储能与发电系统及其运行方法与流程

本发明涉及储能与发电，具体涉及一种储能与发电系统及其运行方法。

背景技术：

1、大规模长时储能技术是电网消纳光伏、风电等不稳定新能源电力的重要手段。目前，抽水蓄能和压缩空气储能是大规模长时储电的主流技术，然而两者均对地理位置的有一定的要求，造成发展受限。

2、热泵储电技术是受到学术界和工业界广泛关注的新兴大规模长时储能技术。其在用电低谷时利用热泵循环将电转化为冷和热储存起来，而后在用电高峰时通过反向的热机循环(布雷顿循环、朗肯循环等)将储存的冷和热转化为电输出。在储热过程中，由于采用热泵循环，其储热效率可高于1。而后续的放电循环过程由于利用了在储热过程中储存的冷，其热机循环的效率更高。综合两者，热泵储电技术可以实现较高的储能效率。同时，热泵储电技术储能密度较高，可达到压缩空气储能的10倍以上，其储能成本相对较低，并且不受地理位置限制。

3、热泵储电技术按照储热和储冷方式可分为两种，双罐液态介质实现储热和储冷以及单罐固体储热和储冷。采用液态的储热和储冷材料与循环工质通过换热器换热，系统运行稳定，储罐温度统一，长时储存热平衡损失少；然而其储热和储冷材料成本较高，储热和储冷材料与循环工质间接换热，换热效率较低，需要两个大型的换热器才能实现。而采用固体储热和储冷的方式，材料价格低廉，储热材料与循环工质直接接触，换热效率高，可以省去两个大型换热器，系统相对简单。然而固体填料床储罐会产生斜温层，斜温层指的是储罐内高温介质和低温介质之间存在温度梯度的区域。斜温层的存在使得储罐内并不是完全的充满，或者完全放空的状态，是一个部分充放热的过程，储存的能量不能够被充分利用。同时，斜温层的存在会导致进出储罐的循环工质工况波动，系统运行不稳定且储罐内介质热平衡损失高。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中采用双罐液体储能换热的储能成本高和单罐固体储能换热出现斜温层导致能量不能被充分利用及系统不稳定的缺陷，提供一种储能与发电系统及其运行方法。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、本发明提供一种储能与发电系统，所述储能与发电系统包括通过气体输送管道依次连接的高温压缩装置、第一换热装置、低温透平、第二换热装置，所述第二换热装置也与所述高温压缩装置通过气体输送管道连接以形成第一气路回路，所述高温压缩装置用于储能，还与外部驱动装置连接；

4、所述储能与发电系统还包括低温压缩装置和高温透平，所述低温压缩装置和所述高温透平分别通过气体输送管道连接在所述第一换热装置和所述第二换热装置上以形成第二气路回路，所述高温透平用于发电，还与外部发电装置连接；

5、所述第一换热装置与所述第二换热装置内均设有固体输送通道，所述第一换热装置内的所述固体输送通道的两端分别连接有用于储热的高温储热装置和低温储热装置，所述第二换热装置内的所述固体输送通道的两端分别连接有用于储冷的高温储冷装置和低温储冷装置。

6、在本方案中，储能时，启动外部驱动装置带动高温压缩装置工作，气体介质通过高温压缩装置后温度升高，第一换热装置与高温储热罐和低温储热罐连通，将升温后的气体介质与低温储热罐内的固体介质导入第一换热装置进行热量交换，能够将气体介质上携带的热量储存在高温储热罐内；换热后的气体介质经过第一换热装置换热后进入低温透平的温度降低，降温后的气体介质与高温储冷装置内的固体介质导入第二换热装置与气体介质进行热量交换，能够将气体介质上携带的热量储存在低温储冷装置内，进而完成整个储能过程。

