一种储能系统
技术领域
本实用新型属于能量储存技术领域，涉及一种储能系统，尤其涉及一种储能系统，是一种基于热泵循环存储能量以及利用所存储能量产生电能的储能系统。
背景技术
近年来，可再生能源正逐步成为新增电力重要来源，电网结构和运行模式都发生了重大变化。随着可再生能源(风能、太阳能等)的日益普及,以及电网调峰、提高电网可靠性和改善电能质量的迫切需求,电力储能系统的重要性日益凸显。储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源(以下简称能源互联网)的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。
目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。其中以抽水储能、储热储能和压缩空气储能为代表的物理方法储能由于其成本低、储能容量大，适合大规模商业化应用，约占世界储能总量的99.5％。
抽水电站储能系统在电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。抽水电站储能系统技术上成熟可靠、效率高(～70％)、储能容量大等优点，目前已经广泛使用。但是，抽水电站储能系统需要特殊的地理条件建造两个水库和水坝，建设周期很长(一般约7～15年)，初期投资巨大。更为棘手的是，建造大型水库会大面积淹没植被甚至城市，造成生态和移民问题，因此建造抽水电站储能系统受到了越来越大的限制。
传统压缩空气储能系统在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。压缩空气储能系统具有储能容量较大、储能周期长、效率高(50％～70％)和单位投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能技术的储能密度低，难点是需要合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。而且，压缩空气储能系统仍然依赖燃烧化石燃料提供热源，一方面面临化石燃料逐渐枯竭和价格上涨的威胁，另一方面其燃烧仍然产生氮化物、硫化物和二氧化碳等污染物，不符合绿色(零排放)、可再生的能源发展要求。
为解决传统压缩空气储能系统面临的主要问题，最近几年国内外学者分别开展了先进绝热压缩空气储能系统(AACAES)、地面压缩空气储能系统(SVCAES)、带回热的压缩空气储能系统(AACAES)和空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统(CASH)的研究等，使压缩空气储能系统基本可以避免燃烧化石燃料，但是压缩空气储能系统的能量密度仍然很低，需要大型的储气室。
实用新型内容
针对现有技术所存在的上述缺点和不足，本实用新型的目的是提供一种储能系统，该系统包括热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、间接储热回路和间接储冷回路。采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并通过换热器将热能和冷能交换至间接储热回路和间接储冷回路，存储于储热单元和储冷单元中；在用电高峰，冷热能热机发电回路的气体通过换热器与间接储热回路和间接储冷回路换热，吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。本实用新型的基于间接储冷储热具有结构简单、成本低、储能密度高、效率高、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
一种储能系统，所述系统包括电驱动单元、储能压缩机组、储能膨胀机组、储冷回路换热器、低温蓄冷单元、低温风机、储热回路换热器、高温风机、高温蓄热单元、第一高压换热器、第二高压换热器、释能压缩机组、释能膨胀机组、发电单元、第一低压换热器、第二低压换热器、第一至第四三通阀门，
其中，
所述电驱动单元驱动连接所述储能压缩机组，所述储能压缩机组与所述储能膨胀机组传动连接，所述释能压缩机组与所述释能膨胀机组传动连接，所述释能膨胀机组驱动连接所述发电单元；所述第一至第四三通阀门均包括三个接口，分别为第一接口、第二接口、第三接口；
其特征在于，
所述系统设置成热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、间接储热回路和间接储冷回路，其中，
--所述热泵制热制冷储能回路中，
