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CN115182799A - 一种风冷冷凝及蒸发的液体co2混合物储能系统及方法 - Google Patents

一种风冷冷凝及蒸发的液体co2混合物储能系统及方法 Download PDF

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CN115182799A
CN115182799A CN202210910021.1A CN202210910021A CN115182799A CN 115182799 A CN115182799 A CN 115182799A CN 202210910021 A CN202210910021 A CN 202210910021A CN 115182799 A CN115182799 A CN 115182799A
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China
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air
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working medium
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CN202210910021.1A
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高炜
李红智
宋晓辉
吴帅帅
张纯
李凯伦
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Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统及方法，包括低温液体混合物储罐、扩压器、蒸发器、压缩机、高温混合物储罐、透平及冷凝器；低温液体混合物储罐的出口与扩压器的入口相连接，扩压器的出口与蒸发器的冷侧入口相连通，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与高温混合物储罐的入口相连通，高温混合物储罐的出口与透平的入口相连通，透平出口与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口相连通，该系统及方法可以解决压缩空气储能占地空间大的问题，同时必满不引入低温冷却的技术难题。

Description

一种风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统及方法
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，涉及一种风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统及方法。
背景技术
随着新能源，尤其是风电和太阳能光伏发电的增加，新能源发电对于电网的冲击作用越来越大，为了解决这个问题，国家大力鼓励光伏配套储能、风电配套储能，储能调峰电站等方向的研究。虽然储能的形式有很多，例如抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能、储热、飞轮储能等。但目前适合于大规模储能的方式只有压缩空气储能，储热和抽水储能。而电池储能虽然效率最高，但是成本太高，适合于新能源汽车这类小型紧凑式应用场合，但不适合于电站级别的大规模储能。飞轮储能则适合于调频这样的快速响应需求，也不适合于电站级别的大规模储能。压缩空气储能、抽水储能、储热相比较而言。抽水储能成本最低，切效率也比较高，但劣势是需要修建水库，只适合于在水力资源丰富的江河湖地区建造。储热是近年来兴起的储能方式，在太阳能光热发电领域应用广泛。但储热并非可以单独使用，而是作为太阳能发电系统的配套系统应用，若作为单独的储能电站，则目前成本相对较高。压缩空气储能是可以与抽水储能相媲美的另一种储能方式。上个世纪80年代德国、美国相继建立了压缩空气储能电站。压缩空气储能相继经历了补燃压缩空气储能电站，蓄热压缩空气储能电站的发展历程，目前正在向液化压缩空气储能电站及超临界压缩空气储能电站的方向发展。传统的补燃压缩空气储能电站及蓄热压缩空气储能电站都需要储存大量压缩空气，一般选择自然山洞、废弃矿井、底下岩穴、含水层等特殊地形储存压缩空气。国内新建的蓄热压缩空气储能电站则多以地面储罐、管道储气等方式储存。国外也有提出水下气囊储存压缩空气的设计。但这些储存方式都面临占地大，投资的问题。最先进的液化压缩空气储能及超临界压缩空气储能的储存空间理论上可以缩减为原来的20分之一，但是这两项技术都涉及到低温冷却技术，需要将空气冷却到-200℃以及-196℃以下，深冷技术难度大，投资大。即这两项新技术在解决了压缩空气储存空间问题的同时又引入了新的技术困难。
