CN112880451A - 基于补充外部能量的co2气液相变的储能装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，包括：储气库；储液罐；储能组件，储能组件设于储气库与储液罐之间；释能组件，释能组件设于储气库与储液罐之间，释能组件包括至少一个膨胀释能部，膨胀释能部包括释能换热器、补充能量换热器与膨胀机，每个膨胀释能部中的释能换热器与膨胀机之间均设有补充能量换热器；换热组件，储能组件、释能组件均与换热组件连接，换热组件能够将储能组件中产生的部分能量转移至释能组件中；能量补充组件包括外部热源，补充能量换热器与外部热源连接，外部热源通过补充能量换热器向膨胀机补充能量。该装置能减少资源浪费，节约能源。

Description

基于补充外部能量的CO2气液相变的储能装置与方法

技术领域

本发明涉及能源存储技术领域，特别是涉及一种基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置与方法。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对于能源的需求量越来越大，但能源消耗的增加使得环境问题较为严重，且煤炭、石油等不可再生的传统能源日益枯竭，大力开发太阳能、风能等新能源以减缓传统能源消耗成为必然选择。但由于太阳能、风能等新能源所具有的间歇性和波动性特征，其有效利用率远远不足，同时新能源发电的间歇性会对电网造成一定的冲击。因此需要利用储能技术对能源系统进行优化及调节。

在相关技术中，存在一种通过压缩二氧化碳进行能源存储的方式。其主要原理是在用电低谷期时，用多余电力将二氧化碳进行压缩，并存储起来。当用电高峰期时，再将其释放，并通过透平驱动发电机输出电力，从而充分利用能量，同时降低新能源间歇性发电对电网带来的冲击。然而，在自然环境和工农业生产中，存在许多外部热能，如太阳能光热、垃圾焚烧产生的热能，这些热能通常被直接浪费掉，造成了较大的浪费。

发明内容

基于此，本发明提出一种基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，能够利用太阳能光热、垃圾焚烧产生的热能等热源对输入膨胀机的能量进行补充，从而减少资源浪费，节约能源。

基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，包括：

储气库，所述储气库用于存储气态二氧化碳，所述储气库的容积能够变化；

储液罐，所述储液罐用于存储液态二氧化碳；

储能组件，所述储能组件用于存储能量，所述储能组件设置于所述储气库与所述储液罐之间，二氧化碳经所述储能组件由气态转变为液态；

释能组件，所述释能组件设置于所述储气库与所述储液罐之间，所述释能组件包括多个膨胀释能部，所述膨胀释能部包括释能换热器、补充能量换热器与膨胀机，每个所述膨胀释能部中的所述释能换热器与所述膨胀机之间均设有所述补充能量换热器，所述膨胀机用于释放能量，二氧化碳经所述释能组件由液态转变为气态；

换热组件，所述储能组件、所述释能组件均与所述换热组件连接，所述换热组件能够将所述储能组件中产生的部分能量转移至所述释能组件中；

能量补充组件，所述能量补充组件包括外部热源，多个所述补充能量换热器均与所述外部热源连接，所述外部热源通过所述补充能量换热器向所述膨胀机补充能量。

在其中一个实施例中，所述能量补充组件还包括流入管路与流出管路，所述流入管路与所述流出管路内设有能量补充介质，多个所述补充能量换热器均通过所述流入管路与所述外部热源连接，所述能量补充介质经所述流入管路从所述外部热源流动至所述补充能量换热器，多个所述补充能量换热器均通过所述流出管路与所述外部热源连接，所述能量补充介质经所述流出管路从所述补充能量换热器流动至所述外部热源。

在其中一个实施例中，多个所述膨胀机同轴设置。

在其中一个实施例中，所述释能组件还包括蒸发器与释能冷却器，二氧化碳经所述蒸发器由液态转变为气态，所述释能冷却器用于对进入所述储气库的二氧化碳进行冷却，始端的所述膨胀释能部中的所述释能换热器与所述蒸发器连接，末端的所述膨胀释能部中的所述膨胀机与所述释能冷却器连接，每个所述膨胀释能部中的所述膨胀机与相邻的所述膨胀释能部中的所述释能换热器连接。

在其中一个实施例中，所述释能冷却器与所述蒸发器连接。

在其中一个实施例中，所述释能组件还包括蒸发器，所述外部热源与所述蒸发器连接。

在其中一个实施例中，所述换热组件包括储冷罐与储热罐，所述储冷罐与所述储热罐内设有换热介质，所述储冷罐、所述储热罐在所述储能组件与所述释能组件之间形成换热回路，所述换热介质能够在所述换热回路中流动，所述换热介质从所述储冷罐流动至所述储热罐时，能够存储所述储能组件产生的部分能量，所述换热介质从所述储热罐流动至所述储冷罐时，能够将存储的能量转移至所述释能组件。

