用于发电系统中的二氧化碳能量储存的方法和系统与流程

本发明是根据能源部(doe)颁发的合同号de-ar0000467在政府支持下完成的。政府享有本发明的某些权利。

背景技术：

本发明涉及一种能量储存系统，并且更具体地，涉及在这种能量储存系统中使用二氧化碳(co2)来直接储存和回收能量。

至少一些已知的发电系统包括使用co2作为工作流体的发电涡轮系统。这种系统可以包括储存和释放模式，在这些模式下它们将潜在电能储存在气态co2中，然后通过温度和/或压力的变化从气体中释放能量。至少一些已知的发电系统将气态co2从涡轮引导至储罐，储罐将co2保持在其三相点以冷凝气态co2。然而，在三相点压力下在储罐内将气态co2冷凝成液态co2仅产生系统中包含的一部分能量，并且效率较低。

技术实现要素：

在一个方面，提供了一种二氧化碳(co2)能量储存系统。该co2能量储存系统包括储罐，其被配置成储存包括干冰和液态co2的co2浆液。储罐在co2三相点储存浆液。该储存系统还包括与储罐以流体连通方式联接的第一泵。第一泵被配置成从储罐接收co2浆液并将co2浆液的压力增加至高于co2三相点压力的压力。该能量储存系统还包括与第一泵以流体连通方式联接的接触器。该接触器被配置成从泵接收高压co2浆液并且还在高于co2三相点压力的压力下接收第一气态co2流。

在另一方面，提供了一种发电系统。该发电系统包括具有co2涡轮的发电循环。该发电系统还包括与发电循环以流体连通方式联接的co2储存系统。co2储存系统包括储罐，其被配置成储存包括干冰和液态co2的co2浆液。储罐在co2三相点储存浆液。该储存系统还包括与储罐以流体连通方式联接的第一泵。第一泵被配置成从储罐接收co2浆液并将co2浆液的压力增加至高于co2三相点压力的压力。该能量储存系统还包括与第一泵以流体连通方式联接的接触器。该接触器被配置成从泵接收高压co2浆液并且还在高于co2三相点压力的压力下从co2涡轮接收第一气态co2流。

在另一方面，提供了一种操作发电系统的方法。该发电系统包括发电循环和co2储存系统。该方法包括将干冰和液态co2的浆液在co2的三相点下储存在储罐中，并且将浆液泵送通过第一泵以将浆液的压力增加到高于co2三相点压力。该方法还包括将高压浆液引导至接触器，并且在高于co2三相点压力的压力下将第一气态co2流引导至接触器。然后将高压浆液流和第一高压气态co2流在接触器内混合在一起，以在高于三相点压力的压力下将引入的气态co2冷凝成液态co2。

附图说明

在参考附图阅读以下具体实施方式后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号贯穿所有附图代表类似的部分，其中：

图1是包括发电循环和co2能量储存系统的示例性发电系统的示意图。

除非另有说明，本文提供的附图旨在说明本公开实施方案的特征。这些特征被认为适用于包括本公开的一个或多个实施方案的多种系统。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的实施本文公开的实施方案所需的所有常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，将会提及多个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。

除非上下文清楚地另外指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数含义。

“任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的情况和事件未发生的情况。

如贯穿说明书和权利要求所使用的，可使用近似的表述修饰任意定量表达，允许定量表达在不改变其所涉及的基本功能的情况下改变。因此，由一个或多个术语诸如“大约”、“大致”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似的表述可对应于用于测量值的仪器的精确度。在此以及整个说明书和权利要求中，范围限制被组合和互换；除非上下文或措辞中另有指示，否则这些范围是确定的并且包括其中包含的所有子范围。

本文描述的实施方案公开了一种新型能量系统，其用于使用二氧化碳工作流体的相、温度和压力变化有效地储存能量，并且释放储存的能量以产生电能。本公开的能量储存系统利用多相二氧化碳(co2)工作流体进行操作，用于将电力直接储存在固态co2中并且用于直接释放储存的能量以产生电能。本文所述的co2能量储存系统包括储罐，该储罐被配置成储存包括干冰和液态co2的co2浆液。储罐在co2三相点储存浆液。该储存系统还包括与储罐以流体连通方式联接的第一泵。第一泵被配置成从储罐接收co2浆液并将co2浆液的压力增加至高于co2三相点压力的压力。该能量储存系统还包括与第一泵以流体连通方式联接的接触器。接触器被配置成从泵接收高压co2浆液并且还在高于co2三相点压力的压力下接收第一气态co2流。浆液中正在融化的干冰接触然后冷凝该气态co2以产生液态co2，其可用于co2涡轮以产生电能。

