CN114622960A - 一种跨临界二氧化碳储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种跨临界二氧化碳储能系统，包括储能环路单元和蓄热环路单元；储能环路单元包括液态二氧化碳储罐、蓄冷换热器、压缩机、超临界二氧化碳储罐和膨胀机；液态二氧化碳储罐的出口经蓄冷换热器和压缩机连接超临界二氧化碳储罐入口；超临界二氧化碳储罐的出口依次经膨胀机和蓄冷换热器连接液态二氧化碳储罐的入口；蓄热环路单元包括单罐相变填充床蓄热器，设置于压缩机与超临界二氧化碳储罐之间的冷却器，以及设置于超临界二氧化碳储罐与膨胀机之间的加热器；单罐相变填充床蓄热器与冷却器形成吸热循环回路；单罐相变填充床蓄热器与加热器形成释热循环回路；该跨临界二氧化碳储能系统可显著降低设备投资、提高蓄热性能、降低

损。

Description

一种跨临界二氧化碳储能系统

技术领域

本发明涉及物理储能技术领域。更具体地，涉及一种跨临界二氧化碳储能系统。

背景技术

为了缓解可再生能源就地消纳和发电并网压力，开展高效储能技术研究已经成为学界和社会的重要共识。已有的电力储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、二氧化碳储能、电池储能、飞轮储能、超导储能和超级电容器储能等。其中，适合开展百兆瓦级以上大规模储能应用的主要是抽水蓄能、压缩空气储能和二氧化碳储能。抽水蓄能地理条件与我国风能、太阳能资源地域错位，存在选址困难、建设周期长、初期投资巨大、破坏生态环境等客观问题；压缩空气储能技术储能密度较低，且需要合适的地下储气库，受到一定地理条件限制。而相比于使用空气作为储能介质，二氧化碳更有优势。由于超临界二氧化碳具有密度大、换热性能好、流动特性优良优点，使得跨临界二氧化碳储能技术成为一种具有较好前景的物理储能技术，适合百兆瓦级以上规模电力储能应用。

蓄热子系统是跨临界二氧化碳储能系统中重要的子系统，用以有效回收压缩热，提供膨胀发电再热热量供给。但是现有系统大多将压缩热直接通过水进行显热储存，需要设置高低温水罐，而且显热蓄热换热系数低，从而造成高低温储水设备占地大、投资高，同时水会在蓄/放热过程会发生相变，单一显热蓄热不能与其温-焓曲线良好匹配，导致

损较大，不利于系统效率提升。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种跨临界二氧化碳储能系统，该跨临界二氧化碳储能系统将单罐相变填充床蓄热器和跨临界二氧化碳储能系统相结合，可以显著降低设备投资、提高蓄热性能、降低

损，解决了使用传统双罐显热水蓄热成本较高、蓄热效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种跨临界二氧化碳储能系统，包括：

储能环路单元和蓄热环路单元；

所述储能环路单元包括液态二氧化碳储罐、蓄冷换热器、压缩机、超临界二氧化碳储罐和膨胀机；

所述液态二氧化碳储罐的出口经蓄冷换热器蒸发侧和压缩机连接超临界二氧化碳储罐入口；

所述超临界二氧化碳储罐的出口依次经膨胀机和蓄冷换热器冷凝侧连接液态二氧化碳储罐的入口；

所述蓄热环路单元包括单罐相变填充床蓄热器，设置于压缩机与超临界二氧化碳储罐之间的冷却器，以及设置于超临界二氧化碳储罐与膨胀机之间的加热器；所述单罐相变填充床蓄热器与冷却器形成吸热循环回路；所述单罐相变填充床蓄热器与加热器形成释热循环回路。

此外，优选地方案是，所述冷却器入口与压缩机的出口连接，所述压缩机的入口连接蓄冷换热器蒸发侧出口，所述冷却器出口连接至超临界二氧化碳储罐入口进行能量存储；所述冷却器还包括吸热出口与吸热进口，所述吸热出口与吸热进口均与单罐相变填充床蓄热器相连接；

所述加热器出口与膨胀机的入口连接，所述膨胀机的出口连接蓄冷换热器冷凝侧入口，所述加热器入口与超临界二氧化碳储罐出口连接；所述加热器还包括释热出口与释热进口，所述释热出口与释热进口均与单罐相变填充床蓄热器相连接。