在其中一个实施例中，所述储冷罐与所述储热罐之间设有辅助加热件，部分所述换热介质能够经所述辅助加热件加热后流入所述储热罐。

在其中一个实施例中，所述释能组件包括蒸发器，二氧化碳经所述蒸发器由液态转变为气态，所述换热组件还包括换热介质冷却器，所述换热介质冷却器用于对进入所述储冷罐的所述换热介质进行冷却，所述换热介质冷却器与所述蒸发器连接。

在其中一个实施例中，所述储能组件包括冷凝器与压缩储能部，所述压缩储能部至少设有一组，所述压缩储能部包括压缩机与储能换热器，每个所述压缩储能部中的所述储能换热器与所述压缩机连接，每个所述压缩储能部中的所述储能换热器与相邻的所述压缩储能部中的所述压缩机连接，始端的所述压缩储能部中的所述压缩机与所述储气库连接，末端的所述压缩储能部中的所述储能换热器与所述冷凝器连接，所述储液罐与所述冷凝器连接，所述换热组件与所述储能换热器连接，所述储能换热器能够将二氧化碳经所述压缩机压缩时产生的部分能量转移至所述换热组件。

在其中一个实施例中，所述释能组件包括节流膨胀阀与蒸发器，二氧化碳经所述蒸发器由液态转变为气态，所述节流膨胀阀位于所述储液罐与所述蒸发器之间，所述节流膨胀阀用于使经所述储液罐流出的二氧化碳降压；

所述储能组件包括冷凝器，二氧化碳经所述冷凝器由气态转变为液态，所述蒸发器与所述冷凝器连接。

在其中一个实施例中，所述储气库为柔性气膜储气库。

上述基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，设置了储气库与储液罐，气态二氧化碳被存储于储气库中，液态二氧化碳被存储于储液罐中。在储气库与储液罐之间设有储能组件与释能组件，在释能组件与储能组件之间还设有换热组件。二氧化碳经过储能组件时由气态变为液态，经过释能组件时由液态变为气态。二氧化碳从储气库经过储能组件到达储液罐时，完成能量存储，部分能量被存储于二氧化碳中，部分能量存储于换热组件中，并转移至释能组件，通过释能组件完成能量释放。释能组件中，每个释能换热器与膨胀机之间设置有补充能量换热器，若储能过程中存储的能量不足时，外部热源提供的补充热量可以通过补充能量换热器输入至膨胀机。太阳能光热、垃圾焚烧产生的热能等外部热源提供的补充热量可以通过补充能量换热器输入至膨胀机对外做功，从而减少资源浪费，节约能源。

本发明还提出一种基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能方法，能够对输入膨胀机的能量进行补充，使其有足够的能量对外做功。

基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，包括储能步骤与释能步骤，

所述储能步骤中，二氧化碳由气态变为液态，并将部分能量存储于换热介质中；

所述释能步骤中，二氧化碳由液态变为气态，所述换热介质中存储的能量通过二氧化碳进行释放，且进行能量释放时，通过外部热源补充能量。

上述基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，在储能过程中，二氧化碳从气态转变为液态，并将产生的部分能量存储至换热介质中，在释能过程中，将这部分能量释放出去，并且在释能时，太阳能光热、垃圾焚烧产生的热能等热源补充能量对外做功，从而减少资源浪费，节约能源。

附图说明

图1为本发明一实施例中的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置的结构示意图。

附图标记：

储气库100；

储液罐200；

储能组件300、第一压缩机310、第一储能换热器320、第二压缩机330、第二储能换热器340、第三压缩机350、第三储能换热器360、冷凝器370、储能第一管道381、储能第二管道382、储能第三管道383、储能第四管道384、储能第五管道385、储能第六管道386、储能第七管道387、储能第八管道388、电动机390；

释能组件400、蒸发器410、第一释能换热器421、第一补充能量换热器422、第一膨胀机423、第二释能换热器431、第二补充能量换热器432、第二膨胀机433、第三释能换热器441、第三补充能量换热器442、第三膨胀机443、释能冷却器450、释能第一管道461、释能第二管道462、释能第三管道463、释能第四管道464、释能第五管道465、释能第六管道466、释能第七管道467、释能第八管道468、释能第九管道469、释能第十管道4610、释能第十一管道4611、释能第十二管道4612、释能第十三管道4613、节流膨胀阀470、发电机480；

换热组件500、储冷罐510、储热罐520、换热介质冷却器530、换热第一管道541、换热第二管道542、换热第三管道543、换热第四管道544、换热介质第一循环泵550、换热介质第二循环泵551；

第一阀门610、第二阀门620、第三阀门630、第四阀门640、第五阀门650、第六阀门660、第七阀门670、第八阀门680、第九阀门6200；

水池710、第一回收管道720、第二回收管道730、第三回收管道740、第四回收管道750、第五回收管道760、第六回收管道770；

能量补充组件800、外部热源810、能量补充介质加热器820、流入管路830、流出管路840。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，图1示出了为本发明一实施例中的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置的结构示意图。本发明一实施例提供的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置包括储气库100、储液罐200、储能组件300、释能组件400、换热组件500与能量补充组件800等部件。

