CN114922789A - 基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法 - Google Patents

基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法，储能阶段利用斜温层储热罐储存太阳能的热量，利用电网多余风电能压缩二氧化碳工质，将风电能以热能和压力能的型式存储；释能阶段二氧化碳工质通过填充床蓄热器及导热油换热器吸收热量进入透平做功完成释能；本发明实现二氧化碳工质液态存储大大提高了系统储能密度减少占地面积；实现风能和太阳能的同时存储，并实现能量的梯级利用，大大提高了系统效率。

Description

基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法
技术领域
本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法。
背景技术
世界能源需求随着经济的高速发展持续增长，我国连续17年稳居全球能源增长榜首。随着世界人口的日益膨胀与社会的飞速发展，能源紧缺和环境污染已经成为世界各国所面临的最严重的问题，能源结构也需要进行调整和重新配置。为解决我国能源需求和环境问题，风能、太阳能等可再生能源将是我国能源行业发展方向之一，同时也是我国能源行业发展的绝对重心之一。然而，我国风能、太阳能随机性、间歇性、波动性的特点严重制约了风能、太阳能的大规模并网。随着风能、太阳能的并网容量不断增加，对我国电力系统的供给侧带来严峻的挑战。因此，研究风能、太阳能和其他能量之间的相互转化、存储释放具有很强的现实意义。
储能技术能够稳定风能、太阳能输出功率的波动，提高并网等级以及平抑峰谷差。开展储能系统研究不仅能够提高可再生能源利用率避免对环境的破坏，同时可以提高电网运行的安全性、可靠性以及经济型、具有重要的工程应用价值。
压缩气体储能系统主要经历以下发展：首先是在燃气轮机技术上发展出来的传统压缩空气储能系统工作原理是利用新能源或者电网过剩电能将空气加压后储存在高压封闭的地下洞穴、矿洞等储气容积内，当电网需求较大时，将高压空气释放经化石燃料补燃后膨胀做功。然而该系统没有摆脱化石燃料的依赖，且透平排烟温度高，余热损失较大。为摆脱对化石燃料的依赖在传统压缩空气储能系统的基础上开发出了先进绝热压缩空气储能系统，有效利用储能阶段压缩热加热工质，摆脱对化石燃料的依赖，大大提高系统效率。然而该系统工质以气态形式存在，储能密度低，需要的储气空间大，这就对地理位置提出了很高的要求，这无疑极大的限制了该系统的使用。基于此，提出了液态空气储能系统，将空气以液态形式存储，以提高储能密度，减小储气罐体积。然而由于空气临界温度低，液化过程需要额外的冷源且在极低的温度下钢铁会出现脆性，对系统材料提出了很高的要求。
相比于空气，二氧化碳液化温度高易实现，而且采用二氧化碳作为工质，系统设备紧凑，投资成本小，建设周期短。
现有的压缩二氧化碳储能技术仅仅通过压缩热加热工质，透平进口参数低，系统输出功小，系统储能密度低。而且无法实现风能、太阳能的两种能源的存储和释放，极大的限制了系统应用的灵活性。
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，提供一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法，储能阶段太阳能以热能的形式存储于斜温层储热罐中，风能以热能和压力能的形式存储，同时实现风能和太阳能的存储；释能时储能阶段储存的压缩热、太阳能光热同时加热工质，有效提高系统输出功及系统储能密度。
本发明采用以下技术方案：
基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，包括低压二氧化碳储液罐，低压二氧化碳储液罐的出口端依次经填充床蓄冷器，压气机，填充床蓄热器，冷凝器与高压二氧化碳储液罐的入口端连接，高压二氧化碳储液罐的出口端经二氧化碳工质泵分两路，分别经填充床蓄热器和导热油换热器与透平连接，透平的出口端依次通过冷却器和填充床蓄冷器与低压二氧化碳储液罐的入口端连接；
