一種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本申請公開了一種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，用于低溫液態(tài)空氣儲能，包括多級液體工質(zhì)蓄冷模塊、固液相變工質(zhì)蓄冷模塊、及穿設(shè)所述液體工質(zhì)蓄冷模塊與固液相變工質(zhì)蓄冷模塊的氣體換熱流道，每個液體工質(zhì)蓄冷模塊包括儲冷換熱單元、釋冷換熱單元及用于儲存液體工質(zhì)的至少兩個儲存單元，所述兩個儲存單元分別連接于所述儲冷換熱單元和所述釋冷換熱單元之間以形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。本申請可有效降低非穩(wěn)態(tài)傳熱溫差導(dǎo)致的系統(tǒng)損失。
【專利說明】
一種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請涉及能源儲存技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來風(fēng)電總裝機(jī)容量和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，但與其大力發(fā)展相對應(yīng)的是出現(xiàn)大量的棄風(fēng)限電現(xiàn)象，由于可再生能源具有的間歇性和不穩(wěn)定性特點(diǎn)而導(dǎo)致，其中2014年全國大型風(fēng)電年平均利用小時過低(平均1893h)。大規(guī)模儲能系統(tǒng)與可再生能源協(xié)同控制將使大型風(fēng)光發(fā)電站向受端電力系統(tǒng)供出電力平穩(wěn)、可靠、穩(wěn)定的電能，提尚系統(tǒng)運(yùn)彳丁安全性，提升電網(wǎng)接納新能源發(fā)電的能力。
[0003]常規(guī)的儲能技術(shù)主要有飛輪儲能、電池儲能、超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能、抽水儲能、壓縮空氣儲能和液態(tài)空氣儲能等。但是能夠持續(xù)數(shù)小時進(jìn)行大容量輸出的儲能技術(shù)主要包括:抽水蓄能、電池儲能、壓縮空氣儲能和液態(tài)空氣儲能，它們是少數(shù)幾種能夠?qū)崿F(xiàn)長時間和大容量(數(shù)百到數(shù)千兆瓦時)儲能應(yīng)用的技術(shù)。抽水蓄能作為當(dāng)前最為成熟的大規(guī)模儲能應(yīng)用技術(shù)，具有效率高，儲能容量大，設(shè)備技術(shù)成熟等優(yōu)勢，但同時受到蓄水池選址難的限制，阻礙了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。電池儲能因其成本高，生產(chǎn)及后續(xù)處理存在環(huán)境污染等問題，目前難以推廣至大規(guī)模儲能領(lǐng)域。壓縮空氣儲能以空氣內(nèi)能形式進(jìn)行能量儲存，可以使用多種類型的儲存方式，包括地下鹽洞和高壓氣體儲罐等。
[0004]低溫液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)，采用液態(tài)空氣作為儲能介質(zhì)，大大提高了儲能的密度，具有容量大、轉(zhuǎn)換效率高、無地理?xiàng)l件依賴、運(yùn)行方式靈活、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，具有大規(guī)模推廣應(yīng)用的潛力。系統(tǒng)采用低谷電能驅(qū)動壓縮機(jī)將空氣壓縮，利用上個周期儲存的冷能將空氣冷卻液化后進(jìn)入低溫儲槽中儲存;液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)釋能時，利用低溫栗將液態(tài)空氣從低溫儲槽中引出加壓，利用低溫蓄冷系統(tǒng)回收蓄存液態(tài)空氣復(fù)溫過程的冷能，使其吸熱復(fù)溫后推動透平膨脹機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)做功，同時低溫儲冷系統(tǒng)回收儲存液態(tài)空氣中的冷能用于下一個周期的空氣冷卻液化。影響液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)運(yùn)行效率的高低在于蓄冷過程冷量回收利用過程效率的高低，目前主要采用固體介質(zhì)或者固液相變材料作為蓄冷介質(zhì)，如巖石、陶瓷、金屬塊，但是由于儲冷和釋冷的過程固體介質(zhì)導(dǎo)熱，產(chǎn)生很大的非穩(wěn)態(tài)傳熱溫差，當(dāng)前蓄冷效率一般只能達(dá)到50%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請實(shí)施例提供一種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中蓄冷介質(zhì)在儲冷和釋冷的過程中存在較大非穩(wěn)態(tài)傳熱溫差導(dǎo)致系統(tǒng)損失的問題。
