CN117266954B - 液态二氧化碳储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种液态二氧化碳储能系统，包括：二氧化碳储存单元，其包括低压储存模块和高压储存模块；储能单元，用于进行压缩冷却，并输出热能介质；发电单元，用于进行加热膨胀，并输出电能；蓄冷单元，用于储存冷能介质；蓄热单元，用于储存热能介质；蓄冷液化单元，设置有第一区域和第二区域，第一区域设置有相变材料和第一螺旋盘管，第二区域设置有单相工质和第二螺旋盘管。本发明有利于解决大规模长时储能问题，储能密度高、运行稳定等优势，采用第一螺旋盘管和第二螺旋盘管，通过相变材料和单相工质以实现二氧化碳潜热和显热的分开吸收，提高蓄冷液化效率，减小占地面积，且产生二次流，增强扰动，提升换热效果。

Description

液态二氧化碳储能系统
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种液态二氧化碳储能系统。
背景技术
目前发展较好的长时储能技术包括抽水蓄能、液流电池、压缩空气储能和二氧化碳储能。但抽水蓄能依赖于地理环境，建设周期长初投资高。液流电池当前成本较高，且其工作温度范围狭窄，对极端天气的适应性较差。压缩空气储能则面临储能密度低、储气难度大的挑战。而将压缩后的空气进一步液化储存的液态空气储能系统又存在液化困难、冷损失大的问题。二氧化碳储能技术采用自然工质二氧化碳作为储能工质，具有运行稳定、设备紧凑、储能效率高、容量大、绿色安全等优势，具有广阔的发展前景。
但当前主要的二氧化碳储能系统大多以气态和高压液态或超临界态形式存储，尤其是压缩前的低压工质一般直接采用气态储存，占地面积大，储能密度较低。由于二氧化碳的相变潜热随着其压力降低而显著增大，液化更加困难，当前尚无合适的液化方式，同时在储能过程中液态二氧化碳需要吸热气化后再进入压缩机，两部分的热量匹配极为重要，这必须依赖于高效的换热结构，提高换热效率并减少冷量损失。然而，常规换热器往往基于管壳式换热器设计，相变过程也多限于冷凝沸腾过程，常规结构难以满足要求，存在局限性。
发明内容
本发明提供一种液态二氧化碳储能系统，用以解决现有技术中现有二氧化碳储能技术工质储存形式对能量密度的限制及常规换热结构存在局限性的问题。
本发明提供一种液态二氧化碳储能系统，包括：
二氧化碳储存单元，包括用于存储低压液态二氧化碳的低压储存模块和用于存储高压液态二氧化碳的高压储存模块；
储能单元，用于对低压气态二氧化碳压缩冷却，并转化为高压液态二氧化碳以及输出热能介质；
发电单元，用于将高压液态二氧化碳加热膨胀，并转化为低压气态二氧化碳以及输出电能；
蓄冷单元，用于储存冷能介质，所述蓄冷单元的冷能入口端连通于所述发电单元，所述蓄冷单元的冷能出口端连通于所述储能单元；
蓄热单元，用于储存热能介质，所述蓄热单元的热能入口端连通于所述储能单元，所述蓄热单元的热能出口端连通于所述发电单元；
蓄冷液化单元，设置有第一区域和第二区域，所述第一区域设置有相变材料和位于所述相变材料内的第一螺旋盘管，所述第二区域设置有单相工质和位于所述单相工质内的第二螺旋盘管，所述第一螺旋盘管和所述第二螺旋盘管二者一端相连通；
其中，所述低压储存模块的入口端及出口端均与所述第一螺旋盘管的另一端通断配合，所述储能单元和所述发电单元二者的一端均与所述第二螺旋盘管的另一端通断配合，所述高压储存模块的入口端与所述储能单元通断配合，所述高压储存模块的出口端与所述发电单元通断配合。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述蓄冷液化单元包括蓄冷液化器，所述蓄冷液化器包括对应第一区域布置的第一套筒和对应第二区域布置的第二套筒，所述第二套筒套设于所述第一套筒的外部，所述第二套筒的内侧壁与所述第一套筒的外侧壁之间具有间距；
所述第一螺旋盘管和所述相变材料均设置于所述第一套筒内，所述第二螺旋盘管和所述单相工质均设置于所述第一套筒的外侧壁和所述第二套筒的内侧壁之间；
其中，所述第二螺旋盘管环绕所述第一套筒的外侧壁布置，所述第一螺旋盘管和所述第二螺旋盘管二者一端通过连接管相连通。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述第一套筒和所述第二套筒之间设置有第一隔热层。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述第二套筒的外壁设置有第二隔热层。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述储能单元包括：
压缩机，所述压缩机的入口端与所述第二螺旋盘管通断配合；
间冷器，用于换热，所述间冷器设置有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述压缩机的出口端与所述间冷器的第一输入端通断配合，所述间冷器的第二输入端与所述蓄冷单元的出口端通断配合，所述间冷器的第一输出端与所述高压储存模块的入口端通断配合，所述间冷器的第二输出端与所述蓄热单元的入口端通断配合。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述发电单元包括：
