓄冷罐中流出，流入高温换热器释放热能；室温常压的气体工质流入低温换热器中，吸收冷能至低温常压状态后，流入释能压缩机组压缩至常温高压状态；常温高压气体流入中间换热器吸收热能后到达次高温高压状态；随后，次高温高压的气体工质进入高温换热器吸收高温热能至高温高压状态，高温高压的气体工质进入释能膨胀机组膨胀做功至次高温低压状态；次高温低压的气体工质进入中间换热器释放余热至常温低压状态；释能膨胀机组驱动连接释能发电单元，从而将电能释放出来；上述常温常压的气体工质重新进入低温换热器吸收冷能，重复上述步骤，不断的将存储的高温热能和低温冷能转化为电能释放出来。
36.在本发明中，通过上述相互配合的次高温液体蓄热罐、高温液体蓄热罐、常温液体储罐以及低温液体蓄冷罐可以有效地对热电厂产出的热能进行吸收、储存和利用。并使用常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或者潮汐发电等制得的高品位冷能，并将该冷能存储和利用。上述结构还可以有效地实现，在用电高峰期，将在用电低谷时段存储的高品位冷热能通过热机循环转化为动能，再通过发电单元转化为电能释放。同时，利用次高温
液体蓄热罐和高温液体蓄热罐释能发电。在上述过程中，通过回热式冷热能热机发电回路将冷能和热能组合在一起，有效地实现了通过一套设备同时通过冷能和热能发电。
37.2.本发明提供的回热式储能发电方法，在储能过程中，制冷回路驱动单元驱动所述多级间冷制冷压缩机构；且，所述多级间冷制冷压缩机构包括至少三个制冷压缩机组；所述多级间冷制冷压缩机构包括：第一制冷压缩机组、第二制冷压缩机组和第三制冷压缩机组；所述间冷换热机构包括至少三个间冷换热器；所述间冷换热机构包括：第一间冷换热器、第二间冷换热器和第三间冷换热器。
38.通过上述多级间冷制冷压缩机构和多个间冷换热器组成的间冷换热机构，可以有效地提高压缩效果从而为制冷膨胀机组提供能量来源。
39.3.本发明提供的回热式储能发电方法，所述热源为热电厂；水工质受驱动地流入热电厂的锅炉，该水工质吸收锅炉中燃料燃烧释放的热能至高温高压蒸汽态，高温高压的水蒸气经过汽轮机的膨胀至低温低压态；当用电负荷低时，汽轮机的排汽通过管道回到锅炉以吸收热量，吸收的所述热量流入热源余热换热器释放热能后至低温低压液态或汽水混合物状态后，进入冷凝器冷凝成液态，再重新被泵至锅炉中吸收燃烧热；汽轮机与热电厂发电机传动相连以发电；在上述步骤中，热电厂低负荷输出电能，汽轮机排汽中的余热被回收利用。
40.由于能源转型，新能源占比提高，火电在提供用电需求的同时还需要兼顾提供调峰服务。本技术在用电低谷时，对热电厂汽轮机排汽中的低品位热能进行了回收利用，同时吸收热电厂中一部分的高品位热能。
41.4.本发明提供的回热式储能发电系统，包括：
42.回热式冷热能热机发电回路，包括：低温换热器、释能压缩机组、中间换热器、高温换热器、释能膨胀机组、释能发电单元、余热排散换热器、低温增压泵、高温增压泵，以及低温液体蓄冷罐、常温液体储罐、次高温液体蓄热罐、高温液体蓄热罐。
43.在本发明中不但可以有效地通过回热式冷热能热机发电回路将冷能和热能组合在一起，有效地实现了通过一套设备同时通过冷能和热能发电。而且，通过上述液体蓄热罐和液体蓄冷罐可以使系统稳定性有效提高。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1为本发明提供的回热式储能发电系统结构示意图。
46.附图标记说明：
47.1-低温换热器；2-释能压缩机组；3-中间换热器；4-高温换热器；5-释能膨胀机组；6-释能发电单元；7-余热排散换热器；8-低温增压泵；9-低温液体蓄冷罐；10-常温液体储罐；11-高温增压泵；12-次高温液体蓄热罐；13-高温液体蓄热罐；14-冷能存储回路增压泵；15-热能存储回路增压泵；16-冷能回收换热器；17-热源余热换热器；18-制冷回路驱动单元；19-制冷膨胀机组；20-第一制冷压缩机组；21-第二制冷压缩机组；22-第三制冷压缩机
组；23-第一间冷换热器；24-第二间冷换热器；25-第三间冷换热器；26-给水泵；27-锅炉；28-汽轮机；29-热电厂发电机；30-凝汽器。
具体实施方式
48.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
52.实施例1
53.记载了一种回热式储能发电方法，如图1所示，包括以下步骤：
54.在储能过程中，使用电能制低温冷能，并从热电厂中吸收高温热能。
