一种热泵蓄能系统的制作方法

本实用新型涉及压缩蓄能、蓄冷蓄热、lng冷能利用、可再生能源、余热利用等领域，涉及一种储能系统，特别涉及一种热泵蓄能系统，是一种耦合外界冷热源、提高系统能量密度和能源利用率的系统。

背景技术：

能源和环境问题的可持续发展是国民经济发展的基础，而解决电力行业中的能源环境问题是保证我国经济可持续发展的重要组成部分。电力储能是调整我国能源结构、大规模发展可再生能源、提高能源安全的关键技术之一，大规模储能技术的研究具有重要理论和实践价值。

目前的储能系统有抽水蓄能、压缩空气储能、压缩蓄能、燃料电池、飞轮储能等，其中热泵蓄能系统通过高压压缩机和高压膨胀机将电能转化为热能和冷能进行储存，不受到需要大型储气室或储气洞穴的限制，其属于物理储能系统，对环境影响小，同时由于横跨较大的温度区间使热泵蓄能系统具有能量密度高的优点，近年来受到了国内外学者的广泛关注。可再生能源具有波动性和间歇性的固有缺陷，将其耦合于储能系统可有效解决其大规模利用的问题，其耦合形式包括可再生能源储电利用和可再生能源蓄热利用。液化天然气(liquefiednaturalgas，简称lng)具有丰富的冷能，在lng的利用中，冷能经常浪费，由于lng温度与热泵蓄能系统的冷源温度接近，两者耦合将有效利用lng的冷能。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷和不足，本实用新型旨在提供一种热泵蓄能系统，是一种可以有效利用可再生能源、工业余热和lng冷能等热源冷源的热泵蓄能系统，通过在高温蓄热单元中耦合低温蓄冷单元和压缩膨胀单元，使系统能够利用外界冷源(如lng)和外界热源(如可再生能源和工业余热)，并通过在绝热压缩膨胀回路中增加等温压缩膨胀旁路，使系统储能时减少冷能储存、释能时增加热源处流量，使系统各处流量存在差别，进而实现热量和冷量的灵活输入，进而提高系统的能量密度和能源利用率，该系统具有能量密度高、高能源利用率等特点。

本实用新型为实现其技术目的所采用的技术方案为：

一种热泵蓄能系统，包括一高温蓄热单元、一低温蓄冷单元和一压缩膨胀单元，其特征在于，

--所述高温蓄热单元，至少包括一高温蓄热罐、一蓄热换热器和一第一常温蓄热罐，所述高温蓄热罐通过管路经所述高温蓄热罐的第一换热侧与所述第一常温蓄热罐连通，且所述高温蓄热罐中还设有与外界热源连通的换热管路；

--所述低温蓄冷单元，至少包括一低温蓄冷罐、一蓄冷换热器和一第二常温蓄热罐，所述低温蓄冷罐通过管路经所述蓄冷换热器的第一换热侧与所述第二常温蓄热罐连通，且所述低温蓄冷罐中还设有与外界冷源连通的换热管路；

--所述压缩膨胀单元，包括多个绝热压缩膨胀机组、至少一等温压缩膨胀机组和若干空气换热器，每一压缩膨胀机组均包括两个用于进气或排气的通气口，其中一个通气口进气时，另一个通气口排气，其中，第一绝热压缩膨胀机组的第一通气口通过管路至少依次经第一空气换热器、所述蓄热换热器的第二换热侧、第二绝热压缩膨胀机组、第二空气换热器、所述蓄冷换热器的第二换热侧后与所述第一绝热压缩膨胀机组的第二通气口连通，从而形成绝热压缩膨胀回路；所述等温压缩膨胀机组的第一通气口分为两路，一路通过带有第一控制阀门的旁通管路与所述第一空气换热器和第一绝热压缩膨胀机组之间的连通管路连通，另一路通过带有第二控制阀门的旁通管路与所述第一空气换热器和蓄热换热器之间的连通管路连通；所述等温压缩膨胀机组的第二通气口也分为两路，一路通过带有第三控制阀门的旁通管路与所述第二空气换热器和蓄冷换热器之间的连通管路连通，另一路通过带有第四控制阀门的旁通管路与所述第二空气换热器和第二绝热压缩膨胀机组之间的连通管路连通。

本实用新型的上述热泵蓄能系统中，所述系统通过在绝热压缩膨胀回路中增加等温压缩膨胀旁路，使系统储能时减少冷能储存、释能时增加热源处流量，使系统各处流量存在差别，进而实现热量和冷量的灵活输入，达到利用外界冷源(如lng)和外界热源(如可再生能源和工业余热)的目的，并提高系统的能量密度和能源利用率。

