CN112985143B - 基于co2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，包括：储气库；储液罐；储能组件，储能组件包括冷凝器与至少两个压缩储能部，压缩储能部包括压缩机与储能换热器；释能组件，释能组件包括蒸发器与至少一个膨胀释能部，膨胀释能部包括释能换热器与膨胀机；换热组件，储能换热器、释能换热器均与换热组件连接，储能换热器能将储能组件产生的能量暂存至换热组件，释能换热器能接收换热组件暂存的能量；驱动组件，驱动组件包括能量输入件与第一驱动件，能量输入件吸收外部热能以驱动第一驱动件工作，第一驱动件用于驱动压缩机工作。通过该装置能将生产制造过程中产生的废热存储并再次利用，从而减少热能浪费，节约能源。

Description

基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置
技术领域
本发明涉及能源存储技术领域，特别是涉及基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置。
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，提升能源转换效率能够减少煤炭、石油等不可再生的传统能源消耗，带来显著的经济效益。利用高温废气余热、废汽废水余热和炉渣余热等来生产高压蒸汽发电已成为一项成熟技术。然而，针对地热、太阳能光热、生物质燃烧和垃圾焚烧等产生的热能，还需要进一步开发利用。
随着太阳能、风能等新能源的大规模使用，可以在一定程度上减缓传统能源的消耗，但其发电的间歇性和波动性特征会对电网造成一定的冲击。储能技术是解决这些问题的重要手段，对于能源系统的优化和调节具有重大意义。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，采用多余电力将二氧化碳进行压缩，把能量存储起来；当用电高峰期时，再将其释放，通过透平驱动发电机输出电力，从而有效利用电能，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，存在许多热能，如地热、太阳能光热、生物质燃烧、垃圾焚烧等产生的热能，这些热能通常被直接释放至环境中，造成了巨大的浪费。
发明内容
本发明提出一种基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，通过该装置能够将地热、光热、垃圾焚烧产生的热能、工业生产过程中产生的废热等外部能源进行利用，从而减少资源浪费，节约能源。
基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，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，所述储能组件包括冷凝器与至少两个压缩储能部，所述压缩储能部包括压缩机与储能换热器，所述压缩机用于压缩二氧化碳，所述冷凝器用于冷凝二氧化碳；
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，所述释能组件包括蒸发器与至少一个膨胀释能部，所述膨胀释能部包括释能换热器与膨胀机，所述蒸发器用于蒸发二氧化碳，所述膨胀机用于释放能量；
换热组件，所述储能换热器、所述释能换热器均与所述换热组件连接，所述储能换热器能够将所述储能组件产生的能量暂存至所述换热组件，所述释能换热器能够接收所述换热组件暂存的能量；
驱动组件，所述驱动组件包括能量输入件与第一驱动件，所述能量输入件吸收外部热能以驱动所述第一驱动件工作，所述第一驱动件用于驱动所述压缩机工作。
在其中一个实施例中，所述驱动组件还包括第二驱动件，所述第二驱动件能够与所述压缩机连接，当所述第一驱动件未启动时，所述第二驱动件能够驱动所述压缩机工作。
在其中一个实施例中，多个所述压缩储能部中的所述压缩机沿所述第一驱动件的输出轴的轴向分布。
在其中一个实施例中，所述驱动组件还包括驱动循环冷却器与驱动循环泵，所述能量输入件、所述第一驱动件、所述驱动循环冷却器与所述驱动循环泵间形成驱动循环回路，所述驱动循环回路内设有驱动介质，所述驱动循环泵用于驱动所述驱动介质在所述驱动循环回路内循环流动，所述驱动介质通过所述能量输入件吸收外部热能并驱动所述第一驱动件工作，所述驱动循环冷却器用于对流出所述第一驱动件的驱动介质进行冷却。
在其中一个实施例中，所述储能组件包括第一压缩机、第一储能换热器、第二压缩机、第二储能换热器，所述第一压缩机与所述储气库连接，所述第一储能换热器与所述第一压缩机连接，所述第二压缩机与所述第一储能换热器连接，所述第二储能换热器与所述第二压缩机连接，所述冷凝器与所述第二储能换热器连接，所述储液罐与所述冷凝器连接。
在其中一个实施例中，所述释能组件包括第一膨胀机、第二膨胀机、第一释能换热器、第二释能换热器与释能冷却器，所述蒸发器与所述储液罐连接，所述第一释能换热器与所述蒸发器连接，所述第一膨胀机与所述第一释能换热器连接，所述第二释能换热器与所述第一膨胀机连接，所述第二膨胀机与所述第二释能换热器连接，所述释能冷却器与所述第二膨胀机连接，所述储气库与所述释能冷却器连接，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。
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节流膨胀阀，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，所述蒸发器与所述冷凝器连接。
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，所述储气库为柔性气膜储气库。
