一種利用低溫冷能存儲電能的系統及其運行方法與流程

2023-05-01 19:08:56

本發明涉及綠色能源技術領域，基於低溫冷能存儲、儲熱和動力循環的有機整合，能有效實現電能、可再生能源、熱能和冷能高效存儲與利用的新型儲能系統及其運行方法。

背景技術：
隨著可再生能源(風能、太陽能等)的日益普及,以及電網調峰、提高電網可靠性和改善電能質量的迫切需求,電力儲能系統的重要性日益凸顯。大規模電力儲能技術可以有效解決電力生產與使用中峰谷差的矛盾；可以解決風力發電、太陽能、潮汐能等間歇式能源發電不穩定性；當分布式能源系統遇到了局部的線路故障時，電力儲能系統可以提供不間斷的電源供應。目前已有電力儲能技術包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、熱泵儲能、蓄電池儲能、超導磁能和飛輪儲能等。抽水儲能系統在用電低谷通過水泵將水從低位水庫送到高位水庫，從而將電能轉化為水的勢能存儲起來；在用電高峰，水從高位水庫排放至低位水庫驅動水輪機發電。抽水儲能具有技術成熟、效率高、容量大、儲能周期不受限制等優點，是目前廣泛使用的電力儲能系統。但是需要優越的地理條件建造水庫和水壩，建設周期較長、初期投資巨大、而且會帶來生態問題。壓縮空氣儲能在用電低谷，將空氣壓縮(4-8Mpa)並存於儲氣室中，將電能轉化為空氣的壓力能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，經回熱器預熱後，進入燃氣輪機燃燒室燃燒，然後驅動透平發電。壓縮空氣儲能系統具有儲能容量較大、儲能周期長、效率高和投資相對較小等優點。但是，壓縮空氣儲能系統也需要特殊的地理條件建造大型儲氣室，如巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等，限制了壓縮空氣儲能系統的應用範圍。並且需要依賴燃燒化石燃料提供熱源，燃燒產生氮化物、硫化物和二氧化碳等汙染物，不符合綠色(零排放)、可再生的能源發展要求。蓄電池儲能將電能轉換為電池的化學能存儲起來，具有對負荷反應快、容易同多種電站組合及能夠增加電力系統的穩定性等優點，適合作為電力系統儲能設備。但是，目前的蓄電池技術仍存在價格昂貴、使用壽命短、能量密度低和廢棄物化學汙染難於消除等缺點。雖然蓄電池在短時間和小容量備用電源中得到應用，但仍無法滿足大型電力儲能系統的要求。超導儲能技術將電流導入環形電感線圈，由於該環形電感線圈由超導材料製成，因此電流在線圈內可以無損失地不斷循環，直到導出為止。超導磁能儲能系統具有極高的充放電效率和快速反應時間，但價格非常昂貴，約為其他類型儲能系統數十至數百倍，不適於大規模大型電力儲能系統中的大規模應用。飛輪儲能是將電能轉換為飛輪的機械能進行存儲，但是存在能量密度低和軸承損失等問題。目前飛輪和電容儲能系統存在造價高、儲能容量小、自耗散嚴重等問題，不能滿足電力儲能系統的要求。熱泵儲能技術是近年來新興的儲能技術，該技術利用一組高效可逆的熱機將電能同時轉化為熱能和冷能並存儲於兩個絕熱容器中。由於熱泵儲能技術需要同時存儲高溫熱能和低溫冷能，尤其高溫熱能存儲的所需壓力的條件較高，需要大體積的高壓容器，因此該技術的造價較高。