CN203420754U - 一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，该系统利用二氧化碳的超临界特性和二氧化碳在临界点附近的状态变化特性，不需要借助外界环境（如地下、海底空腔）条件即可实现储能系统在定压储能、定压释能、定容储能和定容释能之间的切换，实现不同方式的电力存储和释放。该系统利用二氧化碳由气态转化为超临界或液态的特性完成二氧化碳的存储，相比气体存储有效降低了系统复杂程度和设计难度，减少了储能系统成本；同时利用双存储器的方式，不借助外界环境（如地下、海底空腔）可灵活完成系统在储能/释能方式之间的切换，通过控制二氧化碳的存储/释放方式改变系统的储能和释能特性，增强了系统的灵活性。该系统可与太阳能、风能等可再生能源联合使用，无其他污染物的产生，有良好的环保特性。

Description

一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统

技术领域

本系统属于能量存储技术的优化利用领域，具体地说，是一种以压缩空气储能技术为基础，采用双存储器结构，利用二氧化碳在临界点附近的状态变化特性实现定压或定容时的储能/释能模式并完成两者之间切换的能量存储系统。

背景技术

从工业革命至今，人类对于煤炭、石油等传统能源存在较强的依赖性，而由于传统能源利用导致的二氧化碳气体排放量日益增加，由此产生的温室效应严重影响着人类的生存环境。为了减少二氧化碳对环境的污染，目前对大型化石燃料电厂等排放的大量二氧化碳多采用捕捉和存储（Carbon dioxideCapture and Storage，简称CCS）技术，即：地质存储（在现有的地质构造中存储，如石油和天然气田、地下盐岩层等）、海洋存储（直接释放到海洋水体中或者注入到海底沉积层中）以及将二氧化碳固化成无机碳酸盐等，对二氧化碳进一步的开发和利用还存在较大的空白。

压缩空气储能技术是上世纪五六十年代发展起来的一种能量存储技术，其以燃气轮机技术为基础，主要原理是利用电厂的富余电力将空气进行压缩并存储在地下储气室中，当需要时再将高压空气释放，利用透平对外做功。传统的压缩空气储能技术以环境空气为工作介质，当将空气压缩至较高压力时会造成系统部件如透平机械、换热器等的设计复杂化和困难化，导致系统规模庞大，成本较高。此外，由于要将空气压缩至较高压力（不低于40atm）进行存储，系统需要较大容积的地下储气腔或海底容腔作为存储空间实现定容存储或定压存储，而一旦储气腔确定，压缩空气储能系统的储能/释能模式确定且无法更改。这使得传统的压缩空气储能技术不仅存在设计困难、成本较高、结构复杂的缺陷，并会对环境造成一定影响，且地下储气腔或海底容腔等关键部件的开发和选择大大提升了系统成本，同时运行模式的单一造成压缩空气储能系统的可操作性和灵活性较差。因此，如何改善上述情况，减少储能技术的系统成本，同时增加系统应用的灵活性，是压缩空气储能技术面临的主要问题之一。

利用二氧化碳取代空气作为储能技术的工作介质是解决上述问题的一种有效方法。二氧化碳有着优秀的物理和化学特性，在空气中比例为0.3%，是一种无毒、不燃的惰性气体，有较高的密度

，且有较低的临界温度T_c=31.1℃和适中的临界压力P_c=7.38*10⁶Pa，如图3所示。在超临界状态下，二氧化碳兼有气体和液体的双重特性，其密度接近液体（约为空气密度的800倍），粘度接近气体，扩散系数接近于气体，是液体的近百倍，具有更好的流动性和传输特性。相比空气，当以二氧化碳为介质实现压缩气体储能技术时，借助二氧化碳密度高且更容易达到超临界状态的特性不仅可以降低系统核心部件如透平机械、换热器等的设计难度，缩小系统的整体规模，大大降低系统成本，且可以进一步增强系统的安全性和应用的灵活性。

发明内容

本实用新型涉及一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，该系统采用双存储器结构，利用二氧化碳的跨临界特性完成储能系统的定压储能/释能或定容储能/释能，并可在不同储能/释能方式间进行切换。该发明提高了系统应用的灵活性，优化了储能系统的供电特性，同时不需要使用化石燃料，不产生硫化物、氮化物等污染性气体。

本实用新型为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，包括：二氧化碳供应单元、二氧化碳压缩储能单元、二氧化碳膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于：

所述二氧化碳供应单元包括常压二氧化碳存储器；

所述二氧化碳压缩储能单元包括低压级二氧化碳压缩机、高压级二氧化碳压缩机、液态二氧化碳存储段泵、超临界二氧化碳存储段泵、液态二氧化碳存储器及超临界二氧化碳存储器，其中，

