CN113446079A - 一种二氧化碳余热发电储能系统 - Google Patents
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Abstract
一种二氧化碳余热发电储能系统，包括二氧化碳储液罐、二氧化碳储气装置、储能组件、释能组件、高压液泵以及节流装置；所述高压液泵安装在二氧化碳储液罐的出口；所述储能组件包括第一冷却器、第二冷却器、第一压缩机和第二压缩机；所述释能组件包括第一加热器、第二加热器、第一膨胀机组、第二膨胀机组；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外部冷源直接被散到环境中。待释能时，二氧化碳蒸发，转变为气态，此过程中，利用工业或者电力余热给二氧化碳提供热源，使二氧化碳蒸发，在膨胀机内膨胀并对外做功，该部分利用的高品质的余热，能够极大的提高发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳储能技术领域，具体涉及一种二氧化碳余热发电储能系统。
背景技术
随着节能减排得到越来越多国家重视，储能技术作为一种平滑可再生能源波动、实现传统电力系统调峰调频、提升可再生能源并网灵活性的重要手段，得到了快速的发展。目前，传统的储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能和电化学储能，其中抽水蓄能技术依赖特定的地质条件，需要足够水源；压缩空气储能，储能效率低，能量密度低；电化学储能等存在规模等级等局限。
二氧化碳由于其临界压力相对适中(7.38MPa，31℃)，稳定性好，存量丰富；在超临界状态下与普通惰性气体相比具有密度大的优势，可以有效减小动力循环中设备的尺寸；二氧化碳具有较好的稳定性和物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，将其应用在储能领域极具前景。
综上，亟需一种新的二氧化碳余热发电储能及其应用。
发明内容
因此，本发明提供一种二氧化碳余热发电储能系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题，本发明能够充分利用现有余热资源，实现最优配合，实现多级能量存储与释放，灵活地进行移峰填谷。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种二氧化碳余热发电储能系统，包括二氧化碳储液罐、二氧化碳储气装置、储能组件、释能组件、高压液泵以及节流装置；所述高压液泵安装在二氧化碳储液罐的出口；所述储能组件包括第一冷却器、第二冷却器、第一压缩机和第二压缩机；所述第一压缩机的进口与二氧化碳储气装置的出口连通；所述第一压缩机的出口与第一冷却器的进口相连通；第一冷却器的出口与节流装置进口连通；节流装置出口与所述第二压缩机的进口连通；所述第二压缩机的出口与第二冷却器的进口相连通；第二冷却器的出口与二氧化碳储液罐进口连通；通过以上连通完成了热量存储，即上述各部件构成储能部分；所述释能组件包括第一加热器、第二加热器、第一膨胀机组、第二膨胀机组；所述第一加热器的进口与高压液泵的出口连通；第一加热器的出口与第一膨胀机组的入口连通；第一膨胀机组的出口与第二加热器的进口相连通，第二加热器的出口与第二膨胀机组的进口连通，第二膨胀机组的出口与二氧化碳储气装置的入口连通；通过以上连通完成了热量供给，即上述各部件构成释能部分。
进一步地，所述所有压缩机均外接有电动机；压缩机用于压缩二氧化碳，其消耗的能量是用电低峰期电网富余电能或可再生能源产生的电能。
进一步地，所述所有冷却器为双冷源换热器，压缩机过程中产生的热量传递二氧化碳流经冷却器时，与外部冷源介质进行热交换，然后通过外部冷源将压缩机工作过程中产生的低品热量放到环境中。
进一步地，所述所有膨胀机组均外接有发电机;在释能阶段通过膨胀机做功带动发电机产生电能用来补充用电高峰期电网供电。
进一步地，所述加热器为双冷源换热器，高压低温的二氧化碳流经冷却器时，在冷却器中由工业或者电力的高品质余热给二氧化碳工质提供蒸发的热量，高压低温的二氧化碳变为高温高压的二氧化碳，然后进入膨胀机，在膨胀机内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。
进一步地，所述二氧化碳储气装置是一个容积可变的储气袋，储存常温常压的二氧化碳。
进一步地，所述储能组件包括至少两组压缩机和与压缩机一一对应的冷却器，所述冷却器安装在压缩机的出口与下一组压缩机的进口之间；所述首端的压缩机的进口与二氧化碳储气装置连通，末端的压缩机出口与末端压缩机对应的冷却器进口连通，与末端对应的冷却器出口与二氧化碳储液罐连通；这样，储能过程中通过电动机驱动多级压缩机来逐级压缩二氧化碳，并在每级压缩后进行逐级降温，使二氧化碳逐渐增压降温液化后储存在二氧化碳储液罐。
