CN114543443B - 一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法 - Google Patents

一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法，所述耦合循环储能系统包括液化空气储能子循环系统和超临界二氧化碳发电子循环系统、第一循环换热单元和第二循环换热单元，液化空气储能子循环系统和超临界二氧化碳发电子循环系统之间分别独立地通过第一循环换热单元和第二循环换热单元进行耦合，可将液空储能循环的能量通过压缩热和回流冷量的形式进存储和利用，降低增压泵入口温度，提高循环效率，同时提高发电循环的进口温度，不需要额外的电能用来加热二氧化碳，经济性较好，具有较好的工业化应用前景。

Description

一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法
技术领域
本发明属于储能发电技术领域，具体涉及一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法。
背景技术
近年来，限电限产已经波及民生领域，且预计在将来常态化。为了平衡各地区电力负荷与供应的关系，大规模、长时间储能技术已经成为研究的主要方向。
在众多储能技术中，可以大规模应用的技术主要包括抽水蓄能、大容量电池储能和压缩空气储能。其中，抽水蓄能须建在具有合适地势差和丰富水源的非严寒地带，受地理条件限制较高；大容量电池储能在经济性、安全性、循环寿命及废旧电池处理等方面将面临制约；压缩空气储能具有绿色、安全、长寿命等优点，但遗憾的是其严重依赖地理条件，储能密度低，难以广泛推广。
压缩空气储能系统是一种能够实现大容量和长时间电能储存的储能技术，具有可靠、经济和环保等优势，在电力系统中主要用于平衡负荷、可再生能源存储、系统备用等，是储能领域具有很大发展潜力的技术，然而压缩空气储能需要较大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适用地点非常有限，同时需要燃气轮机配合，要一定量的燃气作燃料。
液态空气储能则摆脱了地理条件的限制，具有大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命和不受地理条件限制等突出优点，且应用场景广泛，尤其是在可再生能源消纳、电网调峰调频、黑启动、分布式能源、微网和综合能源服务等领域具有特别优势。
同时，开发新型清洁能源是实现可持续发展、解决能源短缺的关键途径。其中，超临界二氧化碳发电系统是新能源发电的热点研究方向之一，其具有环境友好、经济性好等特点，是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向。
CN109681279A公开了一种含液态空气储能的超临界二氧化碳发电系统及方法，该系统包括液态空气储能子系统和煤基超临界二氧化碳发电子系统，液态空气储能子系统的空气尾气出口与煤基超临界二氧化碳发电子系统的空气预热器的入口相连通；其虽然将液化空气储能与超临界二氧化碳循环相耦合，但其超临界二氧化碳循环为分流再压缩循环，结构较为复杂。
CN109812304A公开了一种集成二氧化碳循环与液化空气储能的调峰发电系统及方法，包括液空储能子系统和超临界二氧化碳循环子系统；液空储能子系统包括空分装置、液氮及液氧储罐、液氮及液氧泵、高低压氮气透平、氮气收集装置、第一发电机、储热装置、传热介质泵、切换阀等；超临界二氧化碳循环子系统包括二氧化碳循环泵、高低温换热器、燃烧室、二氧化碳透平、第二发电机、水分离器、冷却器、液体二氧化碳收集装置等。该系统中超临界二氧化碳发电循环为开始循环，循环泵需将液态二氧化碳压缩到15MPa以上，再用液空热量加热后，燃烧至800℃以上，再到高温透平做功，能耗高。
因此，如何提出一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法，在大规模长时储能、清洁低碳、安全、长寿命、不受地理条件限制和应用场景广泛等突出优点基础上，同时满足结构简单、环境友好、热效率高、能耗低、经济性好等优点，成为当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统及方法，所述储能系统将液化空气储能循环与超临界二氧化碳循环相互耦合，并通过系统结构的优化，可有效提高发电效率与循环效率，环境友好，有利于工业化应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统，包括液化空气储能子循环系统和超临界二氧化碳发电子循环系统，所述耦合循环储能系统还包括第一循环换热单元和第二循环换热单元；