本文描述的发电系统提供了超过现有发电系统的各种技术和商业优势或改进。所公开的发电系统包括co2储存系统，其在高于co2的三相点压力的压力下使气态co2与液态co2和干冰的浆液接触。有意地在这种压力下操作接触器驱动co2气体冷凝，并且导致两个流之间的有效热传递，相比于已知系统，这产生更大量的液态co2。液态co2被引导通过发电循环以产生电能。因此，使用初始作为干冰储存的电能增强发电循环及其涡轮的性能。作为上述的结果，本文所述的发电系统有助于提高发电厂效率，并且增加发电量。

图1是示例性发电系统100的示意图，该发电系统100包括与co2能量储存系统104以流体连通方式联接的发电循环102。在示例性实施方案中，发电循环102包括使用co2作为工作流体发电的涡轮106。发电循环102还包括与co2能量储存系统104以流体连通方式联接的进料泵108以及在泵108和涡轮106之间以流体连通方式联接的热回收蒸气发生器110。泵108和热回收蒸气发生器110分别增加来自co2储存系统104的co2的压力和温度，以使该压力和温度更接近涡轮106的操作压力和温度。发电系统102还包括在涡轮106和co2储存系统104之间以流体连通方式联接的热交换器或换热器112。换热器112是在排气被引导至co2储存系统104之前从气态co2排气中去除一部分热量的热交换器。

在示例性实施方案中，co2能量储存系统104包括储罐114、接触器116和泵118，泵118以流体连通方式联接在储罐114和接触器116之间。储罐114在co2的三相点储存干冰和液态co2的co2浆液。在热力学中，任何物质的三相点都是该物质的三相在热力学平衡中共存时的温度和压力。co2的三相点在-56.6摄氏度(-69.8华氏度)时约为5.18巴(5.11个大气压)。

同样在示例性实施方案中，co2能量储存系统104包括加注循环和释放循环。在加注循环中，储罐114将过剩的电能储存为干冰。如下所述的制冷系统将储罐114内的液态co2转化为干冰，用于将驱动制冷系统的电能储存为干冰中的潜热。储罐114内的浆液包括大致20％至大致80％的干冰，具体取决于循环。更具体地，当储罐114完全加注时，浆液包括大致80％的干冰，并且当储罐114完全释放时，浆液包括大致20％的干冰。在加注期间，储罐114内的干冰的百分比从大致20％增加到大致80％，使得储罐内的浆液可以包括大致20％和大致80％之间的任何百分比的干冰。

co2能量储存系统104还包括与储罐114以流体连通方式联接的再循环回路120。在示例性实施方案中，回路120被配置成从储罐114中去除气态co2，并且使用相变机构122将气态co2冷凝成液态co2，并且将该液态co2引导回储罐114中。在一个实施方案中，相变机构122包括热交换器、压缩机和/或将气态co2转换成液态co2的任何其他机构的任意组合。此外，co2能量储存系统104包括联接到储罐114的混合机构(未示出)。混合机构被配置成在储罐114内混合干冰和液态co2，以使储罐114内的温度梯度最小。混合机构可包括泵，以将液态co2从储罐114的底部引导至储罐114的顶部。或者，混合机构可包括储罐114内的搅拌机构，其连续搅拌浆液以将干冰与液态co2混合。

储罐114还包括主出口管线124，其将co2浆液从储罐14引导至泵118。在示例性实施方案中，泵118从储罐114接收浆液并且将浆液的压力增加到高于co2三相点压力的压力。更具体地，泵118将浆液加压至比5.18巴的co2三相点压力高大致2巴至大致7巴范围内的压力。也就是说，泵118将浆液的压力从5.18巴的co2三相点压力增加到大致7.18到大致12.18巴的范围。因此，高压浆液管线124将来自泵118的高压浆液引导至接触器116中。

在示例性实施方案中，接触器116通过管线124接收来自泵118的高压co2浆液流，并且还接收来自涡轮排气管线126的高压气态co2流。涡轮106在高于co2三相点压力的压力下将气态co2排放到管线126中，管线将高压气态co2引导通过换热器112以进行热回收，然后进入接触器116。这样，接触器116操作的压力高于储罐114并高于co2三相点压力。接触器116用作气态co2与干冰和液态co2的浆液之间发生热传递的单元。在示例性实施方案中，接触器116包括喷射接触器、填料塔接触器和托盘接触器中的任何一个或其组合。

在操作中，高压浆液管线124在比高压气态co2管线126将气态co2引导至接触器116的位置更高的竖直位置处将浆液引导至接触器116中。这种配置在接触器116内上升的气态co2接触下降的co2浆液的位置处限定了逆流。气态co2与浆液中的干冰之间的接触将气态co2涡轮排气冷凝成液态co2，并且浆液中相应量的co2在与入口浆液相同的温度下溶化。将气态co2冷凝成液态增强了co2涡轮106的性能，因为将液态co2泵送回发电循环102以用于co2涡轮所需的能量较低。

