一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统及方法与流程

本发明涉及压缩空气储能，尤其是一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统及方法。

背景技术：

1、压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量空间，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并储存于储气室中；当电力系统负荷高峰时，将压缩空气导入膨胀机做功发电，满足电力系统调峰需要。

2、压气机、电动机、储气室等组成的蓄能子系统将电站低谷的低价电能通过压缩空气储存在储气室中。电力系统高峰负荷时，利用压缩空气进入膨胀机做功，膨胀机带动发电机作为发电子系统对外供给电能。

3、膨胀过程中储气室随着储存气体质量减少，气体压力不断降低，进入膨胀机的压缩空气压力也不断降低。造成两个不良后果，一是进气压力降低造成膨胀机效率降低，膨胀机输出功率逐步偏离额定功率；二是储气室压力和膨胀机进气压力降低到一定程度就要关闭膨胀机停止对外输出电能。储气室里面的压缩空气能量不能全部利用来膨胀发电，造成一部分能量损失。

4、鉴于此，本发明提供了一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统及方法，以克服上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供提出一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统及方法，可以把储气室里面的全部压缩空气都用来膨胀发电，膨胀机的做功范围为储气室预充气体的初始压力到压缩气体的最大压力；同时系统还耦合了太阳能供热系统，再加上制冷剂在相变工作时释放的冷量，让系统整体具有向外界交换冷热量的优点，使系统具有更高的热效率。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统，包括压缩子系统、储气系统、换热系统、膨胀子系统和太阳能供热系统；

4、所述压缩子系统包括电动机和与所述电动机相连的压缩机；

5、所述储气系统包括与所述压缩机相连的带预设初始压力工质气体的储气库和与所述储气库底部相连通的工质储存库；所述储气库内设置有活塞；所述工质储存库内的工质采用制冷剂；

6、所述换热系统包括热水罐、与所述热水罐相连通的冷水罐、设置在所述冷水罐与所述压缩机间的第一换热器、设置在所述工质储存库与换热系统间的第二换热器、换热系统与外界进行热交换的第三换热器、所述工质储存库与换热系统间的第四换热器、所述热水罐与膨胀机间的第五换热器；所述第二换热器和所述第三换热器设置在所述热水罐到所述冷水罐的管路上；所述第四换热器设置在所述冷水罐到热水罐的管路上；

7、所述膨胀子系统包括与所述储气库相连通的膨胀机和与所述膨胀机相连的发电机；

8、所述太阳能供热系统包括与所述热水罐相连通的太阳能集热器、冷水罐、热水罐、换热系统与外界进行热交换的第六换热器；所述第六换热器分别与所述冷水罐和所述热水罐相连通。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述压缩机与所述储气库相连的管路上设置有进气用的第一阀门；所述冷水罐到热水罐相连的管路上设置有第二阀门；所述储气库到工质储存库相连的管路上设置有控制工质进出的第三阀门；所述热水罐到冷水罐相连的管路上设置有第六阀门、所述储气库到所述膨胀机相连的管路上设置有放气用的第七阀门；所述太阳能集热器到热水罐相连的管路上设置有第八阀门；所述热水罐到太阳能集热器相连的管路上设置有第九阀门；所述热水罐经过第六换热器到冷水罐的管路上设置有第十阀门。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：在所述储气库到所述工质储存库相连的管路上还设置有控制工质流经所述第二换热器的第四阀门；在所述储气库到所述工质储存库相连的管路上还设置有控制工质流经所述第四换热器的第五阀门。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述制冷剂采用碳氢制冷剂r290，碳氢制冷剂r290的初始压力选在0.5mpa以下。

12、一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能方法，包括储能过程、释能过程、太阳能补能过程、对外供暖过程和对外供冷过程；能够供给电能，对外供给热能和冷能。

