一种热泵储电耦合液化空气储能综合系统及储能方法

1.本发明涉及储能系统技术领域，具体涉及一种热泵储电耦合液化空气储能综合系统及储能方法。


背景技术：

2.热泵储电系统通常由压缩机、膨胀机、储热器和储冷器组成，在储能时通过热泵循环将热能从储冷器内部抽出至储热器，并存储冷能与热能；当需要电能的时候，通过动力循环将存储的热能和冷能转化为电能。
3.液化空气储能，是一种储能技术。即利用空气作为储能介质，通过电能与高压低温空气内能的相互转化，实现电能的储存和管理。在电网负荷低谷期，利用电能不断地从空气中取走热量而使其降温，制备液态空气储存在低温储罐中；在电网负荷高峰期，将存储的液化空气泵至高压，加热后推动膨胀机发电。
4.两者在工作过程中都需要储冷器，储冷器体积较大、成本较高。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的热泵储电系统和液化空气储能系统中需要储冷器，具有系统储能密度低和成本高的问题，从而提供一种不需要储冷器的热泵储电耦合液化空气储能综合系统及储能方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种热泵储电耦合液化空气储能综合系统，包括：
7.热泵储电系统及液化空气储能系统；
8.低温储罐，通过管路与液化空气储能系统连通；
9.低温换热器，所述管路穿过所述低温换热器的一侧，所述低温换热器的另一侧与所述热泵储电系统的管路相通；
10.所述管路上靠近低温储罐的位置设有低温泵。
11.可选的，所述低温储罐与液化空气储能系统之间的管路上设有支路，所述支路一端与所述低温储罐连通，另一端连通在低温储罐与液化空气储能系统之间的管路上，且连通位置位于所述低温换热器与第一阀门之间；
12.所述支路上设有第二阀门。
13.可选的，所述热泵储电系统包括第一发电机、第一压缩机、第一膨胀机、高温换热器、循环风机、蓄热器、第一电动机、第二压缩机、第二膨胀机；
14.所述蓄热器与循环风机通过循环管路连通，所述循环管路与所述高温换热器相连通；
15.所述第一发电机、第一压缩机和第一膨胀机通过轴连接，所述第一压缩机的出口通过管路与第一膨胀机的进口连通，所述第一压缩机的出口与第一膨胀机的进口之间的管路与所述高温换热器相连通；所述第一膨胀机的出口通过管路与所述低温换热器、第一压
缩机的进口依次连通；
16.所述第一电动机、第二压缩机、第二膨胀机通过轴连接，所述第二压缩机的出口与所述高温换热器和第二膨胀机的进口依次连通；所述第二压缩机的进口与所述低温换热器、第二膨胀机的依次连通。
17.可选的，所述液化空气储能系统包括第二发电机、第二电动机、第三压缩机、第四压缩机、第三膨胀机、第四膨胀机、储能低压空气换热器、储能高压空气换热器、释能高压空气换热器、释能低压空气换热器、第一蓄热罐、第二蓄热罐；
18.所述第二电动机、第三压缩机和第四压缩机通过轴连接，所述第三压缩机的出口与所述储能低压空气换热器气侧连通，所述储能低压空气换热器的气侧出口与第四压缩机的进口连通，所述第四压缩机的出口与所述储能高压空气换热器气侧连通；
19.所述储能低压空气换热器储热工质侧出口与所述第一蓄热罐连通，所述第一蓄热罐的出口与所述释能高压空气换热器储热工质侧进口、释能低压空气换热器储热工质侧进口连通；所述储能高压空气换热器储热工质侧出口与所述第一蓄热罐连通，所述储能高压空气换热器气侧出口与所述释能高压空气换热器气侧进口连通，所述第二蓄热罐的出口与所述储能低压空气换热器储热工质侧入口和储能高压空气换热器储热工质侧入口连通，所述释能高压空气换热器的储热工质侧出口和释能低压空气换热器的储热工质侧出口均与第二蓄热罐连通；
20.所述释能高压空气换热器的气侧出口与第三膨胀机连通，所述第三膨胀机的出口与所述释能低压空气换热器的气侧入口连通，所述释能低压空气换热器的气侧出口与所述第四膨胀机连通；
21.所述低温储罐与所述液化空气储能系统之间的管路连接在所述储能高压空气换热器气侧出口与释能高压空气换热器气侧入口之间。
22.可选的，所述第一蓄热罐的出口位置处设有第一泵体，所述第二蓄热罐的出口位置处设有第二泵体。
