一种压缩二氧化碳储能系统

1.本实用新型属于物理储能系统及可再生能源技术领域，特别涉及一种压缩二氧化碳储能系统。


背景技术：

2.近年来，传统化石能源利用所带来的环境污染等问题日益严重，人们的能源利用观念发生了巨大的转变，可再生能源作为一种绿色能源引起了人们的广泛关注，从而得到了快速的发展。在利用可再生能源的过程中尚存在一些问题；其中，可再生能源的固有特性(例如，低可控性、高波动性等)导致可再生能源发电不够稳定，可再生能源发电并网给电网的安全和稳定运行带来了巨大的挑战，储能技术是解决这一难题的有效方法。
3.在众多的储能技术中，压缩空气储能因其巨大的发展潜力而成为各国学者的研究热点；其基本原理为：在用电低谷期，利用可再生能源发电或富余电力带动压缩机压缩环境空气，将电能转化为空气的内能储存(例如，储存在地下洞穴中)；当电能被需要时，存储的高压空气被释放带动膨胀机做功输出电能，将电能并入电网供给用户。虽然压缩空气储能是一种较为成熟的储能技术，但是系统的储能密度低以及系统依赖于有利的地理条件等缺点是其主要阻碍；液化空气储能-195℃的极端低温操作条件对设备安全性提出极大要求。
4.基于上述分析，二氧化碳具有合适的临界物性(临界温度31℃)使其液化方便，而且优良的热物性，因而成为压缩气体储能系统的研究热点。与压缩空气储能技术不同，二氧化碳储能系统是一个闭式循环，释能时透平排出的二氧化碳要储存在另一个储罐而不能直接排放到大气中；若二氧化碳以气态形式存储时，现有的压缩二氧化碳储能系统能量密度低，受地理条件限制严重；若以液态二氧形式存储，则依赖lng等低温冷源、节流装置或显热潜热并存的低温蓄冷装置来完成低压二氧化碳的液化，造成系统条件依赖性强、效率及能量密度低和装置复杂的难题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种压缩二氧化碳储能系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本实用新型提供的压缩二氧化碳储能系统中，二氧化碳最终均以低压液态形式储存在储罐中，可克服系统对地理条件的依赖，低压形式也降低了对储罐的材料要求；本实用新型提供的压缩二氧化碳储能系统可用于克服可再生能源发电的不稳定性，也可用于维持电网的调峰，保持电网的安全稳定运行。
6.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.本实用新型的一种压缩二氧化碳储能系统，包括：
8.第一储罐；
9.蓄冷器，所述蓄冷器设置有第一进口、第一出口、第二进口及第二出口，所述蓄冷器的第一进口与第一出口相连通，所述蓄冷器的第二进口与第二出口相连通；所述蓄冷器的第一进口与所述第一储罐的出口相连通，所述蓄冷器的第二出口与所述第一储罐的进口
相连通；
10.第一换热器，所述第一换热器的冷源通道进口与所述蓄冷器的第一出口相连通；
11.压缩机，所述压缩机的进口与所述第一换热器的冷源通道出口相连通；
12.冷却器，所述冷却器的热源通道进口与所述压缩机的出口相连通，所述冷却器的热源通道出口与所述第一换热器的热源通道进口相连通；
13.第一透平，用于膨胀做功驱动发电机发电；所述第一透平的进口与所述第一换热器的热源通道出口相连通；
14.分离器，所述分离器设置有进口、气态出口和液体出口；所述分离器的进口与所述第一透平的出口相连通，所述分离器的气态出口与所述第一换热器的冷源通道进口相连通；
15.第二储罐，所述第二储罐的进口与所述分离器的液体出口相连通；
16.第四换热器，所述第四换热器的冷源通道进口与所述第二储罐的出口相连通；
17.加热器，所述加热器的冷源通道进口与所述第四换热器的冷源通道出口相连通；
18.第二透平，用于膨胀做功驱动发电机发电；所述第二透平的进口与所述加热器的冷源通道出口相连通，所述第二透平的出口与所述第四换热器的热源通道进口相连通；
19.膨胀机，用于膨胀做功驱动发电机发电；所述膨胀机的进口与所述第四换热器的热源通道出口相连通，所述膨胀机的出口与所述蓄冷器的第二进口相连通。
20.本实用新型的进一步改进在于，还包括：
