CN114856738A - 一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，包括太阳能光伏/风力发电系统，储能子系统、释能子系统、蓄热及供热系统，蓄冷及供冷系统；太阳能光伏/风力发电系统通过驱动电机与储能子系统相连，储能子系统通过第一换热器与蓄热及供热系统相连；释能子系统通过第二二氧化碳储液罐与储能子系统相连；释能子系统通过第二换热器与蓄热及供热系统相连接；蓄冷及供冷系统通过第一制冷换热器与储能子系统相连接，通过第二制冷换热器与释能子系统相连接。本发明以二氧化碳为储能介质，基于二氧化碳的液相存储，储存社区过剩的新能源电力，同时通过优化储释能过程中的热能冷能利用，可在满足储电的同时满足居民生活供热，供冷等需求，可以为社区微网的建设发展提供一种有意义的思路。

Description

一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法

技术领域

本发明属于微网储能及冷热电联供技术领域，具体涉及一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法。

背景技术

微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行，是智能电网的重要组成部分。随着能源短缺和环境污染等问题日益严重，微网正在众多社区进行试点，储能技术正逐渐成为分布式能源发展的关键技术。

现有的储能技术根据储能方式主要可分为机械储能、电化学储能、电磁储能等，其中机械储能技术包括抽水蓄能技术、压缩空气储能技术、飞轮储能等；但由于技术水平、实施条件等因素的限制，目前能实现大规模储能的技术只有抽水蓄能技术和压缩空气储能技术。

然而，抽水蓄能技术和压缩空气储能技术在实现上都存在一定的局限性；其中，抽水蓄能技术需要极其严格的高低势水库的地理条件限制，压缩空气储能技术需要极大的储气洞穴，有学者研究的液化空气储能系统因储气温度过低对储液材料提出了很高要求，尚难以实现大范围应用。

在分布式能源社区内部，用户除了对电负荷的需求外，还需要生活集中供热供冷的冷热负荷需求，由于建设外界长输管网投资大，成本大。因此开发一套可储电储热储冷的社区微网模式的多形式能源供应技术具有重要应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，能够消纳储存社区微网中富裕的风能、太阳能等新能源电力，并利用储能系统自身的能量梯级利用实现储热与储冷，用于满足用户的冷热负荷需求。

本发明采用以下技术方案：

一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统，包括第一二氧化碳储液罐，第一二氧化碳储液罐的出口端依次经蓄冷器、储能子系统、第二二氧化碳储液罐、释能子系统和蓄冷器与第一二氧化碳储液罐的入口端连接形成回路，储能子系统通过驱动电机与太阳能光伏/风力发电系统连接，用于实现储能和释能；储能子系统通过第一换热器连接蓄热及供热系统，蓄热及供热系统通过第二换热器与释能子系统连接，用于实现蓄热及供热；储能子系统通过第一制冷换热器与蓄冷及供冷系统连接，释能子系统通过第二制冷换热器与蓄冷及供冷系统连接，用于实现蓄冷及供冷。

具体的，储能子系统包括二氧化碳压缩机，蓄冷器经合流器与二氧化碳压缩机的入口连接，二氧化碳压缩机的出口经第一换热器和低温膨胀机与气液分离器连接，气液分离器的出口分两路，一路经第一制冷换热器与合流器连接，另一路经第二二氧化碳储液罐与释能子系统连接。

进一步的，低温膨胀机经第一发电机与太阳能光伏/风力发电系统连接，二氧化碳压缩机经电动机与太阳能光伏/风力发电系统连接。

进一步的，气液分离器与第二二氧化碳储液罐之间设置有第一阀门。

具体的，太阳能光伏/风力发电系统包括社区光伏/风电装置，社区光伏/风电装置通过电动机和储能子系统的二氧化碳压缩机连接，社区光伏/风电装置通过用户电负荷分别与储能子系统的第一发电机和释能子系统的第二发电机连接。

具体的，释能子系统包括二氧化碳透平，二氧化碳透平的出口与蓄冷器连接，二氧化碳透平的入口依次经第二换热器、第二制冷换热器和二氧化碳增压泵与第二二氧化碳储液罐的出口端连接。