若有方法，既可以解决压缩空气储能占地空间大的问题，又不引入类似低温冷却这样的新技术难题，那么即可大大推广压缩空气储能的应用范围，有助于新能源的发展利用，环节不稳定电源对于电网的冲击。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统及方法，该系统及方法可以解决压缩空气储能占地空间大的问题，同时必满不引入低温冷却的技术难题。
为达到上述目的，本发明所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统包括低温液体混合物储罐、扩压器、蒸发器、压缩机、高温混合物储罐、透平及冷凝器；
低温液体混合物储罐的出口与扩压器的入口相连接，扩压器的出口与蒸发器的冷侧入口相连通，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与高温混合物储罐的入口相连通，高温混合物储罐的出口与透平的入口相连通，透平出口与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口相连通。
冷凝器为风冷换热器，冷凝器中的冷却工质采用外界环境中的空气，蒸发器为空气加热器，蒸发器中的加热工质采用外界环境中的空气。
冷凝器为风冷换热器，冷凝器中的冷却工质采用外界环境中的空气。
蒸发器为空气加热器，蒸发器中的加热工质采用外界环境中的空气。
本发明所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法包括以下步骤：
当有富余电能需要储存时，则将低温液体混合物储罐中存储的液态混合物工质输出至扩压器中进行降压降温，使得液态混合物工质处于气液混合状态，并且其温度低于外界环境中空气的温度，然后进入到蒸发器中，并在蒸发器中，采用外界环境中的空气作为加热介质，对混合物工质进行加热，使得混合物工质转变为气态工质，所述气态工质经压缩机增压，以形成高温高压混合物工质，然后存储于高温混合物储罐中；
当需要输出电能时，则将高温混合物储罐中储存的高温高压混合物工质输出至透平中进行做功，以产生电能，透平的排气进入到冷凝器的热侧中释放热量，此时冷凝器的热侧入口处的工质温度高于外界环境中空气的温度，采用外界环境中的空气作为冷却介质，对混合物工质进行冷却，使得混合物工质处于液态，然后储存于低温液体混合物储罐中。
外界环境中空气的温度为30℃，当有富余电能需要储存时，则将低温液体混合物储罐中的0.3MPa，35℃的液态混合物工质输出至扩压器中进行降压降温至0.1MPa，14.8℃，此时混合物工质处于气液混合状态。
外界环境中空气的温度为30℃，当有富余电能需要储存时，在蒸发器中，采用外界环境中的空气作为加热介质，将混合物工质加热到25℃，使得混合物工质转变为气态工质，所述气态工质经压缩机增压至20MPa，200℃。
当需要输出电能时，冷凝器的热侧入口处的工质温度为60℃。
当需要输出电能时，采用外界环境中的30℃空气作为冷却介质，将混合物工质冷却至35℃，0.3MPa。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统及方法在具体操作时，采用压缩液体CO2混合物储能技术，混合物在环境温度附近即可冷却凝结为液体，而无需低温冷却，因此低温低压CO2混合物可以采用密度很大的液体形式储存，储存空间小，避免新一代液化压缩空气储能系统需要低温冷却的技术困难。同时CO2混合物在经过压缩机增压后，其高压状态下密度较大，对储存空间要求很小。最后，本发明采用扩压器节流减压降温，由于扩压器的使用，可以使得冷凝器一侧的温度高于环境温度，而蒸发器一侧的温度低于环境温度，因此可以采用环境中的空气作为冷却介质，又可以采用空气作为加热工质。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1-1为低温液体混合物储罐、1-2为扩压器、1-3为蒸发器、1-4为压缩机、1-5为高温混合物储罐、1-6为透平、1-7为冷凝器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统，包括低温液体混合物储罐1-1、扩压器1-2、蒸发器1-3、压缩机1-4、高温混合物储罐1-5、透平1-6及冷凝器1-7；
低温液体混合物储罐1-1的出口与扩压器1-2的入口相连接，扩压器1-2的出口与蒸发器1-3的冷侧入口相连通，蒸发器1-3的冷侧出口与压缩机1-4的入口相连通，压缩机1-4的出口与高温混合物储罐1-5的入口相连通，高温混合物储罐1-5的出口与透平1-6的入口相连通，透平1-6出口与冷凝器1-7的热侧入口相连通，冷凝器1-7的热侧出口与低温液体混合物储罐1-1的入口相连通。
冷凝器1-7为风冷换热器，冷凝器1-7中的冷却工质采用外界环境中的空气，蒸发器1-3为空气加热器，蒸发器1-3中的加热工质采用外界环境中的空气。
本发明所述风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法包括以下步骤：
