一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统及运行方法

1.本发明涉及能量储存技术领域，尤其涉及一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统及运行方法。


背景技术：

2.卡诺电池，又称热泵储电技术，是一种能够储存gwh电量的储能技术。与传统的压缩空气储能和抽水蓄能等技术相比，卡诺电池具有不依赖化石燃料、不受地域条件约束和提供冷热电综合能源服务等优势。通常，卡诺电池在储能阶段利用布雷顿热泵或蒸汽压缩热泵等热泵循环将电能转化为热能，并将热能存储于储热器和储冷器中；在释能阶段，通过布雷顿热机或朗肯循环等动力循环将存储的热能或冷能转化为电能。然而，现有卡诺电池多是基于显热或潜热材料的储能方式，能量密度低，且长周期存储热量耗散严重。
3.热化学储能是利用可逆的化学反应的热效应进行热量的存储和释放。相对于显热和潜热的储能方式，具有能量密度高、适宜长时间存储等优势，例如，氧化钙和氢氧化钙工质对的储能密度为500-600kwh/吨，约是熔融盐的3倍，热水的10倍，存储过程无需绝热措施。然而，现有热化学储能技术传热传质效率低，可维护性差，限制了其长期稳定和高效运行能力。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，有效实现了将电能-热能-化学能之间的转化、传递和存储，能量转化与传递过程中能量转化效率高，能够为终端用户提供冷热电综合能源服务，提高了以可再生能源为主体的新型电力系统的安全性和灵活性。
5.本发明还提供一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法。
6.根据本发明第一方面实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，包括：
7.存储设备；
8.储能设备，包括氢氧化钙煅烧反应器、第一换热网络、第一回热器、第一压缩机、第一透平、第一电机和第一发电机；所述氢氧化钙煅烧反应器的氢氧化钙入口与所述第一换热网络的氢氧化钙出口连通，所述氢氧化钙煅烧反应器的氧化钙出口与所述第一换热网络的氧化钙入口连通，所述氢氧化钙煅烧反应器的水蒸汽出口与所述第一换热网络的水蒸汽入口连通；所述第一换热网络的水出口、氢氧化钙入口以及氧化钙出口均与所述存储设备连通；所述第一回热器的第一入口与所述氢氧化钙煅烧反应器的二氧化碳出口连通；所述第一压缩机串接于所述第一回热器的第一出口与所述氢氧化钙煅烧反应器的二氧化碳入口之间；所述第一透平串接于所述第一回热器的第二出口与所述第一回热器的第二入口之间，所述第一电机的转轴与所述第一压缩机连接，所述第一发电机的转轴与所述第一透平连接。
9.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述储能设备还包括：
10.第一旋风分离器，所述第一旋风分离器串接于所述氢氧化钙煅烧反应器的水蒸汽出口与所述第一换热网络的水蒸汽入口之间。
11.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述储能设备还包括：
12.工业余热换热器，所述工业余热换热器的第一入口与所述第一透平的出口连通，所述工业余热换热器的第一出口与所述第一回热器的第二入口连通；
13.工业余热供给单元，所述工业余热供给单元的出口与所述工业余热换热器的第二入口连通，所述工业余热供给单元的入口与所述工业余热换热器的第二出口连通。
14.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述存储设备包括：
15.常温水存储罐，所述常温水存储罐的入口与所述第一换热网络的水出口连通；
16.氢氧化钙存储罐，所述氢氧化钙存储罐的氢氧化钙出口与所述第一换热网络的氢氧化钙入口连通；
17.氧化钙存储罐，所述氧化钙存储罐的氧化钙入口与所述第一换热网络的氧化钙出口连通。
18.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，还包括：
19.释能设备，包括水预热换热器、水蒸汽发生器、第二换热器网络、氧化钙水合反应流化床、第二回热器、第二压缩机、第二透平、第二电机和第二发电机，所述水预热换热器的第一入口与所述常温水存储罐的出口连通，所述水预热换热器的第一出口与所述水蒸汽发生器的入口连通，所述水蒸汽发生器的水蒸汽出口和所述氧化钙水合反应流化床的水蒸汽出口均与所述第二换热器网络的水蒸汽入口连通；所述第二换热器网络的氢氧化钙出口与所述氢氧化钙存储罐的氢氧化钙入口连通，所述第二换热器网络的氧化钙入口与所述氧化钙存储罐的氧化钙出口连通，所述第二换热器网络的二氧化碳入口与所述第二回热器的第一出口连通，所述第二透平串接于所述第二换热器网络的二氧化碳出口与所述第二回热器的第一入口之间，所述第二换热器网络的氧化钙出口与所述氧化钙水合反应流化床的氧化钙入口连通，所述第二换热器网络的水蒸汽出口与所述氧化钙水合反应流化床的水蒸汽入口连通，所述第二换热器网络的氢氧化钙入口与所述氧化钙水合反应流化床的氢氧化钙出口连通；所述第二压缩机串接于所述水预热换热器的第二出口与所述第二回热器的第二入口之间，所述水预热换热器的第二入口与所述第二回热器的第二出口连通，所述第二电机的转轴与所述第二压缩机连接，所述第二发电机的转轴与所述第二透平连接。