[000?]本申請實(shí)施例采用下述技術(shù)方案:
[0007]—種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，用于低溫液態(tài)空氣儲能，包括多級液體工質(zhì)蓄冷模塊、固液相變工質(zhì)蓄冷模塊、及穿設(shè)所述液體工質(zhì)蓄冷模塊與固液相變工質(zhì)蓄冷模塊的氣體換熱流道，每個液體工質(zhì)蓄冷模塊包括儲冷換熱單元、釋冷換熱單元及用于儲存液體工質(zhì)的至少兩個儲存單元，所述兩個儲存單元分別連接于所述儲冷換熱單元和所述釋冷換熱單元之間以形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。
[0008]優(yōu)選地，所述兩個儲存單元分別用于儲存熱態(tài)的液體工質(zhì)與冷態(tài)的液體工質(zhì)。
[0009]優(yōu)選地，所述液體工質(zhì)蓄冷模塊構(gòu)成多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述儲冷換熱單元包括多個串聯(lián)的第一換熱器，所述釋冷換熱單元包括多個串聯(lián)的第二換熱器，所述第一換熱器、所述用于儲存熱態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元、所述第二換熱器、所述用于儲存冷態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元依次通過管道順序連通形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。
[0010]優(yōu)選地，所述液體工質(zhì)蓄冷模塊的第一換熱器與第二換熱器為翅板式換熱器或繞管式換熱器以增大第一換熱器與第二換熱器的換熱面積來實(shí)現(xiàn)小溫差高效換熱。
[0011]優(yōu)選地，所述液體工質(zhì)蓄冷模塊的用于儲存熱態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元和所述第二換熱器之間、所述用于存儲冷態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元和所述第一換熱器之間分別設(shè)有調(diào)節(jié)所述液體工質(zhì)流量的調(diào)節(jié)閥。
[0012]優(yōu)選地，所述液體工質(zhì)按照室溫300K-液氮溫區(qū)77K逐級分布。
[0013]優(yōu)選地，所述固液相變工質(zhì)蓄冷模塊包括單極蓄冷單元，所述氣體換熱流道以列管或盤管形式布置于所述單極蓄冷單元中，氣體通過氣體換熱流道依次與單極蓄冷單元換熱。
[0014]優(yōu)選地，所述單極蓄冷單元以泡沫鋁為基體填充固液相變工質(zhì)以增加換熱面積。
[0015]優(yōu)選地，所述固液相變工質(zhì)的相變溫度為130K?150K。
[0016]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)采用室溫至液氮溫區(qū)的多級液體工質(zhì)與固液相變工質(zhì)作為蓄冷工質(zhì)，在空氣臨界溫度溫區(qū)設(shè)置固液相變工質(zhì)，利用相變潛熱，補(bǔ)充臨界溫度局部冷量，優(yōu)化蓄冷過程冷量平衡設(shè)置，有效克服局部冷量不足的冋題，提尚整體蓄冷效率，從而有利于提尚系統(tǒng)儲能效率。
【附圖說明】
[0017]此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0018]圖1為本申請?zhí)峁┑幕谝后w與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本申請的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本申請具體實(shí)施例及相應(yīng)的附圖對本申請技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅是本申請一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾堉械膶?shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本申請保護(hù)的范圍。
