一种双级压缩膨胀储热发电系统

技术领域

本发明属于电池技术领域，特别涉及一种双级压缩膨胀储热发电系统。

背景技术

随着绿色能源开始逐步替代全球的电力供应，世界各地都将需要大规模的能源储存，新型二氧化碳储能、压缩空气储能及氢储能等新技术层出不穷。新技术储能中压缩空气储能容量大，单机容量可达百兆瓦级以上，仅次于抽水蓄能，但是储能的压缩空气会被加热从而导致能量的损耗在转换过程，能源的利用效率偏低，至今没有商业化，同时受地理条件的限制大。针对压缩空气储能系统存在的技术与应用瓶颈问题,提出二氧化碳储能的方式，相比于空气，二氧化碳用作介质有一些独特的优势；但是它的成本较高, 主要设备还在研究阶段，还需要大量的研究和开发,才能使其变得更加可行。氢储能的痛点在于氢气成本高、电站造价成本高、能量转换效率低、技术成熟度低,以及制氢-储氢-运氢-发电整个流程较长等诸多因素给氢储能发电应用推广带来了极大挑战。

蒸汽作为一种高热熔、低价格的储热传热介质，蒸汽作为传热介质与热泵技术结合起来，给储能发电领域带来新机遇，但是低温段蒸汽小于100度处于负压状态，系统传热效率低、且对系统要求高，为了解决这个问题，本发明采用多级的形式，在低温段利用低沸点的有机介质，高温端采用蒸汽，不仅降低系统成本，又提高了发电效率。

发明内容

为寻找低成本、高效率的储热发电系统，本发明提供一种双级压缩膨胀储热发电系统，在低温段利用低沸点的有机介质，高温端采用以蒸汽为代表的廉洁高温传热介质，两级之间通过一个逆流热交换器，两种循环介质的共同互补，实现储热发电的可逆循环，成本较低，且易于商业化，具体描述如下：

一种双级压缩膨胀储热发电系统，包括低温储热发电装置、第一逆流热交换器和高温储热发电装置;

所述低温储热发电装置包括储液罐、低温相变储热器、第一压缩机、第一膨胀机、第一储热系统、液泵、节流阀、第一发电机、第一循环介质以及它们之间的连接管道；所述低温相变储热器内装有低温相变材料，低温相变材料的周围设有传热管道；所述储液罐与低温相变储热器的传热管道连通，所述第一压缩机和第一膨胀机并联在低温相变储热器的传热管道与第一逆流热交换器的第一循环介质通道之间；所述第一逆流热交换器的第一循环介质通道另一端与第一储热系统连通；所述液泵和节流阀并联在第一储热系统和储液罐之间；

所述高温储热发电装置包括低温储液器、高温储液器、高温相变储热器、第二储热系统、第二膨胀机、第二压缩机、第二发电机、第二循环介质以及它们之间的连接管道；所述高温相变储热器内装有高温相变材料，高温相变材料的周围设有传热管道；所述低温储液器与第一逆流热交换器中的第二循环介质通道一端连通，所述第二压缩机和第二膨胀机并联在第一逆流热交换器的第二循环介质通道另一端与第二储热系统之间，所述第二储热系统另一端与高温相变储热器传热管道的一端连通，所述高温相变储热器的传热管道另一端与高温储液器连通。

进一步地，所述第一储热系统包括第二逆流热交换器、第一储热系统的高温储热器、第一储热系统的低温储热器、第一储热系统的循环泵、第一储热系统的四通阀以及第一储热介质；所述第一储热系统的高温储热器直接与第二逆流热交换器中的第一储热介质通道的一端连通，第二逆流热交换器中的第一储热介质通道的另一端与第一储热系统的低温储热器之间连接有第一储热系统的四通阀和第一储热系统的循环泵；所述第二逆流热交换器中的第一循环介质通道一端与第一逆流热交换器中的第一循环介质通道连通，其另一端分别所述液泵和节流阀连通。

进一步地，所述第二储热系统包括第二储热系统的低温储热器、第三逆流热交换器、第二储热系统的高温储热器、第二储热系统的循环泵、第二储热系统的四通阀；所述第二储热系统的高温储热器直接与第三逆流热交换器中的第二储热介质通道的一端连通，第三逆流热交换器中的第二储热介质通道的另一端与第二储热系统的低温储热器之间连接有第二储热系统的四通阀和第二储热系统的循环泵；所述第三逆流热交换器中的第二循环介质通道一端与高温相变储热器的传热管道连通；第三逆流热交换器的第二循环介质通道的另一端分别所述第二膨胀机和第二压缩机连通。

