一种基于二氧化碳工质的热泵储电系统及运行方法

技术领域

本发明属于能量存储技术领域，具体涉及一种基于二氧化碳工质的热泵储电系统及运行方法。

背景技术

近年来，我国积极推进以新能源为主体的新型电力系统构建，但可再生能源发电(风能、光伏等)系统具有间隙性、波动性和随机性，导致电力系统的灵活性调节能力面临着更高的要求。因此，电力系统需要更多灵活可控的技术参与，而迅速发展的储能技术是提升电力系统灵活性的有效途径。

热泵储电技术是新型的一种大规模储能技术，与传统的压缩空气储能和抽水蓄能相比，该技术没有地理条件限制，不会带来环境与安全问题，同时还能达到储存容量大、动力足和储能周期长等优点。目前关于热泵储电系统的研究，多选用基于有机工质的朗肯循环，或基于惰性气体的布雷顿循环，但由于循环和工质特性，需要储存低温冷量，结构不够紧凑，且部分工质制备复杂。

发明内容

为探索更高效率以及紧凑的热泵储电技术，本发明提出一种基于二氧化碳工质的热泵储电系统及运行方法，依据环境温度高低，热泵循环选取跨临界或超临界两种运行模式，热机循环选取超临界态运行。超临界二氧化碳作为循环工质具有高功率密度，同时由于临界点的特殊物性，其在正向布雷顿循环中也具有相对较小的压缩功，故以超临界二氧化碳为工质的热泵储电系统具有很大的发展潜力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于二氧化碳工质的热泵储电系统，该系统包括高温储热模块、热泵循环模块和热机循环模块；

所述高温储热模块包括高温储热—冷罐1、高温储热—热罐2、高温换热器Ⅰ3、高温换热器Ⅱ14以及阀门Ⅰ151和阀门Ⅱ152；所述高温储热—冷罐1出口通过阀门Ⅰ151与高温换热器Ⅰ3的冷侧入口相连，高温换热器Ⅰ3的冷侧出口与高温储热—热罐2入口相连，高温储热—热罐2出口通过阀门Ⅱ152与高温换热器Ⅱ14的热侧入口相连，高温换热器Ⅱ14的热侧出口与高温储热—冷罐1入口相连；

所述热泵循环模块包括高温换热器Ⅰ3、压缩机Ⅰ4、回热器Ⅰ5、透平Ⅰ6和低温换热器Ⅰ7；所述高温换热器Ⅰ3的热侧入口与压缩机Ⅰ4出口相连，高温换热器Ⅰ3的热侧出口与回热器Ⅰ5热侧入口相连，回热器Ⅰ5热侧出口与透平Ⅰ6入口相连，透平Ⅰ6出口与低温换热器Ⅰ7冷侧入口相连，低温换热器Ⅰ7冷侧出口与回热器Ⅰ5的冷侧入口相连，回热器Ⅰ5冷侧出口与压缩机Ⅰ4入口相连；

所述热机循环模块包括高温换热器Ⅱ14、透平Ⅱ13、高温回热器Ⅱ12、再压缩机Ⅱ11、低温回热器Ⅱ10、主压缩机Ⅱ9和低温换热器Ⅱ8；所述高温换热器Ⅱ14冷侧出口与透平Ⅱ13入口相连，透平Ⅱ13出口与高温回热器Ⅱ12热侧入口相连，高温回热器Ⅱ12热侧出口与低温回热器Ⅱ10热侧入口相连，低温回热器Ⅱ10热侧出口分别与低温换热器Ⅱ8热侧入口和再压缩机Ⅱ11入口相连，低温换热器Ⅱ8热侧出口与主压缩机Ⅱ9入口相连，主压缩机Ⅱ9出口与低温回热器Ⅱ10冷侧入口相连，低温回热器Ⅱ10冷侧出口、再压缩机Ⅱ11出口与高温回热器Ⅱ12冷侧入口相连，高温回热器Ⅱ12冷侧出口与高温换热器Ⅱ14冷侧入口相连。

