CN118258247A - 一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统。其包括：碳酸钙储罐；氧化钙储罐；碳酸钙回路；气体回路；缓冲罐；碳酸钙‑氧化钙回热器；碳酸钙‑二氧化碳回热器；碳酸钙‑氧化钙热化学反应器：加热碳酸钙颗粒至反应温度，并为碳酸钙吸热反应提供热能；二氧化碳选择性分离膜；压缩机；发电/电动机；储热储罐；常温液态二氧化碳储罐：用于储存经压缩换热后的常温液态二氧化碳；二氧化碳透平机；氧化钙‑碳酸钙热化学反应器；氧化钙‑碳酸钙回热器；二氧化碳换热器。本发明可解决现有成本高的问题，减小储能系统占地面积；同时在相同二氧化碳介质用量的情况下增加储能密度。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统。
背景技术
碳酸钙-氧化钙循环热化学储能具有储热密度大、储能时间长、储热介质价格低廉等优点，但由于参与反应的气体为二氧化碳，还需额外建设二氧化碳气罐与气体回路，增加了系统的复杂性的同时，也增加了投资成本和运行成本。
压缩空气储能同样是一种具有前景储能技术，但压缩空气储能方案中，若压缩后的空气仍为气态，则由于气体密度较低，在没有盐穴等环境的辅助下，需要建设体积庞大的高压空气储罐，大大提高储能成本，若将空气压缩至液态减小储罐体积，则需要将空气在190℃的低温下进行储存，同样会造成储能成本的增加。液态二氧化碳储能，由于可将高储能密度的液态二氧化碳在常温下进行储存，大大减少了储罐成本，但由于二氧化碳不能直接排放到空气中，还需要建设一个气态常压二氧化碳储罐用以储存放电后排出的二氧化碳气体，导致系统占地面积较大，且提升了整体造价。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提供一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统，结合两者优势以解决现有热化学储能系统以及压缩二氧化碳储能系统气态二氧化碳储存成本高的问题，减小储能系统占地面积。同时充分利用二氧化碳增加储能的级别，在相同二氧化碳用量条件下增加储能密度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
本发明提供了一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其包括:
碳酸钙储罐：用于储存常温下的碳酸钙颗粒；
氧化钙储罐：用于储存常温下的氧化钙颗粒；
碳酸钙回路：由碳酸钙输送系统，管道及阀门等构成，用于输送碳酸钙使其在系统中循环；
氧化钙回路：由氧化钙输送系统，管道及阀门等构成，用于输送碳酸钙使其在系统中循环；
气体回路：由风机、气体管路和阀门等构成，用于输送系统中的二氧化碳等气体，使其在系统中循环；
缓冲罐：由储罐和颗粒分配器构成，用于根据系统运行情况，储存并分配碳酸钙颗粒运往氧化钙回热器和二氧化碳回热器的比例；
碳酸钙-氧化钙回热器：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热碳酸钙颗粒的同时冷却氧化钙颗粒；
碳酸钙-二氧化碳回热器：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热碳酸钙颗粒的同时冷却二氧化碳；
碳酸钙-氧化钙热化学反应器：加热碳酸钙颗粒至反应温度，并为碳酸钙吸热反应提供热能；
二氧化碳选择性分离膜：分离二氧化碳并过滤气体中携带的粉尘；
压缩机：用于将常温常压的二氧化碳气体压缩成高温高压的二氧化碳气体，以便于储存；
发电/电动机：用于为压缩机提供动力，并与二氧化碳透平机连接，用于发电；
储热储罐：用于储存热能，将高温高压的二氧化碳携带的热能储存，二氧化碳在此变为常温液态二氧化碳，便于储存；
常温液态二氧化碳储罐：用于储存经压缩换热后的常温液态二氧化碳；
二氧化碳透平机：放电时，常温液态二氧化碳经储热储罐加热至高温高压二氧化碳，经透平机膨胀做工提供电能，并输出常压二氧化碳。