23.可选的，所述第二发电机、第三膨胀机和第四膨胀机通过轴连接。
24.可选的，所述低温储罐与液化空气储能系统之间的管路与低温换热器的空气侧管路连接。
25.可选的，所述储能高压空气换热器的气侧出口与释能高压空气换热器的气侧进口之间的管路上设有第三阀门和第四阀门。
26.还提供了储能方法，采用上述的热泵储电耦合液化空气储能综合系统，包括以下步骤：
27.热泵储电系统与液化空气储能系统通过低温换热器耦合，低温换热器的空气侧与液化空气储能系统连通，低温换热器的热泵储电工质侧与热泵储电系统连通；
28.低温储罐与液化空气储能系统之间的管路通过低温换热器的空气侧，热泵储电系统中第一膨胀机的出口与第一压缩机的进口之间的管路穿过所述低温换热器的热泵储电工质侧；
29.在低温储罐存储液化空气或释放液化空气时，热泵储电系统在低温换热器完成热量转换。
30.可选的，所述液化空气储能系统采用多级蓄热。
31.本发明技术方案，具有如下优点：
32.1.本发明提供的热泵储电耦合液化空气储能综合系统，热泵储电系统和液化空气储能系统共用低温储罐，其中液化空气储能系统中的压缩空气经压缩后存储至低温储罐内；热泵储电系统通过管路及低温换热器与低温储罐上的管路实现热量转换，借此完成自身的能量转换，可以省去其中一个系统的低温储罐，减小占地面积，实现快速启动、快速响应和高效调节。
33.2.本发明提供的热泵储电耦合液化空气储能综合系统，低温储罐与液化空气储能系统连通，低温储罐与液化空气储能系统之间的管路上设有低温泵和第一阀门；低温换热器的热侧与热泵储电系统中的管路相通，并且在低温换热器与液化空气储能系统之间的管路上设有支路，支路上设有第二阀门，通过第一阀门和第二阀门的控制，实现低温储罐内压缩空气的存储与释放。
34.3.本发明提供的储能方法，热泵储电系统与液化空气储能系统通过低温换热器耦合，低温换热器的空气侧与液化空气储能系统连通，在液化空气储能系统的储能与释能过程中，即对应低温储罐内压缩空气的存储与释放，压缩空气经过低温储罐与液化空气储能系统之间的管路上的低温换热器时，完成热泵储电系统上的管路的热量转换，使得热泵储电系统无需额外的蓄冷装置，可以实现快速启动、快速响应和高效调节。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
36.图1为本发明实施例提供的热泵储电耦合液化空气储能综合系统的结构示意图。
37.附图标记说明：
38.1、第一发电机；2、第一压缩机；3、第一膨胀机；4、第一电动机；5、第二膨胀机；6、第二压缩机；7、蓄热器；8、循环风机；9、高温换热器；10、低温换热器；11、第二电动机；12、第三压缩机；13、第四压缩机；14、储能低压空气换热器；15、储能高压空气换热器；16、第一蓄热罐；17、第一泵体；18、释能高压空气换热器；19、第二蓄热罐；20、第二泵体；21、第三膨胀机；22、释能低压空气换热器；23、第四膨胀机；24、第二发电机；25、低温泵；26、低温储罐；27、第一阀门；28、第二阀门；29、第五阀门；30、第六阀门；31、第七阀门；32、第八阀门；33、第九阀门；34、第十阀门；35、第十一阀门；36、第十二阀门；37、第三阀门；38、第四阀门。
具体实施方式
39.下面将结合附图对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
43.实施例1
44.本实施例提供了热泵储电耦合液化空气储能综合系统的一种具体的实施方式，如图1所示，综合系统包括热泵储电系统及液化空气储能系统；液化空气储能系统通过管路连通有低温储罐26，这个管路上设有低温换热器10，低温换热器10的另一侧与热泵储电系统的管路相通；低温储罐26连通的管路上靠近低温储罐26的位置设有第一阀门27及低温泵25。
45.本实施例中，低温储罐26与液化空气储能系统之间的管路上设有支路，支路一端与低温储罐26连通，另一端连通在低温储罐26与液化空气储能系统之间的管路上，且连通位置位于低温换热器10与第一阀门27之间；支路上设有第二阀门28。