20.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述释能设备还包括：
21.供热换热器，所述供热换热器的第一入口与所述第二回热器的第二出口连通，所述供热换热器的第一出口与所述水预热换热器的第二入口连通，所述供热换热器的第二入口通过第一管路与终端用户的出口连通，所述供热换热器的第二出口通过第二管路与终端用户的入口连通；
22.吸收式热泵，所述吸收式热泵的第一接口通过第一阀门与所述第一管路连通，所
述吸收式热泵的第二接口通过第二阀门与所述第一管路连通，所述吸收式热泵的第三接口通过第三阀门与所述第二管路连通，所述吸收式热泵的第四接口通过第四阀门与所述第二管路连通。
23.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述释能设备还包括：
24.第二旋风分离器，所述第二旋风分离器的水蒸汽入口与所述氧化钙水合反应流化床的水蒸汽出口连通，所述第二旋风分离器的水蒸汽出口和所述水蒸汽发生器的水蒸汽出口均与所述第二换热器网络的水蒸汽入口连通。
25.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述释能设备还包括：
26.蒸汽混合器，所述蒸汽混合器的水蒸汽入口分别与所述第二旋风分离器的水蒸汽出口以及所述水蒸汽发生器的水蒸汽出口连通，所述蒸汽混合器的水蒸汽出口与所述第二换热器网络的水蒸汽入口连通。
27.根据本发明第二方面实施例的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法，所述运行方法基于上述任意一项所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述运行方法包括：
28.利用电网的过剩电力驱动第一电机转动，所述第一电机带动第一压缩机工作，以将超临界二氧化碳压缩至高温高压状态；
29.将高温高压的超临界二氧化碳导入氢氧化钙煅烧反应器中对氢氧化钙进行加热，使得氢氧化钙分解为氧化钙固体颗粒和水蒸汽；
30.通过第一换热网络利用氧化钙固体颗粒和水蒸汽携带的余热对进入所述氢氧化钙煅烧反应器之前的氢氧化钙进行预热。
31.根据本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法，还包括：
32.将氧化钙固体颗粒与水蒸汽输入氧化钙水合反应流化床中反应生成氢氧化钙；
33.将常温超临界二氧化碳输入第二压缩机进行升温升压；
34.将经过所述第二压缩机升温升压后的二氧化碳依次输入第二回热器和第二换热器网络得到高温高压的超临界二氧化碳；
35.将高温高压的超临界二氧化碳输入第二透平，以使第二透平运转并带动第二发电机发电；
36.将中温的超临界二氧化碳输入供热换热器，利用反应余热对终端用户进行供暖或制冷。
37.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
38.根据本发明实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，通过第一电机驱动第一压缩机，第一压缩机压缩二氧化碳至高温高压状态，将电能转换为热能；通过高温高压的二氧化碳的热量对氢氧化钙固体颗粒进行加热，使得氢氧化钙分解为氧化钙固体颗粒和水蒸汽，将热能转换为适宜长期储存的化学能。本发明提供的储能系统作为能源综合存储平台，实现了将电能-热能-化学能之间的转化、传递和存储，能量转化与传递过程中能量转化效率高，能够为终端用户提供制冷、供热和用电的综合能源服务，提高了以可再生
能源为主体的新型电力系统的安全性和灵活性。
39.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1是本发明实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的结构示意图；
42.图2是本发明实施例提供的储能设备与存储设备的连接结构示意图；
43.图3是本发明实施例提供的释能设备与存储设备的连接结构示意图；
44.图4是本发明实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法的流程示意图。
45.附图标记：