导热油换热器的冷端出口依次经斜温层储热罐的冷端入口，集热器和斜温层储热罐的热端出口与导热油换热器的热端入口连接，集热器用于将定日镜反射的太阳光转变为热能后供系统使用。
具体的，冷凝器与高压二氧化碳储液罐之间设置有第一节流阀。
具体的，高压二氧化碳储液罐与二氧化碳工质泵之间设置有第一截止阀。
具体的，低压二氧化碳储液罐与填充床蓄冷器之间设置有第二节流阀。
具体的，高压二氧化碳储液罐与低压二氧化碳储液罐中二氧化碳工质均为液态。
具体的，低压二氧化碳储液罐与斜温层储热罐的外侧均覆盖有保温涂层。
具体的，压气机连接电动机的输出轴，电动机由风电场供电。
具体的，斜温层储热罐与集热器之间设置有第二截止阀。
具体的，斜温层储热罐热端出口与导热油换热器之间设置有第三截止阀。
本发明的另一个技术方案是，基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统的运行方法，包括：
低压液态二氧化碳工质从低压二氧化碳储液罐流出，经降压降温后进入填充床蓄冷器，将工质冷能存储与填充床蓄冷器中，然后二氧化碳工质经压气机压缩变为高压气态二氧化碳，压缩后的二氧化碳工质进入填充床蓄热器将压缩热储存于填充床蓄热器中，然后进入冷凝器冷凝为液态后，降压至存储于高压二氧化碳储液罐中，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化；同时，导热油从斜温层储热罐的冷端出口流出，经集热器吸收定日镜反射的太阳能后从斜温层储热罐热端入口流入，实现太阳能向热能的转换存储，完成储能；
液态高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐流出经二氧化碳工质泵升压后分流，一部分二氧化碳工质进入填充床蓄热器吸收压缩热，同时导热油从斜温层储热罐热端流出进入导热油换热器与另一部分二氧化碳工质换热；换热后的两股工质合并共同进入透平做功，透平驱动发电机发出稳定的电能，做功后的工质进入冷却器冷却后进入填充床蓄冷器，经储能阶段存储的冷能冷却为液态后储存于低压二氧化碳储液罐，完成释能。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，采用二氧化碳作为储能工质，将多余电能以热能和压力能的形式进行存储；压气机与冷凝器之间设置有填充床蓄热器，通过直接换热将压气机压缩热存储与填充床蓄热器中，大大提高换热效率；二氧化碳工质泵同时与填充床蓄热器和导热油换热器连接，二氧化碳工质分流后同时进入填充床蓄热器和导热油换热器吸收热量，提高透平进口参数；在电网负荷高峰时通过透平将所储存的能量进行稳定的释放；同时实现风能、太阳能的存储，实现了风光储一体化，有效提高可再生能源的利用率且有效提高了透平进口参数，提高系统循环效率。
进一步的，采用第一节流阀对二氧化碳工质进行等焓节流，降低二氧化碳工质压力至高压储液罐储存压力，以维持高压储液罐储存压力稳定。
进一步的，通过第一截止阀控制储能系统释能过程是否开启，提高储能系统灵活性。是系统更好的发挥“削峰填谷”作用。
进一步的，通过第二节流阀对储能阶段工质进行节流，利用“焦耳-汤姆逊”效应使工质降温以获得冷能用于液化释能阶段二氧化碳工质，以实现液态存储。
进一步的，高低压二氧化碳均以液态形式进行存储，大大减小储液罐体积，提高储能密度，减少投资成本，缩短建设周期。
进一步的，由于低压二氧化碳储液罐储存温度远低于周围环境温度，采用保温涂层以减少其与周围环境换热，有利于实现二氧化碳液态存储。斜温层储热罐中导热油温度远高于周围环境温度，采用保温涂层以减少其与周围环境的换热，减少热能浪费。
进一步的，压气机连接电动机的输出轴，电动机由风电场供电。当风力发电厂发电量高于电网负荷侧需求量时，使用多于风电驱动压气机压缩二氧化碳工质，将风电能转换为二氧化碳工质内能，以实现多余风电能的存储。
进一步的，由于太阳能间歇性的特点，定日镜场反射到集热器上的太阳能并不稳定，通过第二截止阀控制进入集热器内导热油的流量，使流出集热器的导热油温度保持稳定。
