CN115095504A - 一种压缩液体co2混合物储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩液体CO₂混合物储能系统及方法，能够在不引入低温冷却的新技术难题基础上，同时解决了压缩空气储能占地空间大的问题，扩大压缩空气储能的应用范围，适用范围广泛，操作简单，实用性强。包括低温液体混合物储罐、蒸发器、压缩机、高温混合物储罐、透平以及冷凝器；其中，低温液体混合物储罐的出口与蒸发器的冷侧入口相连通，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与高温混合物储罐的入口相连通，高温混合物储罐的出口与透平的入口相连通，透平出口与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口相连通。

Description

一种压缩液体CO2混合物储能系统及方法

技术领域

本发明涉及储能系统技术领域，具体为一种压缩液体CO₂混合物储能系统及方法。

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，因此针对光伏配套储能、风电配套储能，储能调峰电站等方向的研究十分重要。目前现有的储能形式有很多，例如抽水蓄能、电池储能、压缩空气储能、储热、飞轮储能等。

其中，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。因此，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。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，储能效率也比较高，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。压缩空气储能与抽水储能的储能效率和储能成本较为类似，但是无需建立水库，对地理位置要求低被广泛开始应用，通过建立压缩空气储能电站进行能量供给。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。

目前现有的压缩空气储能方式存在以下几个问题：

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，地理位置要求较高，适用范围小。

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，投资成本高等问题。

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20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，成本大，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，若不能解决深冷技术难度大和投资成本高的问题，也无法广泛应用压缩空气储能该种储能方式。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种压缩液体CO₂混合物储能系统及方法，能够在不引入低温冷却的新技术难题基础上，同时解决了压缩空气储能占地空间大的问题，扩大压缩空气储能的应用范围，适用范围广泛，操作简单，实用性强。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种压缩液体CO₂混合物储能系统，包括低温液体混合物储罐、蒸发器、压缩机、高温混合物储罐、透平以及冷凝器；

其中，低温液体混合物储罐的出口与蒸发器的冷侧入口相连通，蒸发器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与高温混合物储罐的入口相连通，高温混合物储罐的出口与透平的入口相连通，透平出口与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与低温液体混合物储罐的入口相连通。

优选地，所述冷凝器的冷侧入口连接有水泵，冷凝器的冷侧出口连接有热水罐，所述热水罐的出口与所述蒸发器的热侧入口相连接，所述蒸发器的热侧出口连接有冷水罐，所述冷水罐的出口与所述水泵的入口相连接。

优选地，所述低温液体混合物储罐内存储有压缩液体二氧化碳。

优选地，所述蒸发器采用太阳能加热蒸发器。

优选地，所述冷凝器采用水冷冷却冷凝器。

一种压缩液体CO₂混合物储能系统的储能方法，储能时包括如下步骤：

当有富余电能需要储存时，将余热注入蒸发器的热侧，同时启动压缩机，将低温液体混合物储罐内存储的低温液体混合物抽入蒸发器的冷侧，低温液体混合物在蒸发器中吸收热量转化为气态，然后气态工质在压缩机中被增压获得高压高温混合物，将高压高温混合物储存在高温混合物储罐中，完成储能过程。

优选地，所述将余热注入蒸发器的热侧包括：

所述冷凝器的冷侧出口连接有热水罐，将热水罐中储存的热水注入蒸发器的热侧，释放热量后变为冷水，冷水存储至所述蒸发器的热侧出口连接的冷水罐中。

优选地，当需要输出电能时，释能时包括如下步骤：

将高温混合物储罐中储存的高温高压混合物工质流入透平中，透平做功输出电能，透平排出的废气进入冷凝器的热侧释放热量后被储存在低温液体混合物储罐中，完成释能过程。

优选地，所述透平排出的废气进入冷凝器的热侧释放热量后被储存在低温液体混合物储罐时，还包括：

所述蒸发器的热侧出口连接的冷水罐中储存的冷水被所述冷凝器的冷侧入口连接的水泵抽出，并注入冷凝器中的冷侧，冷凝器中释放的热量被冷水吸收后储存在冷凝器的冷侧出口连接的热水罐中作为蒸发器的热介质循环使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计了一种压缩液体CO₂混合物储能系统，相较于现有技术中通过压缩液态空气进行储能的压缩液态空气储能系统，压缩液态空气需要深度冷却，冷却至-197℃左右才能满足要求，设备较为复杂，且深冷技术难度十分大，投资成本高。本发明设计的压缩液体CO₂混合物储能系统，采用了技术难度相对较低，可行性较高的方法，通过采用了压缩液体CO₂混合物储能技术，以CO₂作为介质，CO₂混合物在环境温度附近即可冷却凝结为液体，无需进行低温冷却，降低了技术难度，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。同时CO₂混合物在经过压缩机增压后，在高压状态下的密度增大，可以达到液态水密度的70％-80％，进而对于储存空间要求减小。本发明所述的压缩液体CO₂混合物储能系统储能效率高，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，大大推广压缩空气储能的应用范围，有助于新能源的发展利用，缓解了不稳定电源对于电网的冲击，实用性强，且结构简单，便于操作。

附图说明

图1为本发明实施例1中所述压缩液体CO₂混合物储能系统示意图；

图2为本发明实施例2中所述压缩液体CO₂混合物储能系统示意图.

