CN216240843U - 一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，包括：第一储气室、第一压缩机、第一冷却器、第二压缩机、第二冷却器、第二储气室、第一加热器、第一透平、第二加热器、第二透平、第一水储罐和第二水储罐。本实用新型在第二冷却器冷侧设置分段点，使得冷却水流量适应超临界二氧化碳变化的物性，减小两流体的换热温差，使端点出口的工质水能达到更高的温度；在第一加热器热侧设置分段点，使水由分段点入口进入第一加热器，以适应加热器中超临界二氧化碳物性的剧烈变化。
Description
技术领域
本实用新型属于压缩气体储能技术领域，特别涉及一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，化石燃料的急剧消耗所带来的能源短缺和气候变迁问题日益严重；在此背景之下，全球掀起了利用可再生能源的热潮。储能技术在克服可再生能源不稳定性以及维持电网供需平衡方面具有出色的表现，因而得到了快速发展；其中，压缩空气储能具有运行成本低、生命周期长以及安全可靠等优点，其发展较为成熟而且可以大规模应用。
近年来，作为压缩气体储能的一个重要发展方向，压缩二氧化碳储能得到了蓬勃发展。由于二氧化碳优良的热物理特性，以二氧化碳作为工质的储能系统表现出良好的性能；其中，一方面液态和超临界状态的二氧化碳的密度很大，这使得压缩二氧化碳储能系统的设备更为紧凑；另一方面二氧化碳的临界温度比较高，以现有的技术可以较为容易的实现液态和超临界状态；另外，采用二氧化碳作为工质还可以减少温室气体的排放，是实现碳中和的一种有效方式。
申请人在对压缩二氧化碳储能系统的研究中发现，现有的热能储存装置利用换热器将压缩热回收并储存在同一装置中，超临界的二氧化碳在换热器中物性随温度的变化剧烈，换热温差大，换热性能差，
损大，导致蓄热介质温度较低，因此会导致释能时透平的功率输出减少。综上，亟需一种新的压缩二氧化碳储能系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本实用新型提供的分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统具有较高的效率。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，包括：
第一储气室；
第一压缩机，所述第一压缩机的进口与所述第一储气室的出口相连通；
第一冷却器，所述第一冷却器的热源通道进口与所述第一压缩机的出口相连通；
第二压缩机，所述第二压缩机的进口与所述第一冷却器的热源通道出口相连通；
第二冷却器，所述第二冷却器的热源通道进口与所述第二压缩机的出口相连通；
第二储气室，所述第二储气室的进口与所述第二冷却器的热源通道出口相连通；
第一加热器，所述第一加热器的冷源通道进口与所述第二储气室的出口相连通；
第一透平，所述第一透平用于膨胀做功驱动预设的发电机发电；所述第一透平的进口与所述第一加热器的冷源通道出口相连通；
第二加热器，所述第二加热器的冷源通道进口与所述第一透平的出口相连通；
第二透平，所述第二透平用于膨胀做功驱动预设的发电机发电；所述第二透平的进口与所述第二加热器的冷源通道出口相连通，所述第二透平的出口与所述第一储气室的进口相连通；
第一水储罐，所述第一水储罐的进口分别与所述第一加热器的热源通道出口、所述第二加热器的热源通道出口相连通，所述第一水储罐的出口分别与所述第一冷却器的冷源通道进口、第二冷却器的冷源通道进口相连通；
第二水储罐，所述第二水储罐的进口与所述第二冷却器的冷源通道分段点出口相连通，所述第二水储罐的出口与所述第一加热器的热源通道分段点进口相连通。
本实用新型的进一步改进在于，所述第一水储罐、第二水储罐的储热介质为加压水。
本实用新型的进一步改进在于，所述第一水储罐、第二水储罐设置有绝热保温层。
本实用新型的进一步改进在于，还包括：第三水储罐，所述第三水储罐的进口与所述第二冷却器的冷源通道出口相连通，所述第三水储罐的出口与所述第一加热器的热源通道进口相连通。
本实用新型的进一步改进在于，所述第三水储罐的储热介质为加压水；所述第三水储罐设置有绝热保温层。
本实用新型的进一步改进在于，还包括：第四水储罐，所述第四水储罐的进口与所述第一冷却器的冷源通道出口相连通，所述第四水储罐的出口与所述第二加热器的热源通道进口相连通。
本实用新型的进一步改进在于，所述第四水储罐的储热介质为加压水；所述第四水储罐设置有绝热保温层。
本实用新型的进一步改进在于，所述第一储气室的出口处还设置有第一节流阀。
本实用新型的进一步改进在于，所述第二储气室的出口处还设置有第二节流阀。
本实用新型的进一步改进在于，所述第一储气室、所述第二储气室的介质为压缩二氧化碳。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型提供的系统，采用二氧化碳作为压缩气体储能系统的工质，相比于压缩空气储能系统，该系统具有结构紧凑、储能密度高以及工作高效等优点；并且系统采用闭环循环的运行方式，不会向环境排放温室气体，是一种绿色的储能技术。具体的，本实用新型在第二冷却器冷侧设置分段点，使得冷却水流量适应超临界二氧化碳变化的物性，减小两流体的换热温差，使端点出口的工质水能达到更高的温度；在第一加热器热侧设置分段点，使水由分段点入口进入第一加热器，以适应加热器中超临界二氧化碳物性的剧烈变化。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本实用新型实施例的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统的示意图；
