CN218722401U - 一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统。该系统包括二氧化碳储能及释能单元、吸附式热泵单元、冷却液化单元。所述二氧化碳储能及释能单元，包括二氧化碳低压储罐、止回控制阀、二氧化碳预热换热器、二氧化碳回热器、二氧化碳压缩机、吸附器、二氧化碳高压储罐、二氧化碳高压储罐出口开关阀、二氧化碳工质泵、二氧化碳膨胀机入口热再生器、二氧化碳膨胀机、发电机、二氧化碳膨胀机出口冷却器，系统利用吸附式热泵技术，将二氧化碳储能单元中压缩机出口热量传递至二氧化碳膨胀机入口热再生器使用，同时利用吸附过程实现二氧化碳工质的冷却液化。系统不需要外界燃料补燃，且不需要利用外界冷能即可实现高效率、高密度储能。该系统应用范围广泛，尤其可以在缺水、干旱地区使用，具有良好的适应性。

Description

一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统

技术领域

本实用新型属于物理储能技术领域，涉及一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统。

背景技术

随着社会的发展，储能技术愈发受到社会的重视。储能系统可以实现大容量的热量或能量储存，在需要能量的时候再平稳的释放出来以供发电或其他利用，它被认为是保证可再生能源稳定、可持续利用的绿色解决方案。在现有的储能技术中，二氧化碳为工质的储能系统得到广泛关注。二氧化碳储能是一种很有前途的储能技术，由于其能量密度高、受地理条件限制少而成为研究热点。在如今“碳中和”、“碳达峰”的大背景下，二氧化碳作为一种环保、不易燃、无毒的自然流体，受到高度重视。

吸附式热泵是一种以低品位热能驱动的节能环保型热泵技术，其基本结构由蒸发器、冷凝器、膨胀阀以及吸附器构成。其基本工作原理为：工作介质在蒸发器中转变为气相，气相的工作介质进入吸附器中实现吸附。此后，吸附器中吸附的工作介质在受到外部高温能量刺激，例如废热时，工作介质在吸附器中实现脱附。脱附后的工作介质在冷凝器中液化并且释放热量，液化后的工作介质再次回到蒸发器中。在吸附式热泵循环中，吸附现象起到了机械能的作用，以致工作流体可以不需要机械能而达到循环流动。

对于目前常见的以二氧化碳为工质的储能系统，多以气相、超临界相实现二氧化碳的存储，这种方式导致二氧化碳存储的体积过大、储能密度低；此外，

为了提高系统性能，多以水为工质实现二氧化碳储能系统压缩过程热的回收与再利用，储能系统不仅消耗了大量的水资源，且泵的耗功量较大，在经济性、环保性方面均存在明显不足。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，包括：二氧化碳储能及释能单元、吸附式热泵单元、冷却液化单元，所述二氧化碳储能及释能单元，包括二氧化碳低压储罐、止回控制阀、二氧化碳预热换热器、二氧化碳回热器、二氧化碳压缩机、吸附器、二氧化碳高压储罐、二氧化碳高压储罐出口开关阀、二氧化碳工质泵、二氧化碳膨胀机入口热再生器、二氧化碳膨胀机、发电机、二氧化碳膨胀机出口冷却器，其中：所述二氧化碳低压储罐的出口通过管路与所述二氧化碳预热换热器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳预热换热器的冷侧出口通过管路与所述二氧化碳回热器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳回热器的冷侧出口通过管路与所述二氧化碳压缩机的入口相连通；所述二氧化碳压缩机的出口通过管路与所述吸附器的管侧入口相连通；所述吸附器管侧出口通过管路与所述二氧化碳回热器的热侧入口相连通；所述二氧化碳回热器的热侧出口通过管路与所述二氧化碳高压储罐的入口相连通；所述二氧化碳高压储罐的出口通过管路与所述二氧化碳工质泵入口相连通，所述二氧化碳工质泵出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的冷侧出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机入口相连通；所述二氧化碳膨胀机出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的热侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的热侧出口通过管路与所述二氧化碳低压储罐的入口相连通；所述二氧化碳膨胀机传动连接所述发电机；

