蒸汽循环型卡诺电池及其储能方法

本发明涉及一种卡诺电池的储能方法及其装置，特别是一种蒸汽循环型卡诺电池及其储能方法。

背景技术：

1、以太阳能、风能以及水力势能为代表的绿色能源具有环保且取之不尽的优势，然而由于绿色能源一般受到天气、季节，阳光等自然条件的影响，难以提供稳定的能源输出，从而很难输出与电网匹配的电力。因此采取一定的储能技术，以空间换取时间是一个较好的解决方案。以熔盐储能为代表的物理储能相对而言具有低成本，高效率以及结构简单等特点。目前主要以电加热方式或者通过电加热导热介质进行蓄热。但缺点是蓄热和发电之间的转换效率仍不理想。

2、本技术人的在先授权专利(热泵式储能供电供热方法及装置zl201711402735.7和热泵式交替储能供电方法及装置zl201810180017.8)公开了两种种热泵式储能供电供热方法及装置，通过互为可逆的布雷顿循环作为储能发电原理，逆布雷顿循环储能，布雷顿循环发电。然而布雷顿循环发电的优势在于高温下热电转化效率高。由于熔盐高温下对金属腐蚀性，700度以上的熔盐对普通金属的腐蚀性很大，实际储能温度会控制在500摄氏度-700摄氏度，不能完全发挥出布雷顿循环高效率的优势，另一方面布雷顿循环对设备要求较高，必须采用燃气轮机，而通常燃气轮机的成本要高于蒸汽循环设备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种蒸汽循环型卡诺电池的储能方法，以克服传统电加热蓄热介质储能方式转换效率低下的缺点，同时优化可逆布雷顿循环对装置要求较高的问题。

2、为了实现上述目的，一种蒸汽循环型卡诺电池的储能方法，其特征在于，其包括如下模式：

3、(1)储能模式下，低压气态的工作介质经过压缩机绝热压缩后，压强和温度同时升高，然后通过第一冷凝器进行等压放热来与储能系统换热，从而将热量释放给储能系统，同时工作介质的温度下降后冷凝为高压的液态工作介质，液态工作介质进入节流阀后压强下降成为低温低压的液态工作介质，然后液态工作介质通过第一蒸发器与低温热源换热来进行等压吸热，蒸发为低压气态的工作介质后再次进入压缩机以重复上述过程，以实现工作介质的压缩机热泵循环；

4、(2)供电模式下，实现工作介质的蒸汽动力循环，所述蒸汽动力循环为朗肯循环或卡琳娜循环；在蒸汽动力循环中，通过汽轮机对外做的功用于发电，工作介质通过第二蒸发器进行等压吸热来与储能系统换热，使得液态的工作介质温度上升并蒸发为高温高压蒸汽；

5、其中，低压指的是储能模式下蒸发为低压气态的工作介质的蒸发压；高压指的是高压指的是储能模式下的工作介质冷凝为高压的液态工作介质的冷凝压，且供电模式下的蒸发为高温高压的蒸汽形式的工作介质时的蒸发压与储能模式下的工作介质冷凝为高压的液态工作介质的冷凝压大小相等；所述高温指的是工作介质在所述高压下的蒸发温度。

6、所述蒸汽动力循环为朗肯循环；所述朗肯循环包括：液态的工作介质通过第二蒸发器来温度上升并蒸发为蒸汽形式的工作介质，蒸汽形式的工作介质经过热器过热以后进入汽轮机进行绝热膨胀对外做功，然后汽轮机排出的工作介质在第二冷凝器中等压放热，凝结为液态的工作介质，工作介质泵将液态的工作介质加压送入第二蒸发器以重复上述过程；或者

7、所述蒸汽动力循环为卡琳娜循环；所述卡琳娜循环包括：氨水溶液通过第二蒸发器等压吸热来变为氨水气液混合物，并进入分离器；利用分离器将氨水气液混合物分离为富氨蒸汽和贫氨溶液，其中富氨蒸汽进入汽轮机进行绝热膨胀以对外做功，贫氨溶液进入换热器，对进入第二蒸发器前氨水溶液进行预热，随后经节流阀节流降压，再与从汽轮机排出的富氨蒸汽在混合器中混合成为氨水溶液，进入第二冷凝器进行等压放热，再通过工作介质泵升压，然后进入所述换热器被贫氨溶液预热，然后氨水溶液回到第二蒸发器并重复上述过程。

8、当所述蒸汽动力循环为朗肯循环时，所述工作介质为水或有机溶剂，所述有机溶剂包括烃类、醇类、醚类、酯类、酮类、醛类、酚类、羧酸、胺类、二醇衍生物和杂环类化合物中的一种；当所述蒸汽动力循环为卡琳娜循环时，所述工作介质为氨水溶液。