进一步的，通过第三截止阀根据储能系统需要控制与二氧化碳工质换热的导热油流量，使所储存的太阳能热量得到更合理的利用。
基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统的运行方法，低压液态二氧化碳工质从低压二氧化碳储液罐流出，通过节流阀，根据焦耳-汤姆逊效应，降压降温后进入填充床蓄冷器，将工质冷能存储与填充床蓄冷器中，然后二氧化碳工质经压气机压缩变为高压气态二氧化碳，压缩后的二氧化碳工质进入填充床蓄热器将压缩热储存于填充床蓄热器中，然后进入冷凝器冷凝为液态后，降压至高压二氧化碳储液罐储存压力存储于高压二氧化碳储液罐中，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化；同时，导热油从斜温层储热罐的冷端出口流出，经集热器吸收定日镜反射的太阳能后从斜温层储热罐热端入口流入，实现太阳能向热能的转换存储，完成储能；释能阶段：液态高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐流出经二氧化碳工质泵升压后分流，一部分二氧化碳工质进入填充床蓄热器吸收压缩热，另一部分二氧化碳工质与斜温层储热罐热端流出的导热油在导热油换热器中进行换热；换热后的两股工质合并共同进入透平做功。采用分流换热可有效提高透平进口温度，提高储能系统性能。透平驱动发电机发出稳定的电能，做功后的工质进入冷却器冷却后进入填充床蓄冷器，使用储能阶段存储的冷能将工质冷却为液态后储存于低压二氧化碳储液罐，完成释能。
综上所述，本发明具有应用灵活、工作高效、储能密度大、功率输出稳定等特点，可有效减少“弃风”、“弃光”，推动风电、光电的发展。
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；
图2为压气机出口压力9000KPa储能系统有无利用太阳能对比示意图。
其中：1.电动机；2.压气机；3.填充床蓄热器；4.冷凝器；5.第一节流阀；6.高压二氧化碳储液罐；7.第一截止阀；8.二氧化碳工质泵；9.导热油换热器；10.第三截止阀；11.斜温层储热罐；12.透平；13.冷却器；14.填充床蓄冷器；15第二节流阀；16.低压二氧化碳储液罐；17.定日镜；18.集热器；19.第二截止阀；20.风电场。
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太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法，储能阶段利用斜温层储热罐储存光热发电系统的热量，利用风能压缩二氧化碳工质，将风电能以热能和压力能的型式存储。释能阶段二氧化碳工质通过填充床蓄热器及导热油换热器吸收热量进入透平做功完成释能。本发明实现二氧化碳工质液态存储大大提高了系统储能密度减少占地面积。实现风能和太阳能的同时存储，并实现能量的梯级利用，大大提高了系统效率。
请参阅图1，本发明一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法，包括压气机2、填充床蓄热器3、冷凝器4、高压二氧化碳储液罐6、导热油换热器9、斜温层储热罐11、透平12、冷却器13、填充床蓄冷器14、低压二氧化碳储液罐16、定日镜17和集热器18。
低压二氧化碳储液罐16的出口端连接至填充床蓄冷器14，填充床蓄冷器14的出口端连接至压气机2，压气机2的出口端依次通过填充床蓄热器3、冷凝器4连接至高压二氧化碳储液罐6的入口端，高压二氧化碳储液罐6的出口端与二氧化碳工质泵8的入口连接，二氧化碳工质泵8的出口同时与填充床蓄热器3和导热油换热器9连接，填充床蓄热器3的出口端和导热油换热器9的出口端同时与透平12连接，通过透平12驱动发电机发电，透平12的出口端依次通过冷却器13和填充床蓄冷器14连接至低压二氧化碳储液罐16的入口端。
压气机2通过电动机1驱动，电动机1由风电场20供电。