所述吸附式热泵单元，包括蒸发装置、蒸发装置出口开关阀、吸附器出口开关阀、吸附式热泵单元储罐、吸附式热泵单元储罐出口开关阀、冷凝装置，其中：所述蒸发装置的壳侧出口通过管路与所述吸附器的壳侧入口相连通；所述吸附器壳侧出口通过管路与所述吸附式热泵单元储罐入口相连通；所述吸附式热泵单元储罐出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的热侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的热侧出口通过管路与所述冷凝装置的热侧入口相连通；所述冷凝装置的热侧出口通过管路与所述蒸发装置的壳侧入口相连通；

所述冷却液化单元，包括冷却液化单元储罐、工质泵，其中：所述冷却液化单元储罐的出口通过管路与所述工质泵入口相连通；所述工质泵出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的冷侧出口通过管路与所述蒸发装置的管侧入口相连通；所述蒸发装置的管侧出口通过管路与所述冷却液化单元储罐的入口相连通。

优选的，所述二氧化碳低压储罐的出口与所述二氧化碳预热换热器相连通的管路上设置有所述止回控制阀。

优选的，所述二氧化碳高压储罐的出口与所述二氧化碳工质泵入口相连通的管路上设置有所述二氧化碳高压储罐出口开关阀。

优选的，所述蒸发装置的壳侧出口与所述吸附器的壳侧入口相连通的管路上设置有所述蒸发装置出口开关阀。

优选的，所述吸附器壳侧出口与所述吸附式热泵单元储罐入口相连通的管路上设置有所述吸附器出口开关阀。

优选的，所述吸附式热泵单元储罐与所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的热侧入口的连通管路上还设置有所述吸附式热泵单元储罐出口开关阀。

需要说明的是，所述二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统的吸附式热泵单元可采用活性炭-氨等常见工质对，也可采用复合吸附材料-氨等工质对。

需要说明的是，所述冷却液化单元的循环工质可采用三相点低于零下四十摄氏度的工质，如氨、甲烷等。

需要说明的是，所述吸附式热泵单元的冷凝装置可使用空气作为冷却工质。

由以上技术方案可知，本实用新型的二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，其技术优点是：

1、本实用新型通过二氧化碳储能与吸附式热泵循环的联合利用，更高效、合理地利用了二氧化碳储能系统的压缩过程热，优化了对热量的利用效果，同时减少了泵功的消耗，提升了系统效率。

2、本实用新型利用吸附式热泵循环，实现了二氧化碳在释能阶段的液化，提升了工质的存储密度，避免了以气相或超临界相存储二氧化碳，减少了系统对存储空间的依赖。

3、本实用新型不涉及水的使用，因此系统的适用性较强，尤其适用于干旱、缺水地区，为缺水地区实现储能、发电提供了一种有效手段，有更好的经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统示意图。

图中：二氧化碳低压储罐1，止回控制阀2，二氧化碳预热换热器3、二氧化碳回热器4、二氧化碳压缩机5、二氧化碳高压储罐6、二氧化碳高压储罐出口开关阀7、二氧化碳工质泵8、二氧化碳膨胀机入口热再生器9、二氧化碳膨胀机10、发电机11、二氧化碳膨胀机出口冷却器12、蒸发装置13、蒸发装置出口开关阀14、吸附器15、吸附器出口开关阀16、吸附式热泵单元储罐17、吸附式热泵单元储罐出口开关阀18、冷凝装置19、冷却液化单元储罐20、工质泵21。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，由二氧化碳低压储罐1，止回控制阀2，二氧化碳预热换热器3、二氧化碳回热器4、二氧化碳压缩机5、二氧化碳高压储罐6、二氧化碳高压储罐出口开关阀7、二氧化碳工质泵8、二氧化碳膨胀机入口热再生器9、二氧化碳膨胀机10、发电机11、二氧化碳膨胀机出口冷却器12、蒸发装置13、蒸发装置出口开关阀14、吸附器15、吸附器出口开关阀16、吸附式热泵单元储罐17、吸附式热泵单元储罐出口开关阀18、冷凝装置19、冷却液化单元储罐20、工质泵21等多个部件组成。

