CN112985144B - 基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二氧化碳气液相变的储能装置与方法。基于二氧化碳气液相变的储能装置包括：储气库；储液罐；储能组件，设于储气库与储液罐之间，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，设于储气库与储液罐之间，释能组件包括蒸发器、释能冷却器、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；换热组件，包括储冷罐、储热罐与热量回收换热器，储冷罐、储热罐在储能换热器与释能换热器间形成换热回路，换热介质能在换热回路中流动；冷凝器、释能冷却器、热量回收换热器中，至少有一个与蒸发器连接。通过该装置存储与释放能量时，能减少能量浪费，提高能量利用率。
Description
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二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置及方法。
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高，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。由于新能源的间歇性与波动性特点，直接并网会对电网造成一定的冲击，同时用户使用电能的时间与可再生能源产生电能的时间很难保持一致性。因此电能的存储对于能源系统的优化和调节具有重大意义。
储能系统通常使用介质或设备把电能存储起来并在需要时进行释放，基于二氧化碳气液相变的压缩储能装置是以二氧化碳为储能介质进行电能的存储。其主要原理是在储能时，利用压缩机将二氧化碳进行压缩，然后液化，电能以高压液态二氧化碳和热能的形式存储起来；释能时，高压的液态二氧化碳被释放气化再采用压缩时存储的热能加热进入膨胀机中做功，带动发电机输出电能。然而，目前的一些储能设备中，在存储与释放能量过程中，存在较多的能量浪费，能量利用率较低。
发明内容
基于此，本发明提出一种基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，通过该装置进行存储与释放能量时，能够减少存储与释放过程中的能量浪费，提高能量利用率。
基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，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、释能冷却器、至少一个膨胀释能部，所述膨胀释能部包括膨胀机与释能换热器，所述蒸发器用于蒸发二氧化碳，所述膨胀机用于释放能量，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；
换热组件，所述换热组件包括储冷罐、储热罐与热量回收换热器，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换热器与所述释能换热器之间形成换热回路，所述换热介质能够在所述换热回路中流动；
所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器中，至少有一个与所述蒸发器连接，以向所述蒸发器提供能量。
在其中一个实施例中，所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器均与所述蒸发器连接。
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。
在其中一个实施例中，所述蒸发器与所述冷凝器能够合并以形成相变换热器。
在其中一个实施例中，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。
在其中一个实施例中，每个所述膨胀释能部中的所述膨胀机与所述释能换热器连接，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，所述蒸发器与所述储液罐连接，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，所述储气库与所述释能冷却器连接，所述换热组件与所述释能换热器连接。
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，还包括外部热源，所述外部热源与所述蒸发器连接。
在其中一个实施例中，还包括热量回收组件，所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器中，至少有一个通过所述热量回收组件与所述蒸发器连接。
在其中一个实施例中，所述热量回收组件包括中间存储件与回收管路，所述中间存储件与所述蒸发器之间通过部分所述回收管路连接，所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器中，至少有一个能够经部分所述回收管路到达所述中间存储件。
在其中一个实施例中，所述储气库为柔性气膜储气库。
上述基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，储气库中气态的二氧化碳经储能组件流向储液罐的过程中，完成能量的存储，储液罐中液态的二氧化碳经释能组件流向储气库的过程中，完成能量的释放。在储能组件中，通过压缩机对二氧化碳压缩时，会使二氧化碳温度升高，将一部分能量转变为热能，换热介质从储冷罐流向储热罐时，经储能换热器吸收这部分热能。换热介质从储热罐流向储冷罐时，经释能换热器将这部分热能转移至流经释能换热器的二氧化碳中，进而通过膨胀机释放出去。热量回收换热器将换热介质中暂存的多余的部分热量，释能冷却器对进入储气库的二氧化碳冷却时放出的热量，冷凝器冷凝时放出的热量中，至少有一处热量供给液态二氧化碳在蒸发器蒸发时使用，因此，可以将储能与释能过程中产生的多余能量进行回收利用，减少能量浪费，提高能量利用率。
本发明还提出一种基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能方法，能够减少存储与释放过程中的能量浪费，提高能量利用率。
基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能方法，包括储能步骤与释能步骤，
所述储能步骤中，多次压缩二氧化碳，并使二氧化碳冷凝为液态，压缩二氧化碳时产生的部分能量通过换热介质暂存；
所述释能步骤中，二氧化碳蒸发为气态后，所述换热介质中暂存的能量通过二氧化碳释放；
存储于换热介质中的部分能量、冷凝时产生的能量、对完成能量释放后的二氧化碳进行冷却时产生的能量中，至少有一处能量供二氧化碳蒸发时使用。
在其中一个实施例中，所述释能步骤和所述储能步骤同时进行。
上述基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能方法，二氧化碳冷凝时会放出热量，存储于换热介质中未在释能步骤中释放出去的部分热量，释能步骤中通过二氧化碳完成能量释放后，要对二氧化碳进行降温冷却，冷却时会放出热量，将前述的三处的热量中，至少一处供二氧化碳蒸发时使用。通过能量回收利用，可以减少能量浪费，提高能量利用率。
附图说明
图1为本发明一实施例中的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例中的基于二氧化碳气液相变的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、第一电动机371、第二电动机372；
