CN115075903A - 一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统及方法，包括：压缩模块、膨胀模块、热循环模块和增强加热模块；所述压缩模块用于对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；所述膨胀模块用于吸收所述热能，基于所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；所述热循环模块用于所述压缩模块和所述膨胀模块中的热能转换；所述增强加热模块用于对所述膨胀模块补充热能。本发明能够克服现有技术中压缩超临界二氧化碳储能系统中储气装置滑压运行的缺陷，利用光伏热量，增强进入透平膨胀的二氧化碳温度和压力，从而提高系统效率。

Description

一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统及方法
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳储能技术领域，尤其涉及一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统及方法。
背景技术
储能的本质是为了解决供电生产的连续性和用电需求的间断性之间的矛盾，实现电力在发电侧、电网侧以及用户侧的稳定运行。储能通过对于电能在时间维度上的调度进行削峰填谷/峰谷套利，可平滑需求为终端用户节省用电成本。
可再生能源受昼夜转换、天气变化等影响具有明显的不连续、波动性大等特征，无法得到稳定的能量输出，高比例的可再生能源并网发电将严重影响电网的安全稳定运行。储能技术可有效解决上述问题，平抑可再生能源间歇性输出引起的功率波动，解决能源供应与需求在时间、空间上的不匹配性，目前常用的储能技术有抽水储能、电池储能和压缩空气储能、压缩二氧化碳储能等。与抽水储能、电池储能相比，压缩二氧化碳储能具有不受地理条件限制、寿命长、可靠性高、维护成本低、负荷调节范围大、可同时输出冷热电能等优点，具有巨大的应用潜力,为此，亟需提出一种光热增强与压缩二氧化碳储能耦合的热电联产系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统及方法，利用光伏热量，增强进入透平膨胀的二氧化碳温度和压力，从而提高系统效率。
一方面为实现上述目的，本发明提供了一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统，包括：
所述压缩模块用于对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述膨胀模块用于吸收所述热能，基于所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；
所述热循环模块用于所述压缩模块和所述膨胀模块中的热能转换；
所述增强加热模块用于对所述膨胀模块补充热能。
可选地，所述压缩模块包括依次连接的低压储气单元、压缩单元和高压储气单元；
所述低压储气单元用于存储所述超临界二氧化碳，所述高压储气单元用于存储所述低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述压缩单元包括：压缩装置和第一级间换热装置，所述压缩装置与所述第一级间换热装置连接；
所述压缩装置用于将所述超临界二氧化碳压缩为高温压缩超临界二氧化碳；
所述第一级间换热装置用于将所述高温压缩超临界二氧化碳转换为所述低温压缩高压超临界二氧化碳。
可选地，所述膨胀模块包括依次连接的所述高压储气单元、膨胀单元和所述低压储气单元；
所述膨胀单元包括：膨胀装置和第二级间换热装置，所述膨胀装置与所述第二级间换热装置连接；
所述第二级间换热装置用于对所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行换热升温；
所述膨胀装置基于换热升温后的所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行做功。
可选地，所述热循环模块包括依次连接的所述第一级间换热、蓄热单元、所述第二级间换热装置和蓄冷单元；
所述蓄冷单元包括低温热载体，所述蓄热单元包括高温热载体。
可选地，所述增强加热模块包括依次连接的所述蓄冷单元、热泵单元、光伏单元和所述蓄热单元；
所述光伏单元用于为所述蓄热单元补充热能，还用于为所述压缩模块、膨胀模块和热循环模块提供电能。
可选地，所述第一级间换热装置包括第一高温侧流道和第一低温侧流道；
所述第一高温侧流道用于流入所述高温压缩超临界二氧化碳；
所述第一低温侧流道用于流入所述低温热载体。
可选地，所述第二级间换热装置包括第二高温侧流道和第二低温侧流道；
所述第二高温侧流道用于流入所述低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述第二低温侧流道用于流入所述高温热载体。
另一方面为实现上述目的，本发明还提供了一种光热增强的超临界二氧化碳储能方法，包括：
对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；
通过所述热能对所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行升温，通过升温后的所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；
基于光伏热量对所述低温压缩高压超临界二氧化碳的升温过程，进行补充增强。