具体地，本实用新型的二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，可划分为二氧化碳储能及释能单元、吸附式热泵单元、冷却液化单元等3个功能单元。

二氧化碳储能及释能单元，包括二氧化碳低压储罐1、止回控制阀2、二氧化碳预热换热器3、二氧化碳回热器4、二氧化碳压缩机5、吸附器15、二氧化碳高压储罐6、二氧化碳高压储罐出口开关阀7、二氧化碳工质泵8、二氧化碳膨胀机入口热再生器9、二氧化碳膨胀机10、发电机11、二氧化碳膨胀机出口冷却器12，其中，二氧化碳低压储罐1的出口通过管路与二氧化碳预热换热器3的冷侧入口相连通，两者之间的连通管路上设置有止回控制阀2；二氧化碳预热换热器3的冷侧出口通过管路与二氧化碳回热器4的冷侧入口相连通；二氧化碳回热器4的冷侧出口通过管路与二氧化碳压缩机5的入口相连通；二氧化碳压缩机5的出口通过管路与吸附器15的管侧入口相连通；吸附器15管侧出口通过管路与二氧化碳回热器4的热侧入口相连通；二氧化碳回热器4的热侧出口通过管路与二氧化碳高压储罐6的入口相连通；二氧化碳高压储罐6的出口通过管路与二氧化碳工质泵8的入口相连通，两者之间的连通管路上设置有二氧化碳高压储罐出口开关阀7；二氧化碳工质泵8的出口通过管路与二氧化碳膨胀机入口热再生器9的冷侧入口相连通；二氧化碳膨胀机入口热再生器9的冷侧出口通过管路与二氧化碳膨胀机10的入口相连通；二氧化碳膨胀机10的出口通过管路与二氧化碳膨胀机出口冷却器12的热侧入口相连通；二氧化碳膨胀机出口冷却器12的热侧出口通过管路与二氧化碳低压储罐1的入口相连通；二氧化碳膨胀机10传动连接发电机11。

吸附式热泵单元，包括通过管路依次连接的蒸发装置13、蒸发装置出口开关阀14、吸附器出口开关阀16、吸附式热泵单元储罐17、吸附式热泵单元储罐出口开关阀18、冷凝装置19，其中，蒸发装置13的壳侧出口通过管路与吸附器15的壳侧入口相连通，两者之间的连通管路上设置有蒸发装置出口开关阀14；吸附器15壳侧出口通过管路与吸附式热泵单元储罐17的入口相连通，两者之间的连通管路上设置有吸附器出口开关阀16；吸附式热泵单元储罐17的出口通过管路与二氧化碳膨胀机入口热再生器9的热侧入口相连通，且吸附式热泵单元储罐17与二氧化碳膨胀机入口热再生器9的热侧入口的连通管路上，还设置有吸附式热泵单元储罐出口开关阀18；二氧化碳膨胀机入口热再生器9的热侧出口通过管路与冷凝装置19的热侧入口相连通；冷凝装置19的热侧出口通过管路与蒸发装置13的壳侧入口相连通。

冷却液化单元，包括冷却液化单元储罐20、工质泵21，其中，冷却液化单元储罐20的出口通过管路与工质泵21的入口相连通；工质泵21的出口通过管路与二氧化碳膨胀机出口冷却器12的冷侧入口相连通；二氧化碳膨胀机出口冷却器12的冷侧出口通过管路与蒸发装置13的管侧入口相连通；蒸发装置13的管侧出口通过管路与冷却液化单元储罐20的入口相连通。