21.第二换热器，所述第二换热器的热源通道进口与所述冷却器的热源通道出口相连通，所述第二换热器的热源通道出口与所述第一透平的进口相连通；
22.第一甲醇罐，所述第一甲醇罐的进口与所述第二换热器的冷源通道出口相连通；
23.第三换热器，所述第三换热器的热源通道进口与所述第一甲醇罐的出口相连通；所述第三换热器的冷源通道进口与所述第二储罐的出口相连通，所述第三换热器的冷源通道出口与所述加热器的冷源通道进口相连通；
24.第二甲醇罐，所述第二甲醇罐的进口与所述第三换热器的热源通道出口相连通，所述第二甲醇罐的出口与所述第二换热器的冷源通道进口相连通。
25.本实用新型的进一步改进在于，还包括：
26.第一水罐，所述第一水罐的进口与所述冷却器的冷源通道出口相连通，所述第一水罐的出口与所述加热器的热源通道进口相连通；
27.第二水罐，所述第二水罐的进口与所述加热器的热源通道出口相连通，所述第二水罐的出口与所述冷却器的冷源通道进口相连通。
28.本实用新型的进一步改进在于，所述第一水罐及所述第二水罐中的介质为加压水；所述第一水罐和所述第二甲醇罐设置有绝缘保温层。
29.本实用新型的进一步改进在于，所述第一储罐用于存储释能液体二氧化碳，所述第二储罐用于存储储能液体二氧化碳。
30.本实用新型的进一步改进在于，所述蓄冷器设置有相变材料用于储存潜冷能。
31.本实用新型的进一步改进在于，还包括：电动机，所述电动机用于驱动所述压缩机。
32.本实用新型的进一步改进在于，所述第二储罐的出口处还设置有泵。
33.本实用新型的进一步改进在于，所述蓄冷器的第一进口与所述第一储罐的出口之间还设置有节流阀。
34.本实用新型的进一步改进在于，还包括：
35.第一发电机，用于在所述第一透平的驱动下发电；
36.第二发电机，用于在所述第二透平的驱动下发电；
37.第三发电机，用于在所述膨胀机的驱动下发电。
38.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
39.本实用新型的系统能够以低压液态的形式储存二氧化碳，相对于现有压缩二氧化碳系统大幅度地拓宽了压缩和膨胀线，极大地增大了系统的能量密度，并且降低了对二氧化碳储罐的材料要求。本实用新型具有储能密度高、设备结构紧凑以及技术可行性好等优点，可应用于提高可再生能源的利用率，也可应用于维持电网的供需平衡，保证电网的安全稳定运行。
40.进一步地，该系统采用甲醇来储存显冷能，在第一换热器中，利用二氧化碳携带的冷能来降低部分冷却器出口二氧化碳的温度，以降低第二换热器中甲醇的需求量，减少甲醇储罐的储存体积，降低成本。
41.进一步地，使用蓄冷器中的相变材料来储存潜冷能，利用蓄冷器解决了二氧化碳的冷凝难题，并且通过保证蓄冷器中二氧化碳的纯相变过程避免了因显热换热和潜热换热共存而导致的换热设备庞大和设计复杂问题。
附图说明
42.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
43.图1是本实用新型实施例的一种压缩二氧化碳储能系统的结构示意图；
44.图1中：1-第一储罐；2-节流阀；3-蓄冷器；4-第一换热器；5-压缩机；6-电动机；7-冷却器；8-第二换热器；9-第一透平；10-第一发电机；11-分离器；12-第二储罐；13-泵；14第三换热器；15-第四换热器；16-加热器；17-第二透平；18-第二发电机；19-膨胀机；20-第三发电机；21-第一甲醇罐；22-第二甲醇罐；23-第一水罐；24-第二水罐。
具体实施方式
45.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
46.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这
里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
47.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
48.请参阅图1，本实用新型实施例的一种压缩二氧化碳储能系统，包括：
49.第一储罐1，用于存储释能液体二氧化碳；所述第一储罐1设置有进口和出口；