--所述低压级二氧化碳压缩机的进气口通过管路与所述常压二氧化碳存储器的出气口连通，所述低压级二氧化碳压缩机产生的高压气体穿过低压级冷却器的热流体侧后，经气体管路通入所述高压级二氧化碳压缩机的进气口；

--所述高压级二氧化碳压缩机产生的高压气体穿过高压级冷却器的热流体侧后，一部分经带有液态二氧化碳存储段开关阀的气体管路通入所述液态二氧化碳存储段泵，所述液态二氧化碳存储段泵产生的高压气体穿过液态二氧化碳存储段冷却器的热流体侧后进入所述液态二氧化碳存储器，另一部分经带有超临界二氧化碳存储段开关阀的气体管路通入所述超临界二氧化碳存储段泵，所述超临界二氧化碳存储段泵产生的高压气体通入所述超临界二氧化碳存储器上容腔；

--所述液态二氧化碳存储器存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳供应段开关阀的供液管路通入所述超临界二氧化碳存储器下容腔，所述超临界二氧化碳存储器下容腔存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳回流段开关阀的供液管路通入所述液态二氧化碳存储器；

所述二氧化碳膨胀释能单元包括高压级二氧化碳膨胀机及低压级二氧化碳膨胀机，其中，

--所述超临界二氧化碳存储器存储的高压气体，经设有超临界二氧化碳释能段开关阀的气体管路依次通入预热用换热器和高压级换热器的冷流体侧后通入所述高压级二氧化碳膨胀机；

--所述高压级二氧化碳膨胀机膨胀后的气体，经气体管路通入低压级换热器的冷流体侧后通入所述低压级二氧化碳膨胀机；

--所述低压级二氧化碳膨胀机膨胀后的气体流入常压二氧化碳存储器；

所述载热介质循环回路包括载热介质供应器、高压级储热器、低压级储热器及预热用储热器，所述载热介质供应器中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器、高压级冷却器、液态二氧化碳存储段冷却器的冷流体侧后进入所述低压级储热器、高压级储热器、预热用储热器，所述低压级储热器、高压级储热器、预热用储热器中的载热介质经管路分别通入低压级换热器、高压级换热器、预热用换热器的热流体侧后进入所述载热介质供应器。

进一步地，所述载热介质供应器通过一共同的低温载热介质供应管路将载热介质分送至低压级冷却器、高压级冷却器、液态二氧化碳存储段冷却器的冷流体侧，位于载热介质供应器和液态二氧化碳存储段冷却器之间的供应管路上设有预热用储热器存储段开关阀。

进一步地，所述低压级储热器、高压级储热器、预热用储热器分别通过各自独立的高温载热介质供应管路将载热介质分别送至低压级换热器、高压级换热器、预热用换热器的热流体侧，其中，所述低压级储热器与低压级换热器之间的供应管路上设有低压级储热器开关阀，所述高压级储热器与高压级换热器之间的供应管路上设有高压级储热器开关阀，所述预热用储热器与预热用换热器之间的供应管路上设有预热用储热器释能段开关阀。

进一步地，所述液态二氧化碳存储段泵的进口管路上设有液态二氧化碳存储段止回阀，出口管路上设有液态二氧化碳存储段压力表。

进一步地，所述超临界二氧化碳存储段泵的进口管路上设有超临界二氧化碳存储段止回阀，出口管路上设有超临界二氧化碳存储段压力表。

进一步地，所述常压二氧化碳存储器和低压级二氧化碳压缩机之间的气体管路上设有二氧化碳供气段开关阀，和/或二氧化碳供气段过滤器，和/或二氧化碳供气段止回，和/或二氧化碳供气段干燥器。

进一步地，所述低压级二氧化碳膨胀机和常压二氧化碳存储器之间的气体管路上设有二氧化碳回气段减压阀，和/或二氧化碳回气段过滤器，和/或二氧化碳回气段开关阀。

进一步地，所述低压级二氧化碳压缩机、高压级二氧化碳压缩机分别由低压级电动机、高压级电动机驱动。

进一步地，所述高压级二氧化碳膨胀机、低压级二氧化碳膨胀机分别驱动高压级发电机、低压级发电机。

进一步地，所述超临界二氧化碳存储器为两容腔压力容器，包括上容腔和下容腔，两容腔中间由一可垂直滑动且密闭绝热的隔板分开；所述超临界二氧化碳存储器上容腔存储超临界二氧化碳，下容腔存储液态二氧化碳；所述液态二氧化碳存储器通过供液管路、回液管路与超临界二氧化碳存储器下容腔相连通；所述超临界二氧化碳存储器上容腔设置进气管路和出气管路。

本实用新型的一种可能的具体操作过程为：

常压二氧化碳存储器中存储的常温常压二氧化碳气体，由二氧化碳供气段开关阀控制气体供应量。二氧化碳供气段开关阀打开，常压二氧化碳存储器释放存储的二氧化碳，经二氧化碳供气段过滤器过滤，滤去杂质气体，二氧化碳供气段止回阀防止二氧化碳回流，再经二氧化碳供气段干燥器去水干燥，进入低压级二氧化碳压缩机进行压缩。

