一种基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统

技术领域

本发明涉及能量储存技术领域,具体涉及一种基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统。

背景技术

随着储能产业的快速发展，储能技术成为研究热点，新技术层出不穷，但受经济性以及技术成熟度的限制，大部分难以实现大规模应用。目前最主要的储能技术仍然是抽水蓄能，容量占比高达98％。虽然近年来电池储能以及压缩空气储能发展迅速，成本快速降低，十兆瓦至百兆瓦级的项目不断落地，但仍然存在很多局限性。

锂电池储能依托于电动汽车动力电池产业的快速发展，在产能过剩的推动下，成本得以大幅降低，但由于寿命相对短，再考虑退役电池处理成本，全寿期综合成本仍然较高。最关键的，安全性不足始终是最大的制约因素，无论是制造过程还是实际运行中，都容易发生失火事故。

压缩空气储能具有众多技术路线，目前主流的有先进绝热式和深冷液化式两种。先进绝热式用储热代替了传统压缩空气储能的补燃过程，不消耗燃料，效率和经济性得到提升，但储气通常需要大型地下洞穴，受地理环境限制。若采用高压气瓶储气，成本太高，且储能密度低，应用受限。深冷液化式压缩空气储能，是将压缩后的空气进行液化再储存，解决了地理受限或者高压气瓶成本高的问题，但由于系统复杂，技术难度大，综合成本仍然较高，制约了该技术的发展。

抽水蓄能具有成本低，效率高，响应快等众多优势，是非常优秀的储能技术，但也存在一些问题。一方面是受地理条件限制，尤其在风电、光伏集中的地区，往往水资源或者地形受限，没有适宜的厂址。另一方面，从全国范围来看，优良的厂址逐渐开发完毕，后续项目的建设成本将不断提高，同时考虑到拆迁、移民以及环保成本的不断上升，抽水蓄能的成本由早期1000-2000元/kW，逐渐增长至3000-4000元/kW，2018年的新开工项目，投资成本已高达6000-7000元/kW，预计未来还会继续上升。

尽管现有技术存在各种缺陷，但电力系统对于储能的需求十分迫切，较多项目采用安全风险较高的锂电储能。如何开发出新的高效、安全的储能技术成为行业内亟需解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统，包括：水蓄热装置(1)、水泵(3)、高温热泵蒸发器(4)、节流装置(5)、压缩机(8)、高温热泵冷凝器(9)、储热工质泵(17)、高温罐(18)以及低温罐(19)，其中：

所述水蓄热装置(1)、所述水泵(3)以及所述高温热泵蒸发器(4)的供热侧依次经管道串接构成第一回路；

所述高温热泵蒸发器(4)的取热侧、所述压缩机(8)、所述高温热泵冷凝器(9)的供热侧以及所述节流装置(5)依次经管道串接构成第二回路；

所述高温罐(18)、所述高温热泵冷凝器(9)的取热侧、所述储热工质泵(17)、所述低温罐(19)依次经管道连通。

进一步地，所述基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统还包括工质泵(10)、透平(11)、有机朗肯循环冷凝器(14)、换热器(15)以及有机朗肯循环蒸发器(16)，其中：

所述水蓄热装置(1)、所述水泵(3)以及所述有机朗肯循环冷凝器(14)的取热侧依次经管道串接构成第三回路；

所述有机朗肯循环冷凝器(14)的供热侧、所述工质泵(10)、所述换热器(15)的取热侧、所述有机朗肯循环蒸发器(16)的取热侧、所述透平(11)以及所述换热器(15)的供热侧依次经管道串接构成第四回路；

所述高温罐(18)、所述储热工质泵(17)、所述有机朗肯循环蒸发器(16)的供热侧、所述低温罐(19)依次经管道连通。

进一步地，所述基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统还包括太阳能集热器阵列(2)，所述水蓄热装置(1)、所述高温热泵蒸发器(4)的供热侧、所述水泵(3)以及所述太阳能集热器阵列(2)依次经管道串接构成第五回路。