50.蓄冷器3，所述蓄冷器3设置有相变材料用于储存潜冷能；所述蓄冷器3设置有第一进口、第一出口、第二进口、第二出口；其中，所述蓄冷器3的第一进口与第一出口相连通，所述蓄冷器3的第二进口与第二出口相连通；所述蓄冷器3的第一进口与所述第一储罐1的出口相连通；所述蓄冷器3的第二出口与所述第一储罐1的进口相连通；
51.第一换热器4，所述第一换热器4设置有冷源通道和热源通道；所述第一换热器4的冷源通道进口与所述蓄冷器3的第一出口相连通；
52.压缩机5，所述压缩机5设置有进口和出口；所述压缩机5的进口与所述第一换热器4的冷源通道出口相连通；
53.冷却器7，所述冷却器7设置有冷源通道和热源通道；所述冷却器7的热源通道进口与所述压缩机5的出口相连通；所述冷却器7的热源通道出口与所述第一换热器4的热源通道进口相连通；
54.第一透平9，用于膨胀做功驱动发电机发电；所述第一透平9设置有进口和出口；所述第一透平9的进口与所述第一换热器4的热源通道出口相连通；
55.分离器11，所述分离器11设置有进口、气态出口和液体出口；所述分离器11的进口与所述第一透平9的出口相连通，所述分离器11的气态出口与所述第一换热器4的冷源通道进口相连通；
56.第二储罐12，用于存储储能液体二氧化碳；所述第二储罐12设置有进口和出口；所述第二储罐12的进口与所述分离器11的液体出口相连通；
57.第四换热器15，所述第四换热器15设置有冷源通道和热源通道；所述第四换热器15的冷源通道进口与所述第二储罐12的出口相连通；
58.加热器16，所述加热器16设置有冷源通道和热源通道；所述加热器16的冷源通道进口与所述第四换热器15的冷源通道出口相连通；
59.第二透平17，用于膨胀做功驱动发电机发电；所述第二透平17设置有进口和出口；所述第二透平17的进口与所述加热器16的冷源通道出口相连通；所述第二透平17的出口与所述第四换热器15的热源通道进口相连通；
60.膨胀机19，用于膨胀做功驱动发电机发电；所述膨胀机19设置有进口和出口；所述膨胀机19的进口与所述第四换热器15的热源通道出口相连通；所述膨胀机19的出口与所述蓄冷器3的第二进口相连通。
61.本实用新型实施例优选的方案中，还包括：
62.第二换热器8，所述第二换热器8设置有冷源通道和热源通道；所述第二换热器8的热源通道进口与所述冷却器7的热源通道出口相连通；所述第二换热器8的热源通道出口与所述第一透平9的进口相连通；
63.第一甲醇罐21，所述第一甲醇罐21设置有进口和出口；所述第一甲醇罐21的进口与所述第二换热器8的冷源通道出口相连通；
64.第三换热器14，所述第三换热器14设置有冷源通道和热源通道；所述第三换热器14的热源通道进口与所述第一甲醇罐21的出口相连通；所述第三换热器14的冷源通道进口与所述第二储罐12的出口相连通，所述第三换热器14的冷源通道出口与所述加热器16的冷源通道进口相连通；
65.第二甲醇罐22，所述第二甲醇罐22设置有进口和出口；所述第二甲醇罐22的进口与所述第三换热器14的热源通道出口相连通，所述第二甲醇罐22的出口与所述第二换热器8的冷源通道进口相连通。
66.本实用新型实施例优选的方案中，还包括：
67.第一水罐23，所述第一水罐23设置有进口和出口；所述第一水罐23的进口与所述冷却器7的冷源通道出口相连通；所述第一水罐23的出口与所述加热器16的热源通道进口相连通；
68.第二水罐24，所述第二水罐24设置有进口和出口；所述第二水罐24的进口与所述加热器16的热源通道出口相连通，所述第二水罐24的出口与所述冷却器7的冷源通道进口相连通。
69.本实用新型实施例提供的系统中，利用可再生能源发电或用电低谷期富余电力带动压缩机压缩二氧化碳，将电能转化成二氧化碳的势能以及蓄热介质水的内能储存，在用电高峰期，利用透平以及加热器将储存的势能和内能转化为电能供给用户。该系统可用于解决可再生能源发电不稳定的问题，也可用于电网的削峰填谷，维持电网的安全稳定运行。进一步地，该系统采用甲醇来储存显冷能，在第一换热器中，利用二氧化碳携带的冷能来降低部分冷却器出口二氧化碳的温度，以降低第二换热器中甲醇的需求量，减少甲醇储罐的储存体积，降低成本。进一步地，使用蓄冷器中的相变材料来储存潜冷能，利用蓄冷器解决了二氧化碳的冷凝难题，并且通过保证蓄冷器中二氧化碳的纯相变过程避免了因显热换热和潜热换热共存而导致的换热设备庞大和设计复杂问题。进一步地，该系统储能及释能过程中的二氧化碳最终均以低压液态的形式储存在人工储罐中，这不仅克服了系统对地理条件的依赖，低压的形式还降低了对人工储罐的材料要求。