儲熱技術是解決熱供需雙方在時間和空間上矛盾的關鍵技術，已經大規模應用於在太陽能熱利用和工業餘熱利用中。儲熱技術一般可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學儲熱三類。目前顯熱儲熱技術比較成熟，潛熱儲熱尚處於商用示範階段，化學儲熱技術處於實驗室研究階段。儲熱技術的成本較低，具有較大發展潛力，但是利用儲熱技術用於儲電主要受熱能/電能轉換效率的限制，整體儲能效率不高。例如現有技術中存在這樣的一種利用高溫熱能存儲電能的系統，其包括儲熱迴路和放熱迴路，兩個迴路中均利用壓縮機和膨脹機的組合進行熱能的存儲或釋放，儲熱階段將壓縮熱存儲到蓄熱介質中，釋熱階段將蓄熱介質中的存儲熱釋放出來對工作流體加熱，繼而推動膨脹機對外做功，該系統雖然一定程度上實現了電力的存儲和釋放，但其也存在顯著的缺點和不足，突出地表現在：(1)工作介質的熱能是在高壓下完成存儲的，而高壓蓄熱設備需要厚壁的壓力容器並且體積龐大，製造成本很高；(2)在儲能階段，高壓空氣的熱量被蓄熱介質吸收後溫度大幅下降，而後中溫高壓空氣經壓比與壓縮過程相同的膨脹機後壓力降至常壓，在此膨脹過程中的高壓空氣可用能損失較大，輸出功較少，因而儲能過程的系統效率較低。(3)釋熱階段利用封閉的壓縮-膨脹循環迴路，基本無法使儲存的熱能和其它輔助熱能(例如太陽熱、工業廢熱等)同時加以利用，並且以室溫作為熱力循環的低溫熱源溫度，導致系統的冷熱端溫差較小，受到卡諾循環效率的限制，系統對外輸出機械能或電能的能力和效率大大降低。可見，當前已有的電力儲能系統均存在不同的缺點，迫切需要一種成本低、效率高、壽命長的新型儲能系統，而且這種儲能系統需要具備不受地理條件的限制、適用於各種類型電站和對環境友好等特點。

技術實現要素：
本發明公開了一種利用低溫冷能存儲電能的新型儲能系統及其運行方法，該方法利用低溫冷能存儲的方式有效解決了傳統儲能轉換效率低的問題。此儲能系統具有效率高、成本低、使用壽命長和不受地理條件的限制等特點，以解決電力生產與使用中峰谷差的問題，並解決風能、太陽能等可再生能源的間歇性、不穩定性等因素導致其發電對電網的不良影響。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是：一種利用低溫冷能存儲電能的系統，包括：儲能迴路、釋能迴路、輔助儲熱子系統；儲能迴路包括發電機、膨脹機機組Ⅰ、冷能存儲器、壓縮機組Ⅰ(包括第一級壓縮機、第二級壓縮機、、第三級壓縮機)、級間換熱器(包括第一級壓縮機換熱器、第二級壓縮機換熱器、第三級壓縮機換熱器)；釋能迴路包括電動機、膨脹機組Ⅱ、冷能存儲器、壓縮機組Ⅱ、高溫換熱器；輔助儲熱子系統包括：集熱器、低溫存儲器、高溫存儲器和高溫換熱器；其中，儲能迴路中的電動機、壓縮機組Ⅰ和膨脹機組Ⅰ布置在共同的軸上、或者通過變速箱連接，且其中膨脹機組Ⅰ在出口管路接入冷能存儲器的低溫側管路，冷能存儲器的高溫側管路順序經過第一級壓縮機、第一級壓縮機換熱器的工作氣體管路、第二級壓縮機、第二級壓縮機換熱器的工作氣體管路、第三級壓縮機和第三級壓縮機換熱器的工作氣體管路，第三級壓縮機換熱器的工作氣體管路輸出端與膨脹機的入口管路相通連，形成相對於環境封閉的工作氣體迴路。