一种太阳能辅助的化学链热泵储电系统

本发明属于电网级储电领域，涉及一种太阳能辅助的化学链热泵储电系统，具体涉及利用压缩机和塔式太阳能集热器将电能和太阳能转化为热能，并最终转化为金属氧化物中稳定的化学能而进行存储的热泵储电系统。

背景技术：

1、当前，可实现大规模储能调峰的技术包括抽水蓄能技术、压缩空气储能技术、液态空气储能技术、储氢技术、热泵储电技术等，其中抽水蓄能技术和压缩空气储能技术受地理位置的限制，需要有能够储存压缩空气的大型洞穴或者额外建立大容量储气罐。液态空气储能技术和储氢技术尽管具有较高的储能密度，但往返效率相对较低。热泵储电技术作为一种新型储电技术，其工作原理是通过热泵循环将电能转化为热能，并利用显热或潜热的形式进行储能，不仅具有占地面积小、不受地理位置限制的特点，还具有往返效率高、工作稳定等优点。然而，显热或潜热储能本身也具有热量不宜长期存储、容量密度有限等缺点。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是针对现有大规模储能方案的不足，提供一种储能密度大、储能稳定性高的太阳能辅助的化学链热泵储电系统。

2、技术方案：本发明所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，包括化学链热泵储电系统和塔式太阳能集热器，所述化学链热泵储电系统包括低压空气压缩机、高压空气压缩机、蓄热反应床层、充电侧膨胀机、第一电动机、第一发电机、储气罐、放电侧膨胀机、第二发电机和分流阀，蓄热反应床层中设置有高价态金属载氧体meox；第一电动机依次与低压空气压缩机和高压空气压缩机连接；低压空气压缩机与分流阀入口相连，分流阀第一出口、塔式太阳能集热器、蓄热反应床层和充电侧膨胀机依次相连，充电侧膨胀机连接第一发电机；分流阀第二出口、高压空气压缩机、储气罐、蓄热反应床层和放电侧膨胀机依次相连，第二发电机连接放电侧膨胀机和电网；

3、当发电功率大于用电负荷时，以充电模式运行：

4、来自光伏、风电或电网的电能驱动第一电动机运转，第一电动机带动低压空气压缩机和高压空气压缩机工作，低压空气压缩机将来自外界环境的空气压缩为低压空气；高压空气压缩机将来自分流阀第二出口的低压空气进一步压缩为高压空气并储存在储气罐中；塔式太阳能集热器将来自分流阀第一出口的低压空气加热为高温低压空气并输入蓄热反应床层，高价态金属载氧体meox受热分解为低价态金属载氧体meox-2；流出蓄热反应床层的第一工作气体输入至充电侧膨胀机做功并驱动第一发电机工作，产生的电能供给第一电动机；

5、当发电功率小于用电负荷时，以放电模式运行：

6、来自储气罐的高压空气流入蓄热反应床层中，与低价态金属载氧体meox-2发生氧化反应，生成高价态金属载氧体meox并放出大量热量，产生的高温高压的第二工作气体流出蓄热反应床层并输入至放电侧膨胀机做功，驱动第二发电机运转，产生的电能供给电网。

7、进一步地，所述化学链热泵储电系统还包括第一回热器，分流阀第一出口连接第一回热器冷侧入口，塔式太阳能集热器连接第一回热器冷侧出口；蓄热反应床层连接第一回热器热侧入口，充电侧膨胀机连接第一回热器热侧出口。

8、进一步地，所述化学链热泵储电系统还包括第二回热器，储气罐连接第二回热器冷侧入口，蓄热反应床层连接第二回热器冷侧出口；放电侧膨胀机连接第二回热器热侧入口。

9、本发明通过在系统中增设回热器进行余热回收，极大地提高了系统的充放电效率。

10、进一步地，所述化学链热泵储电系统还包括余热利用装置，余热利用装置连接第二回热器热侧出口。

11、进一步地，余热利用装置的余热利用方式包括供暖、有机朗肯循环及海水淡化。

12、进一步地，高价态金属载氧体meox包括mn2o3、cuo和co3o4。

13、进一步地，蓄热反应床层中的高价态金属载氧体meox采用固定床布置，以翅片或金属骨架来增强换热，空气与金属氧化物之间进行直接接触式换热。

14、空气与储能物质直接换热，增强了换热效果，降低了传热温差，进一步提高了储电系统效率。

15、进一步地，低压空气压缩机、高压空气压缩机和充电侧膨胀机同轴连接。

16、进一步地，在充电模式中，流入高压空气压缩机的空气流量需满足放电模式中蓄热反应床层发生氧化反应所需的空气流量；第一发电机发出的电能小于第一电动机消耗的电能。

17、进一步地，在充电模式中，低压空气压缩机的出口压力在2～4atm，高压空气压缩机的出口压力在5atm以上。

18、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

19、通过塔式太阳能集热器和热泵储能循环将太阳能和电能转化为热能，并以稳定化学能的形式进行储存，提高了常规热泵储能系统的容量密度和储能稳定性，具有如下的特点：

20、(1)采用金属氧化物作为储能物质，以空气作为工作气体，以太阳能和电能作为系统的能源输入，成本低廉，清洁无污染，同时由于化学能具有极高的稳定性和反应焓变，从而提供了一套具有更高灵活性、稳定性和容量密度的储电方案。