上述基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，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。二氧化碳从储气库经过储能组件到达储液罐时，通过多个压缩机对流出储气库的二氧化碳进行多级压缩，压缩时，会使二氧化碳温度与压力升高，压力能被存储于二氧化碳中，热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。上述储能装置中，可以将生产制造过程中产生的废热供给能量输入件，以使第一驱动件工作，进而通过第一驱动件驱动压缩机进行工作，实现热能的回收，并在释能时将能量释放，从而减少热能浪费，节约能源。
附图说明
图1为本发明一实施例中的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置的结构示意图；
图2为图1中第一驱动件、第二驱动件与多个压缩机间的结构示意图；
图3为图1中本发明另一实施例中的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩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、冷凝器350、储能第一管道361、储能第二管道362、储能第三管道363、储能第四管道364、储能第五管道365、储能第六管道366；
释能组件400、蒸发器410、第一释能换热器420、第一膨胀机430、第二释能换热器440、第二膨胀机450、释能冷却器460、释能第一管道471、释能第二管道472、释能第三管道473、释能第四管道474、释能第五管道475、释能第六管道476、释能第七管道477、释能第八管道478、节流膨胀阀480、第一发电机491、第二发电机492；
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、换热第五管道545、换热第六管道546、换热第七管道547、换热第八管道548、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6200；
辅助加热件710、加热管道720；
驱动组件800、能量输入件810、第一驱动件820、驱动循环冷却器830、驱动循环泵840、第二驱动件850、驱动循环第一管道861、驱动循环第二管道 862、驱动循环第三管道863、驱动循环第四管道864。
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示出了本发明一实施例中的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置的结构示意图。本发明一实施例提供的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩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与驱动组件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。
具体的，储能组件300包括冷凝器350与至少两个压缩储能部，压缩储能部包括压缩机与储能换热器。二氧化碳流经压缩机时，通过压缩机对其进行压缩，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。压缩产生的热量随二氧化碳流经储能换热器时，通过储能换热器将能量转移至换热组件500处。冷凝器350用于对经过压缩后的二氧化碳进行冷凝，使其转变为液态，以存储至储液罐200内。
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。
具体的，释能组件400包括蒸发器410与至少一个膨胀释能部，膨胀释能部包括膨胀机与释能换热器。二氧化碳流经蒸发器410时进行蒸发，转变为气态，之后流经释能换热器时，能够吸收换热组件500处暂存的能量，并经膨胀机释放。
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，另一部分以热能形式存储于换热组件500中。在释能过程中，这部分能量被从热组件 500转移至释能组件400中，并通过二氧化碳将存储的所有能量释放出去。
驱动组件800与储能组件300中的压缩机连接，驱动组件800包括能量输入件810与第一驱动件820。能量输入件810与外部热源连接，能够吸收外部热源提供的热能。外部输入的热能能够驱动第一驱动件820工作，进而通过第一驱动件820驱动压缩机工作。
外部输入的热源可以是地热、光热、垃圾焚烧产生的热能、工业生产过程中产生的废热等能源。使用外部热源，可以减少能量浪费，且无需另外进行加热，能降低成本。
综上，驱动组件800中，通过能量输入件810吸收外部热能，从而驱动第一驱动件820工作，进而转化为机械能，并驱动压缩机工作。
本实施例中的储能装置，通过输入热能，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，将这部分能量释放出去，带动发电机产生电能。如此，可以减少能源浪费，还能减轻发电厂的发电负担。
本实施例中的储能装置，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。
一个储能换热器对应的与一个压缩机连接，可以将二者看作压缩储能部。在储气库100与冷凝器350之间设置多组依次相连的压缩储能部。如此，通过多级压缩来使二氧化碳逐渐增压。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350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。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。