本实用新型的上述热泵蓄能系统在储能时，经高温蓄热单元冷却后的高压工质一部分或全部流经等温膨胀机降压后，减少冷量储存，散热后以旁路形式进入储能压缩机入口。所述储能压缩机为多级系统，其中某一级由释能时的等温膨胀机驱动，实现机械能的直接利用。

本实用新型的上述热泵蓄能系统在释能时，低压常温工质在蓄冷换热器中吸收外界冷源的冷量，也可一部分吸收储能过程储存的冷量，实现对外界冷量的吸收。所述系统释能时，末级膨胀机出口的常压工质部分抽出进入等温压缩机中压缩，压缩后的常温工质重新进入蓄热换热器，吸收外界热源热量和储能时储存的热量，实现系统出功的增加。所述系统抽气位置可在空气散热器之前和之后，具体根据实际工况而定。

优选的，所述系统处于储能工作模式时，将所述第一绝热压缩膨胀机组、等温压缩膨胀机组切换为膨胀模式，将所述第二绝热压缩膨胀机组切换为压缩模式，将所述第一常温蓄热罐中的蓄热流体经所述蓄热换热器的第一换热侧输送至所述高温蓄热罐，将所述第二常温蓄热罐中的蓄冷流体经所述蓄冷换热器的第一换热侧输送至所述低温蓄冷罐，并关闭所述第二控制阀门、第四控制阀门，调节所述第一控制阀门、第三控制阀门的开度以控制旁通管路的流量，所述绝热压缩膨胀回路中的工作介质在所述第二绝热压缩膨胀机组绝热压缩升温后，排出的高压工作介质依次经所述蓄热换热器的第二换热侧、第一空气换热器后通入所述第一绝热压缩膨胀机组进行绝热膨胀降温，之后依次经所述蓄冷换热器的第二换热侧、第二空气换热器后通入所述第二绝热压缩膨胀机组继续进行压缩，工作介质在经过所述蓄热换热器的第二换热侧时释放热量、在经过所述第一空气换热器时继续散热至接近常温，工作介质在经过所述蓄冷换热器的第二换热侧时释放冷量、在经过所述第二空气换热器时继续吸热至接近常温，在此过程中，压缩热被存储至所述高温蓄热罐，膨胀产生的冷量被存储至所述低温蓄冷罐；同时，经所述第一空气换热器散热后排出的部分接近常温的高压工作介质通过旁通管路通入所述等温压缩膨胀机组进行等温膨胀做功，等温膨胀后的工作介质通过旁通管路通入所述第二空气换热器的进气侧。

优选的，所述系统处于释能工作模式时，将所述第一绝热压缩膨胀机组、等温压缩膨胀机组切换为压缩模式，将所述第二绝热压缩膨胀机组切换为膨胀模式，将所述高温蓄热罐中的蓄热流体经所述蓄热换热器的第一换热侧输送至所述第一常温蓄热罐，将所述低温蓄冷罐中的蓄冷流体经所述蓄冷换热器的第一换热侧输送至所述第二常温蓄热罐，并关闭第一控制阀门、第三控制阀门，调节所述第二控制阀门、第四控制阀门的开度以控制旁通管路的流量，所述绝热压缩膨胀回路中的工作介质在所述第二绝热压缩膨胀机组绝热膨胀降温后，排出的低压工作介质依次经所述第二空气换热器、蓄冷换热器的第二换热侧后通入所述第一绝热压缩膨胀机组进行绝热压缩，之后依次经所述第一空气换热器、蓄热换热器的第二换热侧后通入所述第二绝热压缩膨胀机组继续进行绝热膨胀，工作介质在经过所述第二空气换热器时散热至接近常温、在经过所述蓄冷换热器的第二换热侧时吸收冷量以继续降温，工作介质在经过所述第一空气换热器时吸热至接近常温、在经过所述所述蓄热换热器的第二换热侧时吸收热量以继续升温，在此过程中，所述高温蓄热罐中的热流体释放热量后通入所述第一常温蓄热罐，所述低温蓄冷罐中的冷流体释放冷量后通入所述第二常温蓄热罐；同时，所述第二绝热压缩膨胀机组排出的部分低压工作介质通过旁通管路通入所述温压缩膨胀机组进行等温压缩，等温压缩后的工作介质通过旁通管路通入所述蓄热换热器的第二换热侧的进气侧。

优选的，所述压缩膨胀单元还包括至少一设置在所述蓄冷换热器和第一绝热压缩膨胀机组之间的第四绝热压缩膨胀机组，以及至少一设置在所述蓄热换热器和第二绝热压缩膨胀机组之间的第五绝热压缩膨胀机组。

