CN105971678A - 一种利用超临界二氧化碳供能的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用超临界二氧化碳供能的系统，包括高压二氧化碳储罐、加热器、膨胀机、用能设备、换热器、制热空调和低温用户。高压二氧化碳储罐通过加热器连接到膨胀机入口，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路连接到低温用户，低温用户连接到二氧化碳排放口。膨胀机与供能用户的用能设备轴连接。加热器的烟气管路通过换热器连接到烟气排放口，制热空调与换热器连接。本发明利用超临界二氧化碳进行储能和供能，有效的存储并利用所储的能量，通过在膨胀机前增加加热器，使高压二氧化碳体积膨胀，有利于更多的功率输出，提高了二氧化碳供能利用的效率。

Description

一种利用超临界二氧化碳供能的系统
技术领域
本发明属于储能和供能技术领域，涉及一种利用超临界二氧化碳供能的系统。
背景技术
随着社会的发展进步、人口数量的增多，人们对于电、热、冷能的需求越来越高，电、热、冷能的需求量随时间的变化越来越复杂。储能技术可以实现能量的有效存储，并在需要时完成能量的高效率释放。现有的储能和供能系统主要分为五类：机械储能和供能、电气储能和供能、电化学储能和供能、热储能和供能以及化学储能和供能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其总装机容量规模达到了127GW，占总储能容量的99%，其次是压缩空气储能和供能，总装机容量为440MW，排名第三的是钠硫电池，总容量规模为316MW。但以上储能和供能系统能量再利用的效率都不高，大约50%左右。
以二氧化碳为工作介质储能供能系统较为少见。二氧化碳是一种无毒、不易燃、密度高、临界点适宜 ( 临界温度 T c＝31.1℃，临界压力 P c＝7.38*10 6 Pa) 的流体，具有较好的流动性和传输特性，常被用于制冷、化工等领域。如何利用二氧化碳为载体实现供能系统的储能和供能，提高能源的利用率，减少能量的浪费，是供能系统面临的重要挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用超临界二氧化碳供能的系统，实现能量的灵活调节和高效利用，以提高二氧化碳储能和供能利用的效率。
本发明的技术方案是利用超临界二氧化碳供能的系统，包括高压二氧化碳储罐、加热器、膨胀机、用能设备和低温用户。高压二氧化碳储罐通过加热器连接到膨胀机入口，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路连接到低温用户，低温用户连接到二氧化碳排放口。膨胀机与供能用户的用能设备轴连接。
加热器的入口和出口之间设有旁路，旁路设有阀门。系统设有换热器和制热空调，加热器的烟气管路通过换热器连接到烟气排放口，制热空调与换热器连接；所述低温用户为制冷空调、冷库或冰箱。供能用户为发电机和交通工具，所述交通工具为飞机、汽车、轮船、水泥罐车、矿山装载车、重型卡车、中小型卡车、旅游车、房车、公共汽车、轨道机车、电动自行车或固定的直接机械驱动的设备。
汽车设有离合器、变速器、传动轴和车轮。高压二氧化碳储罐通过加热器连接到膨胀机，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路连接到制冷空调，制冷空调出口连接到二氧化碳排放口。膨胀机通过离合器与变速器连接，变速器通过传动轴与车轮连接。
轮船设有离合器、减速器和螺旋桨，高压二氧化碳储罐通过加热器连接到膨胀机，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路连接到制冷空调。膨胀机通过离合器与减速器连接，减速器与螺旋桨连接。
加热器为燃烧加热器或电加热器，燃烧加热器使用的燃料为固体燃料、液体燃料或气体燃料，或上述燃料两种或三种混合。固体燃料为煤粉、焦粉或枫，枫是灰分小于0.01%的碳粉。液体燃料为汽油或柴油，气体燃料为煤气、液化石油气或天然气。加热器形式是多种多样的，目的是加热使超临界二氧化碳产生更高的压力和温度，提高其做功区间和效率。流出加热器的气体成分或与高压二氧化碳储罐的成分相同或不同。高压二氧化碳储罐中的二氧化碳压力为0～400 MPa，温度为-60～1000℃，加热器加热后的二氧化碳温度为-60～2000℃，加热后压力为0～400 MPa。低温二氧化碳气体管路中的二氧化碳温度为-60～500℃。超临界二氧化碳成分中可以含有其他气体成分，其它的气体含量为0~100%。其膨胀机可以用汽轮机、烟气轮机、活塞式发动机或燃气轮机代替。