所述液化空气储能子循环系统包括依次连接的压缩液化单元和分离储能单元；
所述压缩液化单元包括依次相连的压缩换热模块、过冷换热模块以及第一发电模块；
所述分离储能单元的空气尾气出口还通过所述过冷换热模块与所述压缩换热模块相连；
所述液化空气储能子循环系统还包括填充床换热单元；所述压缩液化单元的过冷换热模块通过所述填充床换热单元与所述分离储能单元相连；
所述超临界二氧化碳发电子循环系统包括构成循环连接的液态二氧化碳存储单元和超临界二氧化碳发电单元；
所述压缩液化单元的压缩换热模块通过所述第一循环换热单元与所述超临界二氧化碳发电单元相连
所述压缩液化单元的过冷换热模块还通过所述第二循环换热单元与所述液态二氧化碳存储单元构成关联。
本发明中，所述储能系统将液化空气储能循环与超临界二氧化碳循环相互耦合，且超临界二氧化碳循环为闭式循环，循环工质易获得且环境友好；还将液化空气储能子循环的压缩热通过换热介质用于提高超临界二氧化碳发电子循环透平进口温度；此外，其还将液化空气回流的部分冷量用于降低增压泵的进口温度，从而提高循环效率。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述压缩换热模块包括依次连接的压缩机和换热器。
优选地，所述压缩换热模块不少于3组，例如3组、4组、5组或6组等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，且串联设置。
本发明中，由于压缩换热模块可设置多组，为作区分，将从环境空气开始进行压缩的压缩机规定为一级压缩机，后面按顺序依次规定为“二级压缩机”、“三级压缩机”等，将连接在一级压缩机之后的换热器规定为一级换热器，后面按顺序依次规定为“二级换热器”、“三级换热器”等。
优选地，所述过冷换热模块包括冷箱换热器。
优选地，所述第一发电模块包括透平。
本发明中，为与第二发电模块中的透平进行区别，规定第一发电模块所用的透平为液空发电用透平，且为低温透平。
作为本发明优选的技术方案，所述分离储能单元包括依次连接的气液分离器、液空储罐、第一增压泵、液空换热器以及空气分离设备，所述空气分离设备还分别独立地与氮气储罐和氧气储罐相连。
优选地，所述气液分离器设置有空气尾气出口和液态空气出口。
优选地，所述气液分离器的空气尾气出口还通过所述压缩液化单元的过冷换热模块与第2组压缩模块中的压缩机相连。
优选地，所述分离储能单元还包括制冷剂换热器，所述气液分离器的空气尾气出口还依次通过所述压缩液化单元的过冷换热模块和所述制冷剂换热器与第2组压缩模块中的压缩机相连。
本发明中，根据上述的命名规则，这里所说的第2组压缩换热模块中的压缩机即指“二级压缩机”。
本发明中，空气液化后剩余的空气尾气进行冷量的回流利用，极大地提高了循环效率。
优选地，所述压缩液化单元的过冷换热模块还通过所述填充床换热单元与所述分离储能单元的液空换热器相连。
作为本发明优选的技术方案，所述填充床换热单元包括填充床。
优选地，所述填充床内的填充物包括玄武岩；
本发明中，所述填充床换热单元包括2个循环换热回路，一个由所述压缩液化单元的过冷换热模块与所述填充床构成循环换热回路，另一个则是由所述分离储能单元的液空换热器与所述填充床构成循环换热回路。
作为本发明优选的技术方案，所述液态二氧化碳存储单元包括依次相连的第一换热器、第二增压泵以及液态二氧化碳储罐。
优选地，所述超临界二氧化碳发电单元包括依次连接的第二换热器和第二发电模块，所述第二发电模块再通过所述第二换热器与所述液态二氧化碳存储单元的第一换热器相连。
优选地，所述第二发电模块包括依次连接的换热器和透平。
优选地，所述第二发电模块不少于2组，例如2组、3组、4组或5组等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，且串联设置。
本发明中，由于第二发电模块可设置多组，为作区分，按照物料(即二氧化碳)流动方向，将第二发电模块中的换热器按顺序依次规定为“第三换热器”、“第四换热器”、“第五换热器”等，将连接在第三换热器之后的透平规定为第三透平，后面按顺序依次规定为“第四透平”、“第五透平”等，(注：本发明中，并无第一透平和第二透平)。
优选地，所述第一循环换热单元包括导热油储冷罐和导热油储热罐。
优选地，所述导热油储冷罐分别独立地与所述压缩液化单元各换热器的冷流体入口相连，所述压缩液化单元各换热器的冷流体出口均与所述导热油储热罐相连。所述导热油储热罐分别独立地与所述超临界二氧化碳发电单元各换热器的热流体入口相连，所述超临界二氧化碳发电单元各换热器的热流体出口均与所述导热油储冷罐相连。
