CN115045731A - 一种基于液体co2混合物的热储能系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于液体CO2混合物的热储能系统及其工作方法，属于储能系统技术领域。包括低温液体混合物储罐、蒸发器、压缩机、第一导热油换热器、低温导热油储罐、高温混合物储罐、高温导热油储罐、第二导热油换热器、透平和冷凝器。本发明基于液体CO2混合物的热储能系统，在液体CO2混合物储能系统中增加了导热油储热系统，能够将压缩机出口混合物工质的热量传递到导热油中储存。本发明的储能系统效率较高，同时该系统解决了传统压缩空气储能系统需要大量储存空间的缺陷，也避免了新一代液化压缩空气储能系统需要低温冷却的技术困难。
Description
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，具体涉及一种基于液体CO2混合物的热储能系统及其工作方法。
背景技术
随着新能源，尤其是风电和太阳能光伏发电的增加，新能源发电对于电网的冲击作用越来越大，为了解决这个问题，国家大力鼓励光伏配套储能、风电配套储能，储能调峰电站等方向的研究。虽然储能的形式有很多，例如抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能、储热、飞轮储能等。但目前适合于大规模储能的方式只有压缩空气储能，储热和抽水储能。而电池储能虽然效率最高，但是成本太高，适合于新能源汽车这类小型紧凑式应用场合，但不适合于电站级别的大规模储能。飞轮储能则适合于调频这样的快速响应需求，也不适合于电站级别的大规模储能。压缩空气储能、抽水储能、储热相比较而言，抽水储能成本最低，切效率也比较高，但劣势是需要修建水库，只适合于在水力资源丰富的江河湖地区建造。
储热是近年来兴起的储能方式，在太阳能光热发电领域应用广泛。但储热并非可以单独使用，而是作为太阳能发电系统的配套系统应用，若作为单独的储能电站，则目前成本相对较高。压缩空气储能是可以与抽水储能相媲美的另一种储能方式。上个世纪80年代德国、美国相继建立了压缩空气储能电站。压缩空气储能相继经历了补燃压缩空气储能电站、蓄热压缩空气储能电站的发展历程，目前正在向液化压缩空气储能电站及超临界压缩空气储能电站的方向发展。传统的补燃压缩空气储能电站及蓄热压缩空气储能电站都需要储存大量压缩空气，一般选择自然山洞、废弃矿井、底下岩穴、含水层等特殊地形储存压缩空气。国内新建的蓄热压缩空气储能电站则多以地面储罐、管道储气等方式储存。国外也有提出水下气囊储存压缩空气的设计。但这些储存方式都面临占地大，投资的问题。最先进的液化压缩空气储能及超临界压缩空气储能的储存空间理论上可以缩减为原来的二十分之一，但是这两项技术都涉及到低温冷却技术，需要将空气冷却到-200℃以及-196℃以下，深冷技术难度大，投资大。即这两项新技术在解决了压缩空气储存空间问题的同时又引入了新的技术困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于液体CO2混合物的热储能系统及其工作方法，显著减小了储能系统的占地空间，同时不需要引入低温冷却设备，能够推广压缩空气储能的应用范围，有助于新能源的发展利用，环节不稳定电源对于电网的冲击。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种基于液体CO2混合物的热储能系统，包括低温液体混合物储罐、蒸发器、压缩机、第一导热油换热器、低温导热油储罐、高温混合物储罐、高温导热油储罐、第二导热油换热器、透平和冷凝器；
低温液体混合物储罐的出口与蒸发器的冷侧入口连接，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口连接，压缩机的出口与第一导热油换热器的工质侧入口连接，第一导热油换热器的工质侧出口与高温混合物储罐的入口连接，高温混合物储罐的出口与第二导热油换热器的工质侧入口连接，第二导热油换热器的工质侧出口与透平的入口连接，透平的出口与冷凝器的热侧入口连接，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口连接；第一导热油换热器的导热油侧出口与高温导热油储罐的入口连接，高温导热油储罐的出口与第二导热油换热器的导热油侧入口连接，第二导热油换热器的导热油侧出口与低温导热油储罐的入口连接，低温导热油储罐的出口与第一导热油换热器的导热油侧入口连接。
优选地，第一导热油换热器和第二导热油换热器均为印刷电路板式换热器。
优选地，低温液体混合物储罐、低温导热油储罐、高温混合物储罐和高温导热油储罐上设有压力计和温度计。
优选地，高温混合物储罐和高温导热油储罐的外部设有保温层。
优选地，低温液体混合物储罐、低温导热油储罐、高温混合物储罐和高温导热油储罐上设有安全阀。
优选地，液体混合物为CO2-碳酸二甲酯、CO2-甲苯或CO2-苯。
优选地，导热油为400型高温导热油。
本发明公开的上述基于液体CO2混合物的热储能系统的工作方法，包括：