儲能迴路中壓縮機組Ⅰ排出的工作氣體在級間換熱器內通過來自冷卻流體所冷卻，所述冷卻流體的材料為水、空氣、油、醇類水溶液的一種或至少2種的組合。其中，釋能迴路中的發電機、壓縮機組Ⅱ和膨脹機組Ⅱ布置在共同的軸上、或者通過變速箱連接，且其中壓縮機組Ⅱ在出口管路接入高溫換熱器的工作氣體側低溫側管路，高溫換熱器的工作氣體側高溫側管路接入冷能存儲器高溫側管路，冷能存儲器低溫側管路與壓縮機組Ⅱ的輸入端相通連，形成相對於環境封閉的工作氣體迴路。輔助儲熱子系統的集熱器輸出端順序經高溫存儲器、高溫換熱器和低溫存儲器構成高溫傳蓄熱流體迴路。所述高溫熱交換器為板式、板翅式、殼管式、螺旋板式、套管式換熱器的一種或至少2種的組合。所述傳熱蓄流體的材料為導熱油、熔融鹽、水的一種或至少2種的組合；所述傳蓄熱流體的熱能也可來自於鋼鐵、熱電等工業餘熱、廢熱。所述的低溫冷能存儲電能的系統，所述的冷能存儲器，採用的儲冷材料為低溫蓄冷介質，當儲能迴路運行時的低溫工作氣體流經冷能存儲器時，低溫冷能被低溫蓄冷介質吸收並儲存起來；當釋能迴路運行時的工作氣體流經冷能存儲器時，低溫蓄冷介質內的低溫冷能釋放出來並被工作氣體吸收。所述冷能存儲器的冷能存儲材料是顯熱蓄冷或固液相變蓄冷中的一種或至少2種的組合，顯熱蓄冷介質包括多孔材料、巖石、磚、沙、陶瓷球、金屬顆粒，固液相變蓄冷介質包括固液相變溫度在低溫區的氨及其水溶液、鹽類水溶液、烷烴類、烯烴類物質及其化合物，醇類及其水溶液中的一種或幾種；其換熱形式是工作流體在冷能存儲器中與蓄冷介質直接接觸換熱或非直接接觸換熱；所述冷能存儲器的外部絕熱材料是玻璃纖維、聚氨酯泡沫、珠光砂、或夾層壁面內抽真空的一種或幾種。所述的冷能存儲器，其內部提供有換熱裝置，液態天然氣和空分行業的低溫氣體通過換熱裝置，低溫氣體的低溫冷能的被冷能存儲器內的蓄冷介質吸收並存儲下來，在釋能發電階段釋放出來用於發電。所述的低溫冷能存儲電能的儲能系統，所述的壓縮機組Ⅰ，由1級或至少2級串聯而成，是活塞式、軸流式、離心式、螺杆式或混合式；所述的膨脹機組Ⅰ、Ⅱ，由1級或至少2級串聯而成，是活塞式、軸流式、向心式、螺杆式或混合式。所述的低溫冷能存儲電能的儲能系統，使用在可再生能源發電廠中，存儲間歇性不穩定的能源並穩定輸出；所述儲能系統使用在電網系統的發電廠或用戶中，在用電低谷存儲並在用電高峰輸出電能。根據本發明的另一方面，還提供了一種上述低溫冷能存儲電能的系統的運行方法，其具體流程為：儲能時，i)低能流密度的熱能聚集為高能流密度的中高溫熱能，並向集熱器提供熱能，來自低溫存儲器中的傳蓄熱流體在集熱器中吸熱，變為高溫傳蓄熱流體儲存在高溫存儲器中；j)電能通過電動機組轉變為機械能驅動膨脹機組Ⅰ和壓縮機組Ⅰ運轉，常溫高壓的工作氣體經過膨脹機組Ⅰ膨脹後轉變為低壓低溫的工作氣體，氣體膨脹過程所作的軸功驅動壓縮機組Ⅰ運轉；k)膨脹機組Ⅰ排出的低壓低溫的工作氣體，流經冷存儲器時發生換熱，冷能存儲在冷存儲器中，低壓常溫的工作氣體自冷存儲器中排出進入壓縮機組Ⅰ中；l)自冷存儲器中排出的低壓常溫的工作氣體依次經各級壓縮機及對應的級間換熱器轉變為常溫高壓的工作氣體進入膨脹機組Ⅰ中，形成閉合迴路；釋能時，m)自高溫換熱器排出的高溫高壓工作氣體進入膨脹機組Ⅱ中膨脹，同時經過軸驅動壓縮機組Ⅱ運轉和發電機發電，膨脹機組Ⅱ中排出低壓常溫的工作氣體；n)自膨脹機組Ⅱ中排出低壓常溫的工作氣體，流經冷存儲器時發生換熱，冷存儲器中的低溫冷能釋放出來，冷存儲器排出的低壓低溫的工作氣體進入壓縮機組Ⅱ後，排出常溫高壓的工作氣體；o)壓縮機組Ⅱ排出的常溫高壓的工作氣體經過高溫換熱器，與來自高溫存儲器中的高溫傳蓄熱流體換熱，工作流體轉變為高溫高壓的工作氣體進入膨脹機組Ⅱ，形成閉合迴路；p)高溫傳蓄熱流體經過高溫換熱器冷卻後存儲在低溫存儲器中，完成一次儲熱釋熱循環。