低压级二氧化碳压缩机由低压级电动机带动，电动机的电能可来自富余电力或风能等可再生能源。经低压级二氧化碳压缩机压缩后，二氧化碳压力、温度升高，经过低压级冷却器冷却降温，进入高压级二氧化碳压缩机，高压级二氧化碳压缩机由高压级电动机带动。经高压级二氧化碳压缩机实现升压升温后，二氧化碳进入高压级冷却器降温，随后根据储能/释能模式（定压或定容）分别经历下述过程。

当采用定压储能/释能方式时，液态二氧化碳存储段开关阀打开，超临界二氧化碳存储段开关阀关闭，二氧化碳经过液态二氧化碳存储段止回阀，由液态二氧化碳存储段泵升压至目标压力后，经过液态二氧化碳存储段冷却器冷却降温，进入液态二氧化碳存储器存储。同时，超临界二氧化碳存储器为两容腔压力容器，中间由一可垂直滑动且密闭绝热的隔板分开。超临界二氧化碳存储在上容腔，液态二氧化碳存储在下容腔。初始时刻，隔板位于超临界二氧化碳存储器底部，液态二氧化碳供应段开关阀打开，液态二氧化碳回流段开关阀关闭，液态二氧化碳存储器中液态二氧化碳经供应段管道进入超临界二氧化碳存储器下容腔，形成连通器结构，液态二氧化碳存储器中液位下降，超临界二氧化碳存储器下容腔液位上升，推动隔板上移。液态二氧化碳存储段压力表指示液态二氧化碳压力值，当存储压力达到目标压力时，两存储器达到稳定，隔板与液位均处于稳定位置。

此后，关闭液态二氧化碳存储段开关阀，打开超临界二氧化碳存储段开关阀，高压级冷却器热流体侧出口处二氧化碳经过超临界二氧化碳存储段止回阀，由超临界二氧化碳存储段泵升压至目标压力，超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳存储器上容腔存储。压力数据可由超临界二氧化碳存储段压力表得到。此时，液态二氧化碳供应段开关阀关闭，液态二氧化碳回流段开关阀打开，当超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳存储器上容腔时，由于容器上部压力上升，隔板下降，隔板推动下容腔内液态二氧化碳回流到液态二氧化碳存储器中，液态二氧化碳存储器中液位回升。当超临界二氧化碳存储到目标值时，过程结束。由此两存储器完成定压储气过程。

在采用定压储能/释能方式中，在释能阶段，液态二氧化碳供应段开关阀打开，液态二氧化碳回流段开关阀关闭，同时打开超临界二氧化碳释能段开关阀，超临界二氧化碳存储器释放存储于上容腔的超临界二氧化碳。随着超临界二氧化碳存储器上容腔二氧化碳的存储量减少，液态二氧化碳存储器液位下降，液态二氧化碳流入超临界二氧化碳存储器下容腔，推动隔板上升，保证超临界二氧化碳存储器上容腔压力恒定，直到超临界二氧化碳存储器上容腔存储的二氧化碳排放结束，两存储器达到稳定状态。至此，两存储器完成定压放气过程。

此外，在采用定压储能/释能方式中，在储能阶段，预热用储热器存储段开关阀打开，载热介质供应器释放载热介质，分别进入低压级冷却器、高压级冷却器和液态二氧化碳存储段冷却器冷流体侧，完成与温度较高的二氧化碳之间的热量交换，并将收集的热量分别存储于低压级储热器、高压级储热器和预热用储热器。

在采用定压储能/释能方式中，在释能阶段，超临界二氧化碳存储器上容腔释放二氧化碳，二氧化碳进入预热用换热器冷流体侧，同时预热用储热器释能段开关阀打开，预热用储热器释放载热介质，进入预热用换热器热流体侧，完成对二氧化碳的预热过程，放热后的载热介质返回载热介质供应器。预热后的二氧化碳进入高压级换热器冷流体侧，此时高压级储热器开关阀打开，高压级储热器释放存储热，在高压级换热器中与二氧化碳完成热量交换，放热后的载热介质返回载热介质供应器，升温后的二氧化碳进入高压级二氧化碳膨胀机实现膨胀做功，高压级二氧化碳膨胀机带动高压级发电机对外发电。离开高压级二氧化碳膨胀机的二氧化碳进入低压级换热器冷流体侧，此时低压级储热器开关阀打开，低压级储热器释放存储的热量，由载热介质进入低压级换热器热流体侧完成热量交换，降温后的载热介质返回载热介质供应器，升温后的二氧化碳进入低压级二氧化碳膨胀机实现膨胀做功，低压级二氧化碳膨胀机带动低压级发电机对外发电。