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与冷凝器350等部件。第一压缩机310与储气库100之间通过储能第一管道361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362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363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364连接，冷凝器350与第二储能换热器340之间通过储能第五管道365连接，储液罐200与冷凝器350之间通过储能第六管道366连接。
换热组件500与第一储能换热器320、第二储能换热器340均连接，第一压缩机310与第二压缩机330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转移至换热组件500暂存。
上述结构中，设置了两级压缩，通过两级压缩来使二氧化碳逐渐增压。与一次压缩到位相比，两次压缩时，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多于两个，只要压缩机与储能换热器成套增加即可。
一个膨胀机对应的与一个释能换热器连接，可以将二者看作膨胀释能部。优选的，可以在蒸发器410与释能冷却器460之间设置多组依次相连的膨胀释能部。如此，对于膨胀机的叶片制造要求更低，相应的，成本也更低。其中，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460连接，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。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。若仅有一组膨胀释能部时，则始端与末端均为仅有的这一组膨胀释能部。
释能组件400包括蒸发器410、第一释能换热器420、第一膨胀机430、第二释能换热器440、第二膨胀机450、释能冷却器460等部件。蒸发器410与储液罐200之间通过释能第一管道471连接，第一释能换热器420与蒸发器410 之间通过释能第二管道472连接，第一膨胀机430与第一释能换热器420之间通过释能释能第三管道473连接，第二释能换热器440与第一膨胀机430之间通过释能第四管道474连接，第二膨胀机450与第二释能换热器440之间通过释能第五管道475连接，释能冷却器460与第二膨胀机450之间通过释能第六管道476连接，储气库100与释能冷却器460之间通过释能第七管道477连接。
换热组件500与第一释能换热器420、第二释能换热器440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420与第二释能换热器440转移至流经第一释能换热器420与第二释能换热器440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430与第二膨胀机450将能量释放出去。
释能组件400中，气态二氧化碳流过第一膨胀机430与第二膨胀机450时冲击叶片，推动转子转动，以实现能量输出，带动发电机进行发电。
上述结构中，设置了两个膨胀机，进行两次能量释放。设置两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，或者多于两个，只要膨胀机与释能换热器成套增减即可。
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，能够实现能量的收集与释放。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能量，换热介质从储热罐520流动至储冷罐510时，将此前吸收的能量再释放出去，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。
驱动组件800包括能量输入件810、第一驱动件820、驱动循环冷却器830 与驱动循环泵840等部件。能量输入件810、第一驱动件820、驱动循环冷却器 830与驱动循环泵840之间形成驱动循环回路，驱动循环回路内设有驱动介质。驱动循环泵840能够对驱动介质加压，相当于一个小规格的压缩机，驱动介质能够在驱动循环泵840的驱动下在驱动循环回路内循环流动。能量输入件810 与外部热源连接，且能量输入件810与驱动循环泵840之间通过驱动循环第一管道861连接。第一驱动件820与能量输入件810之间通过驱动循环第二管道 862连接，驱动循环冷却器830与第一驱动件820之间通过驱动循环第三管道 863连接，驱动循环泵840与驱动循环冷却器830之间通过驱动循环第四管道 864连接。
上述的驱动介质可以是二氧化碳、水蒸气或其他有机工质。驱动介质的选择与能量输入件810处连接的外部热源能够提供的温度高低有关。
第一驱动件820为透平，驱动介质经驱动循环泵840加压，并吸收外部热能后，高温高压的驱动介质流过透平的转子时冲击叶片，推动转子转动，从而驱动透平轴转动，以驱动第一压缩机310与第二压缩机330工作。
在上述过程中，通过输入的热能转换为机械能，驱动第一压缩机310与第二压缩机330工作，进而通过第一压缩机310与第二压缩机330对二氧化碳压缩，将其转换为压力能与压缩时产生的热能进行存储。
参阅图1与图2，图2示出了图1中第一驱动件、第二驱动件与多个压缩机间的结构示意图。由于驱动组件800中能量输入件810吸收外部热能并驱动第一驱动件820工作需要一定的时间，若驱动组件800与其他组件同时启动，刚启动时，第一驱动件820还无法驱动第一压缩机310与第二压缩机330。因此，还设有第二驱动件850，在装置刚开始运行时，通过第二驱动件850来驱动第一压缩机310与第二压缩机330进行压缩。待外部输入的热能能够驱动第一驱动件820工作时，再将第二驱动件850关闭，使用第一驱动件820来驱动第一压缩机310与第二压缩机330。
优选的，第一驱动件820、第二驱动件850、第一压缩机310与第二压缩机 330同轴设置，即第一驱动件820、第二驱动件850的输出轴共线，第一压缩机 310与第二压缩机330沿第一驱动件820、第二驱动件850的输出轴的轴向分布。如此，可以平衡轴向推力，减小轴向和径向振动，使整个装置运行时更加平稳，振动噪音也更小。
