CN115288937A - 一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电技术领域，公开了一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法及装置，风力机直接带动压缩机绝热压缩二氧化碳至超临界压力，进入风电场调峰站后，通过第一换热器和节流阀后二氧化碳被液化储存绝热罐中，罐体顶部气态可通过管道重新吸入压缩机，发电时打开罐体电磁阀后，液态二氧化碳经过第二换热器吸热后快速气化，推动膨胀机工作发电，排气被重新吸入压缩机再循环压缩。第一换热器与第二换热器之间依靠热平衡水池中的水分别完成吸热和放热达到平衡。本发明利用了二氧化碳易液化，膨胀压力高，不受地理限制和安全性高的特点，克服了压缩空气体积庞大的缺点。解决了风力发电间歇性问题，兼顾了能量密度和效率。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法及装置。
背景技术
目前，风力发电，实际上就是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。由于风力是不稳定的，时大时小，其产生的电能也是具有波动性，这些能源无法被调度，低谷时依靠火电调峰，高峰时只能弃风。
当然解决这一问题最好的办法就是利用储能将其转换为稳定电能，再进行并网。常见的储能有电化学储能技术(成本高)，抽水蓄能技术(地理条件限制)，氢储能技术(需要完整产业链)，以及压缩空气储能。综合考虑风电的地理条件以及经济性，压缩空气储能是目前风电储能最好的解决方案。
现存压缩空气储能主要是利用光伏、风能等产生不稳定的电能，再用电动机来连接空气压缩机以实现空气压缩储能，
压缩空气储能是通过将燃气轮机发电的压缩过程与膨胀过程在时间维度上分离，分别进行电能的存储和释放。当电力供应过剩时，通过压缩机将电能转化为高压空气内能进行存储：当电力供应不足时，释放高压空气进入膨胀机做功，驱动发电机发电，从而将压缩空气内能重新转化成电能。
最初的压缩空气储能方案在压缩储能阶段产生的热量以冷却换热的形式直接耗散，而在释能阶段需要通过燃料燃烧对膨胀机入口的高压空气进行加热，因而被定义为非绝热压缩空气储能系统，也称第一代压缩空气储能系统。第一代压缩空气储能系统的储能效率只有50％左右。
后来在第一代压缩空气储能系统的基础上，去掉了燃烧室，通过对压缩机出口气流的冷却换热将储能阶段的压缩热回收并储存，然后利用换热器在释能阶段对膨胀机入口气流的加热。这就是第二代压缩空气储能系统，第二代系统的循环效率可以达到60％～70％。
压缩空气储能需要很大的高压存储设备或区域，空气不易液化，往往需要借助溶洞或地下矿洞等，因此对地理条件有依赖性。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术中对风电波动的解决方法全部依赖火电调峰和储能。
(2)现有的储能技术缺乏经济性或对地理条件有严格的要求。
(3)目前所有的风力发电场都无法按调度要求供应电力。
(4)加装储能装置是将电能转换为其它能量，然后在变为电量，存在多次转换的问题，因此降低了效率。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，利用二氧化碳易液化，膨胀压力高，能够兼顾能量密度和效率，本发明提供了一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法及装置。
本发明是这样实现的，一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法，包括：
步骤一，风力机直接带动压缩机绝热压缩二氧化碳至超临界压力；风力机至调峰站高压二氧化碳输送管道为绝热传输；
步骤二，二氧化碳进入风电场调峰站后，通过第一换热器和节流阀后二氧化碳被液化储存绝热罐中，罐体顶部气态通过管道重新吸入压缩机；
步骤三，发电时打开罐体电磁阀后，液态二氧化碳经过第二换热器吸热后快速气化，推动膨胀机工作发电，排气被重新吸入压缩机再循环压缩。
进一步，所述第一换热器与第二换热器之间依靠热平衡水池中的水分别进行吸热和放热达到平衡。
本发明的另一目的在于提供一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置设置有风力机；
所述风力机直接带动压缩机；减少能量转化次数，可提高工作效率；
压缩机的输出管路通过绝热管路连接第一换热器，将压缩机产生的高温高压二氧化碳降温后变为低温高压，置换的热量存储在热平衡水池中；所述第一换热器通过管路、节流阀连接后被液化存储在绝热二氧化碳罐体，解决了能量密度的问题，极大的减小了体积，不在依赖特殊的地理条件；
所述绝热二氧化碳罐体通过下端的罐体电磁阀连接第二换热器；
所述第二换热器通过管路连接膨胀机；所述膨胀机通过管路连接压缩机的回路管路。
进一步，所述风力机通过齿轮箱连接压缩机。
进一步，所述风力机为多个。
进一步，所述绝热二氧化碳罐体为多个，并通过气态回收压缩管路连接压缩机的回路管路。