储液罐200内存储有处于高压状态的液态二氧化碳。储气库100内存储有处于常温常压状态的气态二氧化碳，储气库100内部的压力与温度维持在一定范围内，以满足储能要求。具体的，设置保温装置对储气库100进行保温，使其内部的温度维持在所需范围内。根据理想气体状态方程PV＝nRT，当温度与压力恒定，体积与物质的量成正比。因此，储气库100采用气膜储气库，其容积能够变化，当有二氧化碳充入时，储气库100的容积增大，当有二氧化碳流出时，储气库100的容积减小，以此来实现储气库100内压力的恒定。需要说明的是，储气库100内部的压力与温度维持在一定范围内，在上述分析中，将其近似看作恒定值。

具体的，储气库100内的温度T₁的范围为15℃≤T₁≤35℃，储气库100内的气压与外界大气的气压差小于1000Pa。

储能组件300位于储气库100与储液罐200之间，从储气库100流出的气态二氧化碳经过储能组件300转变为液态，并流入储液罐200，在该过程中完成能量存储。

释能组件400也位于储气库100与储液罐200之间，从储液罐200流出的液态二氧化碳经过释能组件400转变为气态，并流入储气库100，在该过程中，将储能过程中存储的能量释放出去。

换热组件500设置于储能组件300与释能组件400之间。在储能过程中，存储的能量一部分以压力能的形式存储于高压状态的液态二氧化碳中，另一部分以热能的形式存储于换热组件500中。在释能过程中，这部分能量从换热组件500转移至释能组件400中，并通过气态二氧化碳将存储的所有能量释放出去。

具体的，释能组件400包括至少两个膨胀释能部，膨胀释能部包括膨胀机、补充能量换热器与释能换热器。每个膨胀释能部中，释能换热器与膨胀机之间设有补充能量换热器。释能换热器与换热组件500连接，储能过程中存储于换热组件500中的能量通过释能换热器转移至流经释能换热器的二氧化碳中。补充能量换热器与外部热源连接，能够吸收外部热源提供的外部热能。二氧化碳流动至补充能量换热器时，吸收外部热源传递至补充能量换热器的外部热能，最终，通过膨胀机将储能过程中存储的能量与外部输入的能量一起释放对外做功。

外部热源810可以是废热，例如，铸造厂或锻造厂的铸件或锻件冷却时放出的热量，或者，可以是化工厂进行化学反应时放出的热量，或者，可以是燃气轮机余热。使用废热作为外部热源，可以减少能量浪费。当然，也可以是太阳能或地热能等。

本实施例中的储能装置，能够在用电低谷期时，通过电厂输出的多余电力实现二氧化碳从气态到液态的转变，将能量存储起来。待用电高峰期时，再将这部分能量释放出去，带动发电机480产生电能。如此，不仅可以减少能量浪费，还能赚取用电低谷期与用电高峰期的电费差价，经济效益可观。并且，可以利用外部热源在释能路径上进行能量补充，以增加对外做功量，并减少资源的浪费。

本实施例中的储能装置中，二氧化碳仅在气态与液态之间转变，在储能之前，二氧化碳处于气态，且为常温常压，相较于常规的通过超临界二氧化碳进行储能释能，本实施例中对于储气库100的要求较低，无需设置结构较为复杂的存储部件，一定程度上能够降低成本。

在一些实施例中，储能组件300包括冷凝器370与至少一组压缩储能部，压缩储能部包括压缩机与储能换热器，每组压缩储能部中的压缩机与储能换热器连接。每组压缩储能部中的储能换热器与相邻的压缩储能部中的压缩机连接。其中，始端的压缩储能部中的压缩机与储气库100连接，末端的压缩储能部中的储能换热器与冷凝器370连接。此处的始端与末端是以从储气库100经过储能组件300到达储液罐200的方向来定义的。若仅有一组压缩储能部时，则始端与末端均为仅有的这一组压缩储能部。电网输出的多余电力通过电动机390带动压缩机工作，以实现能量输入。

具体的，在一些实施例中，储能组件300包括第一压缩机310、第一储能换热器320、第二压缩机330、第二储能换热器340、第三压缩机350、第三储能换热器360与冷凝器370等部件。第一压缩机310与储气库100之间通过储能第一管道381连接，第一储能换热器320与第一压缩机310之间通过储能第二管道382连接，第二压缩机330与第一储能换热器320之间通过储能第三管道383连接，第二储能换热器340与第二压缩机330之间通过储能第四管道384连接，第三压缩机350与第二储能换热器340之间通过储能第五管道385连接，第三储能换热器360与第三压缩机350之间通过储能第六管道386连接，冷凝器370与第三储能换热器360之间通过储能第七管道387连接，储液罐200与冷凝器370之间通过储能第八管道388连接。

换热组件500与第一储能换热器320、第二储能换热器340、第三储能换热器360均连接，第一压缩机310、第二压缩机330与第三压缩机350压缩二氧化碳时产生的部分能量以压力能的形式存储于高压二氧化碳中，部分能量以热能形式通过第一储能换热器320、第二储能换热器340与第三储能换热器360转移至换热组件500暂存。