[0020]以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案。
[0021]請參閱圖1所示，本申請一種用于低溫液態(tài)空氣儲能的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，包括液體工質(zhì)蓄冷模塊10、固液相變工質(zhì)蓄冷模塊20、及穿設(shè)所述液體工質(zhì)蓄冷模塊10與固液相變工質(zhì)蓄冷模塊20的氣體換熱流道31，32，33。每個液體工質(zhì)蓄冷模塊10包括儲冷換熱單元11、釋冷換熱單元12及用于儲存液體工質(zhì)的兩個儲存單元13，所述兩個儲存單元13分別用于儲存熱態(tài)的液體工質(zhì)與冷態(tài)的液體工質(zhì)，所述兩個儲存單元13連接于所述儲冷換熱單元11和所述釋冷換熱單元12之間，形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。
[0022]多個所述液體工質(zhì)蓄冷模塊10構(gòu)成多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即所述液體工質(zhì)蓄冷模塊10的儲冷換熱單元11包括多個串聯(lián)的第一換熱器，所述釋冷換熱單元12包括多個串聯(lián)的第二換熱器，所述第一換熱器、所述用于儲存熱態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元13、所述第二換熱器、所述用于儲存冷態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元13依次通過管道順序連通形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。所述儲冷換熱單元11和所述釋冷換熱單元12均包含η級換熱器(η為自然數(shù))，對應(yīng)的液體工質(zhì)同樣為η級換熱。
[0023]所述固液相變工質(zhì)模塊20位于所述多級液體工質(zhì)蓄冷模塊10之間，包括單極蓄冷單元(圖未示)，所述蓄冷單元以泡沫鋁為基體填充固液相變工質(zhì)，所述氣體換熱流道31，32，33以列管或盤管形式布置于所述蓄冷單元中，氣體通過氣體換熱流道31，32，33與所述蓄冷單元換熱。所述固液相變工質(zhì)的固液相變溫度為130Κ?150Κ，以接近133Κ的空氣臨界溫度為最佳。
[0024]所述液體工質(zhì)蓄冷模塊10的第一換熱器與第二換熱器為翅板式換熱器或繞管式換熱器以增大第一換熱器與第二換熱器的換熱面積來實(shí)現(xiàn)小溫差高效換熱。所述液體工質(zhì)的使用溫區(qū)為300Κ-77Κ，即所述液體工質(zhì)按照室溫-液氮溫區(qū)分布。即所述液體工質(zhì)蓄冷模塊10采用室溫-液氮溫區(qū)的液體工質(zhì)作為蓄冷工質(zhì)，以所述儲冷換熱單元11的第一換熱器和所述釋冷換熱單元12的第二換熱器作為冷量交換設(shè)備，可在換熱器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)非常小的傳熱溫差，減小傳熱過程中損失，從而有利于提尚儲能效率。
[0025]所述用于儲存熱態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元13和所述第二換熱器之間、所述用于儲存冷態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元13和所述第一換熱器之間均設(shè)有調(diào)節(jié)閥15，所述調(diào)節(jié)閥15用于調(diào)節(jié)所述液體工質(zhì)的流量，以保證所述第二換熱器和所述第一換熱器的換熱效率。
[0026]所述氣體換熱流道包括高壓進(jìn)氣流道31、未液化空氣返流流道32及釋冷空氣輸出流道33。未液化的空氣經(jīng)由所述未液化空氣返流流道32沿所述高壓進(jìn)氣流道31相反的方向流動，能夠?qū)λ龈邏嚎諝忉尫爬淠?，提高系統(tǒng)效率。
[0027]本申請基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)還包括節(jié)流閥和液體儲罐(圖未示)，高壓空氣通過所述高壓進(jìn)氣流道31順序通過所述多個第一換熱器逐級換熱降溫，并經(jīng)過所述節(jié)流閥節(jié)流液化后以液態(tài)空氣儲存于所述液體儲罐。所述液體儲罐內(nèi)的液態(tài)空氣由低溫栗(圖未示)抽出并通過釋冷空氣輸出流道33與多個第二換熱器逐級換熱升溫形成膨脹空氣。同時，所述液體儲罐內(nèi)未液化的空氣通過所述未液化空氣返流流道32以和所述高壓空氣相反的流向反流通過所述多個第一換熱器，未液化的空氣在返流通過所述多個第一換熱器時逐級對高壓空氣進(jìn)行冷卻降溫，由此可以有效的提高高壓空氣的換熱降溫效率，進(jìn)而提高所述儲冷換熱單元的儲冷效率。