所述储能压缩机组的排气口通过管线依次经所述三通阀门Ⅰ的第一接口及第二接口、储热回路换热器的热侧、三通阀门Ⅱ的第一接口及第二接口、第一高压换热器的热侧与所述储能膨胀机组的进气口连通，
所述储能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述三通阀门Ⅲ的第一接口及第二接口、储冷回路换热器的冷侧、三通阀门Ⅳ的第一接口及第二接口、第一低压换热器的冷侧与所述储能压缩机组的进气口连通；
--所述冷热能热机发电回路中，
所述释能压缩机组的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器的热侧、三通阀门Ⅱ的第三接口及第一接口、储热回路换热器的热侧、所述三通阀门Ⅰ的第二接口及第三接口与所述释能膨胀机组的进气口连通，
所述释能膨胀机组的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器的冷侧、三通阀门Ⅳ的第三接口及第一接口、储冷回路换热器的冷侧、三通阀门Ⅲ的第二接口及第三接口与所述释能压缩机组的进气口连通；
--所述间接储热回路中，所述储热回路换热器的冷侧、高温风机、高温储热单元通过管线依次连接形成闭合回路；
---所述间接储冷回路中，所述储冷回路换热器的热侧、低温风机、低温储冷单元通过管线依次连接形成闭合回路。
优选地，在用电低谷期，所述系统利用所述热泵制热制冷循环回路制备高温热能和低温冷能，并分别经所述间接储热储热回路和间接储冷回路将所述高温热能和低温冷能存储于所述高温储热单元和低温储冷单元中。
进一步地，在用电低谷期，启动所述储能压缩机组和储能膨胀机组，关闭所述释能压缩机组和释能膨胀机组；并控制所述三通阀门Ⅰ，使其第一接口与第二接口连通；控制所述三通阀门Ⅱ，使其第一接口与第二接口连通；控制所述三通阀门Ⅳ，使其第一接口与第二接口连通；控制所述三通阀门Ⅲ，使其第一接口与第二接口连通。
进一步地，在用电低谷期，所述热泵制热制冷循环回路中，所述电驱动单元驱动所述储能压缩机组将常温低压的气体工质压缩至高温高压态；经过所述储热回路换热器将高温高压的气体工质的温度降低至常温，并将高温热能通过所述间接储热回路存储在所述高温蓄热单元的蓄热介质中；常温高压的气体工质经过所述第一高压换热器的热侧温度降至室温附近；室温高压的气体工质进一步经过所述储能膨胀机组至低温低压；低温低压的气体工质经过所述储冷回路换热器后温度升高至常温，并将低温冷能通过所述间接储冷回路存储在所述低温蓄冷单元的蓄冷介质中；常温低压的气体工质经过所述第一低压换热器后温度升高至室温附近；室温低压的气体工质重新进入所述热泵储能压缩机组的入口参与热泵循环，如此循环往复，不断将高温热能和低温冷能存储在所述高温储热单元的储热介质和所述低温储冷单元的储冷介质中。
优选地，在用电高峰期，所述系统利用存储于所述高温储热单元和低温储冷单元的高温热能和低温冷能并借助所述冷热能热机发电回路驱动热机循环发电。
进一步地，在用电高峰期，启动所述释能压缩机组和释能膨胀机组，关闭所述储能压缩机组和储能膨胀机组；并控制所述三通阀门Ⅰ，使其第二接口与第三接口连通；控制所述三通阀门Ⅱ，使其第一接口与第三接口连通；控制所述三通阀门Ⅳ，使其第一接口与第三接口连通；控制所述三通阀门，使其第二接口与第三接口连通。
进一步地，在用电高峰期，常温低压的气体工质经过所述储冷回路换热器，吸收所述低温储冷单元存储的低温冷能后温度降至低温低压，经过所述释能压缩机组将低温低压的气体工质压缩至常温高压态；常温高压的气体工质经过所述第二高压换热器的热侧温度降至室温附近；室温高压的气体工质经过所述储热回路换热器，吸收所述高温储热单元存储的高温热能后温度升高至高温；高温高压的气体工质进一步经过所述释能膨胀机组至常温低压；常温低压的气体工质经过所述第二低压换热器后温度至室温附近；室温低压的气体工质重新进入所述储冷回路换热器的入口参与热机循环，所述释能膨胀机组驱动连接所述发电单元，且所述释能压缩机组与释能膨胀机组传动连接，如此循环往复，不断将存储的高温热能和低温冷能通过热机循环转化为电能输出出来。
优选地，所述间接储热回路在用电低谷期，所述高温风机驱动气体工质在回路中循环流动，气体工质经过所述储热回路换热器时被加热、经过所述高温储热单元时被冷却，高温热能被存储至所述高温储热单元内的储热介质中；所述间接储热回路在用电高峰期，所述高温风机反向运转驱动气体工质在回路中循环流动，气体工质经过所述高温储热单元时被加热、经过所述储热回路换热器时被冷却，存储在所述高温储热单元中的高温热能被交换至所述冷热能热机做功回路中。