需要说明的是，吸附式热泵单元可采用活性炭-氨等常见工质对，也可采用复合吸附材料-氨等工质对。

需要说明的是，冷却液化单元的循环工质可采用三相点低于零下四十摄氏度的工质，如氨、甲烷等。

需要说明的是，吸附式热泵单元上的冷凝装置可使用空气作为冷却工质。

工作原理及具体操作过程为：

以吸附式热泵单元的固体吸附剂为活性炭、被吸附工质为氨，冷却液化单元的循环工质为氨为例，在能量存储阶段，二氧化碳储能及释能单元工作、吸附式热泵单元工作。

二氧化碳低压储罐1供应低温低压(例如298K、8.4MPa)的液态二氧化碳，经过止回控制阀2进入二氧化碳预热换热器3的冷侧。在二氧化碳预热换热器3中，低温低压(例如298K、8.4MPa)的液态二氧化碳吸收外界的热量，温度升高。经过二氧化碳预热换热器3的换热之后，二氧化碳进入二氧化碳回热器4的冷侧，温度再次升高，此时液相的二氧化碳变为气相，随后进入二氧化碳压缩机5。

二氧化碳压缩机5由电动机带动，将气相二氧化碳进行压缩升压，得到高温高压(例如419K、32.2MPa)的二氧化碳。高温高压的二氧化碳经管道进入吸附器15的管侧。

吸附器15的壳侧存放着大量处于饱和状态的活性炭，受到高温二氧化碳的加热，活性炭完成脱附过程，释放氨气。

此时，吸附器出口开关阀16打开，吸附式热泵单元储罐出口开关阀18关闭，脱附出来的温度较高的氨气进入吸附式热泵单元储罐17内储存。同时，经换热之后的二氧化碳温度降低，离开吸附器15后，经过二氧化碳回热器4的热侧，温度进一步降低，状态由气相变为液相。随后，液相二氧化碳进入二氧化碳高压储罐6存储。至此，储能过程结束。

在能量释放阶段，二氧化碳释能及释能单元、吸附式热泵单元及冷却液化单元均工作，完成对外发电。首先，二氧化碳高压储罐出口开关阀7打开，二氧化碳高压储罐6供应高压液相二氧化碳，高压液相二氧化碳经二氧化碳工质泵8升压后进入二氧化碳膨胀机入口热再生器9的冷侧。

与此同时，吸附式热泵单元储罐出口开关阀18打开，吸附式热泵单元储罐17供应温度较高的氨气工质(例如400K)进入二氧化碳膨胀机入口热再生器9的热侧，与温度较低的高压液相二氧化碳(例如300K、35.4MPa)实现换热。二氧化碳吸收氨气工质的热量后，温度升高，由液相转化为气相，随后进入二氧化碳膨胀机10，推动二氧化碳膨胀机10做功，二氧化碳膨胀机10带动发电机11对外发电。

膨胀做功之后，二氧化碳进入二氧化碳膨胀机出口冷却器12的热侧，与此同时，冷却液化单元储罐20供应温度较低的液态氨(例如290K、0.82MPa)，液态氨由工质泵21泵送进入二氧化碳膨胀机出口冷却器12的冷侧。温度较高的二氧化碳(例如312K)与温度较低的氨实现换热(例如290K)，二氧化碳由气相变为液相，进入二氧化碳低压储罐1中存储，完成二氧化碳的回收。

在能量释放阶段，氨气在二氧化碳膨胀机入口热再生器9中与二氧化碳完成换热之后，温度降低，随后进入冷凝装置19的热侧。在冷凝装置19中，氨气与来自外界的温度相对较低的空气(例如280K)进行换热，氨气温度降低，由气态转变为液态。冷凝后的氨液回到蒸发装置13的壳侧。此时蒸发装置出口开关阀14打开，受吸附器15中未饱和活性炭的吸附作用，