优选的，所述绝热压缩膨胀机组、等温压缩膨胀机组为压缩膨胀一体可逆式设备，或独立的压缩机和膨胀机的组合。

优选的，所述高温蓄热罐与第一常温蓄热罐之间的连通管路上、以及所述低温蓄冷罐与第二常温蓄热罐之间的连通管路上，均设有驱动泵。

进一步地，所述系统处于储能工作模式时，利用驱动泵将所述第一常温蓄热罐中的蓄热流体经所述蓄热换热器的第一换热侧输送至所述高温蓄热罐，利用驱动泵将所述第二常温蓄热罐中的蓄冷流体经所述蓄冷换热器的第一换热侧输送至所述低温蓄冷罐。

进一步地，所述系统处于释能工作模式时，利用驱动泵将所述高温蓄热罐中的蓄热流体经所述蓄热换热器的第一换热侧输送至所述第一常温蓄热罐，利用驱动泵将所述低温蓄冷罐中的蓄冷流体经所述蓄冷换热器的第一换热侧输送至所述第二常温蓄热罐。

优选的，所述绝热压缩膨胀回路中的工作介质为空气或氦气等惰性气体。

优选的，所述高温蓄热罐、低温蓄冷罐为双罐间接蓄能、单罐蓄能、填充床蓄能、喷淋床蓄能中的一种或多种。

优选的，所述绝热压缩膨胀机组、等温压缩膨胀机组为活塞式、离心式、轴流式、螺杆式或转子式压缩机中的一种或几种的组合。

优选的，所述蓄热、蓄冷为换热器管壳式、板翅式、板式、螺旋管式、套管式、板壳式、管翅式、热管式中的一种或几种的组合。

优选的，所述绝热压缩膨胀机组、等温压缩膨胀机组切换至压缩模式时，由电动机驱动，电能来自风力发电、太阳能发电、电网中的一种或多种组合。

优选的，所述绝热压缩膨胀机组、等温压缩膨胀机组为一级或多级。

优选的，所述等温压缩膨胀机组采用缸套水或喷淋方式实现等温工作。

优选的，所述外界热源为可再生能源形成的热源或工业余热形成的热源，可再生能源优选为风能、太阳能和/或生物质能。

优选的，所述外界冷源为lng冷能。

同现有技术相比，本实用新型的热泵蓄能系统，通过在高温蓄热单元中耦合低温蓄冷单元和压缩膨胀单元，使系统能够利用外界冷源(如lng)和外界热源(如可再生能源和工业余热)，并通过在绝热压缩膨胀回路中增加等温压缩膨胀旁路，使系统储能时减少冷能储存、释能时增加热源处流量，使系统各处流量存在差别，进而实现热量和冷量的灵活输入，进而提高系统的能量密度和能源利用率，具有能量密度高、高能源利用率等特点。该系统在储能时，通过在绝热压缩膨胀回路中增加等温压缩膨胀旁路，减少冷量的储存以便释能时冷源的利用，该系统在释能时，通过增加涡轮增加装置，形成内循环，提高热源处和膨胀机侧的流量，增大对热源热量的吸收和系统出功，在本系统中，由于热量的梯级利用，在实现系统利用外界热源的条件下可提高系统效率。

附图说明

图1为本实用新型的热泵蓄能系统的实施例1的示意图；

图2为本实用新型的热泵蓄能系统的实施例1在进行储能时的工作流程示意图；

图3为本实用新型的热泵蓄能系统的实施例1在进行释能时的工作流程示意图；

图4为本实用新型的热泵蓄能系统的实施例2的示意图；

图5为本实用新型的热泵蓄能系统的实施例2在进行储能时的工作流程示意图；

图6为本实用新型的热泵蓄能系统的实施例2在进行释能时的工作流程示意图；

图中，

ht-高温蓄热罐，ct-低温蓄冷罐，at1-第一常温蓄热罐，at2-第二常温蓄热罐，h1-蓄热换热器，h2-蓄冷换热器，ce1-第一绝热压缩膨胀机组，ce2-第二绝热压缩膨胀机组，ce3-等温压缩膨胀机组，ce4-第四绝热压缩膨胀机组，ce5-第五绝热压缩膨胀机组，r1-第一空气换热器，r2-空气换热器，v1～v4-第一至第四控制阀门，lng-液化天然气

