CN114704341A - 一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，以液态二氧化碳提供冷源，太阳能集热组件提供热源，可以有效解决可再生能源波动性、随机性等弊端，进而改善供热供电质量，提高供热供电的稳定性。本发明可以根据实际生活中不同换热段的热量需要以及电能需要调节阀门开度，调整供给能量份额，实现供热供电分配。同时，本发明采用的太阳能电池板与蓄热器组合结构可以有效解决光照强度因自然因素改变而带来的间歇性影响。该系统设备简单、结构紧凑，且无污染、零排放，有效地利用了系统的冷源和热源，实现了能量的梯级利用，具有较高的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，特别涉及一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统。
背景技术
二氧化碳的大量排放是造成全球气候变暖的重要原因之一。其中，碳捕获与碳储存是最重要的手段之一，由于它可以大规模地减少二氧化碳的排放，因而成为目前应对全球变暖的一种新兴的减排手段。同时，太阳能、风能、水能等可再生能源备受世界各国关注，与煤炭、石油、天然气等传统能源相比，清洁能源的普及成为了全球人民的期望所在。
储能技术是解决可再生能源大规模并网、提高常规电力系统和区域能源系统效率的关键技术之一。在物理储能技术中，压缩空气储能被认为是目前最有前景的一种大规模储能技术，可以在电力生产输送、电网运行方面起到削峰填谷、平衡电力负荷等重要作用。然而，压缩空气储能存在的最大问题就是能量密度较低，进而使得系统整体效率较低，单位成本较高，难以满足工程应用上高效经济性的要求。与空气相比，二氧化碳的气流密度高，导热性能好，且临界点温度接近于常温，其作为压缩气体储能的工质具有更高的储能密度。
现阶段压缩空气储能技术与可再生能源耦合的系统较多，以二氧化碳为工质的储能技术与可再生能源系统耦合的系统较少。同时，大多数系统选择了传统能源作为能量供应，虽然便于开采运输，但也使系统整体污染较大，碳排放量高，对环境危害严重。人们将目光转向了新型的、可再生的、清洁的能源系统，然而成本高、波动性、间断性、随机性等问题成为了各类新能源难以大规模开发利用的主导因素。因此，更需要一种成本低、污染小、稳定性以及持续性更强的新型能源利用系统。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，包括冷凝器、液态二氧化碳储罐、第一换热器、第二换热器、第一透平、太阳能集热板、蓄热器、再热器、第三换热器、气态二氧化碳储罐、压气机、稳压罐、回热器、第二透平、第三透平、第四透平和第四换热器；
冷凝器进口与第四换热器第一出口相连通，冷凝器出口与液态二氧化碳储罐进口相连通，液态二氧化碳储罐出口与第一换热器第一进口相连通；
第一换热器第二出口与第二换热器第一进口相连通，第二换热器第一出口与第一透平进口相连通，第一透平出口与第一换热器第二进口相连通；
太阳能集热板与蓄热器进出口、第二换热器第二进出口、再热器第一进口、第三换热器第一出口相连通，再热器第一出口与第三换热器第一进口相连通；
气态二氧化碳储罐进口与第一换热器第一出口相连通，气态二氧化碳储罐出口与压气机进口相连通，压气机出口与稳压罐进口相连通，稳压管出口与回热器第一进口相连通，回热器第一出口与第三换热器第二进口相连通，第三换热器第二出口与第二透平进口相连通，第二透平出口与再热器第二进口相连通，再热器第二出口与第三透平进口相连通，第三透平出口与第四透平进口相连通，第四透平抽气口与回热器第二进口相连通，回热器第二出口流出的二氧化碳与第四透平出口排出的乏气在管道中汇集一起流入第四换热器。
本发明进一步的改进在于，冷凝器与液态二氧化碳储罐之间设置有第一控制阀，液态二氧化碳储罐与第一换热器第一进口之间设置有第二控制阀。
本发明进一步的改进在于，太阳能集热板与第二换热器第二出口之间设置有第三控制阀，太阳能集热板与第二换热器第二进口之间设置有第四控制阀。
本发明进一步的改进在于，所述蓄热器与第三换热器第一出口之间设置有第五控制阀，气态二氧化碳储罐与压气机之间设置有第六控制阀，稳压罐与回热器第一进口之间设置有第七控制阀。
本发明进一步的改进在于，回热器第二出口与第四透平出口之间设置有节流阀。
本发明进一步的改进在于，第二控制阀与第一换热器第一进口之间设置有第一泵，第一换热器第二出口与第二换热器第一进口之间设置有第二泵。
本发明进一步的改进在于，有机朗肯循环工质选择R245fa、R11或R12工质。
本发明进一步的改进在于，第一透平外接有第一发电机，有机工质能够在第一透平中膨胀做功，并驱动第一发电机发电。
本发明进一步的改进在于，压气机与第二透平、第三透平和第四透平同轴布置。