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、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550、换热第一管道561、换热第二管道562、换热第三管道563、换热第四管道564、换热第五管道565、换热第六管道566、换热第七管道567、换热第八管道568、换热介质第一循环泵570、换热介质第二循环泵571；
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690、第十阀门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、第七回收管道780、第八回收管道790；
辅助加热件810、加热管道820。
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二氧化碳气液相变的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二氧化碳气液相变的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等部件。
本实施例中的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，能够在用电低谷期时，通过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。
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、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。每个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，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。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。
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。冷凝过程中，会放出热量。冷凝器350可以与蒸发器410连接，以将冷凝时放出的热量供应给蒸发器410。
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、释能冷却器460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。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460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。
液态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。完成释能后，二氧化碳温度与压力均降低，但其温度仍高于储气库100的要求，因此，需要再通过释能冷却器460对其进行冷却，冷却时会放出热量。释能冷却器460可以与蒸发器410连接，以将冷却放出的热量供应给蒸发器410。
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，这部分能量被换热组件500转移至释能组件400中，并通过膨胀机将存储的所有能量释放出去。
具体的，换热组件500包括储冷罐510、储热罐520与热量回收换热器等部件。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在储能换热器与释能换热器之间形成换热回路，换热介质能够在换热回路内循环流动，以实现能量转移。上述的换热介质可以根据具体情况选用。例如，可以选用熔融盐或饱和水等物质。
具体的，换热回路包括换热回路第一段与换热回路第二段。储能换热器设置于换热回路第一段上，释能换热器与热量回收换热器设置于换热回路第二段上。换热介质从储冷罐510流经储能换热器到达储热罐520时，能够吸收储能过程中产生的热量。换热介质从储热罐520流经释能换热器到达储冷罐510时，换热介质吸收的部分能量释放至流经释能换热器的二氧化碳中，部分能量流动至热量回收换热器，可以通过热量回收换热器转移至蒸发器410，供蒸发时使用。
本实施例中的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置中，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。
本实施例中的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置中，在上述的储能与释能过程中，冷凝器350、释能冷却器460与热量回收换热器处均会产生热量，这些部件中，至少一处与蒸发器410连接，以将热量回收利用，使这些热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。
进一步的，可以将冷凝器350、释能冷却器460与热量回收换热器均与蒸发器410连接，为蒸发时提供热量。
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转移至换热介质中暂存。
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。
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，通过第一膨胀机430与第二膨胀机450将能量释放出去，带动发电机进行发电。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。
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、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550等部件。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。
换热介质从储冷罐510流动至储热罐520时，吸收储能过程中的部分热量，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。
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。
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361流动至第一压缩机310，电网输出的多余电力通过第一电动机371带动第一压缩机310工作。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，电网输出的多余电力通过第二电动机372带动第二压缩机330工作，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。
上述过程中，通过电网输出的多余电力带动第一压缩机310与第二压缩机330工作，实现能量输入。通过第一压缩机310与第二压缩机330两次压缩二氧化碳之后，输入的电能一部分以压力能形式存储于高压二氧化碳中，并进入储液罐200，一部分电能以热能形式存储于换热介质中。即储能过程中，输入的电能以压力能与热能形式存储。
