一种海水源二氧化碳热泵储能系统及运行方法

技术领域

本发明属于能量储存技术领域，具体涉及一种海水源二氧化碳热泵储能系统及运行方法。

背景技术

近年来，海上光伏、风电、潮流能、波浪能、温差能等海洋可再生能源发电技术得到快速发展，然而，可再生能源具有随机性和波动性，其直接利用或与电网结合都对能源系统的安全性和稳定性带来了极大挑战。储能技术被认为是解决这些问题的有效方案。储能系统可以将不稳定的可再生能源电能转化为其他形式的能量如热能、机械能，然后在电网需要时输出稳定可控的电能。

热泵储能是一种新型的大规模储能技术，不同于压缩空气储能和抽水蓄能，热泵储能技术没有地理限制，运行过程中不需要化石燃料，不会产生碳排放。此外，该技术还具有效率高，寿命长，结构紧凑的特点。二氧化碳具有换热效率高，低表面张力(这将减少机械中的空化效应，使压缩和膨胀更接近饱和曲线)和易于实现超临界(7.38MPa，31℃)的特点，因此经常被使用到热泵储能技术中作为循环工质。

然而，目前还没有一种应用于大规模海洋可再生能源发电调配的热泵储能系统。

发明内容

针对于海洋大规模高效高能密热机械储能系统的需求，本发明提供了一种海水源二氧化碳热泵储能系统及运行方法，在系统充电和放电过程中，利用不同温度的天然海水为作为系统蒸发和冷凝的热源和热沉。热泵循环和热机循环均采用跨临界二氧化碳循环，且采用两次回热和两次储热来优化系统的热传递效率。本发明提供的储能系统具有效率高、结构紧凑、投资成本低、无特殊设计部件等优点，特别适合于海洋可再生能源发电的大规模调节。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种海水源二氧化碳热泵储能系统，包括：热泵循环模块、热机循环模块、高温储热模块、低温储热模块和海水循环模块；

本发明的进一步改进在于，所述热泵循环模块包括：蒸发器、低温回热器Ⅰ、高温回热器Ⅰ、压缩机、高温换热器Ⅰ、低温换热器Ⅰ和膨胀机Ⅰ；所述蒸发器冷侧通道入口与膨胀机Ⅰ出口相连接，出口依次经过所述低温回热器Ⅰ冷侧通道、所述高温回热器Ⅰ冷侧通道连接至所述压缩机入口，所述压缩出口依次经过所述高温换热器Ⅰ热侧通道、高温回热器Ⅰ热侧通道、低温回热器Ⅰ热侧通道连接至膨胀机Ⅰ入口；

所述热机循环模块包括：冷凝器、加压泵、低温回热器Ⅱ、低温换热器Ⅱ、高温回热器Ⅱ、高温换热器Ⅱ、膨胀机Ⅱ；所述冷凝器热侧通道入口依次经过低温回热器Ⅱ热侧通道、高温回热器Ⅱ热侧通道连接至膨胀机Ⅱ出口，出口与加压泵入口相连接，所述加压泵出口依次经过低温回热器Ⅱ冷侧通道、高温回热器Ⅱ冷侧通道、高温换热器Ⅱ冷侧通道连接至膨胀机Ⅱ入口；

所述高温储热模块包括：冷罐Ⅱ、热罐Ⅱ；所述冷罐Ⅱ出口经过所述高温换热器Ⅰ冷侧通道连接至热罐Ⅱ入口，所述冷罐Ⅱ出口设有循环泵Ⅲ，所述热罐Ⅱ出口经过所述高温换热器Ⅱ热侧通道连接至冷罐Ⅱ入口，所述热罐Ⅱ出口设有循环泵Ⅳ；

所述低温储热模块包括：冷罐Ⅰ、热罐Ⅰ；所述冷罐Ⅰ出口经过所述低温换热器Ⅰ冷侧通道连接至热罐Ⅰ入口，所述冷罐Ⅰ出口设有循环泵Ⅰ，所述热罐Ⅰ出口经过所述低温换热器Ⅱ热侧通道连接至冷罐Ⅰ入口，所述热罐Ⅰ出口设有循环泵Ⅱ；

所述海水循环模块包括：海水泵Ⅰ、海水泵Ⅱ；所述海水泵Ⅰ入口连接上层海水，出口经过蒸发器热侧通道连接至表层海水，所述海水泵Ⅱ入口连接深层海水，出口经过冷凝器冷侧通道连接至表层海水。