加热器，用于换热，所述加热器设置有第一通入端、第二通入端、第一通出端和第二通出端，所述加热器的第一通入端与所述高压储存模块的出口端通断配合，所述蓄热单元的热能出口端与所述加热器的第二通入端通断配合，所述加热器的第一通出端与所述蓄冷单元通断配合；
膨胀机，所述膨胀机的入口端与所述加热器的第二通出端通断配合，所述膨胀机的出气端与所述第二螺旋盘管通断配合；
其中，所述膨胀机连接有发电机，以驱动所述发电机发电。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述蓄冷液化单元还包括：
节流阀，用于液态二氧化碳的降压；
输送泵组件，用于提供循环动力，所述输送泵组件包括第一液态泵和第二液态泵；
开关组件，用于控制储能和释能二者过程中二氧化碳的流动回路，所述开关组件包括第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀和第四开关阀；
气液分离组件，用于将换热过程中未相变完全的二氧化碳分离进行二次换热，所述气液分离组件包括第一气液分离器和第二气液分离器；
其中，所述低压储存模块的出口端连通所述节流阀的入口端，所述节流阀的出口端连通所述第一液态泵的入口端，所述第一液态泵的出口端连通于所述第一螺旋盘管，且二者之间设置有第一开关阀；所述第二螺旋盘管连通于所述第一气液分离器的入口端，且二者之间设置有所述第三开关阀，所述第一气液分离器的出气口连通于所述压缩机，所述第一气液分离器的出液端连通于所述第一液态泵和所述节流阀二者之间的连通路线；
所述膨胀机的出口端连通于所述第二螺旋盘管，且二者之间设置有第四开关阀，所述第一螺旋盘管连通于所述第二气液分离器的入口端，且二者之间设置有第二开关阀，所述第二气液分离器的出气端连通于所述膨胀机的出气端和所述第四开关阀之间的连通路线，所述第二气液分离器的出液端连通于所述第二液态泵的入口端，所述第二液态泵的出口端于所述低压储存模块的入口端。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述第一套筒和所述第二套筒二者的结构参数设计和材料用量计算步骤如下：
步骤一，根据二氧化碳实现液化需要释放的热量来计算两部分蓄冷工质的用量；
通过公式一：计算所述膨胀机的出口端的二氧化碳实现液化需要释放的总热量Qc为：
公式一：Qc＝Qcs+Qcl＝ccmcΔt+mcrc；
其中，公式一中的Qcs为液化过程的释放的显热，Qcl为液化过程释放的潜热，cc为二氧化碳的比热容，rc为二氧化碳的相变潜热，Δt为膨胀机出口端处二氧化碳的温度与相变温度之间的差，mc为二氧化碳的质量；
步骤二，通过公式二计算相变材料的用量mp为：
公式二：
其中，公式二中的Qp为相变材料需要吸收的热量，rp为相变材料的相变潜热，mp为相变材料的质量；
步骤三，通过公式三计算单相工质的用量ms为：
公式三：
其中，Qs为单相工质需要吸收的热量，cs为单相工质的比热容，ms为单相工质的质量，Δts为单相工质在换热过程中的温差；
步骤四，流体与壁面接触时的换热量计算遵循以下牛顿冷却公式四：
公式四：
其中，公式四中的Q为换热量，h为对流换热系数，A为换热面积，Δtm为平均换热温差，De为螺旋盘管的当量直径，u为工质的流动速度；
步骤五：根据公式五、公式六和公式七计算螺旋盘管长度L、表面积S和体积V：
公式五：
公式六：S＝2πrL；
公式七：V＝πr2L；
其中，公式五中的d为螺旋盘管节间距，R为螺旋盘管弯曲半径，k为螺旋盘管圈数，公式六中的r为螺旋盘管半径；
步骤六，根据公式八计算第一套筒的体积Vi：
公式八：
其中，公式八中的mp为相变材料的质量，ρp为相变材料的密度，α为相变材料的填充率，Vpi为第一螺旋盘管的体积；
步骤七，根据公式九计算第二套筒的体积Ve为：
公式九：
其中，ms为相变材料的质量，ρs为单相工质的密度，Vpe为第二螺旋盘管的体积。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述低压储存模块为低压储罐，所述高压储存模块为高压储罐，所述低压储罐和所述高压储罐二者间隔布置。
根据本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，所述低压储罐外壁设置有真空层，或者所述低压储罐和所述高压储罐外壁均设置有真空层。
本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，储能时，低压储存模块中的低压液态二氧化碳先经过第一区域的第一螺旋盘管和相变材料换热释放潜冷，完成液-气相变，再经过第二区域的第二螺旋盘管和单相工质换热释放显冷，将温度提升至近常温状态再进入储能单元(在此过程中，冷量被储存在蓄冷液化单元)，气化后的二氧化碳通过储能单元进行压缩冷却，即将低压气态二氧化碳压缩高压气态二氧化碳，由蓄冷单元提供至储能单元的冷能介质进行冷却至为高压液态二氧化碳，高压液态二氧化碳输送至高压储存模块储存，热能介质输送至蓄热单元储存；