本发明利用超临界二氧化碳供能的系统，利用超临界二氧化碳进行储能和供能，有效的存储并利用所储的能量，实现了能量的灵活调节和高效利用，通过在膨胀机前增加换热器，使高压超临界二氧化碳体积膨胀，有利于更多的功率输出，提高了超临界二氧化碳供能利用的效率。二氧化碳无毒，不易燃，密度高并且是气体中热容非常高的，利用二氧化碳进行储能，相比其他介质效率更高，安全性好。
附图说明
图1为本发明利用超临界二氧化碳供能的系统的流程示意图；
图2为汽车超临界二氧化碳供能的系统的示意图；
图3为轮船超临界二氧化碳供能的系统的示意图；
其中：1—换热器、2—高压二氧化碳储罐、3—加热器、4—膨胀机、5—发电机、6—制冷空调、7—旁路、8—二氧化碳排放口、9—低温二氧化碳气体管路、10—制热空调、11—烟气排放口、12—离合器、13—变速器、14—传动轴、15—车轮、16—减速器、17—螺旋桨、18—轮船、19—汽车、20—阀门。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明利用超临界二氧化碳供能的系统如图1所示，包括高压二氧化碳储罐2、加热器3、膨胀机4、制冷空调6、换热器1和制热空调10。高压二氧化碳储罐是固定安装的储罐，供能用户为发电用电用户，用能设备为发电机5。高压二氧化碳储罐通过加热器连接到膨胀机入口，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路9连接到制冷空调，制冷空调连接到二氧化碳排放口8，膨胀机与发电机连接。加热器的入口和出口之间设有旁路7，旁路设有阀门20，用于高压二氧化碳储罐直接为膨胀机供能。加热器的烟气管路通过换热器连接到烟气排放口11，制热空调与换热器连接。
运行过程为高压二氧化碳储罐中压力为30MPa，温度为200℃，高压二氧化碳经高压管路到加热器3中加热至500℃到膨胀机4做功发电。发电后的二氧化碳气体温度降至-30℃经低温二氧化碳气体管路9为办公楼的制冷空调提供冷源，放出冷量的二氧化碳气体到二氧化碳排放口8排放。加热器燃烧后的烟气经换热器1到烟气排放口11排放，烟气在换热器放出的热量为制热空调10提供热源。制热空调和制冷空调分别在冬天和夏天打开，此时另一个空调循环系统关闭。
实施例2
本发明另一实施方式如图2所示，供能用户为汽车19，用能设备为汽车驱动设备。汽车设有高压二氧化碳储罐2、发电机、加热器3、膨胀机4、制冷空调6、换热器1、制热空调10、离合器12、变速器13、传动轴14和车轮15，高压二氧化碳储罐2安装在汽车的后备箱中。高压二氧化碳储罐2通过加热器连接到膨胀机4，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路9连接到制冷空调6，制冷空调出口连接到二氧化碳排放口8。膨胀机通过离合器与变速器连接，变速器通过传动轴与车轮连接。膨胀机与发电机轴连接，用于发电供汽车用电。加热器的烟气管路通过换热器连接到烟气排放口11，制热空调与换热器连接。高压二氧化碳储罐2设有二氧化碳加入口，用于从外部补充二氧化碳。
汽车的运行为，高压二氧化碳储罐中压力为30MPa，温度为100℃，高压二氧化碳经高压管路到加热器3中加热至500℃到膨胀机4做功，通过离合器、变速器和传动轴将能量传递给车轮转动，驱动汽车行驶。做功后的二氧化碳气体温度降至3℃经低温二氧化碳气体管路9为汽车内的制冷空调提供冷源，放出冷量的二氧化碳气体到二氧化碳排放口8排放。加热器燃烧后的烟气经换热器1到烟气排放口11排放，烟气在换热器放出的热量为制热空调10提供热源。制热空调和制冷空调分别在冬天和夏天打开，此时另一个空调循环系统关闭。
实施例3
本发明再一实施方式如图3所示，供能用户为轮船18，用能设备为轮船驱动设备。轮船设有高压二氧化碳储罐2、加热器3、膨胀机4、制冷空调6、换热器1、制热空调10、离合器12、减速器16和螺旋桨17，高压二氧化碳储罐2安装在轮船内部。高压二氧化碳储罐2通过加热器连接到膨胀机4，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路9连接到制冷空调6，制冷空调出口连接到二氧化碳排放口8。膨胀机通过离合器与减速器连接，减速器与螺旋桨连接。加热器的烟气管路通过换热器连接到烟气排放口11，制热空调与换热器连接。膨胀机与发电机轴连接，用于发电供轮船用电。高压二氧化碳储罐2设有二氧化碳加入口，用于从外部补充二氧化碳。