为防止二氧化碳的泄漏需对二氧化碳进行回收，低压级二氧化碳膨胀机排放的二氧化碳经过二氧化碳回气段减压阀将二氧化碳压力控制在常压，再经过二氧化碳回气段过滤器完成二氧化碳的杂质净化，并通过二氧化碳回气段开关阀控制，返回常压二氧化碳存储器中进行存储。

当采用定容储能/释能方式时，液态二氧化碳存储段开关阀关闭，超临界二氧化碳存储段开关阀打开，高压级冷却器热流体侧出口处二氧化碳经过超临界二氧化碳存储段止回阀，由超临界二氧化碳存储段泵升压至目标压力进入超临界二氧化碳存储器上容腔存储。由于此时超临界二氧化碳存储器下容腔与液态二氧化碳存储器相互独立，下容腔中无存储液，隔板位于超临界二氧化碳存储器底部，故超临界二氧化碳存储器可视为一定容积容器。由此完成超临界二氧化碳的定容存储过程。

当采用定容储能/释能方式时，在释能阶段，超临界二氧化碳释能段开关阀打开，超临界二氧化碳存储器释放存储于上容腔的超临界二氧化碳。同样的，由于此时超临界二氧化碳存储器下容腔与液态二氧化碳存储器相互独立，下容腔中无存储液，超临界二氧化碳存储器可视为一定容积容器。由此超临界二氧化碳存储器实现定容放气过程。

在采用定容储能/释能方式中，在储能阶段，载热介质供应器释放载热介质，分别进入低压级冷却器、高压级冷却器冷流体侧，完成与温度较高的二氧化碳之间的热量交换，并将收集的热量存储于低压级储热器、高压级储热器。至此，储能阶段的热回收过程结束。

在采用定容储能/释能方式中，在释能阶段，超临界二氧化碳存储器释放二氧化碳，二氧化碳进入高压级换热器冷流体侧，此时高压级储热器开关阀打开，高压级储热器释放存储热，在高压级换热器中与二氧化碳完成热量交换，放热后的载热介质返回载热介质供应器，升温后的二氧化碳进入高压级二氧化碳膨胀机实现膨胀做功，高压级二氧化碳膨胀机带动高压级发电机对外发电。离开高压级二氧化碳膨胀机的二氧化碳进入低压级换热器冷流体侧，此时低压级储热器开关阀打开，低压级储热器释放存储的热量，由载热介质进入低压级换热器热流体侧完成热量交换，降温后的载热介质返回载热介质供应器，升温后的二氧化碳进入低压级二氧化碳膨胀机实现膨胀做功，低压级二氧化碳膨胀机带动低压级发电机对外发电。之后，低压级二氧化碳膨胀机排放的二氧化碳经过二氧化碳回气段减压阀将二氧化碳压力控制在常压，再经过二氧化碳回气段过滤器完成二氧化碳的杂质净化，并通过二氧化碳回气段开关阀控制，返回常压二氧化碳存储器中进行存储。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、本实用新型以二氧化碳代替空气作为储能技术的存储介质，利用二氧化碳低临界压力、低临界温度的特点，借助其超临界、液态和气态之间的状态变化完成储能和释能过程，相对于以空气为介质的储能系统，采用二氧化碳可以明显降低储能系统核心部件的设计难度，缩小系统规模，降低系统成本，且在保证较高系统效率的同时增强系统安全性和稳定性。

2、本实用新型利用双存储器方式，在不借助外界环境（如地下、海底空腔）的条件下实现了系统的定压储能/释能或定容储能/释能及不同储能/释能模式之间的转变，使储能系统可以更有效完成能量的存储和释放，提高了储能系统系统运作和供电的灵活性。

3、本实用新型采用二氧化碳为工作介质，成功解决了利用CCS技术得到的大量二氧化碳却不能再利用的问题，充分利用了二氧化碳，同时该发明可与风能等可再生能源联合使用，整个系统在运转工程中不产生任何污染环境的物质，是名副其实的环保、节能系统。