所述低溫冷能存儲電能的系統，其以儲能迴路和釋能迴路的工作氣體為動力循環工質，在儲能過程中將電能轉化為低溫冷能並存儲起來；在釋能過程中，冷能輸出給被壓縮的工作氣體，減小壓縮耗能，壓縮氣體被高溫換熱器中被加熱至膨脹機進口溫度後進入膨脹機膨脹做功。同現有技術相比，本發明具有以下突出的優點:1.本發明將電能轉化為常壓下低溫冷能存儲，低溫冷能存儲裝置結構簡單、儲冷材料便宜易得、儲冷容器成本低、儲冷裝置使用壽命長，消除了已有電力儲能系統存在的儲能設備成本高、儲能周期短、壽命短和環境汙染等缺點，非常適合於長時間大容量的電力存儲。2.本發明的低溫冷能存儲電能的系統具有電能-冷能轉化效率高、利用低溫冷源提高了太陽熱能、工業餘熱能的做功能力，具有儲能系統整體高的優點。並且低溫冷能存儲裝置的冷能耗散率很低，可以實現長時間高效的電力存儲。3.本發明的低溫冷能存儲電能的系統具有適用於各種電站(包括太陽能、風能等可再生能源電站)、不產生溫室氣體、可回收中低溫(熱值)廢熱等優點。附圖說明圖1為本發明的低溫冷能存儲電能的系統實施例1結構示意圖；圖2為本發明的低溫冷能存儲電能的系統實施例2結構示意圖；圖3為本發明的低溫冷能存儲電能的系統實施例3結構示意圖；具體實施方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。實施例1：如圖1所示，為本發明的低溫冷能存儲電能的系統實施例1，包括儲能迴路102、釋能迴路103和太陽能儲熱子系統。圖1所示的儲能迴路包括：膨脹機1、冷能存儲器2、第一級壓縮機3、第一級壓縮機換熱器4、第二級壓縮機5、第二級壓縮機換熱器6、第三級壓縮機7和第三級壓縮機換熱器8。工作氣體如圖1中帶箭頭的實線所示通過這些組件進行循環。電動機9的轉軸與膨脹機1和壓縮機3、5、7的轉軸相連接。此外，冷卻液體18、19、20分別連接在換熱器4、6、8中。儲能循環的運行流程為：首先，電能通過電動機9轉變為機械能驅動膨脹機1和壓縮機組101運轉，自冷能存儲器2排出的常溫低壓的工作氣體，依次進入第一級壓縮機3、第一級壓縮機換熱器4、第二級壓縮機5、第二級壓縮機換熱器6、第三級壓縮機7和第三級壓縮機換熱器8轉變為常溫高壓的工作氣體進入膨脹機1中，高壓的工作氣體經過膨脹機1膨脹後轉變為低壓低溫的工作氣體，膨脹機1排出的低壓低溫的工作氣體，流經冷能存儲器2時發生換熱，冷能存儲在冷存儲器2中，常溫低壓的工作氣體自冷存儲器2排出進入壓縮機3，形成閉合迴路。氣體膨脹過程所做功輸出至軸上，電動機9、膨脹機1所做的功共同驅動壓縮機組101運轉，消耗的電能為壓縮機耗功與膨脹機出功的差值，存儲下來的為冷存儲器2中的冷能。圖1所述的釋能迴路103包括發電機13、膨脹機12、冷能存儲器2、壓縮機10和高溫換熱器11。