进一步地，所述高温储热发电装置还包括循环泵和电磁阀；所述循环泵和电磁阀并联在高温储液器和高温相变储热器之间。

进一步地，所述第一膨胀机与第一发电机电连接；所述第二膨胀机与第二发电机电连接。

进一步地，所述第一循环介质的循环温度小于第二循环介质循环温度。

本发明的与现有的储热发电技术相比，采用双级压缩膨胀储热发电系统，在低温段利用低沸点的有机介质，高温端采用以蒸汽为代表的廉洁高温传热介质，两级之间通过一个逆流热交换器，两种循环介质的共同互补，同时解决了只采用蒸汽作为传热介质的负压问题，实现储热发电的可逆循环；另外在低温相变材料和高温相变材料选择上分别可选择水和硫或者硝酸盐，成本相比于纯蒸汽储热发电系统略有升高，但是工作效率提高较多，且极易于商业化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

附图1是本发明双级压缩膨胀储热发电系统第一种结构示意图。

附图2是附图1中的储热工作模式示意图。

附图3是附图1中的发电工作模式示意图。

附图4是本发明带双级压缩膨胀储热发电系统第二种的示意图。

图中：1、储液罐；2、低温相变储热器；31、第一膨胀机；32、第二膨胀机；41、第一压缩机；42、第二压缩机； 5、第一逆流热交换器；6、第二逆流热交换器；7、第一储热系统的高温储热器；8、第一储热系统的低温储热器；9、第一储热系统的循环泵；10、液泵；11、节流阀；121、第一发电机；122、第二发电机；13、低温储液器；14、高温储液器；15、高温相变储热器；16、第二储热系统的低温储热器；17、第三逆流热交换器；18、第二储热系统的高温储热器；19、第二储热系统的循环泵；201、第一单向阀； 202、第二单向阀；203、第三单向阀； 204、第四单向阀；205、第五单向阀； 206、第六单向阀；211、第一储热系统的四通阀；212、第二储热系统的四通阀；213、第三储热系统的四通阀；22、循环泵；23、电磁阀；24、第四逆流热交换器；25、第三储热系统的高温储热器；26、第三储热系统的低温储热器；27、第三储热系统的循环泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。

显然，所描述的实施例仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。为使实施例更便于理解，以下提供多种实施例或实施方法以对本发明的相关装置、模块、功能进行说明。

实施方式一

如附图1所示，一种双级压缩膨胀储热发电系统包括低温储热发电装置、第一逆流热交换器5和高温储热发电装置;

所述低温储热发电装置包括储液罐1、低温相变储热器2、第一压缩机41、第一膨胀机31、第一储热系统、液泵10、节流阀11、第一发电机121、第一循环介质以及它们之间的连接管道；所述低温相变储热器2内装有低温相变材料，低温相变材料的周围设有传热管道；所述储液罐1与低温相变储热器2的传热管道一端连通，低温相变储热器2的传热管道另一端分别与第一压缩机41介质入口和第一膨胀机31介质出口连通，所述第一膨胀机31介质入口和第一压缩机41介质出口均与第一逆流热交换器5中的第一循环介质通道连通；所述第一逆流热交换器5中的第一循环介质通道与第一储热系统连通；所述液泵10和节流阀11并联在第一储热系统和储液罐1之间。所述第一膨胀机31与第一发电机121电连接。

所述第一储热系统包括第二逆流热交换器6、第一储热系统的高温储热器7、第一储热系统的低温储热器8、第一储热系统的循环泵9、第一储热系统的四通阀211以及第一储热介质；所述第一储热系统的高温储热器7直接与第二逆流热交换器6中的第一储热介质通道的一端连通，第二逆流热交换器6中的第一储热介质通道的另一端与第一储热系统的低温储热器8之间连接有第一储热系统的四通阀211和第一储热系统的循环泵9；所述第二逆流热交换器6中的第一循环介质通道一端与第一逆流热交换器5中的第一循环介质通道连通，其另一端分别所述液泵10和节流阀11连通。

