CN104533556A - 一种二氧化碳气液相变储能的方法和实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳气液相变储能的方法，该方法包括以下步骤：1)电力富余时，将二氧化碳储库中的二氧化碳压缩并降温液化成液态二氧化碳；通过相变储能换热系统储存压缩过程以及液化过程释放的热能；2)需要用电时，将液态二氧化碳通过减压、吸收相变储能换热系统储存的热能气化后，进入膨胀机做功，膨胀机带动发电机组发电。实现该方法的装置为：二氧化碳储库通过气态二氧化碳管线经压缩机与相变储能换热系统相连，液态二氧化碳储罐通过液态二氧化碳管线与相变储能换热系统连接，相变储能换热系统通过气态二氧化碳管线经膨胀机与二氧化碳储库相连。本发明的气液相变储能效率高、安全可靠。

Description

一种二氧化碳气液相变储能的方法和实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及能源储蓄技术领域，特别涉及一种二氧化碳气液相变储能的方法和实现该方法的装置。

背景技术

当前，电力的消耗量持续增长，但是电力的生产能力以及输运网络的建设等的发展相对滞后；可再生能源(风能、太阳能等)电力在总的电力供应中的份额逐渐增加，但是可再生能源的发电存在固有间歇性的缺点。目前，新能源发电在电网中的占比不超过10％，否则就会因能量来源的不稳定产生诸多问题；在用户侧，电力的消耗在一天中并不是恒定的，具有能耗的峰值和低谷等，这些问题增加了目前电力系统的复杂性以及不安全性。因此，迫切需要引进新技术来解决电力生产、输运、消耗过程中面临的问题。储能系统通过一定介质存储电能，在需要时将所存能量释放发电。此外，储能系统也可以储存风能或波浪能的不稳定能源。发展大规模储能系统是解决目前可再生能源大规模利用瓶颈的迫切需要，也是提高常规电力系统效率、安全性和经济性的有效途径和发展分布式能源系统的关键技术。

储能政策最早被提及是2005年，是为完善电网运行、提高吸纳可再生能源的一种技术选择。目前，大规模储能技术已逐渐成为智能电网关键支撑技术，进而又成为优先发展产业的重点。但是，储能技术现在还处于各项技术并驾齐驱的阶段(如抽水蓄能、锂电池、铅酸电池、钠流电池、液流电池等)，目前还存在效率不高，寿命短，存取不便，蓄能容量偏小，投资成本大，有的对环境有污染(如化学储能)等问题，使得各种储能项目难以商业运作。目前国内外已经采用储能技术主要是抽水蓄能电站，而压缩空气蓄能电站也在示范。

抽水蓄能在规模上最大(可达上千兆瓦)、技术上也最成熟，但是它对地势有着特殊的要求：最好是在面积较小的范围内有着较大的水位高度落差。抽水蓄能对地理条件要求苛刻，并且对水源、道路交通都有特定的要求，如果不能利用已有的自然条件加以改造，完全通过人工兴建将得不偿失。除了抽水蓄能外，能够实现大规模工业应用的储能方式就是压缩空气储能(单机规模在百兆瓦级别)。压缩空气储能系统大规模发展的主要技术障碍在于两方面：需要大型储气装置和依赖燃烧化石燃料。为解决这两个问题，先后出现了带蓄热的压缩空气储能系统、微小型压缩空气储能系统、液化空气储能系统、超临界压缩空气储能系统、与可再生能源耦合的压缩空气储能系统等。这些系统同传统系统相比，应用前景更广阔，如可大大提高效率；使用更灵活，甚至可用于汽车动力；接纳可再生能源，提供可再生能源在电网中的比例，甚至还能利用工业余热等。

但是液化空气和超临界压缩空气需要将空气压缩到很高的压力，对储气罐材料及压气机有很高的要求，其压缩过程中能量损失很大。虽然带蓄热的压缩空气储能系统能够减少能量损失，但需要很高的压力，安全问题依然存在。

因此，现有储能技术有待发展和改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于储存风能或波浪能或其他不稳定能源，提高常规电力系统效率、安全性高和投资成本低的二氧化碳气液相变储能的方法和实现该方法的装置。

为解决上述技术问题，本发明的一种二氧化碳气液相变储能的方法，该方法包括以下步骤：

1)电力富余时，将二氧化碳储库中的二氧化碳压缩并降温液化成液态二氧化碳；通过相变储能换热系统储存所述压缩过程以及液化过程释放的热能；

2)需要用电时，将所述液态二氧化碳通过减压、吸收所述相变储能换热系统储存的热能气化后，进入膨胀机做功，所述膨胀机带动发电机组发电。

作为本发明二氧化碳气液相变储能方法的改进，将步骤2)做功后的二氧化碳通入二氧化碳储库储存，以实现循环利用二氧化碳之目的。

重复以上两个步骤可实现二氧化碳气体的重复利用，利用相变储能换热系统储存压缩过程以及降温液化过程产生的热量，以作为液态二氧化碳气化所需要的热量，不仅增加了相变储能的效率同时达到削峰填谷或储存不稳定能源的目的。