图1中：1-第一储气室；2-第一节流阀；3-第一压缩机；4-电动机；5-第一冷却器；6-第二压缩机；7-第二冷却器；8-第二储气室；9-第二节流阀；10-第一加热器；11-第一透平；12-第二加热器；13-第二透平；14-发电机；15-第一水储罐；16-第二水储罐；17-第三水储罐；18-第四水储罐。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
请参阅图1，本实用新型实施例的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，包括：
第一储气室1(示例性的，地下低压储气室等)，用于低压储气；所述第一储气室1设置有进口和出口；
第一压缩机3(示例性的，低压压缩机)，所述第一压缩机3用于被预设的电动机4驱动；所述第一压缩机3设置有进口和出口；所述第一压缩机3的进口与所述第一储气室1的出口相连通；
第一冷却器5，所述第一冷却器5设置有冷源通道和热源通道；所述第一冷却器5的热源通道进口与所述第一压缩机3的出口相连通；
第二压缩机6(示例性的，高压压缩机)，所述第二压缩机6用于被预设的电动机4驱动；所述第二压缩机6设置有进口和出口；所述第二压缩机6的进口与所述第一冷却器5的热源通道出口相连通；
第二冷却器7，所述第二冷却器7设置有冷源通道和热源通道；所述第二冷却器7的热源通道进口与所述第二压缩机6的出口相连通；
第二储气室8(示例性的，地下高压储气室等)，用于高压储气；所述第二储气室8设置有进口和出口；所述第二储气室8的进口与所述第二冷却器7的热源通道出口相连通；
第一加热器10(示例性的，高压加热器)，所述第一加热器10设置有冷源通道和热源通道；所述第一加热器10的冷源通道进口与所述第二储气室8的出口相连通；
第一透平11(示例性的，高压透平)，所述第一透平11用于膨胀做功驱动预设的发电机14发电；所述第一透平11设置有进口和出口；所述第一透平11的进口与所述第一加热器10的冷源通道出口相连通；
第二加热器12(示例性的，低压加热器)，所述第二加热器12设置有冷源通道和热源通道；所述第二加热器12的冷源通道进口与所述第一透平11的出口相连通；
第二透平13(示例性的，低压透平)，所述第二透平13用于膨胀做功驱动预设的发电机14发电；所述第二透平13设置有进口和出口；所述第二透平13的进口与所述第二加热器12的冷源通道出口相连通，所述第二透平13的出口与所述第一储气室1的进口相连通。
本实用新型实施例优选的还包括第一水储罐15(也即温水储罐)、第二水储罐16(也即中温水储罐)、第三水储罐17(也即第一高温储罐)和第四水储罐18(也即第二高温储罐)；其中，所述第一水储罐15的进口分别与所述第一加热器10、第二加热器12的热源通道出口相连通，所述第一水储罐15的出口分别与所述第一冷却器5、第二冷却器7的冷源通道进口相连通；所述第二水储罐16的进口与所述第二冷却器7的冷源通道分段点出口相连通，所述第二水储罐16的出口与所述第一加热器10的热源通道分段点进口相连通；所述第三水储罐17的进口与所述第二冷却器7的冷源通道出口相连通，所述第三水储罐17的出口与所述第一加热器10的热源通道进口相连通；所述第四水储罐18的进口与所述第一冷却器5的冷源通道出口相连通，所述第四水储罐18的出口与所述第二加热器12的热源通道进口相连通。
本实用新型实施例优选的，在所述第一储气室1的出口处设置有第一节流阀2(解释性的，储能节流阀)，在所述第二储气室8的出口处设置有第二节流阀9(解释性的，释能节流阀)。
本实用新型实施例可选的，储热装置中的储热介质为加压水；水储罐外部设绝热保温材料。
本实用新型实施例提供系统的工作原理主要包括：系统的工作过程分为储能过程和释能过程；
在储能过程中，气态的低压二氧化碳由地下低压储气室流出，经过储能节流阀压力降低至恒定压力值后进入低压压缩机被压缩，压缩后的气体二氧化碳经低压冷却器释放热量后温度降低，然后进入高压压缩机被压缩，压缩后的高压二氧化碳经高压冷却器释放热量，降低温度后的气态高压二氧化碳被储存在地下高压储气室。同时，温水储罐流出的工质水分别进入低压冷却器和高压冷却器吸收压缩热，进入低压冷却器的工质水吸收热量后被储存在第二高温水储罐中，进入高压冷却器的工质水，一部分由分段点出口流出，储存在中温水储罐中，剩余部分由端点出口流出，储存在第一高温水储罐中，储能过程完成。
在释能过程中，气态的高压二氧化碳从地下高压储气室流出，经释能节流阀降压至恒定压力值，进入高压加热器吸收热量变成高温高压气态二氧化碳，随后进入高压透平膨胀做功，膨胀后的二氧化碳进入低压加热器吸热温度升高，然后进入低压透平膨胀做功，膨胀后的低压气态二氧化碳进入地下低压储气室储存。同时，中温水储罐中的中温水经高压加热器分段点入口进入，第一高温水储罐中的高温水由高压加热器端点入口进入，在高压加热器释放热量后的工质水进入温水储罐储存，储存在第二高温水储罐中的高温水经低压加热器释放热量后储存在温水储罐。