释能时，高压储存模块中的高压液态二氧化碳先经过发电单元进行加热膨胀，即蓄热单元提供热能介质，使得热能介质与高压液态二氧化碳进行换热，热能介质降温后输送回至蓄冷单元储存，高压液态二氧化碳加热升温后为高压气态二氧化碳，并进行膨胀及输出电能，高压气态二氧化碳膨胀后为低压气态二氧化碳，低压气态二氧化碳先进入至第二区域的第二螺旋盘管和单相工资换热释放显热，温度降低至与相变温度附近，再进入至第一区域的第一螺旋盘管和相变材料换热释放潜热，发生气-液相变，使得低压气态二氧化碳变为低压液态二氧化碳，并输送至低压储存模块中储存。
采用上述结构具有以下效果，其一：本发明的系统有利于解决大规模长时储能问题，能够有效平衡电网，减小新能源发电的波动性，实现电力的稳定供给；其二：本发明的系统使用二氧化碳作为储能工质，具有良好的环保性能。二氧化碳工质、冷能介质和热能介质均在系统中实现了自循环，系统简单紧凑，适宜大规模推广应用；其三：本发明的系统具有储能密度高、运行稳定、系统紧凑、成本较低等优势，特别是实现二氧化碳的低压和高压液态储存，进一步提高了储能密度，通过压缩和膨胀，提高了储能效率；其四：本发明的系统的蓄冷液化单元采用第一螺旋盘管和第二螺旋盘管，并通过相变材料和单相工质以实现二氧化碳潜热和显热的分开吸收，提高蓄冷液化效率同时减小占地面积，且第一螺旋盘管和第二螺旋盘管的螺旋盘管结构会在工质流动过程中产生二次流，增强扰动，提升换热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的液态二氧化碳储能系统的结构简图；
图2是本发明提供的蓄冷液化单元和低压储存模块配合的流程示意图；
图3是本发明提供的蓄冷液化单元和低压储存模块配合的进行储能时的流程示意图，其中虚线箭头指向压缩过程运行示意；
图4是本发明提供的蓄冷液化单元和低压储存模块配合的进行释能时的流程示意图，其中虚线箭头指向膨胀过程运行示意。
附图标记：
10、低压储存模块；20、高压储存模块；30、储能单元；31、压缩机；32、间冷器；40、发电单元；41、加热器；42、膨胀机；50、蓄冷单元；60、蓄热单元；70、蓄冷液化单元；71、第一螺旋盘管；72、第二螺旋盘管；73、蓄冷液化器；731、第一套筒；732、第二套筒；74、连接管；75、节流阀；761、第一液态泵；762、第二液态泵；771、第一开关阀；772、第二开关阀；773、第三开关阀；774、第四开关阀；781、第一气液分离器；782、第二气液分离器；M为低谷价电或者弃电驱动；G为发电机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
下面结合图1-图4描述本发明的一种液态二氧化碳储能系统。
参照图1和图2，根据本发明提供一种液态二氧化碳储能系统，包括：二氧化碳储存单元，包括用于存储低压液态二氧化碳的低压储存模块10和用于存储高压液态二氧化碳的高压储存模块20；储能单元30，用于对低压气态二氧化碳压缩冷却，并转化为高压液态二氧化碳以及输出热能介质；发电单元40，用于将高压液态二氧化碳加热膨胀，并转化为低压气态二氧化碳以及输出电能；蓄冷单元50，用于储存冷能介质，蓄冷单元50的冷能入口端连通于发电单元40，蓄冷单元50的冷能出口端连通于储能单元30；蓄热单元60，用于储存热能介质，蓄热单元60的热能入口端连通于储能单元30，蓄热单元60的热能出口端连通于发电单元40；蓄冷液化单元70，设置有第一区域和第二区域，第一区域设置有相变材料和位于相变材料内的第一螺旋盘管71，第二区域设置有单相工质和位于单相工质内的第二螺旋盘管72，第一螺旋盘管71和第二螺旋盘管72二者一端相连通；其中，低压储存模块10的入口端及出口端均与第一螺旋盘管71的另一端通断配合，储能单元30和发电单元40二者的一端均与第二螺旋盘管72的另一端通断配合，高压储存模块20的入口端与储能单元30通断配合，高压储存模块20的出口端与发电单元40通断配合。
需要说明的是，上述低压和高压二者为相对概念，即低压的压力值小于高压的压力值。
本发明提供的一种液态二氧化碳储能系统，参照图1、图2和图3，储能时，低压储存模块10中的低压液态二氧化碳先经过第一区域的第一螺旋盘管71和相变材料换热释放潜冷，完成液-气相变，再经过第二区域的第二螺旋盘管72和单相工质换热释放显冷，将温度提升至近常温状态再进入储能单元30(在此过程中，冷量被储存在蓄冷液化单元70)，气化后的二氧化碳通过储能单元30进行压缩冷却，即将低压气态二氧化碳压缩高压气态二氧化碳，由蓄冷单元50提供至储能单元30的冷能介质进行冷却至为高压液态二氧化碳，高压液态二氧化碳输送至高压储存模块20储存，热能介质输送至蓄热单元60储存；