优选地，所述第二循环换热单元包括依次构成循环连接的第一换热器、制冷剂第一储罐、制冷剂换热器以及制冷剂第二储罐。
第二方面，本发明提供了一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能的方法，所述方法采用第一方面所述的耦合循环储能系统进行，所述方法包括以下步骤：
液化空气储能子循环：
将空气引入压缩换热模块依次进行压缩以及与第一换热介质换热，得到高压空气；所述高压空气依次经过冷换热和做功发电，达到临界状态，然后进入分离储能单元进行气液分离，得到空气尾气和液化空气；
所述空气尾气返回到过冷换热模块参与过冷换热，经过冷换热后的空气尾气一部分返回到压缩换热模块参与压缩，另一部分与第二循环换热单元的第二换热介质进行换热后，再返回到压缩换热模块参与压缩；
所述液化空气将冷量传递到填充床换热单元后进行分离，得到氧气和氮气；
超临界二氧化碳发电子循环：
液态二氧化碳存储单元的液态二氧化碳经换热后达到超临界状态，然后进入超临界二氧化碳发电单元与第一循环换热单元的第一换热介质进行换热，再进行做功发电，发电后的二氧化碳与第二循环换热单元的第二换热介质进行换热，变为液态二氧化碳后进行循环使用；
第一换热介质循环：
第一换热介质吸收压缩换热模块空气的热量后传导给超临界二氧化碳发电单元的超临界状态二氧化碳，然后再次返回压缩换热模块吸收空气的热量，实现循环；
第二换热介质循环：
第二换热介质吸收过冷换热模块空气尾气的冷量后传导给液态二氧化碳存储单元的液态二氧化碳，然后再次返回过冷换热模块吸收空气尾气的冷量，实现循环。
本发明中，在用电低谷阶段，所述方法可通过液化空气储能子循环实现能量的储存，然后在用电高峰期发电阶段将储存的冷能与热能分别在超临界二氧化碳发电子循环中进行充分的利用，在降低能耗的同时可充分提升循环发电效率。
作为本发明优选的技术方案，进行所述液化空气储能子循环的过程中，规定压缩以及与第一换热介质换热为一组操作，至少重复3组，例如3组、4组、5组或6组等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述高压空气的压力为6～7MPa，例如6MPa、6.2MPa、6.4MPa、6.8MPa或7MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，经过所述过冷换热后的空气尾气的温度为-90～-100℃，例如-90℃、-92℃、-94℃、-96℃、-98℃或-100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述超临界二氧化碳发电子循环更具体的操作包括：
液态二氧化碳与发电后的气态二氧化碳进行换热，使液态二氧化碳达到超临界状态，然后与第一换热介质进行换热，进行做功发电；发电后，超临界状态二氧化碳变为气态，气态二氧化碳实现与液态二氧化碳的换热，然后再与第二换热介质进行换热，变为液态二氧化碳进行循环使用。
优选地，进行所述超临界二氧化碳发电子循环的过程中，规定第一换热介质进行换热，再进行做功发电为一组操作，至少重复2组，例如2组、3组、4组或5组等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，与所述第二换热介质换热后的二氧化碳再进行增压，得到液态二氧化碳。
作为本发明优选的技术方案，所述第一换热介质包括导热油。
优选地，所述第一换热介质与压缩后的空气进行换热后，温度为280-300℃，例如280℃、285℃、290℃、295℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述第二换热介质包括制冷剂。
优选地，所述第二换热介质与经过冷换热后的空气尾气进行换热后，温度为-70～-80℃，例如-70℃、-72℃、-74℃、-76℃、-78℃或-80℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述耦合循环储能系统将液化空气储能循环与超临界二氧化碳循环相互耦合，循环工质易获得且环境友好；
(2)本发明所述耦合循环储能系统将液化空气储能子循环的压缩热用于提高超临界二氧化碳发电子循环透平进口温度，无需额外的电能来加热二氧化碳，并利用压缩热通过多次再热提高发电效率，使发电效率可达56.24％以上；