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本实用新型的一个实施例。

实施例1

图1示出了本实用新型实施例1的热泵蓄能系统示意图。如图1所示，本实用新型的热泵蓄能系统，包括一高温蓄热单元、一低温蓄冷单元和一压缩膨胀单元。具体地，如图1所示：

高温蓄热单元包括一高温蓄热罐ht、一蓄热换热器h1和一第一常温蓄热罐at1，高温蓄热罐ht通过管路经高温蓄热罐ht的第一换热侧与第一常温蓄热罐at1连通，且高温蓄热罐ht中还设有与外界热源连通的换热管路，用以吸收外界热源中的高温热能；低温蓄冷单元，包括一低温蓄冷罐ct、一蓄冷换热器h2和一第二常温蓄热罐at2，低温蓄冷罐ct通过管路经蓄冷换热器h2的第一换热侧与第二常温蓄热罐at2连通，且低温蓄冷罐ct中还设有与外界冷源连通的换热管路，用以吸收外界冷源中的低温冷能。

压缩膨胀单元包括多个绝热压缩膨胀机组、一等温压缩膨胀机组和若干空气换热器，每一压缩膨胀机组均包括两个用于进气或排气的通气口，其中一个通气口进气时，另一个通气口排气，其中，第一绝热压缩膨胀机组ce1的第一通气口通过管路至少依次经第一空气换热器r1、蓄热换热器h1的第二换热侧、第二绝热压缩膨胀机组ce2、第二空气换热器r2、蓄冷换热器h2的第二换热侧后与第一绝热压缩膨胀机组ce1的第二通气口连通，从而形成绝热压缩膨胀回路；等温压缩膨胀机组ce3的第一通气口分为两路，一路通过带有第一控制阀门v1的旁通管路与第一空气换热器和第一绝热压缩膨胀机组ce1之间的连通管路连通，另一路通过带有第二控制阀门v2的旁通管路与第一空气换热器r1和蓄热换热器h1之间的连通管路连通；等温压缩膨胀机组ce3的第二通气口也分为两路，一路通过带有第三控制阀门v3的旁通管路与第二空气换热器r2和蓄冷换热器h2之间的连通管路连通，另一路通过带有第四控制阀门v4的旁通管路与第二空气换热器r2和第二绝热压缩膨胀机组ce2之间的连通管路连通。

如图2所示，系统处于储能工作模式时，将第一绝热压缩膨胀机组ce1、等温压缩膨胀机组ce3切换为膨胀模式，将第二绝热压缩膨胀机组ce2切换为压缩模式，将第一常温蓄热罐at1中的蓄热流体经蓄热换热器h1的第一换热侧输送至高温蓄热罐ht，将第二常温蓄热罐at2中的蓄冷流体经蓄冷换热器h2的第一换热侧输送至低温蓄冷罐ct，并关闭第二控制阀门v2、第四控制阀门v4，调节第一控制阀门v1、第三控制阀门v3的开度以控制旁通管路的流量，绝热压缩膨胀回路中的工作介质在第二绝热压缩膨胀机组ce2绝热压缩升温后，排出的高压工作介质依次经蓄热换热器h1的第二换热侧、第一空气换热器r1后通入第一绝热压缩膨胀机组ce1进行绝热膨胀降温，之后依次经蓄冷换热器h2的第二换热侧、第二空气换热器r2后通入第二绝热压缩膨胀机组ce2继续进行压缩，工作介质在经过蓄热换热器h1的第二换热侧时释放热量、在经过第一空气换热器r1时继续散热至接近常温，工作介质在经过蓄冷换热器h2的第二换热侧时释放冷量、在经过第二空气换热器r2时继续吸热至接近常温，在此过程中，压缩热被存储至高温蓄热罐ht，膨胀产生的冷量被存储至低温蓄冷罐ct；同时，经第一空气换热器r1散热后排出的部分接近常温的高压工作介质通过旁通管路通入等温压缩膨胀机组ce3进行等温膨胀做功，等温膨胀后的工作介质通过旁通管路通入第二空气换热器r2的进气侧。