参照图1、图2和图4，释能时，高压储存模块20中的高压液态二氧化碳先经过发电单元40进行加热膨胀，即蓄热单元60提供热能介质，使得热能介质与高压液态二氧化碳进行换热，热能介质降温后输送回至蓄冷单元50储存，高压液态二氧化碳加热升温后为高压气态二氧化碳，并进行膨胀及输出电能，高压气态二氧化碳膨胀后为低压气态二氧化碳，低压气态二氧化碳先进入至第二区域的第二螺旋盘管72和单相工资换热释放显热，温度降低至与相变温度附近，再进入至第一区域的第一螺旋盘管71和相变材料换热释放潜热，发生气-液相变，使得低压气态二氧化碳变为低压液态二氧化碳，并输送至低压储存模块10中储存。
采用上述结构具有以下效果，其一：本发明的系统有利于解决大规模长时储能问题，能够有效平衡电网，减小新能源发电的波动性，实现电力的稳定供给；其二：本发明的系统使用二氧化碳作为储能工质，具有良好的环保性能。二氧化碳工质、冷能介质和热能介质均在系统中实现了自循环，系统简单紧凑，适宜大规模推广应用；其三：本发明的系统具有储能密度高、运行稳定、系统紧凑、成本较低等优势，特别是实现二氧化碳的低压和高压液态储存，进一步提高了储能密度，通过压缩和膨胀，提高了储能效率；其四：本发明的系统的蓄冷液化单元70采用第一螺旋盘管71和第二螺旋盘管72，并通过相变材料和单相工质以实现二氧化碳潜热和显热的分开吸收，提高蓄冷液化效率同时减小占地面积，且第一螺旋盘管71和第二螺旋盘管72的螺旋盘管结构会在工质流动过程中产生二次流，增强扰动，提升换热效果。
可以理解的是，参照图1，在本发明的一些实施例中，低压储存模块10和为低压储罐，高压储存模块20为高压储罐，低压储罐和高压储罐二者间隔布置。采用上述结构，系统包括低压侧和高压侧，分别采用压力容器储存压缩前和压缩后的二氧化碳工质，其中低压储罐中的二氧化碳以低压液态形式存储，高压储罐中的二氧化碳以高压液态形式存储，最大限度地提高储能密度、减小占地面积、降低系统成本。需要说明的是，上述低压储罐和高压储罐均为铸铁或钢制的低压压力容器。
具体地，在本发明的一些实施例中，低压储罐的外壁设置有真空层。可以理解为，低压液态二氧化碳需采用工业专用低温液态储罐，即外壁设置有真空层，减少冷量散失，防止液态二氧化碳气化。
当然地，在一些实施例中，低压储罐和高压储罐外壁均设置有真空层。
可以理解的是，参照图2至图4，在本发明的一些实施例中，蓄冷液化单元70包括蓄冷液化器73，蓄冷液化器73包括对应第一区域布置的第一套筒731和对应第二区域布置的第二套筒732，第二套筒732套设于第一套筒731的外部，第二套筒732的内侧壁与第一套筒731的外侧壁之间具有间距；第一螺旋盘管71和相变材料均设置于第一套筒731内，第二螺旋盘管72和单相工质均设置于第一套筒731的外侧壁和第二套筒732的内侧壁之间；其中，第二螺旋盘管72环绕第一套筒731的外侧壁布置，第一螺旋盘管71和第二螺旋盘管72二者一端通过连接管74相连通。采用上述结构，通过第一套筒731和第二套筒732二者内外套设组合，且设置有第一螺旋盘管71和第二螺旋盘管72，以使得蓄冷液化器73呈缠绕管式结构，并分别填充相变材料和单相工质，以满足低压二氧化碳的气液相变和从近常温到近液化温度之间的两段换热，以实现二氧化碳潜热和显热的分开吸收，作为换热器和冷量储存器，提高蓄冷液化效率同时减小占地面积；另外通过第一螺旋盘管71对应设置于第一套筒731内，第二螺旋盘管72对应设置于第一套筒731和第二套筒732之间，上述螺旋盘管结构会在工质流动过程中产生二次流，增强扰动，提升换热效果。
在一些实施例中，单相工质和相变材料亦可在第一套筒731和第二套筒732互换填充位置。
具体地，在本发明的一些实施例中，第一套筒731和第二套筒732之间设置有第一隔热层，以防止冷量散失。可以理解为，第一隔热层采用气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水或真空层，从而防止热量传递，有效减小能量损失；
具体地，在本发明的一些实施例中，第二套筒732的外壁设置有第二隔热层，防止冷量散失。可以理解为，第二隔热层采用气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水或真空层，从而防止热量传递，有效减小能量损失。
需要说明的是，理想状态下第一螺旋盘管71内流通液态二氧化碳和第二螺旋盘管72内流通气态二氧化碳，需根据具体运行参数设计其管径，并采用连接管74进行连接。第一套筒731填装有适配系统低压侧二氧化碳相变温度的相变材料，主要用于吸收二氧化碳的潜热，换热过程相变材料发生固液相变，温度在相变温度周边的狭窄范围内变化。第二套筒732填装单相工质，单相工质具体为液态工质如甲醇等，或者为固态工质如砂砾等，换热过程中不发生相态的改变，温度可在较大区间范围内变化。
可以理解为，本发明系统的蓄冷液化器73将释能环节二氧化碳气-液相变过程中的潜热和显热分开交换吸收，将储能环节二氧化碳液-气相变过程中的潜冷和显冷同样分级吸收，从而提高蓄冷液化效率，进一步提高整个储能系统运行效率，同时热交换和能量储存结构一体化的设计能显著减小占地面积，使得整个系统更加灵活紧凑。