本发明的进一步改进在于，为了提高储能系统的循环效率，海水泵Ⅰ入口处的海水深度应该等于或小于海水泵Ⅱ入口的海水深度。

本发明的进一步改进在于，低温储热模块的储热介质为常压水，高温储热模块的储热介质为高压水或导热油，优先采用高压水。

另外，本发明的一种海水源二氧化碳热泵储能系统的运行方法，包括以下步骤：

充电过程：热泵循环运行，热机循环停机；蒸发器出口的低温低压二氧化碳气体依次在低温回热器Ⅰ和高温回热器Ⅱ中吸收热量，然后被压缩机压缩至超临界状态，随后在高温换热器Ⅰ中将热量传递至高压冷却水，吸热后的高压冷却水储存至热罐Ⅱ中，在高温换热器Ⅰ放热后的二氧化碳工质继续在高温回热器Ⅰ中放热，然后进入低温换热器Ⅰ中将热量储存至常压冷却水中，在低温换热器Ⅰ中放热的二氧化碳继续在低温回热器Ⅰ中放热，然后进入膨胀机Ⅰ中膨胀液化，膨胀后的二氧化碳进入蒸发器中吸收上层温海水的热量完成蒸发过程，吸热后的常压冷却水储存至热罐Ⅰ中，故充电过程是将电能通过热泵循环转化为热能储存至热罐Ⅰ和热罐Ⅱ中；

放电过程：热机循环运行，热泵循环停机；从冷凝器出来的液态二氧化碳进入加压泵中升压，随后进入低温回热器Ⅱ中吸收热量，然后进入低温换热器Ⅱ吸收来自常压储热水的热量，放热后的常压储热水储存在冷罐Ⅰ中，在低温换热器Ⅱ中吸热后的二氧化碳进入高温回热器Ⅱ中继续吸收热量，随后进入高温换热器Ⅱ吸收高压储热水的热量，放热后的高压储热水储存至冷罐Ⅱ中，在高温换热器Ⅱ中吸热后的二氧化碳进入膨胀机Ⅱ中膨胀做功，然后依次进入高温回热器Ⅱ、低温回热器Ⅱ中放热，最后在冷凝器中被来自深层的冷海水冷凝，故放电过程是根据电网需求将储存的热能转换为电能。

本发明的有益效果为：

1.本发明的热泵储能系统基于二氧化碳跨临界循环，功率密度高、效率高、部件结构紧凑，而且由海水为冷凝过程提供冷量，不需要额外的蓄冷储存，系统能量密度大幅度提升，整个储能系统易于实现模块化设计，特别适合安装在海洋平台上；

2.在热泵和热机循环中，采用两次回热和低温蓄热的方案，可以有效解决二氧化碳跨临界换热时的拟临界点的传热恶化问题，相对于现有的跨临界二氧化碳热泵储能，本发明的储能系统效率绝对值可提高5-10个百分点；

3.本发明所提出的储能系统为热-机械储能技术，是一种清洁环保无污染的储能技术，特别能够满足海洋可再生能源对于绿色储能的技术要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本发明的一种海水源二氧化碳热泵储能系统示意图

附图标记说明：

1、蒸发器；2、低温回热器Ⅰ；3、高温回热器Ⅰ；4、压缩机；5、高温换热器Ⅰ；6、低温换热器Ⅰ；7、膨胀机Ⅰ；8、冷凝器；9、加压泵；10、低温回热器Ⅱ；11、低温换热器Ⅱ；12、高温回热器Ⅱ；13、高温换热器Ⅱ；14、膨胀机Ⅱ；15、冷罐Ⅰ；16、循环泵Ⅰ；17、热罐Ⅰ；18、循环泵Ⅱ；19、冷罐Ⅱ；20、循环泵Ⅲ；21、热罐Ⅱ；22、循环泵Ⅳ；23、海水泵Ⅰ；24、海水泵Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中使用的技术术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。说明书以及权利要求书中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的部件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的部件或者物件及其等同部件，并不排除其他部件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种海水源二氧化碳热泵储能系统，包括：热泵循环模块、热机循环模块、高温储热模块、低温储热模块和海水循环模块。

本发明实施例可选的，所述热泵循环模块包括：蒸发器1、低温回热器Ⅰ2、高温回热器Ⅰ3、压缩机4、高温换热器Ⅰ5、低温换热器Ⅰ6和膨胀机Ⅰ7；所述蒸发器1冷侧通道入口与膨胀机Ⅰ7出口相连接，出口依次经过所述低温回热器Ⅰ2冷侧通道、所述高温回热器Ⅰ3冷侧通道连接至所述压缩机4入口，所述压缩出口依次经过所述高温换热器Ⅰ5热侧通道、高温回热器Ⅰ3热侧通道、低温回热器Ⅰ2热侧通道连接至膨胀机Ⅰ7入口。

本发明实施例可选的，所述热机循环模块包括：冷凝器8、加压泵9、低温回热器Ⅱ10、低温换热器Ⅱ11、高温回热器Ⅱ12、高温换热器Ⅱ13、膨胀机Ⅱ14；所述冷凝器8热侧通道入口依次经过低温回热器Ⅱ10热侧通道、高温回热器Ⅱ12热侧通道连接至膨胀机Ⅱ14出口，出口与加压泵9入口相连接，所述加压泵9出口依次经过低温回热器Ⅱ10冷侧通道、高温回热器Ⅱ12冷侧通道、高温换热器Ⅱ13冷侧通道连接至膨胀机Ⅱ14入口。