热泵循环模块和热机循环模块的冷端均为环境；即低温换热器Ⅰ7的热侧进出口与环境相连，低温换热器Ⅱ8的冷侧进出口与环境相连。

高温储热—冷罐1和高温储热—热罐2采用的储热介质为熔融盐。

热泵循环模块的热泵循环采用回热循环，热机循环模块的热机循环采用再压缩循环。

所述的一种基于二氧化碳工质的热泵储电系统的运行方法，充电过程；打开阀门Ⅰ151，关闭阀门Ⅱ152，运行热泵循环，关闭热机循环；使用电网多余电力驱动压缩机Ⅰ4，将回热器Ⅰ5冷侧出口的二氧化碳工质压缩至高温高压状态，高温高压的二氧化碳在高温换热器Ⅰ3中将热量传递至熔融盐，吸热后的熔融盐存储至高温储热—热罐2；在高温换热器Ⅰ3放热后的二氧化碳工质继续在回热器Ⅰ5放热，然后进入透平Ⅰ6膨胀；透平Ⅰ6出口的低温低压工质先在低温换热器Ⅰ7中吸收来自环境的热量，然后进入回热器Ⅰ5被加热，完成循环；故充电过程是将多余电力通过热泵循环转换为高品位热能储存至高温储热—热罐2；

放电过程：关闭阀门Ⅰ151，打开阀门Ⅱ152，关闭热泵循环，运行热机循环；从高温换热器Ⅱ14出来的高温高压的二氧化碳工质进入透平Ⅱ13做功，然后依次进入高温回热器Ⅱ12和低温回热器Ⅱ10放热，低温回热器Ⅱ10热侧出口工质分为两股：一股直接进入再压缩机Ⅱ11压缩；另一股经过低温换热器Ⅱ8放热后，进入主压缩机Ⅱ9压缩，主压缩机Ⅱ9出口工质进入低温回热器Ⅱ10冷侧吸热后，两股工质汇合，然后一同进入高温回热器Ⅱ12和高温换热器Ⅱ14吸热，完成循环；故放电过程是根据电网需求将存储的高品位热能转换为电力。

充电过程中，当环境温度高于二氧化碳临界温度时，热泵循环按超临界模式运行，透平Ⅰ6出口温度为临界温度，压缩机Ⅰ4入口压力为7.5-8.5MPa，出口压力为25-30MPa。

充电过程中，当环境温度低于二氧化碳临界温度时，热泵循环按跨临界模式运行，透平Ⅰ6进口温度为环境温度，压缩机Ⅰ4入口压力为7.5-8.5MPa，出口压力为25-30MPa。

放电过程中，热机循环按超临界模式运行，主压缩机Ⅱ9入口压力为7.5-8.5MPa，出口压力为25-30MPa。

放电过程中，热机循环按超临界模式运行，主压缩机Ⅱ9入口温度为32-40℃。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)本发明基于可逆布雷顿循环构建的热泵储电系统，不受地理条件限制，且可以实现容量大、动力足和储能周期长。

2)本发明采用超临界二氧化碳作为循环工质，功率密度高，由于其临界点特性，热机循环中可减小压缩功，往返效率高。

3)本发明的热泵和热机循环冷端连接环境，不储冷或低温储热，减少罐体布置，结构简单紧凑，储能密度高。

附图说明

图1为本发明基于二氧化碳工质的热泵储电系统示意图。

图2为基于二氧化碳工质的热泵储电系统的充放电温熵图(环境温度高于临界点)。图中：实线—充电过程；虚线—放电过程。

图3为基于二氧化碳工质的热泵储电系统的充放电温熵图(环境温度低于临界点)。图中：实线—充电过程；虚线—放电过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于二氧化碳工质的热泵储电系统，主要包括高温储热模块、热泵循环模块和热机循环模块；

所述高温储热模块主要由高温储热—冷罐1、高温储热—热罐2、高温换热器Ⅰ3、高温换热器Ⅱ14、阀门Ⅰ151和阀门Ⅱ152构成。所述高温储热—冷罐1出口通过阀门Ⅰ151与高温换热器Ⅰ3的冷侧入口相连，高温换热器Ⅰ3的冷侧出口与高温储热—热罐2入口相连，高温储热—热罐2出口通过阀门Ⅱ152与高温换热器Ⅱ14的热侧入口相连，高温换热器Ⅱ14的热侧出口与高温储热—冷罐1入口相连；

所述热泵循环模块主要由高温换热器Ⅰ3、压缩机Ⅰ4、回热器Ⅰ5、透平Ⅰ6和低温换热器Ⅰ7构成。高温换热器Ⅰ3的热侧入口与压缩机Ⅰ4出口相连，高温换热器Ⅰ3的热侧出口与回热器Ⅰ5热侧入口相连，回热器Ⅰ5热侧出口与透平Ⅰ6入口相连，透平Ⅰ6出口与低温换热器Ⅰ7冷侧入口相连，低温换热器Ⅰ7冷侧出口与回热器Ⅰ5的冷侧入口相连，回热器Ⅰ5冷侧出口与压缩机Ⅰ4入口相连；