本实用新型实施例的系统，采用二氧化碳作为压缩气体储能系统的工质，相比于压缩空气储能系统，该系统具有结构紧凑、储能密度高以及工作高效等优点；并且系统采用闭环循环的运行方式，不会向环境排放温室气体，是一种绿色的储能技术。本实用新型实施例改进点，对高压冷却器的结构进行了改进，在高压冷却器冷侧设置分段点，通过将一部分工质水在分段点出口排出的方式，使得冷却水流量适应超临界二氧化碳变化的物性，减小两流体的换热温差，使端点出口的工质水能达到更高的温度；并且采用三罐式的热能储存方式，将低压冷却器出口、高压冷却器分段点出口以及端点出口的不同温度储热介质储存在三个不同的储水罐，避免了不同温度工质水混合储存带来的高温水温度降低问题。本实用新型实施例改进点，对高压加热器的结构进行了改进，在高压加热器热侧设置分段点，使中温水储罐的中温水由分段点入口进入高压加热器，第一高温水储罐中的高温水由端点入口进入高压加热器，以适应加热器中超临界二氧化碳物性的剧烈变化，从而使高温水将高压二氧化碳加热至更高的温度，使高压透平的功率输出得到提高。
本实用新型实施例的又一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，具体包括：地下低压储气室出口端连接至低压压缩机，低压压缩机通过电动机驱动，低压压缩机出口端通过低压冷却器连接至高压压缩机，高压压缩机通过电动机驱动，高压压缩机出口端通过高压冷却器连接至地下高压储气室，地下高压储气室出口端通过高压加热器连接至高压透平，高压透平连接有发电机，高压透平出口通过低压加热器连接至低压透平，低压透平连接有发电机，低压透平出口连接至地下低压储罐，还包括温水储罐，温水储罐出口连接至高压冷却器，高压冷却器分段点出口通过中温水储罐连接至高压加热器分段点入口，高压冷却器端点出口通过第一高温水储罐连接至高压加热器端点入口，高压加热器出口连接至温水储罐，温水储罐还通过低压冷却器连接至第二高温水储罐，第二高温水储罐出口通过低压加热器连接至温水储罐。
上述实施例提供系统的工程过程具体包括储能过程和释能过程；
在储能过程中，低压气态二氧化碳由地下低压储气室经储能节流阀进入低压压缩机被压缩，压缩后的二氧化碳经低压冷却器释放热量，然后进入高压压缩机被压缩至高压，低压压缩机及高压压缩机由多余电能驱动电动机带动，压缩后的高压二氧化碳经高压冷却器释放热量后，进入地下高压储气室储存，同时，温水储罐中的温水被分别送入低压冷却器和高压冷却器，压缩机产生的压缩热经低压冷却器和高压冷却器传递给温水，吸热后的不同温度工质水被分别存储在中温水储罐、第一高温水储罐以及第二高温水储罐，储能过程结束；
在释能过程中，高压气态二氧化碳由地下高压储气室经释能节流阀进入高压加热器，在高压加热器中二氧化碳吸收热能温度升高，然后进入高压透平膨胀做功，膨胀后的二氧化碳经低压加热器吸收热量后进入低压透平膨胀做功，高压透平及低压透平带动发电机输出平稳电能，膨胀后的低压二氧化碳进入地下低压储气室储存，同时中温水储罐以及第一高温水储罐中的工质水流入高压加热器加热高压二氧化碳，第二高温水储罐中的工质水流入低压加热器加热低压二氧化碳，高压加热器及低压加热器中释放热量后的工质水被存储在温水储罐，释能过程结束。
综上，本实用新型公开了一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，以解决超临界二氧化碳换热时存在的
损大的问题。本实用新型主要由压缩机组，冷却器，储水罐，加热器，透平机组，地下储气室，节流阀组成。本实用新型通过改进超临界冷却器和加热器，将冷却水从冷却器中间抽出一部分然后在加热器中间导入，对分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统的热能分配利用方式进行了优化，相比于传统系统中的热能利用方式，优化后的系统采用三罐式的热能储存方式，避免了不同温度蓄热介质的混合储存，使得高压加热器出口的二氧化碳被加热到更高的温度，提高了高压透平的功率输出，进而提高了系统的效率；所提出的系统对于提高二氧化碳储能系统的性能以及促进其大规模应用有着重要的现实意义。本实用新型的分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统中，从超临界冷却器中间抽出一部分冷却水进行存储，剩余的冷却水继续被加热然后存储在另一个储罐，蓄热介质由混合储存的方式改为三罐式储存，释能时将热水在不同位置分别输送到超临界加热器中将出口的二氧化碳加热到更高的温度，来增加高压涡轮机的输出，进而提高整个系统的效率。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：
第一储气室(1)；
第一压缩机(3)，所述第一压缩机(3)的进口与所述第一储气室(1)的出口相连通；
第一冷却器(5)，所述第一冷却器(5)的热源通道进口与所述第一压缩机(3)的出口相连通；
第二压缩机(6)，所述第二压缩机(6)的进口与所述第一冷却器(5)的热源通道出口相连通；
第二冷却器(7)，所述第二冷却器(7)的热源通道进口与所述第二压缩机(6)的出口相连通；
第二储气室(8)，所述第二储气室(8)的进口与所述第二冷却器(7)的热源通道出口相连通；
第一加热器(10)，所述第一加热器(10)的冷源通道进口与所述第二储气室(8)的出口相连通；
第一透平(11)，所述第一透平(11)用于膨胀做功驱动预设的发电机(14)发电；所述第一透平(11)的进口与所述第一加热器(10)的冷源通道出口相连通；
