阅读说明：本技术 回热式交替储能发电系统 (Back-heating type replaces energy-storing and power-generating system ) 是由 卢恒 邹杨 戴叶 贾国斌 陈兴伟 袁晓凤 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种回热式交替储能发电系统,其包括第一蓄热系统、第二蓄热系统、中间换热器、压缩机、透平和散热器,并形成两种可切换的排布方式：压缩机、中间换热器、第一蓄热系统、透平、中间换热器、第二蓄热系统和散热器沿工作介质的走向依次串联；第二蓄热系统、中间换热器、压缩机、第一蓄热系统、中间换热器、透平和散热器沿工作介质的走向依次串联；第一蓄热系统、第二蓄热系统、中间换热器为共用的。本发明的回热储能发电系统由中间换热器带来了回热功能,提高了高温工作点的使用温度,改善了压缩机的工作条件。减少热损失,提高转换效率。为解决光伏发电以及风能发电中的弃光、风问题以及峰谷电的削峰填谷问题提供了思路。(The present invention provides a kind of back-heating type alternating energy-storing and power-generating system, it includes the first hold over system, the second hold over system, Intermediate Heat Exchanger, compressor, turbine and radiator, and forms two kinds of changeable arrangement modes: compressor, Intermediate Heat Exchanger, the first hold over system, turbine, Intermediate Heat Exchanger, the second hold over system and radiator are sequentially connected in series along the trend of working media；Second hold over system, Intermediate Heat Exchanger, compressor, the first hold over system, Intermediate Heat Exchanger, turbine and radiator are sequentially connected in series along the trend of working media；First hold over system, the second hold over system, Intermediate Heat Exchanger are to share.Backheat energy-storing and power-generating system of the invention brings backheating function by Intermediate Heat Exchanger, improves the use temperature of hot operation point, improves the operating condition of compressor.Heat loss is reduced, transfer efficiency is improved.To solve the problems, such as that the peak load shifting problem of abandoning light, wind and peak-trough electricity in photovoltaic power generation and wind power generation provides thinking.)

回热式交替储能发电系统

技术领域

本发明涉及一种回热式交替储能发电系统。

背景技术

人类社会的可持续发展呼唤绿色、低碳、可持续的能源。当下，可再生能源如太阳能，风能已成为业界关注重点和生产生活方式变革的主要方向。由于太阳能、风能发电具有间歇性和波动性，加上目前储能材料及技术跟不上可再生能源的快速发展。弃风、光现象已经成为可再生能源电力发展的绊脚石。开发热功转换效率更高、工作条件更好的储能发电技术势在必行。

储能可以分为物理储能和化学储能。化学储能通常容量较小，全周期效率低，难以满足大容量、高效率储能的需求。物理储能中，抽水储能效率较高，是当前较为经济和成熟的储能方法，但受地理因素限制。相比之下，热储能具有大容量、低成本的特点，可以长时间地进行储能，解决电网匹配的问题。然而热储能的能量转化效率较低，因此需要考虑提高储能发电效率的手段，发挥其廉价和大容量的优势。

储能和发电时，需要进行电-热转换和热-电转换，蓄热储能容易带来较低的转换效率。为了提高转换效率，使用热泵热机的循环方式是一种有效的手段。通常而言，热泵热机循环中，提高循环中高温工作点的温度，及高温与低温工作点的温差，可以提高循环效率。因此，寻求提高高温工作点的方法就成了研究的重点之一。