轮船的运行为，高压二氧化碳储罐中压力为40MPa，温度为35℃，高压二氧化碳经高压管路到加热器3中加热至600℃到膨胀机4做功，通过离合器和减速器将能量传递给螺旋桨转动，驱动轮船航行。做功后的二氧化碳气温度降至-20℃经低温二氧化碳气体管路9为轮船内的制冷空调提供冷源，放出冷量的二氧化碳气体到二氧化碳排放口8排放。加热器燃烧后的烟气经换热器1到烟气排放口11排放，烟气在换热器放出的热量为制热空调10提供热源。制热空调和制冷空调分别在冬天和夏天打开，此时另一个空调循环系统关闭。

Claims (10)

1.一种利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述系统包括高压二氧化碳储罐（2）、加热器（3）、膨胀机（4）、用能设备和低温用户，所述高压二氧化碳储罐通过加热器连接到膨胀机入口，膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路（9）连接到低温用户，低温用户连接到二氧化碳排放口（8）；所述膨胀机与供能用户的用能设备轴连接。
2.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述加热器（3）的入口和出口之间设有旁路（7），所述旁路设有阀门（20）；所述系统设有换热器（1）和制热空调（10），所述加热器的烟气管路通过换热器连接到烟气排放口（11），所述制热空调与换热器连接；所述低温用户为制冷空调（6）、冷库或冰箱。
3.根据权利要求2所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述供能用户为发电机（5）和交通工具，所述交通工具为飞机、汽车（19）、轮船（18）、水泥罐车、矿山装载车、重型卡车、中小型卡车、旅游车、房车、公共汽车、轨道机车、电动自行车或固定的直接机械驱动的设备。
4.根据权利要求3所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述汽车（19）设有离合器（12）、变速器（13）、传动轴（14）和车轮（15）；所述高压二氧化碳储罐（2）通过加热器连接到膨胀机（4），膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路（9）连接到制冷空调（6），制冷空调出口连接到二氧化碳排放口（8）；所述膨胀机通过离合器与变速器连接，所述变速器通过传动轴与车轮连接。
5.根据权利要求3所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述轮船（18）设有离合器（12）、减速器（16）和螺旋桨（17），所述高压二氧化碳储罐（2）通过加热器连接到膨胀机（4），膨胀机出口通过低温二氧化碳气体管路（9）连接到制冷空调（6）；所述膨胀机通过离合器与减速器连接，所述减速器与螺旋桨连接。
6.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述加热器（3）为燃烧加热器或电加热器，所述燃烧加热器使用的燃料为固体燃料、液体燃料或气体燃料，或上述燃料两种或三种混合；所述固体燃料为煤粉、焦粉或枫，所述枫是灰分小于0.01%的碳粉；所述液体燃料为汽油或柴油，所述气体燃料为煤气、液化石油气或天然气。
7.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：所述加热器（3）形式是多种多样的，目的是加热使超临界二氧化碳产生更高的压力和温度，提高其做功区间和效率；流出加热器的气体成分或与高压二氧化碳储罐的成分相同或不同。
8.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：高压二氧化碳储罐中的二氧化碳压力为0～400 MPa，温度为-60～1000℃，加热器加热后的二氧化碳温度为-60～2000℃，加热后压力为0～400 MPa；低温二氧化碳气体管路中的二氧化碳温度为-60～500℃。
9.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：超临界二氧化碳成分中可以含有其他气体成分，其它的气体含量为0~100%。
10.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳供能的系统，其特征是：其膨胀机可以用汽轮机、烟气轮机、活塞式发动机或燃气轮机代替。
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