本发明进一步的改进在于，二氧化碳气体能够在第二透平、第三透平和第四透平中膨胀所做的功，一部分用来带动压气机，剩余部分用来驱动第二发电机产生电能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术成果：
(1)本发明系统将二氧化碳储能与可再生能源进行耦合，形成一体化的可再生能源综合利用系统。第一透平、第二透平、第三透平以及第四透平带动第一发电机和第二发电机发电，高温的乏汽通过第二换热器为热用户供热，实现了热电联供。以液态二氧化碳提供冷源，太阳能集热组件提供热源，在提高可再生能源的利用率的同时，可以解决可再生能源间歇性、波动性、随机性的弊端，从而改善供热供电质量，提高供热供电的稳定性。同时，摒弃了常规能源，采用可再生能源，能够大大降低对环境的污染程度，可以直接开发利用，无需开采运输。
(2)本发明采用液态二氧化碳作为储能工质，液态二氧化碳为有机朗肯循环中的有机工质提供冷量，吸热蒸发后得到气态二氧化碳，经过压气机加压以及太阳能加热后进入透平中做功驱动第二发电机发电，可以将所储存的能量进行稳定、可控的释放。与空气相比，二氧化碳的气流密度高，导热性能好，且临界点温度接近于常温。本发明实施的压缩二氧化碳储能相较于压缩空气储能具有更高的储能密度，且更易压缩，节省能源。
(3)本发明在高压二氧化碳加热段、再热段、有机工质加热段均增设了调控阀门。根据实际情况中不同换热段的热量需要、热用户热量需要以及电能需要，可以通过调节阀门的开度来调整供给能量份额，实现供热供电分配，使各个模块的热电分配具有可控性。
(4)本发明太阳能集热组件采用太阳能电池板与蓄热器的结合方式。在光照强度较高时，太阳能集热板接受光照，吸收太阳的辐射热量，为工质供热的同时将热能储存在蓄热器中；在光照强度较低时，太阳能集热板停止工作，蓄热器储存的热能释放出来，作为热源为工质供热。由此，避免了因气候原因以及昼夜变化所导致的太阳能光照强度变化带来的波动性、不稳定性的弊端，不受限于自然因素的影响，增加了系统热量供应的弹性，使热量供应具有持续性。
(5)本发明以液态二氧化碳作为冷源，太阳能作为热源，分别对有机朗肯循环中的有机工质进行冷凝与加热，促进有机朗肯循环驱动第一透平做功，进而带动第一发电机发电，设备简单，结构紧凑，占用空间较小。改善了系统整体性能，同时有效地利用了系统的冷源和热源。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统结构示意图。
附图标记说明：
1、冷凝器；2、液态二氧化碳储罐；3、第一泵；4、第一换热器；5、第二泵；6、第二换热器；7、第一透平；8、第一发电机；9、太阳能集热板；10、蓄热器；11、再热器；12、第三换热器；13、气态二氧化碳储罐；14、压气机；15、稳压罐；16、回热器；17、第二透平；18、第三透平；19、第四透平；20、第二发电机；21、第四换热器；101、第一控制阀；102、第二控制阀；103、第三控制阀；104、第四控制阀；105、第五控制阀；106、第六控制阀；107、第七控制阀；108、节流阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统包括：二氧化碳储能组件、有机朗肯循环组件、太阳能集热组件、二氧化碳释能组件、阀门、管道以及泵。
所述二氧化碳储能组件具体包括：
冷凝器1进口与第四换热器21第一出口相连通，冷凝器1出口与液态二氧化碳储罐2进口相连通，液态二氧化碳储罐2出口与第一换热器4第一进口相连通。
所述有机朗肯循环组件具体包括：
第一换热器4第二出口与第二换热器6第一进口相连通，第二换热器6第一出口与第一透平7进口相连通，第一透平7出口与第一换热器4第二进口相连通。
所述太阳能集热组件具体包括：
太阳能集热板9与蓄热器10进出口、第二换热器6第二进出口、再热器11第一进口、第三换热器12第一出口相连通，再热器11第一出口与第三换热器12第一进口相连通。
所述二氧化碳释能组件具体包括：
气态二氧化碳储罐13进口与第一换热器4第一出口相连通，气态二氧化碳储罐13出口与压气机14进口相连通，压气机14出口与稳压罐15进口相连通，稳压管15出口与回热器16第一进口相连通，回热器16第一出口与第三换热器12第二进口相连通，第三换热器12第二出口与第二透平17进口相连通，第二透平17出口与再热器11第二进口相连通，再热器11第二出口与第三透平18进口相连通，第三透平18出口与第四透平19进口相连通，第四透平19抽气口与回热器16第二进口相连通，回热器16第二出口流出的二氧化碳与第四透平19出口排出的乏气在管道中汇集一起流入第四换热器21。
所述冷凝器1与液态二氧化碳储罐2之间设置有第一控制阀101。