上述结构中，设置了三级压缩，通过三级压缩来使二氧化碳逐渐增压。与一次压缩到位相比，三次压缩时，可以选用压缩比更小的压缩机，压缩机的成本更低。当然，压缩机的数量也可以是一个、两个或多于三个，只要压缩机与储能换热器成套增减即可。

在一些实施例中，释能组件400包括蒸发器410、至少两个膨胀释能部及释能冷却器450等部件。每个膨胀释能部中的膨胀机与相邻的膨胀释能部中的释能换热器连接。始端的膨胀释能部中的释能换热器与蒸发器410连接，末端的膨胀释能部中的膨胀机与释能冷却器450连接。此处的始端与末端是以从储液罐200经过释能组件400到达储气库100的方向来定义的。

具体的，在一些实施例中，释能组件400包括蒸发器410、第一释能换热器421、第一补充能量换热器422、第一膨胀机423、第二释能换热器431、第二补充能量换热器432、第二膨胀机433、第三释能换热器441、第三补充能量换热器442、第三膨胀机443与释能冷却器450等部件。蒸发器410与储液罐200之间通过释能第一管道461连接。第一释能换热器421与蒸发器410之间通过释能第二管道462连接，第一补充能量换热器422与第一释能换热器421之间通过释能第三管道463连接，第一膨胀机423与第一补充能量换热器422之间通过释能第四管道464连接。第二释能换热器431与第一膨胀机423之间通过释能第五管道465连接，第二补充能量换热器432与第二释能换热器431之间通过释能第六管道466连接，第二膨胀机433与第二补充能量换热器432之间通过释能第七管道467连接。第三释能换热器441与第二膨胀机433之间通过释能第八管道468连接，第三补充能量换热器442与第三释能换热器441之间通过释能第九管道469连接，第三膨胀机443与第三补充能量换热器442之间通过释能第十管道4610连接。释能冷却器450与第三膨胀机443之间通过释能第十一管道4611连接。储气库100与释能冷却器450之间通过释能第十二管道4612连接。

换热组件500与第一释能换热器421、第二释能换热器431、第三释能换热器441均连接，在释能过程中，暂存于换热组件500中的能量通过第一释能换热器421、第二释能换热器431、第三释能换热器441转移至流经第一释能换热器421、第二释能换热器431、第三释能换热器441的二氧化碳中，二氧化碳吸收这部分能量，并通过第一膨胀机423、第二膨胀机433、第三膨胀机443将能量释放出去。

释能组件400中，通过第一膨胀机423、第二膨胀机433、第三膨胀机443将能量释放出去，带动发电机480进行发电。气态二氧化碳流过第一膨胀机423、第二膨胀机433、第三膨胀机443时冲击叶片，推动转子转动，以实现能量输出。

上述结构中，设置了三个膨胀机，进行三次能量释放。设置三个膨胀机一起释能能量时，对于膨胀机的叶片制造要求更低，相应的，成本也更低。当然，膨胀机的数量也可以是一个、两个或多于三个，只要膨胀机与释能换热器成套增减即可。

外部热源810与第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432、第三补充能量换热器442均连接。外部热源提供的部分热量通过第一补充能量换热器422输入至第一膨胀机423，部分热量通过第二补充能量换热器432输入至第二膨胀机433，部分热量通过第三补充能量换热器442输入至第三膨胀机443。

如此，当第一膨胀机423、第二膨胀机433、第三膨胀机443对外做功释放能量时，其能量来源的一部分是储能过程中存储的能量，一部分是外部热源通过第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432、第三补充能量换热器442输入的热量。

优选的，上述的第一膨胀机423、第二膨胀机433、第三膨胀机443同轴设置，如此，可以平衡轴向力，减小轴向振动，使整个装置运行时更加平稳，振动噪音也更小。

具体的，在一些实施例中，换热组件500包括储冷罐510、储热罐520、换热介质冷却器530等部件。储冷罐510与储热罐520内存放有换热介质。储冷罐510、储热罐520在储能组件300与释能组件400之间形成换热回路，换热介质能够在换热回路内循环流动。上述的换热介质可以选用熔融盐或饱和水等物质。

储冷罐510内的换热介质的温度较低，储热罐520内的换热介质的温度较高。换热介质在储冷罐510与储热罐520之间流动时，能够实现热量的收集与释放。具体的，换热介质从储冷罐510流动至储热罐520时，吸收储能过程中产生的部分热量，换热介质从储热罐520流动至储冷罐510时，将此前吸收的热量再释放出去，换热介质从储热罐520流动至储冷罐510时，流经换热介质冷却器530进行冷却，以达到储冷罐510内存储的换热介质的温度要求。

能量补充组件800包括外部热源810、能量补充介质加热器820、流入管路830与流出管路840等部件。流入管路830与流出管路840内存有能量补充介质。外部热源810可以对能量补充介质加热器820进行加热。第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432、第三补充能量换热器442均与流入管路830连接，且第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432、第三补充能量换热器442均与流出管路840连接。