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。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，存储于换热介质中的热能汇入二氧化碳中，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，储能时打开换热介质第一循环泵570，释能时打开换热介质第二循环泵571，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，能量以热量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561，一部分流入换热第三管道563。换热第一管道561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562流入储热罐520，热量被暂存于储热罐520内。换热第三管道563内的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564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565，一部分流入换热第七管道567。换热第五管道565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566流动至第二热量回收换热器550，将剩余的部分热量通过第二热量回收换热器550传递至蒸发器410，供蒸发时使用。虽然经过两次换热后，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567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568流动至第一热量回收换热器540，将剩余的部分热量通过第一热量回收换热器540传递至蒸发器410，供蒸发时使用。虽然经过两次换热后，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。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，电网电力可通过第一电动机371带动第一压缩机310工作。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，电力通过第二电动机372带动第二压缩机330工作，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。同时，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。此过程中发电透平的转速可控，能够稳定发电输出频率，有利于电网调频。
如前所述，冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550均与蒸发器410连接，将这些部件处产生的热量均转移至蒸发器410，供蒸发时使用，以减少能量浪费，提高能量利用率。
需要说明的是，释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550与蒸发器410连接，可以是直接连接，也可以通过其他部件间接连接。当释能与储能同时进行时，冷凝器350与蒸发器410连接，可以是直接连接，也可以通过其他部件间接连接。若不同时进行，则需要先将冷凝器350放出的热量收集，待释能时，再供给蒸发器410。
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与第十阀门6200。打开第二阀门620，关闭第十阀门6200时，释能第一管道471导通，打开第十阀门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。
在一些实施例中，还设有热量回收组件，冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550中，至少有一个通过热量回收组件与蒸发器410连接。
具体的，前述的热量回收组件可以仅包括回收管路，冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550中，至少有一个通过回收管路与蒸发器410连接。需要说明的是，回收管路可以有多个，当上述冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550中，有两个或三个的热量均被回收时，冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550分别通过部分回收管路与蒸发器410连接。
或者，前述的热量回收组件可以包括回收管路与中间存储件，蒸发器410与中间存储件之间通过部分回收管路连接，冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550中，至少有一个通过部分回收管路与中间存储件连接。
具体的，可以选用水池710作为中间存储件，水池710与释能冷却器460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350之间设有第五回收管道760与第六回收管道770。水池710与第一热量回收换热器540之间设有第七回收管道780与第八回收管道790。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。
若储能与释能同时进行，同时打开第五阀门650、第六阀门660、第七阀门670与第八阀门680。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730流动至水池710内。同时，水池710内的一部分水经第五回收管道760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770流动至水池710内。同时，水池710内的一部分水经第七回收管道780流动至第一热量回收换热器540处，吸收第一热量回收换热器540放出的热量，水温升高后，再经第八回收管道790流动至水池710内。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710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。
第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550这两处与水池710的连接结构及热量转移方式均相同，故此处不再赘述第二热量回收换热器550与水池710的连接结构。
此外，在上述各个管道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460与冷凝器350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。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。因此，优选的，水池710为恒温状态。
具体的，水池710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710内的水温，并将水温传至恒温控制器，若冷凝器350、释能冷却器460、第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550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710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710进行加热。