46.1、第一回热器；2、氢氧化钙煅烧反应器；3、第一旋风分离器；4、第一换热网络；5、常温水存储罐；6、氢氧化钙存储罐；7、氧化钙存储罐；8、第一压缩机；9、第一透平；10、第一电机；11、第一发电机；12、工业余热换热器；13、工业余热供给单元；14、水预热换热器；15、水蒸汽发生器；16、第二旋风分离器；17、蒸汽混合器；18、第二换热器网络；19、氧化钙水合反应流化床；20、第二回热器；21、第二压缩机；22、第二透平；23、第二电机；24、第二发电机；25、供热换热器；26、吸收式热泵；27、第一阀门；28、第二阀门；29、第三阀门；30、第四阀门；31、终端用户。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
48.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
50.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第
一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.下面结合图1至图3描述本发明实施例提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统。
53.图1示例了本发明实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的结构示意图，图2示例了本发明实施例提供的储能设备与存储设备的连接结构示意图，如图1和图2所示，基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统包括存储设备和储能设备。储能设备包括氢氧化钙煅烧反应器2、第一换热网络4、第一回热器1、第一压缩机8、第一透平9、第一电机10和第一发电机11。
54.第一换热网络4的水出口、氢氧化钙入口以及氧化钙出口均与存储设备连通。来自存储设备的氢氧化钙固体颗粒通过第一换热网络4的氢氧化钙入口被输送进入第一换热网络4，氢氧化钙固体颗粒在第一换热网络4内吸收高温氧化钙固体颗粒和高温水蒸汽的热量，从而实现对氢氧化钙固体颗粒的预热。
55.氢氧化钙煅烧反应器2的氢氧化钙入口与第一换热网络4的氢氧化钙出口连通，氢氧化钙固体颗粒于第一换热网络4预热完成后从氢氧化钙煅烧反应器2的氢氧化钙入口进入氢氧化钙煅烧反应器2，氢氧化钙煅烧反应器2用于分解氢氧化钙固体颗粒，并生成高温氧化钙固体颗粒和高温水蒸汽。
56.氢氧化钙煅烧反应器2的氧化钙出口与第一换热网络4的氧化钙入口连通，高温氧化钙固体颗粒经过氢氧化钙煅烧反应器2的氧化钙出口与第一换热网络4的氧化钙入口进入第一换热网络4。氢氧化钙煅烧反应器2的水蒸汽出口与第一换热网络4的水蒸汽入口连通，高温水蒸汽通过氢氧化钙煅烧反应器2的水蒸汽出口与第一换热网络4的水蒸汽入口进入第一换热网络4。利用氧化钙固体颗粒和水蒸汽携带的余热对进入氢氧化钙煅烧反应器2之前的氢氧化钙进行预热。将热量传递给氢氧化钙固体颗粒后，高温水蒸汽冷却为常温液态水，氧化钙固体颗粒和冷却后的常温液态水分别输送回存储设备内，完成热化学储能过程。
57.第一回热器1的第一入口与氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳出口连通。第一压缩机8串接于第一回热器1的第一出口与氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳入口之间，即第一压缩机8的入口与第一回热器1的第一出口连通，第一压缩机8的出口与氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳入口连通。第一电机10的转轴与第一压缩机8连接。电网的过剩电力驱动第一电机10转动，第一电机10带动第一压缩机8压缩超临界二氧化碳气流至高温高压状态，实
现将电能转换为热能。超临界二氧化碳气流从第一压缩机8的出口流出时的压力为20-30mpa，温度为600-650℃。
58.高温高压的超临界二氧化碳气流从氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳入口流入高温二氧化碳加热夹层中，二氧化碳携带的热量通过导热、对流和辐射的方式传递给氢氧化钙固体颗粒煅烧炉体内的氢氧化钙固体颗粒，使得氢氧化钙固体颗粒分解为高温氧化钙固体颗粒和高温水蒸汽。高温高压的超临界二氧化碳气流通过氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳出口和第一回热器1的第一入口流进第一回热器1，并与第一回热器1内的超临界二氧化碳气流完成热量交换，随后高温高压的超临界二氧化碳气流从第一回热器1的第二出口流出。
59.第一透平9串接于第一回热器1的第二出口与第一回热器1的第二入口之间，即第一透平9的入口与第一回热器1的第二出口连通，第一透平9的出口与第一回热器1的第二入口连通。第一发电机11的转轴与第一透平9连接。从第一回热器1的第二出口流出的超临界二氧化碳气流流进第一透平9，超临界二氧化碳气流驱动第一透平9做功，使得第一透平9驱动第一发电机11发电，实现将热能转换为电能。第一发电机11产生的电力用于驱动第一电机10转动。从第一透平9出口流出的超临界二氧化碳气流经过第一回热器1的第二入口进入第一回热器1。超临界二氧化碳气流在第一回热器1内经过一次加热后从第一回热器1的第一出口流出，经第一压缩机8的入口输入第一压缩机8，第一压缩机8压缩超临界二氧化碳气流至高温高压状态，从而完成超临界二氧化碳的布雷顿循环。