需要向释能路径上补充外部能量时，打开第八阀门680，通过外部热源810为能量补充介质加热器820加热，使能量补充介质在能量补充介质加热器820内被加热升温，并沿流入管路830分流进入第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432与第三补充能量换热器442。被加热后处于高温状态的能量补充介质流经第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432与第三补充能量换热器442时进行换热，将热量传递给流经第一补充能量换热器422、第二补充能量换热器432与第三补充能量换热器442的二氧化碳，使二氧化碳的温度升高。完成换热后的能量补充介质经流出管路840再回流至能量补充介质加热器820处。重复上述过程，能量补充介质在三个补充能量换热器与能量补充介质加热器820之间循环流动，以实现补充热量的输入。上述的能量补充介质可以是导热油或熔融盐等物质。

此外，在上述的各个管路上均设有循环泵等部件，用以实现二氧化碳、换热介质或能量补充介质的定向流动。

进行储能时，打开第一阀门610与第三阀门630，关闭第二阀门620与第四阀门640。处于常温常压状态的气态二氧化碳从储气库100中流出，经储能第一管道381流动至第一压缩机310。通过第一压缩机310对气态二氧化碳进行第一次压缩，增加其压力。在压缩过程中，会产生热量，使二氧化碳的温度升高。二氧化碳经第一压缩机310压缩后，经储能第二管道382流动至第一储能换热器320，将压缩时产生的热量传递给第一储能换热器320。第一储能换热器320将热量传递至换热介质。从第一储能换热器320流出的二氧化碳经储能第三管道383流动至第二压缩机330，通过第二压缩机330对其进行第二次压缩，进一步增加其压力。在压缩过程中，会产生热量，使二氧化碳的温度升高。二氧化碳经第二压缩机330压缩后，经储能第四管道384流动至第二储能换热器340，将压缩时产生的热量传递给第二储能换热器340。第二储能换热器340将热量传递至换热介质。从第二储能换热器340流出的二氧化碳经储能第五管道385流动至第三压缩机350，通过第三压缩机350对其进行第三次压缩，进一步增加其压力。在压缩过程中，会产生热量，使二氧化碳的温度升高。二氧化碳经第三压缩机350压缩后，经储能第六管道386流动至第三储能换热器360，将压缩时产生的热量传递给第三储能换热器360。第三储能换热器360将热量传递至换热介质。实现换热后，高压的气态二氧化碳经储能第七管道387流动至冷凝器370，经冷凝器370进行冷凝，转变为液态二氧化碳。液态二氧化碳经储能第八管道388流入储液罐200中，完成储能流程。

进行释能时，打开第二阀门620与第四阀门640，关闭第一阀门610与第三阀门630，同时打开第八阀门680。高压的液态二氧化碳从储液罐200中流出，经释能第一管道461流动至蒸发器410，经蒸发器410蒸发，转变为气态。气态二氧化碳经释能第二管道462流动至第一释能换热器421。储能过程中存储于换热介质中的部分热量经第一释能换热器421转移至流经第一释能换热器421的二氧化碳，二氧化碳吸收这部分热量，温度升高。升温后的二氧化碳经释能第三管道463流动至第一补充能量换热器422，经第一补充能量换热器422吸收外部热源810输入的补充热量，并进一步升温。高温的气态二氧化碳经释能第四管道464流动至第一膨胀机423，在第一膨胀机423内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。完成第一次能量释放后，二氧化碳从第一膨胀机423流出，温度与压力降低。

从第一膨胀机423流出的二氧化碳经释能第五管道465流动至第二释能换热器431。储能过程中存储于换热介质中的部分热量经第二释能换热器431转移至流经第二释能换热器431的二氧化碳，二氧化碳吸收这部分热量，温度升高。升温后的二氧化碳经释能第六管道466流动至第二补充能量换热器432，经第二补充能量换热器432吸收外部热源810输入的补充热量，并进一步升温。高温的气态二氧化碳经释能第七管道467流动至第二膨胀机433，在第二膨胀机433内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。完成第二次能量释放后，二氧化碳从第二膨胀机433流出，温度与压力降低。

从第二膨胀机433流出的二氧化碳经释能第八管道468流动至第三释能换热器441。储能过程中存储于换热介质中的部分热量经第三释能换热器441转移至流经第三释能换热器441的二氧化碳，二氧化碳吸收这部分热量，温度升高。升温后的二氧化碳经释能第九管道469流动至第三补充能量换热器442，经第三补充能量换热器442吸收外部热源810输入的补充热量，并进一步升温。高温的气态二氧化碳经释能第十管道4610流动至第三膨胀机443，在第三膨胀机443内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。完成第三次能量释放后，二氧化碳从第三膨胀机443流出，温度与压力降低。

完成三次释能后的二氧化碳压力与温度均降低，但其温度仍高于储气库100所要求的存储温度。因此，从第三膨胀机443流出的二氧化碳经释能第十一管道4611流入释能冷却器450，通过释能冷却器450对其进行降温，使其温度能够达到储气库100的要求。降温后的二氧化碳流经释能第十二管道4612进入储气库100，完成整个释能流程。