冷凝器4与高压二氧化碳储液罐6之间设置有第一节流阀5，储能时工质通过第一节流阀5降温降压至高压二氧化碳储液罐储存压力。
冷凝器4的换热介质为常温水，经过冷凝器4换热，二氧化碳工质完全变为液态。
高压二氧化碳储液罐6与二氧化碳工质泵8之间设置有第一截止阀7。
低压二氧化碳储液罐16与填充床蓄冷器14之间设置有第二节流阀15，释能时工质通过第二节流阀15降温并将冷能存储与填充床蓄冷器14中。
高压二氧化碳储液罐6与低压二氧化碳储液罐16中二氧化碳工质均为液态。
低压二氧化碳储液罐16与斜温层储热罐11外均覆盖有保温涂层。
斜温层储热罐11的热端出口和冷端入口分别于导热油换热器9的热端入口和冷端出口通过管道连接，斜温层储热罐11的冷端出口和热端入口分别与集热器18连接，定日镜17一边跟随太阳，一边把太阳光按一定方向反射，将太阳光聚到集热器18集中，转变成热能。
斜温层储热罐11与集热器18之间设置有第二截止阀19。
斜温层储热罐11热端出口与导热油换热器9之间设置有第三截止阀10。
本发明一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统的运行方法，分为储能和释能过程，具体如下：
储能过程
低压液态二氧化碳工质从低压二氧化碳储液罐16流出，经第二节流阀15降压降温后进入填充床蓄冷器14，将工质冷能存储与填充床蓄冷器14中，然后二氧化碳工质经压气机2压缩变为高压气态二氧化碳，压气机2由风电场(20多余的电能驱动，压缩后的二氧化碳工质进入填充床蓄热器3将压缩热储存于填充床蓄热器3中，然后进入冷凝器4冷凝为液态后进入第一节流阀5降压至高压二氧化碳储液罐6储存压力后存储于高压二氧化碳储液罐6中，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化。同时，第二截止阀19打开，导热油从斜温层储热罐11冷端出口流出，经过集热器18吸收定日镜17反射的太阳能后从斜温层储热罐11热端入口流入，实现太阳能向热能的转换存储，储能过程完成。
释能过程
第一截止阀7打开，液态高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐6流出经二氧化碳工质泵8升压后分流，一部分二氧化碳工质进入填充床蓄热器3吸收压缩热，同时，第三截止阀10打开，导热油从斜温层储热罐11热端流出进入导热油换热器9与另一部分二氧化碳工质换热。换热后两股工质合并共同进入透平12做功，透平12驱动发电机发出稳定的电能，做功后的工质进入冷却器13冷却后进入填充床蓄冷器14，经储能阶段存储的冷能冷却为液态后储存于低压二氧化碳储液罐16，释能过程完成。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
请参阅图2，展示了压气机出口压力为9000KPa时利用太阳能的储能系统与未利用太阳能的储能系统性能对比。
由图2看出，压气机出口压力为9000KPa时，随着工质泵出口压力的变化，利用了太阳能的储能系统储能密度从28kWh/m3变化至33kWh/m3，而未利用太阳能的储能系统储能密度从25kWh/m3变化至30kWh/m3，且不同工质泵出口压力下，利用了太阳能的储能系统储能密度均大于未利用太阳能的储能系统。往返效率方面，利用了太阳能的储能系统往返效率为40％～53％，而未利用太阳能的储能系统往返效率为40％～47％，利用了太阳能的储能系统往返效率始终大于未利用太阳能的储能系统，且随着工质泵出口压力的提升，这种优势更为明显。因此，利用了太阳能的储能系统性能要优于未利用太阳能的储能系统。
综上所述，本发明一种基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统及其运行方法，可有效平抑风能和太阳能的功率波动，提高风能和太阳能的利用率。本发明以风电和太阳能作为输入，采用二氧化碳作为储能工质。将风电能和太阳能以热能和压力能的形式进行存储，电网高负荷时将所储存的能量通过透平进行稳定高效的释放。主要优点在于二氧化碳工质以液态形式进行存储，极大的缩小了储罐大小，储能密度大；可以同时实现风能和太阳能的存储，提升了可再生能源的利用率；采用斜温层储热罐，减少设备投资；采用填充床换热器，提高换热效率，系统热力性能好。