与此同时，降低蓄热模块的价格，提高蓄热模块的容量也是研究的重点之一。使用液体蓄热、固体蓄热或是相变蓄热，这些蓄热方式都有廉价和大容量的特点，但具体应用有所区别。液体蓄热受限于液体的熔点、沸点，而高沸点的液体，比如熔盐或液态金属，其腐蚀性较强，其使用温度又受到容器和管道材料使用温度限制。固体蓄热可以有更高的蓄热温度，但其蓄热和放热时，会发生温度变化，为了保证出口温度的稳定，需要较长的流道，此时对有效蓄热因子也有不利影响。相变蓄热模块综合了两者的优点，其在相变点附近提供较大的蓄热量，并保持较小的温度变化，使工作介质通过后，温度相对稳定。因此，本专利试图结合种热泵回热式交替储能发电系统与相变蓄热模块，其具有较高的储能发电效率，同时结构简单，工作稳定，具备经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有回热功能的高效交替式储能供电方法及装置，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，同时解决光伏发电以及风能发电中的弃风、光问题。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种回热式交替储能发电系统，其包括第一蓄热系统、第二蓄热系统、中间换热器、压缩机、透平和散热器，并形成两种可切换的排布方式：

(1)对应于发电模式，所述压缩机、所述中间换热器、所述第一蓄热系统、所述透平、所述中间换热器、所述第二蓄热系统和所述散热器沿工作介质的走向依次串联；

(2)对应于储能模式，所述第二蓄热系统、所述中间换热器、所述压缩机、所述第一蓄热系统、所述中间换热器、所述透平和所述散热器沿工作介质的走向依次串联；

在这两种可切换的排布方式中，所述第一蓄热系统、所述第二蓄热系统、所述中间换热器为共用的。

所述压缩机包括可切换的储能压缩机和发电压缩机，所述透平包括可切换的储能透平和发电透平。

所述第一蓄热系统包括彼此串联的第一相变蓄热模块和第二相变蓄热模块，所述第二蓄热系统包括彼此串联的第一液体蓄热模块和第二液体蓄热模块。

所述第一液体蓄热模块包括至少两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器之间的第一液体-气体换热器，或者至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器的不同温差区域之间的第一液体-气体换热器；且所述第二液体蓄热模块包括至少两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器之间的第二液体-气体换热器，或者至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器的不同温差区域之间的第二液体-气体换热器。

所述第一液体蓄热模块和所述第二液体蓄热模块的蓄热介质由水、水溶液、有机溶液、导热油、熔盐和金属中的至少一种组成。

所述第一液体蓄热模块的蓄热介质为导热油，该导热油为包括烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、烷基联苯型导热油、联苯和低熔联苯-醚混合物型导热油以及烷基联苯-醚导热油中的至少一种的热载体油；所述第二液体蓄热模块的蓄热介质包括熔盐，该熔盐包括硝酸盐、硫酸盐、氯盐和氟盐中的至少一种。

所述第一液体蓄热模块的蓄热温度范围为20到275℃，所述第二液体蓄热模块的蓄热温度范围为275到494℃。

所述第一相变蓄热模块和第二相变蓄热模块包括多个沿工作介质的走向依次排布并与工作介质热交换的保温腔体，每个保温腔体内包含有多种蓄热球或多种固体显热蓄热材料。

所述蓄热球包括包壳与填充于该包壳的内部的相变蓄热介质，所述相变蓄热介质为熔盐单质、熔盐混合物或合金。

所述第一相变蓄热模块的蓄热温度范围为650℃至1000℃，所述第二相变蓄热模块的蓄热温度范围为250℃至650℃。

另一方面，本发明提供一种回热式交替储能发电方法，其特征在于，该方法利用根据上文所述的回热式交替储能发电系统，其包括如下模式：

(1)发电模式：工作介质经过压缩机压缩，经过中间换热器放热，通过第一蓄热系统吸热，之后进入透平膨胀，经过中间换热器吸热，再通过第二蓄热系统放热，最后通过散热器散热，随后回到压缩机并重复上述过程；在此过程中净输出的功用于发电；

(2)储能模式：工作介质先通过第二蓄热系统吸热，经过中间换热器放热，经过压缩机压缩，再经过第一蓄热系统放热，经过中间换热器吸热，之后进入透平膨胀，随后回到第二蓄热系统并重复上述过程。