进一步，所述第一换热器、第二换热器均通过管路连接热平衡水池。
进一步，所述热平衡水池通过循环泵连接第一换热器、第二换热器。
进一步，所述膨胀机通过低压缓冲罐连接压缩机的回路管路，用于膨胀后二氧化碳压力降低，体积自然增大，将二氧化碳再重新被吸入压缩机。
本发明的另一目的在于提供一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置的控制方法包括：将普通风机的发电机构改为空气压缩机；同心轴将风机叶片的动能传导至转向齿轮箱的输入轴，两根轴利用联轴器连接，联轴器结构输入端为夹紧箍结构，输出端为胀紧结构，使支撑杆和转向齿轮箱的输入轴连接为一个整体；利用转向齿轮箱改变传动方向，利用加速齿轮箱的力矩进行转速提升，利用电磁制动器在风力过大时制动风机；在管路中利用输出电磁阀控制压缩二氧化碳的输出，风力过大时，远程控制电磁制动器控制风机停止并关闭电磁阀，再接入总管。所述转向齿轮箱的输入端与垂直轴风机的同心轴下端连接，所述转向齿轮箱的输出端与加速齿轮箱的输入端连接，所述加速齿轮箱的输出端与螺杆压缩机连接；所述螺杆压缩机外端连接有进气口和出气口，所述出气口通过输出电磁阀与压缩机的输出管路连通。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明采用风力直接压缩二氧化碳，改变了以往风力机输出电力的现状，而直接输出高温高压二氧化碳气体，和其它储能方法相比减少了能量转化次数，一般发电机的效率约为90％，因此可提高10％的效率。二氧化碳31.2℃,7.38MPa达到超临界状态，和空气相比较易液化，提高了能量密度，克服了压缩空气体积庞大的缺点，解决了依赖特殊地理条件的限制问题。本发明将风能转化为液态二氧化碳后膨胀发电，因此发电过程可控制，解决了风力发电间歇性问题，电力生产可按计划进行且输出稳定，所以本发电装置同火电水电一样是可调度的稳定能源，且为可再生清洁能源。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法流程图。
图2是本发明实施例提供的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置示意图。
图3是本发明实施例提供的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置的控制方法原理图。
图中：1、风力机；2、压缩机；3、第一换热器；4、节流阀；5、高压电磁阀；6、绝热二氧化碳罐体；7、罐体电磁阀；8、第二换热器；9、膨胀机；10、齿轮箱；11、气态回收压缩管路；12、压缩机的回路管路；13、压缩机的输出管路；14、热平衡水池；15、循环泵；16、低压缓冲罐；201、电磁制动器；202、风机叶片；203、支撑杆；204、同心轴；205、转向齿轮箱；206、加速齿轮箱；207、螺杆压缩机；208、出气口；209、进气口；210、输出电磁阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法及装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法，包括：
S101，风力机直接带动压缩机绝热压缩二氧化碳至超临界压力；风力机至调峰站高压二氧化碳输送管道为绝热传输；
S102，二氧化碳进入风电场调峰站后，通过第一换热器和节流阀后二氧化碳被液化储存绝热罐中，罐体顶部气态通过管道重新吸入压缩机；
S103，发电时打开罐体电磁阀后，液态二氧化碳经过第二换热器吸热后快速气化，推动膨胀机工作发电，排气被重新吸入压缩机再循环压缩。
所述第一换热器与第二换热器之间依靠热平衡水池中的水分别进行吸热和放热达到平衡。
如图2所示，本发明提供一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置设置有风力机1；
所述风力机1直接连接压缩机2；
压缩机的输出管路13通过管路连接第一换热器3；所述第一换热器通过管路、节流阀4、高压电磁阀5连接绝热二氧化碳罐体6；
所述绝热二氧化碳罐体通过下端的罐体电磁阀7连接第二换热器8；
所述第二换热器通过管路连接膨胀机9；所述膨胀机通过管路连接压缩机的回路管路。
所述风力机通过齿轮箱10连接压缩机。
所述风力机为多个。
所述绝热二氧化碳罐体为多个，并通过气态回收压缩管路11连接压缩机的回路管路12。
所述第一换热器、第二换热器均通过管路连接热平衡水池14。
所述热平衡水池通过循环泵15连接第一换热器、第二换热器。
在本发明一优选实施例中，所述膨胀机通过低压缓冲罐16连接压缩机的回路管路12，用于膨胀后二氧化碳压力降低，体积自然增大，将二氧化碳再重新被吸入压缩机。