当有富余电能需要储存时，启动压缩机，将低温液体混合物储罐中的液体抽入蒸发器的冷侧，液体混合物在蒸发器中吸收热量蒸发为气态，气态混合物在压缩机中被增压，增压过程为吸收电能过程；高压高温混合物进入第一导热油换热器的工质侧放热，然后储存在高温混合物储罐中；热量储存在导热油当中，同时高温导热油储存在高温导热油储罐中，完成储能过程；
当需要输出电能时，在高温混合物储罐中的工质进入第二导热油换热器的工质侧，同时高温导热油储罐中储存的高温导热油进入第二导热油换热器的导热油侧放热，混合物工质吸收热量之后进入透平做功输出电能，然后进入冷凝器的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐中；同时，释放热量之后的导热油进入低温导热油储罐储存，完成能量释放过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
现有的采用压缩液体CO2混合物的储能技术，混合物在环境温度附近即可冷却凝结为液体，而无需低温冷却。因此低温低压CO2混合物可以采用密度很大的液体形式储存，储存空间小。但部分混合物工质在经过压缩机压缩达到高温高压后密度仍然比液态小很多，以CO2-R41，CO2-propyne，CO2-propylene，等为例，压缩机出口工质密度是液态密度的1/2左右。虽然比同等规模的压缩空气储能所需空间大，但是仍然需要占用不小的空间。本发明公开的一种基于液体CO2混合物的热储能系统，在液体CO2混合物储能系统中增加了导热油储热系统，将压缩机出口混合物工质的热量传递到导热油中储存，待需要用电时，在将导热油中的热量传递给混合物工质，混合物工质进入透平做功。而温度降低后的CO2混合物工质的密度可增加至接近液态工质的密度，从而明显减小储能系统占地空间。本发明的储能系统效率较高，同时该系统解决了传统压缩空气储能系统需要大量储存空间的缺陷，也避免了新一代液化压缩空气储能系统需要低温冷却的技术困难。
进一步地，第一导热油换热器和第二导热油换热器均采用印刷电路板式换热器，传热密度高、体积小、节省空间。
进一步地，低温液体混合物储罐、低温导热油储罐、高温混合物储罐和高温导热油储罐上设有压力计和温度计，能够实时监测温度和压力，提高系统的安全性和稳定性。
进一步地，高温混合物储罐和高温导热油储罐的外部设有保温层，能够防止热量散失。
进一步地，低温液体混合物储罐、低温导热油储罐、高温混合物储罐和高温导热油储罐上设有安全阀，能够提高安全性。
本发明公开的上述基于液体CO2混合物的热储能系统的工作方法，自动化程度高，运行和维护成本低，高效节能，应用范围广。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图。
图中：1为低温液体混合物储罐、2为蒸发器、3为压缩机、4为第一导热油换热器、5为低温导热油储罐、6为高温混合物储罐、7为高温导热油储罐、8为第二导热油换热器、9为透平、10为冷凝器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，为本发明的基于液体CO2混合物的热储能系统，包括低温液体混合物储罐1、蒸发器2、压缩机3、第一导热油换热器4、低温导热油储罐5、高温混合物储罐6、高温导热油储罐7、第二导热油换热器8、透平9和冷凝器10，低温液体混合物储罐1的出口与蒸发器2的冷侧入口相连通，蒸发器2的冷侧出口与压缩机3的入口相连通，压缩机3的出口与第一导热油换热器4的工质侧入口相连通，第一导热油换热器4的工质侧出口与高温混合物储罐6的入口相连通，高温混合物储罐6的出口与第二导热油换热器8的工质侧入口相连通，第二导热油换热器8的工质侧出口与透平9的入口相连通，透平9的出口与冷凝器10的热侧入口相连通，冷凝器10的热侧出口与低温液体混合物储罐1的入口相连通。
第一导热油换热器4的导热油侧出口与高温导热油储罐7的入口相连接，高温导热油储罐7的出口与第二导热油换热器8的导热油侧入口相连接，第二导热油换热器8的导热油侧出口与低温导热油储罐5的入口相连接，低温导热油储罐5的出口与第一导热油换热器4的导热油侧入口相连通。
在本发明的一个较优的实施例中，第一导热油换热器4和第二导热油换热器8均采用印刷电路板式换热器。
在本发明的一个较优的实施例中，低温液体混合物储罐1、低温导热油储罐5、高温混合物储罐6和高温导热油储罐7上设有压力计和温度计。
在本发明的一个较优的实施例中，高温混合物储罐6和高温导热油储罐7的外部设有保温层。
在本发明的一个较优的实施例中，低温液体混合物储罐1、低温导热油储罐5、高温混合物储罐6和高温导热油储罐7上设有安全阀。
在本发明的一个较优的实施例中，液体混合物为CO2-碳酸二甲酯、CO2-甲苯或CO2-苯等二元混合物，与CO2混合的其它成分基本都是大分子量物质。
在本发明的一个较优的实施例中，导热油为400型高温导热油，主要成分为联苯-联苯醚。
下面结合本发明的工作原理和工作方法对本发明进行进一步地解释说明：
当有富余电能需要储存时，首先启动压缩机3，将低温液体混合物储罐1中的液体抽入蒸发器2的冷侧，液体混合物在蒸发器2中吸收热量蒸发为气态，然后气态混合物在压缩机3中被增压，增压过程即为吸收电能的过程，高压高温混合物进入第一导热油换热器4的工质侧放热，将热量储存在导热油当中，然后储存在高温混合物储罐6当中，同时高温导热油储存在高温导热油储罐7。完成储能过程。