常温下将气态二氧化碳压力升到6MPa左右即可液化，液态的二氧化碳可以用很小的储罐空间来储存比较大的能量，且气化过程中只要保持温度稳定即可获得稳定的压力。压缩二氧化碳和压缩空气储能系统类似，压缩机压缩气态二氧化碳时消耗电能，通过降温液化得到大量的高压液态二氧化碳存将其储于储罐中，气化过程液态二氧化碳吸热后成为气态二氧化碳，然后通过各级膨胀机，输出轴功并发电。储能过程中，压缩机产生大量的压缩热，需要通过散热器耗散，再进入下一级压缩。在压缩过程中可以用相变蓄热材料回收存储这部分压缩热，当释能时，高压二氧化碳气体吸收这部分压缩热，然后膨胀做功。该方法的储能密度高于常规压缩空气储能，可实现大规模储能，且技术门槛、投资和运行成本低。

为优化本发明技术方案，所述液态二氧化碳在气化过程中保持温度稳定，即能获得稳定的压力，使之处于安全压力范围内。主要技术参数对比见表1和表2。

表1 二氧化碳气液相变储能与压缩空气储能技术对比

储能种类	压缩空气	相变储能
			储能密度(Wh/L)	3-150	3-40
储能周期	数分钟～数月	数分钟～数月
			放电时间	1-24+小时	1-24+小时
规模(MW)	100-300	0.1-10
			效率	65-70％	-70％
成本	高	低
			寿命(年)	30-40	30-40
安全性	中(压力高)	高(压力低)
			成熟度	相对成熟	发展中

表2 二氧化碳与压缩空气储能能力对比

就实现上述气液相变储能方法的装置，包括二氧化碳储库、压缩机、相变储能换热系统、液态二氧化碳储罐；所述二氧化碳储库通过气态二氧化碳管线经所述压缩机与所述相变储能换热系统第一入口连接，所述液态二氧化碳储罐的进、出口通过液态二氧化碳管线分别与所述相变储能换热系统第一出口以及第二入口连接，所述相变储能换热系统的第二出口通过气态二氧化碳管线经膨胀机与所述二氧化碳储库连接；所述膨胀机通过传动轴与发电机组相连，所述压缩机具有动力源。

优选地，所述相变储能换热系统内设有用于储存气态二氧化碳压缩过程，以及降温液化过程产生的热能和释放上述热能用于将液态二氧化碳气化的相变蓄热材料。

优选地，所述动力源为风能或太阳能或波浪能或用电低谷时的电能。

压缩机消耗电力富余时的电能或者不稳定能如风能太阳能产生的电能，通过压缩机压缩获得的大量的高压液态二氧化碳则存储于液态二氧化碳储罐中，相变储能换热系统储存压缩过程和降温液化过程的热量，液态二氧化碳通过吸收相变储能换热系统所储存的该部分热能气化后输入各级膨胀机，通过传动轴带动发电机组发电。

综上所述，本发明的优点是：安全性好、使用灵活、投资成本低、可实现大规模生产。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图图。

附图标记说明：1-压缩机，2-二氧化碳储库，3-膨胀机，4-发电机组，5-管线，6-液体二氧化碳储罐，8-相变储能换热系统，81-第一入口，82-第一出口，83-第二入口，84-第二出口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1

常规电力系统削峰填谷：

(1)电力富余时期，将处于二氧化碳储库2中的低压常温的二氧化碳体用压缩机1压缩成高温高压的二氧化碳气体，利用储能装置储存压缩过程释放的热量；

(2)将高温高压二氧化碳气体降温液化储存在液态二氧化碳储罐6中，同时该过程也利用该储能装置储存液化释放的热能；

(3)在需要电力的将高压的二氧化碳液体按恒定速率减压吸收上述储能装置所储存的热量并保持温度稳定气化后直接通入膨胀机3做功，带动发电机4发电；

(4)将做功后的低压低温二氧化碳气体经过通入二氧化碳气体储库2进行储存；

(5)重复(1)-(4)可实现直接二氧化碳气体重复利用，压缩过程产生的热量以及降温液化产生的热量则用来加热从液态二氧化碳储罐6中流出的液态二氧化碳使之气化通入膨胀机3对外输出机械功从而带动发电机发电，达到削峰填谷的目的。