氧化钙-碳酸钙热化学反应器：加热碳酸钙颗粒至反应温度，控制放热的进行；
氧化钙-碳酸钙回热器：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热氧化钙颗粒的同时冷却碳酸钙颗粒；
二氧化碳换热器：过量二氧化碳携带热化学反应的热能，通过换热器将热量释放，用于发电或供热等领域。
储能系统的工作原理及过程是：
储电过程中，碳酸钙吸收电加热的热能分解为氧化钙和二氧化碳，第一级以化学能形式储存电能，氧化钙颗粒经回热后常温储存于储罐中，减少热能损失和颗粒储罐成本。气态二氧化碳流入压缩二氧化碳储能系统，经压缩机压缩为高温高压二氧化碳，流出储热系统，经过冷却变为常温液态二氧化碳，第二级以压缩二氧化碳能和热能的形式储存电能。
放电过程中，常温液态二氧化碳流经储热系统吸收热量变为高温高压二氧化碳，进入透平做功发电，第一次释放电能。气态二氧化碳与氧化钙颗粒反应放热，第二次输出能量。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1) 耦合热化学和压缩二氧化碳储能系统，在储能前后，二氧化碳分别以碳酸钙和液态二氧化碳的形式存在，无需设置气态二氧化碳储罐，增加储能密度，降低系统的占地面积，降低储能系统成本。
(2) 耦合热化学和压缩二氧化碳储能系统，将能量以化学能、热能和压缩二氧化碳的形式多次多级储存，在相同二氧化碳介质用量的情况下，提高了储能密度。
(3) 采用热化学、压缩空气和热能储存的形式，除储热储罐外，其他二氧化碳、碳酸钙和氧化钙等储能介质储罐均在常温下进行存储，避免使用高温材料，同时减少了储罐保温成本极大减少了储罐成本，同时由于在介质常温储存，因此散热损失的影响较小，可以做到稳定的长时储能。
附图说明
图1为本发明一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统示意图。
图中各个标号所代表的组件为：1-碳酸钙储罐、2-氧化钙储罐、3-碳酸钙回路、4-氧化钙回路、5、气体回路、6-缓冲罐、7-碳酸钙-氧化钙回热器、8-碳酸钙-二氧化碳回热器、9-碳酸钙-氧化钙热化学反应器、10-二氧化碳选择性分离膜、11-压缩机、12-发电/电动机、13-储热储罐、14-常温液态二氧化碳储罐、15-二氧化碳透平机、16-氧化钙-碳酸钙热化学反应器、17-氧化钙-碳酸钙回热器、18-二氧化碳换热器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分，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做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。
如图1所示，本发明所述系统包括包括:
碳酸钙储罐1：用于储存常温下的碳酸钙颗粒；
氧化钙储罐2：用于储存常温下的氧化钙颗粒；
碳酸钙回路3：由碳酸钙输送系统，管道及阀门等构成，用于输送碳酸钙使其在系统中循环；
氧化钙回路4：由氧化钙输送系统，管道及阀门等构成，用于输送碳酸钙使其在系统中循环；
气体回路5：由风机、气体管路和阀门等构成，用于输送系统中的二氧化碳等气体，使其在系统中循环；
缓冲罐6：由储罐和颗粒分配器构成，用于根据系统运行情况，储存并分配碳酸钙颗粒运往氧化钙回热器和二氧化碳回热器的比例；
碳酸钙-氧化钙回热器7：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热碳酸钙颗粒的同时冷却氧化钙颗粒；
碳酸钙-二氧化碳回热器8：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热碳酸钙颗粒的同时冷却二氧化碳；
碳酸钙-氧化钙热化学反应器9：加热碳酸钙颗粒至反应温度，并为碳酸钙吸热反应提供热能；
二氧化碳选择性分离膜10：分离二氧化碳并过滤气体中携带的粉尘；
压缩机11：用于将常温常压的二氧化碳气体压缩成高温高压的二氧化碳气体，以便于储存；
发电/电动机12：用于为压缩机提供动力，并与二氧化碳透平机连接，用于发电；