如图3所示，在本发明一优选实施例中，一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置的控制方法包括：本发明实施例中的垂直轴风机在普通的风机的基础上去除发电机构改为空气压缩机。其核心为同心轴204将风机叶片202的动能传导至转向齿轮箱205的输入轴，两根轴利用联轴器连接，联轴器结构输入端为夹紧箍结构，输出端(也即转向齿轮箱输入轴)为胀紧结构，使支撑杆203和转向齿轮箱205的输入轴连接为一个整体。转向齿轮箱205作用是改变传动方向；加速齿轮箱206作用是以力矩换转速，增加转速。电磁制动器201用于当风力过大时制动风机实现保护。在管路放置输出电磁阀210作用是控制压缩二氧化碳的输出，当风力过大时，远程控制电磁制动器停止风机并关闭电磁阀，再接入总管。
在本发明中，齿轮箱设置有转向齿轮箱205和加速齿轮箱206，所述转向齿轮箱205的输入端与垂直轴风机的同心轴204下端连接，所述转向齿轮箱205的输出端与加速齿轮箱206的输入端连接，所述加速齿轮箱206的输出端与螺杆压缩机207连接。所述螺杆压缩机207外端连接有进气口209和出气口208，所述出气口208通过输出电磁阀210与压缩机的输出管路13连通。
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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法，其特征在于，所述跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法包括：
步骤一，风力机直接带动压缩机绝热压缩二氧化碳至超临界压力；风力机至调峰站高压二氧化碳输送管道为绝热传输；
步骤二，二氧化碳进入风电场调峰站后，通过第一换热器和节流阀后二氧化碳被液化储存绝热罐中，罐体顶部气态通过管道重新吸入压缩机；
步骤三，发电时打开罐体电磁阀后，液态二氧化碳经过第二换热器吸热后快速气化，推动膨胀机工作发电，排气被重新吸入压缩机再循环压缩。
2.如权利要求1所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法，其特征在于，所述第一换热器与第二换热器之间依靠热平衡水池中的水分别进行吸热和放热达到平衡。
3.一种实施权利要求1～2任意一项所述跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电方法的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置设置有风力机；
所述风力机直接带动压缩机；
压缩机的输出管路通过绝热管路连接第一换热器，将压缩机产生的高温高压二氧化碳降温后变为低温高压，置换的热量存储在热平衡水池中；所述第一换热器通过管路、节流阀连接后被液化存储在绝热二氧化碳罐体；
所述绝热二氧化碳罐体通过下端的罐体电磁阀连接第二换热器；
所述第二换热器通过管路连接膨胀机；所述膨胀机通过管路连接压缩机的回路管路。
4.如权利要求3所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述风力机通过齿轮箱连接压缩机。
5.如权利要求3所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述风力机为多个。
6.如权利要求3所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述绝热二氧化碳罐体为多个，并通过气态回收压缩管路连接压缩机的回路管路。
7.如权利要求3所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述第一换热器、第二换热器均通过管路连接热平衡水池。
8.如权利要求7所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述热平衡水池通过循环泵连接第一换热器、第二换热器。
9.如权利要求3所述的跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置，其特征在于，所述膨胀机通过低压缓冲罐连接压缩机的回路管路，用于膨胀后二氧化碳压力降低，体积自然增大，将二氧化碳再重新被吸入压缩机。
10.一种如权利要求3～9任意一项所述跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置的控制方法，其特征在于，所述跨临界风力直接压缩二氧化碳循环发电装置的控制方法包括：将普通风机的发电机构改为空气压缩机；同心轴将风机叶片的动能传导至转向齿轮箱的输入轴，两根轴利用联轴器连接，联轴器结构输入端为夹紧箍结构，输出端为胀紧结构，使支撑杆和转向齿轮箱的输入轴连接为一个整体；利用转向齿轮箱改变传动方向，利用加速齿轮箱的力矩进行转速提升，利用电磁制动器在风力过大时制动风机；在管路中利用输出电磁阀控制压缩二氧化碳的输出，风力过大时，远程控制电磁制动器控制风机停止并关闭电磁阀，再接入总管；所述转向齿轮箱的输入端与垂直轴风机的同心轴下端连接，所述转向齿轮箱的输出端与加速齿轮箱的输入端连接，所述加速齿轮箱的输出端与螺杆压缩机连接；所述螺杆压缩机外端连接有进气口和出气口，所述出气口通过输出电磁阀与压缩机的输出管路连通。
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