一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统及运行方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统及运行方法，该系统由高温储热模块、热泵循环模块、热机循环模块和低温储热模块四部分组成。充电过程中，使用多余电力驱动热泵循环将低温储热的低品位热能“泵”至高品位，储存至高温储热罐中；放电过程中，采用热机循环将储存的高品位热能转换为电力，同时储存部分低品位热能。本发明专利技术采用储热材料作为电能和热能的转换媒介，安全可靠性高且不受地理条件限制，以储热技术为基础也非常有潜力实现大规模化。同时，本发明专利技术采用超临界二氧化碳为循环工质，利用其临界点物性变化的特性，可以提高系统功率密度和往返效率。以提高系统功率密度和往返效率。以提高系统功率密度和往返效率。

A heat pump power storage system based on reversible recompression Brayton cycle and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统及运行方法


[0001]本专利技术属于能量存储
，具体涉及一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统及运行方法。

技术介绍

[0002]近年来，可再生能源发电装机容量迅速增长，但风能、太阳能等具有强烈的间歇性和波动性，也一定程度上给电网带来较大的压力。储能技术在平抑电网波动、促进新能源消纳以及调节电网稳定性等方面发挥着重要作用，对构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系具有重要意义。
[0003]与此同时，燃煤发电将由主体能源向基础能源转变，为电网消纳新能源提供调峰服务。储能技术可以通过辅助火电机组的动态运行，尽可能地减小火电机组输出的波动范围，既可保障火电机组工作在接近经济运行状态下，又可保持负荷和发电之间实时平衡，呈现出优秀的一次调频能力。
[0004]所以，储能技术是构建新型电力系统的关键支撑，抽水蓄能和压缩空气储能是目前成熟商业化的大规模储能技术。但抽水蓄能需要找寻庞大的场地以修建水库，对地理条件有一定要求，因而建设成本高、时间长，且易对周遭环境造成破坏。传统压缩空气储能的储能密度低，依赖于天然岩石洞穴、废弃矿井等特殊地理条件，同时需要化学燃料补燃，不符合能源结构转型策略与趋势。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种基于超临界二氧化碳工质的热泵储电系统及运行方法，该储能系统没有地理条件限制，不会带来环境问题，同时还可以达到储存容量大、动力足、效率高和储能周期长等优点。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统，该系统包括高温储热模块、热泵循环模块、热机循环模块和低温储热模块；
[0008]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Ⅱ19以及阀门Ⅰ201和阀门Ⅱ202；所述高温储热—冷罐1出口通过阀门Ⅰ201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Ⅱ202与高温换热器Ⅱ19的热侧入口相连，高温换热器Ⅱ19的热侧出口与高温储热—冷罐1入口相连；
[0009]所述热泵循环模块包括高温换热器Ⅰ3、压缩机Ⅰ4、高温回热器Ⅰ5、再膨胀机Ⅰ6、低温回热器Ⅰ7、透平Ⅰ8和低温换热器Ⅰ9；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的热侧出口与高温回热器Ⅰ5热侧入口相连，高温回热器Ⅰ5热侧出口分别与再膨胀机Ⅰ6入口和低温回热器Ⅰ7热侧入口相连，低温回热器Ⅰ7热侧出口与透平Ⅰ8入口相连，透平Ⅰ8出口与低温换热器Ⅰ9冷侧入口相连，低温换热器Ⅰ9冷侧出口和再膨胀机Ⅰ6出口与低
温回热器Ⅰ7冷侧入口相连，低温回热器Ⅰ7冷侧出口与高温回热器Ⅰ5冷侧入口相连，高温回热器Ⅰ5冷侧出口与压缩机Ⅰ4入口相连；
[0010]所述热机循环模块包括高温换热器Ⅱ19、透平Ⅱ18、高温回热器Ⅱ17、再压缩机Ⅱ16、低温回热器Ⅱ15、主压缩机Ⅱ14、冷却器13和低温换热器Ⅱ12；所述高温换热器Ⅱ19冷侧出口与透平Ⅱ18入口相连，透平Ⅱ18出口与高温回热器Ⅱ17热侧入口相连，高温回热器Ⅱ17热侧出口与低温回热器Ⅱ15热侧入口相连，低温回热器Ⅱ15热侧出口分别与低温换热器Ⅱ12热侧入口和再压缩机Ⅱ16入口相连，低温换热器Ⅱ12热侧出口与冷却器13入口相连，冷却器13出口与主压缩机Ⅱ14入口相连，主压缩机Ⅱ14出口与低温回热器Ⅱ15冷侧入口相连，低温回热器Ⅱ15冷侧出口和再压缩机Ⅱ16出口与高温回热器Ⅱ17冷侧入口相连，高温回热器Ⅱ17冷侧出口与高温换热器Ⅱ19冷侧入口相连；
[0011]所述低温储热模块包括低温储热—热罐10、低温储热—冷罐11、低温换热器Ⅰ9、低温换热器Ⅱ12以及阀门Ⅲ203和阀门Ⅳ204；所述低温储热—热罐10出口通过阀门Ⅲ203与低温换热器Ⅰ9的热侧入口相连，低温换热器Ⅰ9的热侧出口与低温储热—冷罐11入口相连，低温储热—冷罐11出口通过阀门Ⅳ204与低温换热器Ⅱ12的冷侧入口相连，低温换热器Ⅱ12的冷侧出口与低温储热—热罐10入口相连。
[0012]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。
[0013]热泵循环和热机循环的工质为超临界二氧化碳。
[0014]低温储热—冷罐10和低温储热—热罐11采用的储热介质为加压水或热油。