所述液态二氧化碳储罐2与第一换热器4第一进口之间设置有第二控制阀102。
所述太阳能集热板9与第二换热器6第二出口之间设置有第三控制阀103。
所述太阳能集热板9与第二换热器6第二进口之间设置有第四控制阀104。
所述蓄热器10与第三换热器12第一出口之间设置有第五控制阀105。
所述气态二氧化碳储罐13与压气机14之间设置有第六控制阀106。
所述稳压罐15与回热器16第一进口之间设置有第七控制阀107。
所述回热器16第二出口与第四透平19出口之间设置有节流阀108。
所述第二控制阀102与第一换热器4第一进口之间设置有第一泵3。
所述第一换热器4第二出口与第二换热器6第一进口之间设置有第二泵5。
进一步地，有机朗肯循环工质可以选择R245fa、R11、R12等工质，或者根据实际工况选择多种有机工质的混合物作为循环工质。
进一步地，第一透平7外接有第一发电机8，有机工质在第一透平7中膨胀做功，并驱动第一发电机8发电，可以在用电高峰期时为用户供电，进而缓解电力需求的压力。
进一步地，压气机14与第二透平17、第三透平18和第四透平19同轴布置。
进一步地，二氧化碳气体在第二透平17、第三透平18、第四透平19中膨胀所做的功，一部分用来带动压气机14，剩余部分用来驱动第二发电机产生电能，在用电高峰期时为用户供电。
进一步地，第四换热器21冷端为热用户，高温乏气提供的热量用来给热用户供热。
进一步地，第三阀门103在光照强度充足时完全打开，太阳能集热板9接受光照，吸收太阳的辐射热量，为工质供热的同时将热能储存在蓄热器10中；第三阀门103在光照强度不足时关闭，太阳能集热板9停止工作，蓄热器10储存的热能释放出来，作为热源为工质供热。由此避免了因气候原因以及昼夜变化所导致的太阳能光照强度变化带来的波动性、不稳定性的弊端。
进一步地，第四阀门104与第五阀门105可以根据实际情况中不同换热段的热量需要、热用户热量需要以及电能需要调节开度，进而调整供给能量份额，实现供热供电分配，使系统的能量分配具有可控性。
本发明实施例的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，该系统工作过程分为二氧化碳储能过程、有机朗肯循环过程、太阳能储能过程、太阳能释能过程以及二氧化碳释能过程，具体包括以下步骤：
在二氧化碳储能过程中，打开第一控制阀101，给用户供热后的二氧化碳经过冷凝器1冷却后液化，进入液态二氧化碳储罐2。低温的液态二氧化碳储存充足后，关闭第一控制阀101，二氧化碳储能过程完成。
在有机朗肯循环过程中，打开第二控制阀102，液态二氧化碳工质经由第一泵3流入第一换热器作为冷源冷却有机工质，冷却后的有机工质经过第二泵5流入第二换热器6中，接受来自太阳能集热组件提供的热能，转换为高温高压的有机工质，随后流入第一透平7中进行膨胀做功，进而驱动第一发电机8产生电能，做功后的有机工质流入第一换热器4中继续换热冷凝，有机朗肯循环过程完成。
在太阳能储能过程中，光照强度较高时，第三控制阀103打开、第四控制阀104、第五控制阀105，太阳能集热板9接收光照，吸收太阳辐射能量，为第二换热器6、再热器11以及第三换热器12提供热量；同时，剩余的热量存储至蓄热器10中，太阳能储能过程完成。
在太阳能释能过程中，光照强度不足时，第三控制阀103关闭，太阳能集热板9不再工作。保持第四控制阀104、第五控制阀105为开启状态。光照强度较高时蓄热器10中储存的热能释放出来，为第二换热器6、再热器11以及第三换热器12提供热能，太阳能释能过程完成。
在二氧化碳释能过程中，打开第六控制阀106，由有机朗肯循环过程换热得到的二氧化碳气体从气态二氧化碳储罐13经由管道流入压气机14中进行压缩，得到高压二氧化碳气体储存在稳压罐15中。待稳压罐15中的二氧化碳气体充足且压力稳定后，关闭第六控制阀106，打开第七控制阀107，二氧化碳经过回热器16后流入第三换热器12中被太阳能集热组件提供的太阳能加热，得到高温高压的二氧化碳气体。进一步，高温高压的二氧化碳气体流入第二透平17做功，做功后的二氧化碳气体经过再热器11由太阳能集热组件提供的太阳能进行再热，随后流入第三透平18继续做功。做功后的二氧化碳继续经由管道流入第四透平19，同时从第四透平19中间抽取一部分二氧化碳气体流入回热器16对主流二氧化碳气体进行回热，剩余的高温高压二氧化碳气体继续在第四透平19中做功。二氧化碳气体在第二透平17、第三透平18、第四透平19中膨胀所做的功，一部分用于驱动压气机14，另一部分用于驱动第二发电机20发电。此时，在第四透平19做功后的乏气温度仍较高，回热后的二氧化碳气体经过节流阀108与第四透平19做功后的乏汽一同引入第四换热器21中作为热源，为热用户供热。经过第四换热器21后的低温二氧化碳气体流入冷凝器1，二氧化碳释能过程完成。