进一步地，所述水蓄热装置(1)、所述水泵(3)、所述有机朗肯循环冷凝器(14)的取热侧以及所述太阳能集热器阵列(2)依次经管道串接构成第六回路。

进一步地，所述水蓄热装置(1)、所述水泵(3)以及所述太阳能集热器阵列(2)依次经管道串接构成第七回路。

进一步地，所述基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统还包括驱动所述压缩机(8)运行的电动机(6)，所述电动机(6)与外部电源电连接。

进一步地，所述基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统还包括发电机(12)，所述透平(11)驱动所述发电机(12)运行发电，所述发电机(12)与用电端电连接。

进一步地，所述高温热泵蒸发器(4)以及所述第四回路中的工质为正戊烷R601、异戊烷R601a、R245ca、R245fa、正丁烷、R236ea、R236fa、异丁烷以及氨中的一种。

进一步地，所述高温罐(18)以及低温罐(19)中的工质为相变材料、导热油、熔盐中的一种。

进一步地，各所述管道中均设置有阀门。

本发明上述技术方案的有益效果如下：

根据本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统，通过利用水蓄热装置储存热能，再将该部分热能以及外部过剩的电能共同提供给逆向有机朗肯循环工作过程，从而将过剩的电能高效地存储到高温罐中，同时储能过程利用到了太阳能等可再生能源，做到了清洁储能；此外，储能系统还具备多种工况，既可实现储能，也可实现发电，适应于各种负荷条件，应用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统的系统组成示意图；

图2为本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统处于第一种工况下的示意图；

图3为本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统处于第二种工况下的示意图；

图4为本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统处于第三种工况下的示意图；

图5为本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统处于第四种工况下的示意图；

图6为本发明实施例的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统处于第五种工况下的示意图。

附图标记：

水蓄热装置1、太阳能集热器阵列2、水泵3、高温热泵蒸发器4、节流装置5、电动机6、外部电源7、压缩机8、高温热泵冷凝器9、工质泵10、透平11、发电机12、用电端13、有机朗肯循环冷凝器14、回热器15、有机朗肯循环蒸发器16、储热工质泵17、高温罐18、低温罐19、阀门V。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本实施例中的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统包括水蓄热装置1、水泵3、高温热泵蒸发器4、节流装置5、压缩机8、高温热泵冷凝器9、储热工质泵17、高温罐18以及低温罐19。

其中，水蓄热装置1、水泵3以及高温热泵蒸发器4的供热侧依次经管道串接构成第一回路；高温热泵蒸发器4的取热侧、压缩机8、高温热泵冷凝器9的供热侧以及节流装置5依次经管道串接构成第二回路；高温罐18、高温热泵冷凝器9的取热侧、储热工质泵17、低温罐19依次经管道连通。

在第一回路中，水蓄热装置1上层的高温水在水泵3的带动下流入高温热泵蒸发器4的供热侧，并在高温热泵蒸发器4中与其取热侧的低温低压的工质进行热交换，取热侧的工质从低温低压的液体状态吸收热量沸腾并转变为高温低压的气体，而高温水则释放出其中的大部分热量后变成低温水，沿管道重新回到水蓄热装置1中。

由于水在4摄氏度以上时其密度随着温度的升高而减小，因此上层水的密度要小于下层水的密度，在密度差的作用下，水蓄热装置1中的水将产生热分层，高温水和低温水的交界处成为斜温层，且由于水的导热系数较低，水池中无明显热对流，因此斜温层可以将水蓄热装置1中的高温水和低温水分开，起到绝热作用，这样在水蓄热装置1中即可同时存在高温水和低温水，即高温水位于水蓄热装置1的上层，而低温水位于水蓄热装置1的下层。