工作介质包括空气、氩气、氮气、氦气、水蒸气或二氧化碳。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的回热储能发电系统由中间换热器带来了回热功能，提高了高温工作点的使用温度，改善了压缩机的工作条件。减少热损失，提高转换效率。为解决光伏发电以及风能发电中的弃光、风问题以及峰谷电的削峰填谷问题提供了思路。此外，本发明的回热储能发电系统通过将相变蓄热模块中的每个保温腔体设置为包含有多种蓄热球或多种固体显热蓄热材料，以匹配第一蓄热系统从进口到出口的不同温度，同时稳定出入口温度，同时也会提高蓄热容量。

附图说明

图1A-图1B为根据本发明的一个实施例的回热式交替蓄热储能发电系统的结构示意图，其中，图1A示出了发电模式下的回热式交替蓄热储能发电系统，图1B示出了储能模式下的回热式交替蓄热储能发电系统。

图2为根据本发明的一个实施例的第一蓄热系统的结构示意图。

图3为根据本发明的一个实施例的第二蓄热系统的结构示意图。

图4为根据本发明的一个实施例的第一和第二相变蓄热模块的结构示意图。

图5为根据本发明的一个实施例的第一和第二相变蓄热模块的蓄热球的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

本实施例描述一种回热式交替蓄热储能发电系统，如图1A-1B所示，蓄热储能发电系统包括压缩机1、透平2、第一蓄热系统3、第二蓄热系统4、散热器5和中间换热器6。其中，压缩机1包括可切换的储能压缩机11和发电压缩机12，透平2包括可切换的储能透平21和发电透平22，用于在发电模式和储能模式下切换工作。第一蓄热系统3包括彼此串联的第一相变蓄热模块31和第二相变蓄热模块32，第二蓄热系统4包括彼此串联的第一液体蓄热模块41和第二液体蓄热模块42，由此，每个蓄热系统中的温度凭借其两个模块中的蓄热介质得以拓宽，并避免了过多的模块所造成过多的热损失；第一蓄热系统3中的第一相变蓄热模块31和第二相变蓄热模块32的顺序、第二蓄热系统4的第一液体蓄热模块41和第二液体蓄热模块42的顺序可以进行互换，因此顺序不固定。所述第一蓄热系统3、第二蓄热系统4、散热器5和中间换热器6在发电模式和储能模式下共用，而储能压缩机11和发电压缩机12、储能透平21和发电透平22不在发电模式和储能模式下共用。

如图1A所示，在发电模式下，发电压缩机12、中间换热器6、第一蓄热系统3、发电透平22、所述中间换热器6、第二蓄热系统4和散热器5沿工作介质的走向由连接管道依次串联并形成回路；如图1B所示，在储能模式下，第二蓄热系统4、中间换热器6、储能压缩机11、第一蓄热系统3、所述中间换热器6、储能透平21和散热器5沿工作介质的走向由连接管道依次串联并形成回路，工作中，工作介质在管道和各设备中由储能压缩机11或发电压缩机12驱动。由此，第一蓄热系统3释热，第二蓄热系统4蓄热；在储能模式下，第一蓄热系统3蓄热，第二蓄热系统4释热。此例中，工作介质为空气。蓄热储能发电系统额定蓄能功率2MW，额定发电功率1MW，总蓄能发电容量为24MWh。