在上述过程中，存储于换热组件500中的热能，以及外部热源810输入的热能一起汇入高压的二氧化碳中，二氧化碳在第一膨胀机423、第二膨胀机433与第三膨胀机443内膨胀，将压力能与热能一起释放出去，转变为机械能。

在上述储能与释能过程中，储能时打开换热介质第一循环泵550，释能时打开换热介质第二循环泵551，换热介质在储冷罐510与储热罐520之间循环流动，实现能量的暂存与释放。具体的，能量以热能的形式暂存于换热介质中。在储能过程中，低温的换热介质从储冷罐510流出后，经换热第一管道541分流到达第一储能换热器320、第二储能换热器340、第三储能换热器360处进行换热。流经第一储能换热器320的换热介质吸收被第一次压缩后的二氧化碳中的热量，使这部分换热介质的温度升高。流经第二储能换热器340的换热介质吸收被第二次压缩后的二氧化碳中的热量，使这部分换热介质的温度升高。流经第三储能换热器360的换热介质吸收被第三次压缩后的二氧化碳中的热量，使这部分换热介质的温度升高。换热介质吸热后，均汇入换热第二管道542，并流入储热罐520，热量被暂存于储热罐520内。

释能时，高温换热介质从储热罐520内流出后，经换热第三管道543分流到达第一释能换热器421、第二释能换热器431、第三释能换热器441处进行换热。将热量传递给流经第一释能换热器421、第二释能换热器431、第三释能换热器441的二氧化碳，使其温度升高。完成换热后，换热介质的温度降低，降温后的换热介质经换热第四管道544流动至储冷罐510。虽然经过换热后，换热介质的温度降低，但其温度仍高于储冷罐510所要求的温度范围。因此，这部分换热介质经换热第四管道544流经换热介质冷却器530时，通过换热介质冷却器530对其再次进行降温，使其温度达到储冷罐510的要求。

另外，在一些实施例中，也可以将第一阀门610、第二阀门620、第三阀门630、第四阀门640全部打开，储能与释能同时进行。在用电低谷期即将结束，用电高峰期即将来临时，可能会存在上述情况。并且，当同时运行时，可以将风电等频率波动大的电力调节为较为平稳的电力。

在前述方式中，外部热源810提供的热量直接补充至释能过程中，在二氧化碳即将进入各个膨胀机之前对其进行加热。除此之外，还可以在其他位置也补充外部热量。

例如，在一些实施例中，可以将外部热源810与蒸发器410连接，通过外部热源810提供二氧化碳蒸发所需的热量。

或者，在一些实施例中，可以在储冷罐510与储热罐520之间设置加热管道，加热管道上设置辅助加热件。从储冷罐510中流出的一部分换热介质经加热管道流动至辅助加热件，辅助加热件对这部分换热介质进行加热，使其吸收外部热量，可以使到达第一释能换热器421、第二释能换热器431与第三释能换热器441处的热量增加，即能够提供给第一膨胀机423、第二膨胀机433与第三膨胀机443的热量增加。辅助加热件处的热量来源也可以是废热。

在上述的储能与释能过程中，储能过程中除了会产生需要存储的能量外，在一些步骤中还会产生一些多余能量，释能过程中也是如此。通常，这些能量被直接释放，积少成多，会造成较大的能量浪费。优选的，在一些实施例中，将这些多余能量再次回收利用，使这些能量可以供二氧化碳蒸发时使用。通过这种方式，可以减少储能与释能过程中的能量浪费，提高能量利用率，并降低成本。

例如，在一些实施例中，通过换热介质冷却器530对换热介质降温后，放出的这部分热量可以被回收利用，供二氧化碳蒸发时使用，以减少能量浪费，提高能量利用率。

具体的，可以将换热介质冷却器530与蒸发器410连接，将换热介质冷却器530对换热介质降温时放出的热量转移至蒸发器410，供二氧化碳蒸发时使用。换热介质冷却器530与蒸发器410之间可以是直接连接，也可以通过其他部件间接连接。

当然，若仅使用换热介质冷却器530对换热介质降温时放出的热量进行蒸发，可能存在热量不足的情况。因此，也可以使用外部热源补充热量，以使蒸发过程能够顺利进行。

优选的，补充的外部热源可以是废热。使用废热作为外部热源，可以减少能量浪费，且无需另外进行加热，能降低成本。

在一些实施例中，储能过程中，经过冷凝器370冷凝时放出的热量可以回收利用，在释能过程中，将这部分热量供给蒸发器410，供二氧化碳蒸发时使用，以减少能量浪费，提高能量利用率。

具体的，可以将冷凝器370与蒸发器410连接，将二氧化碳冷凝时放出的热量收集，并转移至蒸发器410，供二氧化碳蒸发时使用。冷凝器370与蒸发器410之间可以是直接连接，也可以通过其他部件间接连接。