进一步的，二氧化碳增压泵与第二二氧化碳储液罐之间设置有第二阀门。

具体的，蓄热及供热系统包括冷水箱，冷水箱的冷水端依次经第一增压泵、第一换热器和储热罐后分两路，一路连接用户热负荷，另一路经第二换热器返回至冷水箱。

具体的，蓄冷及供冷系统包括冷库，冷库的输入端分两路，一路经第一制冷换热器连接第一制冷工质泵，另一路经第二制冷换热器连接第二制冷工质泵，冷库的输出端连接用户冷负荷。

本发明的另一技术方案是，基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统的工作方法，包括如下：

太阳能光伏/风力发电系统消纳过程：

当太阳能光伏/风力发电系统的发电量大于等于用户电负荷时，太阳能光伏/风力发电系统直接供应用户电负荷需求，富裕电力带动储能子系统运行，同时储能子系统产生部分电力用以供应用户电负荷；当社区光伏/风电装置发电量小于用户电负荷时，太阳能光伏/风力发电系统直接供应用户电负荷需求，同时释能子系统运行，利用储能子系统做功发电供应用户电负荷；

储能子系统储能过程：

第一二氧化碳储液罐中1MPa，-40.1℃的液态二氧化碳经过降温减压，进入蓄冷器吸热升温，然后升压升温得到高温二氧化碳气体，高温二氧化碳气体进入第一换热器，将热能传递给加压后的循环水，之后常温高压的二氧化碳膨胀至气液两相态，气相二氧化碳经第一制冷换热器与制冷工质交换热量升温后与另一方向工质合流继续压缩储能过程，液相二氧化碳进入第二二氧化碳储液罐进行储存；将富裕电能转化为热能储存，其余以低温液态二氧化碳储存在第二二氧化碳储液罐内；

释能子系统释能过程：

第二二氧化碳储液罐中的液态二氧化碳经增压后，与第二制冷换热器中制冷工质交换热量升温，进入第二换热器与蓄热及供热系统的高温热水换热升温，利用高温高压的超临界二氧化碳做功发电，二氧化碳进入蓄冷器将自身热量传递给储能过程降温的储冷介质实现二氧化碳液化，进入第一二氧化碳储液罐3储存，通过做功实现储存能量向电能的转化与释放；

蓄热及供热系统蓄热模式：冷水加压后进入第一换热器中，吸收储能过程中高温二氧化碳的热量成为热水并储存；

蓄热及供热系统供热模式：向用户供热时，热水输送给用户热负荷侧；向释能子系统供热时，热水进入第二换热器用于加热释能过程的二氧化碳，然后热水冷却至常温完成蓄热及供热过程的循环；

蓄冷及供冷系统的蓄冷及供冷过程：

蓄冷及供冷过程包含两路，一路与储能过程同时运行，供冷工质经增压后与第一制冷换热器换热降温，之后储存，另一路与释能过程同时运行，供冷工质经增压后与第二制冷换热器换热降温，之后储存；在用户需求冷负荷时，利用储存的介质实现供冷。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统，利用液态二氧化碳储能技术实现对社区微网中光伏/风电系统的多余电能的小体积高密度储存，并且在微网中光伏/风电系统电力供应不足时，实现储存能量向电能的一个转化，为用户供应电力，整个系统由于采用液相存储，动力循环基于二氧化碳工质，部件结构紧凑，尺寸小，较为适合布置于社区，另外结合系统中的冷热关系，合理设计蓄热及供热子系统，蓄冷及供冷子系统，实现冷热电联供，优化系统能量梯级利用，对于社区微网的冷热电联供系统技术的发展具有重要的科学意义和工程应用价值。

进一步的，设置气液分离器用于分离低温膨胀机出口的气相与液相二氧化碳，随后高密度液相二氧化碳进入第二二氧化碳储液罐储存有助于节省储罐容积，提升系统储能密度；气相二氧化碳经制冷换热器后进入合流器可以增大系统循环工质流量，提升系统的储能容量。

进一步的，储能过程是以电能向二氧化碳的热能转化的方式实现，二氧化碳压缩机为主要实现部件，电动机利用太阳能光伏/风力发电系统的富余电能驱动，同轴带动二氧化碳压缩机开启工作过程；低温膨胀机被设置用来降低二氧化碳压力和温度，其同轴连接第一发电机会产生少量电能，可以连接系统用于系统中泵的耗电。