(3)本发明所述耦合循环储能系统将液化空气回流部分冷量用于降低增压泵进口温度，提高循环效率。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统的连接结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能方法的系统流程图。
其中，1-一级压缩机，2-一级换热器，3-二级压缩机，4-二级换热器，5-三级压缩机，6-三级换热器，7-冷箱换热器，8-液空发电用透平，9-气液分离器，10-制冷剂换热器，11-液空储罐，12-第一增压泵，13-液空换热器，14-空气分离设备，15-氮气储罐，16-氧气储罐，17-填充床，101-液态二氧化碳储罐，102-第二换热器，103-第三换热器，104-第三透平，105-第四换热器，106-第四透平，107-第一换热器，108-第二增压泵，301-导热油储冷罐，302-导热油储热罐，401-制冷剂第一储罐，402-制冷剂第二储罐。
箭头方向代表物料流动方向。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统，所述耦合循环储能系统的连接结构示意图如图1所示，所述耦合循环储能系统包括液化空气储能子循环系统和超临界二氧化碳发电子循环系统，所述耦合循环储能系统还包括第一循环换热单元和第二循环换热单元；
所述液化空气储能子循环系统包括依次连接的压缩液化单元和分离储能单元；
所述压缩液化单元包括依次相连的一级压缩机1、一级换热器2、二级压缩机3、二级换热器4，三级压缩机5、三级换热器6、冷箱换热器7以及液空发电用透平8。
所述分离储能单元包括依次连接的气液分离器9、液空储罐11、第一增压泵12、液空换热器13以及空气分离设备14，所述空气分离设备14还分别独立地与氮气储罐15和氧气储罐16相连；所述气液分离器9设置有空气尾气出口和液态空气出口；所述气液分离器9的空气尾气出口还通过所述压缩液化单元的冷箱换热器7与二级压缩机3相连；所述分离储能单元还包括制冷剂换热器10，所述气液分离器9的空气尾气出口还依次通过所述压缩液化单元的冷箱换热器7和所述制冷剂换热器10与二级压缩机3相连；
所述压缩液化单元的冷箱换热器7还通过所述填充床换热单元与所述分离储能单元的液空换热器13相连；所述填充床换热单元包括填充床17；所述填充床17内的填充物包括玄武岩。
所述超临界二氧化碳发电子循环系统包括构成循环连接的液态二氧化碳存储单元和超临界二氧化碳发电单元；
所述液态二氧化碳存储单元包括依次相连的第一换热器107、第二增压泵108以及液态二氧化碳储罐101；
所述超临界二氧化碳发电单元包括依次连接的第二换热器102、第三换热器103、第三透平104、第四换热器105以及第四透平106，所述第四透平106再通过所述第二换热器102与所述液态二氧化碳存储单元的第一换热器107相连；
所述第一循环换热单元包括导热油储冷罐301和导热油储热罐302；所述导热油储冷罐301分别独立地与所述压缩液化单元各换热器的冷流体入口相连，所述压缩液化单元各换热器的冷流体出口均与所述导热油储热罐302相连；所述导热油储热罐302分别独立地与所述超临界二氧化碳发电单元各换热器的热流体入口相连，所述超临界二氧化碳发电单元各换热器的热流体出口均与所述导热油储冷罐301相连；
所述第二循环换热单元包括依次构成循环连接的第一换热器107、制冷剂第一储罐401、制冷剂换热器10以及制冷剂第二储罐402。
采用上述耦合循环储能系统进行的方法包括如下步骤，其系统运行流程图如图2所示，其中，各物流的状态均在图中标注。
液化空气储能子循环(用电低谷储能阶段)：
环境空气通过一级压缩机1进入循环系统，进行一级换热，吸收导热油储冷储罐中的冷量，并将热量存储在导热油储热罐302中；然后以上述相同的形式，依次通过二级压缩机3、二级换热器4、三级压缩机5和三级换热器6，得到高压空气；所述高压空气通过冷箱换热器7吸收冷量，再由液空发电用透平8膨胀做功，产生电能并到达临界状态(0.8MPa、-170℃)，然后在气液分离器9内完成气液分离，得到空气尾气和液态空气：所述空气尾气通过冷箱换热器7释放部分冷量至-95℃后分流，一部分通过制冷剂换热器10冷却制冷剂至-75℃,返回到二级压缩机3入口，另一部分直接返回到二级压缩机3入口；所述液态空气则进入液空储罐11储存，经第一增压泵12增压后，通过液空换热器13将冷量传递给填充床17，最后通过空气分离设备14分为氮气和氧气，并分别储存至氮气储罐15和氧气储罐16；
其中，填充床17中存储的冷量传导至冷箱换热器7中对空气实现冷却。
超临界二氧化碳发电子循环(用电高峰期发电阶段)：