以夏季，外界环境的温度为30℃为例，当有富余电能需要储存时，将低温液体混合物储罐1-1中的0.3MPa，35℃的液态混合物工质输出至扩压器1-2中进行降压降温至0.1MPa、14.8℃，此时混合物工质处于气液混合状态，并且其温度低于外界环境中空气的温度，然后进入蒸发器1-3中，并在蒸发器1-3中，采用外界环境中的空气作为加热介质，将混合物工质加热到25℃，使得混合物工质转变为气态工质，所述气态工质经压缩机1-4增压至20MPa，200℃，以形成高温高压混合物工质，然后存储于高温混合物储罐1-5中，完成储能过程。
当需要输出电能时，将高温混合物储罐1-5中储存的高温高压混合物工质输出至透平1-6中进行做功，以产生电能，透平1-6的排气进入到冷凝器1-7的热侧中释放热量，此时冷凝器1-7的热侧入口处的工质温度为60℃，采用外界环境中的30℃空气作为冷却介质，将混合物工质冷却至35℃，0.3MPa，此时混合物工质已经处于液态，然后储存于低温液体混合物储罐1-1中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统，其特征在于，包括低温液体混合物储罐(1-1)、扩压器(1-2)、蒸发器(1-3)、压缩机(1-4)、高温混合物储罐(1-5)、透平(1-6)及冷凝器(1-7)；
低温液体混合物储罐(1-1)的出口与扩压器(1-2)的入口相连接，扩压器(1-2)的出口与蒸发器(1-3)的冷侧入口相连通，蒸发器(1-3)的冷侧出口与压缩机(1-4)的入口相连通，压缩机(1-4)的出口与高温混合物储罐(1-5)的入口相连通，高温混合物储罐(1-5)的出口与透平(1-6)的入口相连通，透平(1-6)出口与冷凝器(1-7)的热侧入口相连通，冷凝器(1-7)的热侧出口与低温液体混合物储罐(1-1)的入口相连通；
冷凝器(1-7)为风冷换热器，冷凝器(1-7)中的冷却工质采用外界环境中的空气，蒸发器(1-3)为空气加热器，蒸发器(1-3)中的加热工质采用外界环境中的空气。
2.根据权利要求1所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统，其特征在于，冷凝器(1-7)为风冷换热器，冷凝器(1-7)中的冷却工质采用外界环境中的空气。
3.根据权利要求1所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能系统，其特征在于，蒸发器(1-3)为空气加热器，蒸发器(1-3)中的加热工质采用外界环境中的空气。
4.一种风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法，其特征在于，包括以下步骤：
当有富余电能需要储存时，则将低温液体混合物储罐(1-1)中存储的液态混合物工质输出至扩压器(1-2)中进行降压降温，使得液态混合物工质处于气液混合状态，并且其温度低于外界环境中空气的温度，然后进入到蒸发器(1-3)中，并在蒸发器(1-3)中，采用外界环境中的空气作为加热介质，对混合物工质进行加热，使得混合物工质转变为气态工质，所述气态工质经压缩机(1-4)增压，以形成高温高压混合物工质，然后存储于高温混合物储罐(1-5)中；
当需要输出电能时，则将高温混合物储罐(1-5)中储存的高温高压混合物工质输出至透平(1-6)中进行做功，以产生电能，透平(1-6)的排气进入到冷凝器(1-7)的热侧中释放热量，此时冷凝器(1-7)的热侧入口处的工质温度高于外界环境中空气的温度，采用外界环境中的空气作为冷却介质，对混合物工质进行冷却，使得混合物工质处于液态，然后储存于低温液体混合物储罐(1-1)中。
5.根据权利要求4所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法，其特征在于，外界环境中空气的温度为30℃，当有富余电能需要储存时，则将低温液体混合物储罐(1-1)中的0.3MPa，35℃的液态混合物工质输出至扩压器(1-2)中进行降压降温至0.1MPa，14.8℃，此时混合物工质处于气液混合状态。
6.根据权利要求4所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法，其特征在于，外界环境中空气的温度为30℃，当有富余电能需要储存时，在蒸发器(1-3)中，采用外界环境中的空气作为加热介质，将混合物工质加热到25℃，使得混合物工质转变为气态工质，所述气态工质经压缩机(1-4)增压至20MPa，200℃。
7.根据权利要求4所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法，其特征在于，当需要输出电能时，冷凝器(1-7)的热侧入口处的工质温度为60℃。
8.根据权利要求4所述的风冷冷凝及蒸发的液体CO2混合物储能方法，其特征在于，当需要输出电能时，采用外界环境中的30℃空气作为冷却介质，将混合物工质冷却至35℃，0.3MPa。
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