可以理解的是，在本发明的一些实施例中，根据导热性和耐腐蚀性需求选择适合的制作材料制造第一螺旋盘管71，制作材料如铜或者不锈钢等；根据导热性和耐腐蚀性需求选择适合的制作材料制造第二螺旋盘管72，制作材料如铜或者不锈钢等。
可以理解的是，参照图1、图2和图3，在本发明的一些实施例中，储能单元30包括：压缩机31，压缩机31的入口端与第二螺旋盘管72通断配合；间冷器32，用于换热，间冷器32设置有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，压缩机31的出口端与间冷器32的第一输入端通断配合，间冷器32的第二输入端与蓄冷单元50的出口端通断配合，间冷器32的第一输出端与高压储存模块20的入口端通断配合，间冷器32的第二输出端与蓄热单元60的入口端通断配合。采用上述结构，储能时，低压储罐中的液态二氧化碳首先经过蓄冷液化器73释放冷量，气化后进入压缩机31，被压缩至高温高压状态后进入间冷器32释放压缩热，由蓄冷单元50中的冷能介质吸收并将压缩热储存在蓄热单元60中。被冷却至液态后的高压二氧化碳进入高压储罐储存。通过压缩机31和间冷器32的组合，低压气态二氧化碳可以被有效地转化为高压液态二氧化碳，可以显著减小其体积。相比于气体，液体在相同压力下占据更小的空间，因此可以更方便地输送以及储存至高压储存模块20，储能密度较高，有利于减少系统的储能区域的占地面积，并确保系统的可靠性和效率。
需要说明的是，上述压缩机31可选择为螺杆式压缩机、往复式压缩机等形式，间冷器32可选择为壳管式换热器、板式换热器和翅片式换热器等形式。
在本发明的一些实施例中，压缩机31由低谷电或风光弃电驱动，用于将低压二氧化碳压缩成高压状态，将电能转化为势能和热能存储。
可以理解的是，参照图1、图2和图4，在本发明的一些实施例中，发电单元40包括：加热器41，用于换热，加热器41设置有第一通入端、第二通入端、第一通出端和第二通出端，加热器41的第一通入端与高压储存模块20的出口端通断配合，蓄热单元60的热能出口端与加热器41的第二通入端通断配合，加热器41的第一通出端与蓄冷单元50的冷能入口端通断配合；膨胀机42，膨胀机42的入口端与加热器41的第二通出端通断配合，膨胀机42的出气端与第二螺旋盘管72通断配合；其中，膨胀机42连接有发电机，以驱动发电机发电。热量来自于储能过程中蓄热单元60储存的压缩热，热能介质和二氧化碳换热降温后回到蓄冷单元50中。膨胀机42出口端的气态二氧化碳进入蓄冷液化器73吸收储能过程储存的冷量液化后再进入低压储罐中储存。通过加热器41和膨胀机42组合可以控制液态物质转变为气态物质的速率和温度，并带动发电机发电，能够有效平衡电网，减小新能源发电的波动性，实现电力的稳定供给。
需要说明的是，膨胀机42可选择为膨胀涡轮机、膨胀活塞机等形式，加热器41可选择为壳管式换热器、板式换热器和翅片式换热器等形式。
在本发明的一些实施例中，膨胀机42通过连接有发电机，以用于在用电高峰期发电，并入电网。
可以理解的是，在本发明的一些实施例中，储能过程中液态二氧化碳释放冷量，吸热气化，相变材料吸收冷量，凝固放热；释能过程中气态二氧化碳释放热量液化，相变材料吸热融化。除作为换热器用于相变材料和二氧化碳之间的换热外，该蓄冷液化器73同时作为冷量储存器，即在储能过程中吸收低温液态二氧化碳的冷量并储存，释能过程中将该部分冷量释放用于膨胀机42出口端的气态二氧化碳的液化。
可以理解的是，参照图1至图4，在本发明的一些实施例中，蓄冷液化单元70还包括：节流阀75，用于液态二氧化碳的降压；输送泵组件，用于提供循环动力，输送泵组件包括第一液态泵761和第二液态泵762；开关组件，用于控制储能和释能二者过程中二氧化碳的流动回路，开关组件包括第一开关阀771、第二开关阀772、第三开关阀773和第四开关阀774；气液分离组件，用于将换热过程中未相变完全的二氧化碳分离进行二次换热，气液分离组件包括第一气液分离器781和第二气液分离器782；
其中，低压储存模块10的出口端连通节流阀75的入口端，节流阀75的出口端连通第一液态泵761的入口端，第一液态泵761的出口端连通于第一螺旋盘管71，且二者之间设置有第一开关阀771；第二螺旋盘管72连通于第一气液分离器781的入口端，且二者之间设置有第三开关阀773，第一气液分离器781的出气口连通于压缩机31，第一气液分离器781的出液端连通于第一液态泵761和节流阀75二者之间的连通路线；
膨胀机42的出口端连通于第二螺旋盘管72，且二者之间设置有第四开关阀774，第一螺旋盘管71连通于第二气液分离器782的入口端，且二者之间设置有第二开关阀772，第二气液分离器782的出气端连通于膨胀机42的出气端和第四开关阀774之间的连通路线，第二气液分离器782的出液端连通于第二液态泵762的入口端，第二液态泵762的出口端于低压储存模块10的入口端。
