一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统及方法，该系统包括热泵制热制冷储能回路和冷热能热机发电回路，该系统的热能和冷能分别存储于多个高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并分别存储于高温蓄热换热器阵列和低温蓄冷换热器阵列中；在用电高峰，回路中的气体通过阵列化控制吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。本发明专利技术的基于阵列化储冷储热的热泵储电系统具有储能密度高、成本低、效率高、运行稳定、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。

A Heat Pump Storage System and Method Based on Array Cold Storage and Heat Storage

【技术实现步骤摘要】
一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统及方法
本专利技术属于能量储存
，涉及一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，是一种基于热泵循环存储能量以及利用所存储能量产生电能的储能系统及方法。
技术介绍
近年来，可再生能源正逐步成为新增电力重要来源，电网结构和运行模式都发生了重大变化。随着可再生能源(风能、太阳能等)的日益普及，以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求，电力储能系统的重要性日益凸显。储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源(以下简称能源互联网)的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能、超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的99.5％。抽水电站储能系统在电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。抽水电站储能系统技术上成熟可靠、效率高(～70％)、储能容量大等优点，目前已经广泛使用。但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长(一般约7～15年)，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造抽水电站储能系统受到了越来越大的限制。传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高(50％～70％)和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低，难点是需要合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，最近几年国内外学者分别开展了先进绝热压缩空气储能系统(AACAES)、地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)的研究等，使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，需要大型的储气室。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述缺点和不足，本专利技术的目的是提供一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统及方法，该系统包括热泵制热制冷储能回路和冷热能热机发电回路，该系统的热能和冷能分别存储于多个填充床组成的阵列中。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并存储于储热储冷阵列中；在用电高峰，回路中的气体储热储冷阵列，通过阵列化控制吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。本专利技术的基于阵列化储冷储热的热泵储电系统具有储能密度高、成本低、效率高、运行稳定、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案是：一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、若干并联的低温蓄冷换热器、若干并联的高温蓄热换热器、第一低压换热器、第一高压换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元，其特征在于，所述若干并联的低温蓄冷换热器形成为低温蓄冷换热器阵列，所述若干并联的高温蓄热换热器形成为高温蓄热换热器阵列，各所述低温蓄冷换热器、高温蓄热换热器均包括用于循环气体工质流进流出的顶部端口和底部端口，各所述低温蓄冷换热器的顶部端口和底部端口分别通过管线汇流形成为所述低温蓄冷换热器阵列的顶部总管和底部总管，各所述高温蓄热换热器的顶部端口和底部端口分别通过管线汇流形成为所述高温蓄冷换热器阵列的顶部总管和底部总管；所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列、第一低压换热器、第一高压换热器形成为热泵制热制冷储能回路；所述低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列还与所述释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元形成为冷热能热机发电回路；其中，--所述热泵制热制冷储能回路中，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，所述储能压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热换热器阵列的顶部总管至底部总管、第一高压换热器的热侧与所述储能膨胀机组的进气口连通，所述储能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述低温蓄冷换热器阵列的底部总管至顶部总管、第一低压换热器的冷侧与所述储能压缩机组的进气口连通；--所述冷热能热机发电回路中，所述释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元依次传动连接，所述释能压缩机组的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器的热侧、高温蓄热换热器阵列的底部总管至顶部总管与所述释能膨胀机组的进气口连通，所述释能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器的冷侧、低温蓄冷换热器阵列的顶部总管至底部总管与所述释能压缩机组的进气口连通。优选地，所述系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐的进口通过一带有阀门的管路与所述高温蓄热换热器阵列的底部总管连通，所述缓冲罐的出口通过一带有阀门的管路与所述第二低压换热器的冷侧进口连通；当所述系统储能时，调节缓冲罐进口管路上阀门的开度，由于所述高温蓄热换热器阵列的底部总管压力高于缓冲罐内部压力，所述高温蓄热换热器阵列的底部总管流出的少量循环气体工质进入所述缓冲罐，以保证系统的压力稳定；当所述系统释能发电时，调节缓冲罐出口管路上阀门的开度，由于缓冲罐内部压力高于所述第二低压换热器的冷侧管路的压力，所述缓冲罐中的少量气体流入所述第二低压换热器的冷侧，以保证系统压力稳定。优选地，各所述高温蓄热换热器的底部端口管线上设有控制阀门，顶部端口管线上设有温度传感器。进一步地，所述系统还包括一第一控制器，所述第一控制器与各所述控制阀门和温度传感器通信连接，并根据各所述温度传感器反馈的温度信息，控制各所述控制阀门的开度进而控制各所述高温蓄热换热器的流量。优选地，各所述低温蓄冷换热器的顶部端口管线上设有控制阀门，底部端口管线设有温度传感器。进一步地，所述系统还包括一第二控制器，所述第二控制器与各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、若干并联的低温蓄冷换热器、若干并联的高温蓄热换热器、第一低压换热器、第一高压换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元，其特征在于，所述若干并联的低温蓄冷换热器形成为低温蓄冷换热器阵列，所述若干并联的高温蓄热换热器形成为高温蓄热换热器阵列，各所述低温蓄冷换热器、高温蓄热换热器均包括用于循环气体工质流进流出的顶部端口和底部端口，各所述低温蓄冷换热器的顶部端口和底部端口分别通过管线汇流形成为所述低温蓄冷换热器阵列的顶部总管和底部总管，各所述高温蓄热换热器的顶部端口和底部端口分别通过管线汇流形成为所述高温蓄冷换热器阵列的顶部总管和底部总管；所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列、第一低压换热器、第一高压换热器形成为热泵制热制冷储能回路；所述低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列还与所述释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元形成为冷热能热机发电回路；其中，‑‑所述热泵制热制冷储能回路中，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，所述储能压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热换热器阵列的顶部总管至底部总管、第一高压换热器的热侧与所述储能膨胀机组的进气口连通，所述储能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述低温蓄冷换热器阵列的底部总管至顶部总管、第一低压换热器的冷侧与所述储能压缩机组的进气口连通；‑‑所述冷热能热机发电回路中，所述释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元依次传动连接，所述释能压缩机组的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器的热侧、高温蓄热换热器阵列的底部总管至顶部总管与所述释能膨胀机组的进气口连通，所述释能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器的冷侧、低温蓄冷换热器阵列的顶部总管至底部总管与所述释能压缩机组的进气口连通。...