储热储罐13：用于储存热能，将高温高压的二氧化碳携带的热能储存，二氧化碳在此变为常温液态二氧化碳，便于储存；
常温液态二氧化碳储罐14：用于储存经压缩换热后的常温液态二氧化碳；
二氧化碳透平机15：放电时，常温液态二氧化碳经储热储罐加热至高温高压二氧化碳，经透平机膨胀做工提供电能，并输出常压二氧化碳。
氧化钙-碳酸钙热化学反应器16：加热碳酸钙颗粒至反应温度，控制放热的进行；
氧化钙-碳酸钙回热器17：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热氧化钙颗粒的同时冷却碳酸钙颗粒；
二氧化碳换热器18：过量二氧化碳携带热化学反应的热能，通过换热器将热量释放。
本发明所述储能系统的运行方式如下：
储电过程中，电能被转换为化学能、压缩空气和热能储存在氧化钙、液态二氧化碳和热能储罐中。
储电过程颗粒回路中，碳酸钙颗粒从1碳酸钙储罐中经3碳酸钙回路流入9碳酸钙-氧化钙热化学反应器中，在其中通过电加热至反应温度，吸热分解产生氧化钙和二氧化碳，高温氧化钙流出9反应器流入2氧化钙储罐中。
储电过程气体回路中，不含二氧化碳的空气由10二氧化碳选择性分离膜中流出，流入9碳酸钙-氧化钙热化学反应器中，与碳酸钙分解产生的二氧化碳混合，重新流入10二氧化碳选择性分离膜，不含二氧化碳的空气继续流入9反应器中，由碳酸钙分解产生的二氧化碳流入压缩机11中，在压缩机中压缩为高温高压的二氧化碳气体，进入13储热储罐中，在储热储罐降至常温液态，最终流入14常温液态二氧化碳储罐储存。
为提高能量利用效率且降低储罐中颗粒的储存温度，设置有7碳酸钙-二氧化碳回热器和8碳酸钙-二氧化碳回热器。碳酸钙颗粒从1碳酸钙储罐中经3碳酸钙回路流入6缓冲罐中，根据系统运行情况分配比例，分别流入7碳酸钙-二氧化碳回热器和8碳酸钙-二氧化碳回热器，利用反应的余热预先加热碳酸钙颗粒。流出回热器7和8后，碳酸钙颗粒流入9碳酸钙-氧化钙热化学反应器中，在其中通过电加热至反应温度，吸热分解产生氧化钙和二氧化碳，高温氧化钙流出9反应器，流入7碳酸钙-二氧化碳回热器中，将热能传递给碳酸钙降至常温后，流入2氧化钙储罐中。
储电过程气体回路中，不含二氧化碳的空气由10二氧化碳选择性分离膜中流出（氮气、氧气等），流入9碳酸钙-氧化钙热化学反应器中，与碳酸钙分解产生的二氧化碳混合，流入8碳酸钙-二氧化碳回热器，将热能传递给碳酸钙后，流入10二氧化碳选择性分离膜，不含二氧化碳的空气继续流入9反应器中，由碳酸钙分解产生的二氧化碳流入压缩机11中，在压缩机中压缩为高温高压的二氧化碳气体，进入13储热储罐中，在储热储罐降至常温液态，最终流入14常温液态二氧化碳储罐储存。
放电过程中。压缩空气和热能转化为电能，部分输出，部分输往16氧化钙-碳酸钙热化学反应器，氧化钙中的化学能转换为热能，以热能形式输出，用于发电或其他领域。
放电过程颗粒回路中，氧化钙颗粒从2氧化钙储罐中经4氧化钙回路流入16氧化钙-碳酸钙热化学反应器中，在其中通过电加热至反应温度，与二氧化碳反应放热生成碳酸钙，高温碳酸钙流出16反应器流入1碳酸钙储罐中。
放电过程气体回路中，常温液态二氧化碳由14常温液态二氧化碳储罐流出，流入13储热储罐中，被加热至高温高压，流入15二氧化碳透平机，膨胀做工带动发电机12发电，过量的常温二氧化碳流出15透平，经5气体回路流入16氧化钙-碳酸钙热化学反应器中，与氧化钙反应放热，其余的二氧化碳被加热至高温，流入18二氧化碳换热器，对外输出热能用于发电或其他领域。经18换热器降温后的二氧化碳重新进入4气体回路，继续流入16氧化钙-碳酸钙热化学反应器中。
为提高能量利用效率且降低储罐中颗粒的储存温度，设置有17氧化钙-碳酸钙回热器。放电过程颗粒回路中，氧化钙颗粒从2氧化钙储罐中经4氧化钙回路流入17氧化钙-碳酸钙回热器，利用反应的余热预先加热氧化钙颗粒。流出回热器17，氧化钙颗粒流入16氧化钙-碳酸钙热化学反应器中，在其中通过电加热至反应温度，与二氧化碳反应放热生成碳酸钙，高温碳酸钙流出16反应器，流入17氧化钙-碳酸钙回热器中，将热能传递给氧化钙降至常温后，流入1碳酸钙储罐中。