60.根据本发明实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，通过第一电机10驱动第一压缩机8，第一压缩机8压缩二氧化碳至高温高压状态，将电能转换为热能；通过高温高压的二氧化碳的热量对氢氧化钙固体颗粒进行加热，使得氢氧化钙分解为氧化钙固体颗粒和水蒸汽，将热能转换为适宜长期储存的化学能。
61.在本发明的实施例中，第一换热网络4包括一组流体-固体换热器、流体-流体换热器和连接管路，具体管路组成可基于进出口物料的质量热容率和温度，采用夹点分析法设计而成。第一换热网络4为现有设备，第一换热网络4的具体结构在此不再详细介绍。
62.在本发明的实施例中，氢氧化钙煅烧反应器2的结构由外至内依次为隔热保温层、耐高压壳体、高温二氧化碳加热夹层、氢氧化钙固体颗粒煅烧炉体。高温二氧化碳加热夹层与氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳入口连通。
63.氢氧化钙入口位于氢氧化钙煅烧反应器2的上端，氧化钙出口位于氢氧化钙煅烧反应器2的底部，水蒸汽出口位于氢氧化钙煅烧反应器2的顶部。
64.在本发明的实施例中，储能设备还包括第一旋风分离器3，第一旋风分离器3串接于氢氧化钙煅烧反应器2的水蒸汽出口与第一换热网络4的水蒸汽入口之间，即第一旋风分离器3的入口与氢氧化钙煅烧反应器2的水蒸汽出口连通，第一旋风分离器3的出口与第一换热网络4的水蒸汽入口连通。氢氧化钙煅烧反应器2输出的高温水蒸汽进入到第一旋风分离器3，第一旋风分离器3将高温水蒸汽携带的固体颗粒或其粉末分离获得无杂质的高温水蒸汽。
65.在本发明的实施例中，如图1和图2所示，储能设备还包括工业余热换热器12和工业余热供给单元13。工业余热换热器12的第一入口与第一透平9的出口连通，工业余热换热器12的第一出口与第一回热器1的第二入口连通。工业余热供给单元13的出口与工业余热
换热器12的第二入口连通，工业余热供给单元13的入口与工业余热换热器12的第二出口连通。从第一透平9流出的超临界二氧化碳气流通过工业余热换热器12，吸收温度200-300℃的工业余热，实现对工业余热资源的利用。
66.在本发明的实施例中，存储设备包括常温水存储罐5、氢氧化钙存储罐6和氧化钙存储罐7。氢氧化钙存储罐6的氢氧化钙出口与第一换热网络4的氢氧化钙入口连通，氢氧化钙存储罐6为第一换热网络4提供氢氧化钙固体颗粒。常温水存储罐5的入口与第一换热网络4的水出口连通，冷却后的常温液态水进入常温水存储罐5进行储存；氧化钙存储罐7的氧化钙入口与第一换热网络4的氧化钙出口连通，常温氧化钙固体颗粒进入氧化钙存储罐7内完成对氧化钙的储存，完成热化学储能过程。氢氧化钙存储罐6与氧化钙存储罐7均为密封存储。
67.当出现过剩电力消纳的需求场景时，启动储能设备，将过剩电能和工业余热转化为高品位热能，最终以化学能形式长期存储于氧化钙固体颗粒中。
68.在本发明的实施例中，图3示例了本发明实施例提供的释能设备与存储设备的连接结构示意图，如图1和图3所示，储能系统还包括释能设备，释能设备包括水预热换热器14、水蒸汽发生器15、第二换热器网络18、氧化钙水合反应流化床19、第二回热器20、第二压缩机21、第二透平22、第二电机23和第二发电机24。
69.水预热换热器14的第一入口与常温水存储罐5的出口连通，水预热换热器14的第一出口与水蒸汽发生器15的入口连通，常温液态水从常温水存储罐5泵入水预热换热器14内，进行预热，随后进入水蒸汽发生器15，产生水蒸汽。水蒸汽发生器15的水蒸汽出口和氧化钙水合反应流化床19的水蒸汽出口均与第二换热器网络18的水蒸汽入口连通。水蒸汽从第二换热器网络18的水蒸汽入口进入第二换热器网络18，进一步提高水蒸汽的温度。第二换热器网络18的水蒸汽出口与氧化钙水合反应流化床19的水蒸汽入口连通，温度提高后水蒸汽从氧化钙水合反应流化床19的水蒸汽入口流入氧化钙水合反应流化床19内。
70.第二换热器网络18的氧化钙入口与氧化钙存储罐7的氧化钙出口连通，氧化钙存储罐7的常温氧化钙固体颗粒经过第二换热器网络18的氧化钙入口输送进入第二换热器网络18，常温氧化钙固体颗粒在第二换热器网络18内进行预热。第二换热器网络18的氧化钙出口与氧化钙水合反应流化床19的氧化钙入口连通，完成预热后的氧化钙固体颗粒从氧化钙水合反应流化床19的氧化钙入口进入氧化钙水合反应流化床19内，与氧化钙水合反应流化床19内的水蒸汽发生水合反应。水合反应将氧化钙内的化学能转换为热能，释放高温热量，并获得高温的氢氧化钙固体颗粒。
71.这里需要说明的是，氧化钙水合反应流化床19的氧化钙入口位于氧化钙水合反应流化床19的水蒸汽出口上方，氧化钙固体颗粒进入氧化钙水合反应流化床19后处于流化状态，使得氧化钙固体颗粒能够与水蒸汽充分反应，生成氢氧化钙固体颗粒。