优选的，第一驱动件820、第二驱动件850、第一压缩机310与第二压缩机 330处均采用干气密封。
或者，可以在进行储能之前，提前使驱动组件800开始工作，当第一驱动件820能够工作时，再启动储能组件300等部件。如此，便可以无需设置第二驱动件850。
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、换热介质的定向流动。
在一些实施例中，还可以使流出第一压缩机310的二氧化碳分流，其中一部分流入第一储能换热器320；一部分流动至能量输入件810，经能量输入件810 吸收外部热能后，流入第一驱动件820，冲击其叶片，使其能够工作，再通过第一驱动件820驱动第一压缩机310工作。从第一驱动件820流出的二氧化碳经驱动循环冷却器830冷却后，与储气库100处流出的二氧化碳汇合，并流入第一压缩机310内。或者，也可以使流出第二压缩机330的二氧化碳分流，其中一部分流入第二储能换热器340；一部分流动至能量输入件810。
如此，则无需另外设置驱动介质，直接使用系统内的二氧化碳作为驱动介质即可，设置时更加方便。
进行储能时，打开第一阀门610、第三阀门630与第五阀门650，关闭第二阀门620与第四阀门640，并启动第二驱动件850与驱动循环泵840。通过驱动循环泵840对驱动介质进行加压，使其经驱动循环第一管道861流向能量输入件810，驱动介质通过能量输入件810吸收外部热能后温度升高。第一驱动件 820为透平，高温高压状态的驱动介质经驱动循环第二管道862流入第一驱动件 820，驱动介质冲击透平的叶片，推动转子转动，从而驱动透平轴转动，以驱动第一压缩机310与第二压缩机330工作。从第一驱动件820流出的驱动介质的温度与压力有所降低，但其温度仍然过高，因此，经驱动循环第三管道863流动至驱动循环冷却器830，通过驱动循环冷却器830对其进行冷却降温，使其达到驱动循环泵840入口的温度要求。经驱动循环冷却器830降温后，驱动介质经驱动循环第四管道864再次进入驱动循环泵840。重复上述过程，便能持续为第一压缩机310与第二压缩机330输出动力。
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 361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362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363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364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。实现换热后，高压的气态二氧化碳经储能第五管道365流动至冷凝器350，经冷凝器350进行冷凝，转变为液态二氧化碳。液态二氧化碳经储能第六管道 366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、第三阀门630。高压的液态二氧化碳从储液罐200中流出，经释能第一管道471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 472流动至第一释能换热器420。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420转移至流经第一释能换热器420的二氧化碳，二氧化碳吸收这部分热量，温度升高。高温的气态二氧化碳经释能第三管道473流动至第一膨胀机430，在第一膨胀机430内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动第一发电机491进行发电。二氧化碳从第一膨胀机430流出后，经释能第四管道474 流动至第二释能换热器440。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440转移至流经第二释能换热器440的二氧化碳，二氧化碳吸收这部分热量，温度升高。高温的气态二氧化碳经释能第五管道475流动至第二膨胀机450，在第二膨胀机450内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动第二发电机 492进行发电。
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，从第二膨胀机450流出的二氧化碳经释能第六管道476流入释能冷却器460，通过释能冷却器460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七管道477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中的热能汇入高压的二氧化碳中，二氧化碳在第一膨胀机430与第二膨胀机450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，打开换热介质循环泵550、换热介质循环泵551、第三阀门630及第四阀门640，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，一部分流入换热第一管道541，一部分流入换热第三管道543。换热第一管道541内的换热介质流动至第二储能换热器340进行换热，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，并经换热第二管道542流入储热罐520，热量被暂存于储热罐520内。换热第三管道543内的低温换热介质流动至第一储能换热器320进行换热，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，并经换热第四管道544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，一部分流入换热第五管道 545，一部分流入换热第七管道547。换热第五管道545内的换热介质流动至第二释能换热器440进行换热，将热量传递给流经第二释能换热器440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六管道546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六管道546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。