所述的储能装置可以是具有相变储能材料的相变储能换热系统或者其他具有相变储能材料的装置。

各种储能技术的能量效率及优缺点如表3所示。本发明提供的方法以及用于实现该方法的装置具有设备寿命长，安全，投资及运行成本低；缺点就是常压二氧化碳需要较大面积的储存空间，但由于压力低，可建在农田地下，不影响耕种，相反少量的二氧化碳泄露可增加农作物产量。

表3 各种储能技术的能量效率及优缺点对比

实施例2

风能/太阳能/波浪能储存：

(1)使用风能/太阳能/波浪能产生的电力，将处于二氧化碳储库2中的低压常温的二氧化碳体用压缩机1压缩成高温高压的二氧化碳气体，利用储能装置储存压缩过程释放的热量；

(2)将高温高压二氧化碳气体降温液化，并储存在液态二氧化碳储罐6中同时利用储能装置储存液化释放的热能；

(3)在需要电力的时候(用电高峰)将高压的二氧化碳液体按恒定速率减压吸收上述储能装置所储存的热量气化后直接通入膨胀机3做功，膨胀机3带动发电机4发电；

(4)将步骤2中做功后的低压低温二氧化碳气体经过储能装置通入二氧化碳气体储库2进行储存；

(5)重复(1)-(4)可实现直接二氧化碳气体重复利用，压缩过程产生的热量以及降温液化产生的热量则用来加热储存在液态二氧化碳储罐6中的液态二氧化碳使之气化通入膨胀机对外输出机械功从而带动发电机发电，达到平衡不稳定的风能/太阳能/波浪能资源，稳定输出的目的。

实施例3

本实施例提供一种用于实现上述气液相变储能方法的装置。

请参阅图1所示，本发明所述实现上述气液相变储能方法的装置，包括二氧化碳储库2，通过气态二氧化碳管线7与压缩机1入口相连，压缩机1使用风能或太阳能或波浪能或用电低谷时的电能作为动力源，压缩机1出口通过气态二氧化碳管线7与相变储能换热系统8的第一入口81相连通，，相变储能换热系统8内设有相变蓄热材料；相变储能换热系统8储存压缩机1压缩过程产生的热量，相变储能换热系统8第一出口82通过液态二氧化碳管线5与液态二氧化碳储罐6的入口连通，液态二氧化碳储罐6出口通过液态二氧化碳管线5与相变储能换热系统8第二入口83连通，相变储能换热系统8的第二出口通过气态二氧化碳管线7与膨胀机3入口连通，膨胀机3出口通过气态二氧化碳管线7与二氧化碳储库2连通；膨胀机3通过传动轴与发电机组4连接，带动发电机组4发电。

将二氧化碳储库2中的气态低温常压二氧化碳通过气态二氧化碳管线7进入压缩机1，压缩机1消耗电力富余时的电能或者不稳定能如风能太阳能产生的电能，压缩低温常压二氧化碳并降温液化获得的大量的高压液态二氧化碳，相变储能换热系统8吸收存储压缩过程以及降温液化过程中释放的热量，通过液态二氧化碳管线5将液态二氧化碳通入并存储于液态二氧化碳储罐6中；需要用电时，液态二氧化碳储罐6中的液态二氧化碳通过液态二氧化碳管线5进入相变储能换热系统8，液态二氧化碳吸收相变储能换热系统8所储存的热能气化后输入各级膨胀机3，输出轴功并带动发电机组4发电，做功后的气态二氧化碳通过气态二氧化碳管线7进入二氧化碳储库2储存，等待下一次的循环使用。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种二氧化碳气液相变储能的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)电力富余时，将二氧化碳储库中的二氧化碳压缩并降温液化成液态二氧化碳；通过相变储能换热系统储存所述压缩过程以及液化过程释放的热能；

2)需要用电时，将所述液态二氧化碳通过减压、吸收所述相变储能换热系统储存的热能气化后，进入膨胀机做功，所述膨胀机带动发电机组发电。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳气液相变储能的方法，其特征在于，步骤2)做功后的二氧化碳通入二氧化碳储库储存。

3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳气液相变储能的方法，其特征在于，所述液态二氧化碳在气化过程中保持温度稳定。

4.一种用于实现权利要求1所述气液相变储能方法的装置，其特征在于，包括二氧化碳储库、压缩机、相变储能换热系统、液态二氧化碳储罐；所述二氧化碳储库通过气态二氧化碳管线经所述压缩机与所述相变储能换热系统第一入口连接，所述液态二氧化碳储罐的进、出口通过液态二氧化碳管线分别与所述相变储能换热系统第一出口以及第二入口连接，所述相变储能换热系统的第二出口通过气态二氧化碳管线经膨胀机与所述二氧化碳储库连接；所述膨胀机通过传动轴与发电机组相连，所述压缩机具有动力源。