液态二氧化碳储罐101中液态二氧化碳通过第二换热器102加热至超临界态，通过第三换热器103吸收导热油热量升温至280℃，进入第三透平104膨胀做功发电，通过第四换热器105再次吸收导热油热量升温至280℃，进入第四透平106再次膨胀做功发电，然后通过第二换热器102吸收冷量，使二氧化碳转换为液态，再通过第一换热器107吸收制冷剂(-75℃)冷量，使液态二氧化碳被进一步冷却，最后通过第二增压泵108增压后(26MPa、-46.23℃)进入液态二氧化碳储罐101进行储存或继续循环；
导热油循环：
储能阶段：导热油储冷罐301中的低温导热油分三股流体，分别进入一级换热器2、二级换热器4、三级换热器6吸收热量，然后汇集于导热油储热罐302保存；
发电时：导热油储热罐302中高温导热油分两股流体，分别进入第三换热器103和第四换热器105，对超临界状态二氧化碳进行加热，提高发电子循环的最高温度；
制冷剂循环：
储能阶段：制冷剂第一储罐401中的制冷剂通过制冷剂换热器10吸收空气尾气回流的部分冷量至-75℃，在制冷剂第二储罐402中储存；
发电阶段：制冷剂第二储罐402中的制冷剂通过第一换热器107用来进一步冷却液态二氧化碳，有利于其增压储存。
本实施例中，所述耦合储能系统的发电效率可达56.24％。
实施例2：
本实施例提供了一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统，所述耦合循环储能系统参照实施例1中的系统，区别在于：
1)加设一组压缩换热模块，即按照物料流动方向，在三级换热器6与冷箱换热器7之间依次增加了四级压缩机和四级换热器；
2)加设一组第二发电模块，即按照物料流动方向，在第四透平106和第二换热器102之间依次增加了第五换热器和第五透平；
上述加设的模块与第二循环换热单元之间的连接关系参照其对应的模块连接方式。
采用上述耦合循环储能系统进行的方法包括如下步骤：
液化空气储能子循环(用电低谷储能阶段)：
环境空气通过一级压缩机1进入循环系统，进行一级换热，吸收导热油储冷储罐中的冷量，并将热量存储在导热油储热罐302中；然后以上述相同的形式，依次通过二级压缩机3、二级换热器4、三级压缩机5、三级换热器6、四级压缩机和四级换热器，得到高压空气；所述高压空气通过冷箱换热器7吸收冷量，再由液空发电用透平8膨胀做功，产生电能并到达临界状态(0.808MPa、-170.4℃)，然后在气液分离器9内完成气液分离，得到空气尾气和液态空气：所述空气尾气通过冷箱换热器7释放部分冷量至-95℃后分流，一部分通过制冷剂换热器10冷却制冷剂至-75℃,返回到二级压缩机3入口，另一部分直接返回到二级压缩机3入口；所述液态空气则进入液空储罐11储存，经第一增压泵12增压后，并通过液空换热器13将冷量传递给填充床17，最后通过空气分离设备14分为氮气和氧气，并分别储存至氮气储罐15和氧气储罐16；
其中，填充床17中存储的冷量传导至冷箱换热器7中对空气实现冷却。
超临界二氧化碳发电子循环(用电高峰期发电阶段)：
液态二氧化碳储罐101中液态二氧化碳通过第二换热器102加热至超临界态，通过第三换热器103吸收导热油热量升温至280℃，进入第三透平104膨胀做功发电，通过第四换热器105再次吸收导热油热量升温至280℃，进入第四透平106再次膨胀做功发电，通过第五换热器再次吸收导热油热量升温至280℃，进入第五透平再次膨胀做功发电，然后通过第二换热器102吸收冷量，使二氧化碳转换为液态，再通过第一换热器107吸收制冷剂(-75℃)冷量，使液态二氧化碳被进一步冷却，最后通过第二增压泵108增压后(26MPa、-46.23℃)进入液态二氧化碳储罐101进行储存或继续循环；
导热油循环：
储能阶段：导热油储冷罐301中的低温导热油分四股流体，分别进入一级换热器2、二级换热器4、三级换热器6和四级换热器吸收热量，然后汇集于导热油储热罐302保存；
发电时：导热油储热罐302中高温导热油分三股流体，分别进入第三换热器103、第四换热器105和第五换热器，对超临界状态二氧化碳进行加热，提高发电子循环的最高温度；
制冷剂循环：
储能阶段：制冷剂第一储罐401中的制冷剂通过制冷剂换热器10吸收空气尾气回流的部分冷量至-75℃，在制冷剂第二储罐402中储存；
发电阶段：制冷剂第二储罐402中的制冷剂通过第一换热器107用来进一步冷却液态二氧化碳，有利于其增压储存。
本实施例中，所述耦合储能系统的发电效率可达56.47％。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的系统和详细方法，但本发明并不局限于上述系统和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述系统和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (30)

