一种低温储能发电系统及其运行方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及新能源技术领域，基于低温冷能存储、储热和动力循环的有机整合，有效实现电能、热能和冷能的低成本、高效存储与利用的新型储能系统及其发电方法。
【背景技术】
[0002]随着风能、太阳能等可再生能源的日益普及，以及电网调峰和区域供能和提高电网可靠性的迫切需求，电力储能系统的重要性日益凸显。大规模电力储能技术可以有效解决电力生产与使用中峰谷差的矛盾；可以解决风能、太阳能等间歇式可再生能源发电不稳定性；当区域能源系统遇到了局部的线路故障时，电力储能系统可以提供不间断的电源供应。
[0003]目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、热栗储能、蓄电池储能、超导磁能、飞轮储能和超级电容等。
[0004]抽水储能系统在用电低谷通过水栗将水从低位水库送到高位水库，从而将电能转化为水的势能存储起来；在用电高峰，水从高位水库排放至低位水库驱动水轮机发电。抽水储能具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期不受限制等优点，是目前广泛使用的电力储能系统。但是需要优越的地理条件建造水库和水坝，建设周期较长、初期投资巨大、而且会带来生态问题。
[0005]压缩空气储能在用电低谷，将空气压缩(4_8Mpa)并存于储气室中，将电能转化为空气的压力能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，经回热器预热后，进入燃气轮机燃烧室燃烧，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、效率高和投资相对较小等优点。但是，压缩空气储能系统也需要特殊的地理条件建造大型储气室，如岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等，限制了压缩空气储能系统的应用范围。并且需要依赖燃烧化石燃料提供热源，燃烧产生氮化物、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。
[0006]蓄电池储能将电能转换为电池的化学能存储起来，具有对负荷反应快、容易同多种电站组合及能够增加电力系统的稳定性等优点，适合作为电力系统储能设备。但是，目前的蓄电池技术仍存在价格昂贵、使用寿命短、能量密度低和废弃物化学污染难于消除等缺点。虽然蓄电池在短时间和小容量备用电源中得到应用，但仍无法满足大型电力储能系统的要求。
[0007]超导储能技术将电流导入环形电感线圈，由于该环形电感线圈由超导材料制成，因此电流在线圈内可以无损失地不断循环，直到导出为止。超导磁能储能系统具有极高的充放电效率和快速反应时间，但价格非常昂贵，约为其他类型储能系统数十至数百倍，不适于大规模大型电力储能系统中的大规模应用。
[0008]飞轮储能是将电能转换为飞轮的机械能进行存储，但是存在能量密度低和轴承损失等问题。目前飞轮和电容储能系统存在造价高、储能容量小、自耗散严重等问题，不能满足电力储能系统的要求。
[0009]热栗储能技术是近年来新兴的储能技术，该技术利用一组高效可逆的热机将电能同时转化为热能和冷能并存储于两个绝热容器中。由于热栗储能技术需要同时存储高温热能和低温冷能，尤其高温热能存储的所需压力的条件较高，需要大体积的高压容器，因此该技术的造价较高。
[0010]储热技术是解决热供需双方在时间和空间上矛盾的关键技术，已经大规模应用于在太阳能热利用和工业余热利用中。储热技术一般可分为显热储热、潜热储热和化学储热三类。
[0011]显热储热通过蓄热材料温度吸/释热的变化而储存热能，是原理最简单、技术最成熟的一类蓄能技术，具有成本低、效率高等优点。显热储热进一步可分为填充床固体储热技术、混凝土储热和双罐式液体(水、导热油、和熔融盐)储热等储热技术，已经在工业领域和太阳能热发电领域得到了广泛应用。
[0012]潜热储热主要是利用储热材料发生相变时吸收或放出的相变潜热来实现能量的储存，具有储热密度较高、温度波动范围小、结构紧凑等优点。化学储热主要是通过化学反应的反应热来进行储热，具有储能密度高、可长期储存优点，但是技术复杂、尚不成熟。目前潜热储热尚处于商用示范阶段、化学储热技术处于实验室研究阶段，在大规模应用前需要解决许多问题。
