一种基于气液换热器的热泵储能系统及使用方法

本发明涉及储能，具体涉及一种基于气液换热器的热泵储能系统。

背景技术：

1、压缩气体储能技术将空气和二氧化碳等气体作为储能介质，在电力需求较低时，利用多余电能通过压缩机将气体压缩至高压状态并存入储气库，从而将电能转换为气体的内能和压力势能。在用电高峰时存储的高压气体进入膨胀机做功，压缩气体的内能和势能重新转换为电能。

2、储热技术以储热材料为介质将低品位热能进行直接储存，或是利用电加热器等设备将电能转换为热能进行储存。

3、热泵储能是一种将压缩气体储能与储热相结合的新型大规模储能技术，利用气体作为循环工质，设置高、低温两个储罐用来储存两种温度不同的换热介质。与压缩气体储能系统相比，热泵储能系统有明显优势，首先其不需要大型储气装置，因此没有地理条件的限制。此外，热泵储能系统的储能密度也高于压缩气体系统，而且热泵储能系统相比于多级压缩、多级膨胀的压缩气体系统结构更为简单，成本更低。

4、热泵储能系统中的换热设备通常采用固体填充床，然而由于热泵储能系统运行压力较高，填充床安全壳造价昂贵。此外，在气体工质与填充床内固体颗粒换热的过程中，填充床沿壁面会产生温度梯度，使填充床内不同位置的温度不能保持一致，增加了换热损失和温度管理难度。

技术实现思路

1、本发明使用气液换热器加两个液体储罐代替固体填充床，通过选取合适温度范围的液态介质进行换热并存储能量。与使用固体填充床换热相比，使用气液换热器的热泵储能系统能够使每个储罐内换热介质的温度保持不变，还具有更低的成本，更少的换热损失和更高的功率密度等优势。

2、一种基于气液换热器的热泵储能系统，包括储能循环系统、释能循环系统、储热单元和储冷单元。

3、进一步地，所述储能循环系统包括电动机，电动机的输出端与高温压缩机相连，高温压缩机的出口通过管路与第一高温换热器的第一入口相连，第一高温换热器的第一出口通过管路与第一回热器的第一入口相连，第一回热器的第一出口通过管路与低温膨胀机的入口连通；低温膨胀机的出口与第一低温换热器的第一入口相连，第一低温换热器的第一出口通过管路与第一回热器的第二入口相连，第一回热器的第二出口通过管路与高温压缩机的入口相连，第一回热器的第二出口与高温压缩机的入口之间的管路上设有第一进气口，第一进气口处设有第一进气管道，第一进气管道上设有第一阀门。

4、进一步地，电动机、高温压缩机和低温膨胀机同轴设置。

5、进一步地，所述释能循环系统包括高温膨胀机，所述高温膨胀机的输出端与发电机连接，所述高温膨胀机的出口通过管路与第二回热器的第一入口相连，第二回热器的第一出口与散热器的入口相连，散热器的出口通过管路与第二低温换热器的第一入口相连，第二低温换热器的第一出口通过管路与低温压缩机的入口相连，低温压缩机的出口通过管路与第二回热器的第二入口相连，第二回热器的第二出口与第二高温换热器的第一入口相连，第二高温换热器的第一出口与高温膨胀机的入口相连；第二低温换热器的第一出口与低温压缩机的入口之间的管路上设有第二进气口，第二进气口处设有第二进气管道，第二进气管道上设有第二阀门。

6、进一步地，发电机、高温膨胀机和低温压缩机同轴设置。

7、进一步地，所述储热单元包括高温熔融盐储热罐、中温熔融盐储热罐、第二泵体和第一泵体，储热介质为熔融盐；其中，高温熔融盐储热罐的出口与第一泵体的入口相连，第一泵体的出口第二高温换热器第二入口相连，第二高温换热器的第二出口与中温熔融盐储热罐入口相连，中温熔融盐储热罐的出口与第二泵体的入口相连，第二泵体的出口与第一高温换热器的第二入口相连，第一高温换热器的第二出口与高温熔融盐储热罐的入口相连。

8、进一步地，储冷单元包括常温防冻液储冷罐、低温防冻液储冷罐、第三泵体和第四泵体，储冷介质为防冻液；其中，常温防冻液储冷罐的出口与第三泵体的入口相连，第三泵体的出口与第一低温换热器的第二入口相连，第一低温换热器的第二出口与低温防冻液储冷罐的入口相连，低温防冻液储冷罐的出口与第四泵体的入口相连，第四泵体的出口与第二低温换热器的第二入口相连，第二低温换热器的第二出口与常温防冻液储冷罐的入口相连。