采用上述结构，压缩过程，开启第一开关阀771和第三开关阀773，低压储罐中的液态二氧化碳经蓄冷液化器73吸热气化后进入压缩机31，具体为，液态二氧化碳先经过第一螺旋盘管71和相变材料换热释放潜冷，完成液-气相变，再经过第二螺旋盘管72和单相工质换热释放显冷，将温度提升至近常温状态再进入压缩机31。在此过程中，冷量被储存在蓄冷液化器73中；膨胀过程，开启第二开关阀772和第四开关阀774，膨胀机42出口端的气态二氧化碳经蓄冷液化器73放热液化后进入低压储罐中储存，也可以理解为吸收蓄冷液化器73中储存的冷量实现液化。具体为气态二氧化碳首先进入第二螺旋盘管72和单相工质换热释放显热，温度降低至相变温度附近，再进入第一螺旋盘管71和相变材料换热释放潜热，发生气-液相变。通过上述结构，设置有节流阀75一方面可以补充冷量，调控气态二氧化碳和液态二氧化碳两工质的温度，确保换热过程的顺利进行，另一方面可以稳定压缩机31进气压力，使系统稳定运行；另外，设置有输送泵组件、开关组件和气液分离组件，使得系统具有循环动力，整个系统中形成一种闭式循环，控制各个回路的正常运行，且有利于保证二氧化碳的液化或气化的充分，提升储能效率和运行安全性。
在此还需要说明的是，在本发明的一些实施例中，压缩机31、膨胀机42不局限于单级，还可以设置成更多级形式，相应地也可以设置多级间冷器32和加热器41。
可以理解的是，在本发明的一些实施例中，第一套筒731和第二套筒732二者的结构参数设计和材料用量计算步骤如下：
步骤一，根据二氧化碳实现液化需要释放的热量来计算两部分蓄冷工质的用量；
通过公式一：计算膨胀机42的出口端的二氧化碳实现液化需要释放的总热量Qc为：
公式一：Qc＝Qcs+Qcl＝ccmcΔt+mcrc；
其中，公式一中的Qcs为液化过程的释放的显热，Qcl为液化过程释放的潜热，cc为二氧化碳的比热容，rc为二氧化碳的相变潜热，Δt为膨胀机出口端处二氧化碳的温度与相变温度之间的差，mc为二氧化碳的质量，因此可以理解的是，上述二氧化碳的比热容cc、二氧化碳的质量mc和膨胀机出口端处二氧化碳的温度与相变温度之间的差Δt三者相乘得到液化过程的释放的显热Qcs，而二氧化碳的质量mc和二氧化碳的相变潜热rc相乘得到液化过程释放的潜热Qcl，将液化过程的释放的显热Qcs和液化过程释放的潜热Qcl相加得到膨胀机42的出口端的二氧化碳实现液化需要释放的总热量Qc；
步骤二，通过公式二计算相变材料的用量mp为：
公式二：
其中，公式二中的Qp为相变材料需要吸收的热量，rp为相变材料的相变潜热，mp为相变材料的质量，因此可以理解的是，上述相变材料需要吸收的热量Qp和相变材料的相变潜热rp二者比值等于液化过程释放的潜热Qcl和相变材料的相变潜热rp二者比值，即等于相变材料的用量mp；
步骤三，通过公式三计算单相工质的用量ms为：
公式三：
其中，Qs为单相工质需要吸收的热量，cs为单相工质的比热容，ms为单相工质的质量，Δts为单相工质在换热过程中的温差，因此可以理解的是，上述公式三中单相工质需要吸收的热量Qs和(单相工质的比热容cs、单相工质在换热过程中的温差Δts二者相乘的值)相比后的比值等于液化过程的释放的显热Qcs和(单相工质的比热容cs、单相工质在换热过程中的温差Δts二者相乘的值)相比后的比值，即等于单相工质的用量ms；
步骤四，流体与壁面接触时的换热量计算遵循以下牛顿冷却公式四：
公式四：
其中，公式四中的Q为换热量，h为对流换热系数，A为换热面积，Δtm为平均换热温差，De为螺旋盘管的当量直径，u为工质的流动速度，因此可以理解的是，上述对流换热系数h、换热面积A和Δtm为平均换热温差相乘值等于四分之一圆周率π、螺旋盘管的当量直径De的平方、工质的流动速度u、二氧化碳的比热容cc、二氧化碳的比热容cc和平均换热温差Δtm六者相乘值，即等于换热量Q；
步骤五，根据公式五、公式六和公式七计算螺旋盘管长度L、表面积S和体积V：
公式五：
公式六：S＝2πrL；
公式七：V＝πr2L；
其中，公式五中的d为螺旋盘管节间距，R为螺旋盘管弯曲半径，螺旋盘管弯曲半径是指螺旋盘管在被弯曲时形成的曲线的半径，k为螺旋盘管圈数，公式六中的r为螺旋盘管半径，螺旋盘管半径是指螺旋盘管截面形成的圆的半径，因此可以理解的是，上述公式五中(螺旋盘管长度d的平方)与(4乘(圆周率π的平方)乘(螺旋盘管弯曲半径的平方)乘(螺旋盘管圈数k的平方))相加后开根号等于螺旋盘管长度L；公式六中圆周率π、2乘螺旋盘管半径r(螺旋盘管直径)和螺旋盘管长度L三者相乘值等于表面积S；公式七中圆周率π、螺旋盘管半径r的平方和螺旋盘管长度L等于体积V；
步骤六，根据公式八计算第一套筒731的体积Vi：
公式八：
其中，公式八中的mp为相变材料的质量，ρp为相变材料的密度，α为相变材料的填充率，考虑到固液相变带来的体积变化，一般相变材料的填充率α取值约85％，Vpi为第一螺旋盘管的体积，因此可以理解的是，公式八中相变材料的质量mp和相变材料的密度ρp二者比值与相变材料的填充率α相比后的比值加上第一螺旋盘管71的体积Vpi等于第一套筒731的体积Vi；
步骤七，根据公式九计算第二套筒的体积Ve为：
公式九：