进一步的，二氧化碳由气液分离器进入第二二氧化碳储液罐前设置第一阀门可作为系统储能过程的开启与关闭的调节阀。

进一步的，本发明所述系统中社区光伏/风电装置一方面给用户电负荷供应电力，另一方面其富余电力驱动储能子系统中的电动机带动二氧化碳压缩机开启储能过程；储能子系统中第一发电机产生的少量电力一部分可以供给系统内泵的耗电，另一部分也可用于用户电负荷消耗，释能子系统可以实现能量由热能储存形式向电能转化，通过第二发电机连接用户，为用户提供电能。

进一步的，提高透平的进口温度与压力可以提高透平的输出功率，本发明所述系统中为了提升释能子系统的输出功率，第二二氧化碳储液罐出口的低压低温二氧化碳先经过二氧化碳增压泵增压，然后经第二制冷换热器、第二换热器逐级吸收热量成为高温高压气体进入二氧化碳透平输出更多功率，二氧化碳透平出口的常温低压二氧化碳与蓄冷器中的低温蓄冷材料换热降温冷却为液态二氧化碳进入第一二氧化碳储液罐以液态储存，提高储能密度并完成储能过程与释能过程工质的循环。

进一步的，第二二氧化碳储液罐与二氧化碳增压泵之间设置第二阀门可作为系统释能过程的开启与关闭的调节阀。

进一步的，利用水作为储热系统的介质储存系统转化而来的热能，常压下水的蒸发温度较低，因此通过第一增压泵加压可以实现系统所需更高温度的储存，经第一换热器换热升温后，高温水进入储热罐储存起来；由于系统储能过程与释能过程存在时间和空间上的分离，且储能时长设置大于释能时长，储热罐储存的热水一方面在释能过程运行时供给热量加热二氧化碳透平入口的二氧化碳温度，另一方面可以供应一部分热量用于用户热负荷的需求，而后经第二换热器换热后的冷水再次进入冷水箱以供下一次蓄热循环。

进一步的，在系统的储能过程和释能过程中均存在可利用的冷能，气液分离器气相出口的二氧化碳温度处于零下低温，二氧化碳压缩机的入口温度设置在常温，因此一路经第一制冷换热器将二氧化碳加热为常温，同时制冷工质即被冷却至低温，实现冷能的储存；另一路则利用低温液态二氧化碳，经第二制冷换热器换热将二氧化碳气化，同时制冷工质即被冷却至低温，实现冷能的储存，储冷介质均进入冷库进行储存，以在需要时供应用户冷负荷。

本发明基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统的工作方法，太阳能光伏/风力发电系统属于可再生能源发电，其具有波动性、间歇性的固有属性，储能系统的设置可以通过能量转化的形式，通过二氧化碳压缩过程消纳电能，实现将电能转化为机械能再以热能形式储存起来，在需求稳定的电力输出时利用释能系统实现热能向机械能再向电能的转化；同时用户负荷需求是多元化的，会存在冷热的负荷需求，利用所述系统中二氧化碳压缩的热能以及二氧化碳液化储存释放的冷能可以满足用户一定的冷热负荷需求。

综上所述，本发明能够有效地实现太阳能光伏/风电装置富余电能的储存，利用二氧化碳压缩过程产生的压缩热实现蓄热，利用二氧化碳的液化实现高密度储存及蓄冷，以为用户提供冷热电多形式的能量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