第二加热器(12)，所述第二加热器(12)的冷源通道进口与所述第一透平(11)的出口相连通；
第二透平(13)，所述第二透平(13)用于膨胀做功驱动预设的发电机(14)发电；所述第二透平(13)的进口与所述第二加热器(12)的冷源通道出口相连通，所述第二透平(13)的出口与所述第一储气室(1)的进口相连通；
第一水储罐(15)，所述第一水储罐(15)的进口分别与所述第一加热器(10)的热源通道出口、所述第二加热器(12)的热源通道出口相连通，所述第一水储罐(15)的出口分别与所述第一冷却器(5)的冷源通道进口、第二冷却器(7)的冷源通道进口相连通；
第二水储罐(16)，所述第二水储罐(16)的进口与所述第二冷却器(7)的冷源通道分段点出口相连通，所述第二水储罐(16)的出口与所述第一加热器(10)的热源通道分段点进口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一水储罐(15)、第二水储罐(16)的储热介质为加压水。
3.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一水储罐(15)、第二水储罐(16)设置有绝热保温层。
4.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，还包括：
第三水储罐(17)，所述第三水储罐(17)的进口与所述第二冷却器(7)的冷源通道出口相连通，所述第三水储罐(17)的出口与所述第一加热器(10)的热源通道进口相连通。
5.根据权利要求4所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第三水储罐(17)的储热介质为加压水；所述第三水储罐(17)设置有绝热保温层。
6.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，还包括：
第四水储罐(18)，所述第四水储罐(18)的进口与所述第一冷却器(5)的冷源通道出口相连通，所述第四水储罐(18)的出口与所述第二加热器(12)的热源通道进口相连通。
7.根据权利要求6所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第四水储罐(18)的储热介质为加压水；所述第四水储罐(18)设置有绝热保温层。
8.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一储气室(1)的出口处还设置有第一节流阀(2)。
9.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第二储气室(8)的出口处还设置有第二节流阀(9)。
10.根据权利要求1所述的一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一储气室(1)、所述第二储气室(8)的介质为压缩二氧化碳。
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| CN202122923864.9U CN216240843U (zh) | 2021-11-25 | 2021-11-25 | 一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统 |
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| CN202122923864.9U CN216240843U (zh) | 2021-11-25 | 2021-11-25 | 一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN216240843U true CN216240843U (zh) | 2022-04-08 |
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| CN202122923864.9U Active CN216240843U (zh) | 2021-11-25 | 2021-11-25 | 一种分梯度蓄热的压缩二氧化碳储能系统 |
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| CN (1) | CN216240843U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117780456A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-29 | 北京前沿动力科技有限公司 | 一种恒压式压缩二氧化碳储能系统及运行方法 |
-
2021
- 2021-11-25 CN CN202122923864.9U patent/CN216240843U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117780456A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-29 | 北京前沿动力科技有限公司 | 一种恒压式压缩二氧化碳储能系统及运行方法 |
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