如图1所示，co2能量储存系统104还包括另一个气态co2再循环回路128。在任何气态co2上升通过接触器116而没有冷凝成液态co2的情况下，再循环回路128通过接触器出口管线130从接触器116去除气态co2，并且将其引导至联接至管线130的压缩机132，以将来自接触器116的气态co2的压力增加到高于co2三相点压力。然后高压气态co2可以与来自涡轮106排气的高压气态co2在混合器134中组合，然后通过管线136引导回到接触器116中以进行冷凝。除了再循环气态co2之外，这种混合还使得能够回收来自接触器116的任何冷却的气态co2。

当在接触器116中发生冷凝时，液态co2从接触器116通过接触器116底部的接触器出口管线138引导至co2储罐114。在一个实施方案中，控制机构140联接到出口管线138，以控制接触器116内的压力，使得接触器116的内部压力保持在高于co2三相点压力的压力。在示例性实施方案中，控制机构140可在完全打开和完全关闭以及它们之间的任何位置之间移动，以控制从接触器116流出的液态co2的流动。控制液态co2的流动在接触器116中保持足够的压力，同时仍然允许液态co2被引导至储罐114。

在示例性实施方案中，co2能量储存系统104包括倾析器142，倾析器142经由储罐出口管线144与储罐114以流体连通方式联接。储罐114引导浆液流通过管线144至倾析器142。浆液主要由液态co2和少量干冰(如果有)组成。倾析器142从管线144接收浆液并且从浆液中去除任何干冰。在示例性实施方案中，倾析器142将液态co2通过第一倾析器出口管线146引导至发电循环102，并且更具体地，引导至泵108。另外，倾析器142将从离开储罐114的浆液中去除的干冰引向接触器116。更具体地，倾析器142通过管线148将包括高百分比干冰的浆液引向接触器116。作为另外一种选择或除此之外，倾析器142可通过管线149将高百分比的干冰浆液引导回储罐114中。

同样在示例性实施方案中，泵150以流体连通方式联接在倾析器142和接触器116之间。泵150被配置成将管线148中的高百分比干冰浆液的压力增加至高于co2三相点压力的压力，并且将高压浆液通过泵出口管线152引向接触器116。混合器154以流体连通方式联接在泵118和150与接触器116之间，并且被配置成将来自泵118的co2浆液流与来自泵150的高百分比干冰浆液流混合。这样，向接触器116提供来自储罐114的co2浆液流和来自倾析器142的高百分比干冰浆液流的高压混合物。

本文公开的co2能量储存系统的实施方案描述了一种能量系统，用于有效地将能量储存为二氧化碳，并且释放能量以产生电能。本公开的能量储存系统利用多相co2进行操作，用于将电力直接储存在固态co2中并且用于直接释放能量以产生电能。本文所述的co2能量储存系统包括储罐，该储罐被配置成储存包括干冰和液态co2的co2浆液。该储罐在co2三相点温度和压力条件下储存浆液。该储存系统还包括与储罐以流体连通方式联接的第一泵。第一泵被配置成从储罐接收co2浆液并将co2浆液的压力增加至高于co2三相点压力的压力。该能量储存系统还包括与第一泵以流体连通方式联接的接触器。接触器被配置成从泵接收高压co2浆液并且还在高于co2三相点压力的压力下接收第一气态co2流。浆液中正在融化的干冰接触然后冷凝该气态co2以产生液态co2，其可用于co2涡轮以产生电能。

本文描述的发电系统提供了超过现有发电系统的各种技术和商业优势或改进。所公开的发电系统包括co2储存系统，其在高于co2的三相点压力的压力下使气态co2与液态co2和干冰的浆液接触。在这种压力下操作接触器驱动冷凝并且导致两个流之间的有效热传递，相比于已知系统，这产生更大量的液态co2。液态co2被引导通过发电循环以产生电能。因此，使用初始作为干冰储存的电能增强发电循环及其涡轮的性能。作为上述的结果，本文所述的发电系统有助于提高发电厂效率，并且增加发电量。

本文描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下中的至少一者：(a)在干冰和气态co2之间有效地传递热量；(b)相比于已知系统，有助于co2冷凝以产生/促进更大量的液态co2；(c)提高co2涡轮的效率；以及(d)增加发电量。

用于能量储存系统的方法、系统和设备的示例性实施方案不限于本文描述的特定实施方案，相反地系统的部件和方法的步骤可以独立于本文描述的其他部件和步骤单独加以利用。例如，该方法还可以与其他发电厂配置结合使用，并且不限于仅与本文所述的co2发电厂系统和方法一起实施。相反，示例性实施方案可以结合可以受益于本文描述的优点的许多其他应用、设备和系统来实施和利用。

尽管本公开的各种实施方案的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便起见。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征参考和要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用实例来公开本实施方案，包括最佳模式，并且也使本领域的任何技术人员能够实践本实施方案，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所涵盖的方法。本公开的可以取得专利的范围由权利要求界定，并且可包括本领域的技术人员可以想到的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求的字面意义无实质差别，则此类实例也旨在涵盖于权利要求的范围内。