可选地，对所述超临界二氧化碳的压缩过程与所述低温压缩高压超临界二氧化碳的升温过程，进行热量循环交换。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明提供的光热增强超临界二氧化碳储能系统及方法，设有蓄热单元和蓄冷单元，而且蓄热单元有来自光伏系统增强的热量。利用热载体所携带的热量在换热装置中使进入透平膨胀的超临界二氧化碳温度升高，补充系统的压力下降。因此，在整个释能透平膨胀过程中，能保证超临界二氧化碳膨胀机入口压力恒定，提升释能系统运行性能和系统效率。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统示意图；
其中，1、一级压缩机；2、二级压缩机；3、高压储气库；4、一级透平膨胀机；5、二级透平膨胀机；6、蓄热级间换热器；7、蓄热级间换热器；8、回热级间换热器；9、回热级间换热器；10、蓄冷罐； 11、蓄热罐；12、低压储气库；13、热泵；14、光伏系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例1
本发明提供了一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统，包括：压缩模块、膨胀模块、热循环模块和增强加热模块；所述压缩模块用于对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；所述膨胀模块用于吸收所述热能，基于所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；所述热循环模块用于所述压缩模块和所述膨胀模块中的热能转换；所述增强加热模块用于对所述膨胀模块补充热能。
进一步地，所述压缩模块包括依次连接的低压储气单元、压缩单元和高压储气单元；
所述低压储气单元用于存储所述超临界二氧化碳，所述高压储气单元用于存储所述低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述压缩单元包括：压缩装置和第一级间换热装置，所述压缩装置与所述第一级间换热装置连接；
所述压缩装置用于将所述超临界二氧化碳压缩为高温压缩超临界二氧化碳；
所述第一级间换热装置用于将所述高温压缩超临界二氧化碳转换为所述低温压缩高压超临界二氧化碳。
进一步地，所述膨胀模块包括依次连接的所述高压储气单元、膨胀单元和所述低压储气单元；
所述膨胀单元包括：膨胀机和第二级间换热装置，所述膨胀机与所述第二级间换热装置连接；
所述第二级间换热装置用于对所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行换热升温；
所述膨胀机基于换热升温后的所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行做功。
进一步地，所述热循环模块包括依次连接的所述第一级间换热、蓄热单元、所述第二级间换热装置和蓄冷单元；所述蓄冷单元包括低温热载体，所述蓄热单元包括高温热载体。
进一步地，所述增强加热模块包括依次连接的所述蓄冷单元、热泵单元、光伏单元和所述蓄热单元；所述光伏单元用于为所述蓄热单元补充热能，还用于为所述压缩模块、膨胀模块和热循环模块提供电能。
进一步地，所述第一级间换热装置包括第一高温侧流道和第一低温侧流道；所述第一高温侧流道用于流入所述高温压缩超临界二氧化碳；所述第一低温侧流道用于流入所述低温热载体。
进一步地，所述第二级间换热装置包括第二高温侧流道和第二低温侧流道；所述第二高温侧流道用于流入所述低温压缩高压超临界二氧化碳；所述第二低温侧流道用于流入所述高温热载体。
如图1所示，本实施例提供了一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统，包括：
超临界二氧化碳压缩支路(压缩模块)：包括依次串联的低压储气库12、一级压缩机1/二级压缩机2、蓄热级间换热器6/蓄热级间换热器7、高压储气库3；其一级压缩机1、蓄热级间换热器6与二级压缩机2、蓄热级间换热器7的组合既可以串联也可以并联，组数不限。
超临界二氧化碳膨胀支路(膨胀模块)，包括依次串联的高压储气库3、回热级间换热器8/回热级间换热器9、一级透平膨胀机4/ 二级透平膨胀机5、低压储气库12；其一级膨胀机4和回热级间换热器8的组合与二级膨胀机5和回热级间换热器9的组合既可以串联也可以并联，组数不限。
热循环回路(热循环模块)，包括依次串联蓄热级间换热器6/ 蓄热级间换热器7、蓄热罐11、回热级间换热器8/回热级间换热器9、蓄冷罐10。
增强加热系统(增强加热模块)，包括依次串联蓄冷罐10、热泵13、光伏系统14、蓄热罐11。
本实施例中，一级压缩机1/二级压缩机2由电动机驱动，也可由气动机、液动机等其他机构驱动。
本实施例中，热循环回路中填充的热载体采用液态工质，也可采用可流动性颗粒蓄热工质。
下面对本实施例的压缩超临界二氧化碳储能系统的储能过程进行详细说明：
一级压缩机1/二级压缩机2在电动机的驱动下运转，吸入低压储气库中的超临界二氧化碳并将其压缩成为高温压缩的超临界二氧化碳；该高温压缩超临界二氧化碳随后进入蓄热级间换热器6/蓄热级间换热器7的高温侧流道，同时蓄冷器10中的低温热载体进入蓄热级间换热器6/蓄热级间换热器7的低温侧流道进行换热，高温压缩超临界二氧化碳降温形成低温压缩高压超临界二氧化碳，低温压缩高压超临界二氧化碳继续向下游流动，进入高压储气库4存储备用；低温热载体吸热升温后形成高温热载体，进入蓄热器11中存储备用。
下面对本实施例的压缩超临界二氧化碳储能系统的释能过程进行详细说明：
释能过程包括两个同时进行的过程，分别为超临界二氧化碳膨胀过程和超临界二氧化碳加热过程。
超临界二氧化碳膨胀过程：高压储气库3释放存储的低温高压压缩超临界二氧化碳，进入回热级间换热器8/回热级间换热器9的低温侧流道，同时蓄热器11内的高温热载体进入回热级间换热器8/回热级间换热器9的高温侧流道进行换热，低温压缩高压超临界二氧化碳吸热升温后进入一级透平膨胀机4/二级透平膨胀机5中膨胀做功，降温后的热载体进入蓄冷器10中存储备用；一级透平膨胀机4/二级透平膨胀机5进一步驱动发电机或其他机构对外输出能量。光伏系统在白天有阳光时一直给蓄热器11补充热量，光伏系统也用于发电。