如图3所示，在本实施例中，第一液体蓄热模块41为导热油蓄热模块，其包括高温导热油储罐411、低温导热油储罐412和连接于所述高温导热油储罐411和低温导热油储罐412之间的包含一换热管道的第一液体-气体换热器413，由此形成了两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器，并通过连通于两个蓄热介质保温容器之间的第一液体-气体换热器413与工作介质进行换热。高温导热油储罐411和低温导热油储罐412中均安装有液体泵414并通过该熔盐泵414与所述第一液体-气体换热器413的换热管道相连，提供导热油输运的动力。工作介质吸热时，第一液体蓄热模块41的高温导热油储罐411和低温导热油储罐412中的蓄热介质温度不变，蓄热介质由高温导热油储罐411进入低温导热油储罐412以完成换热。工作介质放热时候，第一液体蓄热模块41的高温导热油储罐411和低温导热油储罐412中的蓄热介质温度不变，蓄热介质由低温导热油储罐412进入高温导热油储罐411以完成换热。所述第一液体蓄热模块41的蓄热温度范围为20到275℃，其中，所述第一液体蓄热模块41的蓄热介质为导热油，该导热油为包括烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、烷基联苯型导热油、联苯和低熔联苯-醚混合物型导热油以及烷基联苯-醚导热油中的至少一种的热载体油。在其他实施例中，所述第一液体蓄热模块41的蓄热介质也可以由水、水溶液、有机溶液、导热油、熔盐和金属中的至少一种组成。

此外，所述第一液体蓄热模块41还可以包括至少两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器之间的第一液体-气体换热器，或者包括至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器的不同温差区域之间的第一液体-气体换热器，以用于与进入第二蓄热系统4的工作介质换热。

如图2所示，在本实施例中，第二液体蓄热模块42为熔盐蓄热模块，包括高温熔盐储罐421、低温熔盐储罐422和连通于所述高温熔盐储罐421和低温熔盐储罐422之间的包含一换热管道的第二液体-气体换热器423，由此形成了两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器，并通过连通于两个蓄热介质保温容器之间的第二液体-气体换热器423与工作介质进行换热。高温熔盐储罐421和低温熔盐储罐422中均安装有熔盐泵424并通过该熔盐泵424与所述第二液体-气体换热器423的换热管道相连，用于提供熔盐输运的动力。由此，工作介质吸热时，第二液体蓄热模块42的高温熔盐储罐421和低温熔盐储罐422中的熔盐温度不变，熔盐介质由高温熔盐储罐421进入低温熔盐储罐422以完成换热。工作介质放热时候，第二液体蓄热模块42的高温熔盐储罐421和低温熔盐储罐422中的中的熔盐温度不变，熔盐介质由低温熔盐储罐422进入高温熔盐储罐421以完成换热。在本实施例中，所述第二液体蓄热模块42的蓄热温度范围为275到494℃，所述第二液体蓄热模块42的蓄热介质包括熔盐，该熔盐包括硝酸盐、硫酸盐、氯盐和氟盐中的至少一种。在其他实施例中，所述第二液体蓄热模块42的蓄热介质也可以由水、水溶液、有机溶液、导热油、熔盐和金属中的至少一种组成。

此外，所述第二液体蓄热模块42还可以包括至少两个相互连通且内部蓄热介质温度不同的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器之间的第二液体-气体换热器，或者包括至少一个相互连通且内部蓄热介质具有温差梯度的蓄热介质保温容器和连接于所述蓄热介质保温容器的不同温差区域之间的第二液体-气体换热器，以用于与进入第二蓄热系统4的工作介质换热。

如图4所示为第一蓄热系统3的第一相变蓄热模块31和第二相变蓄热模块32的结构示意图。第一相变蓄热模块31和第二相变蓄热模块32分别包括一保温外壳321，保温外壳321的内腔中设有多个将所述内腔间隔开的翅片322，由此限定了多个沿工作介质的走向依次排布并与工作介质热交换的保温腔体323，每个保温腔体323内包含有多种蓄热球或多种固体显热蓄热材料，以匹配第一蓄热系统3从进口到出口的不同温度，同时稳定出入口温度。多个保温腔体323使得其中的蓄热介质的温度变化为均匀变化，翅片322用于帮助传热与换热，使得换热完全。其中，固体显热蓄热材料为金属、金属氧化物、盐或蓄热砖，比如，铝、氧化铝、硫酸铝、镁质蓄热砖、铸铁、生铁、氯化钙、铜、氯化钾、硫酸钾、碳酸钠、花岗岩、石灰石、大理石、砂岩等。