优选地，所述间接储冷回路在用电低谷期，所述低温风机驱动气体工质在回路中循环流动，气体工质经过所述储冷回路换热器时被冷却、经过所述低温储冷单元时被加热，低温冷能被存储至所述低温储冷单元内的储冷介质中；所述间接储冷回路在用电高峰期，所述低温风机反向运转驱动气体工质在回路中循环流动，气体工质经过所述低温储冷单元时被冷却、经过所述储冷回路换热器时被加热，存储在所述低温储冷单元中的低温冷能被交换至所述冷热能热机做功回路中。
优选地，所述电驱动单元，为驱动电机或风力机；当所述电驱动单元为驱动电机时，是以常规电站低谷电、核电、风电、太阳能发电、水电或潮汐发电中的一种或多种为电源。
优选地，所述储能压缩机组或者释能压缩机组，总压比在5～40之间；当所述压缩机组为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
优选地，所述储能膨胀机组或释能膨胀机组，总膨胀比在5～40之间；当所述膨胀机组为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式；并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。
优选地，所述高温储热单元和低温储冷单元为圆柱体、球体或长方体。所述储热介质、储冷介质的材料为岩石、沙石、金属颗粒、固体砖等材料的一种或至少二种的组合。
优选地，所述的储能系统，所述热泵制热制冷储能回路和冷热能热机发电回路中的气体工质为氩气、氦气、氢气、氮气、氧气或空气的其中一种或至少两种的混合。
优选地，所述的储能系统，所述间接储热回路和间接储冷回路中的气体工质为氩气、氦气、氢气、氮气、氧气或空气的其中一种或至少两种的混合。
同现有技术相比，本实用新型的储能系统，采用电站低谷(低价)电驱动热泵制热制冷循环回路制取高温热能和低温冷能并通过间接换热回路，存储于储热储冷单元中；在用电高峰，储热储冷单元内部冷能通过间接换热回路和间接储热储冷回路换热器，将热能和冷能交换给释能发电回路通过热机循环驱动发电机发电。本实用新型的储能系统具有结构简单、成本低、储能密度高、效率高、适用于电网调峰和各种可再生能源电站、不产生温室气体等优点。
附图说明
图1为本实用新型的储能系统示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的储能系统由电驱动单元1、储能压缩机组2、储能膨胀机组3、储冷回路换热器4、低温蓄冷单元5、低温风机6、储热回路换热器7、高温风机8、高温蓄热单元9、第一高压换热器10、第二高压换热器11、释能压缩机组12、释能膨胀机组13、发电单元14、第一低压换热器15、第二低压换热器16、第一至第四三通阀门17、18、19、22，及多根管线20、21、23～40等多个组件组成。其中，所述第一至第四三通阀门17、18、19、22均包括三个接口，分别为第一接口、第二接口、第三接口；所述储能压缩机组2与所述电驱动单元1驱动连接，所述释能膨胀机组13驱动连接所述发电单元14，所述储能压缩机组2与所述储能膨胀机组3传动连接，且所述释能压缩机组与所述释能膨胀机组传动连接。
本实用新型的上述由多个组件/单元组成的储能系统，可以划分为热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、间接储热回路和间接储冷回路等四个回路。
参见图1，本实用新型的储能系统中，所述热泵制热制冷储能回路，包括储能压缩机组2、储能膨胀机组3、储热回路换热器7、第一高压换热器10、第二高压换热器11、储冷回路换热器4、第一低压换热器15、第二低压换热器16，所述热泵制热制冷储能回路中充有热泵循环气体工质，其中，
所述储能压缩机组2的排气口通过管线依次经所述三通阀门Ⅰ22的第一接口及第二接口、储热回路换热器7的热侧、三通阀门Ⅱ19的第一接口及第二接口、第一高压换热器10的热侧与所述储能膨胀机组3的进气口连通，
所述储能膨胀机组3的排气口通过管线依次经所述三通阀门Ⅲ17的第一接口及第二接口、储冷回路换热器4的冷侧、三通阀门Ⅳ18的第一接口及第二接口、第一低压换热器15的冷侧与所述储能压缩机组2的进气口连通。
参见图1，本实用新型的储能系统中，所述冷热能热机发电回路，包括释能压缩机组12、储热回路换热器7、第二高压换热器11、储冷回路换热器4、释能膨胀机组13、第二低压换热器16，所述冷热能热机发电回路中充有循环气体工质，其中，
所述释能压缩机组12的排气口通过管线依次经所述第二高压换热器11的热侧、三通阀门Ⅱ19的第三接口及第一接口、储热回路换热器7的热侧、所述三通阀门Ⅰ22的第二接口及第三接口与所述释能膨胀机组13的进气口连通，