1.一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能系统，包括液化空气储能子循环系统和超临界二氧化碳发电子循环系统，其特征在于，所述耦合循环储能系统还包括第一循环换热单元和第二循环换热单元；
所述液化空气储能子循环系统包括依次连接的压缩液化单元和分离储能单元；
所述压缩液化单元包括依次相连的压缩换热模块、过冷换热模块以及第一发电模块；
所述分离储能单元的空气尾气出口还通过所述过冷换热模块与所述压缩换热模块相连；
所述液化空气储能子循环系统还包括填充床换热单元；所述压缩液化单元的过冷换热模块通过所述填充床换热单元与所述分离储能单元相连；
所述超临界二氧化碳发电子循环系统包括构成循环连接的液态二氧化碳存储单元和超临界二氧化碳发电单元；
所述压缩液化单元的压缩换热模块通过所述第一循环换热单元与所述超临界二氧化碳发电单元相连；
所述压缩液化单元的过冷换热模块还通过所述第二循环换热单元与所述液态二氧化碳存储单元构成关联。
2.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述压缩换热模块包括依次连接的压缩机和换热器。
3.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述压缩换热模块不少于3组，且串联设置。
4.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述过冷换热模块包括冷箱换热器。
5.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述第一发电模块包括透平。
6.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述分离储能单元包括依次连接的气液分离器、液空储罐、第一增压泵、液空换热器以及空气分离设备，所述空气分离设备还分别独立地与氮气储罐和氧气储罐相连。
7.根据权利要求6所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述气液分离器设置有空气尾气出口和液态空气出口。
8.根据权利要求7所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述气液分离器的空气尾气出口还通过所述压缩液化单元的过冷换热模块与第2组压缩模块中的压缩机相连。
9.根据权利要求6所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述分离储能单元还包括制冷剂换热器，所述气液分离器的空气尾气出口还依次通过所述压缩液化单元的过冷换热模块和所述制冷剂换热器与第2组压缩模块中的压缩机相连。
10.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述压缩液化单元的过冷换热模块还通过所述填充床换热单元与所述分离储能单元的液空换热器相连。
11.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述填充床换热单元包括填充床。
12.根据权利要求11所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述填充床内的填充物包括玄武岩。
13.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述液态二氧化碳存储单元包括依次相连的第一换热器、第二增压泵以及液态二氧化碳储罐。
14.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电单元包括依次连接的第二换热器和第二发电模块，所述第二发电模块再通过所述第二换热器与所述液态二氧化碳存储单元的第一换热器相连。
15.根据权利要求14所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述第二发电模块包括依次连接的换热器和透平。
16.根据权利要求14所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述第二发电模块不少于2组，且串联设置。