图中，低温液体混合物储罐1-1、蒸发器1-2、压缩机1-3、高温混合物储罐1-4、透平1-5、冷凝器1-6、冷水罐2-1，水泵2-2、热水罐2-3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和特征做进一步的详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种压缩液体CO₂混合物储能系统，如图1或图2所示，包括依次连通的低温液体混合物储罐1-1、蒸发器1-2、压缩机1-3、高温混合物储罐1-4、透平1-5以及冷凝器1-6。现有技术中还没有采用过本发明所述的压缩液体CO₂混合物储能系统，都是通过压缩液态空气进行储能的压缩液态空气储能系统，压缩液态空气储能系统与本发明中的系统压缩液体CO₂混合物储能差别较大，压缩液态空气需要深度冷却，冷却至-197℃左右才能满足要求，设备较为复杂，且深冷技术难度十分大，投资成本高。而本发明设计的压缩液体CO₂混合物储能系统，采用了技术难度相对较低，可行性较高的方法，通过采用了压缩液体CO₂混合物储能技术，以CO₂作为介质，CO₂混合物在环境温度附近即可冷却凝结为液体，无需进行低温冷却，降低了技术难度，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。同时CO₂混合物在经过压缩机增压后，在高压状态下的密度增大，可以达到液态水密度的70％-80％，进而对于储存空间要求减小。本发明所述的压缩液体CO₂混合物储能系统储能效率高，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，大大推广压缩空气储能的应用范围，有助于新能源的发展利用，缓解了不稳定电源对于电网的冲击，实用性强，且结构简单，便于操作。

实施例1

如图1所示，本实施例1所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统，包括低温液体混合物储罐1-1、蒸发器1-2、压缩机1-3、高温混合物储罐1-4、透平1-5以及冷凝器1-6；

其中，低温液体混合物储罐1-1的出口与蒸发器1-2的冷侧入口相连通，蒸发器1-2的冷侧出口与压缩机1-3的入口相连通，压缩机1-3的出口与高温混合物储罐1-4的入口相连通，高温混合物储罐1-4的出口与透平1-5的入口相连通，透平1-5出口与冷凝器1-6的热侧入口相连通，冷凝器1-6的热侧出口与低温液体混合物储罐1-1的入口相连通。

本发明实施例1中所述储能系统的工作原理如下：

当有富余电能需要储存时，首先使余热注入蒸发器1-2的热侧，同时启动压缩机1-3，将低温液体混合物储罐1-1中的液体抽入蒸发器1-2的冷侧，液体混合物在蒸发器1-2中吸收热水的热量蒸发为气态，然后气态混合物在压缩机1-3中被增压，增压过程即为吸收电能的过程，高压高温混合物储存在高温混合物储罐1-4当中。完成储能过程。

当需要输出电能时，使高温混合物储罐1-4中储存的高温高压混合物工质流入透平1-5中，透平1-5做功输出电能，透平排出的废气进入冷凝器1-6的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐1-1中。冷凝器1-6的冷侧通入的是自然空气，采用自然风冷冷却，被加热的热风直接排入大气。

本发明适用于多种应用场合，在本发明的实施例1当中，冷凝器1-6是风冷换热器，蒸发器1-2是CO₂混合物与余热热源换热器，其中，余热热源有多种形式，可以是40℃以上的高温冷却水，包括电机冷却水、润滑油冷却水等；或40℃以上的热气，包括锅炉尾气等，但不限于此。

实施例2

如图2所示，本实施例2所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统，包括依次连通的低温液体混合物储罐1-1、蒸发器1-2、压缩机1-3、高温混合物储罐1-4、透平1-5和冷凝器1-6，还包括冷水罐2-1，水泵2-2以及热水罐2-3；

低温液体混合物储罐1-1的出口与蒸发器1-2的冷侧入口相连通，蒸发器1-2的冷侧出口与压缩机1-3的入口相连通，压缩机1-3的出口与高温混合物储罐1-4的入口相连通，高温混合物储罐1-4的出口与透平1-5的入口相连通，透平1-5出口与冷凝器1-6的热侧入口相连通，冷凝器1-6的热侧出口与低温液体混合物储罐1-1的入口相连通。

冷凝器1-6冷侧入口与水泵2-2的出口相连接，冷凝器1-6冷侧出口与热水罐2-3的入口相连接，热水罐2-3的出口与蒸发器1-2的热侧入口相连接，蒸发器1-2的热侧出口与冷水罐2-1的入口相连接，冷水罐2-1的出口与水泵2-2的入口相连接。