所述热机循环模块主要由高温换热器Ⅱ14、透平Ⅱ13、高温回热器Ⅱ12、再压缩机Ⅱ11、低温回热器Ⅱ10、主压缩机Ⅱ9和低温换热器Ⅱ8构成。高温换热器Ⅱ14冷侧出口与透平Ⅱ13入口相连，透平Ⅱ13出口与高温回热器Ⅱ12热侧入口相连，高温回热器Ⅱ12热侧出口与低温回热器Ⅱ10热侧入口相连，低温回热器Ⅱ10热侧出口分别与低温换热器Ⅱ8热侧入口和再压缩机Ⅱ11入口相连，低温换热器Ⅱ8热侧出口与主压缩机Ⅱ9入口相连，主压缩机Ⅱ9出口与低温回热器Ⅱ10冷侧入口相连，低温回热器Ⅱ10冷侧出口、再压缩机Ⅱ11出口与高温回热器Ⅱ12冷侧入口相连，高温回热器Ⅱ12冷侧出口与高温换热器Ⅱ14冷侧入口相连。

热泵循环模块和热机循环模块的冷端均为环境；即低温换热器Ⅰ7的热侧进出口与环境相连，低温换热器Ⅱ8的冷侧进出口与环境相连，不储冷或低温储热，减少罐体布置，结构简单紧凑，储能密度高。

优选地，高温储热—冷罐1和高温储热—热罐2采用的储热介质为熔融盐，由于熔融盐的工作温度区间高，可以提高循环参数，进而提高往返效率。优选地，热泵循环采用简单回热循环，热机循环采用再压缩循环，工质均为二氧化碳，热泵二氧化碳简单回热循环可以提取环境中可用热量，热机二氧化碳再压缩循环可以提高发电效率。具体运行方法为：

充电过程，打开阀门Ⅰ151，关闭阀门Ⅱ152，运行热泵循环，关闭热机循环。使用电网多余电力驱动压缩机Ⅰ4，将回热器Ⅰ5冷侧出口的二氧化碳工质压缩至高温高压状态，高温高压的二氧化碳在高温换热器Ⅰ3中将热量传递至熔融盐，吸热后的熔融盐存储至高温储热—热罐2；在高温换热器Ⅰ3放热后的二氧化碳工质继续在回热器Ⅰ5放热，然后进入透平Ⅰ6膨胀；透平Ⅰ6出口的低温低压工质先在低温换热器Ⅰ7中吸收来自环境的热量，然后进入回热器Ⅰ5被加热，完成循环。故充电过程是将多余电力通过热泵循环转换为高品位热能储存至高温储热—热罐2。

优选地，当环境温度高于二氧化碳临界温度(31.3℃)时，热泵循环按超临界模式运行，透平Ⅰ6出口温度为临界温度，压缩机Ⅰ4入口压力为7.5-8.5MPa，出口压力为25-30MPa，此时整个热泵循环在二氧化碳临界点以上运行，如附图2所示，该参数设置可以在吸收环境热量的前提下，避免回热器发生相变换热。优选地，当环境温度低于二氧化碳临界温度(31.3℃)时，热泵循环按跨临界模式运行，透平Ⅰ6进口温度为环境温度，压缩机Ⅰ4入口压力为7.5-8.5MPa，出口压力为25-30Mpa，此时热泵循环冷端发生跨临界变化，如附图3所示，使低温换热器进口温度低于环境温度，进而可以吸收环境热量。放电过程，关闭阀门Ⅰ151，打开阀门Ⅱ152，关闭热泵循环，运行热机循环。从高温换热器Ⅱ14出来的高温高压的二氧化碳工质进入透平Ⅱ13做功，然后依次进入高温回热器Ⅱ12和低温回热器Ⅱ10放热，低温回热器Ⅱ10热侧出口工质分为两股：一股直接进入再压缩机Ⅱ11压缩；另一股经过低温换热器Ⅱ8放热后，进入主压缩机Ⅱ9压缩，主压缩机Ⅱ9出口工质进入低温回热器Ⅱ10冷侧吸热后，两股工质汇合，然后一同进入高温回热器Ⅱ12和高温换热器Ⅱ14吸热，完成循环。故放电过程是根据电网需求将存储的高品位热能转换为电力。

优选地，热机循环按超临界模式运行，主压缩机Ⅱ9入口压力为7.5-8.5MPa，出口压力为25-30MPa，维持主压缩机进口工质压力在临界点以上，保持整个循环在超临界状态。优选地，热机循环按超临界模式运行，主压缩机Ⅱ9入口温度为32-40℃，维持主压缩机进口工质温度在临界点附近，减小压缩机耗功。