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一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置

1.本发明属于储能技术领域，具体涉及太阳能光伏光热(pv/t)梯级利用技术和卡诺电池储能技术。
技术背景
2.随着人类社会的不断发展进步以及人口的爆发式增长，人类对于能源的需求也在与日俱增。全球范围内以化石能源作为主要原料的热、电生产活动产生的碳排放量达到全球总体碳排放量的41.7%。随着“碳达峰”、“碳中和”战略目标(以下简称“双碳目标”)的提出，太阳能等可再生能源的地位越发突出。然而，太阳能等可再生资源受昼夜、季节、地域、天气等因素的影响较大，太阳能光伏发电的波动性和不确定性限制了其进一步的发展。
3.先进能源储存技术是解决光电时空不确定性的重要手段。卡诺电池是一种基于热泵(逆)-热机(正)循环过程的电力储存系统，通过“电-热-电”的能量转换过程，实现电能的存储，因此也被称为热泵储电。卡诺电池具有不受地理条件限制、储能密度高、成本低等优势，易于实现冷热电多能联供。然而，根据热力学第二定律，卡诺电池热泵-热机循环过程存在固有的传热温差损失，导致卡诺电池储能效率普遍低于抽水蓄能等其他储能技术。相较于大温差卡诺电池高温蓄热、高压比造成的效率低和工艺难题，中低温差卡诺电池更易于实现。但中低温卡诺电池高、低温热源之间的温差更小，传热温差损失的占比更高，导致中低温卡诺电池的储能效率低于50%。因此，卡诺电池的效率提升是当前卡诺电池相关研究的关键问题。
4.提高卡诺电池热泵循环低温热源温度是提高降低传热温差损失、卡诺电池效率的一种有效途径。太阳能光伏光热梯级利用(photovoltaic/thermal，pv/t)技术是一种将太阳能光伏模块与集热模块结合起来、实现太阳辐射全光谱梯级利用的太阳能利用技术。太阳能光伏光热梯级利用（pv/t）系统一方面通过光伏电池层获得电能，另一方面通过集热层获得40-70℃的低品位热量。这一部分低品位热即可作为卡诺电池热泵循环的低温热源。
5.综上所述，太阳能光伏光热梯级利用（pv/t）技术和卡诺电池技术对于推动“双碳目标”的实现具有重要意义，二者相辅相成，在太阳能储能利用领域具有极大的潜力。一方面，卡诺电池可以作为太阳能光伏光热梯级利用（pv/t）技术的电力储能系统，减小太阳能利用的时间不确定性。另一方面，通过使用太阳能光伏光热梯级利用技术获得的低温热作为卡诺电池热泵循环的低温热源，可以减小热泵循环的温差与压比，提升卡诺电池的储能效率和经济性，同时提高太阳能的综合利用效率。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置。
7.一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置包括卡诺电池热泵机构、热机机构、储热机构和太阳能光伏光热梯级利用机构；所述卡诺电池热泵机构包括压气机1、第一换热器2的热泵工质一侧、减压装置3和
第二换热器4的热泵工质一侧依次串联构成的热泵循环回路；热泵循环为逆向有机朗肯循环；所述热泵循环回路的热泵工质为有机工质；所述热机机构包括增压装置5、第三换热器6的热机工质一侧、汽轮机7、冷凝器8和发电机9依次串联构成的热机循环回路；热机循环将来自储热机构的一部分热能转化为电能输出，另一部分热能通过冷凝器8散入空气中；热机循环为有机朗肯循环；所述热机循环回路的热机工质为有机工质；所述储热机构包括储热单元10、第二换热器4的储热工质一侧和第三换热器6的储热工质一侧；所述储热单元10为储热罐；所述第二换热器4的储热工质一侧呈回路状串联在与卡诺电池热泵机构相邻一侧的储热罐上；所述第三换热器6的储热工质一侧呈回路状串联在与热机机构相邻一侧的储热罐上；储热工质为水、导热油或熔融盐中的一种；所述太阳能光伏光热梯级利用机构包括太阳能光伏光热板和第一换热器2的水工质一侧串联构成的水循环回路；太阳能光伏光热梯级利用机构将太阳能同时转化为电能和热能，所述电能输入压气机1并以热能的形式最终储存在储热机构中；所述热能作为卡诺电池热泵循环机构的低温热源，通过热泵工质与水工质热量交换带入卡诺电池热泵机构，并最终储存在储热机构中。