实施例2
本实施例提供了一种光热增强的超临界二氧化碳储能方法，包括：
对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；
通过所述热能对所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行升温，通过升温后的所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；
基于光伏热量对所述低温压缩高压超临界二氧化碳的升温过程，进行补充增强。
进一步地，对所述超临界二氧化碳的压缩过程与所述低温压缩高压超临界二氧化碳的升温过程，进行热量循环交换。
本实施例提供的光热增强超临界二氧化碳储能系统及方法，设有蓄热罐和蓄冷罐，而且蓄热罐有来自光伏系统增强的热量。利用热载体所携带的热量在换热器中使进入透平膨胀的超临界二氧化碳温度升高，补充系统的压力下降。因此，在整个释能透平膨胀过程中，能保证超临界二氧化碳膨胀机入口压力恒定，提升释能系统运行性能和系统效率。
增强加热系统包含太阳能光伏板，在阳光充足的条件下能够积攒热量并且将其储存于回热系统的蓄热罐中，并且在发电的时候将其用于加热二氧化碳。本发明提供的光热增强的超临界二氧化碳储能系统及方法能够有效降低压缩过程的功耗，并且增加了可再生能源的消纳途径和消耗能力。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：压缩模块、膨胀模块、热循环模块和增强加热模块；
所述压缩模块用于对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述膨胀模块用于吸收所述热能，基于所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；
所述热循环模块用于所述压缩模块和所述膨胀模块中的热能转换；
所述增强加热模块用于对所述膨胀模块补充热能。
2.根据权利要求1所述的光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述压缩模块包括依次连接的低压储气单元、压缩单元和高压储气单元；
所述低压储气单元用于存储所述超临界二氧化碳，所述高压储气单元用于存储所述低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述压缩单元包括：压缩装置和第一级间换热装置，所述压缩装置与所述第一级间换热装置连接；
所述压缩装置用于将所述超临界二氧化碳压缩为高温压缩超临界二氧化碳；
所述第一级间换热装置用于将所述高温压缩超临界二氧化碳转换为所述低温压缩高压超临界二氧化碳。
3.根据权利要求2所述的光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述膨胀模块包括依次连接的所述高压储气单元、膨胀单元和所述低压储气单元；
所述膨胀单元包括：膨胀装置和第二级间换热装置，所述膨胀装置与所述第二级间换热装置连接；
所述第二级间换热装置用于对所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行换热升温；
所述膨胀装置基于换热升温后的所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行做功。
4.根据权利要求3所述的光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述热循环模块包括依次连接的所述第一级间换热、蓄热单元、所述第二级间换热装置和蓄冷单元；
所述蓄冷单元包括低温热载体，所述蓄热单元包括高温热载体。
5.根据权利要求4所述的光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述增强加热模块包括依次连接的所述蓄冷单元、热泵单元、光伏单元和所述蓄热单元；
所述光伏单元用于为所述蓄热单元补充热能，还用于为所述压缩模块、膨胀模块和热循环模块提供电能。
6.根据权利要求4所述的光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一级间换热装置包括第一高温侧流道和第一低温侧流道；
所述第一高温侧流道用于流入所述高温压缩超临界二氧化碳；
所述第一低温侧流道用于流入所述低温热载体。
7.根据权利要求4所述的光热增强的超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第二级间换热装置包括第二高温侧流道和第二低温侧流道；
所述第二高温侧流道用于流入所述低温压缩高压超临界二氧化碳；
所述第二低温侧流道用于流入所述高温热载体。
8.一种光热增强的超临界二氧化碳储能方法，其特征在于，包括：
对超临界二氧化碳进行压缩，释放热能，获取低温压缩高压超临界二氧化碳；
通过所述热能对所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行升温，通过升温后的所述低温压缩高压超临界二氧化碳进行膨胀做功；
基于光伏热量对所述低温压缩高压超临界二氧化碳的升温过程，进行补充增强。
9.根据权利要求8所述的光热增强的超临界二氧化碳储能方法，其特征在于，对所述超临界二氧化碳的压缩过程与所述低温压缩高压超临界二氧化碳的升温过程，进行热量循环交换。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116412105A (zh) * 2023-04-17 2023-07-11 青岛科技大学 一种压缩气体储能系统的运行调控装置及方法
CN117627744B (zh) * 2023-10-20 2024-05-17 国能龙源环保有限公司 耦合固体储热的超临界二氧化碳储能发电系统及方法

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