进一步地，所述释能组件包括至少两组膨胀机和与膨胀机一一对应的加热器；所述加热器安装在对应膨胀机的进口，首端加热器进口与高压液泵出口连通；末端膨胀机的出口与二氧化碳储气装置连通，这样释能过程中采用多级膨胀机膨胀对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。
进一步地，所述节流装置安装在所述首端冷却器的出口。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：本发明二氧化碳余热发电储能系统采用超临界二氧化碳作为循环介质，结合相变传热技术，能够降低传热温差，提高储能效率；另外本系统充分利用现有余热资源，实现最优配合，具有规模大、效率高、成本低、环保等优点，能够将可再生能源发出的不稳定电能转化为稳定、可控的优质电能、有效解决弃风、弃光问题，实现可再生能源发电大规模消纳。同时，可实现电力调峰、调频、调相、电压支持、旋转备用、应急响应等储能服务，提升电力系统效率、稳定性、安全性。
附图说明
图1为本发明二氧化碳余热发电储能系统第一种原理示意图。
图2为本发明二氧化碳余热发电储能系统第二种原理示意图。
图中：1、二氧化碳储液罐；2、二氧化碳储气装置；31、第一冷却器；32、第二冷却器；3n、第n冷却器；41、第一加热器；42、第二加热器；4m、第m加热器；51、第一膨胀机组；52、第二膨胀机组；5m、第m膨胀机组；61、第一压缩机；62、第二压缩机；6n、第n压缩机器；7、高压液泵；8、节流装置。
具体实施方式
下面用实施例来进一步说明本发明，以下所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
请参考图1所示，本发明二氧化碳余热发电储能系统包括二氧化碳储液罐1、二氧化碳储气装置2、储能组件、释能组件、高压液泵7以及节流装置8；所述储能组件包括第一冷却器31、第二冷却器32、第一压缩机61、第二压缩机62；所述释能组件包括第一加热器41、第二加热器42、第一膨胀机组51、第二膨胀机组52。
所述第一压缩机61的进口与二氧化碳储气装置2的出口连通；所述第一压缩机61的出口与第一冷却器31的D进口相连通；第一冷却器31的C出口与节流装置8进口连通；节流装置8出口与所述第二压缩机62的进口连通；所述第二压缩机62的出口与第二冷却器32的D进口相连通；第二冷却器32的C出口与二氧化碳储液罐1进口连通；通过以上连通完成了热量存储。上述各部件构成储能部分。
所述二氧化碳储液罐1出口与高压液泵7进口连通，高压液泵7的出口与第一加热器41的A进口连通，第一加热器41的B出口与第一膨胀机组51的入口连通；第一膨胀机组51的出口与第二加热器42的A进口相连通，第二加热器42的B出口与第二膨胀机组52的进口连通，第二膨胀机组52的出口与二氧化碳储气装置2的入口连通；通过以上连通完成了热量供给。上述各部件构成释能部分。
所述第一压缩机61和第二压缩机62均外接有电动机。在此储能过程中，压缩机用于压缩二氧化碳，其消耗的能量可以是用电低峰期电网富余电能或可再生能源产生的电能。
所述第一冷却器31的AB通道和第二冷却器32的AB通道分别与外部冷源连通；冷凝器的外部冷源可以是风冷、水冷、或者其他冷的介质，用于冷却压缩机压缩后的二氧化碳工质。
所述第一膨胀机组51和第二膨胀机组52均外接有发电机;在释能阶段通过膨胀机做功带动发电机产生电能用来补充用电高峰期电网供电。
所述第一加热器41的CD通道和第二加热器42的CD通道分别与外部的余热热源连通；余热热源可以来自热电厂、钢厂、水泥厂、化工厂、核电厂等的余热或者有热源的可再生能源。
所述二氧化碳储气装置2是一个容积可变的储气袋，储存常温常压的二氧化碳，储气袋可以是弹性或者非弹性的薄膜气囊。当有二氧化碳充入时，二氧化碳储气装置2的容积增大，当有二氧化碳流出时，二氧化碳储气装置2的容积减小，以此来实现二氧化碳储气装置2内压力的恒定。
这样，本发明实施例的二氧化碳余热发电储能系统采用二氧化碳储液罐1和二氧化碳储气装置2，分别用于储存高压二氧化碳液体和常温常压二氧化碳气体，从而使系统形成一个封闭的储能系统，一方面二氧化碳工质可以循环利用，另一方面避免了向环境排放温室气体。二氧化碳仅在气态与液态之间转变，在二氧化碳储气装置2中，二氧化碳处于常温常压的气态，相较于常规的通过超临界二氧化碳进行储能释能，本实施例中对于二氧化碳储气装置2的要求较低，无需设置结构较为复杂的低压液态储存装置，一定程度上能够降低成本。
请参考图2所示，本发明二氧化碳余热发电储能系统，与图1相比，所述储能组件包括多个压缩机61~6n、与压缩机61~6n一一对应的冷却器31~3n，其中n≥2；所述释能组件包括多组膨胀机组51~5m、与膨胀机一一对应的加热器41~4m，其中m≥2。