8.进一步的技术方案如下：所述压气机1为中低温离心式压气机。
9.所述第一换热器2、第二换热器4和第三换热器6均为板式换热器。
10.所述减压装置3为中低温减压装置。
11.所述增压装置5为中低温增压泵。
12.所述汽轮机7为发电用中低温汽轮机。
13.所述冷凝器8为蒸汽式冷凝器。
14.所述发电机9为汽轮发电机。
15.所述太阳能光伏光热板为带有集热层和铜管的太阳能光伏光热综合利用平板。
16.本发明的有益技术效果体现在以下方面：1、本发明基于太阳辐射“光谱对口，梯级利用”原则，将卡诺电池热泵循环和太阳能光伏光热（pv/t）梯级利用相结合，收集并储存光电余热取代环境作为卡诺电池热泵循环的低温热源。根据热力学原理，热泵循环的理论效率极限可以表示为：η
热泵
= th/(t
h-tc)
ꢀꢀ
（1）式(1)中，th是热泵循环高温热源的温度，即储热单元10的温度；tc是热泵循环低温热源的温度，即太阳能光伏光热板11的温度。由式（1）可知，提升低温热源温度可以提高热泵循环的效率。例如，在一个设定的储热温度下（例如150℃），将低温热源温度从20℃升至50℃，热泵循环的理论效率将提升约30%（见图3）。而卡诺电池的效率可以表示为：η
储电
= η
热泵
×
η
储热
×
η
热机
ꢀꢀ
（2）因此通过本发明的技术，可以利用光电余热提高卡诺电池低温热源温度，提升热泵循环效率，从而提升卡诺电池储能效率，弥补卡诺电池热泵循环低温端不可逆温差传热带来的效率损失。
17.2、另一方面，通过使用卡诺电池，太阳能光伏光热梯级利用（pv/t）收集到的低品位热能得到了充分利用，拓宽了太阳能光伏光热梯级利用（pv/t）技术的应用场景。此外，通过使用太阳能光伏光热梯级利用（pv/t）技术，光伏电池表面温度有所下降，电池的光电效率有所提升，同时太阳能综合利用效率得到大幅度提升，充分利用了太阳能可再生资源。因此通过本发明的技术，可以实现对太阳能资源的充分利用。
18.3、本发明的卡诺电池储能技术具有效率高、成本低、环境友好、原理简单等优点，特别适合于电力生产侧的储能应用，在推动可再生能源并网入户等方面具备较大的优势。
附图说明
19.图1是基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置的示意图。
20.图2是太阳能光伏光热梯级利用装置的结构图。
21.图3是高温热源温度为150℃时热泵循环理论效率随低温热源温度变化图。
22.图1-2中序号：压气机1、第一换热器2、减压装置3、第二换热器4、增压装置5、第三换热器6、汽轮机7、冷凝器8、发电机9、储热单元10、太阳能光伏光热板11、铜管12、光伏电池13、集热层14。
具体实施方式
23.下面结合附图，通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
24.实施例1参见图1，一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置包括卡诺电池热泵机构、热机机构、储热机构和太阳能光伏光热梯级利用机构。
25.卡诺电池热泵机构包括压气机1、第一换热器2的热泵工质一侧、减压装置3和第二换热器4的热泵工质一侧依次串联构成的热泵循环回路；热泵循环为逆向有机朗肯循环；热泵循环回路的热泵工质为有机工质，具体有机工质为异丁烷（r600a）。
26.压气机1为中低温离心式压气机，减压装置3为中低温减压装置，第一换热器2、第二换热器4均为板式换热器。