[0015]所述的一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统的运行方法，充电过程；打开阀门Ⅰ201，关闭阀门Ⅱ202，打开阀门Ⅲ203，关闭阀门Ⅳ204，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，将高温回热器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进入高温回热器Ⅰ5放热，然后分为两股：一股进入再膨胀机Ⅰ6做功；另一股进入低温回热器Ⅰ7放热，然后再进入透平Ⅰ8膨胀，透平Ⅰ8出口工质进入低温换热器Ⅰ9吸收来自低温储热—热罐10中的热量，然后两股流体汇合，依次进入低温回热器Ⅰ7和高温回热器Ⅰ5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；
[0016]放电过程；关闭阀门Ⅰ201，打开阀门Ⅱ202，关闭阀门Ⅲ203，打开阀门Ⅳ204，关闭热泵循环，运行热机循环；从高温换热器Ⅱ19出来的高温高压的二氧化碳工质进入透平Ⅱ18做功，然后依次进入高温回热器Ⅱ17和低温回热器Ⅱ15放热，低温回热器Ⅱ15热侧出口工质分为两股：一股直接进入再压缩机Ⅱ16；另一股依次经过低温换热器Ⅱ12和冷却器13放热后，进入主压缩机Ⅱ14压缩，主压缩机Ⅱ14出口工质进入低温回热器Ⅱ15冷侧吸热后，两股工质汇合，然后一同进入高温回热器Ⅱ17和高温换热器Ⅱ19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。
[0017]充电过程中，压缩机Ⅰ4入口压力为7.5
‑
8.5MPa，出口压力为25
‑
30MPa。
[0018]充电过程中，低温换热器Ⅰ9热侧入口温度为60
‑
70℃。
[0019]放电过程中，主压缩机Ⅱ14入口压力为7.5
‑
8.5MPa，出口压力为25
‑
30MPa。
[0020]放电过程中，主压缩机Ⅱ14入口温度为32
‑
40℃。
[0021]和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：
[0022]1)本专利技术基于可逆再压缩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。
[0023]2)本专利技术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。
[0024]3)本专利技术可用来平抑电网波动、促进新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统，其特征在于，该系统包括高温储热模块、热泵循环模块、热机循环模块和低温储热模块；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Ⅰ(3)、高温换热器Ⅱ(19)以及阀门Ⅰ(201)和阀门Ⅱ(202)；所述高温储热—冷罐(1)出口通过阀门Ⅰ(201)与高温换热器Ⅰ(3)的冷侧入口相连，高温换热器Ⅰ(3)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Ⅱ(202)与高温换热器Ⅱ(19)的热侧入口相连，高温换热器Ⅱ(19)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Ⅰ(3)、压缩机Ⅰ(4)、高温回热器Ⅰ(5)、再膨胀机Ⅰ(6)、低温回热器Ⅰ(7)、透平Ⅰ(8)和低温换热器Ⅰ(9)；所述高温换热器Ⅰ(3)的热侧入口与压缩机Ⅰ(4)出口相连，高温换热器Ⅰ(3)的热侧出口与高温回热器Ⅰ(5)热侧入口相连，高温回热器Ⅰ(5)热侧出口分别与再膨胀机Ⅰ(6)入口和低温回热器Ⅰ(7)热侧入口相连，低温回热器Ⅰ(7)热侧出口与透平Ⅰ(8)入口相连，透平Ⅰ(8)出口与低温换热器Ⅰ(9)冷侧入口相连，低温换热器Ⅰ(9)冷侧出口和再膨胀机Ⅰ(6)出口与低温回热器Ⅰ(7)冷侧入口相连，低温回热器Ⅰ(7)冷侧出口与高温回热器Ⅰ(5)冷侧入口相连，高温回热器Ⅰ(5)冷侧出口与压缩机Ⅰ(4)入口相连；所述热机循环模块包括高温换热器Ⅱ(19)、透平Ⅱ(18)、高温回热器Ⅱ(17)、再压缩机Ⅱ(16)、低温回热器Ⅱ(15)、主压缩机Ⅱ(14)、冷却器(13)和低温换热器Ⅱ(12)；所述高温换热器Ⅱ(19)冷侧出口与透平Ⅱ(18)入口相连，透平Ⅱ(18)出口与高温回热器Ⅱ(17)热侧入口相连，高温回热器Ⅱ(17)热侧出口与低温回热器Ⅱ(15)热侧入口相连，低温回热器Ⅱ(15)热侧出口分别与低温换热器Ⅱ(12)热侧入口和再压缩机Ⅱ(16)入口相连，低温换热器Ⅱ(12)热侧出口与冷却器(13)入口相连，冷却器(13)出口与主压缩机Ⅱ(14)入口相连，主压缩机Ⅱ(14)出口与低温回热器Ⅱ(15)冷侧入口相连，低温回热器Ⅱ(15)冷侧出口和再压缩机Ⅱ(16)出口与高温回热器Ⅱ(17)冷侧入口相连，高温回热器Ⅱ(17)冷侧出口与高温换热器Ⅱ(19)冷侧入口相连；所述低温储热模块包括低温储热—热罐(10)、低温储热—冷罐(11)、低温换热器Ⅰ(9)、低温换热器Ⅱ(12)以及阀门Ⅲ(203)和阀门Ⅳ(204)；所述低温储热—热罐(10)出口通过阀门Ⅲ(203)与低温换热器Ⅰ(9)的热侧入口相连，低温换热器Ⅰ(9)的热侧出口与低温储热—冷罐(11)入口相连，低温储热—冷罐(11)出口通过阀门Ⅳ(204)与低温换热器Ⅱ(12)的冷侧入口相连，低温换热器Ⅱ(12)的冷侧出口与低温储热—热罐(10)入口相连。2.如权利要求1所述的一种基于可逆再压缩布雷顿循环的热泵储电系统，其特征还在于，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。3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙瑞强，刘明，赵永亮，王朝阳，严俊杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：