72.这里还需要说明的是，水合反应的压力运行在0.1-7mpa，对应反应温度为500-600℃。氧化钙水合反应流化床19包括隔热保温层、壳体和炉体等结构，由于氧化钙水合反应流化床19为现有设备，其具体结构在此不做详细介绍。
73.第二换热器网络18的氢氧化钙入口与氧化钙水合反应流化床19的氢氧化钙出口连通，高温的氢氧化钙固体颗粒从氧化钙水合反应流化床19的氢氧化钙出口流出，经过第二换热器网络18的氢氧化钙入口进入第二换热器网络18。第二换热器网络18的氢氧化钙出
口与氢氧化钙存储罐6的氢氧化钙入口连通，高温的氢氧化钙固体颗粒在第二换热器网络18释放热量，释放热量后的氢氧化钙固体颗粒输送回氢氧化钙存储罐6存储，完成热化学释能循环。
74.这里需要说明的是，运行过程中，部分氢氧化钙固体颗粒由于高温烧结、破碎和扬析等原因，反应活性和机械性能降低，氢氧化钙固体颗粒库存有所减少。为了维持热化学储能和释能循环的长期稳定，可在每次输送氢氧化钙固体颗粒进入第一换热网络4时，向氢氧化钙存储罐6补给一小部分新鲜的氢氧化钙固体颗粒，使之与原先的氢氧化钙固体颗粒共同进入第一换热网络4进行预热。同时，定期淘汰氢氧化钙存储罐6中部分陈旧的氢氧化钙固体颗粒。氢氧化钙固体颗粒为高温粘合剂改性的，具有较强机械性能、抗团聚的材料，颗粒直径为100-1000μm。
75.第二透平22串接于第二换热器网络18的二氧化碳出口与第二回热器20的第一入口之间，即第二透平22的入口与第二换热器网络18的二氧化碳出口连通，第二透平22的出口与第二回热器20的第一入口连通。第二透平22出口处的中温超临界二氧化碳气流经过第二回热器20的第一入口进入第二回热器20，中温超临界二氧化碳气流在第二回热器20内完成热量传递，中温超临界二氧化碳气流在第二回热器20内温度降低至100-140℃。
76.水预热换热器14的第二入口与第二回热器20的第二出口连通，中温超临界二氧化碳气流从第二回热器20的第二出口流出，进入水预热换热器14，通过中温超临界二氧化碳气流的热量对水预热换热器14内的常温水进行加热，中温超临界二氧化碳气流转换为常温超临界二氧化碳气流，温度降低至30-40℃。
77.第二压缩机21串接于水预热换热器14的第二出口与第二回热器20的第二入口之间，即第二压缩机21的入口与水预热换热器14的第二出口连通，第二压缩机21的出口与第二回热器20的第二入口连通，第二电机23的转轴与第二压缩机21连接。常温超临界二氧化碳气流经水预热换热器14的第二出口和第二压缩机21的入口进入第二压缩机21，第二压缩机21在第二电机23的驱动下将常温超临界二氧化碳气流进行升温升压，第二压缩机21的出口处超临界二氧化碳气流的压力为20-30mpa。经升温升压的超临界二氧化碳气流从第二回热器20的第二入口进入第二回热器20，吸收第二回热器20内的中温超临界二氧化碳气流的热量。
78.第二换热器网络18的二氧化碳入口与第二回热器20的第一出口连通，经升温升压的超临界二氧化碳气流经第二回热器20进一步提高温度之后，再从第二换热器网络18的二氧化碳入口进入第二换热器网络18，进一步吸收第二换热器网络18内热量，获得高温高压的超临界二氧化碳气流，此时二氧化碳气流的温度升高至480-580℃。
79.高温高压的超临界二氧化碳气流从第二换热器网络18的二氧化碳出口流出，进入第二透平22。高温高压的超临界二氧化碳气流驱动第二透平22膨胀做功，膨胀出口压力为7.5mpa。第二发电机24的转轴与第二透平22连接，第二透平22驱动第二发电机24发电，从而实现将热能转换为电能，完成布雷顿热机循环。
80.在本发明的实施例中，释能设备还包括第二旋风分离器16。第二旋风分离器16的水蒸汽入口与氧化钙水合反应流化床19的水蒸汽出口连通，水合反应后过剩的水蒸汽经氧化钙水合反应流化床19的水蒸汽出口和第二旋风分离器16的水蒸汽入口流进第二旋风分离器16，第二旋风分离器16将高温水蒸汽携带的固体颗粒或其粉末分离获得无杂质的高温
水蒸汽。第二旋风分离器16的水蒸汽出口和水蒸汽发生器15的出口均与第二换热器网络18的水蒸汽入口连通。
81.在本发明的实施例中，释能设备还包括蒸汽混合器17。蒸汽混合器17的水蒸汽入口分别与第二旋风分离器16的水蒸汽出口以及水蒸汽发生器15的水蒸汽出口连通，蒸汽混合器17的水蒸汽出口与第二换热器网络18的水蒸汽入口连通。水蒸汽发生器15所产生的水蒸汽与第二旋风分离器16分离获得的无杂质高温水蒸汽在蒸汽混合器17内混合，混合后的水蒸汽经过第二换热器网络18的水蒸汽入口进入第二换热器网络18，进一步提高水蒸汽的温度。
82.在本发明的实施例中，释能设备还包括供热换热器25。供热换热器25的第一入口与第二回热器20的第二出口连通，供热换热器25的第一出口与水预热换热器14的第二入口连通，中温超临界二氧化碳气流经第二回热器20的第二出口与供热换热器25的第一入口流进供热换热器25，在供热换热器25内完成热量交换后从供热换热器25的第一出口流出，进入水预热换热器14，使得中温超临界二氧化碳气流的温度进一步降低。在水预热换热器14的第二出口处，超临界二氧化碳流体的温度降低至30-40℃。