7、发电时，将气体介质与低温储冷装置内固体介质一起导入第二换热装置内进行热交换，热交换后的固体介质被输送至高温储冷装置内进行储存，将热交换后气体介质导入低温压缩装置内加压升温；气体介质通过低温压缩装置后温度升高，第一换热装置与高温储热罐和低温储热罐连通，将升温后的气体介质与高温储热罐内的固体介质导入第一换热装置进行热量交换，能够将高温储热罐内固体介质携带的热量传输至气体介质上；换热后的气体介质经过第一换热装置换热后进入高温透平的温度降低，降温后的气体介质与低温储冷装置内的固体介质导入第二换热装置与气体介质进行热量交换，能够将低温储冷装置内固体介质携带的热量传输至气体介质上，进而完成整个发电过程。

8、气体介质与固体介质分别在气体输送通道和固体输送通道内运行，能够使得系统换热流畅，能够降低整个系统的热平衡损失，不会使系统内固体介质和气体介质的工况产生较大波动，导致系统运行不稳定。同时高温储热装置和低温储热装置、高温储冷装置和低温储冷装置内均不会出现斜温层，也能够保证气体介质与固体介质能够充分换热，储罐内的能量能够被充分利用。优选地，所述第一气路回路上，所述第一换热装置与所述低温透平之间设有用于对气体介质降温的冷却装置；

9、和/或，所述第二气路回路上，所述第一换热装置与所述低温压缩装置之间设有用于对气体介质降温的冷却装置。

10、在本方案中，对第一气路回路内的气体介质冷却，能够平衡高温压缩装置和低温透平在工作时产生的热量；对第二气路回路内的气体介质冷却，能够平衡低温压缩装置和高温透平在工作时产生的热量，有利于整个系统的热量平衡，提升系统工作的稳定性。

11、优选地，所述高温压缩装置与所述低温透平之间传动连接；

12、和/或，所述低温压缩装置与所述高温透平之间传动连接。

13、在本方案中，低温透平做功能够部分替代高温压缩装置的压缩耗工，高温透平做功能够部分替代低温压缩装置的压缩耗工，进而降低整个系统的耗能。

14、优选地，所述固体输送通道为所述第一换热装置或所述第二换热装置的壳程通道；所述固体输送通道内还套设有中空转轴，所述中空转轴的内腔为所述第一换热装置或所述第二换热装置用于气体介质输送的管程通道；沿所述中空转轴的轴向，所述中空转轴的外壁上设有多个螺旋叶片；所述螺旋叶片为中空结构，所述螺旋叶片的内腔与所述中空转轴的内腔相连通。

15、在本方案中，中空转轴转动时，螺旋叶片能够将固体介质从固体输送通道的一端输送至固体输送通道的另一端，实现固体介质的输送。通过改变中空转轴的转动方向，能够改变固体介质的输送方向。

16、螺旋叶片的内腔与中空转轴的内腔相连通，气体介质通入该相连通的内腔后，能够通过中空转轴的外壁与螺旋叶片的外壁与壳程通道内的固体介质进行间接换热。该间接换热的方式能够使得系统换热流畅，能够降低整个系统的热平衡损失，不会使系统内固体介质和气体介质的工况产生较大波动，导致系统运行不稳定。

17、优选地，所述储能与发电系统还包括预加压装置，所述预加压装置用于对气体介质预先加压，使系统内最低压力保持在常压以上；

18、所述预加压装置连接所述高温压缩装置，以用于使加压后的气体介质导入所述高温压缩装置内；和/或，所述预加压装置连接所述低温压缩装置，以用于使加压后的气体介质导入所述低温压缩装置内。

19、在本方案中，通过设置预加压装置能够降低循环气体介质的流量，减少系统高温压缩装置、低温压缩装置、高温透平、低温透平、第一换热装置和第二换热装置等主要设备的尺寸，进一步降低储能成本，同时提高系统的稳定性，实现电力的低成本稳定储存。