所述储能组件的第一压缩机61的进口与二氧化碳储气装置2的出口连通；所述第一压缩机61的出口与第一冷却器31的D进口相连通；第一冷却器31的C出口与节流装置8进口连通；节流装置8出口与所述第二压缩机62的进口连通；所述第二压缩机62的出口与第二冷却器32的D进口相连通；第二冷却器32的C出口与下一级的压缩机进口连通，下一级的压缩机出口与对应的冷却器进口连通，这样一直到第n压缩机6n的出口与第n冷却器3n的D进口相连通；第n冷却器3n的C出口与二氧化碳储液罐1进口连通，这样储能过程中通过电动机驱动多级压缩机来逐级压缩二氧化碳，并在每级压缩后进行逐级降温，使二氧化碳逐渐增压降温液化后储存在二氧化碳储液罐1。该过程能够在用电低谷期时，通过电厂输出的多余电力或可再生能源产生的电能实现二氧化碳从气态到液态的转变，将能量存储起来。所述冷却器31~3n均为双冷源换热器，压缩机过程中产生的热量传递二氧化碳流经冷却器31~3n的CD通道时，在冷却器31~3n的AB通道引入外部冷源介质，与二氧化碳工质进行热交换，然后将给外部冷源释放到环境中。
所述释能组件的第一加热器41的A进口与二氧化碳储液罐1出口之间连通有高压液泵7，第一加热器41的B出口与第一膨胀机组51的入口连通；第一膨胀机组51的出口与第二加热器42的A进口相连通，第二加热器42的B出口与第二膨胀机组52的进口连通，第二膨胀机组52的出口与下一级的加热器进口连通，一直到第m加热器4m的B出口与第m膨胀机组5m的进口连通，第m膨胀机组5m的出口与二氧化碳储气装置2的入口连通，这样释能过程中采用多级膨胀机驱动连接发电机。该过程能够在用电高峰期释放储存的能量用于补充电网供电；所述加热器41~4m均为双冷源换热器，高压低温的二氧化碳流经加热器41~4m的AB通道时，在加热器41~4m的CD通道引入余热给二氧化碳工质提供蒸发的热量，高压低温的二氧化碳变为高温高压的二氧化碳，然后进入膨胀机，在膨胀机内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。
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外部冷源直接被散到环境中。待释能时，二氧化碳蒸发，转变为气态，此过程中，利用工业或者电力余热给二氧化碳提供热源，使二氧化碳蒸发，在膨胀机内膨胀并对外做功，该部分利用的高品质的余热，能够极大的提高发电效率。
本发明由储能和释能两个模式组成，储能过程中：处于常温常压状态的气态二氧化碳从二氧化碳储气装置2中流出，经管道流至第一压缩机61，电网峰谷期多余电能或可再生能源产生的电能通过电动机带动第一压缩机61工作；通过第一压缩机61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61压缩后，经管道流至第一冷却器31的DC通道，将压缩时产生的热量传递给第一冷却器31的AB通道的外部冷源介质，然后经外部冷源介质释放到环境中。同时，从第一冷却器31流出的二氧化碳经管道流至第二压缩机62，电网峰谷期多余电能或可再生能源产生的电能通过电动机带动第二压缩机62工作，通过第二压缩机62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62压缩后，经管道流至第二冷却器32的DC通道，将压缩时产生的热量传递给第二冷却器32的AB通道的外部冷源介质，然后经外部冷源介质释放到环境中；同时，从第二冷却器32流出的二氧化碳经管道流至下面一级压缩机进行压缩，如此循环直至到第n压缩机6n，电网峰谷期多余电能或可再生能源产生的电能通过电动机带动第n压缩机6n工作，通过第n压缩机6n对其进行第n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n压缩机6n压缩后，经管道流至第n冷却器3n的DC通道，将压缩时产生的热量传递给第n冷却器3n的AB通道的外部冷源介质，然后经外部冷源介质释放到环境中；实现换热后，高压低温的液态二氧化碳经管道流入二氧化碳储液罐1中，完成储能流程。
释能过程中：高压的液态二氧化碳从二氧化碳储液罐1中经高压液泵抽出，经管道进入至第一加热器41的AB通道，同时第一加热器41的CD通道引入高品质的工业或者电力余热给第一加热器41的AB通道二氧化碳工质提供蒸发的热量，高压低温的二氧化碳变为高温高压的二氧化碳，然后经管道进入第一膨胀机51，在第一膨胀机51内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。二氧化碳从第一膨胀机51流出后，经管道流至第二加热器42的AB通道，同时第二加热器42的CD通道引入高品质的工业或者电力余热给第二加热器42的AB通道二氧化碳工质提供蒸发的热量，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管道进入第二膨胀机52，在第二膨胀机52内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。就这样，一直循环到第m加热器4m的AB通道，同时第m加热器4m的CD通道引入高品质的工业或者电力余热给第m加热器4m的AB通道二氧化碳工质提供蒸发的热量，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管道进入第n膨胀机5m，在第n膨胀机5m内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电，最后二氧化碳从第n膨胀机5m流出后直接被送进二氧化碳储气装置2，完成了释能流程。