最后说明的是，以上实施例之时用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方案及应用范围上均会有改变之处。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，包括:
碳酸钙储罐（1）：用于储存常温下的碳酸钙颗粒；
氧化钙储罐（2）：用于储存常温下的氧化钙颗粒；
碳酸钙回路（3）：由碳酸钙输送系统，管道及阀门等构成，用于输送碳酸钙使其在系统中循环；
氧化钙回路（4）：由氧化钙输送系统，管道及阀门等构成，用于输送碳酸钙使其在系统中循环；
气体回路（5）：由风机、气体管路和阀门等构成，用于输送系统中的二氧化碳等气体，使其在系统中循环；
缓冲罐（6）：由储罐和颗粒分配器构成，用于根据系统运行情况，储存并分配碳酸钙颗粒运往氧化钙回热器和二氧化碳回热器的比例；
碳酸钙-氧化钙回热器（7）：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热碳酸钙颗粒的同时冷却氧化钙颗粒；
碳酸钙-二氧化碳回热器（8）：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热碳酸钙颗粒的同时冷却二氧化碳；
碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）：加热碳酸钙颗粒至反应温度，并为碳酸钙吸热反应提供热能；
二氧化碳选择性分离膜（10）：分离二氧化碳并过滤气体中携带的粉尘；
压缩机（11）：用于将常温常压的二氧化碳气体压缩成高温高压的二氧化碳气体，以便于储存；
发电/电动机（12）：用于为压缩机提供动力，并与二氧化碳透平机连接，用于发电；
储热储罐（13）：用于储存热能，将高温高压的二氧化碳携带的热能储存，二氧化碳在此变为常温液态二氧化碳，便于储存；
常温液态二氧化碳储罐（14）：用于储存经压缩换热后的常温液态二氧化碳；
二氧化碳透平机（15）：放电时，常温液态二氧化碳经储热储罐加热至高温高压二氧化碳，经透平机膨胀做工提供电能，并输出常压二氧化碳；
氧化钙-碳酸钙热化学反应器（16）：加热碳酸钙颗粒至反应温度，控制放热的进行；
氧化钙-碳酸钙回热器（17）：用于收集热化学反应器中的余热，提高系统效率，预热氧化钙颗粒的同时冷却碳酸钙颗粒；
二氧化碳换热器（18）：过量二氧化碳携带热化学反应的热能，通过换热器将热量释放。
2.根据权利要求1所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，碳酸钙颗粒从碳酸钙储罐（1）中经碳酸钙回路（3）流入碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）中，在其中通过电加热至反应温度，吸热分解产生氧化钙和二氧化碳，高温氧化钙流出碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）流入氧化钙储罐（2）中，形成储电过程颗粒回路。
3.根据权利要求1所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，不含二氧化碳的空气由二氧化碳选择性分离膜（10）中流出，流入碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）中，与碳酸钙分解产生的二氧化碳混合，重新流入二氧化碳选择性分离膜（10），不含二氧化碳的空气继续流入碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）中，由碳酸钙分解产生的二氧化碳流入压缩机（11）中，在压缩机中压缩为高温高压的二氧化碳气体，进入储热储罐（13）中，在储热储罐（13）降至常温液态，最终流入常温液态二氧化碳储罐（14）储存，形成储电过程的气体回路。