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.基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，包括低压二氧化碳储液罐(16)，低压二氧化碳储液罐(16)的出口端依次经填充床蓄冷器(14)，压气机(2)，填充床蓄热器(3)，冷凝器(4)与高压二氧化碳储液罐(6)的入口端连接，高压二氧化碳储液罐(6)的出口端经二氧化碳工质泵(8)分两路，分别经填充床蓄热器(3)和导热油换热器(9)与透平(12)连接，透平(12)的出口端依次通过冷却器(13)和填充床蓄冷器(14)与低压二氧化碳储液罐(16)的入口端连接；
导热油换热器(9)的冷端出口依次经斜温层储热罐(11)的冷端入口，集热器(18)和斜温层储热罐(11)的热端出口与导热油换热器(9)的热端入口连接，集热器(18)用于将定日镜(17)反射的太阳光转变为热能后供系统使用。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，冷凝器(4)与高压二氧化碳储液罐(6)之间设置有第一节流阀(5)。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，高压二氧化碳储液罐(6)与二氧化碳工质泵(8)之间设置有第一截止阀(7)。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，低压二氧化碳储液罐(16)与填充床蓄冷器(14)之间设置有第二节流阀(15)。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，高压二氧化碳储液罐(6)与低压二氧化碳储液罐(16)中二氧化碳工质均为液态。
6.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，低压二氧化碳储液罐(16)与斜温层储热罐(11)的外侧均覆盖有保温涂层。
7.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，压气机(2)连接电动机(1)的输出轴，电动机(1)由风电场(20)供电。
8.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，斜温层储热罐(11)与集热器(18)之间设置有第二截止阀(19)。
9.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统，其特征在于，斜温层储热罐(11)热端出口与导热油换热器(9)之间设置有第三截止阀(10)。
10.根据权利要求1所述的基于太阳能的压缩二氧化碳液态储能系统的运行方法，其特征在于，包括：
低压液态二氧化碳工质从低压二氧化碳储液罐流出，经降压降温后进入填充床蓄冷器，将工质冷能存储与填充床蓄冷器中，然后二氧化碳工质经压气机压缩变为高压气态二氧化碳，压缩后的二氧化碳工质进入填充床蓄热器将压缩热储存于填充床蓄热器中，然后进入冷凝器冷凝为液态后，降压至存储于高压二氧化碳储液罐中，完成电能向二氧化碳压力能和热能的转化；同时，导热油从斜温层储热罐的冷端出口流出，经集热器吸收定日镜反射的太阳能后从斜温层储热罐热端入口流入，实现太阳能向热能的转换存储，完成储能；
液态高压二氧化碳工质从高压二氧化碳储液罐流出经二氧化碳工质泵升压后分流，一部分二氧化碳工质进入填充床蓄热器吸收压缩热，同时导热油从斜温层储热罐热端流出进入导热油换热器与另一部分二氧化碳工质换热；换热后的两股工质合并共同进入透平做功，透平驱动发电机发出稳定的电能，做功后的工质进入冷却器冷却后进入填充床蓄冷器，经储能阶段存储的冷能冷却为液态后储存于低压二氧化碳储液罐，完成释能。
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