一种跨临界朗肯循环与二氧化碳热泵耦合的卡诺电池系统

本发明属于储能，具体涉及一种跨临界二氧化碳循环耦合跨临界水蒸气朗肯循环并采用双蓄热工质的新型高温的卡诺电池储能系统。

背景技术：

1、卡诺电池，也称为热泵储能，即使用剩余电力驱动充电过程，将电力以热能的形式储能，当需要电力时，发电过程通过储存的热能驱动热力循环发电以实现电力转换。常规采用朗肯循环为发电过程的卡诺电池系统，蒸发温度普遍不高导致发电效率较低。对于水蒸气朗肯循环而言，受限于水蒸发温度的限制，其工作温度普遍不高，一般为310-337℃左右，这极大限制了卡诺电池系统的往返效率。而有机朗肯循环工质受限于常规制冷剂、烃类以及硅氧烷等，最高运行温度也仅在300℃左右，效率较低。跨临界水蒸气朗肯循环以高效、节能和环保等特点被广泛用于燃煤电厂和核电厂中，高温高压的水蒸气进入透平膨胀做功可以带来更大的发电效率。

2、热力循环与蓄热工质的温度匹配是提高卡诺电池系统性能的关键问题。充电过程使用电阻加热器效率较低，电阻加热器的效率最高约为0.95左右，这表明消耗大量电力产生的热量无法被充分利用，热损失大，匹配性差。一种可替代的选择是采用热泵循环为充电过程，热泵的性能系数一般大于1。其中，跨临界二氧化碳热泵循环更具应用潜力，天然工质二氧化碳具有低成本、环保、不可燃和传热性能高等优点。通过利用超临界和亚临界状态下工作流体的传热特性，跨临界二氧化碳循环使充电和发电循环与蓄热工质具有良好的温度匹配。

3、另一方面，单独的显热与潜热储存都不能与亚临界循环形成良好的热匹配。加压水储存热能仅适用于中低温热能储存，随着储存温度的升高，会导致水罐壁厚增加，成本效益下降。熔盐是在高温储热中常见的蓄热工质，具有良好的热稳定性和传热能力，但是高的熔点，约为221℃，限制了它的蓄热能力。

技术实现思路

1、为了解决常规卡诺电池系统往返效率不高的问题、热力循环与蓄热工质温度不匹配的问题，本发明提供了一种跨临界朗肯循环与二氧化碳热泵耦合的卡诺电池系统。

2、一种跨临界朗肯循环与二氧化碳热泵耦合的卡诺电池系统包括跨临界二氧化碳循环回路、熔盐循环回路和跨临界水蒸气朗肯循环回路；

3、所述跨临界二氧化碳循环回路由蒸发器1、第一预热器2、第二预热器3、压缩机4、第一换热器5、第二换热器6和二氧化碳透平7构成；

4、所述蒸发器1的二氧化碳侧的出口串联着第一预热器2低温端侧、第二预热器3低温端侧和压缩机4入口，压缩机4出口串联着第一换热器5的二氧化碳侧和第二预热器3高温端侧，第二预热器3高温端的出口分成两路，一路串联着第一预热器2高温段侧，另一路串联着第二换热器6的二氧化碳侧，第二换热器6的二氧化碳侧的出口和第一预热器2高温段的出口并联连通着二氧化碳透平7的入口，二氧化碳透平7的出口连通着蒸发器1的二氧化碳侧的入口；

5、所述熔盐循环回路由低温熔盐罐8、第一熔盐泵9、第一换热器5的熔盐侧、高温熔盐罐10、第二熔盐泵11、水预热器16的熔盐侧、蒸汽产生器17的熔盐侧、过热器18的熔盐侧、第一再热器20的熔盐侧和第二再热器21的熔盐侧构成；

6、所述低温熔盐罐8的出口依次串联着第一熔盐泵9、第一换热器5的熔盐侧、高温熔盐罐10和第二熔盐泵11；第二熔盐泵11的出口分为两路，一路依次串联着第二再热器21的熔盐侧、蒸汽产生器17的熔盐侧和第一再热器20的熔盐侧，另一路依次串联着过热器18的熔盐侧，过热器18的熔盐侧的出口并联着蒸汽产生器17的熔盐侧的进口；蒸汽产生器17的熔盐侧的出口并联着水预热器16的熔盐侧的进口；水预热器16的熔盐侧的出口和第一再热器20的熔盐侧的出口并联连通着低温熔盐罐8的进口；