当然，若仅使用冷凝器370放出的热量进行蒸发，可能存在热量不足的情况。因此，也可以使用外部热源补充热量，以使蒸发过程能够顺利进行。

优选的，在一些实施例中，在蒸发器410与储液罐200之间设置有释能第一管道461与释能第十三管道4613，释能第一管道461上设有第二阀门620，释能第十三管道4613上设有节流膨胀阀470与第九阀门6200。打开第二阀门620，关闭第九阀门6200时，释能第一管道461导通，打开第九阀门6200，关闭第二阀门620时，释能第十三管道4613导通。释能过程中，若选择导通释能第十三管道4613，从储液罐200流出的高压液态二氧化碳经过节流膨胀阀470进行膨胀降压，然后再流入蒸发器410中。

与仅通过升温来使二氧化碳从液态转变为气态相比，设置节流膨胀阀470进行降压有利于二氧化碳从液态转变为气态。

优选的，在使用节流膨胀阀470时，可以将蒸发器410与冷凝器370结合，将二者合并为一个部件，形成相变换热器。相变换热器中，包括蒸发部与冷凝部两部分，蒸发部与冷凝部之间通过管道连接，在相变换热器内部，将冷凝部冷凝时放出的热量转移至蒸发部。将蒸发器410与冷凝器370合并为一个部件后，热量转移在相变换热器内部完成，能够减少在热量转移时的损失，进一步提高能量利用率。需要说明的是，当储能与释能同时进行时，才能以上述方式实现热量转移，若不能同时运行，需要先将能量存储，待蒸发时再供给蒸发器410。

如前所述，释能过程中，从第三膨胀机443流出的二氧化碳经释能第十一管道4611流入释能冷却器450，通过释能冷却器450对其进行降温，使其温度能够达到储气库100的要求。在释能冷却器450进行降温换热时，会放出热量。优选的，在一些实施例中，这部分热量可以回收利用，供二氧化碳蒸发时使用，以减少能量浪费，提高能量利用率。

优选的，可以将二氧化碳冷凝时放出的热量与释能冷却器450放出的热量均供给蒸发器410使用。

具体的，可以将释能冷却器450、冷凝器370均与蒸发器410连接，将释能冷却器450降温换热时放出的热量，以及冷凝器370冷凝时放出的热量均转移至蒸发器410，供二氧化碳蒸发时使用。释能冷却器450与蒸发器410之间可以是直接连接，也可以通过其他部件间接连接。冷凝器370与蒸发器410之间可以是直接连接，也可以通过其他部件间接连接。直接连接时，二者之间仅有回收管路，间接连接时，还包括中间存储件。

例如，中间存储件为水池710，释能冷却器450与蒸发器410之间通过水池710实现热量转移。水池710与释能冷却器450之间设有第一回收管道720与第二回收管道730。水池710与蒸发器410之间设有第三回收管道740与第四回收管道750。水池710与冷凝器370之间设置第五回收管道760与第六回收管道770。水池710以及上述各个管道处设有保温材质，对其中的水进行保温。

打开第五阀门650与第六阀门660，水池710内的一部分水经第五回收管道760流动至冷凝器370处，吸收冷凝器370放出的热量，水温升高后，再经第六回收管道770流动至水池内。同时，水池710内的一部分水经第一回收管道720流动至释能冷却器450处，吸收释能冷却器450放出的热量，水温升高后，再经第二回收管道730流动至水池710内。

待蒸发时，打开第七阀门670，水池710内的温度较高的水经第三回收管道740流动至蒸发器410处，为二氧化碳的蒸发提供热量，流经蒸发器410后，水温降低，降温后的水再经第四回收管道750流动至水池内。

在上述过程中，除了使用水进行热量收集，也可以使用其他物质。

此外，在第一回收管道720、第二回收管道730、第三回收管道740、第四回收管道750、第五回收管道760与第六回收管道770上还设有循环泵等部件，用以实现水池710内水的循环流动。

在释能冷却器450与冷凝器370放出的热量不断传递至水池710中时，可能会使水池710内的水温不断增高，甚至蒸发。在蒸发器410不断吸收水池710内的热量时，可能会使水池710的水温不断降低，甚至结冰。因此，优选的，水池710为恒温状态。

具体的，水池处还连接有恒温控制器、温度传感器、加热器与散热器等部件。通过温度传感器监测水池内的水温，并将水温传至恒温控制器，若释能冷却器450与冷凝器370放出的热量使水温升高过多，超过最高设定值，则恒温控制器控制散热器对水池进行散热。若蒸发器410吸收的热量使水温降低过多，低于最低设定值，则恒温控制器控制加热器对水池进行加热。

在一些实施例中，也可以将冷凝器370放出的热量、释能冷却器450放出的热量、换热介质冷却器530放出的热量均供应给蒸发器410使用。具体设置方式与上述实施例类似，此处不再赘述。实际上，上述三处的热量可以单独供应，也可以其中任意两处一起供应。

优选的，可以在储气库100与储液罐200之间设置多组上述的储能组件300、释能组件400与换热组件500，每组均按照前述实施例中的方式设置。在使用时，若其中一组中的部件出现故障，还有其他组可以工作，可以降低该装置的故障停机率，提高其工作可靠性。