9、所述储能系统包括液态储能系统，其蓄热介质为熔融盐或导热油；或固态储能系统，其蓄热介质为包含金属氧化物或硅酸盐的固态蓄热介质。

10、所述低温热源包括空气源热源、发电系统余热源、工业余热热源、地热热源以及供电模式下工作介质在冷凝器释放的热量中的一种，针对不同的低温热源，匹配不同工作温度的蓄热介质以进行储能以及不同沸点的工作介质。

11、另一方面，本发明提供一种蒸汽循环型卡诺电池，其包括储能系统、通过第一冷凝器与所述储能系统相连的热泵循环工作装置、以及通过第二蒸发器与所述储能系统相连的热机循环工作装置；所述热泵循环工作装置包括沿工作介质的走向由管线依次串联并形成回路的压缩机、第一冷凝器、节流阀、以及与低温热源换热的第一蒸发器；所述热泵循环工作装置设置为在储能模式下实现工作介质的压缩机热泵循环；所述热机循环工作装置设置为在供电模式下实现工作介质的蒸汽动力循环；所述热机循环工作装置至少包括汽轮机和第二蒸发器，通过汽轮机对外做的功用于发电，工作介质通过第二蒸发器进行等压吸热来与储能系统换热，使得液态的工作介质温度上升并蒸发为高温高压蒸汽。

12、所述热机循环工作装置包括沿工作介质的走向由管线依次串联并形成回路的第二蒸发器、过热器、汽轮机、第二冷凝器和工作介质泵，以在供电模式下实现工作介质的朗肯循环；或所述热机循环工作装置包括沿工作介质的走向由管线依次串联并形成回路的第二蒸发器、分离器、汽轮机、混合器、第二冷凝器、工作介质泵和换热器；所述分离器包括富氨蒸汽出口和贫氨溶液出口，富氨蒸汽出口与所述汽轮机连接；所述混合器具有两个输入口，其中一个输入口与汽轮机连接；所述换热器具有管侧和壳侧，通过管侧与所述工作介质泵和第二蒸发器连接；所述分离器的贫氨溶液出口和混合器的另一个输入口之间还设有沿工作介质的走向依次串联的所述换热器的壳侧和节流阀；由此，在供电模式下实现氨水溶液的卡琳娜循环。

13、所述工作介质包括水、氨水溶液、有机溶剂中的一种，所述有机溶剂包括烃类、醇类、醚类、酯类、酮类、醛类、酚类、羧酸、胺类、二醇衍生物和杂环类化合物中的一种。

14、所述储能系统包括液态储能系统，其蓄热介质为包括熔融盐、导热油中的至少一种的液态蓄热介质；或固态储能系统，其蓄热介质为包含金属氧化物或硅酸盐的固态蓄热介质。

15、所述储能系统为液态储能系统，所述液态储能系统包括至少两个相互连通且内部液态蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器或者至少一个相互连通且内部液态蓄热介质具有温差梯度的斜温层的蓄热介质保温容器。

16、本发明的蒸汽循环型卡诺电池克服传统电加热蓄热介质储能方式转换效率低下的缺点，同时优化可逆布雷顿循环对装置要求较高的问题，可以解决光伏发电以及风能发电中的弃风以及弃光问题。

17、具体来说，本发明的蒸汽循环型卡诺电池借鉴热力学中卡诺循环与逆卡诺循环互为可逆的原理，通过压缩机热泵循环做功将低温热源的热量转移到高温热源实现储能，再通过高温热源的热量转移到低温热源时加热工作介质产生蒸汽推动汽轮机对外界做功实现发电。由于热泵有效地利用了低温热源的低品位热能，因此其储能后发电的转换效率一般优于直接电加热或电加热导热介质等传统方式。这种储能方式同时具备成本低廉的特点，熔盐成本很低，用不锈钢做容器成本也较低，因此采用这种方法储能后，发电的转换效率优于直接电加热储能等方式。

18、另外，本发明的蒸汽循环型卡诺电池利用可逆的蒸汽动力循环代替可逆布雷顿循环作为储能的原理，利用蒸汽动力循环技术代替了成本较高的燃气轮机，蒸汽动力循环技术较为成熟，并且可利用发电厂已存在的蒸汽动力循环设备进行改造，降低了热力循环的成本；同时，具体采用技术成熟的压缩机热泵循环储能，实现电热转换；利用朗肯循环发电，实现热电转换，因此成本低且技术更为成熟。