7、所述跨临界水蒸气朗肯循环回路由依次串联的低温水罐12、第一水泵13、第二换热器6的水蒸气侧、高温水罐14、第二水泵15、水预热器16的水蒸气侧、蒸汽产生器17的水蒸气侧、过热器18的水蒸气侧、高压透平19、第一再热器20的水蒸气侧、第二再热器21的水蒸气侧、低压透平22、冷凝器23和第三水泵24构成；

8、所述卡诺电池系统实现三种工作模式，即额定模式、充电模式和发电模式。

9、进一步的技术要求如下：

10、所述额定模式为跨临界二氧化碳循环回路、熔盐循环回路和跨临界水蒸气朗肯循环回路同时工作，实现充电与发电。

11、所述充电模式时，跨临界水蒸气朗肯循环回路不工作，系统实现消纳过剩电力，并转化为热能储存。

12、所述发电模式时，跨临界二氧化碳循环回路不工作，系统储存的热能再次被转化为电能，用于满足电力需求及调峰。

13、与现有技术相比较，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

14、1.本发明将常规跨临界二氧化碳热泵循环系统与跨临界水蒸气朗肯循环相结合，首次提出了一种新型双蓄热工质高温卡诺电池系统，并应用于储能中。解决了常规卡诺电池系统往返效率低，蓄热温度低导致蓄热容量小以及热力循环与蓄热工质温度不匹配导致能量损失高等问题。当系统主蒸汽的温度和压力分别为540℃和24.1mpa时，跨临界水蒸气朗肯循环的发电效率为41.46％，当系统二氧化碳的蒸发温度为10℃时，跨临界二氧化碳热泵的性能系数为1.6，高温卡诺电池系统的往返效率最大可达66.27％，比常规卡诺电池系统往返效率一般在60％左右有显著提高。

15、2.本发明具有独特的双罐熔盐结合双罐水的双蓄热介质储能方案。熔盐蓄热是目前最成熟的显热蓄热技术之一，它具有低蒸汽压力，高热稳定性以及与钢材有高相容性等优点，但是高熔点，约为221℃，限制的它在中低温蓄热领域的应用。为了解决这一难题，本发明使用加压水替代熔盐储存中低温热能。跨临界二氧化碳热泵循环将电能转化为热能并储存在蓄热介质中，其中，压缩机4的出口温度达到570℃，为了进一步增强循环与蓄热介质的温度匹配并减少热泵节流损失，将热泵的高温端和低温端分开，分别向熔盐和水两种工质放热。本发明中熔盐通过第一换热器5吸收热泵高温端热量被加热到560℃，高温熔盐工质被储存高温熔盐罐10中，随后用于驱动跨临界水蒸气朗肯循环发电。高温端在向熔盐工质放热后，低温端继续通过第二换热器6与水换热，进一步利用二氧化碳的热能，水吸收低温端热量被加热到150-280℃。通过系统独特的熔盐和水的双蓄热介质实现梯级蓄热，充分利用了二氧化碳工质的热量，还避免了传统跨临界二氧化碳热泵冷凝温度过高导致cop下降的弊端。

16、3.水同时作为蓄热、传热和跨临界朗肯循环的工质具有以下几个优点，(1)熔盐储存高品位热量，水储存中低品位热量，梯级蓄热配置加强了热力循环与蓄热介质间的温度匹配。相比于常规使用熔盐蓄热的跨临界二氧化碳热泵系统中二氧化碳经过节流阀产生巨大的不可逆损失，本发明中二氧化碳被熔盐冷却后温度降为340-370℃，再被水冷却后温度进一步降低为45-160℃，大大减少了节流损失；(2)中低温热量使用工质水储存减少了熔盐的使用量，降低了蓄热的成本，提高了经济效益；(3)水在储存热量后直接送入跨临界朗肯循环中作为动力循环介质，避免了使用熔盐/水换热器带来的额外投资成本，而且减少了二次换热带来的不可逆性损失。