其中：1.社区光伏/风电装置；2.电动机；3.第一二氧化碳储液罐；4.节流阀；5.蓄冷器；6.合流器；7.二氧化碳压缩机；8.第一换热器；9.低温膨胀机；10.第一发电机；11.气液分离器；12.第一制冷换热器；13.第一阀门；14.第二二氧化碳储液罐；15.第二阀门；16.二氧化碳增压泵；17.第二制冷换热器；18.第二换热器；19.二氧化碳透平；20.第二发电机；21.用户电负荷；22.冷水箱；23.第三阀门；24.第四阀门；25.第一增压泵；26.第五阀门；27.储热罐；28.第六阀门；29.第七阀门；30.用户热负荷；31.第一制冷工质泵；32.第八阀门；33.第九阀门；34.第二制冷工质泵；35.冷库；36.用户冷负荷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，利用液态二氧化碳储能技术实现对社区微网中光伏/风电系统的多余电能的小体积高密度储存，并且在微网中光伏/风电系统电力供应不足时，实现储存能量向电能的一个转化，为用户供应电力，整个系统由于采用液相存储，动力循环基于二氧化碳工质，部件结构紧凑，尺寸小，较为适合布置于社区，另外结合系统中的冷热关系，合理设计蓄热及供热子系统，蓄冷及供冷子系统，可以实现冷热电联供，优化系统能量梯级利用，对于社区微网的冷热电联供系统技术的发展具有重要的科学意义和工程应用价值。

请参阅图1，本发明一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统，包括太阳能光伏/风力发电系统、储能子系统、释能子系统、蓄热及供热系统和蓄冷及供冷系统；以二氧化碳为储能介质，基于二氧化碳的液相存储，储存社区过剩的新能源电力，同时通过优化储释能过程中的热能冷能利用，可在满足储电的同时满足居民生活供热，供冷等需求，可以为社区微网的建设发展提供一种有意义的思路。

太阳能光伏/风力发电系统通过驱动电机与储能子系统连接，储能子系统通过蓄冷器5与第一二氧化碳储液罐3的输出端连接，储能子系统通过第二二氧化碳储液罐14与释能子系统连接；储能子系统通过第一换热器8与蓄热及供热系统连接，释能子系统通过第二换热器18与蓄热及供热系统连接；储能子系统通过第一制冷换热器12与蓄冷及供冷系统连接，释能子系统通过第二制冷换热器17与蓄冷及供冷系统连接。

储能子系统包括：二氧化碳压缩机7、第一换热器8、低温膨胀机9和气液分离器11。

第一二氧化碳储液罐3的出口经节流阀4、蓄冷器5和合流器6与二氧化碳压缩机7的入口连接，二氧化碳压缩机7的出口经第一换热器8和低温膨胀机9与气液分离器11连接。

第一二氧化碳储液罐3内的二氧化碳以压力(1MPa),低温(-40.1℃)储存，经过节流阀4降压至0.6MPa进入蓄冷器5升温至常温，再进入二氧化碳压缩机7升压升温，以高压高温状态进入第一换热器8，将热能传递给经第一增压泵25增压后的冷水，之后以高压常温的状态进入低温膨胀机9膨胀降压液化，压力重新降至1MPa，膨胀机出口为两相流进入气液分离器11。

太阳能光伏/风力发电系统包括：社区光伏/风电装置1和用户电负荷21。

社区微网中分布式电源由社区光伏/风电装置1组成，社区光伏/风电装置1分别与电动机2和用户电负荷21连接，电动机2用于驱动二氧化碳压缩机7；电力富裕时电能完全供应用户电负荷需求，多余电能驱动电动机2，以带动储能子系统的二氧化碳压缩机7；用户电负荷21经第一发电机10与低温膨胀机9连接，经第二发电机20与二氧化碳透平19连接。

释能子系统包括：第二换热器18、二氧化碳透平19。

气液分离器11包含一个气相出口和一个液相出口，气液分离器11的气相出口经第一制冷换热器12与合流器6连接，气相出口的二氧化碳经过第一制冷换热器12升温后进入合流器6与来自蓄冷器5的二氧化碳一同进入二氧化碳压缩机7压缩耗功；气液分离器11的液相出口经第一阀门13、第二二氧化碳储液罐14、第二阀门15、二氧化碳增压泵16、第二制冷换热器17、第二换热器18、二氧化碳透平19和蓄冷器5后与第一二氧化碳储液罐3的入口连接，二氧化碳透平19连接有第二发电机20。

液相出口的液态二氧化碳经过第一阀门13进入第二二氧化碳储液罐14；第二二氧化碳储液罐14罐内1MPa，-40.1℃的液态二氧化碳经第二阀门15流出，进入二氧化碳增压泵16升为高压，后进入第二制冷换热器17，与供冷工质换热升温成为气态，气态二氧化碳进入第二换热器18换热升温，高温高压的二氧化碳随后进入二氧化碳透平19做功，带动第二发电机20输出电力，二氧化碳透平19出口的常温低压二氧化碳进入蓄冷器5与蓄冷器材料冷能换热降温成为液态，进入第一二氧化碳储液罐3储存起来。