83.供热换热器25的第二入口通过第一管路与终端用户31的出口连通，供热换热器25的第二出口通过第二管路与终端用户31的入口连通，终端用户31所需的供暖回水经第一管路和供热换热器25的第二入口流进供热换热器25。在吸收供热换热器25内中温超临界二氧化碳气流热量后，供暖回水温度上升至60-70℃。进一步地，在吸收热量后，供暖回水经供热换热器25的第二出口和第二管路流至终端用户31，满足终端用户31的供暖需求。
84.当出现电网调峰和用户供暖的需求场景时，启动释能设备，将氧化钙固体颗粒中的化学能转化为高品位热能，驱动发电，同时借助储能系统的供暖功能，将反应余热用于终端用户31供暖。
85.在本发明的实施例中，释能设备还包括吸收式热泵26。吸收式热泵26的第一接口通过第一阀门27与第一管路连通，吸收式热泵26的第二接口通过第二阀门28与第一管路连通，吸收式热泵26的第三接口通过第三阀门29与第二管路连通，吸收式热泵26的第四接口通过第四阀门30与第二管路连通。当终端用户31需要制冷时，开启第一阀门27、第二阀门28、第三阀门29和第四阀门30，吸收式热泵26内的工质通过第一阀门27和第一管路进入供热换热器25，工质吸收供热换热器25内中温超临界二氧化碳气流热量，随后携带热量的工质经过第二管路和第三阀门29返回吸收式热泵26内。升温的工质驱动吸收式热泵26工作，在吸收式热泵26的作用下实现制冷并获得冷却水，冷却水经第四阀门30和第二管路输送至终端用户31，满足终端用户31的制冷需求，温度升高后冷却水通过第二阀门28返回吸收式热泵26内实现循环。
86.当出现电网调峰和用户供冷的需求场景时，启动释能设备，将氧化钙固体颗粒中的化学能转化为高品位热能，驱动发电，同时借助储能系统的供冷功能，将反应余热用于终端用户31供冷。
87.这里需要说明的是，供热换热器25的数量可以设置为两个，通过分配进入两个供热换热器25的超临界二氧化碳流量，分别驱动供暖和制冷，进而能够实现冷热电三联供。
88.下面结合图4描述本发明提供的一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法。图4示例了本发明实施例提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运
行方法的流程示意图，如图4所示，本发明提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法基于上述任意一项实施例所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法包括以下步骤：
89.步骤100，利用电网的过剩电力驱动第一电机10转动，第一电机10带动第一压缩机8工作，以将超临界二氧化碳压缩至高温高压状态。
90.电网的过剩电力驱动第一电机10运转，第一电机10带动第一压缩机8转动，第一压缩机8压缩超临界二氧化碳气流至高温高压状态，将电能转换为热能。超临界二氧化碳气流从第一压缩机8的出口流出时的压力为20-30mpa，温度为600-650℃。
91.步骤200，将高温高压的超临界二氧化碳导入氢氧化钙煅烧反应器2中对氢氧化钙进行加热，使得氢氧化钙分解为氧化钙固体颗粒和水蒸汽。
92.高温高压的超临界二氧化碳气流从氢氧化钙煅烧反应器2的二氧化碳入口流入氢氧化钙煅烧反应器2，二氧化碳携带的热量通过导热、对流和辐射的方式传递给氢氧化钙煅烧反应器2内的氢氧化钙固体颗粒，实现对氢氧化钙的加热，使得氢氧化钙固体颗粒分解为高温氧化钙固体颗粒和高温水蒸汽，实现将二氧化碳携带的热能转换为氧化钙的化学能。
93.步骤300，通过第一换热网络4利用氧化钙固体颗粒和水蒸汽携带的余热对进入氢氧化钙煅烧反应器2之前的氢氧化钙进行预热。
94.高温氧化钙固体颗粒通过氢氧化钙煅烧反应器2的氧化钙出口与第一换热网络4的氧化钙入口进入第一换热网络4；高温水蒸汽通过氢氧化钙煅烧反应器2的水蒸汽出口与第一换热网络4的水蒸汽入口进入第一换热网络4。利用氧化钙固体颗粒和水蒸汽携带的余热对进入氢氧化钙煅烧反应器2之前的氢氧化钙进行预热。预热完成后将氢氧化钙输送进氢氧化钙煅烧反应器2，使得氢氧化钙分解，完成热化学储能循环。
95.在本发明的实施例中，储能系统的运行方法还包括以下步骤：
96.步骤400，将氧化钙固体颗粒与水蒸汽输入氧化钙水合反应流化床19中反应生成氢氧化钙。
97.将水蒸汽发生器15产生的水蒸汽和氧化钙水合反应流化床19的过剩水蒸汽于蒸汽混合器17内混合，将混合后的高温水蒸汽经第二换热器网络18升温后输入氧化钙水合反应流化床19。将氧化钙存储罐7的氧化钙固体颗粒经第二换热器预热后输入氧化钙水合反应流化床19中。氧化钙固体颗粒与水蒸汽在氧化钙水合反应流化床19内发生水合反应，将氧化钙内的化学能转换为热能，释放高温热量，并获得高温的氢氧化钙固体颗粒。高温的氢氧化钙固体颗粒经第二换热器网络18的氢氧化钙入口进入第二换热器网络18。
98.步骤500，将常温超临界二氧化碳输入第二压缩机21进行升温升压。
99.步骤600，将经过第二压缩机21升温升压后的二氧化碳依次输入第二回热器20和第二换热器网络18得到高温高压的超临界二氧化碳。