此外，优选地方案是，所述单罐相变填充床蓄热器包括第一接口和第二接口；所述第一接口分别连接吸热出口和释热进口；所述第二接口分别连接吸热进口和释热出口。

此外，优选地方案是，所述单罐相变填充床蓄热器包括具有内腔的壳体，形成于壳体上的第一接口和第二接口，以及位于内腔内的蓄热材料；所述第一接口和第二接口均与内腔连通；所述蓄热材料为封装式相变蓄热球。

此外，优选地方案是，所述单罐相变填充床蓄热器还包括固定于壳体外的保温棉，位于壳体内的散流器和导流板，以及用以调控压力的压力表和安全阀。

此外，优选地方案是，吸热循环回路还包括用以驱动换热工质在吸热循环回路中流动的吸热循环泵以及用以控制吸热循环回路通断的第一阀门组；

释热循环回路还包括用以驱动换热工质在释热循环回路中流动的释热循环泵以及用以控制释热循环回路通断的第二阀门组。

此外，优选地方案是，所述压缩机由可再生能源弃电、火力发电余电或电网谷电驱动进行储能；

所述膨胀机连接发电机进行释能。

此外，优选地方案是，所述冷却器和加热器均为壳管式换热器。

此外，优选地方案是，所述压缩机和膨胀机为离心式、螺杆式或活塞式；

所述液态二氧化碳储罐和超临界二氧化碳储罐均为钢制储罐。

此外，优选地方案是，所述储能环路单元还包括位于膨胀机出口与蓄冷换热器冷凝侧入口之间的散热器，用以对液态二氧化碳储罐内的循环工质降压的第三阀门，以及用以对超临界二氧化碳储罐内的循环工质稳压的第四阀门。本发明的有益效果为：

1、本发明提供的跨临界二氧化碳储能系统使用液态二氧化碳和超临界态二氧化碳进行能力储存，具有储能密度高、设备占地小等优势，在可再生能源消纳和火电机组蓄能调峰领域有较好的应用前景。

2、本发明提供的跨临界二氧化碳储能系统的蓄热单元采用单罐相变填充床蓄热器，相比于双罐水显热储存，具有蓄热量大、蓄热密度高和设备体积小等优点，具有较成熟应用经验。而且通过管路阀门调节，可以自由调控蓄热和释热两种工况，可以避免过多管路材料消耗，系统较为简单。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的单罐相变填充床蓄热器结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了解决使用传统双罐显热水蓄热成本较高、蓄热效率低的问题。本发明提供一种跨临界二氧化碳储能系统，结合图1至图2所示，具体地所述跨临界二氧化碳储能系统包括：储能环路单元和蓄热环路单元；所述储能环路单元包括液态二氧化碳储罐1、蓄冷换热器2、压缩机3、超临界二氧化碳储罐5和膨胀机7；上述蓄冷换热器2具有蒸发侧和冷凝侧，具体参照图1所示，蓄冷换热器2的右侧为蒸发侧，左侧为冷凝侧；所述液态二氧化碳储罐1的出口通过管路经蓄冷换热器2蒸发侧和压缩机3连接超临界二氧化碳储罐5入口；所述超临界二氧化碳储罐5的出口通过管路依次经膨胀机7和蓄冷换热器2冷凝侧连接液态二氧化碳储罐1的入口；所述蓄热环路单元包括单罐相变填充床蓄热器9，设置于压缩机3与超临界二氧化碳储罐5之间的冷却器4，以及设置于超临界二氧化碳储罐5与膨胀机7之间的加热器6；所述单罐相变填充床蓄热器9通过管路与冷却器4连接形成吸热循环回路；所述单罐相变填充床蓄热器9通过管路与加热器6连接形成释热循环回路，即所述冷却器4与加热器6并联。可以理解的是，储能环路单元内的循环工质为二氧化碳；蓄热单元内的换热工质为水及水蒸汽，也可以为导热油、甲醇等其他中低温蓄换热液体工质，本发明对此不作限制。

在上述实施例中，更具体地，所述冷却器4入口与压缩机3的出口通过管路连接，所述压缩机3的入口通过管路连接蓄冷换热器2蒸发侧出口，所述冷却器4出口通过管路连接至超临界二氧化碳储罐5入口进行能量存储；所述冷却器4还包括吸热出口与吸热进口，所述吸热出口与吸热进口均通过管路与单罐相变填充床蓄热器9相连接；所述加热器6出口通过管路与膨胀机7的入口连接，所述膨胀机7的出口通过管路连接蓄冷换热器2冷凝侧入口，所述加热器6入口通过管路与超临界二氧化碳储罐5出口连接；所述加热器6还包括释热出口与释热进口，所述释热出口与释热进口均通过管路与单罐相变填充床蓄热器9相连接。