27.热机机构包括增压装置5、第三换热器6的热机工质一侧、汽轮机7、冷凝器8和发电机9依次串联构成的热机循环回路；热机循环将来自储热机构的一部分热能转化为电能输出，另一部分热能通过冷凝器8散入空气中；热机循环为有机朗肯循环；热机循环回路的热机工质为有机工质，具体有机工质为异丁烷（r600a）。
28.增压装置5为中低温增压泵，第三换热器6为板式换热器，汽轮机7为发电用中低温汽轮机，冷凝器8为蒸汽式冷凝器，发电机9为汽轮发电机。
29.储热机构包括储热单元10、第二换热器4的储热工质一侧和第三换热器6的储热工质一侧；所述储热单元10为储热罐；所述第二换热器4的储热工质一侧呈回路状串联在与卡诺电池热泵机构相邻一侧的储热罐上；所述第三换热器6的储热工质一侧呈回路状串联在与热机机构相邻一侧的储热罐上；储热工质为水。
30.太阳能光伏光热梯级利用机构包括太阳能光伏光热板11和第一换热器2的水工质一侧串联构成的水循环回路。
31.参见图2，太阳能光伏光热板11包括若干光伏电池13、集热层14和铜管组；若干光
伏电池13固定均布在集热层14的顶面；铜管组位于集热层14的底面；铜管组包括平行排列的若干铜管12、进水集管和出水集管，进水集管连通着若干铜管12的一端，出水集管连通着若干铜管12的另一端。
32.本实施例1的具体工作原理详细说明如下：白天太阳辐射照射在太阳能光伏光热板11表面，一部分太阳辐射在光伏电池层13内激发出电子并使产生电流，完成太阳能到电能的转换；另一部分太阳辐射被光伏电池层13及其下方的集热层14吸收并转化为热能，水工质通过集热层14下方的铜管组将热量带入第一换热器2中进行换热。
33.电池充电时，来自太阳能光伏光热板11的电能输入压气机1，热泵工质（低温低压）进入压气机1并压缩成高温高压状态；高温高压工质通过管道进入第二换热器4，热泵工质在第二换热器4中向来自储热单元10的储热工质释放热量，变为低温高压工质；低温高压工质通过管道进入减压装置3中减压成低温低压工质。低温低压工质通过管道进入第一换热器2中，热泵工质在第一换热器2中吸收来自太阳能光伏光热板11的集热工质释放的热量，然后通过管道回到压气机1，完成热泵循环。
34.电池放电时，热机工质（低温高压）在第三换热器6中吸收来自储热单元10的储热工质释放的热量，变为高温高压工质；吸热后，高温高压工质通过管道进入汽轮机7中膨胀做功，汽轮机7驱动发电机9工作输出电能，热机工质变为低温低压状态；膨胀后，低温低压工质通过管道进入冷凝器8中，并向冷凝器8释放热量；放热后，低温低压工质通过管道进入增压装置5，并被压缩成低温高压工质；增压后，低温高压工质通过管道回到第三换热器6，完成热机循环。
35.假定第一换热器2中的水工质的换热温度为50℃，第三换热器6中的储热工质的温度为110℃，当压气机1等熵效率为0.8、换热器换热系数为0.95时，热泵循环的理论制热能效比（cop）能达到2.46；对于未使用太阳能光伏光热梯级利用机构作为热泵循环低温热源的卡诺电池系统而言，其循环工质在第二换热器2中与空气进行对流换热，假定空气温度为20℃，在其他条件不变的情况下，热泵循环的理论制热能效比（cop）仅为1.44。因此，使用太阳能光伏光热梯级利用机构作为热泵循环低温热源的卡诺电池系统的理论制热能效比（cop）能提升70.8%。
36.实施例2卡诺电池热泵机构的热泵循环回路的热泵工质为有机工质，具体有机工质为二氟一氯甲烷（r22）。
37.热机循环回路的热机工质为有机工质，具体有机工质为二氟一氯甲烷（r22）。
38.储热机构的储热工质为导热油。
39.其它同实施例1。
40.假定第一换热器2中的水工质的换热温度为50℃，第三换热器6中的储热工质的温度为80℃，当压气机1等熵效率为0.8、换热器换热系数为0.95时，热泵循环的理论制热能效比（cop）能达到6.23；对于未使用太阳能光伏光热梯级利用机构作为热泵循环低温热源的卡诺电池系统而言，其循环工质在第二换热器2中与空气进行对流换热，假定空气温度为20℃，在其他条件不变的情况下，热泵循环的理论制热能效比（cop）仅为2.78。因此，使用太阳能光伏光热梯级利用机构作为热泵循环低温热源的卡诺电池系统的理论制热能效比（cop）