以上所述第一储热系统储热时，在第一储热系统的循环泵9作用下，第一储热系统的低温储热器8中的第一储热介质经第一储热系统的四通阀211进入第一储热系统的循环泵9，然后再次经第一储热系统的四通阀211送入第二逆流热交换器6的第一储热介质通道，第一储热介质吸收第二逆流热交换器6中另一个通道的第一循环介质的热量，第一储热介质温度升高，升温后的第一储热介质最后直接被送到第一储热系统的高温储热器7储存起来。

以上所述第一储热系统放热时，在第一储热系统的循环泵9作用下，储存在第一储热系统的高温储热器7中的第一储热介质被送入第二逆流热交换器6的第一储热介质通道，第一储热介质与第二逆流热交换器6另一个通道的第一循环介质进行热交换，第一储热介质放热，放热后的第一储热介质分别经第一储热系统的四通阀211和第一储热系统的循环泵9储存在第一储热系统的低温储热器8中。

所述高温储热发电装置包括低温储液器13、高温储液器14、高温相变储热器15、第二储热系统、第二膨胀机32、第二压缩机42、第二发电机122、第二循环介质以及它们之间的连接管道；所述高温相变储热器15内装有高温相变材料，高温相变材料的周围设有传热管道；所述低温储液器13与第一逆流热交换器5中的第二循环介质通道一端连通，第一逆流热交换器5中的第二循环介质通道另一端分别与第二压缩机42介质入口和第二膨胀机32介质出口连通，所述第二膨胀机32介质入口和第二压缩机42介质出口与所述第二储热系统一端连通，所述第二储热系统另一端与高温相变储热器15传热管道的一端连通，所述高温相变储热器15的传热管道另一端与高温储液器14连通。所述第二膨胀机32与第二发电机122电连接。

请参考图2所示，所述高温储热发电装置还包括循环泵22和电磁阀23；所述循环泵22和电磁阀23并联在高温储液器14和高温相变储热器15之间。

所述第二储热系统包括第二储热系统的低温储热器16、第三逆流热交换器17、第二储热系统的高温储热器18、第二储热系统的循环泵19、第二储热系统的四通阀212；所述第二储热系统的高温储热器18直接与第三逆流热交换器17中的第二储热介质通道的一端连通，第三逆流热交换器17中的第二储热介质通道的另一端与第二储热系统的低温储热器16之间连接有第二储热系统的四通阀212和第二储热系统的循环泵19；所述第三逆流热交换器17中的第二循环介质通道一端与高温相变储热器15的传热管道连通；第三逆流热交换器17中的第二循环介质通道的另一端分别所述第二膨胀机32和第二压缩机42连通。

以上所述第二储热系统储热时，在第二储热系统的循环泵19作用下，第二储热系统的低温储热器16中的第二储热介质经第二储热系统的四通阀212进入第二储热系统的循环泵19，然后再次经第二储热系统的四通阀212送入第三逆流热交换器17的第二储热介质通道，第二储热介质吸收第三逆流热交换器17中另一个通道的第二循环介质的热量，第二储热介质温度升高，升温后的第二储热介质最后直接被送到第二储热系统的高温储热器18储存起来。

以上所述第二储热系统放热时，在第二储热系统的循环泵19作用下，储存在第二储热系统的高温储热器18中的高温第二储热介质被送入第三逆流热交换器17的第二储热介质通道，第二储热介质与第三逆流热交换器17另一个通道的第二循环介质进行热交换，第二储热介质放热，放热后的第二储热介质分别经第二储热系统的四通阀212和第二储热系统的循环泵19进入第二储热系统的低温储热器16中。