9、一种基于气液换热器的热泵储能系统的使用方法，包括如下步骤：

10、s1: 在用电低谷时，运行储能循环模式；

11、s2: 在用电高峰时，运行释能循环模式。

12、进一步地，步骤s1具体为：

13、打开第一阀门，通过第一进气管道向第一进气口内注入一定量的循环工质，使整个闭合回路形成初始压力，然后关闭第一阀门；电网中剩余电能驱动电动机带动高温压缩机和低温膨胀机转动，使高温压缩机和低温膨胀机的转速从0增加至额定转速；循环工质进入高温压缩机后压缩至高温高压状态，高温高压工质流经第一高温换热器，循环工质经过第一高温换热器后被降温至中温高压状态，经过第一回热器进一步放热后成为中低温高压状态。然后流入低温膨胀机做功成为低温低压状态。之后循环工质继续从低温膨胀机出口流向第一低温换热器，从第一低温换热器第一出口流出的循环工质流经第一回热器后进一步吸热升温至中温低压状态，最后回到高温压缩机的入口，完成循环回路。在这个过程中循环回路内各处的气体温度和压力逐渐变化至额定值；

14、当循环工质温度达到设定温度之后，启动第一泵体和第三泵体，将中温熔融盐储热罐中的储热介质通过第一高温换热器的第二入口泵送至第一高温换热器中，储热介质在流经第一高温换热器时，与第一高温换热器中的高温高压工质发生热交换，储热介质温度升高，之后通过第一高温换热器的第二出口流入高温熔融盐储热罐中。

15、随着第三泵体的打开，将常温防冻液储冷罐中的储冷介质通过第一低温换热器的第二入口泵送至第一低温换热器中，低温低压工质流经第一低温换热器后，与储冷介质发生热交换，并被升温至中低温低压状态，储冷介质温度降低，从而通过第一低温换热器的第二出口流入低温防冻液储冷罐中，之后关闭第一泵体和第三泵体，从而完成储能。

16、进一步地，步骤s2具体为：

17、打开第二阀门，通过第二进气管道向第二进气口内注入一定量的循环工质，使整个闭合回路形成初始压力，然后关闭第二阀门；打开第一泵体和第四泵体，循环工质经过低温压缩机后流经第二回热器，之后循环工质流入第二高温换热器，高温熔融盐储热罐中的储热介质通过第一泵体流入第二高温换热器，与循环工质发生热交换，经过热交换后，循环工质吸热成为高温高压状态，高温高压状态的循环工质驱动高温膨胀机工作，循环工质从高温膨胀机出口流出后变为中温低压状态。中温低压循环工质依次流经第二回热器、散热器，流入第二低温换热器中，低温防冻液储冷罐中的储冷介质通过第四泵体流入第二低温换热器中，与第二低温换热器中的循环工质发生热交换，经过热交换之后的循环工质被预冷至低温低压状态，之后通过低温压缩机将工质压缩至中低温高压状态，在这一过程中，高温高压状态的循环工质不断驱动高温膨胀机工作，从而带动低温压缩机和发电机转动，进而通过发电机输出电能，完成释能。

18、进一步地，循环工质包括但不限于空气、氮气、氩气、氦气和二氧化碳。

19、本发明技术方案，具有如下优点：

20、1.本发明提供的基于气液换热器的热泵储能系统，采用间壁式气液换热器加两个液体储罐代替固体填充床，能够使每个储罐内换热介质的温度保持不变，减小换热损失和温度管理难度，还具有更低的成本，更少的换热损失和更高的功率密度等优势。

21、2.本发明提供的基于气液换热器的热泵储能系统，高温压缩机入口管路上设有第一进气口和第一阀门，低温压缩机入口管路上设有第二进气口和第二阀门，通过第一阀门和第二阀门的控制，实现储能循环和释能循环中工质的注入。

22、3.本发明提供的储能方法，在热泵储能系统启动过程中，通过向储能循环和释能循环的循环回路中注气，精准控制储能循环和释能循环的初始压力。

23、4.在用电低谷时，运行储能循环模式，在用电高峰时，运行释能循环模式，储能循环和释能循环为独立运行的两个闭合回路，共用储热单元和储冷单元，提高能量利用率，减少浪费。