蓄热及供热系统：冷水箱22、储热罐27和用户热负荷30。

冷水箱22的冷水端依次经第三阀门23、第一增压泵25、第一换热器8、第五阀门26和储热罐27后分两路，一路经第六阀门28连接用户热负荷30，另一路经第七阀门29、第二换热器18和第四阀门24返回至冷水箱22。

冷水箱22中的冷水经第三阀门23流入第一增压泵25增压，再进入第一换热器8吸收二氧化碳压缩机7出口的高温高压二氧化碳的热量升温，经过第五阀门26后进入储热罐27储存起来。

储热罐27出口的循环水分为两路，一路经第六阀门28直接供应至用户热负荷30侧，另一路经第七阀门29进入第二换热器18与释能子系统中的常温高压二氧化碳换热，经过第四阀门24重新回到冷水箱22。

蓄冷及供冷系统包括：冷库35和用户冷负荷36。

冷库35内的冷源由两路供冷介质提供，包括第一制冷工质泵31和第二制冷工质泵34，第一制冷工质泵31经第一制冷换热器12和第八阀门32与冷库35连接，第二制冷工质泵34经第二制冷换热器17和第九阀门33与冷库35连接，通过冷库35连接用户冷负荷36。

一路供冷介质经第一制冷工质泵31增压后进入第一制冷换热器12与储能子系统气液分离器11气相出口的低温低压二氧化碳换热降温，经第八阀门32进入冷库储存；

另一路供冷工质经第二制冷工质泵34增压后进入第二制冷换热器17与释能子系统二氧化碳增压泵16出口的低温液态二氧化碳换热降温，后经第九阀门33进入冷库35储存；冷库35连接用户冷负荷36侧实现供冷。

需要说明的是，储能子系统中二氧化碳压缩机7的出口，与释能子系统中二氧化碳透平19入口均处于超临界状态，压力大于7.5MPa，温度大于35℃，第一二氧化碳储液罐3和第二二氧化碳储液罐14的储存状态均为低压状态，整体系统属于跨临界循环。

一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统的工作方法，具体如下：

太阳能光伏/风电电力消纳过程：

当太阳能光伏/风力发电装置发电量大于等于用户电负荷时，社区光伏/风电装置1的电力直接供应用户电负荷21需求后，富裕电力带动储能子系统运行，同时第一发电机10会产生部分电力用以供应用户电负荷；当社区光伏/风电装置发电量小于用户电负荷时，社区光伏/风电装置1的电力全部供应于用户电负荷21需求，同时释能子系统运行，利用二氧化碳透平19做功带动第二发电机20发电供应用户电负荷21。

储能过程：

此过程节流阀4，第一阀门13开启，第二阀门15关闭，第一二氧化碳储液罐中1MPa,-40.1℃的液态二氧化碳经过节流阀4降温减压，进入蓄冷器5吸热升温，之后经合流器6进入电动机2驱动的二氧化碳压缩机7升压升温，压缩机出口的高温二氧化碳气体进入第一换热器8，将热能传递给第一增压泵25加压后的循环水，之后常温高压的二氧化碳进入低温膨胀机9中膨胀至气液两相态，后进入气液分离器11，其中气相出口二氧化碳经第一制冷换热器12与制冷工质交换热量升温后进入合流器6与另一方向工质合流继续压缩储能过程，液相出口二氧化碳进入第二二氧化碳储液罐14进行储存；此过程实现将社区光伏/风电装置1的富裕电能转化为热能储存起来，其余以低温液态二氧化碳储存在第二二氧化碳储液罐14内。