46.本实施例中，热泵储电系统包括第一发电机1、第一压缩机2、第一膨胀机3、高温换热器9、循环风机8、蓄热器7、第一电动机4、第二压缩机6、第二膨胀机5；蓄热器7与循环风机8通过循环管路连通，循环管路与高温换热器9相连通；其中，第一发电机1、第一压缩机2和第一膨胀机3通过轴连接，第一压缩机2的出口通过管路与第一膨胀机3的进口连通，第一压缩机2的出口与第一膨胀机3的进口之间的管路与高温换热器9相连通；第一膨胀机3的出口通过管路与第一压缩机2的进口连通，第一膨胀机3的出口与第一压缩机2的进口之间的管路与低温换热器10相连通；其中，第一电动机4、第二压缩机6、第二膨胀机5通过轴连接，第二压缩机6的出口和第二膨胀机5的进口均与高温换热器9相连通，且第二压缩机6的出口和第二膨胀机5的进口分别位于高温换热器9的两侧；第二压缩机6的进口和第二膨胀机5的出口均与低温换热器10相连通，且第二压缩机6的进口和第二膨胀机5的出口分别位于低温换热器10的两侧。
47.本实施例中，液化空气储能系统包括第二发电机24、第二电动机11、第三压缩机12、第四压缩机13、第三膨胀机21、第四膨胀机23、储能低压空气换热器14、储能高压空气换热器15、释能高压空气换热器18、释能低压空气换热器22、第一蓄热罐16、第二蓄热罐19；第二电动机11、第三压缩机12和第四压缩机13通过轴连接，第三压缩机12的气侧出口与储能低压空气换热器14连通，储能低压空气换热器14的气侧出口与第四压缩机13的进口连通，第四压缩机13的出口与储能高压空气换热器15气侧连通；
48.具体的，储能低压空气换热器14的储热工质侧出口与第一蓄热罐16连通，第一蓄热罐16的出口与释能高压空气换热器18储热工质侧进口、释能低压空气换热器22储热工质侧进口连通；储能高压空气换热器15储热工质侧出口与第一蓄热罐16连通，储能高压空气换热器15气侧出口与释能高压空气换热器18气侧进口连通，第二蓄热罐19的出口与储能低
压空气换热器14储热工质侧入口和储能高压空气换热器15储热工质侧入口连通，释能高压空气换热器18的储热工质侧出口和释能低压空气换热器22的储热工质侧出口均与第二蓄热罐19连通；
49.释能高压空气换热器18的气侧出口与第三膨胀机21连通，第三膨胀机21的出口与释能低压空气换热器22的气侧入口连通，释能低压空气换热器22的气侧出口与第四膨胀机23连通；
50.低温储罐26与液化空气储能系统之间的管路连接在储能高压空气换热器15气侧出口与释能高压空气换热器18气侧入口之间。
51.第一蓄热罐16的出口位置处设有第一泵体17，第二蓄热罐19的出口位置处设有第二泵体20。
52.具体的，第一泵体17和第二泵体20均为泵。
53.第二发电机24、第三膨胀机21和第四膨胀机23通过轴连接。本实施例中所述的轴连接可以是同轴连接，也可以是通过若干个轴传动连接。
54.本实施例中，第三压缩机12为低压压缩机、第四压缩机13为高压压缩机、第三膨胀机21为高压膨胀机、第四膨胀机23为低压膨胀机。
55.低温储罐26与液化空气储能系统之间的管路与低温换热器10的空气侧管路连通。
56.储能高压空气换热器15的气侧出口与释能高压空气换热器18的气侧进口之间的管路上设有第三阀门37和第四阀门38，且第三阀门37与第四阀门38分别位于低温储罐26与液化空气储能系统之间的管路两侧。
57.本实施例中各设备之间的管路上的阀门分布如图1所示。
58.工作原理：
59.储能过程中，将第一阀门27、第四阀门38、第六阀门30、第八阀门32、第九阀门33和第十二阀门36关闭，将第二阀门28、第三阀门37、第五阀门29、第七阀门31、第十阀门34和第十一阀门35开启。启动第二电动机11驱动第三压缩机12将空气压缩至中温中压状态，同时启动第二泵体20将第二蓄热罐19内的蓄热介质输送到储能低压空气换热器14和储能高压空气换热器15内，第三压缩机12出口的中温中压态空气与第二蓄热罐19输出的蓄热介质在储能低压空气换热器14内发生换热，储能低压空气换热器14出口排出常温中压态空气和中温蓄热介质，中温蓄热介质经过管路存储至第一蓄热罐16内，常温中压态空气进入第四压缩机13压缩至中温高压状态，第四压缩机13出口的中温高压态空气与第二蓄热罐19输出的常温蓄热介质在储能高压空气换热器15内发生换热，储能高压空气换热器15出口排出常温高压态空气和中温蓄热介质，中温蓄热介质经过管路存储至第一蓄热罐16内，常温高压态空气经过低温换热器10变为低温高压态空气、低温高压态空气经过第二阀门28变为低温常压液态空气，低温常压液态空气存储在低温储罐26内。