换热第七管道547内的换热介质流动至第一释能换热器420进行换热，将热量传递给流经第一释能换热器420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八管道548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八管道548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、第五阀门650全部打开，储能与释能同时进行。
优选的，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地热、光热、垃圾焚烧产生的热能、工业生产过程中产生的废热等。使用外部热源，可以减少能量浪费，且无需另外进行加热，能降低成本。
进一步的，在一些实施例中，储能过程中，经过冷凝器350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350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350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350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。
参阅图3，示出了本发明另一实施例中的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置的结构示意图。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471与释能第八管道478，释能第一管道471上设有第二阀门620，释能第八管道478上设有节流膨胀阀480与第七阀门6200。打开第二阀门620，关闭第七阀门6200时，释能第一管道471导通，打开第七阀门6200，关闭第二阀门620时，释能第八管道478导通。释能过程中，若选择导通释能第八管道478，从储液罐200流出的高压液态二氧化碳经过节流膨胀阀480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480 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480时，可以将蒸发器410与冷凝器350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350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，从第二膨胀机450流出的二氧化碳经释能第六管道476流入释能冷却器460，通过释能冷却器460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460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460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460、冷凝器350均与蒸发器410连接，将释能冷却器460降温换热时放出的热量，以及冷凝器350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460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350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。
例如，释能冷却器460与蒸发器410之间通过水池实现热量转移。水池与释能冷却器460之间设有第一回收管道与第二回收管道。水池与蒸发器410之间设有第三回收管道与第四回收管道。水池与冷凝器350之间设置第五回收管道与第六回收管道。水池以及上述各个管道处设有保温材质，对其中的水进行保温。
水池内的一部分水经第五回收管道流动至冷凝器350处，吸收冷凝器350 放出的热量，水温升高后，再经第六回收管道流动至水池内。同时，水池内的一部分水经第一回收管道流动至释能冷却器460处，吸收释能冷却器460放出的热量，水温升高后，再经第二回收管道流动至水池内。
待蒸发时，水池内的温度较高的水经第三回收管道流动至蒸发器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、第二回收管道、第三回收管道、第四回收管道、第五回收管道与第六回收管道上还设有循环泵等部件，用以实现水池内水的循环流动。
在释能冷却器460与冷凝器350放出的热量不断传递至水池中时，可能会使水池内的水温不断增高。在蒸发器410不断吸收水池内的热量时，可能会使水池的水温不断降低。因此，优选的，水池为恒温状态。
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460与冷凝器350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350放出的热量、释能冷却器460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。