释能过程：

此过程第一阀门13关闭，第二阀门15开启，二氧化碳增压泵16运行，具体而言第二二氧化碳储液罐14中的液态二氧化碳经第二阀门15流出进入二氧化碳增压泵16增压后，与第二制冷换热器17中制冷工质交换热量升温，后进入第二换热器18与来自储热罐27的高温热水换热升温，后高温高压的超临界二氧化碳(压力大于等于7.5MPa,温度大于等于35℃)进入二氧化碳透平19做功发电，二氧化碳透平19出口的二氧化碳进入蓄冷器5将自身热量传递给储能过程降温了的储冷介质实现二氧化碳液化，进入第一二氧化碳储液罐3储存；此过程通过二氧化碳透平19的做功实现储存能量向电能的转化与释放。

蓄热及供热过程：

此过程包含蓄热模式和供热两种模式，蓄热模式中，第三阀门23、第五阀门26开启，第四阀门24、第六阀门28、第七阀门29关闭，此时冷水箱22中的冷水经第一增压泵25加压后进入第一换热器8中，吸收储能过程二氧化碳压缩机7出口高温二氧化碳的热量成为热水，储存在储热罐27中；供热模式中，第三阀门23、第五阀门26关闭，第四阀门24开启、第六阀门28/第七阀门29开启，向用户供热时，开启第六阀门28，此时热水由储热罐27流出，经第六阀门28输送给用户热负荷30侧；向释能子系统供热时，储热罐27内热水经第七阀门29流出进入第二换热器18，用于加热释能过程的二氧化碳，后热水冷却至常温进入冷水箱22完成蓄热及供热过程的循环；整个蓄热及供热过程可以与储能过程、释能过程相关联，实现热能的存储与利用。

蓄冷及供冷过程：

蓄冷及供冷过程包含两路，一路与储能过程同时运行，此时第八阀门32开启，第九阀门33关闭，供冷工质经第一制冷工质泵31增压后与第一制冷换热器12换热降温，之后经过第八阀门32进入冷库35储存，另一路与释能过程同时运行，此时第八阀门32关闭，第九阀门33开启，供冷工质经第二制冷工质泵34增压后与第二制冷换热器17换热降温，之后经过第九阀门33也进入冷库35储存，在用户需求冷负荷时，由冷库35中储存的介质实现供冷；整个蓄冷及供冷系统也与储能过程、释能过程相关联，实现冷能的存储与利用。

根据Matlab工具自编程序仿真计算，以系统的储能密度(释能过程输出功/储液罐容积)、往返效率(释能过程输出功/储能过程消耗功)作为系统的评价指标，系统的储能密度可以达到20.7kWh/m³，往返效率可达50.9％。可以表征系统处于一个高效率的运行状态。

综上所述，本发明一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，合理消纳社区微网中太阳能光伏/风力发电装置的新能源电力，以液态二氧化碳存储方式有利于基于社区实际规模进行工程建设，并且在储电同时合理对系统中冷能热能进行储存，可以同时实现对社区用户供热供冷，具备较好的工程应用价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统，其特征在于，包括第一二氧化碳储液罐(3)，第一二氧化碳储液罐(3)的出口端依次经蓄冷器(5)、储能子系统、第二二氧化碳储液罐(14)、释能子系统和蓄冷器(5)与第一二氧化碳储液罐(3)的入口端连接形成回路，储能子系统通过驱动电机与太阳能光伏/风力发电系统连接，用于实现储能和释能；

储能子系统通过第一换热器(8)连接蓄热及供热系统，蓄热及供热系统通过第二换热器(18)与释能子系统连接，用于实现蓄热及供热；

储能子系统通过第一制冷换热器(12)与蓄冷及供冷系统连接，释能子系统通过第二制冷换热器(17)与蓄冷及供冷系统连接，用于实现蓄冷及供冷。

2.根据权利要求1所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，储能子系统包括二氧化碳压缩机(7)，蓄冷器(5)经合流器(6)与二氧化碳压缩机(7)的入口连接，二氧化碳压缩机(7)的出口经第一换热器(8)和低温膨胀机(9)与气液分离器(11)连接，气液分离器(11)的出口分两路，一路经第一制冷换热器(12)与合流器(6)连接，另一路经第二二氧化碳储液罐(14)与释能子系统连接。

3.根据权利要求2所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，低温膨胀机(9)经第一发电机(10)与太阳能光伏/风力发电系统连接，二氧化碳压缩机(7)经电动机(2)与太阳能光伏/风力发电系统连接。