若将上述四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。
参阅图2，示出了本发明另一实施例中的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置的结构示意图。若将热量补充至换热回路的换热介质中，可以在储冷罐510与储热罐520之间设置加热管道820，加热管道820上设置辅助加热件810。打开第九阀门690，从储冷罐510中流出的一部分换热介质经加热管道820流动至辅助加热件810，辅助加热件810对这部分换热介质进行加热，使其吸收外部热量，可以使到达第一热量回收换热器540、第二热量回收换热器550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810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。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。
或者，一些实施例中，也可以使外部热源与蒸发器410直接连接，直接对蒸发器410补充供热。
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，还提供了一种基于二氧化碳气液相变的储能方法，在储能时，经过多次压缩使二氧化碳增压，并使增压后的二氧化碳冷凝，转变为液态，压缩时产生的部分能量通过换热介质进行暂存。待释能时，二氧化碳蒸发，转变为气态，此前储能时暂存于换热介质中的能量通过二氧化碳进行释放。其中，冷凝时产生的能量、对完成释能的二氧化碳冷却时产生的能量，以及存储于换热介质中的部分能量中，至少有一处能回收利用，二氧化碳蒸发时，可以利用这部分能量。因此，可以减少储能与释能过程中的能量浪费，提高能量利用率。
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 (10)
1.基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，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，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；
释能组件，所述释能组件包括蒸发器、释能冷却器、至少一个膨胀释能部，所述膨胀释能部包括膨胀机与释能换热器，所述蒸发器用于蒸发二氧化碳，所述膨胀机用于释放能量，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，每个所述膨胀释能部中的所述膨胀机与所述释能换热器连接，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，所述蒸发器与所述储液罐连接，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，所述储气库与所述释能冷却器连接；
换热组件，所述换热组件包括储冷罐、储热罐与热量回收换热器，所述热量回收换热器设置于所述释能换热器与所述储冷罐之间，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换热器与所述释能换热器之间形成换热回路，所述换热介质能够在所述换热回路中流动，所述储能换热器与所述释能换热器均设置于所述换热回路上，所述换热介质从所述储冷罐流经所述储能换热器到达所述储热罐时，能够吸收储能过程中产生的热量，所述换热介质从所述储热罐流经所述释能换热器到达所述储冷罐时，所述换热介质吸收的部分能量释放至流经所述释能换热器的二氧化碳中，部分流量流动至所述热量回收换热器；
所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器均与所述蒸发器连接，以向所述蒸发器提供能量。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，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。
3.根据权利要求2所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，其特征在于，所述蒸发器与所述冷凝器能够合并以形成相变换热器。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，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。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，其特征在于，还包括外部热源，所述外部热源与所述蒸发器连接。
6.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，其特征在于，还包括热量回收组件，所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器中，至少有一个通过所述热量回收组件与所述蒸发器连接。
7.根据权利要求6所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，其特征在于，所述热量回收组件包括中间存储件与回收管路，所述中间存储件与所述蒸发器之间通过部分所述回收管路连接，所述冷凝器、所述释能冷却器、所述热量回收换热器中，至少有一个能够经部分所述回收管路到达所述中间存储件。
8.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置，其特征在于，所述储气库为柔性气膜储气库。
9.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置的储能方法，其特征在于，包括储能步骤与释能步骤，
所述储能步骤中，多次压缩二氧化碳，并使二氧化碳冷凝为液态，压缩二氧化碳时产生的部分能量通过换热介质暂存，从储冷罐中流出的一部分低温换热介质流经第二储能换热器换热，吸收被第二次压缩后的二氧化碳的热量，吸热后这部分换热介质温度升高，并流入储热罐内；从所述储冷罐中流出的一部分低温换热介质流经第一储能换热器换热，吸收被第一次压缩后的二氧化碳的热量，吸热后换热介质的温度升高，并流入所述储热罐；
所述释能步骤中，二氧化碳蒸发为气态后，所述换热介质中暂存的能量通过二氧化碳释放，从所述储热罐内流出后的一部分高温换热介质流经第二释能换热器，将热量传递给流经所述第二释能换热器的二氧化碳，换热后温度降低的换热介质流动至第二热量回收换热器，换热介质剩余的部分热量通过所述第二热量回收换热器传递至蒸发器；从所述储热罐内流出后的一部分高温换热介质流经第一释能换热器，将热量传递给流经所述第一释能换热器的二氧化碳，换热后温度降低的换热介质流动至第一热量回收换热器，换热介质剩余的部分热量通过所述第一热量回收换热器传递至所述蒸发器；
到达所述第二热量回收换热器与所述第一热量回收换热器的部分能量、冷凝时产生的能量、对完成能量释放后的二氧化碳进行冷却时产生的能量，均供二氧化碳蒸发时使用。
10.根据权利要求9所述的基于二氧化碳气液相变的多级压缩储能装置的储能方法，其特征在于，所述释能步骤和所述储能步骤同时进行。
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