4.根据权利要求3所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，储电过程气体回路中，不含二氧化碳的空气由二氧化碳选择性分离膜（10）中流出，流入碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）中，与碳酸钙分解产生的二氧化碳混合，流入碳酸钙-二氧化碳回热器（8），将热能传递给碳酸钙后，流入二氧化碳选择性分离膜（10），不含二氧化碳的空气继续流入反应器（9）中，由碳酸钙分解产生的二氧化碳流入压缩机（11）中，在压缩机中压缩为高温高压的二氧化碳气体，进入储热储罐（13）中，在储热储罐降至常温液态，最终流入常温液态二氧化碳储罐（14）储存。
5.根据权利要求1所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，碳酸钙颗粒从碳酸钙储罐（1）中经碳酸钙回路（3）流入缓冲罐（6）中，根据系统运行情况分配比例，分别流入碳酸钙-二氧化碳回热器（7）和碳酸钙-二氧化碳回热器（8），利用反应的余热预先加热碳酸钙颗粒。
6.根据权利要求5所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，流出碳酸钙-氧化钙回热器（7）和碳酸钙-二氧化碳回热器（8）后，碳酸钙颗粒流入碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9）中，在其中通过电加热至反应温度，吸热分解产生氧化钙和二氧化碳，高温氧化钙流出碳酸钙-氧化钙热化学反应器（9），流入碳酸钙-氧化钙回热器（7）中，将热能传递给碳酸钙降至常温后，流入氧化钙储罐（2）中。
7.根据权利要求1所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，氧化钙颗粒从氧化钙储罐（2）中经氧化钙回路（4）流入氧化钙-碳酸钙热化学反应器（16）中，在其中通过电加热至反应温度，与二氧化碳反应放热生成碳酸钙，高温碳酸钙流出（16）反应器流入碳酸钙储罐（1）中，形成放电过程颗粒回路。
8.根据权利要求7所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，放电过程颗粒回路中，氧化钙颗粒从氧化钙储罐（2）中经氧化钙回路（4）流入氧化钙-碳酸钙回热器（17），利用反应的余热预先加热氧化钙颗粒；
流出回热器（17），氧化钙颗粒流入氧化钙-碳酸钙热化学反应器（16）中，在其中通过电加热至反应温度，与二氧化碳反应放热生成碳酸钙，高温碳酸钙流出氧化钙-碳酸钙热化学反应器（16），流入氧化钙-碳酸钙回热器（17）中，将热能传递给氧化钙降至常温后，流入碳酸钙储罐（1）中。
9.根据权利要求1所述的一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统,其特征在于，常温液态二氧化碳由常温液态二氧化碳储罐（14）流出，流入储热储罐（13）中，被加热至高温高压，流入二氧化碳透平机（15），膨胀做工带动发电机（12）发电，过量的常温二氧化碳流出二氧化碳透平机（15），经气体回路5流入氧化钙-碳酸钙热化学反应器（16）中，与氧化钙反应放热，其余的二氧化碳被加热至高温，流入二氧化碳换热器（18），对外输出热能用于发电或其他领域；
经换热器（18）降温后的二氧化碳重新进入气体回路（4），继续流入氧化钙-碳酸钙热化学反应器（16）中，形成放电过程气体回路。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统的应用,其特征在于，储电过程中，电能被转换为化学能、压缩空气和热能储存在氧化钙、液态二氧化碳和热能储罐中，用于发电或供热等领域。
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| CN202211691884.0A CN118258247A (zh) | 2022-12-28 | 2022-12-28 | 一种热化学耦合液态二氧化碳多能长时储能系统 |
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