21、(2)在充电模式中，通过设置低压空气压缩机和高压空气压缩机，提高了储电系统调峰容量，进一步提升了对可再生能源电力的消纳能力。

22、(3)该系统应用广泛，可与新能源发电厂配套使用，提高发电稳定性；可与火力发电厂配套使用，满足电网调峰需求，利用电力市场的阶梯电价还可以增加发电厂的收益。

技术特征：

1.一种太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，包括化学链热泵储电系统和塔式太阳能集热器(4)，所述化学链热泵储电系统包括低压空气压缩机(1)、高压空气压缩机(2)、蓄热反应床层(5)、充电侧膨胀机(6)、第一电动机(7)、第一发电机(8)、储气罐(9)、放电侧膨胀机(11)、第二发电机(12)和分流阀(15)，蓄热反应床层(5)中设置有高价态金属载氧体meox；第一电动机(7)依次与低压空气压缩机(1)和高压空气压缩机(2)连接；低压空气压缩机(1)与分流阀(15)入口相连，分流阀(15)第一出口、塔式太阳能集热器(4)、蓄热反应床层(5)和充电侧膨胀机(6)依次相连，充电侧膨胀机(6)连接第一发电机(8)；分流阀(15)第二出口、高压空气压缩机(2)、储气罐(9)、蓄热反应床层(5)和放电侧膨胀机(11)依次相连，第二发电机(12)连接放电侧膨胀机(11)和电网；

2.根据权利要求1所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，所述化学链热泵储电系统还包括第一回热器(3)，分流阀(15)第一出口连接第一回热器(3)冷侧入口，塔式太阳能集热器(4)连接第一回热器(3)冷侧出口；蓄热反应床层(5)连接第一回热器(3)热侧入口，充电侧膨胀机(6)连接第一回热器(3)热侧出口。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，所述化学链热泵储电系统还包括第二回热器(10)，储气罐(9)连接第二回热器(10)冷侧入口，蓄热反应床层(5)连接第二回热器(10)冷侧出口；放电侧膨胀机(11)连接第二回热器(10)热侧入口。

4.根据权利要求3所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，所述化学链热泵储电系统还包括余热利用装置(13)，余热利用装置(13)连接第二回热器(10)热侧出口。

5.根据权利要求4所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，余热利用装置(13)的余热利用方式包括供暖、有机朗肯循环及海水淡化。

6.根据权利要求1所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，高价态金属载氧体meox包括mn2o3、cuo和co3o4。

7.根据权利要求1所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，蓄热反应床层(5)中的高价态金属载氧体meox采用固定床布置，以翅片或金属骨架来增强换热，空气与金属氧化物之间进行直接接触式换热。

8.根据权利要求1所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，低压空气压缩机(1)、高压空气压缩机(2)和充电侧膨胀机(6)同轴连接。

9.根据权利要求1所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，在充电模式中，流入高压空气压缩机(2)的空气流量需满足放电模式中蓄热反应床层(5)发生氧化反应所需的空气流量；第一发电机(8)发出的电能小于第一电动机(7)消耗的电能。

10.根据权利要求1所述的太阳能辅助的化学链热泵储电系统，其特征在于，在充电模式中，低压空气压缩机(1)的出口压力在2～4atm，高压空气压缩机(2)的出口压力在5atm以上。

技术总结本发明公开了一种太阳能辅助的化学链热泵储电系统，包括化学链热泵储电系统和塔式太阳能集热器，充电模式下，低压空气压缩机输出的低压空气分为两股，一股经高压空气压缩机压缩为高压空气存于储气罐中，另一股经第一回热器和塔式太阳能集热器加热后输入蓄热反应床层，蓄热反应床层中的高价态金属载氧体受热分解为低价态金属载氧体，输出的反应气预热低压空气后进入充电侧膨胀机做功，驱动第一发电机发电；放电模式下，储气罐的高压空气经第二回热器加热后流入蓄热反应床层，还原低价态金属载氧体并放热，形成的高温高压气体输入放电侧膨胀机做功，驱动第二发电机发电，乏气于第二回热器预热高压空气。本发明具有储能密度大、储能稳定性高的优点。技术研发人员：陈时熠,姜锦涛,李绩新,陈书博,向文国受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6