本发明实施例可选的，所述高温储热模块包括：冷罐Ⅱ19、热罐Ⅱ21；所述冷罐Ⅱ19出口经过所述高温换热器Ⅰ5冷侧通道连接至热罐Ⅱ21入口，所述冷罐Ⅱ19出口设有循环泵Ⅲ20，所述热罐Ⅱ21出口经过所述高温换热器Ⅱ13热侧通道连接至冷罐Ⅱ19入口，所述热罐Ⅱ21出口设有循环泵Ⅳ22。

本发明实施例可选的，所述低温储热模块包括：冷罐Ⅰ15、热罐Ⅰ17；所述冷罐Ⅰ15出口经过所述低温换热器Ⅰ6冷侧通道连接至热罐Ⅰ17入口，所述冷罐Ⅰ15出口设有循环泵Ⅰ16，所述热罐Ⅰ17出口经过所述低温换热器Ⅱ11热侧通道连接至冷罐Ⅰ15入口，所述热罐Ⅰ17出口设有循环泵Ⅱ18。

本发明实施例可选的，所述海水循环模块包括：海水泵Ⅰ23、海水泵Ⅱ24；所述海水泵Ⅰ23入口连接上层海水，出口经过蒸发器1热侧通道连接至表层海水，所述海水泵Ⅱ24入口连接深层海水，出口经过冷凝器8冷侧通道连接至表层海水。

本发明实施例可选的，为了提高储能系统的循环效率，海水泵Ⅰ23入口处的海水深度应该等于或小于海水泵Ⅱ24入口的海水深度。

本发明实施例可选的，低温储热模块的储热介质为常压水，高温储热模块的储热介质为高压水或导热油，优先采用高压水，水具有较高的比热容，并且价格便宜，易获得。

本发明实施例可选的，压缩机4和膨胀机Ⅱ14均运行在跨临界操作范围。

经计算，在不同的海水深度组合中，本发明一种海水源二氧化碳热泵储能系统的循环效率可达到55％-68％。

本发明针对海洋大规模高效高能密热机械储能系统的需求，提供了一种海水源二氧化碳热泵储能系统，在系统充电和放电过程中，利用不同温度的天然海水为作为系统蒸发和冷凝的热源和热沉。本发明的热泵储能系统基于二氧化碳跨临界循环，功率密度高、效率高、部件结构紧凑，而且由海水为冷凝过程提供冷量，不需要额外的蓄冷储存，系统能量密度大幅度提升，整个储能系统易于实现模块化设计，特别适合安装在海洋平台上。在热泵和热机循环中，采用两次回热和低温蓄热的方案，可以有效解决二氧化碳跨临界换热时的拟临界点的传热恶化问题，相对于现有的跨临界二氧化碳热泵储能，本发明的储能系统效率绝对值可提高5-10个百分点。本发明所提出的储能系统为热-机械储能技术，是一种清洁环保无污染的储能技术，特别能够满足海洋可再生能源对于绿色储能的技术要求。

本发明提供了如上所述的一种海水源二氧化碳热泵储能系统的运行方法，包括以下步骤：

充电过程：热泵循环运行，热机循环停机；蒸发器1出口的低温低压二氧化碳气体依次在低温回热器Ⅰ2和高温回热器Ⅱ3中吸收热量，然后被压缩机4压缩至超临界状态，随后在高温换热器Ⅰ5中将热量传递至高压冷却水，吸热后的高压冷却水储存至热罐Ⅱ21中，在高温换热器Ⅰ5放热后的二氧化碳工质继续在高温回热器Ⅰ3中放热，然后进入低温换热器Ⅰ6中将热量储存至常压冷却水中，在低温换热器Ⅰ6中放热的二氧化碳继续在低温回热器Ⅰ2中放热，然后进入膨胀机Ⅰ7中膨胀液化，膨胀后的二氧化碳进入蒸发器1中吸收上层温海水的热量完成蒸发过程，吸热后的常压冷却水储存至热罐Ⅰ17中，故充电过程是将电能通过热泵循环转化为热能储存至热罐Ⅰ17和热罐Ⅱ21中；

放电过程：热机循环运行，热泵循环停机；从冷凝器8出来的液态二氧化碳进入加压泵9中升压，随后进入低温回热器Ⅱ10中吸收热量，然后进入低温换热器Ⅱ11吸收来自常压储热水的热量，放热后的常压储热水储存在冷罐Ⅰ15中，在低温换热器Ⅱ11中吸热后的二氧化碳进入高温回热器Ⅱ12中继续吸收热量，随后进入高温换热器Ⅱ13吸收高压储热水的热量，放热后的高压储热水储存至冷罐Ⅱ19中，在高温换热器Ⅱ13中吸热后的二氧化碳进入膨胀机Ⅱ14中膨胀做功，然后依次进入高温回热器Ⅱ12、低温回热器Ⅱ10中放热，最后在冷凝器8中被来自深层的冷海水冷凝，故放电过程是根据电网需求将储存的热能转换为电能。

所述一种海水源二氧化碳热泵储能系统的运行方法相对于现有技术所具有的优势同所述一种海水源二氧化碳热泵储能系统，在此不再赘述。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。