70.本实用新型实施例提供的压缩二氧化碳储能系统的具体工作原理包括：
71.工作过程分为储能阶段和释能阶段；
72.在储能阶段，液态的二氧化碳从第一储罐1经节流阀2流出，在蓄冷器3发生纯相变过程后由液态变为饱和气态，随后在第一换热器4中释放冷量后进入压缩机5被压缩成超临界状态，压缩机5可由可再生能源发电、电网富余电力或电动机6驱动，压缩后的超临界二氧化碳进入冷却器7释放热量后，在第一换热器4和第二换热器8吸收冷量温度进一步降低，降温后的气态二氧化碳进入第一透平9膨胀为气液混合态，第一透平9可带动第一发电机10输出电能并入电网，第一透平9出口的气液混合态二氧化碳进入分离器11分离，分离后的气态二氧化碳进入第一换热器4，液态二氧化碳进入第二储罐12储存；同时可选的，第二水罐24中的温水被送入冷却器7吸收压缩热，吸收压缩热后的高温水进入第一水罐23储存；第二甲醇罐22中的冷甲醇被送入第二换热器8，释放冷能后储存在第一甲醇罐21，储能阶段结束。
73.在释能阶段，液态的二氧化碳从第二储罐12流入泵13，在泵13中变成高压液态，泵
13出口的高压液态二氧化碳被分成两股，分别在第三换热器14和第四换热器15释放冷量后进入加热器16被加热到超临界状态，加热器16出口的超临界二氧化碳进入第二透平17膨胀做功，第二透平17带动第二发电机18发电输出到电网，第二透平17出口的低压气态二氧化碳进入第四换热器15吸收冷能温度降低，降温后的气态二氧化碳进入膨胀机19膨胀做功，膨胀机19带动第三发电机20发电并入电网，膨胀机19出口夹带少量液体的气态二氧化碳在蓄冷器3发生纯相变后，变成饱和液态储存在第一储罐1；同时可选的，第一水罐23中的高温水进入加热器16释放热量，在加热器16中将热量传递给二氧化碳，降温后的水被储存在第二水罐24中；第一甲醇罐21中的温甲醇被送入第三换热器14吸收二氧化碳的冷能，吸收冷能后的冷甲醇被送入第二甲醇罐22储存，释能阶段结束。
74.其中，第一储罐1出口设置节流阀2控制罐内液体的流出；蓄冷器3中的二氧化碳均发生纯相变过程；第二水罐24和第一水罐23中的蓄热介质为加压水；第二甲醇罐22中的甲醇被用来储存显冷能，蓄冷器3中的相变材料被用来储存潜冷能；第一水罐23和第二甲醇罐22外部设绝缘保温材料。
75.综上，本实用新型实施例提供的压缩二氧化碳储能系统，包括：第一储罐1(也即释能液体二氧化碳储罐，用于储存及输出释能液体二氧化碳)、节流阀2、蓄冷器3、第一换热器4、压缩机5、电动机6、冷却器7、第二换热器8、第一透平9(也即低温透平)、第一发电机10、分离器11、第二储罐12(也即储能液体二氧化碳储罐)、泵13(也即低温泵)、第三换热器14、第四换热器15、加热器16、第二透平17、第二发电机18、膨胀机19、第三发电机20、第一甲醇罐21、第二甲醇罐22、第一水罐23和第二水罐24。本实用新型的系统在压缩机出口和泵出口分别配置回冷器以实现工质冷能的直接循环利用，可大幅度减少蓄冷介质甲醇的质量以及储罐的体积；同时，能够确保低温蓄冷器中二氧化碳的纯相变过程，避免因显热换热和潜热换热共存而导致的换热设备庞大和设计复杂问题，使储能系统简单、成本低。本实用新型系统采用回冷器来降低二氧化碳液化时的冷能需求，大幅度减少了蓄冷材料以及蓄冷储罐的体积，摒弃了复杂的多流股换热器，确保了蓄冷器中亚临界二氧化碳的纯相变过程，避免了因显热换热和潜热换热共存导致的蓄冷器设备庞大和设计复杂的问题。系统中的二氧化碳最终均以低压液态的形式储存在人工储罐中，这不仅克服了系统对地理条件的依赖，低压的形式还降低了对人工储罐的材料要求。所提出的压缩二氧化碳储能系统可用于克服可再生能源发电的不稳定性，也可用于维持电网的调峰，保持电网的安全稳定运行。
76.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。