100.第二压缩机21在第二电机23的驱动下将常温超临界二氧化碳气流进行升温升压。经升温升压的超临界二氧化碳气流从第二回热器20的第二入口进入第二回热器20，吸收第二回热器20内的中温超临界二氧化碳气流的热量。经升温升压的超临界二氧化碳气流经第二回热器20进一步提高温度之后，从第二换热器网络18的二氧化碳入口进入第二换热器网络18，进一步吸收第二换热器网络18内热量，获得高温高压的超临界二氧化碳气流。
101.步骤700，将高温高压的超临界二氧化碳输入第二透平22，以使第二透平22运转并
带动第二发电机24发电。
102.高温高压的超临界二氧化碳气流从第二换热器网络18的二氧化碳出口流出，进入第二透平22。高温高压的超临界二氧化碳气流驱动第二透平22膨胀做功，将热能转化为电能。第二发电机24的转轴与第二透平22连接，第二透平22驱动第二发电机24发电，从而实现将热能转换为电能，为终端用户31提供电力能源服务。
103.步骤800，将中温的超临界二氧化碳输入供热换热器25，利用反应余热对终端用户31进行供暖或制冷。
104.中温超临界二氧化碳气流经供热换热器25的第一入口输入供热换热器25。当终端用户31需要供暖时，供暖回水经供热换热器25的第二入口输入供热换热器25，在吸收供热换热器25内中温超临界二氧化碳气流热量后，供暖回水经供热换热器25的第二出口和第二管路流至终端用户31，满足终端用户31的供暖需求。当终端用户31需要制冷时，吸收式热泵26内的工质通过第一阀门27进入供热换热器25，工质吸收供热换热器25内中温超临界二氧化碳气流热量，随后携带热量的工质经过第二管路和第三阀门29返回吸收式热泵26内。升温的工质驱动吸收式热泵26工作，实现制冷并获得冷却水，冷却水经第四阀门30和第二管路输送至终端用户31，满足终端用户31的制冷需求，温度升高后冷却水通过第二阀门28返回吸收式热泵26内实现循环。
105.本发明提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法，能够实现电能-化学能-热能之间的转化、传递和存储，在系统运行过程中较于现有热化学储能的卡诺电池，能量数量和质量损耗少，且热电转化效率高。同时能够对电网过剩电力和工业中低温余热进行利用，为终端用户31提供冷热电区域综合能源服务。
106.本发明提供的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统作为能源综合存储平台，实现了将电能-热能-化学能之间的转化、传递和存储，能量转化与传递过程中能量转化效率高，能够为终端用户31提供制冷、供热和用电的综合能源服务，提高了以可再生能源为主体的新型电力系统的安全性和灵活性。
107.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，包括：存储设备；储能设备，包括氢氧化钙煅烧反应器、第一换热网络、第一回热器、第一压缩机、第一透平、第一电机和第一发电机；所述氢氧化钙煅烧反应器的氢氧化钙入口与所述第一换热网络的氢氧化钙出口连通，所述氢氧化钙煅烧反应器的氧化钙出口与所述第一换热网络的氧化钙入口连通，所述氢氧化钙煅烧反应器的水蒸汽出口与所述第一换热网络的水蒸汽入口连通；所述第一换热网络的水出口、氢氧化钙入口以及氧化钙出口均与所述存储设备连通；所述第一回热器的第一入口与所述氢氧化钙煅烧反应器的二氧化碳出口连通；所述第一压缩机串接于所述第一回热器的第一出口与所述氢氧化钙煅烧反应器的二氧化碳入口之间；所述第一透平串接于所述第一回热器的第二出口与所述第一回热器的第二入口之间，所述第一电机的转轴与所述第一压缩机连接，所述第一发电机的转轴与所述第一透平连接。2.根据权利要求1所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，所述储能设备还包括：第一旋风分离器，所述第一旋风分离器串接于所述氢氧化钙煅烧反应器的水蒸汽出口与所述第一换热网络的水蒸汽入口之间。3.根据权利要求1所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，所述储能设备还包括：工业余热换热器，所述工业余热换热器的第一入口与所述第一透平的出口连通，所述工业余热换热器的第一出口与所述第一回热器的第二入口连通；工业余热供给单元，所述工业余热供给单元的出口与所述工业余热换热器的第二入口连通，所述工业余热供给单元的入口与所述工业余热换热器的第二出口连通。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，所述存储设备包括：常温水存储罐，所述常温水存储罐的入口与所述第一换热网络的水出口连通；氢氧化钙存储罐，所述氢氧化钙存储罐的氢氧化钙出口与所述第一换热网络的氢氧化钙入口连通；氧化钙存储罐，所述氧化钙存储罐的氧化钙入口与所述第一换热网络的氧化钙出口连通。5.