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。
上述仅对本发明的实施例加以说明，但并不能作为本发明的全部保护范围，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，包括冷凝器、液态二氧化碳储罐、第一换热器、第二换热器、第一透平、太阳能集热板、蓄热器、再热器、第三换热器、气态二氧化碳储罐、压气机、稳压罐、回热器、第二透平、第三透平、第四透平和第四换热器；
冷凝器进口与第四换热器第一出口相连通，冷凝器出口与液态二氧化碳储罐进口相连通，液态二氧化碳储罐出口与第一换热器第一进口相连通；
第一换热器第二出口与第二换热器第一进口相连通，第二换热器第一出口与第一透平进口相连通，第一透平出口与第一换热器第二进口相连通；
太阳能集热板与蓄热器进出口、第二换热器第二进出口、再热器第一进口、第三换热器第一出口相连通，再热器第一出口与第三换热器第一进口相连通；
气态二氧化碳储罐进口与第一换热器第一出口相连通，气态二氧化碳储罐出口与压气机进口相连通，压气机出口与稳压罐进口相连通，稳压管出口与回热器第一进口相连通，回热器第一出口与第三换热器第二进口相连通，第三换热器第二出口与第二透平进口相连通，第二透平出口与再热器第二进口相连通，再热器第二出口与第三透平进口相连通，第三透平出口与第四透平进口相连通，第四透平抽气口与回热器第二进口相连通，回热器第二出口流出的二氧化碳与第四透平出口排出的乏气在管道中汇集一起流入第四换热器。
2.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，冷凝器与液态二氧化碳储罐之间设置有第一控制阀，液态二氧化碳储罐与第一换热器第一进口之间设置有第二控制阀。
3.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，太阳能集热板与第二换热器第二出口之间设置有第三控制阀，太阳能集热板与第二换热器第二进口之间设置有第四控制阀。
4.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，所述蓄热器与第三换热器第一出口之间设置有第五控制阀，气态二氧化碳储罐与压气机之间设置有第六控制阀，稳压罐与回热器第一进口之间设置有第七控制阀。
5.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，回热器第二出口与第四透平出口之间设置有节流阀。
6.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，第二控制阀与第一换热器第一进口之间设置有第一泵，第一换热器第二出口与第二换热器第一进口之间设置有第二泵。
7.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，有机朗肯循环工质选择R245fa、R11或R12工质。
8.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，第一透平外接有第一发电机，有机工质能够在第一透平中膨胀做功，并驱动第一发电机发电。
9.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，压气机与第二透平、第三透平和第四透平同轴布置。
10.根据权利要求1所述的一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统，其特征在于，二氧化碳气体能够在第二透平、第三透平和第四透平中膨胀所做的功，一部分用来带动压气机，剩余部分用来驱动第二发电机产生电能。
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| CN202210278938.4A CN114704341A (zh) | 2022-03-21 | 2022-03-21 | 一种基于压缩二氧化碳储能的可再生能源综合利用系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116857027A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-10-10 | 百穰新能源科技(深圳)有限公司 | 二氧化碳气液两相储能系统及其控制方法 |
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2022
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