在第二回路中，流入高温热泵蒸发器4的取热侧的工质吸收了高温水传递来的热量变成高温低压的气体后，流入压缩机8中进行压缩，工质从高温低压状态的气体压缩为高温高压状态的气体，高温高压状态的气体进入到高温热泵冷凝器9的供热侧，并在高温热泵冷凝器9中与其取热侧的储热工质进行热交换，高温高压状态的气体在释放出其中的大部分热量后冷却为高温低压液体或者高温低压液体与高温低压气体的混合物，然后进入节流装置5中，节流装置5包括但不限于节流阀、膨胀阀、毛细管等节流设备，其主要起节流作用，将高温低压的液体工质或者高温低压的液体与气体混合物工质降压，使得工质在低压(低温)下重新变为低温低压液体状态，节流装置5是维持高温热泵冷凝器9中工质为高压、而高温热泵蒸发器4中工质为低压的重要部件。变回初始状态的低温低压液体状态的工质再次进入到高温热泵蒸发器4中进行下一次循环。

而低温罐19中的储热工质在储热工质泵17的作用下不断流出，进入到高温热泵冷凝器9的取热侧获取热量、使得自身温度升高，然后流向高温罐18并存储在其中，从而实现能量的存储。

在本实施例中，压缩机8由电动机6连接驱动，电动机6的工作电源由外部电源7接入提供，外部电源7可以是风电、光伏电等一次侧的可再生能源，以消纳其电能，也可以是二次侧的电网，以对过剩电能进行存储，达到削峰填谷的目的。

如图1所示，进一步地，本实施例中的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统还包括太阳能集热器阵列2，水蓄热装置1、高温热泵蒸发器4的供热侧、水泵3以及太阳能集热器阵列2依次经管道串接构成第五回路。

在第五回路中，水蓄热装置1上层的高温水在水泵3的作用下，进入到太阳能集热器阵列2中，高温水在吸收了太阳能热量后，温度提高，再流入高温热泵蒸发器4的供热侧与其取热侧的低温低压工质进行热交换。通过将水蓄热装置1中的高温水经太阳能补热，可以提高储能系统的储存功率，还可以节约水蓄热装置1上层高温水的使用量。

如图1所示，进一步地，本实施例中的基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统还包括工质泵10、透平11、有机朗肯循环冷凝器14、换热器15以及有机朗肯循环蒸发器16。

其中，水蓄热装置1、水泵3以及有机朗肯循环冷凝器14的取热侧依次经管道串接构成第三回路；有机朗肯循环冷凝器14的供热侧、工质泵10、换热器15的取热侧、有机朗肯循环蒸发器16的取热侧、透平11以及换热器15的供热侧依次经管道串接构成第四回路；高温罐18、储热工质泵17、有机朗肯循环蒸发器16的供热侧、低温罐19依次经管道连通。

在储热工质泵17的作用下，高温罐18中高温的储能工质流出，进入到有机朗肯循环蒸发器16的供热侧，对有机朗肯循环蒸发器16的取热侧的低温工质进行加热，在失去其中大部分热量后沿管道回到低温罐19中。

在第四回路中，有机朗肯循环蒸发器16的取热侧的低温工质获取高温的储能工质传递来的热量后受热沸腾，继续吸热直至达到饱和状态或者过热状态，继而体积膨胀，流入透平11中，透平11将工质中的热能转化为机械能，而透平11上机械连接有发电机12，从而透平11对发电机12做功，发电机12将机械能转化为电能，并输送给用电端13供给用户使用，工质从透平11流出来后仍具有较高的热量，当工质进入到换热器15的供热侧后，经热传递将部分热量传递给换热器15的取热侧，然后继续流入到有机朗肯循环冷凝器14的供热侧，再次将多余的热量传递给有机朗肯循环冷凝器14的取热侧，此时工质放热变为液态，液态工质进入工质泵10内经加压后进入换热器15的取热侧，经热传递实现初步加热后再次流入有机朗肯循环蒸发器16的取热侧，进行下一次循环。

在第三回路中，水蓄热装置1下层的低温水在水泵3的作用下流入有机朗肯循环冷凝器14的取热侧，将有机朗肯循环冷凝器14的供热侧提供的热量取走，变为高温水，然后高温水沿管道返回至水蓄热装置1的上层，由于进入到水蓄热装置1上层的高温水的密度要低于水蓄热装置1下层的低温水，因此在密度差的作用下，高温状态的水将保存在水蓄热装置1的上层。