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，包括驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、若干并联的低温蓄冷换热器、若干并联的高温蓄热换热器、第一低压换热器、第一高压换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元，其特征在于，所述若干并联的低温蓄冷换热器形成为低温蓄冷换热器阵列，所述若干并联的高温蓄热换热器形成为高温蓄热换热器阵列，各所述低温蓄冷换热器、高温蓄热换热器均包括用于循环气体工质流进流出的顶部端口和底部端口，各所述低温蓄冷换热器的顶部端口和底部端口分别通过管线汇流形成为所述低温蓄冷换热器阵列的顶部总管和底部总管，各所述高温蓄热换热器的顶部端口和底部端口分别通过管线汇流形成为所述高温蓄冷换热器阵列的顶部总管和底部总管；所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列、第一低压换热器、第一高压换热器形成为热泵制热制冷储能回路；所述低温蓄冷换热器阵列、高温蓄热换热器阵列还与所述释能压缩机组、释能膨胀机组、第二高压换热器、第二低压换热器、发电单元形成为冷热能热机发电回路；其中，--所述热泵制热制冷储能回路中，所述驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组依次传动连接，所述储能压缩机组的排气口通过管线依次经所述高温蓄热换热器阵列的顶部总管至底部总管、第一高压换热器的热侧与所述储能膨胀机组的进气口连通，所述储能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述低温蓄冷换热器阵列的底部总管至顶部总管、第一低压换热器的冷侧与所述储能压缩机组的进气口连通；--所述冷热能热机发电回路中，所述释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元依次传动连接，所述释能压缩机组的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器的热侧、高温蓄热换热器阵列的底部总管至顶部总管与所述释能膨胀机组的进气口连通，所述释能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器的冷侧、低温蓄冷换热器阵列的顶部总管至底部总管与所述释能压缩机组的进气口连通。2.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，其特征在于，所述系统还包括一缓冲罐，所述缓冲罐的进口通过一带有阀门的管路与所述高温蓄热换热器阵列的底部总管连通，所述缓冲罐的出口通过一带有阀门的管路与所述第二低压换热器的冷侧进口连通；当所述系统储能时，所述高温蓄热换热器阵列的底部总管流出的少量循环气体工质进入所述缓冲罐，以保证系统的压力稳定；当所述系统释能发电时，所述缓冲罐中的少量气体流入所述第二低压换热器的冷侧，以保证系统压力稳定。3.根据权利要求1所述的基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，其特征在于，各所述高温蓄热换热器的底部端口管线上设有控制阀门，顶部端口管线上设有温度传感器。4.根据权利要求3所述的基于阵列化储冷储热的热泵储电系统，其特征在于，所述系统还包括一第一控制器，所述第一控制器与各所述控制阀门和温度传感器通信连接，并根据各所述温度传感器反馈的温度信息，控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，陈海生，林曦鹏，凌浩恕，陈磊，张双，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11