其中，公式九中ms为相变材料的质量，ρs为单相工质的密度，Vpe为第二螺旋盘管的体积，因此可以理解的是，公式九中相变材料的质量ms和单相工质的密度ρs二者比值加上第二螺旋盘管72的体积Vpe等于第二套筒732的体积Ve。
需要说明的是，上述设计过程不考虑热量损失，换热过程的两部分介质吸热和放热总量相同，并且第一套筒731和第二套筒732二者体积计算不考虑隔热层；此外，在实际过程中，应该适当保留设计余量。
具体地，在本发明的一些实施例中，第一套筒731和第二套筒732二者尺寸计算如下：随着长度和直径比从1:1增大至5：1，储冷效率逐渐增大，在达到4:1后相对增长比例减小至0.1％。因此基于总体积和4:1的长径比进行尺寸设计，并在实际过程中留有一定余量。蓄冷过程中液态二氧化碳发生气化，计算原理与上述相同，但考虑到实际过程中不可避免的冷量损失以及相变换热过程的顺利进行，通常需要将低压液态二氧化碳进行适当节流，降低压力以补充部分冷量。
可以理解的是，参照图1在本发明的一些实施例中，上述蓄冷单元50为蓄冷罐，热能介质在加热器41中加热二氧化碳后降温为冷能介质，冷能介质存储于蓄冷罐中，用于储能环节吸收压缩热。
可以理解的是，参照图1，在本发明的一些实施例中，上述蓄热单元60为蓄热罐，冷能介质进入间冷器32中吸收压缩热后，将压缩热即热能介质存储于蓄热罐中，用于发电环节加热二氧化碳。在一些实施例中，蓄热罐外壁设置有由保温材料构成的保温层，以减少热量损失。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种液态二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：
二氧化碳储存单元，包括用于存储低压液态二氧化碳的低压储存模块(10)和用于存储高压液态二氧化碳的高压储存模块(20)；
储能单元(30)，用于对低压气态二氧化碳压缩冷却，并转化为高压液态二氧化碳以及输出热能介质；
发电单元(40)，用于将高压液态二氧化碳加热膨胀，并转化为低压气态二氧化碳以及输出电能；
蓄冷单元(50)，用于储存冷能介质，所述蓄冷单元(50)的冷能入口端连通于所述发电单元(40)，所述蓄冷单元(50)的冷能出口端连通于所述储能单元(30)；
蓄热单元(60)，用于储存热能介质，所述蓄热单元(60)的热能入口端连通于所述储能单元(30)，所述蓄热单元(60)的热能出口端连通于所述发电单元(40)；
蓄冷液化单元(70)，设置有第一区域和第二区域，所述第一区域设置有相变材料和位于所述相变材料内的第一螺旋盘管(71)，所述第二区域设置有单相工质和位于所述单相工质内的第二螺旋盘管(72)，所述第一螺旋盘管(71)和所述第二螺旋盘管(72)二者一端相连通；
其中，所述低压储存模块(10)的入口端及出口端均与所述第一螺旋盘管(71)的另一端通断配合，所述储能单元(30)和所述发电单元(40)二者的一端均与所述第二螺旋盘管(72)的另一端通断配合，所述高压储存模块(20)的入口端与所述储能单元(30)通断配合，所述高压储存模块(20)的出口端与所述发电单元(40)通断配合；
所述蓄冷液化单元(70)包括蓄冷液化器(73)，所述蓄冷液化器(73)包括对应第一区域布置的第一套筒(731)和对应第二区域布置的第二套筒(732)，所述第二套筒(732)套设于所述第一套筒(731)的外部，所述第二套筒(732)的内侧壁与所述第一套筒(731)的外侧壁之间具有间距；
所述第一螺旋盘管(71)和所述相变材料均设置于所述第一套筒(731)内，所述第二螺旋盘管(72)和所述单相工质均设置于所述第一套筒(731)的外侧壁和所述第二套筒(732)的内侧壁之间；
其中，所述第二螺旋盘管(72)环绕所述第一套筒(731)的外侧壁布置，所述第一螺旋盘管(71)和所述第二螺旋盘管(72)二者一端通过连接管(74)相连通；
所述发电单元(40)包括：
加热器(41)，用于换热，所述加热器(41)设置有第一通入端、第二通入端、第一通出端和第二通出端，所述加热器(41)的第一通入端与所述高压储存模块(20)的出口端通断配合，所述蓄热单元(60)的热能出口端与所述加热器(41)的第二通入端通断配合，所述加热器(41)的第一通出端与所述蓄冷单元(50)的冷能入口端通断配合；
膨胀机(42)，所述膨胀机(42)的入口端与所述加热器(41)的第二通出端通断配合，所述膨胀机(42)的出气端与所述第二螺旋盘管(72)通断配合；
其中，所述膨胀机(42)连接有发电机，以驱动所述发电机发电；
所述第一套筒(731)和所述第二套筒(732)二者的结构参数设计和材料用量计算步骤如下：
步骤一，根据二氧化碳实现液化需要释放的热量来计算两部分蓄冷工质的用量；
通过公式一：计算所述膨胀机(42)的出口端的二氧化碳实现液化需要释放的总热量Qc为：
公式一：Qc＝Qcs+Qcl＝ccmcΔt+mcrc；
其中，公式一中的Qcs为液化过程的释放的显热，Qcl为液化过程释放的潜热，cc为二氧化碳的比热容，rc为二氧化碳的相变潜热，Δt为膨胀机(42)出口端处二氧化碳的温度与相变温度之间的差，mc为二氧化碳的质量；