[0028]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)采用室溫至液氮溫區(qū)的多級液體工質(zhì)與固液相變工質(zhì)作為蓄冷工質(zhì)，在空氣臨界溫度溫區(qū)設(shè)置固液相變工質(zhì)，利用相變潛熱，補(bǔ)充臨界溫度局部冷量，優(yōu)化蓄冷過程冷量平衡設(shè)置，有效克服局部冷量不足的冋題，提尚整體蓄冷效率，從而有利于提尚系統(tǒng)儲能效率。
[0029]還需要說明的是，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0030]以上所述僅為本申請的實(shí)施例而已，并不用于限制本申請。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，用于低溫液態(tài)空氣儲能，其特征在于，包括多級液體工質(zhì)蓄冷模塊、固液相變工質(zhì)蓄冷模塊、及穿設(shè)所述液體工質(zhì)蓄冷模塊與固液相變工質(zhì)蓄冷模塊的氣體換熱流道，每個液體工質(zhì)蓄冷模塊包括儲冷換熱單元、釋冷換熱單元及用于儲存液體工質(zhì)的至少兩個儲存單元，所述兩個儲存單元分別連接于所述儲冷換熱單元和所述釋冷換熱單元之間以形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。2.如權(quán)利要求1所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個儲存單元分別用于儲存熱態(tài)的液體工質(zhì)與冷態(tài)的液體工質(zhì)。3.如權(quán)利要求2所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)蓄冷模塊構(gòu)成多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述儲冷換熱單元包括多個串聯(lián)的第一換熱器，所述釋冷換熱單元包括多個串聯(lián)的第二換熱器，所述第一換熱器、所述用于儲存熱態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元、所述第二換熱器、所述用于儲存冷態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元依次通過管道順序連通形成所述液體工質(zhì)以液相循環(huán)流動、換熱和儲存的通道。4.如權(quán)利要求3所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)蓄冷模塊的第一換熱器與第二換熱器為翅板式換熱器或繞管式換熱器以增大第一換熱器與第二換熱器的換熱面積來實(shí)現(xiàn)小溫差高效換熱。5.如權(quán)利要求3所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)蓄冷模塊的用于儲存熱態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元和所述第二換熱器之間、所述用于存儲冷態(tài)液體工質(zhì)的儲存單元和所述第一換熱器之間分別設(shè)有調(diào)節(jié)所述液體工質(zhì)流量的調(diào)節(jié)閥。6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述液體工質(zhì)按照室溫300K-液氮溫區(qū)77K逐級分布。7.如權(quán)利要求1所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述固液相變工質(zhì)蓄冷模塊包括單極蓄冷單元，所述氣體換熱流道以列管或盤管形式布置于所述單極蓄冷單元中，氣體通過氣體換熱流道依次與單極蓄冷單元換熱。8.如權(quán)利要求7所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述單極蓄冷單元以泡沫鋁為基體填充固液相變工質(zhì)以增加換熱面積。9.如權(quán)利要求8所述的基于液體與固液工質(zhì)的混合蓄冷系統(tǒng)，其特征在于，所述固液相變工質(zhì)的相變溫度為130K?150K。
【文檔編號】F28D20/02GK205425925SQ201620108418
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月3日
【發(fā)明人】王俊杰, 李路遙, 王思賢, 楊魯偉, 鄧章
【申請人】中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所