当然，若将上述三处的热量均供应给蒸发器410后仍存在不足，可以使用外部热源补充热量。具体的，使用外部热源补充热量时，可以直接将热量补充至蒸发器410。或者，也可以将热量补充至换热回路的换热介质中。
将热量补充至蒸发器410时，直接将外部热源与蒸发器410连接即可。
将热量补充至换热回路的换热介质中时，可以在储冷罐510与储热罐520 之间设置加热管道720，加热管道720上设置辅助加热件710。打开第六阀门660，从储冷罐510中流出的一部分换热介质经加热管道720流动至辅助加热件710，辅助加热件710对这部分换热介质进行加热，使其吸收外部热量，可以使到达换热介质冷却器530处的热量增加，即能够提供给蒸发器410的热量增加。
优选的，辅助加热件710处的热量来源可以是一些废热，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，可以是一些化工厂进行化学反应时放出的热量。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。
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、换热组件500与驱动组件800，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。
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 (11)

1.基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，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，所述储能组件包括冷凝器与至少两个压缩储能部，所述压缩储能部包括压缩机与储能换热器，所述压缩机用于压缩二氧化碳，所述冷凝器用于冷凝二氧化碳；
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，所述释能组件包括蒸发器与至少一个膨胀释能部，所述膨胀释能部包括释能换热器与膨胀机，所述蒸发器用于蒸发二氧化碳，所述膨胀机用于释放能量；
换热组件，所述储能换热器、所述释能换热器均与所述换热组件连接，所述储能换热器能够将所述储能组件产生的能量暂存至所述换热组件，所述释能换热器能够接收所述换热组件暂存的能量；
驱动组件，所述驱动组件包括驱动循环冷却器、驱动循环泵、能量输入件与第一驱动件，所述能量输入件、所述第一驱动件、所述驱动循环冷却器与所述驱动循环泵间形成驱动循环回路，所述驱动循环回路内设有驱动介质，所述驱动循环泵用于驱动所述驱动介质在所述驱动循环回路内循环流动，所述驱动介质通过所述能量输入件吸收外部热能以驱动所述第一驱动件工作，所述第一驱动件用于驱动所述压缩机工作，所述驱动循环冷却器用于对流出所述第一驱动件的驱动介质进行冷却。
2.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，所述驱动组件还包括第二驱动件，所述第二驱动件能够与所述压缩机连接，当所述第一驱动件未启动时，所述第二驱动件能够驱动所述压缩机工作。
3.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，多个所述压缩储能部中的所述压缩机沿所述第一驱动件的输出轴的轴向分布。
4.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，所述储能组件包括第一压缩机、第一储能换热器、第二压缩机、第二储能换热器，所述第一压缩机与所述储气库连接，所述第一储能换热器与所述第一压缩机连接，所述第二压缩机与所述第一储能换热器连接，所述第二储能换热器与所述第二压缩机连接，所述冷凝器与所述第二储能换热器连接，所述储液罐与所述冷凝器连接。
5.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，所述释能组件包括第一膨胀机、第二膨胀机、第一释能换热器、第二释能换热器与释能冷却器，所述蒸发器与所述储液罐连接，所述第一释能换热器与所述蒸发器连接，所述第一膨胀机与所述第一释能换热器连接，所述第二释能换热器与所述第一膨胀机连接，所述第二膨胀机与所述第二释能换热器连接，所述释能冷却器与所述第二膨胀机连接，所述储气库与所述释能冷却器连接，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。
6.根据权利要求5所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，所述释能冷却器与所述蒸发器连接。
7.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，所述释能组件还包括节流膨胀阀，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，所述蒸发器与所述冷凝器连接。
8.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，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。
9.根据权利要求8所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，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8所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，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。
11.根据权利要求1所述的基于CO2气液相变的热能转化机械能多级压缩储能装置，其特征在于，所述储气库为柔性气膜储气库。
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