步骤二，通过公式二计算相变材料的用量mp为：
公式二：
其中，公式二中的Qp为相变材料需要吸收的热量，rp为相变材料的相变潜热，mp为相变材料的质量；
步骤三，通过公式三计算单相工质的用量ms为：
公式三：
其中，Qs为单相工质需要吸收的热量，cs为单相工质的比热容，ms为单相工质的质量，Δts为单相工质在换热过程中的温差；
步骤四，流体与壁面接触时的换热量计算遵循以下牛顿冷却公式四：
公式四：
其中，公式四中的Q为换热量，h为对流换热系数，A为换热面积，Δtm为平均换热温差，De为螺旋盘管的当量直径，u为工质的流动速度；
步骤五，根据公式五、公式六和公式七计算螺旋盘管长度L、表面积S和体积V：
公式五：
公式六：S＝2πrL；
公式七：V＝πr2L；
其中，公式五中的d为螺旋盘管节间距，R为螺旋盘管弯曲半径，k为螺旋盘管圈数，公式六中的r为螺旋盘管半径；
步骤六，根据公式八计算第一套筒(731)的体积Vi：
公式八：
其中，公式八中的mp为相变材料的质量，ρp为相变材料的密度，α为相变材料的填充率，Vpi为第一螺旋盘管(71)的体积；
步骤七：根据公式九计算第二套筒(732)的体积Ve为：
公式九：
其中，ms为相变材料的质量，ρs为单相工质的密度，Vpe为第二螺旋盘管(72)的体积。
2.根据权利要求1所述的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一套筒(731)和所述第二套筒(732)之间设置有第一隔热层。
3.根据权利要求1所述的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第二套筒(732)的外壁设置有第二隔热层。
4.根据权利要求1所述的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述储能单元(30)包括：
压缩机(31)，所述压缩机(31)的入口端与所述第二螺旋盘管(72)通断配合；
间冷器(32)，用于换热，所述间冷器(32)设置有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述压缩机(31)的出口端与所述间冷器(32)的第一输入端通断配合，所述间冷器(32)的第二输入端与所述蓄冷单元(50)的出口端通断配合，所述间冷器(32)的第一输出端与所述高压储存模块(20)的入口端通断配合，所述间冷器(32)的第二输出端与所述蓄热单元(60)的热能入口端通断配合。
5.根据权利要求4所述的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述蓄冷液化单元(70)还包括：
节流阀(75)，用于液态二氧化碳的降压；
输送泵组件，用于提供循环动力，所述输送泵组件包括第一液态泵(761)和第二液态泵(762)；
开关组件，用于控制储能和释能二者过程中二氧化碳的流动回路，所述开关组件包括第一开关阀(771)、第二开关阀(772)、第三开关阀(773)和第四开关阀(774)；
气液分离组件，用于将换热过程中未相变完全的二氧化碳分离以进行二次换热，所述气液分离组件包括第一气液分离器(781)和第二气液分离器(782)；
其中，所述低压储存模块(10)的出口端连通所述节流阀(75)的入口端，所述节流阀(75)的出口端连通所述第一液态泵(761)的入口端，所述第一液态泵(761)的出口端连通于所述第一螺旋盘管(71)，且二者之间设置有第一开关阀(771)；所述第二螺旋盘管(72)连通于所述第一气液分离器(781)的入口端，且二者之间设置有所述第三开关阀(773)，所述第一气液分离器(781)的出气口连通于所述压缩机(31)，所述第一气液分离器(781)的出液端连通于所述第一液态泵(761)和所述节流阀(75)二者之间的连通路线；
所述膨胀机(42)的出口端连通于所述第二螺旋盘管(72)，且二者之间设置有第四开关阀(774)，所述第一螺旋盘管(71)连通于所述第二气液分离器(782)的入口端，且二者之间设置有第二开关阀(772)，所述第二气液分离器(782)的出气端连通于所述膨胀机(42)的出气端和所述第四开关阀(774)之间的连通路线，所述第二气液分离器(782)的出液端连通于所述第二液态泵(762)的入口端，所述第二液态泵(762)的出口端于所述低压储存模块(10)的入口端。
6.根据权利要求1或2所述的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述低压储存模块(10)为低压储罐，所述高压储存模块(20)为高压储罐，所述低压储罐和所述高压储罐二者间隔布置。
7.根据权利要求6所述的液态二氧化碳储能系统，其特征在于，所述低压储罐外壁设置有真空层，或者所述低压储罐和所述高压储罐外壁均设置有真空层。
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