如图3所示，系统处于释能工作模式时，将第一绝热压缩膨胀机组ce1、等温压缩膨胀机组ce3切换为压缩模式，将第二绝热压缩膨胀机组ce2切换为膨胀模式，将高温蓄热罐ht中的蓄热流体经蓄热换热器h1的第一换热侧输送至第一常温蓄热罐at1，将低温蓄冷罐ct中的蓄冷流体经蓄冷换热器h2的第一换热侧输送至第二常温蓄热罐at2，并关闭第一控制阀门v1、第三控制阀门v3，调节第二控制阀门v2、第四控制阀门v4的开度以控制旁通管路的流量，绝热压缩膨胀回路中的工作介质在第二绝热压缩膨胀机组ce2绝热膨胀降温后，排出的低压工作介质依次经第二空气换热器r2、蓄冷换热器h2的第二换热侧后通入第一绝热压缩膨胀机组ce1进行绝热压缩，之后依次经第一空气换热器r1、蓄热换热器h1的第二换热侧后通入第二绝热压缩膨胀机组ce2继续进行绝热膨胀，工作介质在经过第二空气换热器r2时散热至接近常温、在经过蓄冷换热器h2的第二换热侧时吸收冷量以继续降温，工作介质在经过第一空气换热器r1时吸热至接近常温、在经过蓄热换热器h1的第二换热侧时吸收热量以继续升温，在此过程中，高温蓄热罐ht中的热流体释放热量后通入第一常温蓄热罐at1，低温蓄冷罐ct中的冷流体释放冷量后通入第二常温蓄热罐at2；同时，第二绝热压缩膨胀机组ce2排出的部分低压工作介质通过旁通管路通入温压缩膨胀机组ce3进行等温压缩，等温压缩后的工作介质通过旁通管路通入蓄热换热器h1的第二换热侧的进气侧。

实施例2

图4为本实用新型实施例2的热泵蓄能系统示意图。该系统包括高温蓄热罐ht、低温蓄冷罐ct、第一常温蓄热罐at1、第二常温蓄热罐at2、蓄热换热器h1、蓄冷换热器h2、第一、二、四、五绝热压缩膨胀机组(ce1、ce2、ce4、ce5)、等温压缩膨胀机组ce3和其他辅助设备，等温压缩膨胀机组ce3通过一联轴器cl与第二绝热压缩膨胀机组ce2传动连接。同实施例1相比，本实施例在压缩膨胀单元中进一步设置了第四绝热压缩膨胀机组ce4、第五绝热压缩膨胀机组ce5，第四绝热压缩膨胀机组设置在蓄冷换热器h2和第一绝热压缩膨胀机组之间，第五绝热压缩膨胀机组设置在蓄热换热器h1和第二绝热压缩膨胀机组之间。

储能时，如图5所示，经第二空气换热器r2与环境的换热作用，接近常温的工作介质进入切换为压缩模式的第二、五绝热压缩膨胀机组ce2、ce5被压缩后升温升压，升温升压后的工作介质在蓄热换热器h1的第二换热侧放热后温度接近常温，同时热量进入高温蓄热罐ht，之后工作介质在第一空气换热器r1作用下，温度更接近常温，这时一部分工作介质进入切换为膨胀模式的第一、四绝热压缩膨胀机组ce1、ce4膨胀降温做功并产生冷量，部分工作介质在阀门v1、v3的调节作用进入切换为膨胀模式的等温压缩膨胀机组ce3并膨胀降压至常压状态。第四绝热压缩膨胀机组ce4出口的冷量在蓄冷换热器h2的第二换热侧中被蓄冷工质吸收并储存在蓄冷罐ct中。工作介质经第二空气换热器r2的散热作用变为常温状态，进入第二绝热压缩膨胀机组ce2，完成一个循环。通过旁路分配至等温压缩膨胀机组ce3的工作介质的比例依赖系统实际的工作条件。在此期间，如果有多余的可再生能源和工业余热可将其储存在高温蓄热罐ht,以备释能阶段用。同时第二绝热压缩膨胀机组ce2由等温压缩膨胀机组ce3直接驱动。

释能时，如图6所示，常温工质介质在蓄冷换热器h2的第二换热侧中吸收lng和蓄冷罐ct的冷量，低温状态的工质介质进入切换为压缩模式的第四、一绝热压缩膨胀机组ce4、ce1，被加压至高压状态，且接近常温，经第一空气换热器r1的作用后，更接近常温状态，其后进入高温蓄热器h1的第二换热侧吸收来自储能过程的蓄热能和外界能源蓄热能(可再生能源和工业余热等)，吸热后的工作介质变为高温高压状态，随后进入切换为膨胀模式的第二、五绝热压缩膨胀机组ce2、ce5中膨胀做功，膨胀出口工作介质一部分进入第二空气换热器r2和蓄冷换热器h2中重复以上循环，另一部分经控制阀门v4、v2调节后进入切换为压缩模式的等温压缩膨胀机组ce3压缩至常温高压态，重新进入高温蓄热换热器h1的第二换热侧吸热后进入膨胀机膨胀做功，形成一个内循环，增大了膨胀机流量，提高系统能量密度。同时，该等温压缩膨胀机组ce3由第二绝热压缩膨胀机组ce2直接驱动。

通过上述实施例，完全有效地实现了本实用新型的目的。该领域的技术人员可以理解本实用新型包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本实用新型已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本实用新型并不限于所公开的实施例，任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。