当需要输出电能时，在高温混合物储罐6中的工质进入第二导热油换热器8的工质侧，同时高温导热油储罐7中储存的高温导热油进入第二导热油换热器8的导热油侧放热，混合物工质吸收热量之后进入透平9做功输出电能，然后进入冷凝器10的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐1中。同时，释放热量之后的导热油进入低温导热油储罐5储存。完成能量释放过程。
但图1所示的压缩液体CO2混合物储能系统的其它冷却或加热方式不影响本发明的应用，同时导热油储热系统也可根据CO2混合物种类的不同更换为其他储热介质，例如热水、熔盐等，本发明的内容对于压缩液体CO2混合物储能系统的其它冷却或加热方式也适用，本发明的内容对于其他储热介质也适用，因此本发明中的压缩液体CO2混合物储能系统是广泛意义上的压缩液体CO2混合物储能系统，而非局限于图示布局。例如其它压缩液体CO2混合物储能系统可采用太阳能加热蒸发器中的工质，或采用水冷冷却冷凝器中的工质，等等。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (8)
1.一种基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，包括低温液体混合物储罐(1)、蒸发器(2)、压缩机(3)、第一导热油换热器(4)、低温导热油储罐(5)、高温混合物储罐(6)、高温导热油储罐(7)、第二导热油换热器(8)、透平(9)和冷凝器(10)；
低温液体混合物储罐(1)的出口与蒸发器(2)的冷侧入口连接，蒸发器(2)的冷侧出口与压缩机(3)的入口连接，压缩机(3)的出口与第一导热油换热器(4)的工质侧入口连接，第一导热油换热器(4)的工质侧出口与高温混合物储罐(6)的入口连接，高温混合物储罐(6)的出口与第二导热油换热器(8)的工质侧入口连接，第二导热油换热器(8)的工质侧出口与透平(9)的入口连接，透平(9)的出口与冷凝器(10)的热侧入口连接，冷凝器(10)的热侧出口与低温液体混合物储罐(1)的入口连接；第一导热油换热器(4)的导热油侧出口与高温导热油储罐(7)的入口连接，高温导热油储罐(7)的出口与第二导热油换热器(8)的导热油侧入口连接，第二导热油换热器(8)的导热油侧出口与低温导热油储罐(5)的入口连接，低温导热油储罐(5)的出口与第一导热油换热器(4)的导热油侧入口连接。
2.根据权利要求1所述的基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，第一导热油换热器(4)和第二导热油换热器(8)均为印刷电路板式换热器。
3.根据权利要求1所述的基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，低温液体混合物储罐(1)、低温导热油储罐(5)、高温混合物储罐(6)和高温导热油储罐(7)上设有压力计和温度计。
4.根据权利要求1所述的基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，高温混合物储罐(6)和高温导热油储罐(7)的外部设有保温层。
5.根据权利要求1所述的基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，低温液体混合物储罐(1)、低温导热油储罐(5)、高温混合物储罐(6)和高温导热油储罐(7)上设有安全阀。
6.根据权利要求1所述的基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，液体混合物为CO2-碳酸二甲酯、CO2-甲苯或CO2-苯。
7.根据权利要求1所述的基于液体CO2混合物的热储能系统，其特征在于，导热油为400型高温导热油。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的基于液体CO2混合物的热储能系统的工作方法，其特征在于，包括：
当有富余电能需要储存时，启动压缩机(3)，将低温液体混合物储罐(1)中的液体抽入蒸发器(2)的冷侧，液体混合物在蒸发器(2)中吸收热量蒸发为气态，气态混合物在压缩机(3)中被增压，增压过程为吸收电能过程；高压高温混合物进入第一导热油换热器(4)的工质侧放热，然后储存在高温混合物储罐(6)中；热量储存在导热油当中，同时高温导热油储存在高温导热油储罐(7)中，完成储能过程；
当需要输出电能时，在高温混合物储罐(6)中的工质进入第二导热油换热器(8)的工质侧，同时高温导热油储罐(7)中储存的高温导热油进入第二导热油换热器(8)的导热油侧放热，混合物工质吸收热量之后进入透平(9)做功输出电能，然后进入冷凝器(10)的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐(1)中；同时，释放热量之后的导热油进入低温导热油储罐(5)储存，完成能量释放过程。
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