如图5所示，蓄热球324为球或类球状胶囊体，其包括包壳3241与填充于该包壳3241的内部的相变蓄热介质3242。包壳3241可以为合金、石墨、高分子材料或复合材料，例如镍基合金、石墨、耐超高温碳硼烷基硅橡胶、膨化蛭石等。相变蓄热介质3242可以是熔盐单质、熔盐混合物(如氯化钠-硫酸钠)或合金，不同种类的蓄热球内部填充的相变蓄热介质的相变温度不同，相变蓄热介质在温度低于其相变温度时为液体，在温度高于其相变温度时为固体，由此利用其固态和液态下的热容以及相变潜热蓄热。

在本实施例中，第一相变蓄热模块31的蓄热温度范围为650℃至1000℃，其蓄热球的相变蓄热介质为相变温度在650℃至1000℃不等的熔盐，该熔盐主要为各种氯盐、氟化盐(即熔盐单质)或它们的混合熔盐(即熔盐混合物)。第二相变蓄热模块32的蓄热温度范围为250℃至650℃，其蓄热球的相变蓄热介质为相变温度在250℃至650℃不等的熔盐，该熔盐主要为各种氯盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐(即熔盐单质)或它们的混合熔盐(即熔盐混合物)。

各设备主要参数包括：工作介质使用氦气(绝热系数1.66)，储能压缩机11的绝热效率为0.90，储能透平21的绝热效率为0.95；发电压缩机12的绝热效率为0.90，发电透平22的绝热效率为0.95；在第一液体蓄热模块41中，高温导热油储罐411中的导热油温度为275℃，低温导热油储罐412中的导热油温度为20℃，第一液体-气体换热器413的换热温差为15℃，第一液体-气体换热器413中的工作介质流动阻力为5kPa；第二液体蓄热模块42中，高温熔盐储罐421中的熔盐温度为494℃，低温熔盐储罐422中的熔盐温度为275℃，第二液体-气体换热器423的换热温差为15℃，第二液体-气体换热器423中的工作介质流动阻力为10kPa；在第一相变蓄热模块31中，温度最高的相变蓄热介质的相变温度1000℃，温度最低的相变蓄热介质的相变温度650℃，相变蓄热介质与工作介质的换热温差为15℃，工作介质流动阻力为10kPa；在第二相变蓄热模块32中，温度最高的相变蓄热介质的相变温度650℃，温度最低的相变蓄热介质的相变温度252℃，相变蓄热介质与工作介质换热温差为15℃，工作介质流动阻力为10kPa。

本发明的回热式交替储能发电系统的运行模式有两种，分别为发电模式和储能模式。因此，利用上文所述的回热式交替储能发电系统，所实现的回热式交替储能发电方法包括发电模式和储能模式。

在发电模式下，工作介质经过发电压缩机12压缩，经过中间换热器6放热，通过第一蓄热系统3(依次通过第二相变蓄热模块32和第一相变蓄热模块31)吸热，之后进入发电透平22膨胀，经过中间换热器6吸热，再通过第二蓄热系统4(依次通过第二液体蓄热模块42和第一液体蓄热模块41)放热，最后通过散热器5散热，随后回到压缩机并重复上述过程。在发电模式下，熔盐热能通过透平，透平转动发电，剩余的能量回到导热油蓄热模块中，在此过程中净输出的功用于发电。

其中，气体流量*热容为：

P_in为发电模式的输入功率(单位：kW)，q_in为气体流量*热容(单位：kW/K)，T_TR为透平入口温度(单位：K)，T_TC为透平出口温度(单位：K)，T_YR为压缩机入口温度(单位：K)，T_YC为压缩机出口温度(单位：K)。

W_FD＝q_ing(T_TR-T_TC)