另外，在一些实施例中，还提供了一种基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能方法，在储能时，二氧化碳由气态变为液态，储能过程中完成能量的存储。释能时，二氧化碳由液态转变为气态，释能过程完成能量的释放。在释能时，通过外部热源补充能量，使得释能时有足够的能量对外做功。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，包括：

储气库，所述储气库用于存储气态二氧化碳，所述储气库的容积能够变化；

储液罐，所述储液罐用于存储液态二氧化碳；

储能组件，所述储能组件用于存储能量，所述储能组件设置于所述储气库与所述储液罐之间，二氧化碳经所述储能组件由气态转变为液态；

释能组件，所述释能组件设置于所述储气库与所述储液罐之间，所述释能组件包括多个膨胀释能部，所述膨胀释能部包括释能换热器、补充能量换热器与膨胀机，每个所述膨胀释能部中的所述释能换热器与所述膨胀机之间均设有所述补充能量换热器，所述膨胀机用于释放能量，二氧化碳经所述释能组件由液态转变为气态；

换热组件，所述储能组件、所述释能组件均与所述换热组件连接，所述换热组件能够将所述储能组件中产生的部分能量转移至所述释能组件中；

能量补充组件，所述能量补充组件包括外部热源，多个所述补充能量换热器均与所述外部热源连接，所述外部热源通过所述补充能量换热器向所述膨胀机补充能量。

2.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述能量补充组件还包括流入管路与流出管路，所述流入管路与所述流出管路内设有能量补充介质，多个所述补充能量换热器均通过所述流入管路与所述外部热源连接，所述能量补充介质经所述流入管路从所述外部热源流动至所述补充能量换热器，多个所述补充能量换热器均通过所述流出管路与所述外部热源连接，所述能量补充介质经所述流出管路从所述补充能量换热器流动至所述外部热源。

3.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，多个所述膨胀机同轴设置。

4.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述释能组件还包括蒸发器与释能冷却器，二氧化碳经所述蒸发器由液态转变为气态，所述释能冷却器用于对进入所述储气库的二氧化碳进行冷却，始端的所述膨胀释能部中的所述释能换热器与所述蒸发器连接，末端的所述膨胀释能部中的所述膨胀机与所述释能冷却器连接，每个所述膨胀释能部中的所述膨胀机与相邻的所述膨胀释能部中的所述释能换热器连接。

5.根据权利要求4所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述释能冷却器与所述蒸发器连接。

6.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述释能组件还包括蒸发器，所述外部热源与所述蒸发器连接。

7.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述换热组件包括储冷罐与储热罐，所述储冷罐与所述储热罐内设有换热介质，所述储冷罐、所述储热罐在所述储能组件与所述释能组件之间形成换热回路，所述换热介质能够在所述换热回路中流动，所述换热介质从所述储冷罐流动至所述储热罐时，能够存储所述储能组件产生的部分能量，所述换热介质从所述储热罐流动至所述储冷罐时，能够将存储的能量转移至所述释能组件。

8.根据权利要求7所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述储冷罐与所述储热罐之间设有辅助加热件，部分所述换热介质能够经所述辅助加热件加热后流入所述储热罐。

9.根据权利要求7所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述释能组件包括蒸发器，二氧化碳经所述蒸发器由液态转变为气态，所述换热组件还包括换热介质冷却器，所述换热介质冷却器用于对进入所述储冷罐的所述换热介质进行冷却，所述换热介质冷却器与所述蒸发器连接。

10.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述储能组件包括冷凝器与压缩储能部，所述压缩储能部至少设有一组，所述压缩储能部包括压缩机与储能换热器，每个所述压缩储能部中的所述储能换热器与所述压缩机连接，每个所述压缩储能部中的所述储能换热器与相邻的所述压缩储能部中的所述压缩机连接，始端的所述压缩储能部中的所述压缩机与所述储气库连接，末端的所述压缩储能部中的所述储能换热器与所述冷凝器连接，所述储液罐与所述冷凝器连接，所述换热组件与所述储能换热器连接，所述储能换热器能够将二氧化碳经所述压缩机压缩时产生的部分能量转移至所述换热组件。

11.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述释能组件包括节流膨胀阀与蒸发器，二氧化碳经所述蒸发器由液态转变为气态，所述节流膨胀阀位于所述储液罐与所述蒸发器之间，所述节流膨胀阀用于使经所述储液罐流出的二氧化碳降压；

所述储能组件包括冷凝器，二氧化碳经所述冷凝器由气态转变为液态，所述蒸发器与所述冷凝器连接。

12.根据权利要求1所述的基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能装置，其特征在于，所述储气库为柔性气膜储气库。

13.基于补充外部能量的CO₂气液相变的储能方法，其特征在于，包括储能步骤与释能步骤，

所述储能步骤中，二氧化碳由气态变为液态，并将部分能量存储于换热介质中；

所述释能步骤中，二氧化碳由液态变为气态，所述换热介质中存储的能量通过二氧化碳进行释放，且进行能量释放时，通过外部热源补充能量。

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