进一步地，所述单罐相变填充床蓄热器9包括第一接口14和第二接口19；所述第一接口14通过管路分别连接吸热出口和释热进口；所述第二接口19通过管路分别连接吸热进口和释热出口。

关于单罐相变填充床蓄热器9的具体结构，参照图2所示，在一具体实施例中，所述单罐相变填充床蓄热器9包括具有内腔的壳体13，形成于壳体13上的第一接口14和第二接口19，以及位于内腔内的蓄热材料；所述第一接口14和第二接口19均与内腔连通；蓄热材料为封装式相变蓄热材料，内部封存相变材料，外部使用金属外壳封装，然后按一定规则整齐填充在壳体13内，所述蓄热材料为封装式相变蓄热球18，封装式相变蓄热球18大小也可随实际情况改变，其填充方式可以为规则填充或不规则填充；第一接口14和第二接口19与管路的连接方式均为法兰连接。

进一步地，所述单罐相变填充床蓄热器9还包括固定于壳体13外的保温棉12，位于壳体13内的散流器16和导流板17，以及用以调控压力的压力表20和安全阀15。其优势在于，通过设置保温棉12能够防止热量损失；通过压力表20和安全阀15进行安全压力调控，且由于采用简介换热，蓄热单元环路及单罐相变填充床蓄热器9内压力不至于过高。

在一具体实施例中，吸热循环回路还包括用以驱动换热工质在吸热循环回路中流动的吸热循环泵10以及用以控制吸热循环回路通断的第一阀门组；释热循环回路还包括用以驱动换热工质在释热循环回路中流动的释热循环泵11以及用以控制释热循环回路通断的第二阀门组；更具体地，第一阀门组包括第一阀门21和第二阀门22；第二阀门组包括第五阀门25和第六阀门26。

在一具体实施例中，所述压缩机3由可再生能源弃电、火力发电余电或电网谷电驱动进行储能；所述膨胀机7连接发电机进行释能。

在一具体实施例中，所述冷却器4和加热器6均为壳管式换热器。

在一具体实施例中，所述压缩机3和膨胀机7为离心式、螺杆式或活塞式；所述液态二氧化碳储罐1和超临界二氧化碳储罐5均为钢制储罐。

另外，为了将从膨胀机7出来的低压二氧化碳再降温到常温状态，所述储能环路单元还包括位于膨胀机7出口与蓄冷换热器2冷凝侧入口之间的散热器8，用以对液态二氧化碳储罐1内的循环工质降压的第三阀门23，以及用以对超临界二氧化碳储罐5内的循环工质稳压的第四阀门24，通过上述设置，利用第三阀门23节流效应进行降压和部分汽化，利用第四阀门24进行稳压，尽可能降低滑压损失和增大释能效率。

本发明提供的跨临界二氧化碳储能系统的压缩机3及膨胀机7可以设置为多级形式，来实现更高压缩比和膨胀比，相应的也可以设置多级中间冷却器4和中间加热器6配合。

本发明的一种跨临界二氧化碳储能系统，其具体操作过程为：

储能过程：液态二氧化碳储罐1中的低压液态二氧化碳，通过第三阀门23节流效应进行降压和部分汽化，再经过蓄冷换热器2将冷量储存并进一步气化，然后二氧化碳气体进入压缩机3被压缩为超临界状态，再通过冷却器4回收压缩热，最后超临界态二氧化碳进入超临界二氧化碳储罐5储存，将电能转化为二氧化碳内能储存。

释能过程：储存在超临界二氧化碳储罐5中的超临界二氧化碳需要通过第四阀门24进行稳压，尽可能降低滑压损失和增大释能效率，然后通过加热器6提升温度，随后进入膨胀机7并推动其进行发电，将超临界二氧化碳内能转化为电能输出，从膨胀机7出来的低压二氧化碳再经过散热器8降温到常温状态，再吸收蓄冷换热器2中的冷能进一步液化并储存在液态二氧化碳储罐1中。

吸热蓄热过程：吸热蓄热过程主要用于回收压缩热，储能吸热工况下，第一阀门21及第二阀门22均开启，第五阀门25及第六阀门26均关闭，换热工质由吸热循环泵10驱动通过第三管路33和第四管路34进入冷却器4吸收压缩热，再通过第一管路31和第二管路32进入单罐相变填充床蓄热器9，将热量传递给内部蓄热材料并进行储存。