附图说明

图1本实用新型的以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统的结构示意图；

图2双存储器工作原理示意图。

图3二氧化碳状态示意图。

图中：1常压二氧化碳存储器，2二氧化碳供气段开关阀，3二氧化碳供气段过滤器，4二氧化碳供气段止回阀，5二氧化碳供气段干燥器，6低压级二氧化碳压缩机，7高压级二氧化碳压缩机，8低压级电动机，9高压级电动机，10低压级冷却器，11高压级冷却器，12液态二氧化碳存储段开关阀，13超临界二氧化碳存储段开关阀，14液态二氧化碳存储段止回阀，15超临界二氧化碳存储段止回阀，16液态二氧化碳存储段泵，17超临界二氧化碳存储段泵，18液态二氧化碳存储段压力表，19超临界二氧化碳存储段压力表，20液态二氧化碳存储段冷却器，21液态二氧化碳存储器，22液态二氧化碳供应段开关阀，23液态二氧化碳回流段开关阀，24超临界二氧化碳存储器，25载热介质供应器，26高压级储热器，27低压级储热器，28预热用储热器，29预热用储热器存储段开关阀，30预热用储热器释能段开关阀，31高压级储热器开关阀，32低压级储热器开关阀，33超临界二氧化碳释能段开关阀，34预热用换热器，35高压级换热器，36低压级换热器，37高压级二氧化碳膨胀机，38低压级二氧化碳膨胀机，39高压级发电机，40低压级发电机，41二氧化碳回气段减压阀，42二氧化碳回气段过滤器，43二氧化碳回气段开关阀。

具体实施方式

为使本储能系统的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，由常压二氧化碳存储器1，二氧化碳供气段开关阀2，二氧化碳供气段过滤器3，二氧化碳供气段止回阀4，二氧化碳供气段干燥器5，低压级二氧化碳压缩机6，高压级二氧化碳压缩机7，低压级电动机8，高压级电动机9，低压级冷却器10，高压级冷却器11，液态二氧化碳存储段开关阀12，超临界二氧化碳存储段开关阀13，液态二氧化碳存储段止回阀14，超临界二氧化碳存储段止回阀15，液态二氧化碳存储段泵16，超临界二氧化碳存储段泵17，液态二氧化碳存储段压力表18，超临界二氧化碳存储段压力表19，液态二氧化碳存储段冷却器20，液态二氧化碳存储器21，液态二氧化碳供应段开关阀22，液态二氧化碳回流段开关阀23，超临界二氧化碳存储器24，载热介质供应器25，高压级储热器26，低压级储热器27，预热用储热器28，预热用储热器存储段开关阀29，预热用储热器释能段开关阀30，高压级储热器开关阀31，低压级储热器开关阀32，超临界二氧化碳释能段开关阀33，预热用换热器34，高压级换热器35，低压级换热器36，高压级二氧化碳膨胀机37，低压级二氧化碳膨胀机38，高压级发电机39，低压级发电机40，二氧化碳回气段减压阀41，二氧化碳回气段过滤器42，二氧化碳回气段开关阀43等组成，具体操作过程为：

常压二氧化碳存储器1中存储的常温常压二氧化碳气体，由二氧化碳供气段开关阀2控制气体供应量。二氧化碳供气段开关阀2打开，常压二氧化碳存储器1释放存储的二氧化碳，经二氧化碳供气段过滤器3过滤，滤去杂质气体，二氧化碳供气段止回阀4防止二氧化碳回流，再经二氧化碳供气段干燥器5去水干燥，进入低压级二氧化碳压缩机6进行压缩。

低压级二氧化碳压缩机6由低压级电动机8带动，电动机的电能可来自富余电力或风能等可再生能源。经低压级二氧化碳压缩机6压缩后，二氧化碳压力、温度升高，经过低压级冷却器10冷却降温，进入高压级二氧化碳压缩机7，高压级二氧化碳压缩机7由高压级电动机9带动。经高压级二氧化碳压缩机7实现升压升温后，二氧化碳进入高压级冷却器11降温，随后根据储能/释能模式（定压或定容）分别经历下述过程。

当采用定压储能/释能方式时，液态二氧化碳存储段开关阀12打开，超临界二氧化碳存储段开关阀13关闭，二氧化碳经过液态二氧化碳存储段止回阀14，由液态二氧化碳存储段泵16升压至目标压力后，经过液态二氧化碳存储段冷却器20冷却降温，进入液态二氧化碳存储器21存储。同时，超临界二氧化碳存储器24为两容腔压力容器，中间由一可垂直滑动且密闭绝热的隔板分开。超临界二氧化碳存储在上容腔，液态二氧化碳存储在下容腔。初始时刻，隔板位于超临界二氧化碳存储器24底部，液态二氧化碳供应段开关阀22打开，液态二氧化碳回流段开关阀23关闭，液态二氧化碳存储器21中液态二氧化碳经供应段管道进入超临界二氧化碳存储器24下容腔，形成连通器结构，液态二氧化碳存储器21中液位下降，超临界二氧化碳存储器24下容腔液位上升，推动隔板上移。液态二氧化碳存储段压力表18指示液态二氧化碳压力值，当存储压力达到目标压力时，两存储器达到稳定，隔板与液位均处于稳定位置。