能提升124%。

技术特征：

1.一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：包括卡诺电池热泵机构、热机机构、储热机构和太阳能光伏光热梯级利用机构；所述卡诺电池热泵机构包括压气机（1）、第一换热器（2）的热泵工质一侧、减压装置（3）和第二换热器（4）的热泵工质一侧依次串联构成的热泵循环回路；热泵循环为逆向有机朗肯循环；所述热泵循环回路的热泵工质为有机工质；所述热机机构包括增压装置（5）、第三换热器（6）的热机工质一侧、汽轮机（7）、冷凝器（8）和发电机（9）依次串联构成的热机循环回路；热机循环将来自储热机构的一部分热能转化为电能输出，另一部分热能通过冷凝器（8）散入空气中；热机循环为有机朗肯循环；所述热机循环回路的热机工质为有机工质；所述储热机构包括储热单元（10）、第二换热器（4）的储热工质一侧和第三换热器（6）的储热工质一侧；所述储热单元（10）为储热罐；所述第二换热器（4）的储热工质一侧呈回路状串联在与卡诺电池热泵机构相邻一侧的储热罐上；所述第三换热器（6）的储热工质一侧呈回路状串联在与热机机构相邻一侧的储热罐上；储热工质为水、导热油或熔融盐中的一种；所述太阳能光伏光热梯级利用机构包括太阳能光伏光热板和第一换热器（2）的水工质一侧串联构成的水循环回路；太阳能光伏光热梯级利用机构将太阳能同时转化为电能和热能，所述电能输入压气机（1）并以热能的形式最终储存在储热机构中；所述热能作为卡诺电池热泵循环机构的低温热源，通过热泵工质与水工质热量交换带入卡诺电池热泵机构，并最终储存在储热机构中。2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述压气机（1）为中低温离心式压气机。3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述第一换热器（2）、第二换热器（4）和第三换热器（6）均为板式换热器。4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述减压装置（3）为中低温减压装置。5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述增压装置（5）为中低温增压泵。6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述汽轮机（7）为发电用中低温汽轮机。7.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述冷凝器（8）为蒸汽式冷凝器。8.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述发电机（9）为汽轮发电机。9.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，其特征在于：所述太阳能光伏光热板为带有集热层和铜管的太阳能光伏光热综合利用平板。

技术总结

一种基于太阳能光伏光热梯级利用的卡诺电池储能装置，属于储能技术领域。包括卡诺电池热泵机构的热泵循环回路、热机机构的热机循环回路、储热机构的储热循环回路和太阳能光伏光热梯级机构的水循环回路；太阳能光伏光热梯级机构将太阳能同时转化为电能和热能，电能输入压气机并以热能的形式最终储存在储热机构中；所述热能作为卡诺电池热泵循环机构的低温热源，通过热泵工质与水工质热量交换带入卡诺电池热泵机构，并最终储存在储热机构中。本发明实现了对太阳能资源的充分利用；本发明的卡诺电池储能技术具有效率高、成本低、环境友好、原理简单等优点，特别适合于电力生产侧的储能应用，在推动可再生能源并网入户等方面具备较大的优势。大的优势。大的优势。