20、本发明还提供一种储能与发电系统的运行方法，采用如上所述的储能与发电系统，所述储能与发电系统的运行方法包括，

21、储能时，开启所述外部驱动装置以带动所述高温压缩装置，并启动所述第一换热装置，将加压升温后的气体介质与所述低温储热装置内的固体介质在所述第一换热装置内进行第一次热交换，第一次热交换后的固体介质被输送至所述高温储热装置内实现储热；其中，所述高温压缩装置的压比为2-5，所述加压升温后的气体介质的温度达到400℃-600℃、压力达到2bar-25bar；所述第一次热交换后的固体介质的温度为390℃-590℃。

22、在本方案中，外部驱动装置转动连接高温压缩装置对气体介质压缩做功，产生的热能量通过气体介质传输至固体介质进行储存。

23、优选地，所述储能与发电系统的运行方法还包括，

24、第一次热交换后的气体介质被输送至所述低温透平内释压降温，将释压降温后的气体介质与所述高温储冷装置内固体介质导入所述第二换热装置内进行第二次热交换，第二次热交换后的气体介质被输送至所述高温压缩装置内以使气体介质在所述第一气路回路内完成循环，第二次热交换后的固体介质被输送至所述低温储冷装置内进行储冷；其中，所述高温压缩装置的膨胀比为2-5，所述释压降温后的气体介质的温度达到-50℃～-10℃；所述第二次热交换后的固体介质的温度为-40℃～0℃。

25、在本方案中，经过低温透平的气体介质的温度降低，其携带的冷能量传输至固体介质进行储存。

26、优选地，所述储能与发电系统的运行方法还包括，

27、发电时，将气体介质导入所述低温压缩装置内加压升温，启动所述第一换热装置，将加压升温后的气体介质与所述高温储热装置内固体介质导入所述第一换热装置进行第三次热交换，第三次热交换后的固体介质被输送至所述低温储热装置内储存，第三次热交换后的气体介质被输送至所述高温透平内释压降温，所述低温压缩装置带动所述发电装置做功以实现发电；其中，所述第三次热交换后的气体介质的温度达到380℃-580℃、压力达到2bar-27bar；所述低温压缩装置的膨胀比为2-6，释压降温后的气体介质的温度达到210℃-390℃。

28、优选地，所述储能与发电系统的运行方法还包括，

29、启动所述第二换热装置，将释压降温后的气体介质与所述低温储冷装置内固体介质一起导入所述第二换热装置内进行第四次热交换，第四次热交换后的固体介质被输送至所述高温储冷装置内储存，将第四次热交换后气体介质导入所述低温压缩装置内加压升温以使气体介质所述第二气路回路内完成循环；其中，所述第四次热交换后的气体介质的温度达到-30℃～10℃；所述低温压缩装置的压比为2-6，所述加压升温后的气体介质的温度达到70℃-150℃、压力达到2bar-27bar。

30、在本方案中，通过对经过高温透平的气体介质再次降温，以平衡整个储能与发电系统的运行温度，避免温度持续升高超过系统运行温度而降低系统工作的稳定性。

31、优选地，所述储能与发电系统的运行方法还包括，

32、通过预加压装置对气体介质进行预加压，再将预加压后的气体介质通入所述高温压缩装置内，使所述储能与发电系统在储能时的最低压力保持在1-5bar；

33、和/或，通过预加压装置对气体介质进行预加压，再将预加压后的气体介质通入所述低温压缩装置内，使所述储能与发电系统在发电时的最低压力保持在1-5bar。

34、本发明的积极进步效果在于：气体介质和固体介质分别在气体输送通道和固体输送通道里运行，能够使得系统换热流畅，降低整个系统的热平衡损失，不会使系统内的工况产生较大波动，导致系统运行不稳定。同时高温储热装置和低温储热装置、高温储冷装置和低温储冷装置内均不会出现斜温层，能够保证气体介质与固体介质能够充分换热，储罐内的能量能够被充分利用。