此后，关闭液态二氧化碳存储段开关阀12，打开超临界二氧化碳存储段开关阀13，高压级冷却器11热流体侧出口处二氧化碳经过超临界二氧化碳存储段止回阀15，由超临界二氧化碳存储段泵17升压至目标压力，超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳存储器24上容腔存储。压力数据可由超临界二氧化碳存储段压力表19得到。此时，液态二氧化碳供应段开关阀22关闭，液态二氧化碳回流段开关阀23打开，当超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳存储器24上容腔时，由于容器上部压力上升，隔板下降，隔板推动下容腔内液态二氧化碳回流到液态二氧化碳存储器21中，液态二氧化碳存储器21中液位回升。当超临界二氧化碳存储到目标值时，过程结束。由此两存储器完成定压储气过程。

在采用定压储能/释能方式中，在释能阶段，液态二氧化碳供应段开关阀22打开，液态二氧化碳回流段开关阀23关闭，同时打开超临界二氧化碳释能段开关阀33，超临界二氧化碳存储器24释放存储于上容腔的超临界二氧化碳。随着超临界二氧化碳存储器24上容腔二氧化碳的存储量减少，液态二氧化碳存储器21液位下降，液态二氧化碳流入超临界二氧化碳存储器24下容腔，推动隔板上升，保证超临界二氧化碳存储器24上容腔压力恒定，直到超临界二氧化碳存储器24上容腔存储的二氧化碳排放结束，两存储器达到稳定状态。至此，两存储器完成定压放气过程。

此外，在采用定压储能/释能方式中，在储能阶段，预热用储热器存储段开关阀29打开，载热介质供应器25释放载热介质，分别进入低压级冷却器10、高压级冷却器11和液态二氧化碳存储段冷却器20冷流体侧，完成与温度较高的二氧化碳之间的热量交换，并将收集的热量分别存储于低压级储热器27、高压级储热器26和预热用储热器28。

在采用定压储能/释能方式中，在释能阶段，超临界二氧化碳存储器24上容腔释放二氧化碳，二氧化碳进入预热用换热器34冷流体侧，同时预热用储热器释能段开关阀30打开，预热用储热器28释放载热介质，进入预热用换热器34热流体侧，完成对二氧化碳的预热过程，放热后的载热介质返回载热介质供应器25。预热后的二氧化碳进入高压级换热器35冷流体侧，此时高压级储热器开关阀31打开，高压级储热器26释放存储热，在高压级换热器35中与二氧化碳完成热量交换，放热后的载热介质返回载热介质供应器25，升温后的二氧化碳进入高压级二氧化碳膨胀机37实现膨胀做功，高压级二氧化碳膨胀机37带动高压级发电机39对外发电。离开高压级二氧化碳膨胀机37的二氧化碳进入低压级换热器36冷流体侧，此时低压级储热器开关阀32打开，低压级储热器27释放存储的热量，由载热介质进入低压级换热器36热流体侧完成热量交换，降温后的载热介质返回载热介质供应器25，升温后的二氧化碳进入低压级二氧化碳膨胀机38实现膨胀做功，低压级二氧化碳膨胀机38带动低压级发电机40对外发电。

为防止二氧化碳的泄漏需对二氧化碳进行回收，低压级二氧化碳膨胀机38排放的二氧化碳经过二氧化碳回气段减压阀41将二氧化碳压力控制在常压，再经过二氧化碳回气段过滤器42完成二氧化碳的杂质净化，并通过二氧化碳回气段开关阀43控制，返回常压二氧化碳存储器1中进行存储。

当采用定容储能/释能方式时，液态二氧化碳存储段开关阀12关闭，超临界二氧化碳存储段开关阀13打开，高压级冷却器11热流体侧出口处二氧化碳经过超临界二氧化碳存储段止回阀15，由超临界二氧化碳存储段泵17升压至目标压力进入超临界二氧化碳存储器24上容腔存储。由于此时超临界二氧化碳存储器24下容腔与液态二氧化碳存储器21相互独立，下容腔中无存储液，隔板位于超临界二氧化碳存储器24底部，故超临界二氧化碳存储器24可视为一定容积容器。由此完成超临界二氧化碳的定容存储过程。

当采用定容储能/释能方式时，在释能阶段，超临界二氧化碳释能段开关阀33打开，超临界二氧化碳存储器24释放存储于上容腔的超临界二氧化碳。同样的，由于此时超临界二氧化碳存储器24下容腔与液态二氧化碳存储器21相互独立，下容腔中无存储液，超临界二氧化碳存储器24可视为一定容积容器。由此超临界二氧化碳存储器24实现定容放气过程。

在采用定容储能/释能方式中，在储能阶段，载热介质供应器25释放载热介质，分别进入低压级冷却器10、高压级冷却器11冷流体侧，完成与温度较高的二氧化碳之间的热量交换，并将收集的热量存储于低压级储热器27、高压级储热器26。至此，储能阶段的热回收过程结束。