4.根据权利要求2所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，气液分离器(11)与第二二氧化碳储液罐(14)之间设置有第一阀门(13)。

5.根据权利要求1所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，太阳能光伏/风力发电系统包括社区光伏/风电装置(1)，社区光伏/风电装置(1)通过电动机(2)和储能子系统的二氧化碳压缩机(7)连接，社区光伏/风电装置(1)通过用户电负荷(21)分别与储能子系统的第一发电机(10)和释能子系统的第二发电机(20)连接。

6.根据权利要求1所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，释能子系统包括二氧化碳透平(19)，二氧化碳透平(19)的出口与蓄冷器(5)连接，二氧化碳透平(19)的入口依次经第二换热器(18)、第二制冷换热器(17)和二氧化碳增压泵(16)与第二二氧化碳储液罐(14)的出口端连接。

7.根据权利要求6所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，二氧化碳增压泵(16)与第二二氧化碳储液罐(14)之间设置有第二阀门(15)。

8.根据权利要求1所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统及方法，其特征在于，蓄热及供热系统包括冷水箱(22)，冷水箱(22)的冷水端依次经第一增压泵(25)、第一换热器(8)和储热罐(27)后分两路，一路连接用户热负荷(30)，另一路经第二换热器(18)返回至冷水箱(22)。

9.根据权利要求1所述的基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统，其特征在于，蓄冷及供冷系统包括冷库(35)，冷库(35)的输入端分两路，一路经第一制冷换热器(12)连接第一制冷工质泵(31)，另一路经第二制冷换热器(17)连接第二制冷工质泵(34)，冷库(35)的输出端连接用户冷负荷(36)。

10.根据权利要求1所述基于液态二氧化碳储存的冷热电联供储能系统的工作方法，其特征在于，包括如下：

太阳能光伏/风力发电系统消纳过程：

当太阳能光伏/风力发电系统的发电量大于等于用户电负荷时，太阳能光伏/风力发电系统直接供应用户电负荷需求，富裕电力带动储能子系统运行，同时储能子系统产生部分电力用以供应用户电负荷；当社区光伏/风电装置发电量小于用户电负荷时，太阳能光伏/风力发电系统直接供应用户电负荷需求，同时释能子系统运行，利用储能子系统做功发电供应用户电负荷；

储能子系统储能过程：

第一二氧化碳储液罐中1MPa，-40.1℃的液态二氧化碳经过降温减压，进入蓄冷器吸热升温，然后升压升温得到高温二氧化碳气体，高温二氧化碳气体进入第一换热器，将热能传递给加压后的循环水，之后常温高压的二氧化碳膨胀至气液两相态，气相二氧化碳经第一制冷换热器与制冷工质交换热量升温后与另一方向工质合流继续压缩储能过程，液相二氧化碳进入第二二氧化碳储液罐进行储存；将富裕电能转化为热能储存，其余以低温液态二氧化碳储存在第二二氧化碳储液罐内；

释能子系统释能过程：

第二二氧化碳储液罐中的液态二氧化碳经增压后，与第二制冷换热器中制冷工质交换热量升温，进入第二换热器与蓄热及供热系统的高温热水换热升温，利用高温高压的超临界二氧化碳做功发电，二氧化碳进入蓄冷器将自身热量传递给储能过程降温的储冷介质实现二氧化碳液化，进入第一二氧化碳储液罐3储存，通过做功实现储存能量向电能的转化与释放；

蓄热及供热系统蓄热模式：冷水加压后进入第一换热器中，吸收储能过程中高温二氧化碳的热量成为热水并储存；

蓄热及供热系统供热模式：向用户供热时，热水输送给用户热负荷侧；向释能子系统供热时，热水进入第二换热器用于加热释能过程的二氧化碳，然后热水冷却至常温完成蓄热及供热过程的循环；

蓄冷及供冷系统的蓄冷及供冷过程：

蓄冷及供冷过程包含两路，一路与储能过程同时运行，供冷工质经增压后与第一制冷换热器换热降温，之后储存，另一路与释能过程同时运行，供冷工质经增压后与第二制冷换热器换热降温，之后储存；在用户需求冷负荷时，利用储存的介质实现供冷。

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