根据权利要求4所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，还包括：释能设备，包括水预热换热器、水蒸汽发生器、第二换热器网络、氧化钙水合反应流化床、第二回热器、第二压缩机、第二透平、第二电机和第二发电机，所述水预热换热器的第一入口与所述常温水存储罐的出口连通，所述水预热换热器的第一出口与所述水蒸汽发生器的入口连通，所述水蒸汽发生器的水蒸汽出口和所述氧化钙水合反应流化床的水蒸汽出口均与所述第二换热器网络的水蒸汽入口连通；所述第二换热器网络的氢氧化钙出口与所述氢氧化钙存储罐的氢氧化钙入口连通，所述第二换热器网络的氧化钙入口与所述氧化钙存储罐的氧化钙出口连通，所述第二换热器网络的二氧化碳入口与所述第二回热器的第一出口连通，所述第二透平串接于所述第二换热器网络的二氧化碳出口与所述第二回热器的第一入口之间，所述第二换热器网络的氧化钙出口与所述氧化钙水合反应流化床的氧化钙入
口连通，所述第二换热器网络的水蒸汽出口与所述氧化钙水合反应流化床的水蒸汽入口连通，所述第二换热器网络的氢氧化钙入口与所述氧化钙水合反应流化床的氢氧化钙出口连通；所述第二压缩机串接于所述水预热换热器的第二出口与所述第二回热器的第二入口之间，所述水预热换热器的第二入口与所述第二回热器的第二出口连通，所述第二电机的转轴与所述第二压缩机连接，所述第二发电机的转轴与所述第二透平连接。6.根据权利要求5所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，所述释能设备还包括：供热换热器，所述供热换热器的第一入口与所述第二回热器的第二出口连通，所述供热换热器的第一出口与所述水预热换热器的第二入口连通，所述供热换热器的第二入口通过第一管路与终端用户的出口连通，所述供热换热器的第二出口通过第二管路与终端用户的入口连通；吸收式热泵，所述吸收式热泵的第一接口通过第一阀门与所述第一管路连通，所述吸收式热泵的第二接口通过第二阀门与所述第一管路连通，所述吸收式热泵的第三接口通过第三阀门与所述第二管路连通，所述吸收式热泵的第四接口通过第四阀门与所述第二管路连通。7.根据权利要求5所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，所述释能设备还包括：第二旋风分离器，所述第二旋风分离器的水蒸汽入口与所述氧化钙水合反应流化床的水蒸汽出口连通，所述第二旋风分离器的水蒸汽出口和所述水蒸汽发生器的水蒸汽出口均与所述第二换热器网络的水蒸汽入口连通。8.根据权利要求7所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，其特征在于，所述释能设备还包括：蒸汽混合器，所述蒸汽混合器的水蒸汽入口分别与所述第二旋风分离器的水蒸汽出口以及所述水蒸汽发生器的水蒸汽出口连通，所述蒸汽混合器的水蒸汽出口与所述第二换热器网络的水蒸汽入口连通。9.一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法基于权利要求1至8中任意一项所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统，所述运行方法包括：利用电网的过剩电力驱动第一电机转动，所述第一电机带动第一压缩机工作，以将超临界二氧化碳压缩至高温高压状态；将高温高压的超临界二氧化碳导入氢氧化钙煅烧反应器中对氢氧化钙进行加热，使得氢氧化钙分解为氧化钙固体颗粒和水蒸汽；通过第一换热网络利用氧化钙固体颗粒和水蒸汽携带的余热对进入所述氢氧化钙煅烧反应器之前的氢氧化钙进行预热。10.根据权利要求9所述的基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统的运行方法，其特征在于，还包括：将氧化钙固体颗粒与水蒸汽输入氧化钙水合反应流化床中反应生成氢氧化钙；将常温超临界二氧化碳输入第二压缩机进行升温升压；将经过所述第二压缩机升温升压后的二氧化碳依次输入第二回热器和第二换热器网
络得到高温高压的超临界二氧化碳；将高温高压的超临界二氧化碳输入第二透平，以使所述第二透平运转并带动第二发电机发电；将中温的超临界二氧化碳输入供热换热器，利用反应余热对终端用户进行供暖或制冷。

技术总结
本发明涉及能量储存技术领域，提供一种基于热化学储能与布雷顿循环的储能系统及运行方法。储能系统包括存储设备和储能设备。储能设备包括氢氧化钙煅烧反应器、第一换热网络、第一回热器、第一压缩机、第一透平、第一电机和第一发电机，各结构组件依次连接。通过第一电机驱动第一压缩机，第一压缩机压缩二氧化碳至高温高压状态，将电能转换为热能；高温高压的二氧化碳对氢氧化钙固体颗粒进行加热，使得氢氧化钙分解为氧化钙固体颗粒和水蒸汽，将热能转换为化学能。本发明提供的储能系统作为能源综合存储平台，实现了将电能-热能-化学能之间的转化、传递和存储，能量转化效率高，能够为终端用户提供冷热电综合能源服务。端用户提供冷热电综合能源服务。端用户提供冷热电综合能源服务。


技术研发人员：许强辉 沈俊 田冉 魏名山
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/6/6