在采用定容储能/释能方式中，在释能阶段，超临界二氧化碳存储器24释放二氧化碳，二氧化碳进入高压级换热器35冷流体侧，此时高压级储热器开关阀31打开，高压级储热器26释放存储热，在高压级换热器35中与二氧化碳完成热量交换，放热后的载热介质返回载热介质供应器25，升温后的二氧化碳进入高压级二氧化碳膨胀机37实现膨胀做功，高压级二氧化碳膨胀机37带动高压级发电机39对外发电。离开高压级二氧化碳膨胀机37的二氧化碳进入低压级换热器36冷流体侧，此时低压级储热器开关阀32打开，低压级储热器27释放存储的热量，由载热介质进入低压级换热器36热流体侧完成热量交换，降温后的载热介质返回载热介质供应器25，升温后的二氧化碳进入低压级二氧化碳膨胀机38实现膨胀做功，低压级二氧化碳膨胀机38带动低压级发电机40对外发电。之后，低压级二氧化碳膨胀机38排放的二氧化碳经过二氧化碳回气段减压阀41将二氧化碳压力控制在常压，再经过二氧化碳回气段过滤器42完成二氧化碳的杂质净化，并通过二氧化碳回气段开关阀43控制，返回常压二氧化碳存储器1中进行存储。

图2详细示出了本实用新型的双存储器工作原理示意图。所述超临界二氧化碳存储器24工作时，超临界二氧化碳存储于上容腔，液态二氧化碳存储于下容腔。液态二氧化碳存储器21通过供液管路、回液管路与超临界二氧化碳存储器下容腔相连通，超临界二氧化碳存储器24上容腔设置进气管路和出气管路，完成超临界二氧化碳的存储和释放。

当采用定压储气/放气方案时：

图2-A中，初始时刻，超临界二氧化碳存储器无气、液存储，隔板位于超临界二氧化碳存储器底端。供液管路打开，液态二氧化碳存储器输送液态二氧化碳进入超临界二氧化碳存储器下容腔，推动隔板上移，同时液态二氧化碳存储器液位下降。当两容腔压力达到平衡，液态二氧化碳不再流动，两容腔液面稳定，隔板不再上升。此时两存储器达到图2-B中所示的稳定状态。

定压储气阶段，如图2-C中所示，超临界二氧化碳由进气管路进入超临界二氧化碳存储器上容腔，推动隔板下滑，超临界二氧化碳存储器下容腔内液态二氧化碳受挤压进入回液管路，返回超临界二氧化碳存储器。在此过程中，超临界二氧化碳存储器上容腔进气，隔板下降，液态二氧化碳存储器液位上升。当超临界二氧化碳存储器上容腔达到指定存储量时，储气过程结束，两存储器达到如图2-D中所示的稳定状态。定压放气阶段，如图2-A所示，此时超临界二氧化碳存储器上容腔充满了二氧化碳介质。上容腔内二氧化碳通过超临界二氧化碳存储器出气管路对外排放，存储量减少。液态二氧化碳存储器通过供液管路向超临界二氧化碳存储器下容腔供应液态二氧化碳，推动隔板上移，保证上容腔内压力恒定。当放气过程结束，两容腔再次达到平衡，液态二氧化碳不再流动，两容腔液面稳定，隔板不再上升，此时两存储器达到图2-B中所示的稳定状态。

如上所述，两存储器完成定压储气/放气过程。

当采用定容储气/放气方案时：

当采用定容储气/放气方案时，超临界二氧化碳存储器处于工作状态，液态二氧化碳存储器处于闲置状态。隔板位于超临界二氧化碳存储器底部，超临界二氧化碳存储器上容腔可视为一定容容器，分别利用超临界二氧化碳存储器进气管路和出气管路完成定容储气/放气。

此外，以定压储气/放气方案和定容储气/放气方案为基础，双存储器系统亦可实现定压储气/定容放气或定容储气/定压放气。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。

Claims (10)

1.一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，包括：二氧化碳供应单元、二氧化碳压缩储能单元、二氧化碳膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于：

所述二氧化碳供应单元包括常压二氧化碳存储器（1）；

所述二氧化碳压缩储能单元包括低压级二氧化碳压缩机（6）、高压级二氧化碳压缩机（7）、液态二氧化碳存储段泵（16）、超临界二氧化碳存储段泵（17）、液态二氧化碳存储器（21）及超临界二氧化碳存储器（24），其中，

--所述低压级二氧化碳压缩机（6）的进气口通过管路与所述常压二氧化碳存储器（1）的出气口连通，所述低压级二氧化碳压缩机（6）产生的高压气体穿过低压级冷却器（10）的热流体侧后，经气体管路通入所述高压级二氧化碳压缩机（7）的进气口；