所述释能膨胀机组13的排气口通过管线依次经所述第二低压换热器16的冷侧、三通阀门Ⅳ18的第三接口及第一接口、储冷回路换热器4的冷侧、三通阀门Ⅲ17的第二接口及第三接口与所述释能压缩机组12的进气口连通。
参见图1，本实用新型的储能系统中，储热回路换热器7、高温风机8、高温蓄热单元9及管线39、40构成间接储热回路。所述储热回路换热器7的冷侧、高温风机8、高温蓄热单元9通过管线依次连接形成一封闭的回路。
参见图1，本实用新型的储能系统中，储冷回路换热器4、低温风机6、低温蓄冷单元5及管线37、38构成间接储冷回路。所述储冷回路换热器4的热侧、低温风机6、低温蓄冷单元5通过管线依次连接形成一封闭的回路。
参见图1，本实用新型的储能系统在进行储能时，控制所述三通阀门Ⅰ22，使其第一接口与第二接口连通，使得管线20与管线23连通，管线34截止；控制所述三通阀门Ⅱ19，使其第一接口与第二接口连通，使得管线24与管线25连通，管线33截止；控制所述三通阀门Ⅳ18，使其第一接口与第二接口连通，使得管线29与管线30连通，管线36截止；控制所述三通阀门Ⅲ17，使其第一接口与第二接口连通，使得管线27与管线28连通，管线31截止。通过上述阀门操作，使得储能压缩机组2、储热回路换热器7、高压换热器10、储能膨胀机组3、储冷回路换热器4、低压换热器15及管线20、23-30、21构成热泵制热制冷回路。电驱动单元1与热泵循环储能压缩机组2和热泵循环储能膨胀机组3的共有传动轴固接。
释能发电时，控制所述三通阀门Ⅰ22，使其第二接口与第三接口连通，使得管线23与管线34连通，管线20截止；控制所述三通阀门Ⅱ19，使其第一接口与第三接口连通，使得管线24与管线33连通，管线25截止；控制所述三通阀门Ⅳ18，使其第一接口与第三接口连通，使得管线29与管线36连通，管线30截止；控制所述三通阀门17，使其第二接口与第三接口连通，使得管线28与管线31连通，管线27截止；释能发电时，释能压缩机组12、高压换热器11、储热回路换热器7、释能膨胀机组13、低压换热器16、储冷回路换热器4及管线28、29、31、32、33、24、23、34、35、36构成热机释能回路。发电单元14与热泵循环释能压缩机组12和热泵循环释能膨胀机组13的共有传动轴固接。
在用电低谷期，所述电驱动单元1驱动所述储能压缩机组2将常温低压的热泵循环气体工质压缩至高温高压态；经过所述储热回路换热器7将高温高压的热泵循环气体工质的温度降低至常温；同时间接储热回路内气体被高温风机8驱动，经过储热回路换热器7被加热后，再经过高温储热单元9被冷却，同时高温热能存储在所述高温储热单元9的储热介质中；常温高压的热泵循环气体工质经过所述第一高压换热器10的热侧温度降至室温附近；室温高压的热泵循环气体工质进一步经过所述储能膨胀机组3膨胀至低温低压；低温低压的热泵循环气体工质经过所述储冷回路换热器4将低温低压的热泵循环气体工质的温度升高至常温，同时间接储冷回路内气体被低温风机6驱动，经过储冷回路换热器5被冷却后，再经过低温储冷单元5被加热，同时低温冷能存储在所述低温储冷单元5的储冷介质中；常温低压的热泵循环气体工质经过所述第一低压换热器15后温度至室温附近；室温低压的热泵循环气体工质重新进入所述热泵储能压缩机组2的入口参与热泵循环，如此循环往复，不断将高温热能和低温冷能存储在所述高温储热单元9的蓄热介质和低温储冷单元5的蓄冷介质中。
在用电高峰期，间接储冷回路中的低温风机6反向转动，间接储冷回路内气体被低温风机6驱动，经过高温储热单元5吸收存储在高温储热单元5的储热介质中的低温冷能，再经过储冷回路换热器4被加热；热机发电回路中的常温低压的循环气体经过所述储冷回路换热器4，吸收低温冷能后温度降至低温低压，经过所述释能压缩机组12将低温低压的热泵循环气体工质压缩至常温高压态；常温高压的气体工质经过所述第二高压换热器16的热侧温度降至室温附近；同时，间接储热回路中的高温风机8反向转动，间接储热回路内气体被高温风机8驱动，经过高温储热单元9吸收存储在高温储热单元9的储热介质中的高温热能，再经过储热回路换热器7被冷却；热泵循环气体经过所述储热回路换热器7将室温高压的气体工质温度升高至高温；高温高压的热泵循环气体工质进一步经过所述释能膨胀机组13至常温低压；常温低压的热泵循环气体工质经过所述第二低压换热器16后温度至室温附近；室温低压的气体工质重新进入所述储冷回路换热器4的入口参与热机循环。所述释能膨胀机组13驱动连接发电单元14，且所述释能压缩机组12与释能膨胀机组13传动连接。如此循环往复，不断将存储的高温热能和低温冷能通过热机循环转化为电能输出出来。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
