一种跨临界二氧化碳热泵熔盐储热发电系统

技术领域

本发明提供一种跨临界二氧化碳热泵熔盐储热发电系统，属于物理储能系统技术领域。

背景技术

双碳目标的大背景下，为了提高可再生能源占比，电力储能技术成为了当前热门话题。在现有电力储能技术中，抽水蓄能和压缩空气储能都对地理位置有着极高的要求，单靠抽水蓄能和压缩空气储能已无法满足高比例可再生能源对储能的需求，迫切需要发展新型电力储能技术。

热泵储电技术通过热泵循环将用电低谷期的电能转变为高温热能进行存储，在用电高峰期储存的高温热能释放驱动动力循环实现热功转换，从而产生电能。热泵储电由于采用热泵循环将电能转换为热能，消耗1kWh电可以产生1.5～2kWh的热能，克服了电直接加热储热效率低的缺陷，使得热泵储电的电-电转换效率达到60～80％，与抽水蓄能、压缩空气蓄能的效率相当，还具有初投资低的优势，因此热泵储电技术在近年来备受关注，成为储能技术研究的国际前沿热点。

热泵储电技术根据储/释能循环类型的不同，出现了基于布雷顿循环、卡诺循环和朗肯循环等多种热泵储电技术；根据循环工质类型的不同，出现了以氩气、二氧化碳、湿空气和氨等多种材料为工质的热泵储电技术；根据蓄热蓄冷类型的不同，出现了以固体填充床、双罐水、双罐熔盐等蓄热蓄冷的热泵储电技术，其中熔盐储热已在太阳能热发电中得到大容量的应用，具有技术成熟、可靠性高、储热成本低的优势。近年来，以跨临界二氧化碳为工质的热泵储电技术因其高热效率和高紧凑性等优势，逐渐成为国际研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种核心设备体积紧凑、循环效率更高、储能密度更大的跨临界二氧化碳热泵熔盐储热发电系统。具体技术方案如下：

一种跨临界二氧化碳热泵熔盐储热发电系统，是由热泵/动力循环子系统、高温熔盐双罐储热子系统和固体填充床储冷子系统组成；热泵/动力循环子系统采用跨临界二氧化碳正逆布雷顿循环，由压缩机(1)、膨胀机(2)、电动机(3-1)、发电机(3-2)构成，其中电动机(3-1)与压缩机(1)连接，电动机(3-1)、压缩机(1)与膨胀机(2)同轴连接，膨胀机(2)与发电机(3-2)连接；

高温熔盐双罐储热子系统，由高温熔盐罐(4H)、低温熔盐罐(4C)、热盐泵(5)、冷盐泵(6)和熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)构成，储热材料采用熔点小于150℃、分解温度大于650℃的混合熔盐；高温熔盐罐(4H)一个支路经由阀门与熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)对应熔盐管程一端口连接，高温熔盐罐(4H)另一支路经由热盐泵(5)、阀门与熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)对应熔盐管程一端口连接；低温熔盐罐(4C)一个支路经由阀门与熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)对应熔盐管程另一端口连接，低温熔盐罐(4C)另一支路经由冷盐泵(6)、阀门与熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)对应熔盐管程另一端口连接，最终高温熔盐罐(4H)中的熔盐与低温熔盐罐(4C)中的熔盐经由熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)流动从而在熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)中实现熔盐-二氧化碳的冷或热交换；

固体填充床储冷子系统，由固体填充床储冷换热装置(8)构成，采用固体氯化钠或岩石做为固体储冷介质，固体储冷介质中均匀布置阵列平行管束，管内走二氧化碳，实现储冷或释冷。

压缩机(1)二氧化碳出口经由熔盐-二氧化碳储热/释热换热器(7)对应的二氧化碳管程与膨胀机(2)二氧化碳进口连接，膨胀机(2)二氧化碳出口经由固体填充床储冷换热装置(8)中平行管束与压缩机(1)二氧化碳进口连接，最终组成二氧化碳循环回路；

该系统在储电时将谷电通过电动机/发电机驱动跨临界二氧化碳布雷顿热泵循环产生的高温热量和低温冷量分别储存在熔盐和固体储冷介质中。释能发电时，固体储冷介质释冷和高温熔盐释热驱动跨临界二氧化碳布雷顿动力循环产生电能。固体储冷介质释放冷量冷却二氧化碳使跨临界二氧化碳布雷顿动力循环的冷端温度降低，高温熔盐释放热量加热二氧化碳使跨临界二氧化碳布雷顿动力循环的热端温度更高，这样大幅提高了跨临界二氧化碳动力循环的热端和冷端温差，提供了动力发电的效率。

有益效果

本发明跨临界二氧化碳热泵熔盐储热发电系统循环工质采用跨临界二氧化碳，储热介质采用宽液体温域高储热密度熔盐复合储热材料，储冷介质采用固体氯化钠或岩石，具有效率高、储能密度高、储能周期长、部件尺寸小、成本低的优点，可用于可再生能源削峰填谷、电网调频调峰等。

附图说明

图1为本发明跨临界二氧化碳热泵熔盐储热发电系统的系统框图，其中1为压缩机，2为膨胀机，3-1为电动机，3-2为发电机，4H为高温熔盐罐，4C为低温熔盐罐，5为热盐泵，6为冷盐泵，7为熔盐-二氧化碳储热/释热换热器，8为固体填充床储冷换热装置。

具体实施方式

结合附图说明实例如下，但本发明彬彬限于以下实施例。

实施例1

结构见图1

储热储冷储电时，利用谷电通过压缩机1将亚临界二氧化碳压缩成高温超临界二氧化碳，进入熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7，此时低温熔盐罐4C经由冷盐泵6抽出的低温熔盐经熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7进入到在高温熔盐罐4H中，在熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7中低温熔盐被加热成为高温熔盐储存到高温熔盐罐4H中；然后熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7放热后的二氧化碳再进入膨胀机2膨胀做功抵消部分压缩功后降温变为低温亚临界二氧化碳，低温亚临界二氧化碳进入固体填充床储冷换热装置8将固体储冷介质冷却至低温进行储冷，放冷后的亚临界二氧化碳进入压缩机1进入下一个循环，如此反复循环，直至固体储热储冷阶段结束；

释热释冷发电时，首先亚临界二氧化碳进入固体填充床储冷换热装置8，固体储冷介质释冷冷却二氧化碳，使得亚临界二氧化碳变为低温亚临界二氧化碳，低温亚临界二氧化碳通过压缩机1压缩后变为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳进入熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7，此时高温熔盐罐4H经由热盐泵5抽出的高温熔盐经过熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7进行释热加热超临界二氧化碳，使得超临界二氧化碳成为高温超临界二氧化碳，高温超临界二氧化碳再进入膨胀机2做功发电，从熔盐-二氧化碳储热/释热换热器7出来的熔盐成为低温熔盐进入低温冷盐罐4C进行储存；从膨胀机2出来的亚临界二氧化碳再进入固体填充床储冷换热装置8中开始下一个循环，如此反复循环，直至释热释冷发电阶段结束。