根据本实施例的储能系统，可方便、高效地将多余的能量存储在高温罐18中，同时，也可将高温罐18中储存的热量方便高效地通过有机朗肯循环进行发电以供用户使用，同时发电后工质剩余的热量也将通过水蓄热装置1存储起来，做到高效利用。

如图3所示，进一步地，水蓄热装置1、水泵3、有机朗肯循环冷凝器14的取热侧以及太阳能集热器阵列2依次经管道串接构成第六回路。

在第六回路中，水蓄热装置1下层的低温水在水泵3的作用下流入有机朗肯循环冷凝器14的取热侧，将有机朗肯循环冷凝器14的供热侧提供的热量取走，变为高温水，然后高温水进入到太阳能集热器阵列2中，吸收太阳能的热量继续升温，实现二次加热，最后再沿管道返回至水蓄热装置1的上层，由于进入到水蓄热装置1上层的高温水的密度要低于水蓄热装置1下层的低温水，因此在密度差的作用下，高温状态的水将保存在水蓄热装置1的上层。太阳能集热器阵列2的加入可以保证水蓄热装置1上层的水温始终处于较高的温度，从而保证储能系统整体的热效率。

如图3所示，进一步地，水蓄热装置1、水泵3以及太阳能集热器阵列2依次经管道串接构成第七回路。

在第七回路中，水蓄热装置1下层的低温水在水泵3的作用下流入到太阳能集热器阵列2中，吸收太阳能的热量得到加热，然后沿管道返回至水蓄热装置1的上层，由于进入到水蓄热装置1上层的高温水的密度要低于水蓄热装置1下层的低温水，因此在密度差的作用下，高温状态的水将保存在水蓄热装置1的上层。水蓄热装置1上层的高温水可以作为高温热泵蒸发器4的热源，而水蓄热装置1下层的低温水可以作为有机朗肯循环冷凝器14的冷源。本实施例采用的水蓄热技术具有成本低、效率高、响应快等众多优点。

本实施例中的高温热泵蒸发器4以及第四回路中的工质可以是正戊烷R601、异戊烷R601a、R245ca等高温有机工质，或具有相似物理化学性质的高温有机工质，也可以是R245fa、正丁烷、R236ea、R236fa、异丁烷等中温有机工质，或具有相似物理化学性质的中温有机工质，还可以是氨等在相似温区的无机工质。具体来说，本实施例中的高温热泵蒸发器4以及第四回路中的工质可以选用正戊烷R601、异戊烷R601a、R245ca、R245fa、正丁烷、R236ea、R236fa、异丁烷以及氨中的一种，也可以选取处于相近温区且可混合的两种或多种工质。

进一步地，本实施例中的高温罐18以及低温罐19中的工质为相变材料、导热油、熔盐中的一种，上述工质具有储能密度大、储能效率高的优点。

进一步地，本实施例中的各管道中均设置有阀门V，以方便地通过控制不同阀门V的开启与关闭，使不同的管道和设备构成不同的回路，从而使储能系统在不同的工况之间快速切换，达到智能、灵活、高效、环保的效果。

本实施例进一步将基于高低温储热和逆向有机朗肯循环储电的储能系统的运行工况划分为以下五种。

第一种工况：

如图2所示，第一种工况即起始工况，利用太阳能集热器阵列2为水蓄热装置1蓄热。在该工况下，水蓄热装置1中初始水温为常温20℃左右，在储能过程中，太阳能集热器阵列2吸收太阳热量，水储热装置1中下层的常温水在水泵3的作用下，被太阳能集热器阵列2加热至高温区(70-95℃)，温度升高后返回至水储热装置1上层，由于上层水温度较高，下层水温度较低，在密度差的作用下，水蓄热装置1中的水将产生热分层，水蓄热装置1中可以同时存在高温水和低温水。在整个储能系统建成或停机一段时间后，储能系统需要先运行该工况，利用水蓄热装置1进行初始蓄热。