以上所述第一膨胀机31支路安装有第一单向阀201，所述第一压缩机41支路安装有第二单向阀202。

以上所述液泵支路安装有第三单向阀203；所述节流阀11支路安装有第四单向阀204。

以上所述第二膨胀机32支路安装有第五单向阀205，所述第二压缩机42支路安装有第六单向阀206。

本发明双级压缩膨胀储热发电系统有两种工作模式，分别为储热工作模式和发电工作模式。

储热工作模式时：请参考图2所示，低温储热发电装置和高温储热发电装置同时进入储热工作模式；所述低温储热发电装置在第一压缩机41的作用下，储液罐1中的第一循环介质被送入低温相变储热器2的传热管道，第一循环介质与低温相变储热器2中的低温相变材料进行等温热交换，第一循环介质吸收低温相变材料中的热量变为气态，气态的第一循环蒸汽介质进入第一压缩机41，被压缩为高温高压的过热气态第一循环介质，高温高压的过热气态第一循环介质进入第一逆流热交换器5的第一循环介质通道，同时高温储热发电装置中低温储液器13中的第二循环介质在第二压缩机42的作用下进入第一逆流热交换器5的第二循环介质通道与第一逆流热交换器5的第一循环介质通道中的高温高压的过热气态第一循环介质进行逆向热交换，第一循环介质放热，第二循环介质吸热汽化；放热后的高温高压第一循环介质被送入第二逆流热交换器6第一循环介质通道，同时在第一储热系统的循环泵9作用下，第一储热系统的低温储热器8中的第一储热介质被送入第二逆流热交换器6的第一储热介质通道，这样第一循环介质与第一储热介质在第二逆流热交换器6中进行逆向换热，第一储热介质吸收第二逆流热交换器6中另一个通道的第一循环介质的热量，第一储热介质温度升高，升温后的第一储热介质最后直接被送到第一储热系统的高温储热器7储存起来，第一循环介质放热，放热后的第一循环介质经节流阀11节流变成低温液态第一循环介质，最后被送入储液罐1进行下一轮的循环；在高温储热发电装置中，从第一逆流热交换器5的第二循环介质通道出来的气态第二循环介质，直接进入第一压缩机41，被压缩为高温高压的过热气态第二循环介质，高温高压的过热气态第二循环介质进入第三逆流热交换器17，同时在第二储热系统的循环泵19作用下，第二储热系统的低温储热器16中的第二储热介质经第二储热系统的四通阀212和第二储热系统的循环泵19送入第三逆流热交换器17的第二储热介质通道，第二循环介质与第二储热介质在第三逆流热交换器17中进行逆向换热，第二储热介质吸收第二循环介质的热量，第二储热介质温度升高，升温后的第二储热介质最后直接被送到第二储热系统的高温储热器18储存起来，第二循环介质在第三逆流热交换器17释放部分热量后进入高温相变储热器15的传热管道，与高温相变储热器15中的高温相变材料进行等温换热，高温相变材料吸收第二循环介质的热量发生相变，以潜热的形式储存在高温相变储热器15中，同时第二循环介质放热变为业态形式，变为液态第二循环介质进入高温储热器14，以备发电的时候利用，这样就完成了储热工作模式。

发电工作模式时：请参考图3所示，低温储热发电装置和高温储热发电装置同时进入发电工作模式；所述低温储热发电装置在液泵10抽取储液罐1中的低温液态第一循环介质，进行加压后送入第二逆流热交换器6的第一循环介质通道，同时第一储热系统的循环泵9抽取储存在第一储热系统的高温储热器7中的高温第一储热介质送入第二逆流热交换器6的第一储热介质通道，第一储热介质与第一循环介质进行逆向热交换，第一储热介质放热，第一循环介质吸热，放热后的第一储热介质分别经第一储热系统的四通阀211和第一储热系统的循环泵9储存在第一储热系统的低温储热器8中，第一次吸热后的第一循环介质进入第一逆流热交换器5的第一循环介质通道，同时做功后的第二循环介质也进入第一逆流热交换器5的第二循环介质通道，第一循环介质与第二循环介质在第一逆流热交换器5中进行逆向流动，第一循环介质吸收第二循环介质的热量，变为高温高压的第一循环介质，高温高压的第一循环介质直接进入第一膨胀机31中做功，第一膨胀机31将热能变为机械能驱动发第一电机121发电，最终实现热能转换成电能输出；做功后的第一循环介质经第一膨胀机31排出，进入低温相变储热器2与低温相变材料进行热交换，低温相变材料吸收第一循环介质热量，发生相变，以潜热形式储存在低温相变储热器2中，第一循环介质放热后变为低温液态第一循环介质，最后进入储液罐1，这样就完成了低温储热发电装置发电过程；高温储热发电装置中，在循环泵22的作用，高温储液器14中的高温高压液态第二循环介质直接进入高温相变储热器15的传热管道，吸收高温相变储热器15中的高温相变材料的热量，变为高温高压的汽态第二循环介质，高温高压的汽态第二循环介质进入第三逆流热交换器17中的第二循环介质通道，同时在第二储热系统的循环泵19作用下，储存在第二储热系统的高温储热器18中的高温第二储热介质被送入第三逆流热交换器17的第二储热介质通道，第二储热介质与高温的第二循环介质进行热交换，第二储热介质放热，放热后的第二储热介质分别经第二储热系统的四通阀212和第二储热系统的循环泵19进入第二储热系统的低温储热器16中，第二循环介质吸热再次提高温度，然后直接进入第二膨胀机32中做功，第二膨胀机32将热能变为机械能驱动发第二电机122发电，最终实现热能转换成电能输出；做功后的第二循环介质经第二膨胀机32排出，进入第一逆流热交换器5的第二循环介质通道，第一循环介质与第二循环介质在第一逆流热交换器5中进行逆向流动，第二循环介质放热液化，最后进入低温储液器13，这样完成了一次高温储热发电装置发电过程。