--所述高压级二氧化碳压缩机（7）产生的高压气体穿过高压级冷却器（11）的热流体侧后，一部分经带有液态二氧化碳存储段开关阀（12）的气体管路通入所述液态二氧化碳存储段泵（16），所述液态二氧化碳存储段泵（16）产生的高压气体穿过液态二氧化碳存储段冷却器（20）的热流体侧后进入所述液态二氧化碳存储器（21），另一部分经带有超临界二氧化碳存储段开关阀（13）的气体管路通入所述超临界二氧化碳存储段泵（17），所述超临界二氧化碳存储段泵（17）产生的高压气体通入所述超临界二氧化碳存储器（24）上容腔；

--所述液态二氧化碳存储器（21）存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳供应段开关阀（22）的供液管路通入所述超临界二氧化碳存储器（24）下容腔，所述超临界二氧化碳存储器（24）下容腔存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳回流段开关阀（23）的供液管路通入所述液态二氧化碳存储器（21）；

所述二氧化碳膨胀释能单元包括高压级二氧化碳膨胀机（37）及低压级二氧化碳膨胀机（38），其中，

--所述超临界二氧化碳存储器（24）存储的高压气体，经设有超临界二氧化碳释能段开关阀（33）的气体管路依次通入预热用换热器（34）和高压级换热器（35）的冷流体侧后通入所述高压级二氧化碳膨胀机（37）；

--所述高压级二氧化碳膨胀机（37）膨胀后的气体，经气体管路通入低压级换热器（36）的冷流体侧后通入所述低压级二氧化碳膨胀机（38）；

--所述低压级二氧化碳膨胀机（38）膨胀后的气体流入常压二氧化碳存储器（1）；

所述载热介质循环回路包括载热介质供应器（25）、高压级储热器（26）、低压级储热器（27）及预热用储热器（28），所述载热介质供应器（25）中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器（10）、高压级冷却器（11）、液态二氧化碳存储段冷却器（20）的冷流体侧后进入所述低压级储热器（27）、高压级储热器（26）、预热用储热器（28），所述低压级储热器（27）、高压级储热器（26）、预热用储热器（28）中的载热介质经管路分别通入低压级换热器（36）、高压级换热器（35）、预热用换热器（34）的热流体侧后进入所述载热介质供应器（25）。

2.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述载热介质供应器（25）通过一共同的低温载热介质供应管路将载热介质分送至低压级冷却器（10）、高压级冷却器（11）、液态二氧化碳存储段冷却器（20）的冷流体侧，位于载热介质供应器（25）和液态二氧化碳存储段冷却器（20）之间的供应管路上设有预热用储热器存储段开关阀（29）。

3.根据权利要求2所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述低压级储热器（27）、高压级储热器（26）、预热用储热器（28）分别通过各自独立的高温载热介质供应管路将载热介质分别送至低压级换热器（36）、高压级换热器（35）、预热用换热器（34）的热流体侧，其中，所述低压级储热器（27）与低压级换热器（36）之间的供应管路上设有低压级储热器开关阀（32），所述高压级储热器（26）与高压级换热器（35）之间的供应管路上设有高压级储热器开关阀（31），所述预热用储热器（28）与预热用换热器（34）之间的供应管路上设有预热用储热器释能段开关阀（30）。

4.根据权利要求1至3任一项所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述液态二氧化碳存储段泵（16）的进口管路上设有液态二氧化碳存储段止回阀（14），出口管路上设有液态二氧化碳存储段压力表（18）。

5.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳存储段泵（17）的进口管路上设有超临界二氧化碳存储段止回阀（15），出口管路上设有超临界二氧化碳存储段压力表（19）。

6.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述常压二氧化碳存储器（1）和低压级二氧化碳压缩机（6）之间的气体管路上设有二氧化碳供气段开关阀（2），和/或二氧化碳供气段过滤器（3），和/或二氧化碳供气段止回阀（4），和/或二氧化碳供气段干燥器（5）。

7.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述低压级二氧化碳膨胀机（38）和常压二氧化碳存储器（1）之间的气体管路上设有二氧化碳回气段减压阀（41），和/或二氧化碳回气段过滤器（42），和/或二氧化碳回气段开关阀（43）。

8.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述低压级二氧化碳压缩机（6）、高压级二氧化碳压缩机（7）分别由低压级电动机（8）、高压级电动机（9）驱动。

9.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述高压级二氧化碳膨胀机（37）、低压级二氧化碳膨胀机（38）分别驱动高压级发电机（39）、低压级发电机（40）。

10.根据权利要求1所述的压缩气体储能系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳存储器（24）为两容腔压力容器，包括上容腔和下容腔，两容腔中间由一可垂直滑动且密闭绝热的隔板分开；所述超临界二氧化碳存储器（24）上容腔存储超临界二氧化碳，下容腔存储液态二氧化碳；所述液态二氧化碳存储器（21）通过供液管路、回液管路与超临界二氧化碳存储器（24）下容腔相连通；所述超临界二氧化碳存储器（24）上容腔设置进气管路和出气管路。

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