13、本发明技术方案的进一步改进在于：所述储能过程具体包括：打开电动机和第一阀门，电动机推动压缩机压缩空气，空气压力升高同时温度升高，打开冷水罐到热水罐的第二阀门，经过压缩后的压缩空气再经过冷水罐和第一换热器降温后进入储气库，压缩空气对活塞挤压推动使活塞另一侧的制冷剂压力升高，制冷剂压力升高到临界压力后打开工质储存库和第三阀门，同时打开第五阀门，制冷剂经过第四换热器放热后相变成液体进入工质储存库，制冷剂完全进入工质储存库后此时压缩空气充满储气库，关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门，储能过程停止。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：所述释能过程具体包括：打开工质储存库和储气库间的第四阀门和第三阀门以及热水罐到冷水罐的第六阀门，制冷剂经第二换热器吸热到临界温度时，此时打开放气用的第七阀门，制冷剂开始相变成气态进入储气库，推动活塞将储气库内所有压缩空气排出做功，压缩空气经过第五换热器吸热后进入膨胀机做功，膨胀机带动发电机向外发电，当制冷剂气体全部进入储气库后，关闭第四阀门、第三阀门、第六阀门和第七阀门，释能过程结束。

15、本发明技术方案的进一步改进在于：所述太阳能补能过程具体包括：热水罐中的热水能够利用太阳能集热器收集热量后，保持温度。

16、本发明技术方案的进一步改进在于：所述对外供暖过程具体包括：热水从热水罐流经第十阀门到第六换热器后将热量交换到外界用户，变成冷水流进冷水罐。

17、本发明技术方案的进一步改进在于：所述对外供冷过程具体包括：热水从热水罐流经第二换热器后将热量交换给制冷剂，吸收制冷剂的冷量变成冷水，经过第三换热器将冷量交换到外界用户后回到冷水罐。

18、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

19、1、本发明的优势在于系统同时具有储能供热供冷的功能，并且在耦合了太阳能供热系统后使得系统供热变得更加稳定；储气库带预设初始压力制冷剂，储能阶段中制冷剂相变进入工质储存库后压缩空气占据储气室的大部分容积；释能阶段时制冷剂相变回气态，将储气库内的压缩空气全部排出做功；同时换热系统在储能阶段对外界用户有供热，在释能阶段制冷剂相变带有大量的冷量可以提供给外界用户，使得换热系统换热效率更高。

20、2、本发明由电动机带动压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量空间，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并储存于储气室中；当电力系统负荷高峰时，将压缩空气导入膨胀机做功发电，满足电力系统调峰需要。

21、3、本发明提供了一种新型的空气热力循环储能系统，在进行压缩储能的条件下同时将储能过程中的热量与冷量全部交换给外界，并且储能阶段中的储气库充有易进行相变的制冷剂气体，因此储气库中的压缩气体可以全部排出做功。

技术特征：

1.一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统，其特征在于，包括压缩子系统、储气系统、换热系统、膨胀子系统和太阳能供热系统；

2.根据权利要求1所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统，其特征在于，所述压缩机（2）与所述储气库（6）相连的管路上设置有进气用的第一阀门（5）；所述冷水罐（4）到热水罐（16）相连的管路上设置有第二阀门（10）；所述储气库（6）到工质储存库（9）相连的管路上设置有控制工质进出的第三阀门（11）；所述热水罐（16）到冷水罐（4）相连的管路上设置有第六阀门（17）、所述储气库（6）到所述膨胀机（20）相连的管路上设置有放气用的第七阀门（19）；所述太阳能集热器（24）到热水罐（16）相连的管路上设置有第八阀门（22）；所述热水罐（16）到太阳能集热器（24）相连的管路上设置有第九阀门（23）；所述热水罐（16）经过第六换热器（26）到冷水罐的管路上设置有第十阀门（25）。