17.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述第一循环换热单元包括导热油储冷罐和导热油储热罐。
18.根据权利要求17所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述导热油储冷罐分别独立地与所述压缩液化单元各换热器的冷流体入口相连，所述压缩液化单元各换热器的冷流体出口均与所述导热油储热罐相连；所述导热油储热罐分别独立地与所述超临界二氧化碳发电单元各换热器的热流体入口相连，所述超临界二氧化碳发电单元各换热器的热流体出口均与所述导热油储冷罐相连。
19.根据权利要求1所述的耦合循环储能系统，其特征在于，所述第二循环换热单元包括依次构成循环连接的第一换热器、制冷剂第一储罐、制冷剂换热器以及制冷剂第二储罐。
20.一种液化空气与超临界二氧化碳耦合循环储能的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-19任一项所述的耦合循环储能系统进行，所述方法包括以下步骤：
液化空气储能子循环：
将空气引入压缩换热模块依次进行压缩以及与第一换热介质换热，得到高压空气；所述高压空气依次经过冷换热和做功发电，达到临界状态，然后进入分离储能单元进行气液分离，得到空气尾气和液化空气；
所述空气尾气返回到过冷换热模块参与过冷换热，经过冷换热后的空气尾气一部分返回到压缩换热模块参与压缩，另一部分与第二循环换热单元的第二换热介质进行换热后，再返回到压缩换热模块参与压缩；
所述液化空气将冷量传递到填充床换热单元后进行分离，得到氧气和氮气；
超临界二氧化碳发电子循环：
液态二氧化碳存储单元的液态二氧化碳经换热后达到超临界状态，然后进入超临界二氧化碳发电单元与第一循环换热单元的第一换热介质进行换热，再进行做功发电，发电后的二氧化碳与第二循环换热单元的第二换热介质进行换热，变为液态二氧化碳后进行循环使用；
第一换热介质循环：
第一换热介质吸收压缩换热模块空气的热量后传导给超临界二氧化碳发电单元的超临界状态二氧化碳，然后再次返回压缩换热模块吸收空气的热量，实现循环；
第二换热介质循环：
第二换热介质吸收过冷换热模块空气尾气的冷量后传导给液态二氧化碳存储单元的液态二氧化碳，然后再次返回过冷换热模块吸收空气尾气的冷量，实现循环。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进行所述液化空气储能子循环的过程中，规定压缩以及与第一换热介质换热为一组操作，至少重复3组。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述高压空气的压力为6～7MPa。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，经过所述过冷换热后的空气尾气的温度为-90～-100℃。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电子循环更具体的操作包括：
液态二氧化碳与发电后的气态二氧化碳进行换热，使液态二氧化碳达到超临界状态，然后与第一换热介质进行换热，进行做功发电；发电后，超临界状态二氧化碳变为气态，气态二氧化碳实现与液态二氧化碳的换热，然后再与第二换热介质进行换热，变为液态二氧化碳进行循环使用。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，进行所述超临界二氧化碳发电子循环的过程中，规定第一换热介质进行换热，再进行做功发电为一组操作，至少重复2组。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，与所述第二换热介质换热后的二氧化碳再进行增压，得到液态二氧化碳。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一换热介质包括导热油。
28.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一换热介质与压缩后的空气进行换热后，温度为280-300℃。
29.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二换热介质包括制冷剂。
30.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二换热介质与经过冷换热后的空气尾气进行换热后，温度为-70～-80℃。
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