W_FD为发电模式的发电量，q_in为气体流量*热容(单位：kW/K)，T_TR为透平入口温度(单位：K)，T_TC为透平出口温度(单位：K)。

发电模式下，各处工作介质温度、压强分别为：发电压缩机12的入口温度为20℃，300kPa；发电压缩机12的出口温度为539℃，3296kPa；第二相变蓄热模块32的入口温度为237℃，入口压强为3286kPa；第二相变蓄热模块32的出口温度为635℃，出口压强为3276kPa；第一相变蓄热模块31的出口温度为985，出口压强为3266kPa；发电透平22的出口温度为267℃，出口压强为325kPa；第二液体蓄热模块42的入口温度为509℃，入口压强为315kPa；第二液体蓄热模块42的出口温度为290℃，出口压强为305kPa，经散热器散热，散热器出口P1即为发电压缩机12的入口。

储能模式下，工作介质先通过第二蓄热系统4(依次通过第一液体蓄热模块41和第二液体蓄热模块42)吸热，经过中间换热器6放热，经过储能压缩机11压缩，再经过第一蓄热系统3(依次通过相变蓄热模块31和相变蓄热模块32)放热，经过中间换热器6吸热，之后进入储能透平21膨胀，随后回到第二蓄热系统并重复上述过程。在该储能模式下，压缩机11对工作介质做功，使得由风光转化的热能储存在导热油作为介质的第一液体蓄热模块41中，工作介质将导热油能量转移到第二液体蓄热模块41的熔盐中以熔盐热能形式储存。

储能时，各处工作介质温度、压强分别为：第二液体蓄热模块42的入口，温度260℃，压强320kPa；第二液体蓄热模块42的出口，温度479℃，压强310kPa；压缩机入口温度237℃，300kPa；压缩机出口温度1015℃，2631kPa；相变蓄热模块31出口，温度665℃，压强2621kPa；相变蓄热模块32出口，温度267℃，压强2611kPa；透平入口温度509，压强2601kPa；透平出口温度90，压强325kPa。散热器出口即为导热油模块41入口

根据蓄热储能发电系统的工作点温度，可以得到储能时第一蓄热系统吸热4.1582MW除以储能时的输入功率2MW为207.91％，即系统储能效率。储能效率大于100％，是因为第一蓄热系统在储能时从第二蓄热系统处获得了热量。同时可以得到发电时的输出功率1MW除以第一蓄热系统放热3.7626MW为26.58％，即系统发电效率。发电效率虽然较低，但此时多余的热量中，大部分被第一蓄热系统吸收，在储能时将传至第二蓄热系统。

回热储能发电系统的发电效率26.58％乘以储能效率207.91％为55.26％，即为系统总效率。由此可见系统在互为可逆的两个过程钟热损失减小，转换效率提高。使得发电效率和储能效率都得到了提高，顺理成章地，总效率也得到了提高。

由于本发明的回热式交替储能发电系统在发电模式和储能模式下均质能分离，工作介质传递能量，并非在外界裹挟能量进入系统，故不需要与外界工作介质进行交换。

在本发明的回热式交替储能发电方法中，工作介质包括空气、氩气、氮气、氦气、水蒸气或二氧化碳，工作介质的工作压力处在次临界、临界或超临界状态下，因此工作介质的工作压力处在临界点附近状态。

本实施例的回热储能发电系统，使用相变储热与回热式交替热泵的原理，提供了一种高效的储能供电系统，将两种互为可逆的过程中产生的热损失收集到中间换热器中，实现了回热功能，即放热损失和吸热损失的互补，提高了高温工作点的使用温度，改善了压缩机的工作条件，提高了转换效率。本发明的回热储能发电系统通过将相变蓄热模块中的每个保温腔体设置为包含有多种蓄热球或多种固体显热蓄热材料，以匹配第一蓄热系统从进口到出口的不同温度，同时稳定出入口温度，同时也会提高蓄热容量。该回热式交替储能发电系统高温蓄热结构简单，可靠性高，循环总效率高。为解决光伏发电以及风能发电中的弃光、风问题以及峰谷电的削峰填谷问题提供了思路。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。