3.根据权利要求2所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统，其特征在于，在所述储气库（6）到所述工质储存库（9）相连的管路上还设置有控制工质流经所述第二换热器（8）的第四阀门（13）；在所述储气库（6）到所述工质储存库（9）相连的管路上还设置有控制工质流经所述第四换热器（15）的第五阀门（14）。

4.根据权利要求1所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统，其特征在于，所述制冷剂采用碳氢制冷剂r290，碳氢制冷剂r290的初始压力选在0.5mpa以下。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统的储能方法，其特征在于，包括储能过程、释能过程、太阳能补能过程、对外供暖过程和对外供冷过程；能够供给电能，对外供给热能和冷能。

6.根据权利要求5所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能方法，其特征在于，所述储能过程具体包括：打开电动机（1）和第一阀门（5），电动机（1）推动压缩机（2）压缩空气，空气压力升高同时温度升高，打开冷水罐（4）到热水罐（16）的第二阀门（10），经过压缩后的压缩空气再经过冷水罐（4）和第一换热器（3）降温后进入储气库（6），压缩空气对活塞（7）挤压推动使活塞（7）另一侧的制冷剂压力升高，制冷剂压力升高到临界压力后打开工质储存库（9）和第三阀门（11），同时打开第五阀门（14），制冷剂经过第四换热器（15）放热后相变成液体进入工质储存库（9），制冷剂完全进入工质储存库（9）后此时压缩空气充满储气库（6），关闭第一阀门（5）、第二阀门（10）、第三阀门（11）和第五阀门（14），储能过程停止。

7.根据权利要求5的所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能方法，其特征在于，所述释能过程具体包括：打开工质储存库（9）和储气库（6）间的第四阀门（13）和第三阀门（11）以及热水罐（16）到冷水罐（4）的第六阀门（17），制冷剂经第二换热器（8）吸热到临界温度时，此时打开放气用的第七阀门（19），制冷剂开始相变成气态进入储气库（6），推动活塞（7）将储气库（6）内所有压缩空气排出做功，压缩空气经过第五换热器（18）吸热后进入膨胀机（20）做功，膨胀机（20）带动发电机（21）向外发电，当制冷剂气体全部进入储气库（6）后，关闭第四阀门（13）、第三阀门（11）、第六阀门（17）和第七阀门（19），释能过程结束。

8.根据权利要求5的所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能方法，其特征在于，所述太阳能补能过程具体包括：热水罐（16）中的热水能够利用太阳能集热器（24）收集热量后，保持温度。

9.根据权利要求5的所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能方法，其特征在于，所述对外供暖过程具体包括：热水从热水罐（16）流经第十阀门（25）到第六换热器（26）后将热量交换到外界用户，变成冷水流进冷水罐（4）。

10.根据权利要求5的所述的一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能方法，其特征在于，所述对外供冷过程具体包括：热水从热水罐（16）流经第二换热器（8）后将热量交换给制冷剂，吸收制冷剂的冷量变成冷水，经过第三换热器（12）将冷量交换到外界用户后回到冷水罐（4）。

技术总结本发明公开了一种以制冷剂为工质的空气热力循环储能系统及方法，属于压缩空气储能领域，系统包括设置有电动机和压缩机的压缩子系统、设置有储气库和工质储存库的储气系统、设置有热水罐和冷水罐及若干换热器的换热系统、设置有膨胀机和发电机的膨胀子系统以及设置有太阳能集热器的太阳能供热系统；方法包括储能过程、释能过程、太阳能补能过程、对外供暖过程和对外供冷过程；能够供给电能，对外供给热能和冷能。本发明可以把储气室里面的全部压缩空气都用来膨胀发电，膨胀机的做功范围为储气室预充气体的初始压力到压缩气体的最大压力；太阳能供热系统和制冷剂在相变工作时释放的冷量使系统整体能够向外界交换冷热量，具有更高的热效率。技术研发人员：董舟,陈瀚钊,武洋,赵文焕,刘健,徐培培,王欢受保护的技术使用者：中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/30