本发明实施例2中所述储能系统的工作原理如下：

当有富余电能需要储存时，首先启动储水系统，将热水罐2-3中储存的热水注入蒸发器1-2的热侧，释放热量后变为冷水，冷水返回冷水罐2-1中被储存起来，同时启动压缩机1-3，将低温液体混合物储罐1-1中的液体抽入蒸发器1-2的冷侧，液体混合物在蒸发器1-2中吸收热水的热量蒸发为气态，然后气态混合物在压缩机1-3中被增压，增压过程即为吸收电能的过程，高压高温混合物储存在高温混合物储罐1-4当中。完成储能过程。

当需要输出电能时，使高温混合物储罐1-4中储存的高温高压混合物工质流入透平1-5中，透平1-5做功输出电能，透平排出的废气进入冷凝器1-6的热侧释放热量，然后被储存在低温液体混合物储罐1-1中。同时，冷水罐2-1中储存的冷水被水泵2-2抽出，注入冷凝器1-6中的冷侧，冷凝器1-6中释放的热量被冷水吸收并储存在热水罐2-3中。

本发明适用于多种应用场合，在本发明的实施例2当中，采用储存水进行低温热量储存的应用，其中，蒸发器1-2和冷凝器1-6都是CO₂混合物与水换热器。

本发明实施例1如图1或实施例2如图2所示的压缩液体CO₂混合物储能系统也可以采用其它冷却或加热方式，其不影响本发明的应用，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混合物储能系统中也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进行储能释能。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种压缩液体CO₂混合物储能系统，其特征在于，包括低温液体混合物储罐(1-1)、蒸发器(1-2)、压缩机(1-3)、高温混合物储罐(1-4)、透平(1-5)以及冷凝器(1-6)；

其中，低温液体混合物储罐(1-1)的出口与蒸发器(1-2)的冷侧入口相连通，蒸发器(1-2)的冷侧出口与压缩机(1-3)的入口相连通，压缩机(1-3)的出口与高温混合物储罐(1-4)的入口相连通，高温混合物储罐(1-4)的出口与透平(1-5)的入口相连通，透平(1-5)出口与冷凝器(1-6)的热侧入口相连通，冷凝器(1-6)的热侧出口与低温液体混合物储罐(1-1)的入口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统，其特征在于，所述冷凝器(1-6)的冷侧入口连接有水泵(2-2)，冷凝器(1-6)的冷侧出口连接有热水罐(2-3)，所述热水罐(2-3)的出口与所述蒸发器(1-2)的热侧入口相连接，所述蒸发器(1-2)的热侧出口连接有冷水罐(2-1)，所述冷水罐(2-1)的出口与所述水泵(2-2)的入口相连接。

3.根据权利要求1所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统，其特征在于，所述低温液体混合物储罐(1-1)内存储有压缩液体二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统，其特征在于，所述蒸发器(1-2)采用太阳能加热蒸发器。

5.根据权利要求1所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统，其特征在于，所述冷凝器(1-6)采用水冷冷却冷凝器。

6.一种压缩液体CO₂混合物储能系统的储能方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的压缩液体CO₂混合物储能系统，储能时包括如下步骤：

当有富余电能需要储存时，将余热注入蒸发器(1-2)的热侧，同时启动压缩机(1-3)，将低温液体混合物储罐(1-1)内存储的低温液体混合物抽入蒸发器(1-2)的冷侧，低温液体混合物在蒸发器(1-2)中吸收热量转化为气态，然后气态工质在压缩机(1-3)中被增压获得高压高温混合物，将高压高温混合物储存在高温混合物储罐(1-4)中，完成储能过程。

7.根据权利要求6所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统的储能方法，其特征在于，所述将余热注入蒸发器(1-2)的热侧包括：

所述冷凝器(1-6)的冷侧出口连接有热水罐(2-3)，将热水罐(2-3)中储存的热水注入蒸发器(1-2)的热侧，释放热量后变为冷水，冷水存储至所述蒸发器(1-2)的热侧出口连接的冷水罐(2-1)中。

8.根据权利要求6所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统的储能方法，其特征在于，当需要输出电能时，释能时包括如下步骤：

将高温混合物储罐(1-4)中储存的高温高压混合物工质流入透平(1-5)中，透平(1-5)做功输出电能，透平排出的废气进入冷凝器(1-6)的热侧释放热量后被储存在低温液体混合物储罐(1-1)中，完成释能过程。

9.根据权利要求8所述的一种压缩液体CO₂混合物储能系统的储能方法，其特征在于，所述透平排出的废气进入冷凝器(1-6)的热侧释放热量后被储存在低温液体混合物储罐(1-1)时，还包括：

所述蒸发器(1-2)的热侧出口连接的冷水罐(2-1)中储存的冷水被所述冷凝器(1-6)的冷侧入口连接的水泵(2-2)抽出，并注入冷凝器(1-6)中的冷侧，冷凝器(1-6)中释放的热量被冷水吸收后储存在冷凝器(1-6)的冷侧出口连接的热水罐(2-3)中作为蒸发器(1-2)的热介质循环使用。

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