释热过程：释热过程主要用于提供膨胀机7潜在热量，提高膨胀效率，释能释热工况下，第一阀门21及第二阀门22均关闭，第五阀门25及第六阀门26均开启，换热工质由释热循环泵11驱动依次通过第六管路36和第三管路33进入单罐相变填充床蓄热器9吸收蓄热材料储存热量，再依次通过第二管路32和第五管路35进入加热器6释放热量，低温换热工质随后返回单罐相变填充床蓄热器9完成释热过程。

其中，储能吸热工况和释能释热工况下换热工质共用第二管路32和第三管路33，但换热工质流动方向相反。

综上所述，本发明提供的跨临界二氧化碳储能系统使用液态二氧化碳和超临界态二氧化碳进行能力储存，具有储能密度高、设备占地小等优势，在可再生能源消纳和火电机组蓄能调峰领域有较好的应用前景；且本发明提供的跨临界二氧化碳储能系统的蓄热单元采用单罐相变填充床蓄热器，相比于双罐水显热储存，具有蓄热量大、蓄热密度高和设备体积小等优点，具有较成熟应用经验。而且通过管路阀门调节，可以自由调控蓄热和释热两种工况，可以避免过多管路材料消耗，系统较为简单。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：储能环路单元和蓄热环路单元；

所述储能环路单元包括液态二氧化碳储罐、蓄冷换热器、压缩机、超临界二氧化碳储罐和膨胀机；

所述液态二氧化碳储罐的出口经蓄冷换热器蒸发侧和压缩机连接超临界二氧化碳储罐入口；

所述超临界二氧化碳储罐的出口依次经膨胀机和蓄冷换热器冷凝侧连接液态二氧化碳储罐的入口；

所述蓄热环路单元包括单罐相变填充床蓄热器，设置于压缩机与超临界二氧化碳储罐之间的冷却器，以及设置于超临界二氧化碳储罐与膨胀机之间的加热器；所述单罐相变填充床蓄热器与冷却器形成吸热循环回路；所述单罐相变填充床蓄热器与加热器形成释热循环回路。

2.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述冷却器入口与压缩机的出口连接，所述压缩机的入口连接蓄冷换热器蒸发侧出口，所述冷却器出口连接至超临界二氧化碳储罐入口进行能量存储；所述冷却器还包括吸热出口与吸热进口，所述吸热出口与吸热进口均与单罐相变填充床蓄热器相连接；

所述加热器出口与膨胀机的入口连接，所述膨胀机的出口连接蓄冷换热器冷凝侧入口，所述加热器入口与超临界二氧化碳储罐出口连接；所述加热器还包括释热出口与释热进口，所述释热出口与释热进口均与单罐相变填充床蓄热器相连接。

3.根据权利要求2所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述单罐相变填充床蓄热器包括第一接口和第二接口；所述第一接口分别连接吸热出口和释热进口；所述第二接口分别连接吸热进口和释热出口。

4.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述单罐相变填充床蓄热器包括具有内腔的壳体，形成于壳体上的第一接口和第二接口，以及位于内腔内的蓄热材料；所述第一接口和第二接口均与内腔连通；所述蓄热材料为封装式相变蓄热球。

5.根据权利要求4所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述单罐相变填充床蓄热器还包括固定于壳体外的保温棉，位于壳体内的散流器和导流板，以及用以调控压力的压力表和安全阀。

6.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，吸热循环回路还包括用以驱动换热工质在吸热循环回路中流动的吸热循环泵以及用以控制吸热循环回路通断的第一阀门组；

释热循环回路还包括用以驱动换热工质在释热循环回路中流动的释热循环泵以及用以控制释热循环回路通断的第二阀门组。

7.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述压缩机由可再生能源弃电、火力发电余电或电网谷电驱动进行储能；

所述膨胀机连接发电机进行释能。

8.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述冷却器和加热器均为壳管式换热器。

9.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述压缩机和膨胀机为离心式、螺杆式或活塞式；

所述液态二氧化碳储罐和超临界二氧化碳储罐均为钢制储罐。

10.根据权利要求1所述的跨临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述储能环路单元还包括位于膨胀机出口与蓄冷换热器冷凝侧入口之间的散热器，用以对液态二氧化碳储罐内的循环工质降压的第三阀门，以及用以对超临界二氧化碳储罐内的循环工质稳压的第四阀门。

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