60.同时，第二膨胀机5、第二压缩机6、高温换热器9和低温换热器10组成闭合热泵储电回路。启动第一电动机4驱动第二压缩机6将热泵储电回路内气体压缩至高温高压状态，高温高压态气体经高温换热器9将热量传递至循环管路，高温高压态气体经高温换热器9后转变为常温高压态气体，常温高压态气体进入第二膨胀机5膨胀做功产生一部分功通过轴传给第二压缩机6，第二膨胀机5出口的低温低压气体进入低温换热器10冷侧，经过低温换热器10后转化为常温常压态气体重新进入第二压缩机6进行循环。
61.高温换热器9、循环风机8和蓄热器7组成闭式高温储热回路，通过循环风机8驱动气体在循环管路中循环流动，不断将通过高温换热器9冷侧吸收的热量传递并储存在蓄热器7中。
62.释能过程中，将第二阀门28、第三阀门37、第五阀门29、第七阀门31、第十阀门34和第十一阀门35关闭，将第一阀门27、第四阀门38、第六阀门30、第八阀门32、第九阀门33和第十二阀门36开启。启动低温泵25将低温储罐26内的液态空气加压至高压液态，高压液态空气经过低温换热器10将冷能传递至热泵储电系统管路，高压液态空气经过低温换热器10后转换为常温高压状态；同时启动第一泵体17将第一蓄热罐16内的蓄热介质输送到释能低压空气换热器22和释能高压空气换热器18内，常温高压态空气与第一蓄热罐16输出的中温蓄热介质在释能高压空气换热器18内发生换热，释能高压换热器出口排出中温高压态空气和常温蓄热介质，常温蓄热介质经过管路存储在第二蓄热罐19中，中温高压态空气进入第三膨胀机21做功，第三膨胀机21排出常温中压态空气，常温中压态空气与第一蓄热罐16输出的中温蓄热介质在释能低压空气换热器22发生换热，释能低压空气换热器22出口排出中温中压态空气和常温蓄热介质，常温蓄热介质经过管路存储在第一蓄热罐16中，中温中压态空气进入第四膨胀机23做功，第四膨胀机23排出空气。其中，第三膨胀机21和第四膨胀机23做功通过第二发电机24产生电能。
63.同时，第一膨胀机3、第一压缩机2、高温换热器9和低温换热器10组成闭合热泵释电回路。低温换热器10流出的低温低压态气体经过第一压缩机2压缩至常温高压状态，常温高压态空气经高温换热器9换热后转换为高温高压态空气体，高温高压态气体进入第一膨胀机3做功产生一部分功通过轴传给第一压缩机2，一部分功驱动第一发电机1发电。第一膨胀机3出口的常温低压态气体进入低温换热器10，换热后转换为低温低压态气体，低温低压态气体进入第一压缩机2继续进行循环。
64.高温换热器9、循环风机8和蓄热器7组成闭式高温释热回路。通过循环风机8驱动气体在循环管路中循环流动，不断将蓄热器7的热量通过高温换热器9传递给热泵释电回路。
65.实施例2
66.本实施例提供了储能方法的一种具体的实施方式，采用实施例1中的热泵储电耦合液化空气储能综合系统，包括以下步骤：
67.热泵储电系统与液化空气储能系统通过低温换热器10耦合，低温换热器10的空气侧与液化空气储能系统连通，低温换热器10的热泵储电工质侧与热泵储电系统连通；低温储罐26与液化空气储能系统之间的管路通过低温换热器10的空气侧，热泵储电系统中第一膨胀机3的出口与第一压缩机2的进口之间的管路穿过低温换热器10的热泵储电气体侧；在低温储罐26存储液化空气或释放液化空气时，热泵储电系统在低温换热器10完成热量转换。
68.本实施例中，液化空气储能系统采用多级蓄热。通过设置低压压缩机、高压压缩机和低压膨胀机、高压膨胀机实现多级加热及做功，实现多级蓄热。
69.本实施例中，热泵储电系统内储热工质为氦气，蓄热器7、循环风机8与高温换热器9组成的高温闭式回路内循环气体为空气、氦气、氮气、氧气、氩气等一种或多种的组合。
70.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。