蒸发装置13的壳侧压力降低，部分氨液气化，氨气化过程导致剩余氨液温度降低。气相的氨气通过管道进入吸附器15的壳侧，被活性炭吸附，活性炭达到饱和状态。同时，冷却液化单元储罐20供应的温度较低的氨(例如290K)，在二氧化碳膨胀机出口冷却器12中与二氧化碳完成换热之后，进入蒸发装置13的管侧。在蒸发装置13中，氨得到冷却，由气态转化为液态，进而回到冷却液化单元储罐20内，实现氨的回收。

对于该系统，除了可采用固体吸附剂为活性炭、被吸附工质为氨，冷却液化单元的循环工质为氨之外，还可以根据系统实际工况条件选取其他的吸附工质对与循环工质，具体的运行过程可参考上述介绍。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，包括：二氧化碳储能及释能单元、吸附式热泵单元、冷却液化单元，其特征在于，

所述二氧化碳储能及释能单元，包括二氧化碳低压储罐、止回控制阀、二氧化碳预热换热器、二氧化碳回热器、二氧化碳压缩机、吸附器、二氧化碳高压储罐、二氧化碳高压储罐出口开关阀、二氧化碳工质泵、二氧化碳膨胀机入口热再生器、二氧化碳膨胀机、发电机、二氧化碳膨胀机出口冷却器，其中：

所述二氧化碳低压储罐的出口通过管路与所述二氧化碳预热换热器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳预热换热器的冷侧出口通过管路与所述二氧化碳回热器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳回热器的冷侧出口通过管路与所述二氧化碳压缩机的入口相连通；所述二氧化碳压缩机的出口通过管路与所述吸附器的管侧入口相连通；所述吸附器管侧出口通过管路与所述二氧化碳回热器的热侧入口相连通；所述二氧化碳回热器的热侧出口通过管路与所述二氧化碳高压储罐的入口相连通；所述二氧化碳高压储罐的出口通过管路与所述二氧化碳工质泵入口相连通，所述二氧化碳工质泵出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的冷侧出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机入口相连通；所述二氧化碳膨胀机出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的热侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的热侧出口通过管路与所述二氧化碳低压储罐的入口相连通；所述二氧化碳膨胀机传动连接所述发电机；

所述吸附式热泵单元，包括蒸发装置、蒸发装置出口开关阀、吸附器出口开关阀、吸附式热泵单元储罐、吸附式热泵单元储罐出口开关阀、冷凝装置，其中：

所述蒸发装置的壳侧出口通过管路与所述吸附器的壳侧入口相连通；所述吸附器壳侧出口通过管路与所述吸附式热泵单元储罐入口相连通；所述吸附式热泵单元储罐出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的热侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的热侧出口通过管路与所述冷凝装置的热侧入口相连通；所述冷凝装置的热侧出口通过管路与所述蒸发装置的壳侧入口相连通；

所述冷却液化单元，包括冷却液化单元储罐、工质泵，其中：所述冷却液化单元储罐的出口通过管路与所述工质泵入口相连通；所述工质泵出口通过管路与所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的冷侧入口相连通；所述二氧化碳膨胀机出口冷却器的冷侧出口通过管路与所述蒸发装置的管侧入口相连通；所述蒸发装置的管侧出口通过管路与所述冷却液化单元储罐的入口相连通。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，其特征在于，所述二氧化碳低压储罐的出口与所述二氧化碳预热换热器相连通的管路上设置有所述止回控制阀。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，其特征在于，所述二氧化碳高压储罐的出口与所述二氧化碳工质泵入口相连通的管路上设置有所述二氧化碳高压储罐出口开关阀。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，其特征在于，所述蒸发装置的壳侧出口与所述吸附器的壳侧入口相连通的管路上设置有所述蒸发装置出口开关阀。

5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，其特征在于，所述吸附器壳侧出口与所述吸附式热泵单元储罐入口相连通的管路上设置有所述吸附器出口开关阀。

6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳储能与吸附式热泵联合发电系统，其特征在于，所述吸附式热泵单元储罐与所述二氧化碳膨胀机入口热再生器的热侧入口的连通管路上还设置有所述吸附式热泵单元储罐出口开关阀。

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