[发明专利]一种利用低温冷能存储电能的系统及其运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及绿色能源技术领域，基于低温冷能存储、储热和动力循环的有机整合，能有效实现电能、可再生能源、热能和冷能高效存储与利用的新型储能系统及其运行方法。

背景技术

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。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；可以解决风力发电、太阳能、潮汐能等间歇式能源发电不稳定性；当分布式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。

目前已有电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、热泵储能、蓄电池储能、超导磁能和飞轮储能等。

抽水储能系统在用电低谷通过水泵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。

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。

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。

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。

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。

热泵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。由于热泵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。

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。目前显热储热技术比较成熟，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。储热技术的成本较低，具有较大发展潜力，但是利用储热技术用于储电主要受热能/电能转换效率的限制，整体储能效率不高。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：(1)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。