工作氣體如圖1中帶箭頭的實線所示通過這些組件進行循環。發電機13的轉軸與膨脹機12和壓縮機10的轉軸相連接。此外，太陽能高溫傳蓄熱流體循環22通過高溫換熱器11與工作氣體換熱。釋能循環的運行流程為：首先，自膨脹機12中排出低壓常溫的工作氣體，流經冷存儲器2時發生換熱，冷存儲器2中的低溫冷能釋放出來，冷存儲器2排出的低壓低溫的工作氣體進入壓縮機10後，排出常溫高壓的工作氣體。工作氣體進一步通過高溫換熱器11後排出高溫高壓的工作氣體，進入膨脹機12，形成閉合迴路。釋能循環系統中的耗能部件為壓縮機10，做功部件為膨脹機12，產生的電能為膨脹機出功與壓縮機耗功的差值，釋能過程中消耗的冷存儲器2中的冷能和太陽熱能，產生的是電能。充能循環過程中，低能流密度的低溫熱能聚集為高能流密度的中高溫熱能，並向太陽能經集熱器提供熱能，來自存儲器14中的儲熱流體在集熱器中吸熱，變為高溫傳熱流體儲存在高溫存儲器16中。釋能循環過程中，高溫傳蓄熱流體經過高溫換熱器11冷卻後存儲在低溫存儲器14中，完成一次儲熱釋熱循環。實施例2：如圖2所示，為本發明的低溫冷能存儲電能與風力發電耦合的系統實施例2，包括儲能迴路104、釋能迴路103和太陽能儲熱子系統。圖2所示的儲能迴路104包括：膨脹機1、冷能存儲器2、第一級壓縮機3、第一級壓縮機換熱器4、第二級壓縮機5、第二級壓縮機換熱器6、第三級壓縮機7和第三級壓縮機換熱器8。工作氣體如圖1中帶箭頭的實線所示通過這些組件進行循環。風力發電系統的風輪25與變速箱26相連接，變速箱26的轉軸與膨脹機1和壓縮機3、5、7的轉軸相連接。此外，冷卻液體18、19、20分別連接在換熱器4、6、8中。實施例2的儲能時的氣體循環與實施例1的儲能迴路相同，此處不再贅述。儲能循環中，消耗的風力能為壓縮機耗功與膨脹機出功的差值，存儲下來的為冷存儲器2中的冷能。實施例2的釋能循環時的氣體循環與實施例1的釋能循環相同，此處不再贅述。實施例3：如圖3所示，為本發明的低溫冷能存儲電能與工業餘熱和餘冷能相耦合的系統實施例3，包括儲能迴路102、釋能迴路105。實施例3的儲能循環時的氣體循環與實施例1的儲能循環相同。儲能循環中，電動機9、膨脹機1所做的功共同驅動壓縮機組101運轉，消耗的電能為壓縮機耗功與膨脹機出功的差值，存儲下來的為冷存儲器2中的冷能。此外，在儲能循環過程中和充/釋能的間歇，來自與液化天然氣或空分系統等的工業餘冷流體23進入冷能存儲器2，將冷流體的低溫冷能被冷能存儲器2中的儲冷介質所吸收，用於在釋能過程中產生電能。圖3所述的釋能循環105包括電動機13、膨脹機12、冷能存儲器2、壓縮機10和高溫換熱器11。工作氣體如圖3中帶箭頭的實線所示通過這些組件進行循環。發電機13的轉軸與膨脹機12和壓縮機10的轉軸相連接。此外，來自鋼鐵、熱電領域的工業餘熱循環22通過高溫換熱器11與工作氣體換熱。實施例3的釋能循環時的氣體循環與實施例1的釋能循環相同。釋能循環系統中的耗能部件為壓縮機10，做功部件為膨脹機12，產生的電能為膨脹機出功與壓縮機耗功之差，釋能過程中消耗的充能循環產生的冷能、工業餘冷和工業餘熱，產生的是電能。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的範圍之內。