本发明的二氧化碳余热发电储能系统可用于配合电网实现削峰填谷、电网调频，可用于有余热的火电厂，钢铁厂，核电厂等和对电力容量需求大的单位以及有热源的可再生能源。对于可再生能源丰富的地区，本发明二氧化碳余热发电储能系统可与可再生能源发电厂相配合增加可再生能源利用率，达到节约能源的目的。
本发明二氧化碳余热发电储能系统的优点是：采用超临界二氧化碳作为循环介质，结合相变传热技术，能够降低传热温差，提高储能效率；另外本系统充分利用现有余热资源，实现最优配合，具有规模大、效率高、成本低、环保等优点，能够将可再生能源发出的不稳定电能转化为稳定、可控的优质电能、有效解决弃风、弃光问题，实现可再生能源发电大规模消纳。同时，可实现电力调峰、调频、调相、电压支持、旋转备用、应急响应等储能服务，提升电力系统效率、稳定性、安全性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：包括二氧化碳储液罐、二氧化碳储气装置、储能组件、释能组件、高压液泵以及节流装置；所述高压液泵安装在二氧化碳储液罐的出口；
所述储能组件包括第一冷却器、第二冷却器、第一压缩机和第二压缩机；所述第一压缩机的进口与二氧化碳储气装置的出口连通；所述第一压缩机的出口与第一冷却器的进口相连通；第一冷却器的出口与节流装置进口连通；节流装置出口与所述第二压缩机的进口连通；所述第二压缩机的出口与第二冷却器的进口相连通；第二冷却器的出口与二氧化碳储液罐进口连通；通过以上连通完成了热量存储，即上述各部件构成储能部分；
所述释能组件包括第一加热器、第二加热器、第一膨胀机组、第二膨胀机组；所述第一加热器的进口与高压液泵的出口连通；第一加热器的出口与第一膨胀机组的入口连通；第一膨胀机组的出口与第二加热器的进口相连通，第二加热器的出口与第二膨胀机组的进口连通，第二膨胀机组的出口与二氧化碳储气装置的入口连通；通过以上连通完成了热量供给，即上述各部件构成释能部分。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述所有压缩机均外接有电动机；压缩机用于压缩二氧化碳，其消耗的能量是用电低峰期电网富余电能或可再生能源产生的电能。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述所有冷却器为双冷源换热器，压缩机工作过程中产生的热量传递二氧化碳流经冷却器时，与外部冷源介质进行热交换，然后通过外部冷源将压缩机工作过程中产生的低品热量放到环境中。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述所有膨胀机组均外接有发电机;在释能阶段通过膨胀机做功带动发电机产生电能用来补充用电高峰期电网供电。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述加热器为双冷源换热器，高压低温的二氧化碳流经冷却器时，在冷却器中由工业或者电力的高品质余热给二氧化碳工质提供蒸发的热量，高压低温的二氧化碳变为高温高压的二氧化碳，然后进入膨胀机，在膨胀机内膨胀并对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述二氧化碳储气装置是一个容积可变的储气袋，储存常温常压的二氧化碳。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述储能组件包括至少两组压缩机和与压缩机一一对应的冷却器，所述冷却器安装在压缩机的出口与下一组压缩机的进口之间；所述首端的压缩机的进口与二氧化碳储气装置连通，末端的压缩机出口与末端压缩机对应的冷却器进口连通，与末端对应的冷却器出口与二氧化碳储液罐连通；这样，储能过程中通过电动机驱动多级压缩机来逐级压缩二氧化碳，并在每级压缩后进行逐级降温，使二氧化碳逐渐增压降温液化后储存在二氧化碳储液罐。
8.根据权利要求1所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述释能组件包括至少两组膨胀机和与膨胀机一一对应的加热器；所述加热器安装在对应膨胀机的进口，首端加热器进口与高压液泵出口连通；末端膨胀机的出口与二氧化碳储气装置连通，这样释能过程中采用多级膨胀机膨胀对外做功，实现能量输出，带动发电机进行发电。
9.根据权利要求7所述的一种二氧化碳余热发电储能系统，其特征在于：所述节流装置安装在所述首端冷却器的出口。
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