55.在热电厂余热吸收回路中，给水泵26驱动水工质流入锅炉27，吸收锅炉27中燃料燃烧释放的热能至高温高压蒸汽态，高温高压的水蒸气经过汽轮机28的膨胀至低温低压态。当用电负荷低时，使汽轮机28的排汽通过管道回到锅炉27吸收热量，流入热电厂余热换热器17释放热能后至低温低压液态或汽水混合物状态后，进入冷凝器30冷凝成液态，再重新被给水泵26泵至锅炉27中吸收燃烧热。汽轮机28驱动连接热电厂发电机29。在此过程中，热电厂低负荷输出电能，汽轮机排汽中的余热被回收利用。
56.同时，启动热能存储回路增压泵15，驱动次高温的液体蓄热工质从次高温液体蓄热罐12中流出，进入热电厂余热换热器17中吸收热能至高温态，高温的液体蓄热工质携带着热能流入高温液体蓄热罐13中存储。
57.启动逆向布雷顿循环制冷回路。制冷膨胀机组19和多级间冷制冷压缩机构传动相连。该多级间冷制冷压缩机构包括：第一制冷压缩机组20、第二制冷压缩机组21和第三制冷压缩机组22；制冷回路驱动单元18驱动多级间冷制冷压缩机构。常温常压的气体工质流入多级间冷制冷压缩机构压缩至较高温度和较高压力，经间冷换热机构将压缩热排散到环境中。上述间冷换热机构包括：第一间冷换热器23、第二间冷换热器24和第三间冷换热器25。经过多级压缩和多级间冷的常温高压气体工质，流入制冷膨胀机组19膨胀至低温常压态。随后低温常压的气体工质流入冷能回收换热器16释放冷能至常温常压态。常温常压的气体工质再次进入多级间冷压缩机内，如此反复，不断的产生低温冷能。
58.同时，启动冷能存储回路，冷能存储回路增压泵14驱动液体蓄冷工质从常温液体储罐10中流出，进入冷能回收换热器16吸收冷能至低温状态，低温的液体蓄冷工质流入低温液体蓄冷罐9中存储。
59.经过以上操作，热电厂中的高品位余热和低谷电或者可再生电能转化的高品位冷能被存储在高温液体蓄热罐13和低温液体蓄冷罐9中。
60.当处于用电高峰期，系统向外释能。
61.启动回热式冷热能热机发电回路，将储能过程中存储的高温热能和低温冷能转化为电能释放。回热式冷热能热机发电回路中，流动工质状态在回路中的具体变化情况如下：启动低温增压泵8，驱动低温液体工质从低温液体蓄冷罐9中流出，流入低温换热器1中释放冷能。同时启动高温增压泵11，驱动高温液体工质从高温液体蓄冷罐13中流出，流入高温换热器4释放热能。
62.室温常压的气体工质流入低温换热器1中，吸收冷能至低温常压状态后，流入释能压缩机组2压缩至常温高压状态。常温高压气体流入中间换热器3吸收热能后至次高温高压状态。随后次高温高压的气体工质进入高温换热器4吸收高温热能至高温高压状态。高温高压的气体工质进入释能膨胀机组5膨胀做功至次高温低压状态。次高温低压的气体工质进入中间换热器释放余热至常温低压状态。释能膨胀机组5驱动连接释能发电单元6，将电能释放出来。常温常压的气体工质重新进入低温换热器1吸收冷能。如此反复循环，不断的将存储的高温热能和低温冷能转化为电能释放出来。
63.经过膨胀后气体中的余热由余热排散换热器7排散到环境中。
64.当然，本实施例对构成多级间冷制冷压缩机构的制冷压缩机组数量不做具体限定，在其它实施例中，制冷压缩机组还可以为三个以上。
65.当然，本实施例对构成间冷换热机构的间冷换热器数量不做具体限定，在其它实施例中，间冷换热器还可以为三个以上。
66.实施例2
67.记载了一种回热式储能发电系统，如图1所示，其包括：
68.回热式冷热能热机发电回路，包括：低温换热器1、释能压缩机组2、中间换热器3、高温换热器4、释能膨胀机组5、释能发电单元6、余热排散换热器7、低温增压泵8、高温增压泵11，以及低温液体蓄冷罐9、常温液体储罐10、次高温液体蓄热罐12、高温液体蓄热罐13；
69.逆向布雷顿循环制冷回路，包括：制冷回路驱动单元18、制冷膨胀机组19、多级间冷制冷压缩机构、冷能回收换热器16，以及间冷换热机构；
70.热能存储回路，包括：热源余热换热器17、次高温液体蓄热罐12、高温液体蓄热罐13，以及热能存储回路增压泵15；所述热能存储回路和所述回热式冷热能热机发电回路共用所述次高温液体蓄热罐12和所述高温液体蓄热罐13；
71.冷能存储回路，包括：冷能回收换热器16、常温液体储罐10、低温液体蓄冷罐9，以及冷能存储回路增压泵14；所述冷能存储回路和所述逆向布雷顿循环制冷回路共用所述冷能回收换热器16；所述冷能存储回路和所述回热式冷热能热机发电回路共用所述常温液体储罐10和所述低温液体蓄冷罐9；
72.热电厂余热吸收回路，包括：给水泵26、锅炉27、汽轮机28、热电厂发电机29、凝汽器30，以及热源余热换热器17；所述热电厂余热吸收回路和所述热能存储回路共用所述热
源余热换热器17。
73.在本实施例中，所述多级间冷制冷压缩机构包括：第一制冷压缩机组20、第二制冷压缩机组21和第三制冷压缩机组22；
74.所述间冷换热机构包括：第一间冷换热器23、第二间冷换热器24和第三间冷换热器25。
75.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。