以上所述的低温储热发电装置中，所述第一循环介质是低温循环介质，可以选择低沸点有机介质，以氟利昂为第一循环介质的最优选择，其工作温度在110℃以内。所述低温相变储热器2中相变材料为低温固液相变材料，以廉价的水为低温固液相变材料最优选择，在储热工作模式时，相低温变材料进行等温放热，由液态变为固态；在发电工作模式时，低温相变材料进行等温吸热，由固态变为液态。所述第一储热系统中的第一储热介质优先选择液态水为储热介质。

以上所述的高温储热发电装置中，所述第二循环介质是高温循环介质，以蒸汽为第二循环介质的最优选择，其循环工作温度在110℃—300℃之间；所述高温相变储热器15中相变材料为高温固液相变材料，以硝酸盐为高温固液相变材料最优选择，如硝酸钠、硝酸钾、亚硝酸钠、亚硝酸钾或硝酸盐的二元盐等，在储热工作模式时，高温相变材料进行等温吸热，由固态变为液态；在发电工作模式时，高温相变材料进行等温放热，由液态变为固态。所述第二储热系统中的第二储热介质优先选择熔盐为储热介质。

实施方式二

请参考图4所示，与实施例一中图1相比，本发明双级压缩膨胀储热发电系统的低温储热发电装置还包括第三储热系统；所述第三储热系统包括第四逆流热交换器24、第三储热系统的高温储热器25、第三储热系统的低温储热器26、第三储热系统的循环泵27、第三储热系统的四通阀213、第三储热介质以及它们之间的连接管道；所述第三储热系统的高温储热器25直接与第四逆流热交换器24中的第三储热介质通道的一端连通，第四逆流热交换器24中的第四储热介质通道的另一端与第三储热系统的低温储热器26之间连接有第三储热系统的四通阀213和第三储热系统的循环泵27；所述第四逆流热交换器24中的第一循环介质通道一端与第一逆流热交换器5中的第一循环介质通道连通，其另一端分别所述第一压缩机41出口和第一膨胀机31入口连通。

以上所述第三储热系统储热时，在第三储热系统的循环泵27作用下，第三储热系统的低温储热器26中的第三储热介质经第三储热系统的四通阀213进入第三储热系统的循环泵27，然后再次经第三储热系统的四通阀214送入第四逆流热交换器24的第三储热介质通道，第三储热介质吸收第四逆流热交换器24中另一个通道的过热饱和第一循环介质的热量，第三储热介质温度升高，升温后的第三储热介质最后直接被送到第三储热系统的高温储热器25储存起来。

以上所述第三储热系统放热时，在第三储热系统的循环泵27作用下，储存在第三储热系统的高温储热器25中的第三储热介质被送入第四逆流热交换器24的第三储热介质通道，第三储热介质与第四逆流热交换器24另一个通道高温高压的第一循环介质进行热交换，第三储热介质放热，放热后的第三储热介质分别经第三储热系统的四通阀213和第三储热系统的循环泵27储存在第三储热系统的低温储热器26中；同时从第四逆流热交换器24的第一循环机介质通道出来的高温高压第一循环介质，吸收第三储热介质变为过热的高温高压第一循环介质，被送入第一膨胀机31中做做功；图4所示其它部件的安装与运行原理与实施例一中一样。