第二种工况：

如图3所示，第二种工况即储电工况，将水蓄热装置1中的热能及外部的电能通过逆向有机朗肯循环储存到高温罐18中。在该工况下，水蓄热装置1上层的高温水在水泵3的作用下，通过高温热泵蒸发器4与其中的低温低压工质进行热交换，工质从低温低压的液体状态吸收热量沸腾并转变为高温低压的气体。此时外部电源7接入，接通后带动电动机6从而带动压缩机8，将高温热泵中的高温低压状态的气态工质进行压缩，压缩后，工质变为高温高压的气体状态，然后进入高温热泵冷凝器9，高温高压的气态工质释放热量，将热量传递给储热工质，储热工质在储热工质泵17的作用下从低温罐19流出，经过高温热泵冷凝器9后温度升高，然后流向高温罐18，完成电能向热能的转换，并实现存储。

第三种工况：

如图4所示，第三种工况即具有太阳能补热的储电工况，将水蓄热装置1中的热能以及外部的电能通过逆向有机朗肯循环储存到高温罐18中，此外，太阳能集热器阵列2还对水蓄热装置1中的水进行补热。该工况适用于太阳能条件较好的情况下，在该工况下，水蓄热装置1上层的水温处在高温区(70-95℃)，由于在不断地散热，其温度会随着时间下降，下部温区仍保持在低温区(10℃-40℃)，此时水蓄热装置1上层的高温水在水泵3的作用下，进入太阳能集热器阵列2，吸收太阳能热量后，温度升高，再进入高温热泵蒸发器4与其中的低温低压工质进行热交换，后续工作过程同上述第二工况。通过利用太阳能集热器阵列2将水蓄热装置1进行补热，作为储电过程中高温热泵蒸发器4的热源，这样可以增加储存的电能功率，还可以节约水蓄热装置1上层水的使用量。

第四种工况：

如图5所示，第四种工况即具有太阳能补热的放电工况，将高温罐18中存储的热能通过有机朗肯循环发电供用户使用。该工况适用于太阳能条件较好的情况下，在该工况下，高温罐18中的高温工质在储热工质泵17的作用下流入到有机朗肯循环蒸发器16中，并加热其中的低温低压工质，然后回到低温罐19。低温低压工质在受热沸腾后继续吸热直至达到饱和状态或者过热状态，体积膨胀，推动透平11对发电机12做功，发电机12将机械能转化为电能实现发电，将电能供给电用户使用，而水蓄热装置1下层的低温水在水泵3的作用下在有机朗肯循环冷凝器14中与气态工质换热升温至高温区，然后进入太阳能集热器阵列2中吸收太阳能的热量，继续升温，然后返回至水蓄热装置1上层，从而将发电后剩余的热量存储起来，太阳能集热器阵列2的加入可以保证水蓄热装置1上层的水温，保证储能系统整体的热效率。

第五种工况：

如图6所示，第五种工况即没有太阳能补热的放电工况，将将高温罐18中存储的热能通过有机朗肯循环发电供用户使用。该工况适用于太阳能条件不好的情况下。在该工况下，高温罐18中的高温工质在储热工质泵17的作用下流入到有机朗肯循环蒸发器16中，并加热其中的低温低压工质，然后回到低温罐19。低温低压工质在受热沸腾后继续吸热直至达到饱和状态或者过热状态，体积膨胀，推动透平11对发电机12做功，发电机12将机械能转化为电能实现发电，将电能供给电用户使用，而水蓄热装置1下层的低温水在水泵3的作用下在有机朗肯循环冷凝器14中与气态工质换热升温至高温区，然后返回至水蓄热装置1上层，从而将发电后剩余的热量存储起来。

如前所述，上述五种工况可通过控制不同阀门V的开启与关闭，使不同的管道和设备构成不同的回路，从而使储能系统在上述五种工况之间快速切换。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。