[0013]冰蓄冷技术是目前主要的大规模商用化储冷技术，对于深冷超低温区储冷技术的研究很少。目前的储热技术虽然具有成本低的优点，但是储电系统效率受到储热/电转换效率的限制。例如现有技术中存在这样的一种利用高温热能存储电能的系统，其包括储热回路和放热回路，两个回路中均利用压缩机和膨胀机的组合进行热能的存储或释放，储热阶段将压缩热存储到蓄热介质中，释热阶段将蓄热介质中的存储热释放出来对工作流体加热，继而推动膨胀机对外做功，该系统虽然一定程度上实现了电力的存储和释放，但其也存在显著的缺点和不足，突出地表现在:(I)工作介质的热能是在高压下完成存储的，而高压蓄热设备需要厚壁的压力容器并且体积庞大，制造成本很高；(2)在储能阶段，高压空气的热量被蓄热介质吸收后温度大幅下降，而后中温高压空气经压比与压缩过程相同的膨胀机后压力降至常压，在此膨胀过程中的高压空气可用能损失较大，输出功较少，因而储能过程的系统效率较低。(3)释热阶段利用封闭的压缩-膨胀循环回路，基本无法使储存的热能和其它辅助热能(例如太阳热、工业废热等)同时加以利用，并且以室温作为热力循环的低温热源温度，导致系统的冷热端温差较小，受到卡诺循环效率的限制，系统对外输出机械能或电能的能力和效率大大降低。
[0014]可见，当前已有的电力储能系统均存在不同的缺点，迫切需要一种单位储能投资小、效率高、寿命长的新型储能系统，而且这种储能系统必须不受地理条件的限制、适用于各种类型电站和对环境友好。
【发明内容】
[0015]本发明公开了一种利用低温储能发电系统及其运行方法，此储能发电系统具有效率高、成本低、使用寿命长和不受地理条件的限制等特点，以解决电力生产与使用中峰谷差的问题，并解决风能、太阳能等可再生能源的间歇性、不稳定性等因素导致其发电对电网的不良影响。
[0016]为达到上述目的，本发明的技术解决方案是:
[0017]—种低温储能发电系统，可将电能转化为低温冷能存储，并在需要时利用低温冷能发电，包括充能回路、释能回路和储冷介质回路；
[0018]充能回路包括电动机、膨胀机组1、换热器1、压缩机组I (以三级为例，包括第一级压缩机、第二级压缩机、第三级压缩机)、级间换热器(以三级为例，包括第一级压缩机换热器、第二级压缩机换热器、第三级压缩机换热器)；
[0019]释能回路包括发电机、膨胀机组I1、换热器I1、栗和蒸发器；
[0020]储冷介质回路包括常温存储器、低温存储器、换热器I和换热器II，所述冷能存储与释放回路中的换热器1、换热器II分别与充能回路中的换热器1、释能回路中的换热器II为同一部件；
[0021]其中，充能回路中的电动机、压缩机组I和膨胀机组I布置在共同的轴上或者通过变速箱连接，且其中膨胀机组I的出口管路接入换热器I的低温侧管路，换热器I的高温侧管路顺序经过第一级压缩机、第一级压缩机换热器的工作气体管路、第二级压缩机、第二级压缩机换热器的工作气体管路、第三级压缩机和第三级压缩机换热器的工作气体管路，第三级压缩机换热器的工作气体管路输出端与膨胀机组I的入口管路相通连，形成相对于环境封闭的工作气体回路。
[0022]充能回路中压缩机组I排出的工作气体在级间换热器内通过来自冷却流体所冷却，所述冷却流体的材料为水、空气、油、醇类水溶液的一种或至少2种的组合。
[0023]其中，释能回路中所述栗的出口管路与蒸发器入口端工作流体侧进口管路相连接，蒸发器工作流体侧出口管路与膨胀机组II入口管路相连接，膨胀机组II出口管路接入换热器II的低温侧管路，换热器II的高温侧管路与栗入口管路相连接，形成相对于环境封闭的工作气体回路。
[0024]冷能存储与释放回路中，换热器I输出端顺序经低温存储器、换热器II和常温存储器构成冷能存储与释放回路。所述换热器1、II为板式、板翅式、壳管式、螺旋板式、套管式换热器的一种或至少2种的组合。所述传蓄热流体的材料为醇、烯、离子流体等有机或无机工质的一种或至少2种的组合。
[0025]所述的低温储能发电系统，可采用同时连接在充能回路和释能循环的蓄冷器替代冷能存储与释放回路，用于存储充能循环的低温冷能、并在释能循环释放出来。所述蓄冷器的冷能存储材料是显热蓄冷或固液相变蓄冷中的一种或2种以上的组合，显热蓄冷介质包括多孔材料、岩石、砖、沙、陶瓷球、金属颗粒，固液相变蓄冷介质包括固液相变温度在低温区的氨及其水溶液、盐类水溶液、烷烃类、烯烃类物质及其化合物，醇类及其水溶液中的一种或几种；其换热形式是工作流体在蓄冷器中与蓄冷介质直接接触换热或非直接接触换热；所述蓄冷器的外部绝热材料是玻璃纤维